Композиционные материалы – строительный материал будущего!
Композиционные материалы – строительный материал будущего! Своим появлением эти материалы открывают новые возможности в строительной индустрии. О перспективах применения композиционных материалов в строительстве и техники рассказывается в статье Владимира Фрадкина для “Deutsche Welle“.
Первый в Европе мост без единого болта, склеенный из стали и полимеров, был возведён в конце июля над федеральной трассой номер 455 возле города Фридберга в земле Гессен. Там, где ещё накануне вечером вверх вздымались лишь бетонные опоры будущего моста, на следующее утро уже красовался готовый мост длиной 27 метров. Он состоит из двух тёмно-красных стальных балок, на которых сверху располагаются довольно тонкое белое дорожное полотно шириной в 5 метров, по краям – пешеходные тротуары и перила из высоколегированной стали. Это чудо стало возможным благодаря группе инженеров Института несущих конструкций и строительного проектирования при Штутгартском университете. В принципе такие мосты через скоростные автотрассы имеются повсюду, однако все они изготовлены из железобетона и возведены непосредственно на месте традиционным способом с применением опалубки. Понятно, что такое строительство занимает не один месяц. Мост возле Фридберга уникален: все его компоненты были склеены в единое целое под крышей заводского цеха, где нет ни дождя, на ветра, ни резких перепадов температуры. Маркус Габлер (Markus Gabler), один из участников проекта, рассказывает:
Весь мост, включая перила и дорожное покрытие, был смонтирован в цехе. Масса моста составляет 58 тонн. Транспортировка готового изделия к месту назначения заняла одну ночь. То есть мы погрузили мост на низкорамный прицеп-тяжеловоз, провезли его 25 километров, а там двумя автокранами сняли и установили. Все операции вне заводского цеха были проделаны за одну ночь.
Первое, весьма существенное преимущество моста из синтетического композиционного материала состоит в том, что такая конструкция гораздо легче железобетонной. Это позволяет возводить её быстро и практически не нарушая движение транспорта. Плита проезжей части моста, обычно самая тяжёлая его часть, в данном случае выполнена из пустотелых профилей высотой в 22 сантиметра. Эти профили изготовлены из синтетических смол, армированных стекловолокном, и склеены между собой. Стеклопластики уже давно применяются для производства таких изделий как автомобильные кузова, велосипедные рамы, лодочные корпуса, телефонные кабины, а также фюзеляжи лёгких спортивных самолётов. Но для возведения мостов или других сходных с ними инженерно-строительных сооружений стеклопластики в Европе пока не применялись. Маркус Габлер говорит:
Армированные волокном композиционные материалы – в зависимости от их состава и структуры – могут обеспечить самую высокую среди всех прочих материалов несущую способность. В частности, гораздо более высокую, чем у стали. То есть тут мы действительно располагаем материалом с очень высокой удельной прочностью. А ещё одно важное достоинство таких армированных волокном синтетических смол – это их влагостойкость. Потому что восприимчивость к влаге представляет собой очень серьёзную проблему для всех других конструкционных и строительных материалов, будь то сталь, бетон или древесина.
Сталь ржавеет, бетон растрескивается, древесина гниёт. Все эти процессы крайне негативно влияют на прочностные характеристики моста. Здесь же собственно несущая конструкция, несмотря на малую толщину, легко выдерживает тяжёлые грузовики. Это связано с тем, что стеклоткань в полимере обеспечивает оптимальное распределение нагрузки. Даже покрытие проезжей части – его толщина составляет всего 4 сантиметра – тоже выполнено из полимера. Маркус Габлер поясняет:
Поверхность совершенно гладкая, в принципе – зеркально гладкая. Поэтому на проезжей части моста уложено специальное покрытие. В данном случае это не асфальт, а особый клей с кварцевым песком в качестве наполнителя. Это позволило нам получить очень шероховатую поверхность.
В новый мост встроено 137 сенсоров. Они регистрируют реакцию отдельных элементов моста на нагрузку, следят за общим состоянием сооружения, что позволяет не только своевременно обнаружить любое отклонение от нормы, но и выявить дополнительные возможности для экономии материала. Правда, пластмассовый мост дороже стандартного, но это вполне нормально: он ведь и долговечнее. По словам Маркуса Габлера, он и его коллеги заранее знали и сознательно пошли на то, что по сравнению с железобетонным мостом расходы на такой мост будут примерно на 50 процентов выше, однако мы исходим из того, что лет через 40, самое позднее – 50, эти инвестиции себя оправдают. Ведь сооружение из такого композиционного материала не требует никакого техобслуживания и никакого ремонта, за исключением сугубо косметического. Между тем, опыт эксплуатации железобетонных мостов показывает, что они после примерно 20-ти лет службы нуждаются в капитальном ремонте. А расходы на такой ремонт могут достигать 50-ти процентов изначальной стоимости нового моста.
При этом следует помнить и ещё об одной статье расходов. Исследования, проведённые Дорожно-транспортным ведомством федеральной земли Гессен, показали, что убытки, вызванные постоянной пробкой на каком-то участке автотрассы, составляют в среднем 400 тысяч евро в сутки. Но сооружение железобетонного моста практически невозможно без сужения проезжей части, без закрытия одной, а то и нескольких полос движения, что, как правило, и приводит к образованию пробки. Это ещё один весомый аргумент в пользу лёгких мостов, которые могут быть возведены всего за одну ночь.
Ближайшим, однако гораздо более дорогим родственником стеклопластика является углепластик, отличающийся от него тем, что в нём в качестве армирующего наполнителя используется не стеклоткань, а углеродное волокно. Этот материал применяется примерно в тех же областях, что и стеклопластик – ракетно-космическая техника, автомобилестроение, судостроение, изделия медицинского, научно-исследовательского и спортивного назначения, но прежде всего – авиационная техника. Здесь углепластик хоть и медленно, но верно действительно вытесняет лёгкие сплавы на основе алюминия. Недавно в городке Штаде под Гамбургом, где расположен немецкий завод по производству и сборке «аэробусов», прошёл симпозиум, посвящённый проблемам композиционных материалов в самолётостроении. Аксель Херрман (Axel Herrmann), руководитель научного объединения по изучению углепластиков «CFK-Valley Stade», говорит:
Это очень лёгкий материал, даже по сравнению с алюминиевыми сплавами он позволяет добиться 30-ти процентной экономии по весу. Правда, пока этот материал обходится существенно дороже алюминия. Однако мы активно работаем над созданием новых производственных технологий, которые позволят снизить цены до уровня цен на металлы.
Самой перспективной сферой применения углепластика по-прежнему остаётся самолётостроение. Это и понятно: здесь каждый сэкономленный килограмм веса оборачивается ощутимой экономией горючего, а авиационный керосин, как известно, дорожает не по дням, а по часам. Здесь использование дорогого углепластика окупается быстрее всего. Уже сегодня у каждого «аэробуса», покидающего сборочный цех, крылья и хвостовое оперение выполнены из композиционных материалов на основе углеродного волокна. Однако этого недостаточно, и доля углепластика в общей массе самолёта будет неуклонно возрастать.
, – говорит Дитер Майнерс (Dieter Meiners), руководитель завода компании «Airbus» в Штаде:
Сегодня мы находимся на уровне 30-ти процентов. А начало производство «аэробуса А350» позволит нам превысить планку в 50 процентов.
У проектируемого в настоящее время дальнемагистрального «аэробуса А350», который придёт на смену нынешнему «аэробусу А340», из углепластика будет изготовлен также и фюзеляж. Недаром в обозначении нового авиалайнера присутствует аббревиатура XWB, что означает «Extra Wide Body», то есть «особо широкий фюзеляж». Это конструкторское решение будет реализовано за счёт новых технологий. Сами принципы производства конструкционных элементов из углепластика, конечно, останутся прежними: углеволокно или углеткань укладывается в форму и пропитывается синтетической смолой, после чего смола полимеризуется в печи. Однако на каждом этапе этой технологической цепочки инженерам удалось добиться значительного прогресса, – говорит Геральд Вебер (Gerald Weber), глава немецкого отделения компании «Airbus»:
Первое – это само волокно, которое мы сегодня научились укладывать раздельно, получая при этом оптимальную структуру. Второе – сделан большой шаг вперёд в разработке прессформ: мы научились изготовлять крупногабаритные прессформы, без которых производство элементов фюзеляжа самолёта из углепластика было бы немыслимо. А третье – мы разработали гигантские полимеризационные печи, которые не только вмещают огромные элементы фюзеляжа, но и позволяют поддерживать температурный режим с недостижимой прежде точностью.
Впрочем, при всей радужности перспектив впадать в эйфорию нет оснований, – считает Оливер Грундман (Oliver Grundmann), управляющий делами фирмы по вторичной переработке сырья при научном объединении «CFK-Valley Stade». Он уже сегодня указывает на назревающую проблему, связанную с композиционными материалами:
Мы неудержимо движемся навстречу катастрофе с утилизацией отходов.
Дело в том, что в Европе уже сегодня бракованные изделия, лом углепластика и прочие отходы производства композиционных материалов составляют около 500 тонн в год. Оливер Грундман и его коллеги намерены создать систему для утилизации этих отходов, причём в промышленном масштабе:
Мы сейчас заняты разработкой соответствующего технологического процесса, на основе которого должен функционировать Европейский центр утилизации углепластика. Мы планируем организовать сбор отходов по всей Европе и перерабатывать их здесь в ценное вторсырьё.
Оливер Грундман («CFK-Valley Stade») продолжает:
Особую ценность представляет углеволокно. Отправлять его на свалку – это бессмысленное расточительство и бесхозяйственность!
Смола выпаривается, и остаётся чистое углеволокно. Все его качественные характеристики лишь очень незначительно – на 5, максимум 10 процентов, – ниже соответствующих показателей нового волокна.
Центр утилизации углепластика в Штаде планируется открыть в 2010-м году. По словам Оливера Грундмана, соседство центра с заводом по сборке аэробусов не означает, что сбор отходов будет сосредоточен исключительно на предприятиях самолётостроительной отрасли. Ведь и автомобилестроители тоже всё активнее внедряют углепластик в своё производство.
А уж в экспериментальных конструкциях спортивного назначения углепластик просто незаменим. На этой неделе в Нидерландах пройдут первые в мире гонки так называемых ветромобилей, то есть транспортных средств, приводимых в движение исключительно силой ветра и способных перемещаться навстречу ветру. Это состязание названо гонками Эола – по имени героя древнегреческой мифологии, повелителя ветров и властителя воздушной стихии. Германию на гонках представляет команда Штутгартского университета, разработавшая конструкцию под названием «вентомобиль». Ян Леман (Jan Lehmann) – студент последнего курса, посвятивший этой конструкции свою дипломную работу, говорит:
«Вентомобиль» – это автомобиль с ветроприводом. У него наверху большой пропеллер, напоминающий знакомый всем ветрогенератор. Вообще же это трёхколёсная конструкция длиной 4 метра, шириной 2 метра и высотой 3,5 метра.
Конструкция представляет собой треугольную раму, на которой четырьмя поперечными распорками закреплена вертикальная ось, несущая двухлопастной ротор. Всё это напоминает ветряную мельницу на трёх колёсах. Ян Леман говорит:
Мы хотим, прежде всего, ехать навстречу ветру. Поэтому мы задумались над тем, как нам наиболее эффективно использовать энергию ветра для привода и при этом свести к минимуму лобовое сопротивление ветру. Мне кажется, мы удачно решили эту проблему, разработав специальные лопасти.
Эти лопасти могут поворачиваться вокруг продольной оси, оптимизируя тем самым угол атаки встречного воздушного потока. Ведь в отличие от парусного судна, способного плыть или по ветру, или, если против ветра, то только косым галсом, автомобиль, привязанный к городским улицам, должен уметь ехать и строго навстречу ветру. Интересное техническое решение было предложено для защиты водителя и прохожих от вращающихся лопастей. Если на пропеллерных лодках, широко распространённых на болотах штата Флорида, ротор просто заключён в прочную проволочную клетку наподобие той, что часто используется в бытовых вентиляторах, то штутгартские студенты поместили свой ротор в короткую трубу, закрытую с обеих сторон решётками. Эта труба не только обеспечивает безопасность, но и повышает коэффициент полезного действия пропеллера, как бы не давая ветру уклониться в сторону. Так как же устроен сам привод? Профессор Мартин Кюн (Martin Khn), обративший внимание своих студентов на гонки в Нидерландах, поясняет:
Все знают ветряную мельницу: её лопасти вращаются, и это вращение с помощью соответствующего передающего устройства – зубчатого или червячного – переносится на жернова. Здесь же вместо жерновов в движение приводятся непосредственно колёса на задней оси.
В создании «вентомобиля» принимала участие группа из 20-ти студентов. Конструкция должна была сочетать в себе жёсткость, прочность и лёгкость. Ян Леман говорит:
Мы сделали всю раму из углепластика. И лопасти у нас тоже из углепластика, и даже задняя ось.
Общая масса конструкции не превышает 100 килограммов, а ротор способен развивать мощность до 6-ти киловатт. У водителя непростая задача: руками он должен поворачивать трубу с ротором так, чтобы она захватывала как можно больше ветра, а ногами поворачивать переднее колесо, задавая тем самым направление движения машины. Насколько удачна такая конструкция, станет ясно уже через несколько дней. Гонки Эола пройдут с 20-го по 23-е августа.
С композитной арматурой, применяемой для армирования бетона в строительной индустрии Вы можете познакомиться тут.
Источник: dw-world.de