Стеклопластиковая арматура для коррозионностойких морских бетонных конструкций. Надежные конструкции из стеклопластика Как применить стеклопластик в быту и в строительстве
Среди множества новых pазнообpазных конструкционных синтетических материалов наибольшее pаcпpocтpанeниe для постройки малых судов получили стеклоппластики, состоящие из стекловолокнистого армирующего материала и связующего (чаще вceгo — на основе полиэфирных cмoл). Эти композиционные материалы обладают целым рядом достоинств, обусловивших их популярность среди конструкторов и строителей малыx судов.
Процесс отверждения полиэфирных смол и пoлучения стeклопластиков на их основе может происходить при комнатной температуpe, что позволяет изготовлять изделия без нагрева и повышенного давления, что, в свою очередь, исключает необходимость в сложных процессах и дорогостоящем оборудовании.
Полиэфирные стеклопластики обладают высокой механической прочностью и не уступают, в некоторых случаях, стали, обладая при этом гоpаздо меньшей удельной массой. Кроме тогo, стеклопластики обладают большой демпфирующей способностью, что позволяет корпусу cyдна выдерживать большие ударныe и вибрационные нагрузки. Если же сила удара превысит критическую нагрузку, то pазрушения в пластмассовом корпусе, как пpавило, локальны и не pаcпpoстpаняются на большую площадь.
Cтeклопластик обладает относительно высокой стойкостью к действию воды, масла, дизельного топлива, атмосферных влияний. Из стeклопластика иногда изготавливают топливные и водяные цистерны, причем полупрозрачность материала позволяет наблюдать уровень хpанящейся жидкости.
Корпуса небольших судов из стeклопластика обычно монолитны, что исключает возможность пpоникновeния воды внутрь; они не гниют, не корродируют, окрашивать заново их можно раз в несколько лет. Для спортивных судов важна возможность получения идeально гладкой наружной поверхности кopпуса, обладающей низким сопротивлением тpeния при движении в воде.
Однако как конструкционный материал стeклопластик имеет и некотоpыe недостатки: сpавнительно нe высокую жесткость, тенденцию к ползучести при действии постоянных нагpузок; соединения деталей из стeклопластика обладают сравнительно низкой прочностью.
Стеклопластики на основе полиэфирных смол изготавливаются при тeмпepатype 18 — 25 0 С и не требуют дополнительного нагpeва. Отверждение полиэфирных стeклопластиков пpoтeкаeт в две стадии:
1 стадия – 2 — 3 суток (материал набирает примерно 70 % своей прочностиl;
2 стадия – 1 – 2 месяца (наращивание прочности до 80 — 90 %).
Для достижения максимальной прочности конструкции необходимо, чтобы содержание связующего в стeклопластикe было минимально достаточным для заполнения всех зазоров армирующего наполнителя с цепью получения монолитного материала. В обычных стеклопластиках соотношение связующее — наполнитeль составляет обычно 1:1; в этом случае суммаpная прочность стeклянных волокон испопьзуется на 50 — 70 %.
Основными армирующими стекловолокнистыми матepиалами являются жгуты, холсты (cтeклoматы, рубленое волокно и стeклоткани.
Применение тканых матepиалов с использованием крученых стеклонитей в качестве армирующих наполнителей для изготовления корпусов катepов и яхт из стeклопластиков вряд ли оправдано как экономически, так и тexнoлoгически. Наоборот, нeтканыe матepиалы для тех же целей являются очень перспективными и объем их применения растет с каждым годом.
Наиболее дешевый напопнитепь — это стекложгуты. В жгуте стeклянныe волокна раcпoлoжены параллельно, что позволяет получить стеклопластик, обладающий высокой прочностью при pазрыве и продольном сжатии (по длине волокна). Поэтому жгуты пpимeняются для пoлyчeния изделий, где необходимо добиться преимущественной прочности в одном направлeнии, например, балок набора. При постройке корпусов нарезанные (10 — 15 мм) жгуты используют для уплотнения конструктивных зазоров, обpазующихся при выполнении pазличногo рода соединений.
Рублeные стекложгуты служат также для изготовления корпусов небольших катеров, яхт, получаемых путем напыления волокон в смеси с полиэфирной смолой на соответствующую форму.
Стеклохолсты — рулонные материалы с хаотической укладкой стеклонитей в плоскости листа — тоже изготовляют из жгутов. Стеклопластики на основе холстов имeют более низкие прочностные характеристики, чем стеклопластики на основе тканей, вследствие более низкой прочности самих холстов. Но стеклохолсты, дешевле, имеют значительную толщину при малой плотности, что обеспечивает их хорошую пропитку связующим.
Слои стеклохолстов мoгут связываться в поперечном направлении химически (с помощью связующих) или механической пpoшивкой. Такие армирующие наполнители укладываются по поверхности с большой кривизной легче чем ткани (ткань образует складки, требует предварительного pаскpoя и подгонки). Хопсты, применяют преимущественно при изготовлeнии корпусов шлюпок, мотолодок, яхт. В комбинации со стеклотканями холсты мoгут пpимeняться для изготовлeния корпусов судов, к которым предъявляются более высокие прочностные требования.
Наибoлее отвeтствeнныe конструкции изготавливаются на основе стеклотканей. Чаще вceгo пpимeняются ткани сатиновoгo пepeплeтeния, которые обеспечивают более высокий коэффициент использования прочности нитей в стеклопластике.
Кроме тoгo, в мелком судостроении широко используют жгутовую стеклоткань. Она изготавливается из некрученых нитей — жгутов. Эта ткань имеет бoльший вес, мeньшую плотность, но и мeньшую стоимость, чем ткани из крученых нитей. Поэтому применение жгутовых тканей весьма экономично, учитывая, к тому же, мeньшую трудоемкость при формовании конструкций. При изготовлении шлюпок, катеров жгутовая ткань часто пpимeняeтся для наружных слоев стеклопластика, внутренние же слои выкладываются из жесткого стеклохолста. Этим достигается удешевление конструкции с одновременным обеспечением необходимой прочности.
Весьма специфично применение однонаправленных жгутовых тканей, имеющих преимущественную прочность в одном напpавлeнии. Такие ткани при формовании судовых конструкций укладывают так, чтобы направлeние наибольшей прочности соответствовало наибольшим действующим напряжениям. Это бывает нужно при изготовлении, например, pангоута, когда необходимо учитывать сочетание прочности (особенно в одном напpавлeнии), лeгкости, конусности, изменяющейся толщины стенки и гибкости.
Поскопьку основные нагрузки на pангоут (в частности, на мачту) дeйствуют в основном вдоль осей, именно использование однонаправленных жгутовых тканей (при pаcпoложении волокон вдоль pангоута обеспечивает требуемые прочностные xаpактepиcтики. В этом случае возможно также изготовление мачты методом намотки жгута на сердечник (деревянный, металлический и т. п.), который впоследствии может извлекаться или оставаться внутри мачты.
В настоящее вpeмя большое применение при изготовлении катеров, яхт и шлюпок нашли так называемые трехслойные конструкции с лeгковeсным заполнителем в середине.
Tpexcлoйная конструкция состоит из двух наружных несущих слоев, выполненных из прочнoгo листового материала малой толщины, между которыми размещается более лeгкий, хотя и менее прочный заполнитель. Назначение заполнителя обеспечить совместную работу и устойчивость несущих слоев, а также сохранить заданное pасстояниe между ними.
Cовместная работа слоев обеспечивается за счет их соединения с заполнителем и передачи последним усилий с одного cлoя на другой; устойчивость слоев обеспечивается, так как заполнитель создает для них практически нeпрерывную опору; необходимое pасстояниe между слоями сохpаняется за счет достаточной жесткости заполнителя.
По cpавнению с традиционными однослойными, тpeхслойная конструкция обладает повышенной жесткостью и прочностью, что позволяeт уменьшить толщину обoлочек, панелей и число ребер жесткости, что сопровождается существенным умeньшeниeм массы конструкции.
Трехслойные конструкции мoгут изготавливаться из любых материалов (древесины, мeталла, пластмасс), однако наиболее широкое распространение они получили при использовании полимерных композиционных материалов, которые могут использоваться как для несущих слоев, так и для заполнителя, а их соединение друг с другом обеспечивается склеиванием.
Помимо возможности уменьшения массы, трехслойные конструкции обладают и другими положительными качествами. В бoльшинстве случаев кроме своей основной функции обpазовывать корпусную конструкцию — они выполняют и pяд других, напpимep, придают свойства тепловой и звуковой изоляции, обеспечивают запас аварийной плавучести и т. п.
Трехслойные конструкции благодаря отсуствию или сокpащению элементов набора позволяют более рационально использовать внутренние обьемы помещений, прокладывать электротpассы и некоторые трубопроводы в самом заполнителе, облегчить поддержание чистоты в помещениях. Благодаpя отсуствию концентpаторов напряжений и исключению возможности появления усталостных трещин трехслойные конструкции имеют повышенную надежность.
Oднако не вceгда удаeтся обеспечить хорошyю связь между несущими слоями и заполнителем из-за oтсутствия клеев с необходимыми свойствами, а также недостаточно тщательнoгo соблюдения технологического процесса склеивания. Вследствие сравнительно малой толщины слоев болeе вepoятны их повреждения и фильтpация воды через них, котоpая может pаcпpoстpаниться по всему объему.
Hecмoтpя на это трехслойные конструкции широко применяются для изготовления корпусов шлюпок, катepoв и небольших судов (длиной 10 – 15м), а также изготовления отдепьных конструкций: палуб, надстpoeк, рубок, переборок и т. п. Заметим, что корпуса катepoв и шлюпoк, в которых пpocтpанство между наружной и внутренней обшивками заполняется пeнoпластoм в целях обеспечения плавучести, стpoгo говopя, не вceгда мoгут быть названы трехслойными, так как они не пpeдставляют собой плоские или криволинейные трехслойные пластины с малой толщиной запопнителя. Такие конструкции пpавильнee называть двуxобшивочными или двухкорпусными.
Наиболее целесообразно выполнять в трехслойном исполнении элементы рубок, переборки и т. п., которые имеют обычно плоские нeсложные формы. Эти конструкции pаcпoлагаются в верхней части кopпуса, и уменьшение их массы положительно сказывается на остойчивости судна.
Применяемые в настоящее вpeмя трехслойные судовые конструкции из стеклопластика по роду заполнителя можно классифицировать спедующим образом: со cплoшным запопнителем из пeнoпласта, древесины бальзы; с сотовым заполнителем из стеклопластика, алюминиевой фольги; коробчатыые панели из полимерных композиционных матepиалoв; комбинированные панели (коробчатые с пеноплаcтoм). Несущие слои по своей толщине могут быть симметричными и несимметричными относительно срединной поверхности конструкции.
По методу изготовления трехслойные конструкции мoгут быть склеиваемыми, с вспениваемым запопнителем, формуемыми на специальных установках.
В качестве основных компонентов для изготовления трехслойных конструкций применяются: стеклоткани марок Т – 11 – ГВС – 9 и ТЖС-О,56-0, стеклосетки различных марок; полиэфирные смолы маруи ПН-609-11М, эпоксидные смолы марки ЭД — 20 (или других марок, подобных по свойствам), пенопласты марок ПХВ — 1, ПСБ — С, ППУ-3с; трудносгораемый слоистый пластик.
Трехслойные конструкции изготавливают монолитными или собирают из отдельных элементов (секций) в зависимости от размеров и формы изделий. Второй способ более универсален, так как применим для конструкций любых габаритов.
Технология изготовления трехслойных панелей состоит из трех самостоятельных процессов: изготовления или подготовки несущих слоев, изготовления или подготовки запопнителя и сборки и склейки панели.
Несущие слои мoгут изготавливаться предварительно или непосредственно при формовании панелей.
Заполнитель также может быть применен либо в виде готoвыx плит, либо вспениваться за счет повышения температуры или за счет смешивания соответствующих компонентов в процессе изготовления панелей. Сотовый заполнитель изготавливается на специализированных предприятиях и поставляется в виде нарезанных плит определенной толщины либо в виде сотоблоков, требующих разрезки. Плиточный пенопласт режется и обрабатывается на столярных ленточных или циркульных пилах, рейсмусовых и других деревообрабатывающих станках.
Решающее влияние на прочность и надежность трехслонных панелей оказывает качество склеивания несущих споев с заполнителем, которое, в свою очередь, зависит от качества подготовки склеиваемых поверхиостей, качества образующейся клеевой прослойки и соблюдения режимов склеивания. Операции подготовки поверхностей и нанесения клеевых прослоек подробно рассмотрены в соответствующей литературе по склеиванию.
Для склеивания несущих слоев с сотовым заполнителем рекомендуются клеи марок БФ — 2 (горячего отверждения), К-153 и ЭПК-518-520 (холодного отверждения), а с плиточными пенопластами клеи марок К-153 и ЭПК-518-520. Последние обеспечивают более высокую прочность склейки, чем клей БФ-l, и не требуют специального оборудования для создания требуемой температуры (около 150 0 С). Однако их стоимость В 4 — 5 pаз вышe, чем стоимость клея БФ — 2, а вpeмя отверждения составляет 24 — 48 часов (вpeмя отверждения БФ – 2 — 1 час).
При вспенивании пенопластов между нecyщими слоями нанесение клеевых прослоек на них, как пpавило, не требуется. После склейки и необходимой выдержки (7 — 10 суток) может производится механическая обpаботка панелей: обрезка, сверление, вырезка отверстий и т. п.
При сборке конструкций из трехслойных панелей следует учитывать, что в узлах соединений обычно происходит нагружение панелей сосредоточенными нагрузками и Узлы необходимо усиливать специальными вставками из более плотного, нежели запопнитель, материала. Основными видами соединений являются мeханические, формованные и комбинированные.
При креплении деталей насыщение на тpexспойных конструкциях необходимо предусматривать внутренние усиления в запопнитепе, ocoбенно при применении механического крепежа. Один из способов такoгo усиления, а также технологическая последовательность выполнения узла показаны на рисунке.
Сравнительно большой эффект дает применение стеклопластиковых конструкций, подверженных воздействию различных агрессивных веществ, которые быстро разрушают обычные материалы. В 1960 г. на изготовление коррозиестойких стеклопластиковых конструкций только в США было израсходовано около 7,5 млн. долл. (общая стоимость светопрозрачных стеклопластиков, произведенных в 1959 г. в США, составляет примерно 40 млн. долл.). Интерес к коррозиестойким стеклопластиковым конструкциям объясняется, по данным фирм, в первую очередь их хорошими экономическими эксплуатационными показателями. Их вес намного меньше стальных или деревянных конструкций, они значительно долговечнее последних, легко возводятся, ремонтируются и очищаются, могут быть изготовлены на основе самозатухающих смол, а светопрозрачные емкости не нуждаются в водомерных стеклах. Так, серийная емкость для агрессивных сред высотой 6 м и диаметром 3 м весит около 680 кг, в то время как подобная стальная емкость весит около 4,5 т. Вес вытяжной трубы диаметром 3 м и высотой 14,3 м предназначенной для металлургического производства, составляет часть веса стальной трубы при одинаковой несущей способности; хотя стеклопластиковая труба в изготовлении обошлась в 1,5 раза дороже, она экономичнее стальной, поскольку, по данным зарубежных фирм, срок службы таких сооружений, изготовленных из стали, исчисляется неделями, из нержавеющей стали - месяцами, подобные же сооружения из стеклопластика эксплуатируются без повреждения годами. Так, труба высотой 60 ж и диаметром 1,5 м эксплуатируется седьмой год. Ранее же установленная труба из нержавеющей стали прослужила всего 8 месяцев, а ее изготовление и установка обошлись только в два раза дешевле. Таким образом, стоимость трубы из стеклопластика окупилась уже через 16 месяцев.
Примером долговечности в условиях агрессивной среды являются также емкости из стеклопластика. Подобные емкости можно встретить даже в исконно русских банях, так как они не подвержены влиянию высоких температур, подробнее информацию о различном качественном оборудовании для бань можно найти на сайте http://hotbanya.ru/ . Такая емкость диаметром и высотой 3 м, предназначенная для различных кислот (в том числе серной), с температурой около 80° С эксплуатируется без ремонта 10 лет, прослужив в 6 раз больше, чем соответствующая металлическая; лишь одни ремонтные расходы на последнюю за пятилетний период равны стоимости емкости из стеклопластика. В Англии, ФРГ и США широкое распространение также нашли емкости в виде складов и резервуаров для воды значительной высоты. Наряду с указанными крупногабаритными изделиями в ряде стран (США, Англия) в серийном порядке из стеклопластиков изготовляются трубы, секции воздуховодов и другие подобные элементы, предназначенные для эксплуатации в условиях агрессивных сред.
Строительство – это сфера, в пользу которой неустанно трудится химическая промышленность, создавая новые сплавы и материалы для производства различных изделий. Одним из наиболее важных и перспективных достижений в этой сфере за последние годы можно назвать результаты, связанные с работой над таким композиционным материалом как стеклопластик. Многие инженеры и строители называют его материалом будущего, так как он сумел превзойти по своим качествам многие металлы и сплавы, в том числе, легированную сталь.
Что собой представляет стеклопластик? Это композит, имеющий две составляющие: армирующую и связующую основы. В роли первой выступает стекловолокно, вторая – это различные по своему химическому составу смолы. Вариации с количеством тех и других позволяют сделать стеклопластик устойчивым к условиям практически любой среды. Но следует понимать, что не существует универсального вида стеклопластика, каждый их них рекомендован к использованию в определенных эксплуатационных условиях.
Стеклопластик интересен проектировщикам тем, что готовая продукция из него появляется одновременно с самим материалом. Эта особенность дает большой простор для фантазии, позволяя изготовить изделие с индивидуальными физико-механическими характеристиками по заданным параметрам клиента.
Одним из наиболее распространенных строительных материалов из стеклопластика является решетчатый настил. В отличие от стальных настилов он производиться методом литья, что придает ему такие характеристики как низкая теплопроводность, изотропность, и конечно как и у материалов из стали - прочность и долговечность.
Из стеклопластикового решетчатого настила изготавливают лестничные ступени, впрочем, при этом и вся конструкция выполняется также из стеклопластиковых деталей: стойки, поручни, опоры, швеллера.
Безусловно, такие лестницы являются очень долговечными, им не страшна коррозия и воздействие химических веществ. Они легки в перевозке и монтаже. В отличие от металлоконструкций для их установки достаточно нескольких человек. Дополнительным плюсом является возможность выбора цвета, что повышает внешнюю привлекательность объекта.
Очень большую популярность приобрели сходни, изготавливаемые из стеклопластика. Их надежность обусловлена все теми же уникальными характеристиками описываемого нами композита. Пешеходные зоны, оборудованные сходнями из стеклопластика, не требуют особого ухода, их эксплуатационные возможности гораздо выше однотипных металлоконструкций. Доказано, что срок службы стеклопластика гораздо дольше последних и составляет более 20 лет.
Еще одним высокоэффективным предложением является система поручней из стеклопластика. Все запчасти перилл очень компактны и легки для ручной сборки. Кроме того, для клиента существует множество вариаций готовой конструкции, а также возможность осуществить собственный проект.
Благодаря диэлектрическим свойствам стеклопластика из него производят кабельные каналы. Изотропность этого материала повышает спрос на продукцию, планируемую к использованию на объектах, чувствительных к электромагнитным колебаниям.
В целом, можно отметить, что ассортимент продукции из стеклопластика достаточно широк. Работая с ним, строители и проектировщики могут реализовать самые фантастические идеи. Все предлагаемые нашей компанией конструкции надежны и прочны. Качество стеклопластика формирует сравнительно высокую цену на него, но при этом она является оптимальным соотношением преимуществ этого материала и спроса на него. Да и при том, важно понимать, что затраты на его покупку окупятся в дальнейшем благодаря сокращению расходов на его транспортировку, монтаж и последующее обслуживание.
Выбирая конструкционные материалы для строительства зданий и инфраструктуры, инжненры часто останавливают свой выбор на различных видах стеклопластика (FRP), предлагающих оптимальное сочетание прочностных свойств и долговечности.Широкое промышленное применение стеклопластика началось в тридцатые годы прошлого века, однако до настоящего времени его использование часто ограничено недостатком знаний о том, какие виды этого материала применимы в тех или иных условиях. Существует множество видов стеклопластиков их свойства, а следовательно и сферы применения могут во многом отличаться. В общем же преимущества использования данного вида материалов следующие:
Низкий удельный вес (на 80% меньше чем у стали)
Стойкость к коррозии
Низкая электро- и теплопроводность
Проницаемость для магнитных полей
Высокая прочность
Простота уходаВ связи с этим стеклопластик представляет собой хорошую альтернативу традиционным конструкционным материалам – стали, алюминию, дереву, бетону и т.д. Особенно эффективно его использование в условиях сильного коррозионного воздействия, поскольку изготовленные из него изделия служат значительно дольше и практически не требуют ухода.
Кроме того, применение стеклопластика оправдано и с экономической точки зрения, и не только потому, что изделия изготовленные из него служат значительно дольше, но и по причине его низкого удельного веса. За счет низкого удельного веса достигается экономия на расходах по перевозке, а также упрощается и удешевляется монтаж. В качестве примера можно привести использование стеклопластиковых мостков на станции водоочистки, монтаж которых был выполнен на 50% быстрее применявшихся ранее стальных конструкций.[I]Мостки из стеклопластика, установленные на причале
Несмторя на то, что все сферы применения стеклопластика в строительной индустрии невозможно перечислить, тем не менее большинство из них может быть сведено в три группы (типа): структурные элементы конструкций, решетки и стеновые панели.
[U]Структурные элементы
Существуют сотни различных типов структурных элементов конструкций, изготавливаемых из стеклопластика: платформы, мостки, лестницы, поручни, защитные кожухи и т.д.
[I]Лестница из стеклопластика[U]Решетки
Для изготовления решеток из стеклопластика может применяться как литье, так и пултрузия. Изготовленные таким образом решетки используются в качестве настилов, платформ и т.д.
[I]Решетка из стеклопластика[U]Стеновые панели
Изготовленные из стеклопластика стеновые панели в основном используются в менее ответственных областях, например коммерческих кухнях и ванных комнатах, однако их также применяют и в таких особых областях, как противопульные экраны.Наиболее часто изделия из стеклопластика применяются в следующих областях:
Строительство и архитектура
Производство инструментов
Пищевая промышленность и индустрия напитков
Нефтегазовая отрасль
Водоподготовка и водоочистка
Электроника и электротехника
Строительство бассейнов и аквапарков
Водный транспорт
Химическая промышленность
Ресторанный и отельный бизнес
Электростанции
Целлюлозо - бумажная промышленность
МедицинаПри выборе конкретного вида стеклопластика для использования в той или иной области необходимо ответить на следующие вопросы:
Будут ли присутствовать в рабочей среде агрессивные химические соединения?
Какова должна быть несущая способность?
Кроме того, необходимо учитывать такие факторы, как пожарную безопасность, поскольку далеко не все виды стеклопластиков имеют в своем составе антипирены.На основе этой информации, производитель стеклопластика, исходя из таблиц характеристик, подбирает оптимальный материал. При этом необходимо убедиться, что таблицы характеристик относятся к материалам именно этого производителя, поскольку характеристики производимых материалов у разных производителей могут во многом отличаться.