-
-
-
WhatsApp
I. Обзор композитов FRP
Композиты, армированные волокном (FRP), представляют собой материалы, состоящие из полимерной матрицы и армирующих волокон. Благодаря удобству монтажа и уникальным физическим свойствам, FRP стали одной из самых широко применяемых технологий в области ремонта и модернизации бетонной инфраструктуры.
Волокна в композите обеспечивают необходимую прочность и жесткость, принимая на себя основные нагрузки, в то время как полимерная матрица фиксирует и защищает волокна, а также передаёт сдвиговые напряжения между ними.
Несмотря на эпизодическое использование волокон из древесины, целлюлозы или асбеста, основными армирующими материалами остаются стекловолокно, углеродное волокно, арамид и синтетические волокна. В качестве полимерной матрицы чаще всего применяются эпоксидные, винилэфирные или полиэфирные термореактивные смолы. FRP-материалы не проводят электричество, устойчивы к коррозии, легки и обладают высокой прочностью, что делает их востребованными в строительстве, автомобильной, судостроительной и аэрокосмической промышленности.
Композиты состоят из двух и более компонентов с различными физико-химическими свойствами, которые сохраняют индивидуальные характеристики в составе готового продукта. Именно синергия между различными материалами определяет эксплуатационные качества FRP.
Целью инженерного проектирования композитов является создание элементов с высокой прочностью, жесткостью и низкой плотностью. В промышленных материалах, таких как эпоксидные и полиэфирные смолы, в качестве армирующей фазы используются стекловолокно или углеродное волокно. Термопластичные полимеры, благодаря способности к повторной формовке, также находят применение в ряде специализированных задач.
II. Области применения композитов FRP
FRP-композиты применяются почти во всех видах современных инженерных конструкций: в авиации, космонавтике, судостроении, на морских платформах, в автомобилестроении, спортивном инвентаре, химическом оборудовании, мостах и зданиях.
С расширением их использования в биомедицине и гражданских сооружениях рынок FRP демонстрирует стремительный рост. Примерно 26% мирового рынка FRP занимает строительство.
Ключевыми факторами развития FRP являются инновационные формы и технологии, включая нанотрубки, наночастицы и модернизированные смолы.
На базе традиционных строительных материалов, таких как бетон и сталь, FRP активно продвигается в качестве альтернативы для конструктивных элементов и систем. В гражданском строительстве широко используются три категории FRP-продуктов:
- профили для новых сооружений
- арматура из FRP
- материалы для усиления конструкций
FRP обладает лёгкостью, устойчивостью к коррозии, высокой удельной прочностью и возможностью индивидуальной настройки, что делает его идеальным для армирования бетона, мостов, модульных конструкций, опалубки и сейсмоусиления.
III. Свойства арматуры из FRP
Во многих странах исследуется возможность замены стальной арматуры на FRP. Арматура из FRP обладает высокой коррозионной стойкостью, немагнитна, лёгкая, прочная и проста в обращении. Однако её слабая поперечная прочность и хрупкое разрушение без пластической деформации создают ограничения.
FRP-арматура плохо переносит воздействие высоких температур и пожаров, подвержена разрушению под нагрузкой и теряет прочность при изгибе. По стоимости на единицу массы и несущей способности она дороже традиционной стальной арматуры.
Наиболее серьёзные проблемы вызывает отсутствие пластичности и слабая сдвиговая прочность, особенно в железобетонных конструкциях с продольным и поперечным армированием, где возможен сдвиг по плоскости трещины.
Хотя предложены меры по ограничению использования FRP в опасных зонах, требуется дальнейшее совершенствование технологий. При росте объёмов производства ожидается снижение себестоимости. В определённых случаях FRP всё же остаётся экономически обоснованным решением.
IV. Применение FRP в усилении существующих зданий
Существующие конструкции могут терять прочность из-за окружающей среды, ошибок проектирования, отсутствия технического обслуживания или повреждений. Усиление FRP позволяет восстановить и даже повысить несущую способность.
FRP выпускается в виде полос, листов и тканей. Сегодняшние методы проектирования и монтажа внешнего армирования FRP обеспечивают эффективное усиление железобетонных, каменных, металлических и деревянных конструкций.
В Европе (CEB-FIP fib Bulletin 14) и США (ACI 440.2R-17) разработаны стандарты по внешнему армированию бетонных конструкций FRP-материалами.
Монтаж может осуществляться методом заводской сборки или ручного ламинирования. Пример — нанесение эпоксидной смолы и тканей прямо на поверхность железобетона.
Также FRP используется в тонкостенных изделиях, например, в виде сеток или армирующих тканей. Хотя восстановление обходится дороже нового строительства, в странах с высокой стоимостью труда выбор материалов с высокой эффективностью и долговечностью оказывается оправданным.
V. Применение FRP в новом строительстве
В новых сооружениях на основе FRP применяются в основном профили, полученные методом пултрузии. Это автоматизированный процесс непрерывного формования профилей постоянного сечения.
Хотя механические свойства FRP похожи на древесину, их геометрия имитирует элементы из стали: двутавры, швеллеры, уголки, трубы и т.д.
FRP-профили применяются в строительстве зданий, мостов, градирен, химических заводов, железнодорожных платформ и морских сооружений. Пример — выставочный павильон "Eyecatcher", построенный в 1999 году в Швейцарии, стал первым в мире перемещаемым пятиэтажным зданием из FRP.
VI. Устойчивость и экологичность FRP
При оценке устойчивости FRP учитываются такие факторы, как потребление ископаемого топлива при производстве, загрязнение воздуха и кислотные выбросы. Кроме того, FRP сложно переработать, его нельзя повторно использовать как сталь или древесину.
Однако исследования жизненного цикла инфраструктурных объектов показывают, что FRP-композиты могут быть более выгодными по сравнению с традиционными материалами:
- высокая прочность и малый вес уменьшают расходы на транспорт и монтаж
- длительный срок службы и низкие затраты на обслуживание
- устойчивость к коррозии особенно актуальна в агрессивных средах (море, химия)
- способность продлевать срок службы зданий и мостов снижает потребность в сносе и строительстве