Сравнительная характеристика различных видов волокон
Свойства
Вид волокон
углеродные стеклянные базальтовые
Плотность, ×10
−3
кг/м
3
1,5–1,8
2,5
2,75
Предел прочности при растяжении, ГПа
1,5–3,5
3–4,6
1,8–2,8
Модуль упругости при растяжении, ГПа
150-600
70–85
95–100
Термический коэффициент линейного расширения, град
−1
–1,5 ×
10
−6
5,6 ×
10
−6
4,5 ×
10
−6
Теплостойкость, ℃
700–2000
500
600
Углеродные волокна обладают комплексом ценных механических и химико-физических
свойств, поэтому проявили себя как наиболее подходящие для применения в строительстве. Они
обладают высокой тепло- и атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и прони-
кающей радиации, химической стойкостью ко многим реагентам (концентрированные кислоты
и щелочи, практически все растворители). На них воздействуют лишь сильные окислители при
нагревании. Углеродные волокна биостойки и биоинертны, жаростойки и трудногорючи. Они
мало гигроскопичны, но благодаря развитой поверхности адсорбируют водяные пары (до влаж-
ности порядка 0,2–2 %), не меняя при этом своих физико-механических свойств.
Углеродные волокна имеют различные электрофизические свойства (от полупроводни-
ков до проводников) и, хотя сами не подвержены коррозии, могут вызывать электрохимиче-
скую коррозию при контакте со сталью.
Углеродные волокна выдерживают высокие циклические нагрузки, не подвержено пол-
зучести или коррозии под напряжением, а релаксация напряжений и коэффициент термиче-
ского расширения у него меньше, чем у стальных канатов, применяемых для предваритель-
ного напряжения бетона.
В зависимости от технологии производства и исходного материала углеродные волокна
можно условно разделить на две группы: высокомодульные и высокопрочные. Существуют
также волокна, в которых сочетаются высокая прочность и высокий модуль упругости. Од-
ним из недостатков углеродных волокон является их невысокая относительная деформация
при разрыве.
Углеродные композиты имеют самую высокую стоимость из рассматриваемых типов.
Существует множество разновидностей волокон из стекла, из них в строительстве в ос-
новном применяются три типа: Е, S и AR.
Стеклопластик обладает высокой прочностью, низкой теплопроводностью, устойчивостью
к агрессивным средам и резким перепадам температур, био-, влаго- и атмосферостойкостью.
Стеклопластик трудногорюч и при пожаре не выделяет ядовитых газов. Кроме того, по срав-
нению с углепластиком он имеет хорошие электроизоляционные свойства.
К недостаткам стеклопластика следует отнести подверженность коррозии под напряже-
нием, релаксации напряжений, а также чувствительность к влажности и щелочам. Это отно-
сится к алюмоборосиликатному стекловолокну, поэтому при изготовлении ПКМ с примене-
нием этого волокна к полимерному связующему предъявляют повышенные требования
по химической защите волокна от воздействия агрессивных сред. Этим требованиям наи-
лучшим образом отвечает эпоксифенольное полимерное связующее.
78
Наиболее дешевым является стекловолокна типа E, что делает его наиболее применяе-
мым. Стекловолокно типа S обладает более высокой прочностью и модулем упругости
по сравнению с другим типом. Кроме того, к настоящему времени как в нашей стране, так
и за рубежом, разработаны щелочестойкие (AR) стекловолокна с применением циркония.
Арамид — сокращенное название ароматического полиамида. Высокопрочные и высоко-
модульные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокой прочно-
стью при растяжении и модулем упругости, хорошими усталостными и диэлектрическими
свойствами, незначительной ползучестью. Благодаря низкой плотности арамидные волокна
по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие волокна
и металлические сплавы. Арамидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной
переработке: так, сохранение прочности после ткачества составляет 90 % исходной прочности
нитей, что дает возможность применять их в качестве тканых армирующих материалов.
Арамидные волокна являются наиболее термостойкими из всех рассмотренных, однако
они чувствительны к влажности и ультрафиолетовому излучению, а также подвержены ре-
лаксации и коррозии под напряжением. Из-за этого арамид сравнительно редко применяются
в строительстве — в основном для защиты колонн от ударной и взрывной нагрузки.
Альтернативными материалами, близкими по объему производства и стоимости к стек-
лянным волокнам, являются базальтовые. Как видно из табл. 7.2, по своим физико-меха-
ническим характеристикам базальтовые волокна близки к стеклянным. В то же время при
сравнении их химического состава с наиболее распространенными алюмоборосиликатными
волокнами наблюдается присутствие значительного количества (более половины) оксидов
металлов, что делает их более хемо- и термостойкими.
Базальтовые волокна в качестве армирующего наполнителя используют в виде коротких
ультратонких волокон (диаметром d = 0,4 мкм), коротких тонких (d = 3– 4 мкм) и длинно-
мерных
(d =
9–12
мкм) волокон, крученых нитей, лент, тканей различного переплетения.
Базальт относится к числу аморфных неорганических полимеров с различным составом
звеньев в полимере. В зависимости от места нахождения базальта его состав изменяется
в узких пределах и соответственно не столь резко изменяются и его свойства. Оксиды желе-
за, присутствующие в структуре волокон базальта, придают им бурую окраску.
Базальтовые волокна формуют из расплава по технологии, близкой к производству стек-
лянных волокон из природного сырья вулканического происхождения. Колебания в парамет-
рах свойств волокон определяются условиями формования (длительностью, степенью гомо-
генизации расплава, температурой вытяжки) и диаметром волокон.
Базальтовое волокно производят из различных горных пород близких по химическому
составу — базальта, базанитов, амфиболитов, габро- диабазов или их смесей. Производство
базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах и его
свободном вытекании через специальные устройства. Температура плавления — 1450 °С. Ба-
зальтовое волокно имеет лучшие физико-механические свойства, чем у стекловолокна и су-
щественно дешевле, чем углеродное волокно. Главные преимущества — огнестойкость и те-
пло и звукоизолирующая способность, стойкость к химическому воздействию: базальтовые
волокна обладают хорошей стойкостью к действию органических веществ (масел, раствори-
телей и др.) , а также к воздействию щелочей и кислот.
Роль полимерной матрицы в ПКМ заключается в придании изделию необходимой формы
и создании монолитного материала. Матрица объединяет в одно целое многочисленные во-
локна и позволяет композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки: растяже-
ние (как в направлении армирования, так и перпендикулярно ему), сжатие, изгиб, сдвиг.
В то же время матрица принимает участие в создании несущей способности композиции,
обеспечивая передачу усилий на волокна. За счет пластичной матрицы осуществляется пере-
дача усилий от разрушенных или дискретных (коротких) волокон соседним волокнам и умень-
шение концентрации напряжений вблизи различного рода дефектов. Матрица служит и за-
щитным покрытием, предохраняющим волокна от механических повреждений и окисления,
поэтому должна выдерживать большие деформации, чем волокна. От полимерной матрицы
зависят тепло- влагостойкость, стойкость к действию агрессивных сред, прочностные, ди-
79
электрические и другие свойства композитной арматуры. Поэтому полимерную матрицу для
композитов выбирают исходя из условий эксплуатации изделия.
В целом, чем меньше смолы в композите (при условии его полной пропитки), тем проч-
нее готовое изделие и тем меньше его масса.
В качестве матрицы для волокнистых полимерных композиционных материалов, приме-
няемых в строительстве, в настоящее время наиболее часто применяются полиэфирные
и эпоксидные смолы, относящиеся к так называемым термореактивным смолам. Эти смолы
обладают высокими упруго-прочностными характеристиками, хорошей технологичностью
и термостойкостью. Их недостатком является низкая вязкость разрушения, определяемая ма-
лой долей пластических деформаций. Основные свойства применяемых при изготовлении
композитной арматуры смол представлены в табл. 7.3.
Таблица 7.3
Достарыңызбен бөлісу: |