Никола Григоров
Зелен дом (13)

2. Композитни строителни материали

Един дълъг период от време в цивилизованото индустриално общество основните строителни материали са били дървесината, керамиката, бетона, стоманобетона. С усвояването на нови технологии и техники в строителството наред с традиционните строителни материали започва производството и на нови съвременни материали, т.нар. композитни материали. Интензивното им усвояване в строителството започва през втората половина на ХХ век, с което се поставя начало и на коренно различна многопродуктова производствена строителна индустрия. И днес вече не можем да си представим съвременното строителство без тяхното масово приложение, създаващо широка гама от възможности в строителството на екологични, естетични и с дълготраен живот жилищни домове, административни и офис сгради, промишлени постройки.

По принцип композитните строителни материали, представляват обемно съчетаване на два или повече мономатериала, всеки от които е с различни свойства. В резултат на рационално съчетаване на компонентите, образуваните нови материали се сдобиват с предварително проектираните свойства, значително по-добри от притежаваните поотделно на всеки един от тях. Един от компонентите, който е непрекъснат в своя обем се нарича матрица. Другият компонент (материал) — равномерно разпределен в обема на композита, изпълнява функцията на заздравяващ или армиращ елемент. Матрицата (първата фаза) придава формата и монолитността на изделието и поема външните въздействия от най-различен вид — опън, натиск и др., които след това предава на армиращата (втората) фаза, осигуряваща преразпределение и равномерно натоварване в композита. С ролята на разделителна линия между двете фази или по-скоро създаваща възможност за взаимодействие между тях е натоварена т.н. трета фаза. Тя се изразява в комплекс от свойства, определени от: висока повърхностна енергия, наличие на свободни валентни връзки, способност за протичане на дифузионни процеси и процеси на разтваряане, мигриране на частиците, образуване на нова фаза. [Хр. Бояджиева (6, стр. 6)]

Трудно е да се отграничи наличието на фазовата граница. В някои случаи нейното проявление за създаване на взаимодействие на граничните повърхности е задължително. В други случаи нейната функция се размива, а в трети е съвсем слабо изразена.

В съответствие с полиструктурната теория композитните материали се разглеждат като материали, изградени от взаимосвързани и взаимопроникващи структури от атоми и молекули, до макроструктури в обемите на целия материал, характеризиращи се с модела „структура в структура“. Това изисква научните работници, изучаващи свойствата на композитните материали, да насочат своето внимание към разглеждането им на ниво микро- и макроструктури. На микроструктурно ниво се разкриват свойствата на матрицата (свързващите или слепващите вещества), а с макроструктурата се характеризира композита в неговата цялост.

Класификация на композитните материали

Следва да се има предвид, че съществуващите класификации на композитните строителни материали е необходимо да се приемат с известна условност поради факта че те представляват един много широк клас от материали, обединяващи метали, полимери и керамика. Използваните съвременни технологии позволяват също да се реализират продукти, считани по-рано за екзотични съчетания от изходни материали. Разнообразните изходни материали и сложността на реалните структури в редица случаи затруднява класификацията на получаваните композити. За тяхното групиране по определени признаци ще възприемем разработените класификации от авторите: Хр. Бояджиева; Худяков, Владислав А. и др.; Батаев А. А. и др.

Според вида на матрицата: композити с матрица от метал, керамика, стъкло, органични и неорганични свързващи вещества.

Според вида на армиращата фаза: композити, армирани с частички или арминирани с влакна.

В зависимост от функцията на третата фаза в композита: армиращата фаза и матрицата са взаимно неразтворими и не реагират помежду си; армиращата фаза и матрицата не реагират помежду си, но са взаимно разтворими; армиращата фаза и матрицата реагират с образуването на химическо съединение на разделителната линия.

Според схемата на армиране с влакна композитите биват с линейно, плоскостно и обемно разположение на влакната. Материалният носител на физико-механичните и специалните свойства на компонентите е материалът на матрицата. Без нея влакната нямат конструктивна автономия. Цялата структурна организация на влакната — вид, количество, ориентация, се решава в рамките на матрицата и е насочена към нейното заздравяване (уякчаване).

Според начина на втвърдяване в зависимост от особеностите на микроструктурите, композитните строителни материали се подразделят на:

• втвърдяващи при понижаване на температурата — метали, битуми, термопластични полимери, стъкла и др.;

• втвърдяващи в резултат отделяне на течна фаза — бои, лакове, замазки;

• втвърдяващи в резултат на физикохимично взаимодействие с вода или водни разтвори на соли, киселини и основи — портландцимент, строителен гипс, фосфатни свръзки;

• втвърдяващи в резултат на полимеризация и поликондензация — термоактивни смоли;

• втвърдяващи при термично третиране (високотемпературни) — кермети, металокерамика и др. композити.

По предназначение (област на приложение) композитните строителни материали се подразделят на:

• конструкционни — предназначени за носещи и ограждащи строителни конструкции;

• топлоизолационни — за изолация на ограждащите конструкции, здания, съоръжения, технологично оборудване и прибори;

• хидроизолационни, предназначени за хидроизолационни, пароизолационни, покривни и довършителни работи;

• химически устойчиви — за осигуряване на химическа устойчивост на облицовки или довършителни работи на съществуващи обекти и съоръжения;

• довършителни — за подобряване на архитектурния вид и за реставрация или ремонт на строителни обекти;

• със специално предназначение — радиационноустойчиви, огнеустойчиви, огнеупорни и др.

Според плътността, композитните материали, се подразделят на:

• много леки — с плътност до 400 kg/m³

• леки — с плътност от 400 до 1200 kg/m³

• с нормална плътност — от 1200 до 2200 kg/m³

• тежки — с плътност от 2200 до 2800 kg/m³

• много тежки — с плътност над 2800 kg/m³

В зависимост от химичната природа, армиращите (вторични) фази като компоненти, влизащи в състава на композита, се подразделят на органични и неорганични. Органичните вторични фази (компоненти), са напр. някои полимери, смоли и синтетични влакна, дървесното брашно, лигнинът, целулозата и нишестето, растителни влакна и др., а неорганични вторични фази — напр. минерални прахове и минерали, оксиди, соли и др. В зависимост от физичната си структура, те се класифицират на дисперсни и влакнести вторични фази, а от произхода си на природни и синтетични.

Когато се анализира вторичната фаза с влакнест характер се използва параметърът характеристично отношение (ХО), който представлява отношение на надлъжния (L) към напречния (d) размер (L/d). За да притежават частичките на вторичната фаза влакнеста структура, то е необходимо X0 > 10. [Атанасов Ат. и др. (3)]

Армиращите (влакнести) вторични фази на влакнообразуване в неорганичните системи се характеризират с много високо отношение на дължината към напречните размери. За целта като условна стандартна величина на напречните размери, се приема диаметъра на влакната от растителен или животински произход (памук, вълна и др.), която е от порядъка на 10–40 dm. При синтетичните полимерни влакна интервалът в размера на диаметъра се измества към по-ниския диапазон.

Получаването на неорганични влакна за влагане в производството на композитни материали се извършва главно по два начина — формоване от стопилка и от разтвор (суспензия). По-голямо приложение в практиката е намерил методът на формоване от стопилка.

Стъклени влакна

От историческа гледна точка стъкловлакната се явяват едни от първите армиращи системи, използвани при производството на композитни материали. За да притежават изискуемите се свойства е необходимо химичният състав на елементите СаО, Al₂O₃ и SiO₂ в суровината (стъкломасата) да са в съотношение 62:14,7:23,3% или т.нар. Е-стъкла [Атанасов Ат. и др. (3)]

Изтеглянето на влакната от стопилката на стъкломасата в топилния агрегат се извършва през филтри с отвори от 0,8 до 3,2 mm и скорост на изтегляне около 3800 mm/min, при което се получават непрекъснати влакна с диаметър от 3,5 до 19 m, които след формоването им се навиват на бобина. Изтеглянето може да се извърши и чрез въздушна струя под налягане, която се подава под филерите и разкъсва влакната. По този метод на изтегляне се получават т.нар. щапелни стъклени влакна.

По отношение на физико-механичните свойства, стъкловлакната притежават висока якост при опън, по-висока и от тази на стоманените влакна. При опън те се удължават с около 2 до 3%, което допринася и за тяхната якост в композитните материали. Стъкловлакната са химически устойчиви на повечето химически реагенти, устойчиви са на бактерии, гризачи и насекоми. Те са също водоустойчиви и запазват якостните си показатели в среда с повишена влажност.

Неорганичният състав на влакната ги прави негорими и огнеустойчиви. Те се характеризират и с високата си топлоустойчивост — размекват се при температура 700-900^оС, а ако стъкломасата е от по-висок клас (по-високо съдържание на Al₂O₃) и при по-високи температури.

Стъклените влакна, използвани като армиращ компонент в циментовата матрица имат ниска алкалоустойчивост. Това тяхно свойство е било известно отдавна на производителите, в резултат на което те започнали да добавят в стъкломасата от 16 до 20% цирконий с цел получаване на алкалоустойчиви стъклени влакна. [Найденов В. (32)]

В практиката са се наложили две основни технологии за армиране със стъклени влакна на циментосъдържащата матрица — обемно дисперсно армиране и послойно пръскане. При обемното дисперсно армиране се смесват цимент, пясък, стъклени влакна, полимерни модификатори и вода в определено съотношение, използвайки за целта традиционните конвенционални устройства за смесване и за формоване. Послойното пръскане най-вече се прилага при производството на тънкослойни листови елементи чрез редуване на слоеве със и без стъклени влакна. Пръскането се осъществява посредством устройства с въздух под налягане, а чрез позиционирането на слоевете със стъклени влакна се управляват техническите и естетичните свойства на произвежданите елементи.

Стоманени влакна

Понастоящем стоманените влакна имат най-голямо приложение за дисперсно армиране на цименто-съдържащите композити. Ефективността на получаваните композити се определя от съчетаване на физико-механичните свойства, които притежават металите с техните високи якостни показатели и типичната крехкост на циментовата матрица.

Приложението на стоманените влакна се определя със стандарт БДС EN 14889-1:2006. Влакна за армиране на бетон. Част 1: Стоманени влакна. Определения, изисквания и съответствие. В него са посочени подробно размерите на влакната, изискванията за якост на опън, модул на еластична деформация, пластичност, условия за смесване, влияние върху консистенцията на бетонната смес, отделяне на вредни вещества, СЕ маркировки [Найденов В. (32)]

В стандарта са посочени и основните методи, които се използват за производство на стоманени влакна, а именно чрез:

• студено изтеглена тел (прокатен метод)

• изрязан лист

• изтеглен разтопен метал (развлакняване от стопилка)

• стружки от студено изтеглена тел

• фрезоване от стоманен блок (стружки)

Влакната са от нисковъглеродна стомана с въглеродно съдържание 0,4% и якост на опън над 800 МРа.

Размерите на диаметъра на стоманените влакна след нарязване на студено изтеглена тел са в рамките от 0,25 до 1 mm, а от нарязване на листов материал вълнообразните или прави влакна с правоъгълно напречно сечение са с дебелина 0,15–0,64 mm и широчина от 0,25–2,3 mm. По-рядко в практиката намират приложение методът на изтеглянето на разтопен метал чрез екструдиране, при който произвежданите влакна са с диаметър 0,15 mm, а също и производството на стоманени влакна чрез фрезоване.

Началото на приложение на стоманените влакна в композити датира от 50-те и 60-те години на ХХ век, когато в бетона са били влагани като армиращ компонент късо нарязани стоманени телове. Впоследствие с развитието на науката и технологиите, започва и масовото използване на стоманените влакна в различни строителни продукти, но водеща позиция заема взаимодействието им с циментовата матрица. В научноизследователската работа особено внимание се обръща на тяхната антикорозионна защита, както и на разработване на високотехнологични бетони с повишени якостни показатели при строителството на монолитни греди, колони, плочи, сглобяеми строителни елементи и др. Понастоящем не малко чуждестранни фирми предлагат и на българския пазар най-различни видове стоманени неръждаеми влакна за дисперсно армиране с огънати краища, вълнообразни, прави (всички с d от 0,3 до 1,2 mm) и микровлакна с d 0,15 до 0,20 mm и якост на опън в диапазона от 1100 до 2400 МРа.

Естествени (природни) влакна

Суровинен източник на естествените влакна от растителен произход, използвани за дисперсно армиране в композитните материали, са нетипичните за нашата страна — бамбук, тръстика, юта и др. и широко разпространената и у нас дървесна суровина след преработката й във вид на пулпове и стърготини. Главното предимство на естествените необработени влакна, които са продукт на възобновяеми растителни източници, е тяхната ниска енергоемкост на придобиване, а и не изискват сложни технологии, когато се използват като армиращи влакна в производството на композити на циментова основа. След диспергирането на необработените влакна от дървесния пулп в цименто-съдържащите водни суспензии с цел освобождаване на високото водно съдържание, сместа се подлага на допълнителна обработка чрез изливането й във форми за вакумиране или пресоване, а втвърдяването протича във въздушни условия или автоклави. Получаваните композити притежават по-ниска плътност и висока порьозност, което определя и тяхната област на приложение, основно за производството на вълнообразни листови покривни елементи и за огнезащитни покрития. В нашата страна тази практика за дисперсно армиране с необработени растителни влакна не е много известна, а и за в бъдеще не се очертава перспектива за развитие.

В сферата на теорията и практиката добре известни са дървесно-композитните материали на основата на карбамид –, меламин — формалдехидни смоли с използването на дървесни трески и стружки като пълнител. Обработените на дробилни машини трески имат успоредни и гладки повърхности, което обезпечава добра адхезия при нисък разход на свързващото вещество. Треските се изсушават до влажност от 7-8%, след което се смесват с олигомера, най-често калбамидформалдехидни смоли, който в процентно съотношение с дървесната маса е в рамките от 6 до 12%. Следващият процес е на пресоване на предварително оформени килими на горещи преси с налягане от 6–8 МРа. Получаваните плоскости не притежават висока механична якост, но с успех се използват в строителството за облицоване на стени, тавани, подподови настилки прегради стени е др.

Базалтови влакна

Базалтовите влакна притежават свойства, подобни на стъклените влакна, а производството им се осъществява както и при стъклото чрез стопилка в агрегат и филирането им. Диаметърът на влакната зависи от скоростта им на изтегляне.

Въпреки че базалтовите влакна не са токсични, не смущават радио- или телевизионни сигнали, имат по-добра корозоустойчивост от металите, мразо- и топло устойчиви и водоустойчиви са, но основен техен недостатък е ниската им алкалоустойчивост. Това вероятно е и причината използването на базалтовите влакна за дисперсно армиране на цименто-съдържащи композити да няма приложение в САЩ, Япония и страните от Западна Европа.

От извършвани опити при стайна температура с контролни образци на циментово-базалтов композит, в който съдържанието на базалтови влакна е било 7% от масата на цимента (при обичайна норма от 3 до 12%)| е установено, че след 28 дни загубата на маса от базалта достига до 30%, а след 72 дни — до 58,8%. [Найденов В. (32)] Т.е. процесът на постепенно разтваряне на базалта в алкална среда е необратим, което намалява и неговия армиращ ефект. Правят се опити повишаване устойчивостта на влакната в алкална среда да става чрез тяхната топлинна или химична обработка или влакната, влагани в циментовите композити, да са с по-голям диаметър или на снопове.

Циментополимер бетони

В края на ХХ век и в началото на ХХІ век, бетонът все още е един от основите строителни материали, използвани в строителството. Следва да се посочи обаче, че независимо от достъпността на суровините за неговото производство, технологичността в приложението му и неговата експлоатационна дълготрайност, невинаги този продукт е отговарял в пълна степен на съвременните изисквания на строителния сектор. Пътищата за подобряване на физико-механичните свойства на бетона и на разширяване областта му на приложение чрез различни структурни модификации стават възможни с развитието на химическата промишленост и въвеждането на нови компоненти от органичен и неорганичен произход в състава му. Получените нови композитни материали се наричат циментополимер-бетони. Това понятие обяснява разновидностите бетони, в които в една или друга степен се използват полимери (пластификатори, полимеризатори и др.).

Особено място в технологията при производството на циментополимер бетоните заемат химическите добавки, чието количество се движи в границите от 0,1 до 2% от масата на цимента. Те се въвеждат заедно с водата и водят до необходимите изменения в свойствата на бетоновите смеси. По-важните от тях са пластифициращите добавки, подобряващи подвижността на бетоновите смеси, стабилизиращи добавки, предотвратяващи разслояването им, добавки регулиращи втвърдяването на бетона, противозамръзващи добавки, добавки, регулиращи плътността и поритостта на бетоновите смеси, антикорозионни добавки и др.

Производството на циментополимер бетони (ЦПБ) на базата на водно дисперсни полимери имат най-голям относителен дял от групата на ЦПБ композити. Използваните технологии не се различават съществено от начините на производство и използвани съоръжения на традиционно произвежданите бетони. Полимерите представляват високомолекулярни емулсии на основата на винилни съединения: поливинилацетат, поливинилхлорид, полистирол, полиакрил и други съполимери. Групата на тези полимери имат плътност в границите от 950–1380 kg/m³ и висока якост на опън — от 15–78 МРа. В качеството си на често използвани добавки са също латексите на основата на натурални, дивинилстиролни, полихлорпропенови, полисулфидни каучуци. Най-важен критерии за съответствие на полимерите към процеса на създаване на ЦПБ е тяхната адхезия, т.е. способността им да олепиляват частиците на пълнителя. Колкото по-висока е лепилната способност на полимера, толкова по-добре се осигурява съединението на циментовото новообразувание и частиците на пълнителя. В това отношение най-предпочитаният за тази цел е поливинилацетата, който полимер притежава високи адхезионни свойства. [Худяков Вл. и др. (43)]

В тези циментополимерни бетони едри пълнители по принцип не се използват, а пясъкът (за предпочитане кварцов) и портландциментът с марка 400, 500 или 600 са в съотношение 2:1 или 3:1. Максималната здравина на ЦПБ съответства при дозиране на полимера в количества от 15 до 20% от масата на цимента в сухо състояние. При такава концентрация полимерът запълва и най-малките пори и облепилява циментовите и на пълнителя частици. При по-висок относителен цял от 20% на полимера спрямо масата на цимента физико-механичните свойства на композитите се влошават.

Сравнителна съпоставка между свойствата на бетон и бетонполимер [По Бояджиева Хр. (6, стр. 141)]

Свойства	Бетон	Бетонполимер
Якост на натиск, МРа	30–50	100–200
Якост на опън, МРа	2–3	6–20
Якост на огъване, МРа	5–6	14–28
Якост на сцепление с арматурата, МРа	1–3	10–18
Водопоглъщане за 24 h,%	3–5	0,1
Корозионна устойчивост	Недостатъчна	Висока
Мразоустойчивост, бр. цикли	> 200	> 5000

Друга, също известна модификация на полимербетона, е чрез въвеждане в бетоновата смес на термопластични полимери във вид на прах и последващо загряване на изделията. В резултат на загряването полимерът се разтапя в тялото на бетона и запълва всички микропори и капиляри в сместа. Установено е, че оптималният относителен дял на полимера към циментообразуващата смес е 20%. От влаганите полиетилен, мек поливинилхлорид и полистирол най-добри резултати се получават при използването на полистирол.

Стъклокомпозитна арматура

Мащабно приложение на стъкломпозитната арматура започва през 90-те години на миналия век, с което се извършва пробив в областта на строителните материали и в момента се очертава като един от най-перспективните иновативни материали на ХХІ век. Началото на производство на стъклокозпозитна арматура е поставено в края на 70-те години на ХХ век от САЩ и в момента те са лидер и в потреблението с относителен дял от 40% от общия обем на световното производство, следвани от азиатския регион (Китай, Корея, Япония, Индия) с 24% и Европейският пазар с 29%.

Композитните армиращи материали са под формата на въжета, пръти, ленти, плат и се произвеждат от стъклени, базалтови, въглеродни или арамидни влакна с матрица на термореактивни или термопластични полимери (полиестерни, епоксидни и винилови смоли), защото са температурно- и химически устойчиви и са с нисък вискозитет, който е благоприятен за влакната.

Стъклокомпозитната арматура се произвежда на високотехнологично оборудване от алкално устойчиви стъклени влакна с добавка на наномодификатор и полимерно свързващи вещества. В резултат на продължителни проучвания за дълготрайност на строителните конструкции с използването на композитна арматура е установено, че най-малко 100 години е експлоатационният им период. Този дълъг период на експлоатация се дължи най-вече на високата химическа устойчивост на композитите към агресивно действащата среда на химикали, соли, противозамръзващи средства, морска вода и др.

Якостните свойства на стъклокомпозитната арматура са от 2,5 до 3 пъти с по-високи стойности в сравнение с традиционната метална армировка при еднакъв диаметър на прътите. Намаляване диаметъра на композитите води до значително намаляване на теглото и стойността на крайната конструкция.

Химическата и корозионна устойчивост гарантира също издръжливостта и предпазва от напукване и разрушаване на армираните бетонови конструкции поради отсъствие на вътрешни напрежения, възникващи в процеса на корозия при стоманената арматура.

Топлопроводността на стъклокомпозитните материали е с около 10 пъти по-ниска в сравнение с металната, в резултат на което тя не е мост между студа и топлината в армираната бетонна конструкция. Под въздействие на изключително ниски отрицателни температури, композитната арматура не губи якостните си свойства.

Стъклокомпозитната арматура се произвежда в размери от 4 до 10 mm в намотки до 100 метра, но по предварителни заявки може да се нарязва и на желани размери. За подобряване сцеплението на арматурата с бетона, преди термичната им обработка върху пръчките по спирала се навива подсилена стъклена нишка, която създава оребрена повърхност. Интересно е да се знае, че поради ниското си тегло арматура с дължина до 10 km може да се превозва с малък транспортен бус.

От извършените сравнителни анализи при изграждане фундамента на една двуетажна къща с дебелина на плочата от 300 mm, разходите за стъклокомпозитната арматура са с близо два пъти по-ниски спрямо тези на металната арматура. Поради високите антикорозионни свойства на композитната арматура също е възможно да се извърши намаляване дебелината на плочата до 200 mm, с което ще се реализира допълнителен икономически ефект от икономия на бетон.

Стъклокомпозитната арматура в качеството на мрежи, армировъчни пръти и гъвкави връзки, се използва в съответствие с изискванията на проектната документация за сгради и съоръжения с различно предназначение в промишленото, гражданското и пътното строителство.

Произвеждат се също и циментови влагоустойчиви плоскости (панели) за вътрешни и външни облицовки с ядро от минерални пълнители и Портланд цимент двустранно армирани с мрежа от стъклофазерни нишки. Предназначени са за условия с голяма влажност и директни контакти с вода, не съдържат органични съставки и не развиват микроорганизми и мухъл. Препоръчват се за помещения като басейни, бани, столови, мазета на сгради, помещения с висока степен на влажност, за облицоване на външни стени и др. Устойчиви са във времето, не променят формата си, не се разлагат под въздействието на вода.

Поради факта че стъклокомпозитните материали са неелектропроводни (диалектрик), те са предпочитани за използване при строителни обекти на бетонни конструкции на електростанции, подземно метро, основите на железопътни линии, също на стени и тавани на изследователски и медицински центрове, които места ако са изпълнени с метална арматура, то тя може да повлияе на показанията и работата на оборудването и ядрено-магнитния резонанс.

Освен че стъклокомпозитните материали са нетоксични и с ниска степен на въздействие върху човешкия организъм и околната среда, не по-малко важен елемент от прилагането на стъклокомпозитните материали в строителството е и повишаването на земетръсната устойчивост на сградите и съоръженията.