Конструкции из композитной арматуры: Расчет конструкций с композитной полимерной арматурой

Стеклопластиковая арматура или стальная, что выбрать?

Композитная арматура настойчиво, хотя и не так быстро, как хотелось бы ее производителям, завоевывает свою долю российского строительного рынка. Уже сегодня она применяется в жилищном строительстве, при возведении промышленных зданий и гражданских объектов. Ее активно используют при создании бетонных конструкций, выполнении ремонтных работ, при реставрации кирпичных и железобетонных поверхностей, для выполнения кирпичной кладки, создания трехслойных стен с укреплением гиб-кой связью, при сооружении наливных полов… Арматура из композита экономически выгоднее, чем из металла, при сооружении дорожного полотна, где высоки динамические нагрузки. В ряде случаев композитная арматура является единственным вариантом: когда требуется непроницаемость для магнитных волн и, при этом – радиопрозрачность (в военных объектах и медицинских центрах), при соприкосновении с веществами, стимулирующими ускоренную коррозию (мосты и постоянно «влажный» бетон с высоким содержанием щелочи, пирсы, волнорезы, портовые сооружения и морская вода; парковки и противогололедные реагенты; площадки и здания химпроизводств и выпускаемые здесь агрессивные вещества). Интерес к данному материалу несомненен, а информации о нем недостаточно, что всегда порождает домыслы. ООО «ПолиКомпозит» предлагает разобраться, что здесь правда, а что не соответствует действительности.

Утверждение №1: «Композитная арматура – инновационный материал».

Если исходить из определения, что инновационные материалы – это результат интеллектуальной деятельности человека, выраженный в производстве более совершенных с точки зрения научно-технических и потребительских характеристик продуктов и услуг, то это, несомненно, так. Доля знаний в производстве данного строительного материала, действительно, велика. Его качество невозможно обеспечить и поддерживать без собственной лаборатории с дорогостоящими приборами. К сожалению, сей-час в России еще можно приобрести сертификат качества с «липовым» протоколом испытаний за символическую сумму, но так будет не всегда, и ответственные заказчики умеют отличать подлинные доку-менты качества от подделок.

С другой стороны, композитная арматура – еще одно доказательство истинности утверждения, что все новое – это хорошо забытое старое. Разработки в этой области велись в нашей стране еще в сороковых годах прошлого века, а затем – более масштабно – в семидесятых годах. Серийное производство композитов в СССР оказалось экономически не выгодно. Однако исследование сооруженных тогда с применением композитной арматуры объектов через четыре и даже пять десятилетий их эксплуатации доказывает, что показатели материала остались неизмененными. В Европе же и Америке за эти годы накоплен огромный опыт, который снимает опасения скептиков, утверждающих, что инновации – это всегда «кот в мешке». Не так уж новы, с этой точки зрения, композитные новации.

Утверждение №2: «Композитная арматура – вечный материал».

Это, скорее, метафора, хотя, смотря с чем сравнивать. Если бетонные конструкции набережных, армированные металлической арматурой, даже с применением антикоррозийного покрытия приходят в негодность через десять лет, дорожное покрытие требует замены уже через пять, то, согласно исследованиям и испытаниям физико-механических свойств, производимых Московским НИИЖБ, конструкции с использованием неметаллической арматуры могут служить в разных условиях на протяжении 50-80 лет, а то и целого столетия.

Утверждение №3: «Свойства композитной арматуры определяются ее цветом».

Данное утверждение, как и первое, содержит в себе и правду, и вымысел. В зависимости от использованного сырья и методики производства, композитную арматуру делят на следующие виды:

• изготовленная из смеси смолы и стекловолокон — стеклокомпозитная арматура;
• изготовленная из базальтовых волокон и смолы — базальтокомпозитная арматура;
• изготовленная из углеводородного волокна – углекомпозитная арматура;

В отношении данной классификации вышеприведенное утверждение отчасти верно: желтоватая стекло-композитная арматура имеет свойства, отличные от черной базальтовой или углекомпозитной. Однако и черная базальтовая арматура отличается от черной углекомпозитной. Скажем больше: на сегодняшний день на рынке можно встретить радугу цветов арматуры, но все разнообразие свойств можно свести к трем группам, поскольку определяется оно не цветом, а основой: стекло в основе, базальт или уголь.

Утверждение №4: «Композитная арматура дороже металлической».

Там, где композит однозначно выигрывает по сравнению с металлом (при работе с агрессивными средами, где требуется пропускать радиоволны и не проводить электро- и магнитное излучение) вопрос о цене даже не обсуждается. Там же, где возможен выбор, данное мнение часто вводит в заблуждение покупателей. Заметим, что страдают от этого, главным образом, частные застройщики, которые пытаются сравнить стоимость необходимого им небольшого количества арматуры, выполненной из металла и из композита. Действительно, один погонный метр композитной арматуры пока стоит дороже метра арматуры металлической. «Пока», поскольку цены на металл постоянно растут. Экономия же в другом. Во-первых, металл значительно тяжелее композита (в 5-10 раз), и арматура из него имеет вид двенадцати-метровых прутов, для доставки которых, независимо от необходимого количества, частнику придется заказывать грузовик с соответствующими параметрами. Погрузка и разгрузка металлической арматуры, а также ее применение в строительной конструкции – процесс трудозатратный.

В то же время, композитная арматура – материал легкий и, к тому же, до двенадцатого диаметра ее лег-ко скрутить в бухту, которая умещается в багажнике легкового автомобиля, а после раскручивания она принимает ровную форму (не деформируется). Экономия на доставке, погрузке и разгрузке становится еще более значимой при снабжении больших объектов. Отдел продаж ООО «ПолиКомпозит» заметил эту тенденцию по числу запросов на сравнение стоимости композитной и металлической арматуры одно-го объема. Как правило, запрос приходит в виде: «Требуется заменить композитной столько-то машин арматуры металлической». Так снабженцы крупных строек отвечают на вопрос: что выгоднее?

Вторым фактором экономии является то, что в силу прочностных характеристик, при замене требуется композитная арматура меньшего диаметра, чем металлическая (ссылка на таблицу равнопрочностной замены). Замена производится на основании конструкторских расчетов. Для простых конструкций (фундаменты частных и котеджных домов, промышленных площадок и полов, заборов, временных строений и других) разработаны таблицы равнопрочной замены, которые легко найти в сети Интернет. Здесь же приведем только один пример: для замены стальной арматуры класса A-III (А400) с диаметром 14 мм. нужно брать композитную арматуру, внутренний диаметр (измеренный по телу прутка) которой должен быть не менее 8,34 мм, то есть, так называемую, «девятку», а ее цена существенно ниже металлической арматуры с диаметром 14 мм. ООО «ПолиКомпозит» постоянно отслеживает цены на металлическую арматуру. Результаты мониторинга лета 2016 г. – ниже.

Сравнение цен на металлическую и композитную арматуру

Таким образом, при различных колебаниях цен на металл композитная арматура обходится дешевле в 1,4, а то и 2,2 раза.

Утверждение №5: «Композитная арматура заменит металлическую везде».

Нормативы не запрещают применение композитного армирования для возведения какого-либо вида конструкций. Их задача – обеспечить необходимую прочность и другие значимые свойства конструкции. Если композитный материал дает такую возможность, то он может быть применен. Для тех, кто желает построить коттедж, баню, гараж, забор на бетонном фундаменте, этот материал будет экономически вы-годен и удобен в использовании, поскольку позволит создать прочные и надежные бетонные и кирпичные конструкции, слоистую кладку с гибкими связями, бетонные фундаменты и полы на основе сетки из композитной арматуры, армированную кладку из газо- и пеноблоков. Ответ на вопрос «Могут ли применяться композитные материалы при строительстве многоэтажек?» то-же положительный, но где и как конкретно – решают проектанты, производящие расчеты. Они оценивают композитную арматуру очень высоко. Помимо выше охарактеризованных диэлектрических свойств, долговечности и легкости:

• композитный материал практически не проводит тепло (показатель в 130 раз ниже, чем у металла), предотвращая «мостики холода»;
• близкий к бетону коэффициент теплового расширения позволяет избежать образования трещин при температурных колебаниях, что делает данный материал применимым в интервале температур от -70°до +100°С.

Эти и другие свойства, действительно, дают простор для применения композитных материалов.

Утверждение № 6: «Композитная арматура не может применяться в строительстве из-за малого модуля упругости».

Данный показатель, действительно, используется при расчете ряда бетонных конструкций. Но его значение важно только в конструкциях, работающих на прогиб (СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения») — для предотвращения раскрытия микротрещин.

В соответствии с расчетами, производимыми по вышеуказанному СНиП, композитная арматура также может использоваться в данных конструкциях, но ввиду меньшего модуля упругости необходимо закладывать большие диаметры по отношению к металлической, что выгодно только в условиях строительства специальных объектов (строительство в зонах повышенной щелочности, кислотности, влажности, действий агрессивных вод и других) в связи с быстрым разрушением металлической.

В то же время, в элементах, находящихся на упругом основании значимость характеристики – модуля упругости почти равна нулю, т. к. само основание не дает конструкции прогнуться, обеспечивая равно-мерную поддержку. В данном случае расчет ведется по основному показателю – предел прочности на растяжение, который у композитной арматуры в 2,5 раза выше, чем у металлической, поэтому использование композитной арматуры в таких конструкциях будет экономически выгоднее, а надежность конструкций значительно выше, по сравнению с армированием стандартной железной арматурой. Это, прежде всего, все фундаменты и их отдельные части (блоки, плиты) и другие.

Ленточный фундамент, принимая на себя нагрузки от стен и, частично, от всего строения передает их на несущее основание — землю. Основание в данном случае противодействует образованию прогиба.

Монолитный плитный фундамент, принимая распределенную нагрузку от всего строения, также опирается на основание, противодействующее прогибу. Таким образом, применение композитной арматуры не целесообразно только в конструкциях, работающих на прогиб, однако это небольшая часть бетонных изделий. В остальных же случаях использование такой арматуры выгодно повышает характеристики надежности изделия.

В любом случае, армируемую конструкцию необходимо рассчитывать согласно СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»; СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции»; СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции» и т.д., и только вследствие полученных результатов делать вы-воды о применимости того или иного материала.

Утверждение № 7: «Композитная арматура снижает огнестойкость сооружений».

Под огнестойкостью (СП 2.13130.2009 «Обеспечение огнестойкости объектов защиты») понимают способность строительной конструкции сохранять несущие и (или) ограждающие функции в условиях пожара положенное количество времени.

Действующие государственные нормы – СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений», НПБ 244-97 «Материалы строительные. Декоративно-отделочные и облицовочные материалы. Матери-алы для покрытия полов. Кровельные, гидроизоляционные и теплоизоляционные материалы. Показатели пожарной опасности». В настоящих нормах приведены противопожарные требования, подлежащие обязательному соблюдению.

Для подтверждения соответствия композитной арматуры ООО «ПолиКомпозит» существующим нормам компания передала образцы продукции в аккредитованный лабораторный центр ООО «ПожСтандарт» для проведения необходимых испытаний. В соответствии с ГОСТ 30244-94, ГОСТ 30402-96 и ГОСТ 12.1.044-89 специалисты «ПожСтандарта» подтвердили соответствие композитной арматуры АСК требованиям пожарной безопасности НПБ 244-97 по СниП 21-01-97.

На основании проведенных испытаний ООО «ПолиКомпозит» выдан сертификат соответствия нормам пожарной безопасности, удостоверяющий возможность использования композитной арматуры в строи-тельных конструкциях без ограничений.

Утверждение № 8: «Невозможность скрепления полимерной арматуры методом сварки».

Это – факт, как и то, что жидкости нельзя резать, а квадратное – сложно катать». Но является ли это их не-достатком? Данное мнение в отношении композитной арматуры имеет налет ущербности в угоду традиции, ведь ее предшественницу – металлическую арматуру – десятилетиями именно сваривали, чтобы получать прочные пространственные конструкции. Композитную арматуру сваривать нельзя, но и не требуется. В статье «Вязка композитной арматуры» (ссылка) уже сообщалось о множестве других методов скрепления арматуры.

При этом именно сварка на сегодняшний день является самым проблемным способом крепления ввиду ослабления прочностных характеристик от температурных воздействий, ускоренной коррозии металла из-за нарушения его структуры в месте сварного соединения, необходимости держать на стройке сварочные аппараты с опытными сварщиками и невозможности безопасного выполнения работ при наличии атмосферных осадков.

Утверждение № 9: «Создавать гнутые элементы из композитной арматуры невозможно».

При создании объёмных арматурных каркасов для ответственных конструкций необходимо применять гнутые элементы. Традиционно строители на месте изгибают отрезки металлических стержней для придания им необходимой формы. Действительно, композитную арматуру нельзя качественно согнуть на строительном объекте. При этом есть, как минимум, два выхода: использовать смешанное армирование (стержни композитной арматуры скрепляются металлическими угловыми элементами. Данное армирование значительно упрощает и удешевляет строительство без снижения прочностных характеристик) или заказывать изготовление гнутых элементов производителю. Утверждение № 10: «Для применения композитной арматуры нормативная база недостаточна».

На сегодняшний день применение композитной арматуры в строительных объектах РФ предусмотрено ГОСТ и, соответственно, разрешено. Если расчеты нагрузки в проекте проходят проверку экспертизы, то никто не в праве запретить реализовать такой проект. А вот программ и готовых моделей расчета конструкций с применением не металлической, а композитной арматуры, на самом деле, нет или недостаточно, но тем интереснее задача для проектировщиков, смотрящих в будущее.

Утверждение № 10: «Для применения композитной арматуры нормативная база недостаточна».

На сегодняшний день качество арматуры, выполненной из композита, подтверждено ГОСТ, что позволяет ее применять в строительных объектах РФ. Имеются СНиПы. Таким образом, если расчеты нагрузки в проекте проходят проверку экспертизы, то никто не в праве запретить реализовать такой проект. А вот программ и готовых моделей расчета конструкций с применением не металлической, а композитной арматуры, на самом деле, пока недостаточно, но тем интереснее задача для проектировщиков, смотрящих в будущее.

на чем держится бетон — Реальное время

Недвижимость

00:00, 04.04.2022

Сюжет: Дом в фокусе

Какая бывает арматура

Без арматурного каркаса невозможна ни одна монолитная бетонная конструкция. Прочность, устойчивость к деформациям — все это обеспечивается именно арматурным каркасом. За много десятилетий все привыкли к тому, что арматура — это металлические прутья или проволока. Не так давно на рынке появилась композитная арматура — стеклопластиковая или стеклобазальтовая, под нее даже разработан свой собственный свод правил СП 295.1325800.2018 «Конструкции бетонные армированные полимерной композитной арматурой». Разбираемся, в чем различия между этими двумя типами арматуры и в чем заключаются некоторые секреты обустройства металлического арматурного каркаса.

Как работает арматура

Монолитный бетон — и прочный, и долговечный, и универсальный материал. Но у него есть один большой изъян — он хрупкий. Именно поэтому, чтобы придать всей монолитной конструкции устойчивость к деформациям и разрушению, бетон укрепляется своеобразным «скелетом» — арматурным каркасом. Именно арматура удерживает общую конструкцию: например, стальной прут на растяжение прочнее бетона в две сотни раз — и после заливки и застывания вся масса приобретает единые свойства.

Так что, если мы хотим получить прочный бетонный монолит, нужно, чтобы внутри него обязательно был каркас из арматуры. Это касается подавляющего большинства случаев: и для фундамента, и в перекрытиях, и в лестницах, и в других монолитных конструкциях.

Арматурный каркас бывает плоским (горизонтальный или вертикальный) или пространственным. Выбирается способ монтажа в зависимости от того, какую работу должна выполнять конструкция.

Фото: sdelai-lestnicu. ru

Два типа арматуры

Металлическая арматура — это стальной прокат, длинные пруты разного сечения (от 6 до 40 мм). Пруты эти бывают гладкими или ребристыми. Гладкий профиль (класс А1) используют, чтобы делать конструкционные перемычки. Ребристый обеспечивает более серьезное сцепление с бетоном, поэтому из него собирают несущий каркас для ленточных и плитных фундаментов. Разумеется, ребристый профиль дороже. Чтобы строить дома, в качестве рабочей арматуры используют арматуру классов А300 и А400. Металлическая арматура может быть сварена в сетчатый каркас, но этого делать не рекомендуется: прут станет хрупким из-за перегрева. Лучше вязать ее специальной проволокой или пластиковыми хомутами.

Композитная арматура была придумана около сорока лет назад. Она чаще всего бывает стеклопластиковая, но иногда бывает и стеклобазальтовая (сделанная из расплава горной породы и высокопрочного полимерного волокна). Профиль композитной арматуры чаще всего ребристый, сечение может быть от 4 до 20 мм. Такой каркас связывается проволокой или пластиковыми хомутами.

К достоинствам стеклопластиковой арматуры причисляют:

• повышенную прочность;
• устойчивость к коррозии;
• удобство в транспортировке и монтаже.

Пластиковая арматура никогда не заржавеет — а значит, не нужно пытаться во что бы то ни стало выдерживать защитный слой бетона. Она прочная — бетонная конструкция будет хорошо удерживать форму десятилетиями.

Фото: stpulscen.ru

Зато есть у «новичка» и серьезный недостаток — у стеклопластиковой арматуры модуль упругости примерно втрое меньше, чем у стальной. Иными словами, при пиковой нагрузке по упругости стальная арматура растянется, а стеклопластиковая — порвется, то есть плита перекрытия просто рухнет моментально. Так что многие профессионалы рынка не советуют использовать такую арматуру в фундаментах, особенно в ленточных и плитных.

И еще одна проблема стеклопластиковой арматуры — она не очень выгодна, армирование стальными прутьями выходит дешевле, даже с учетом сильного подорожания металла в строительстве за последнее время. Так что многие эксперты сомневаются в целесообразности использования подобных каркасов в частном домостроении.

Секреты армирования бетона

Прежде чем делать арматурный каркас, нужно все хорошо рассчитать: в зависимости от нагрузки, от типа грунта и уровня его промерзания. Есть умельцы, которые умеют рассчитать параметры «скелета» бетонной конструкции самостоятельно. Однако если вы никогда этого не делали — лучше оставить эту работу специалистам. Но есть и общие правила, о которых было бы нелишне знать каждому начинающему домовладельцу.

• Продольные стрежни в рабочем поясе должны быть одного диаметра. Но если пруты разные и это объясняется конкретными причинами — то в нижнем поясе должны быть прутья большего диаметра.
• Шаг между прутами в продольном поясе должен быть не больше 40 см.
• А между поперечными и вертикальными элементами каркаса — от 30 до 80 см.

Фото: armaturniy.ru

• Диаметр арматуры может быть 10 мм, если длина сторон фундамента больше трех метров. Если больше — продольные пруты не должны быть меньше 12 мм в диаметре.
• Один из главных нюансов технологии изготовления железобетонных изделий — соблюдение толщины защитного слоя бетона. Иными словами, нельзя заливать арматуру так, чтобы кончики прутьев выглядывали наружу. Бетон защитит каркас от коррозии, но только если защитный слой будет достаточной толщины. В противном случае мы увидим такой знакомый нам пейзаж с кусками бетона, осыпающимися с проржавевшего каркаса. Минимальный защитный слой — 1 см, но это, повторимся, самый минимум. Если диаметр прута арматуры больше, то минимальный защитный слой нужно будет увеличить до этого значения.

Людмила Губаева

Недвижимость Татарстан

Краткий анализ композитных материалов, используемых в качестве армирования бетона

Надежность, долговечность и безопасность имеют колоссальное значение, когда речь идет о проектировании и строительстве бетонной инфраструктуры. Крайне важно уменьшить традиционные дефекты железобетона, чтобы построить конструкции, которые могут достичь длительного срока службы. Армированная полимерная (FRP) арматура оказалась замечательным строительным материалом, позволяющим повысить прочностные параметры железобетона. В этом сообщении блога будет представлено краткое введение в композитные материалы FRP, используемые в качестве армирования в бетонных конструкциях.

За последние пару десятилетий композиты FRP превратились в структурно и экономически жизнеспособное строительное решение для мостов, морских сооружений и зданий. Они производятся в различных формах с различными свойствами и производственными процессами. Типичные композитные материалы FRP, используемые в гражданском строительстве, состоят из стекла, углерода и арамида. Эти материалы поставляются либо в виде готового к использованию материала, такого как арматура, либо в виде отдельных составляющих, таких как волокно и полимерная смола.

Невероятная эффективность композитных материалов для армирования бетона делает их привлекательной альтернативой традиционным армирующим материалам. Применимость полимерных стержней, армированных волокном, к гражданским конструкциям в качестве замены стальных арматур и стержней была тщательно исследована и проанализирована. Доступно большое количество исследований, касающихся структурной осуществимости и практических характеристик современных композитных материалов. Коррозионная стойкость, высокая прочность на растяжение и простота установки — вот некоторые из характерных особенностей стержней FRP, которые помогают создавать устойчивые бетонные конструкции.

Чтобы получить оптимальное сочетание свойств материалов, необходимо поддерживать качество составляющих материалов и производственный процесс на более высоком уровне. Например, физические и механические свойства матрицы могут иметь большое влияние на конечные механические свойства стержней. Пултрузия — это распространенный производственный процесс, который используется для производства стержней FRP непрерывной длины. Поверхность композитных стержней покрыта тонким слоем песка, чтобы улучшить сцепление между бетоном и стержнями.

Полимер, армированный стекловолокном (GFRP), один из вариантов FRP, является конкурентоспособным вариантом армирования бетона в бетонных элементах, подвергающихся суровым условиям окружающей среды. Являясь устойчивым к коррозии и электромагнитно прозрачным строительным материалом, стеклопластиковая арматура является перспективным материалом для конструкций, эксплуатируемых в морских и чувствительных средах. Ниже приведены некоторые из идеальных областей применения арматуры из стеклопластика:

• Конструкции, возводимые в потенциально агрессивных средах: настилы мостов, подпорные стены, инфраструктура общественного транспорта, дороги и т. д.
• Сооружения, построенные вблизи морской воды: сваи, палубы, бассейны, плавучие конструкции, рампы для лодок, дамбы, здания и т. д.
• Конструкции, подверженные воздействию сильных коррозионных агентов: электростанции, водоочистные сооружения, градирни, взлетно-посадочные полосы аэропортов и т. д.
• Приложения, требующие электромагнитной нейтральности: аппараты МРТ, телекоммуникационные средства, исследовательские центры, военные сооружения и т. д.
• Временные бетонные конструкции: горные работы, проходка туннелей, бурение и т. д.

Благодаря обширным исследованиям, проектным кодам и наличию практических данных инженеры-строители все больше доверяют продуктам для арматуры из стеклопластика. Композиты FRP, несомненно, являются строительным материалом 21 века.

Автор Tuf barОпубликовано 13 июня 2017 г. Рубрики Без рубрики

Решения для устойчивого строительства

АВТОРСКИЕ ПРАВА © 2022 TUF-BAR. ВСЕ ПРАВА ЗАЩИЩЕНЫ. КАРТА САЙТА

Композитные конструкции | Энциклопедия MDPI

Общие типы инженерных материалов включают металлы, полимеры, керамику и композиты. Среди них композитные материалы часто являются лучшей альтернативой традиционным материалам, таким как металлы, керамика и полимеры, благодаря их легкому весу, коррозионной стойкости, высокой прочности и жесткости, способности выдерживать высокие температуры и простоте производственного процесса. Композитные конструкции используются в различных отраслях промышленности, от аэрокосмической, морской, авиационной, транспортной и спортивно-досуговой до гражданского строительства. Например, передовые композитные материалы использовались в различных конструкциях, относящихся к вышеуказанным отраслям, таких как лопасти несущего винта, основной корпус самолета и обшивка крыла.

1. Композитные конструкции

Общие типы конструкционных материалов включают металлы, полимеры, керамику и композиты. Среди них композитные материалы часто являются лучшей альтернативой традиционным материалам, таким как металлы, керамика и полимеры, благодаря их легкому весу, коррозионной стойкости, высокой прочности и жесткости, способности выдерживать высокие температуры и простоте производственного процесса ^{[1]. [2]} . Композитные конструкции используются в различных отраслях промышленности, от аэрокосмической, морской, авиационной, транспортной и спортивно-досуговой до гражданского строительства. Например, передовые композитные материалы использовались в различных конструкциях, относящихся к вышеуказанным отраслям, таких как лопасти несущего винта, основной корпус самолета и обшивка крыла.

Многослойные композиты обычно состоят из пары слоев, называемых пластинками. Каждая пластинка обычно состоит из двух веществ: (1) матрицы и (2) армирующего материала или волокна, погруженного в матрицу. Как правило, композитные материалы состоят из основного материала (матрицы) и армирующего материала (волокна) ^{[2] [3] [4]} . Композитные материалы, армированные волокном (FRC), состоят из высокопрочных волокон, встроенных в матрицу по двум основным причинам: (1) для удержания волокон на месте и (2) для предотвращения воздействия на волокна разрушительных условий окружающей среды, например влажность. Различные типы композиционных текстур относятся к волокнистым композитам, ламинированным композитам, композитам из частиц, симметричным ламинатам и несимметричным ламинатам.

На рисунке 1 показан вклад матрицы и волокна в различные свойства слоя композитных ламинатов.

Рисунок 1.  Вклад матрицы и волокон в различные свойства слоя.

• Волокнистые композиты:

  Волокнистый композит представляет собой тип композитных материалов, который включает волокна, объединенные с матрицей, благодаря своей замечательной жесткости и прочности волокнам. Волокна можно разделить по длине на длинные и короткие. В то время как длинные волокна обычно производятся в виде прямых или плетеных волокон, короткие волокна, также известные как «усы», обладают лучшими свойствами прочности и жесткости. Геометрические свойства волокна обычно характеризуются высоким отношением длины к диаметру, а также его диаметром, близким к размеру кристалла. Однако эффективность волокна определяется его отношением прочности к плотности и жесткости к плотности. Волокна могут эффективно улучшить сопротивление разрушению матрицы ^[5] , а длинномерное армирование волокнами останавливает рост трещин, зарождающихся перпендикулярно направлению армирования.

• Ламинированные композиты:

  Многослойные композиты состоят из нескольких слоев различных материалов (не менее двух), склеенных между собой. Поскольку отдельные слои обычно очень тонкие, их объединяют посредством ламинирования для получения материала с лучшими механическими свойствами. Различные ориентации слоев обычно используются для формирования многослойного композита, пригодного для технических применений. Некоторые примеры многослойных композитов включают биметаллы, плакированные металлы, многослойное стекло, ламинаты на основе пластика и волокнистые композитные ламинаты 9.0041 [6] .

  Гибридный класс композитов, называемый ламинированными композитами, армированными волокнами, включает в себя как волокнистые композиты, так и методы ламинирования. Направление волокон каждого слоя армированных волокном композитов обычно ориентировано в направлении, отличном от направления других слоев, для достижения прочности и жесткости в разных направлениях. Таким образом, наслоение таких композитов может быть адаптировано на основе конкретных требований к конструкции ^[7] .

• Композиты в виде частиц:

  Композиционные материалы в виде частиц, такие как бетон, состоят из частиц различных материалов разной формы, размера или конфигурации, которые беспорядочно взвешены в матрице. Однако, в отличие от волокон, композиционные материалы в виде частиц обычно не имеют длинных размеров (за исключением тромбоцитов), а вместо этого рассматриваются как изотропные материалы. Подобно матрице, частицы могут состоять из различных материалов, включая металлические и неметаллические. Таким образом, существует четыре возможных комбинации волокон и матриц в зависимости от типа материала, используемого в каждой из них: (1) металлические частицы в неметаллической матрице, (2) неметаллические частицы в металлической матрице (композиты с металлической матрицей), (3) неметаллические частицы в неметаллической матрице и (4) металлические частицы в металлических волокнах. Композиты в виде частиц предназначены для снижения стоимости интеграции композитов с волокнами ^[8] . Тем не менее, они, как правило, не обладают высокой несущей способностью волокнистых композитов и, как правило, не обладают устойчивостью к разрушению.

• Симметричные ламинаты:

  Симметричные ламинаты представляют собой многослойный композит, симметричный по геометрии и материалу относительно геометрической средней поверхности. Следовательно, слои, составляющие симметричную пару, обладают одинаковыми свойствами. Симметричные ламинаты более распространены по сравнению с несимметричными 9.0041 [9] .

• Несимметричные ламинаты:

  Несимметричные ламинаты не являются симметричными относительно их средней поверхности. Они используются во многих приложениях, в зависимости от требований к конструкции ^[10] .

Часто различные типы композитных текстур можно смешивать для получения шести различных типов композитных материалов, как показано ниже:

• Симметрично-волокнистые композиты;

• Композиты симметрично-слоистые;

• Симметрично-дисперсные композиты;

• Несимметрично-волокнистые композиты;

• Несимметрично-слоистые композиты; и

• Композиты с несимметричными частицами.

Нагрузка в основном ложится на волокна, которые действуют как армирование, а функции матрицы заключаются в том, чтобы (1) удерживать волокна на месте и (2) передавать нагрузку на волокна. Как правило, волокна состоят из углерода, стекла, арамида, бора и карбида кремния, тогда как матрицы обычно изготавливаются из полимеров, таких как эпоксидные смолы и полиимиды 9.0041 [10] . На рисунке 2 показана классификация композитных материалов по типу армирования и матрицы. Таким образом, свойства композита обычно определяются следующими факторами:

Рисунок 2.  Классификация композитного материала.

• Свойства волокна;

• Свойства матрицы;

• Объемная доля волокна (FVF), которая определяется как отношение волокна к матрице; и

• Расположение волокон в композите, такое как геометрия и ориентация.

Плотность, жесткость и прочность матрицы ниже, чем у волокон. Комбинация матрицы и волокон обычно обеспечивает очень высокую прочность и жесткость при сохранении низкой плотности ^[4] .

Дополнительные сведения о классификации композитных конструкций см. в ^{[11] [12] [13] [14]} .

2. Механизмы разрушения композитных конструкций

В композитных конструкциях могут возникать различные типы дефектов, которые можно классифицировать в зависимости от размера и компонента затронутой композитной конструкции, как показано на рис. 3 . Некоторые из наиболее критических типов повреждений вызваны циклической нагрузкой (усталостное повреждение) или ударной нагрузкой. Такие повреждения могут значительно снизить остаточную прочность в части композитной конструкции в зависимости от их типа и размера ^[14] . Повреждение композитной конструкции может проявляться в различных формах, начиная от дефектов в матрице или волокне и заканчивая другими формами повреждений, такими как поломка элементов или выход из строя креплений, которые приклеены или прикручены к корпусу конструкции ^[15]. . Степень повреждения определяет оставшийся срок службы композитного компонента и, таким образом, считается фактором, определяющим устойчивость компонента к повреждениям. Хотя некоторые типы повреждений могут иметь очень незначительное влияние на остаточную прочность, со временем они могут стать более серьезными в сочетании с другими факторами, такими как воздействие окружающей среды и эксплуатационные воздействия ^{[16] [17]} .

Рисунок 3.  Виды повреждений в композитных конструкциях.

Ударное повреждение может снизить прочность композитных материалов на сжатие, сдвиг и растяжение. Таким образом, остаточная прочность слоистого композитного материала на сжатие зависит от степени расслоения и разрушения волокна, вызванного поперечными ударами. Разрушение волокна впоследствии может повлиять на остаточную прочность материала на растяжение. Однако эффект повреждения от удара может варьироваться в зависимости от конкретной конструкции и применения композитного элемента. Например, в авиационных системах ударное повреждение может снизить устойчивость и целостность композитных компонентов к факторам окружающей среды, таким как влажность. Таким образом, сердцевина сэндвич-панелей с тонкими лицевыми листами может подвергнуться воздействию влаги после удара, или удар может привести к утечке топлива в усиленных панелях крыла. Поэтому хорошее понимание этих эффектов может гарантировать безопасное и экономичное применение композитных материалов.

В таблице 2 перечислены некоторые исследования, в которых исследуются распространенные механизмы разрушения композитных конструкций.

Таблица 2.  Некоторые распространенные механизмы отказа вместе с рекомендуемыми методами обнаружения повреждений в композитных конструкциях.

Более подробную информацию о механизмах разрушения композитных материалов можно найти в ^{[21] [22] [23] [24]} .

3. Влияние изменений окружающей среды

Одним из важных факторов, который следует учитывать при проектировании составного компонента, является среда, которой подвергается компонент во время обслуживания. В основном это связано с тем, что на характеристики композитных элементов существенно влияют факторы окружающей среды. Есть несколько факторов окружающей среды, которые могут оказывать такое влияние, причем температура и влажность являются наиболее важными для полимерных композитов. Например, модуль и прочность полимерной матрицы сильно зависят от колебаний температуры, что может дополнительно повлиять на механические свойства пластин и ламината. В то время как модуль и прочность матрицы могут быть снижены при повышенной температуре, экстремально низкие температуры могут привести к хрупкому поведению некоторых полимерных систем ^{[25] [26] [27] [28]} . Однако степень этого события сильно зависит от типа смолы и, в более общем плане, от всех других материалов, используемых в конструкции композитного компонента. Например, влияние температуры на стеклянные или углеродные волокна меньше, чем на некоторые органические волокна, такие как арамид. Точно так же повышенное содержание влаги может снизить некоторые механические свойства материалов, такие как модуль и прочность смолы. Кроме того, набухание матрицы является еще одним эффектом, вызванным поглощением влаги, что приводит к увеличению остаточных напряжений внутри ламината. За исключением большинства космических аппаратов, эффекты набухания от влаги не так серьезны, как эффекты, связанные с температурой, и поэтому обычно ими пренебрегают на этапе проектирования.

В таблице 3  описано влияние различных механизмов окружающей среды, эксплуатации и повреждений на механические свойства композитных конструкций на основе обзора ссылок ^{[11] [12] [29] [30] [ 31]} . Например, жесткость композиционного материала очень чувствительна к колебаниям температуры и влажности, а также к наличию трещин в волокнах. Еще одним фактором, весьма чувствительным к влаге, как к воздействию окружающей среды, является масса компонентов композита. Таким образом, на формирование границы меньше всего влияют изменения окружающей среды, т. е. температура и влажность. Механическая нагрузка и электромагнитное излучение оказывают относительно умеренное влияние на проводимость композитного материала. Однако их влияние на другие механические свойства композитной конструкции незначительно.

Таблица 3.  Влияние условий окружающей среды на локальные свойства композитных конструкций. (+) сильное, (∘) среднее и (-) слабое влияние. (Dl) расслаивание, (T) температура, (Dt) грязь, (M) влага, (ER) электромагнитное излучение и (ML) механическая нагрузка.

Таблица 4  указывает на обзор нескольких исследований воздействия окружающей среды и эксплуатации на различные типы конструкций. Некоторые дополнительные ссылки по этой теме включают ^{[32] [33] [34] [35]} .

Таблица 4.  Некоторые ссылки, посвященные изучению воздействия на окружающую среду и эксплуатацию.

Эффект	№ по каталогу	Описание
Влияние температуры	[36]	Вибрационные испытания, проведенные на пяти мостах в Великобритании, показали, что реакция моста чувствительна к температуре конструкции
	[37]	Перемещение точки в экспериментальной модели относительно ее ожидаемого положения в аналитической модели подтвердило значительное расширение настила моста из-за повышенной температуры.