Что представляют собой композитные материалы?
Материалы, которые состоят из пластичной матрицы, усиленной жёсткими наполнителями, именуют композитными материалами либо просто композитами.
Характеристики таких материалов, как по качеству, так и по количественным параметрам, имеют существенные отличия от свойств их компонентов. Некоторые композитные материалы превосходят классические варианты по прочности, но при этом легче их. Применение изделий из композита даёт возможность уменьшить вес оборудования, сохранив и улучшив её характеристики с точки зрения механики.
Экономическая инфраструктура любой страны предусматривает наличие прочных и устойчивых к нагрузкам мостов. Надёжность и долговечность мостов, сделанных из традиционных дерева, ж/бетона и металла, согласно статистике, могут значительно снижаться из-за следующих негативных современных факторов:
- Повсеместного использования в зимний период химических соединений для снижения проскальзывания шин автомобилей;
- Действие кислотных дождей, участившихся из-за неблагоприятной экологической ситуации;
- Нанесение на дорожное покрытие агрессивных химических компонентов, перенос их на большие расстояния на автомобильных колёсах;
- Увеличение эксплуатационных нагрузок;
- Из-за изменения климата – увеличение перепадов температур, которые создают повышенную нагрузку в мостовых пролётных конструкциях;
- Увеличение количества локальных дефектов и рост трещин в мостовых конструкциях из-за усталости материалов – большинство мостов было возведено 40-50 лет назад или более.
Поэтому, хотя проектный срок эксплуатации составляет около 100 лет, по факту мосты и дорожные покрытия используются в течение 40 лет (максимум!), а необходимость в них – значительно больше. Как следствие, к современным мостам из композитных материалов, в отличие от конструкций 20-го века, предъявляются повышенные требования:
- Длительный срок службы и надёжность;
- Отличные характеристики используемых материалов;
- Применение современных технологий;
- Запас по длине при проектировании пролётных конструкций;
- Оперативное построение монтажных конструкций;
- Вандалоустойчивость;
- Устойчивость к воспламенению основных мостовых элементов;
- Устойчивость к высокой влажности и температуре, действию химических реактивов;
- Оптимизация стоимости возведения моста;
- Гармоничное соответствие архитектуре населённого пункта.
Решением всех этих задач будет повсеместное использование в качестве альтернативы обычным железобетонным и металлическим конструкциям изделий из композита.
Главными достоинствами данных материалов при строительстве мостов являются:
- Стойкость к действию химических реагентов и появлению плесени;
- Неподверженность к коррозийным процессам;
- Отсутствие температурных расширений, деформаций;
- Небольшие эксплутационные расходы;
- Существенно меньшая масса, чем у железных или железобетонных элементов, что положительно сказывается на нагрузках на мостовые конструкции;
- Устойчивость к механическим и акустическим вибрациям;
- Стойкость к вандальным действиям;
- Лёгкость укладки, невысокая трудоёмкость и малые сроки проведения монтажных работ;
- Небольшая цена, даже если сравнивать с железобетоном;
- Низкая горючесть, которая практически исключает вероятность воспламенения;
- Отсутствие необходимости в особом уходе, применении защитных материалов и нанесении специальной огнеупорной краски;
- Возможность монтажа в любое время года;
- Безопасность для экологии. Конструкции производятся на заводе, поэтому строительные площадки не загрязняются мусором;
- Соответствие всем архитектурным требованиям, применяемым к мостам.
Все преимущества композитных материалов дают возможность их повсеместного использования при возведении автомобильных и пешеходных мостов.
Каждый год на Земле увеличивается количества мостов для передвижения людей и автотранспорта, которые создаются с применением изделий из композита. В США возведено уже свыше 300 таких конструкций, в Нидерландах – около 40. Кроме того, мосты на основе композитных материалов строятся в Испании, Германии, Канаде и других развитых странах.
В России первый подобный мост возведён в 2004 году, а к настоящему моменту их построено свыше 40.
Композитные мостовые материалы дают возможность существенно снизить затраты на строительство, эксплуатацию и ремонт. При этом срок службы и интервал между ремонтами, наоборот, увеличиваются. Таким образом круглогодично обеспечивается удобное и безопасное функционирование транспорта и пешеходов.
В настоящее время при строительстве мостов полимерные материалы часто используются в сочетании с обычными железом и железобетоном. Поэтому актуален вопрос – как лучше всего эти материалы комбинировать.
Стоит учитывать, что композитные материалы имеют отчётливую анизотропию – без вреда для собственной структуры работают на растяжение. Кроме того, они могут применяться и в конструкциях, которые подвергаются сжатию. В этих случаях рекомендуется использовать их не как обычные массивные компоненты, а в форме оболочек с тонкими стенками в сочетании с традиционными материалами.
С учётом сказанного ранее, конструкции для мостов из композитных материалов не рекомендуется проектировать по методикам, разработанных для изделий из стали или железобетона. Необходимо внедрять альтернативные проектные решения.