Стеклопластики в строительстве

Простота в  изготовлении. Так, например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.).

Матрица может быть изготовлена  практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы.

Свойства  стеклопластиков   зависят от  состава,  диаметра  и длины стекловолокна,  его  ориентации  и  содержания  в  связующем,  от взаимодействия  на  границе  стекловолокно-связующее,  технологии изготовления. 

Стеклопластики  на  основе  термореактивных  полиэфирных  и эпоксидных  связующих,  отверждающихся  при 17-25^оС  и 130-220^оС, работоспособны  при 60-80^оС  и 120-170^оС  соответственно;  на  основе фенольных и фурановых связующих – до 200-250^оС, полиамидных – до 250- 400^оС,  кремнийорганических –  до 300-500^оС,  неорганических алюмохромфосфатных –  до 800-1100^оС.

Температурные  пределы  эксплуатации  стеклопластиков  на  основе термопластов  определяются  температурами  размягчения  и  стеклования полимеров.

Армирование  термопластов  стекловолокнами  увеличивает  их прочность в 2-3 раза, модуль упругости в 3-5 раз, снижает ползучесть в 1,5-2 раза  и предельную  деформацию  в 2-200  раз,  увеличивает  теплостойкость  на 50-180 %,  уменьшает температурное расширение  в 2-7  раз,  улучшает  стабильность размеров изделия [6,7].

3. Преимущество стеклопластиковых изделий в строительстве

Наиболее распространенным методом изготовления изделий из стеклопластика в строительстве является метод пултрузии.

Преимущества пултрузионных  стеклопластиков:

- высокие физико-механические свойства;

- низкий удельный вес (в 4 раза легче стали);

- стойкость к атмосферным воздействиям, УФ-излучению и водной среде;

- высокая коррозионная стойкость;

- уникальная химическая стойкость: устойчив к воздействию химически агрессивных внешних сред, например кислоты или щелочи;

- низкое дымовыделение при пожаре, при горении не выделяет диоксин (в отличие от поливинилхлорида);

- низкий тепловой коэффициент линейного расширения;

- широкий диапазон рабочих температур (от -60°C до +80°С);

- хорошие электроизоляционные свойства;

- радиопрозрачность;

- низкая теплопроводность. 

Профиль можно окрашивать в любой цвет как в процессе изготовления, так и в готовом  виде (естественный цвет профиля от белого до желтоватого цвета).

По длине профиля  возможно создание различной рельефной  
поверхности. 

Технические характеристики пултрузионного профиля по сравнению с другими материалами представлены в таблице 3.1 [8].

 

 

Таблица 3.1

 

4. Области применения стеклопластиков в строительстве, 
   полученных методом пултрузии

Это  несущие строительные конструкции (в «легких» домах, мансардах, ангарах);  ненесущие строительные конструкции (оконные профили, дверные блоки, пешеходные мосты, трапы, панели); длинномерные (ненагруженные) коробчатые профили (короба, трубы, столбы); электроизоляторы и арматура; лестницы, стремянки, трости; любые длинномерные предметы постоянного сечения и др.

Продукция выпускается  в соответствии с ТУ 5772-001-007623615-2005 [9,10].

 

5. Технологический процесс производства профиля из стеклопластика методом пултрузии

Особенность технологии заключается в непрерывной протяжке через фильеру рввинга из нитей-волокон (стеклянных, базальтовых, синтетических и других), предварительно пропитанного многокомпонентной системой на основе связующих из различных смол, отвердителей, разбавителей, наполнителей, красителей. Конфигурация сечения пултрузионных профилей обеспечивается конструкцией фильер; длина профилированных изделий может быть любой. 

В качестве связующего обычно используются низковязкие смолы, быстро отверждающиеся при повышенных температурах. Для снижения вязкости композиции и придания ей необходимой пропитывающей способности, а также высоких показателей физико-механических характеристик готовой продукции, применяются хорошо совмещающиеся со смолой активные разбавители, то есть вступающие в химическое взаимодействие с основными компонентами. Отверждение пропитывающей полимерной композиции происходит в присутствии специальных катализаторов.

Оптимальные свойства и  относительно низкая стоимость стеклопластика обеспечиваются за счет добавления недорогого наполнителя в состав пропитывающей композиции, что, в конечном итоге, способствует повышению конкурентоспособности изделия на рынке аналогичной продукции.

Сечение стеклопластикового профиля может быть любым (полый  прямоугольный; двутавр; швеллер; трапеция малая и др.), а его длина определяется только транспортными возможностями заказчика. Особенностью пултрузионной технологии является выпуск прямолинейных изделий с постоянным сечением по всей длине. Изготовление криволинейного профиля по этой технологии невозможно.

Стеклопластиковые профили  отличаются высокой прочностью: величина естественного прогиба балки  в центре 6-метрового двутаврового профиля составляет 6 мм; двутавр длиной 3 метра при нагрузке 200 кг имеет прогиб 12 мм.

Профили соединяются с помощью саморезов, заклепок, болтов, клея и других механических способов крепления [2,11].

 

 

 

 

 

 

1. Выбор состава смолы

При производстве  применяют полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др.

 В последние годы  в качестве связующих начали  также применять высокотермостойкие полибензимидазоловые, полиимидные, полибензотиозоловые и другие полимеры. Для улучшения свойств указанные смолы чаще всего используются в "модифицированном" виде с добавками других полимеров.

Для изготовления стеклопластиков высокой коррозионной стойкости наиболее универсальным связующим является связующее на основе эпоксидной смолы. Для изготовления стеклопластиков с повышенными электрическими свойствами рекомендуется полиэфирное связующее.

Выбираем эпоксидную смолу ЭД-20, которая представляет собой прозрачную вязкую жидкость желтоватого цвета без видимых механических включений. Ее технические характеристики представлены в таблице 5.1. [12,13].

Таблица 5.1

Свойства эпоксидной смолы ЭД-20

Показатель	Эпоксидная смола ЭД-20
Внешний вид	Медоподобная желтоватая жидкость.
Плотность при 20 °С, кг/м3	1,16-1,25
Прочность при растяжении, МПа	40-90
Прочность при изгибе, МПа	80-140
Прочность при сжатии, МПа	100-200
Температура полимеризации, °С	от 20
Водопоглощение за 24ч, %	0,01-0,1
Ударная вязкость, кдж/м2	5-25
Теплостойкость, °С	55-170
Вязкость при 20 °С, мПа*с	4000
Ударная вязкость, кДж/м2	19

 

2. Выбор состава армирующего стекловолокна

        Непрерывные волокна для армирующих стекломатериалов получают на основе различных составов (табл. 5.2.) [14,15].

Таблица 5.2

Составы непрерывного стекловолокна

 

Тип стекла	Содержание, % по массе
	SiO2	B2O3	Al2O3	MgO	CaO	R2O3
Щелочное,  тип А:	70,5	-	3,1	3,1	8,8	14,5
Малощелочное, тип С	67,0	4,0	5,5	2,0	12,0	9,5
Бесщелочное, тип Е	55,0	10,0	15,0	4,0	17,0	<1
Высокопрочное	52,5	-	15,0	10,0	10,0	2,5
Высокомодульное	52,4	-	22,4	12,1	9,1	4,0

 

Для производство стеклопластика методом пултрузии  подходит бесщелочной алюмосиликатный состав стекла типа Е.

SiO2	CaO	MgO	Al2O3	В2O3           Na2O
55,0	16,0	4,0	14,0	10,0          < 1

 

SiO₂ повышает тугоплавкость и ухудшает варочные свойства, увеличивает техническую прочность, твердость, химическую устойчивость стекла, склонность к кристаллизации.

СаО облегчает варку  и осветление стекломассы, придает  стеклу химическую устойчивость.

МgО повышает химическую устойчивость, механическую прочность стекла, понижает склонность стекла к кристаллизации.

Аl₂О₃ содействует провару и осветлению стекломассы, снижает коэффициент термического расширения стекла, что обуславливает повышенную термическую стойкость, повышает химическую стойкость стекла, улучшается механическая прочность, увеличивается твердость стекла. При содержании до 3% Аl_,О₃ улучшается однородность стекла, уменьшается склонность к кристаллизации.

B₂О₃ увеличивает химическую стойкость и термостойкость стекла.

Учитывая характер влияния  каждого компонента на свойства стекла и содержание их в выбранном составе, можно сделать вывод, что данный состав стекла будет иметь хорошие прочностные и упругие характеристики, высокую химическую устойчивость [1].

 

1.  Расчет физико-химических свойств стекла

 

Расчет физико-химических свойств  стекла – важная часть  исследования в области стекла. Умение предопределить составы стекол с заданными свойствами, и наоборот, вычислять свойства стекла по его химическому составу в значительной мере сокращает затраты труда, средств и времени для разработки и совершенствования составов стёкол.

Метод А.А. Аппена является наиболее распространенным и точным методом расчета свойств. Используя этот метод, можно рассчитать: плотность (ρ), среднюю дисперсию (Δn), термический коэффициент линейного расширения  ТКЛР (α), модуль упругости (Е), модуль сдвига (G_i), диэлектрическую проницаемость (e) [17,18].

Плотность стекла (ρ) находим  по уравнению:

                                      ;

где ∑Р_i – сумма содержания в стекле оксидов, мас.%;

      m_i – содержание в стекле каждого оксида в мольных долях;

      V_i – усреднённый парциальный коэффициент удельного объёма соответствующего оксида.

Для расчёта остальных свойств  используем уравнение:

;

где g  – расчетная величина свойства;

      g_i – усредненный парциальный коэффициент этого свойства для каждого оксида.

Выбранный состав стекла, мас. %

SiO2	CaO	MgO	Al2O3	В2O3      Na2O
55,0	16,0	4,0	14,0	10,0       <1

Рассчитываем молекулярный процент SiO₂ в стекле:

М=91,7/(0,917+0,143+0,137+0,286+0,1+0,016)=57,35

         Так как М _SiO2 меньше 67, принимаем значение парциальных компонентов для SiO₂ постоянными.

         Для определения парциальных  компонентов B₂O₃ определяем значение показателя ψ_в:

ψ_в=(0,016+0,7·0,286+0,3·0,1-0,137)/0,143=0,764

Тогда:

V _B2O3=34,0-3,1(3-1/ ψ_в)=34,0-3,1(3-1/0,764)=28,76

n _B2O3=1,47+0,048(3-1/ ψ_в)=1,47+0,048(3-1/0,764)=1,551

Δn _B2O3·10⁵=900-65(4-1/ ψ_в)=900-65(4-1/0,764)=689,66

а _B2O3·10⁷=12,5(4- ψ_в)-50=12,5(4-0,764)-50=-9,55

E _B2O3·10^-3=1+14 ψ_в)=1+14·0,764=11,696

G_B2O3·10^-3=6 ψ_в=6·0,764=4,584.

 

Расчет плотности стекла.

Расчёт показателя преломления. 

   Расчет ТКЛР.

К^-1

 

Расчет модуля упругости.