6. Создание композиционных материалов

К композиционным материалам относится большая часть строительных материалов. Это материалы, составленные из нескольких компонентов, укрепляющих и дополняющих друг друга. Композит работает как монолитный материал. Для того, чтобы он работал монолитно, необходимо выполнить три условия. У контактирующих материалов должны быть:

1. химическая совместимость компонентов;

2. близкие по значению коэффициенты линейного температурного расширения;

3. хорошая адгезия материалов друг к другу.

Невыполнение одного из перечисленных условий ведёт к разрушению материала. Так, если нарушить первое условие и обеспечить работу в контакте химически несовместимым материалам, например, алюминиевой арматуры в цементном бетоне, то через короткое время алюминиевый стержень разрушится, произойдут разрыхляющие структуру цементного камня реакции химического взаимодействия алюминия с гидроксидом кальция. Поэтому бетон не армируют алюминием, а армируют стальными стержнями. Даже стекловолокно для армирования бетона должно быть выполнено из щёлочестойкого стекла или покрыто изоляционной плёнкой во избежание прямого контакта стекла с цементным камнем. В этом случае возможна щелочная коррозия цементного камня от взаимодействия аморфного кремнезёма стекла с гидроксидом кальция.

Невыполнение второго условия также приводит к нарушению целостности композита. Совместная работа железобетона возможна ещё и потому, что у стали и цементного бетона почти одинаковы коэффициенты линейного температурного расширения, равные 10·10^-6град^-1. Если армировать низкомарочные бетоны, например, древесиной, то у неё КЛТР в два раза выше. При колебаниях температуры может произойти разъединение древесины с бетоном, монолитной работы не будет.

Для выполнения третьего условия на арматуре делают нарезку для лучшего сцепления с цементным камнем, хотя цементный камень имеет хорошую адгезию к металлу. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений, вследствие различного КЛТР.

Композиционные структуры состоят из матрицы – непрерывного компонента, объединяющего все ингредиенты, обеспечивающего монолитность, и распределяющего напряжения на материал в целом. Материал матрицы определяет технологию изготовления, размеры, форму изделия, его стойкость в окружающей среде. Роль матрицы могут выполнять вяжущие материалы (как у бетонов, растворов, фибролитов и др.), полимеры (у пластмассы, полимербетона, фанеры и др.), стекло (у керамики, ситаллов, керамогранита и др.), а также металлы, битумы и др.

Чтобы матрица была более твёрдой прочной и менее деформативной, её армируют или наполняют твёрдыми материалами в виде порошков, волокон, стержней или пластин. Порошковые наполнители делают из горных пород (известняк, мел, песок, тальк и др.), волокнистые – из неорганических и органических волокон (стекло, асбест, древесная стружка, отходы хлопка, полимерное волокно и др.), пластинчатые или листовые наполнители могут быть из ткани, картона, бумаги, шпона.

Механические свойства композиционного материала определяются жёсткостью матрицы, прочностью армирующего материала и прочностью связи матрицы с армирующим материалом. Работоспособность композита обеспечивается, как правильным выбором исходных компонентов, так и технологией изготовления материала, сохранением свойств каждого компонента.

Совмещение материалов в технологическом процессе изготовления осуществляется двумя способами:

• рациональным подбором компонентов и их однородным перемешиванием, формованием;

• пропитыванием или под давлением импрегнированием матрицы в готовый пористый материал.

Работая вместе в композиционном материале обеспечивается эффект сложения свойств – аддитивность. При наличии большего числа добавок структурирующего свойства и сильного армирующего компонента наводится более мощный эффект – синергетический. В таком случае при совмещении появляются более высокие физико-механические свойства, которых не было у материалов до их совмещения. Особенно это проявляется при ориентированной укладке волокон во время формования, при хаотичной укладке волокон – в меньшей степени. Так, стеклопластики с направленной укладкой стекловолокна в структуре обладают очень большой прочностью при растяжении – 1000 МПа, хотя стекловолокно и отдельно полимер имеют показатели гораздо ниже. Кроме того этот материал химически стоек, эффективен для изготовления труб, ёмкостей и конструкций.

В наше время получены интересные композиции, новые материалы: каутон, метон, теплопор, кальматрон, филизол и т.п.

Каутон – композиционный материал на основе жидкого каучука и наполнителей органического или неорганического происхождения даже таких, которые загрязняют окружающую среду (золы, шлаки, пиритные огарки и др.). Каучука расходуется всего 6-14%, под воздействием катализаторов он образует пространственную структуру, объединяя все компоненты, придавая новой композиции хорошие деформационно-прочностные характеристики, электроизоляционные, демпфирующие свойства, высокую адгезию к металлической поверхности. Прочность при сжатии 60-110 МПа, прочность при изгибе 20-40 МПа, водопоглощение – не более 0,05%, химически стоек. Эти свойства позволяют использовать каутон для защиты элементов и конструкций, работающих в агрессивной среде.

Метон (металлобетон) – высокоэффективный антифрикционный материал, способный к защите от γ – излучения. Свинцовая матрица и стеклоотходы в качестве армирующего компонента. Получили высокоплотный материал с физико-химическими связями между матрицей и заполнителями. Он дешевле чисто металлических изделий, прочнее и деформативнее в сравнении с бетоном. Высокая износостойкость, ослабление не только γ – излучений, но и быстрых нейтронов. Аморфный материал заполнителя не подвергается разупрочнению при излучении в отличие от кристаллических, склонных со временем к потере прочности из-за аморфизации и потере конструкционной воды.

Теплопор – синтезирован из неорганических вяжущих и техногенных отходов при твердении многокомпонентных смесей щелочных и кислотных оксидов на оборудовании для силикатных изделий. Полученные материалы содержат до 95% пор, имеют плотность 100-200 кг/м³, температуростойкость до 500°С.

Кольматрон – материал проникающего действия для ремонтно-восстановительных работ, защищает от протечек, коррозии. Представляет собой сухую смесь из цемента, песка и химически активных компонентов. При затворении водой и нанесении на поверхность бетона происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых формируются мало растворимые новообразования, заполняющие поры и капилляры. Защитный эффект достигается за счёт кольматирующего действия, повышающего непроницаемость бетона к ряду жидких и газообразных сред.

Филизол – кровельный рулонный материал, аналог импортного катепала, применяется в качестве верхнего слоя кровельного ковра на плоских кровлях серийных домов. Эти материалы на основе битумных матриц, модифицированных полимерами. Есть вариант филизола подкладочного, а также аналог – стекломаст. Для гидроизоляции подземных частей здания применяются новые материалы Voltex, Bentomat, гидропрокладка Waterstop и др. Это композиционные слоистые материалы на основе органических вяжущих в виде матов и жгутов. Или комбинированные материалы в виде полиэтиленовых матов, внутри которых гранулы натриевого бентонита с бутилкаучуком. Разработана и производится серия гидроизоляционных материалов на основе водных дисперсий эпоксидных смол.

и