Применение полимерных композитных материалов в строительстве мостов для автодорог

Строительство автодорожных мостов – интенсивно развивающаяся отрасль. В ходе работ используются разные материалы. Самыми распространенными является железобетон, металл. Но масштабное развитие этой сферы требует применения более современных материалов, способных удовлетворить потребности отрасли по всем критериям, начиная от цены, заканчивая прочностью и массой. В строительстве мостовых сооружений уже стали использоваться полимерные композитные материалы (ПКМ). Из них уже построено по всему миру несколько сотен мостов для автодорог и пешеходов.

 

Применение ПКМ востребовано при возведении мостовых пролетов. В этой области ведутся исследования с учетом привлекательных для строительной сферы свойств, включая не только высокую степень прочности, но и более меньшую массу, по сравнению с тем же железобетоном, другие важные для возведения мостов характеристики. В настоящее время для производства ПКМ чаще используются 2 технологии, одной из которых является пултрузия. Каковы же преимущества применения полимерных композитных материалов в строительстве мостов для автодорог? Что представляют собой ПКМ? На эти и другие вопросы мы ответим в нашей статье об использовании этих материалов в мостостроении.

 

ПКМ — есть ли основания для использования в мостостроении?

 

Полимерные композитные материалы разрешены к использованию в строительстве. Тому основанием являются акты российского законодательства, в частности, распоряжение и постановление Правительства России за №1307-р от 2013 года и за №328 от 2014 года соответственно. ПКМ с армированными волокнами – распространенные материалы, которые применяются не только в строительной, но и в других сферах. Как строительные, ПКМ стали использоваться с 70-х годов прошлого века. Непосредственно в возведении мостов эти материалы применяются уже несколько десятилетий.

 

Исследования полимерных композитных материалов, несмотря на их широкое использование, продолжаются. В ходе исследовательских мероприятий находятся новые решения по изготовлению изделий, конструкций, которые отличаются прочностью, малым весом, долгим сроком службы. Применение ПКМ в мостостроении позволило уменьшить затраты на возведение мостов, повысить их эксплуатационные характеристики, снизить расходы на ремонт, что важно в условиях грамотной экономии.

 

Ученые уже доказали, что ПКМ отлично подходят для строительства, им присуща высокая степень прочности на разрыв, упругость. По ряду показателей эти материалы похожи на сталь и даже по некоторым из них ее превосходят, что делает их применение более предпочтительным, если учесть множество характеристик, позволяющих, например, строить мосты быстрее, чем из того же железобетона. Что же представляют собой полимерные композитные материалы? Расскажем подробнее.

 

Полимерные композитные материалы – что это такое?

 

Композит – неоднородный сплошной материал, состоит из 2 и более компонентов. Основными считаются:

• Армирующие элементы – они выполняют функцию обеспечения механических характеристик;
• Матрица – связующий компонент, она обеспечивает совместную работу элементов, названных армирующими.

 

Видов ПКМ достаточно много, каждый отличается по особенностям используемых при их производстве компонентов. Но всем присущи определенные признаки:

• Состав, форма компонентов определяются заранее;
• Количества компонентов именно столько, сколько нужно для обеспечения нужных свойств материала;
• Материал однороден и неоднороден, что зависит от масштаба. Первое определение присуще макромасштабу, второе – микромасштабу.

 

Армирующие волокна в композитах берут на себя основную нагрузку, обеспечивая прочность и жесткость элемента в направлении своего расположения. Матрица, окружающая волокна, объединяет их в единую систему, обеспечивая их совместную работу за счет своей жесткости и сцепления на границе "матрица-волокно". В итоге свойства композитного материала зависят от прочности волокон, жесткости матрицы и прочности их связи. Баланс этих параметров и определяет итоговые механические свойства и механизм разрушения материала.

 

ПКМ получили широкое применение в мостостроении. Как правило, это углепластик либо стеклопластик. Наилучшие результаты присуще тем видам, при изготовлении которых использовались волокна синтетического происхождения. Связующие материалы могут быть термореактивными или термопластичными. Первым присуще отверждение вследствие химической реакции, вторым – отверждение при охлаждении. В строительной сфере отдается предпочтение ПКМ с термореактивными связующими компонентами. В их качестве выступают полиэфирные и эпоксидные смолы. Вторым присуща более высокая жесткость, прочность, но стоят они дороже полиэфирных.

 

Волоконное армирование уникально тем, что материал и конструкция создаются одновременно в одном технологическом процессе. При объединении волокон и матрицы возникает синергетический эффект: композит приобретает свойства, которых нет у его отдельных компонентов. Качество и надежность композита напрямую зависят от прочности связи на границе «волокно-матрица», где концентрируются максимальные напряжения и часто начинается разрушение. Правильно сформированная граница критически важна для передачи нагрузки от матрицы к волокну и существенно повышает сопротивление материала трещинам. При этом важно отметить, что ПКМ легко сопротивляются усталости, так как их волокна способны обеспечить несущую способность при циклических нагрузках. Полимерные композитные материалы обладают рядом физико-механических свойств, которые позволяют их успешно использовать в целях строительства мостов – весьма сложных конструкций, которые не только должны быть максимально прочными, но и безопасными, а также долговечными.

 

Какие преимущества присущи ПКМ?

• Высокая прочность.
• Достойная жесткость.
• Небольшой вес.
• Стойкость к коррозии.
• Долгий срок службы.
• Стойкость к химикатам.

 

Кроме того, к преимуществам следует отнести отсутствие повышенных требований к техобслуживанию, уменьшение сроков возведения конструкций, что важно в условиях современного строительства мостовых сооружений.

 

Характеристики ПКМ позволяют применять их в создании пролетных конструкций мостов для автодорог. В процессе проектирования таких конструкций получается минимизировать:

• Линейные размеры;
• Вес конструкции.

 

В итоге получается использовать фундаменты меньшего размера, что ведет к снижению стоимости моста. Тот факт, что получается долговечная конструкция, дает возможность уменьшить расходы на ее содержание и обслуживание, чего нельзя сказать про сооружения, возведенные из традиционных материалов. Кроме того, ПКМ позволяют создавать конструктивные элементы с необходимыми свойствами, которые соответствуют характеру, а также условиям работы пролетных мостовых строений.

 

ПКМ однозначно лучше материалов, которые традиционно используются в мостостроении. Тому способствует соотношение прочности к массе. Это соотношение дает возможность возводить сооружения, которые по тем или иным причинам в определенный момент времени нужно перенести из одного места в другое, что происходит, например, при чрезвычайных ситуациях. Кроме того, если говорить о стеклопластике, то ему присуща большая прочность на разрыв. Конструкции из этого материала способны выдержать нагрузки, создаваемые при землетрясениях, что делает стеклопластик преимущественным выбором для целей возведения мостов в сейсмически активных районах.

 

Какие еще плюсы имеют полимерные композитные материалы?

• Способность не менять своих свойств при изменении погодных условий. Процесс оттаивания или замораживания не наносит ущерба целостности материалов.
• Отсутствие изменений при воздействии каких-то химических веществ.
• Высокая электроизоляция, что позволяет их использовать там, где высок риск поражения электротоком.
• Высокая теплоизоляция, что важно для эксплуатации мостов в течение всего срока их службы.
• Полимерные композитные материалы способны выдерживать циклическую нагрузку, обладают более высокой усталостной прочностью, что уменьшает риск появления трещин.

 

Еще один плюс касается эстетики. Конструкции из ПКМ можно окрашивать. Они позволяют реализовывать различные архитектурные замыслы. Соответственно, мосты могут выглядеть так, как было задумано архитекторами, дизайнерами на стадии проектирования, тем самым, позволяя создавать красивую среду с привлекательными по своему внешнему видами мостовыми сооружениями.

 

Каковы ограничения применения ПКМ в строительстве мостов?

 

Преимуществ полимерных композитных материалов достаточно много. О них мы рассказали выше. Но все равно есть ряд проблемных моментов, создающих сложности для их использования в пролетных мостовых сооружениях. Один из минусов – стоимость ПКМ выше, чем цена на материалы, традиционно применяемых в строительстве мостов для автодорог. Причиной тому является высокая стоимость:

• Материалов, из которых сделаны ПКМ;
• Технологий, используемых при изготовлении.

 

Если цена технологии при производстве одинаковых по конструктивным особенностям изделий снижается за счет повторяемости продукции, то в случае с мостами, как правило, добиться этого сложно. Ведь для мостовых сооружений зачастую требуются изделия, созданные на основе индивидуальной разработки. В результате конструкция получается дорогой. Но если учесть все плюсы, то можно легко прийти к мнению, что цена в данном случае не играет особой роли.

 

Стекло- и углепластики получили распространение в мостостроении благодаря удачному балансу прочности и веса. Однако существует, помимо высокой стоимости, еще ряд проблем.

• Анизотропия - неодинаковые свойства в разных направлениях, но снизить ее можно путем перекрестной укладки.
• Низкая упругость и стойкость к местным воздействиям, что ведет к риску деформаций.
• Чувствительность вследствие перепадов температур, что делает затруднительным совместные с другими материалами конструктивные решения.

 

Есть претензии к такой характеристике, как показатель пожаробезопасности ПКМ, но проблему решить можно путем использования огнезащитных покрытий с надежной адгезией. Есть возможность улучшить этот показатель, если материалы изготовлены с использованием, например, антипиренов, однако характеристики ПКМ меняются не в лучшую сторону, а их стоимость растет, причем результат по показателю огнестойкости оказывается весьма незначительным.

 

Какие технологии используются при производстве?

 

Технология производства влияет на характеристики полимерных композитных материалов. От выбранного технологического способа зависит прочность связи между компонентами с сохранением их исходных свойств. Производственные методы различны, так как различны применяемые материалы. В то же время технология изготовления способна влиять и на конечные характеристики изделия, и на его стоимость по итогу создания. Ученые выяснили, что наиболее подходящими способами производства пролетных мостовых конструкций является метод:

• Контактного формирования;
• Вакуумной инфузии;
• Пултрузии.

 

Первый способ прост по производственному процессу. Эта технология зачастую используется для производства элементов, имеющих крупные габариты с малой нагруженностью и с непростой конфигурацией. Имеет немало преимуществ, но они оказываются несущественными, если описать минусы. В частности, к последним относится немалый объем ручного труда, его вредность, много отходов, качество изделий страдает при отсутствии квалифицированных работников и многие другие недостатки.

 

Второй способ – вакуумная инфузия. Применяется для изготовления конструкций больших габаритов. Если говорить о строительстве мостов, то их конструкцию можно сделать за 1 технологический этап, что позволяет уменьшить объем сборочных работ. В плане дизайна технология дает возможность экспериментировать, что является плюсом способа изготовления. Есть еще ряд преимуществ, но присутствуют и недостатки. В частности, это высокая трудоемкость при производственных работах, нужно иметь высококвалицированных рабочих, ограничен выбор наполнителей, присутствуют трудности расчета равномерной подачи смолы, так как нет единой методики, что в свою очередь ведет к необходимости пробных пропиток, ведь изделие может получиться не таким, каким оно должно быть по итогу производства.

 

Третий метод – пултрузия. Об этой технологии мы подробно рассказывали в нашей статье «Что такое пултрузия». Такой метод имеет больше преимуществ, чем недостатков, в результате чего пултрузия успешно используется для изготовления пролетных мостовых строений, позволяя строить надежные, прочные, современные мосты с улучшенными характеристиками по множеству параметров.

 

Как полимерные композитные материалы применяются в строительстве мостов?

 

Мосты при использовании ПКМ могут быть:

• Гибридными, то есть сделаны не только из композитных материалов, но и других, которые принято называть традиционными: металл, железобетон и пр.
• Цельнокомпозитными, то есть полностью изготовлены из ПКМ, кроме опор мостов.

 

По всему миру строятся подобные мосты. Так, в 1978 году в одном из американских штатов появился мост, в строительстве которого были использованы композиты. В частности, его проезжая часть была изготовлена из ПКМ. В последующие годы в ряде других стран начали появляться мостовые сооружения, возведенные с помощью полимерных композитных материалов, использованных чаще в качестве составного элемента. Гибридные мостовые сооружения строились в Китае, Великобритании, Испании, в Германии, Швейцарии и т.д. С развитием композитного производства и технологий изготовления стали появляться и целькомпозитные мосты. В России первый такой мост был построен в 2004 году. Его возвели в столице нашей страны – Москве. Опыт использования ПКМ довольно обширен. Но все равно постоянно ведется поиск новых решений в плане конструкций мостовых сооружений с учетом характеристик, свойств полимерных композитных материалов.

 

Заключение

 

Полимерные композитные материалы явно будут завоевывать рынок в будущем все больше и больше. Потому что они обладают рядом характеристик, позволяющих строить не только прочные, надежные конструкции, но и, в частности, если говорить о мостостроении, быстрее возводить сооружения, которые мало чем уступают конструкциям из традиционных материалов. Поиск новых решений в плане применения композитов в области строительства мостов ведется постоянно, что свидетельствует об интересе к такого типа материалам со стороны производителей и строителей. Однако важно отметить, что требуется проведение различных теоретических, а также экспериментальных исследований в данной области, чтобы лучше изучить свойства материалов, а также конструктивных элементов, созданных из ПКМ. Кроме того, нужно разрабатывать нормативные требования к проектированию и дальнейшей реализации проектных идей, которые предполагают строительство цельнокомпозитных мостов. В общем и целом, можно утверждать, что ПКМ – это материалы, которые совсем скоро могут заменить то, из чего привыкли строить мосты строители настоящего и прошлого времени.