2.2. Полимеры и пластмассы как конструктивный материал

Ресурсы сырья для получения синтетических полимеров практически неисчерпаемы. К ним относятся продукты переработки и отходы лесо-, нефте-, газо- и коксохимической промышленности, металлургического производства и т. п. Пластмассы и полимеры во многих случаях заменяют традиционные материалы: бетон, металл, древесину и позволяют экономить цемент, металл, стекло, древесину.

Пластмассы и полимеры снижают массу несущих конструкций и эффективно используются в ограждающих (плитах и стеновых панелях), а также в пространственных конструкциях (включая и пневмоконструкции), которые хорошо работают в агрессивной среде.

Применение конструкций из пластмасс придает сооружениям высокий архитектурный и эстетичный вид и позволяет при светопрозрачном варианте совместить несущие и ограждающие функции.

Применение пластмасс эффективно в многослойных плоских и криволинейных ограждающих конструкциях, а так же в пространственных конструкциях одинарной или двоякой кривизны с незначительными деформациями, так как большинство пластмасс имеют низкий модуль упругости.

Полимеры могут быть природными и синтетическими. Природным полимером является целлюлоза, получаемая отщеплением от воды молекул глюкозы и соединением их в гибкую цепь. Целлюлоза является основой всех пород древесины. Природными полимерами, кроме того, являются натуральный каучук, белки и природные смолы.

К синтетическим полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, поливинилацетат, полиметилметакрилат, а также смолы: фенолформальдегидные, карбамидные, полиэфирные, эпоксидные, полиамидные, уретановые и др.

В сочетании с наполнителем полимер составляет пластик (пластмассу). В качестве наполнителя используются материалы: стекловолокно, древесный шпон или отходы древесины, ткани, прочная бумага и т. д.

Стекловолокно (непрерывное, рубленое, ткани, жгуты, рогожи и т. п.) и древесный шпон используются для получения конструктивных пластмасс – стеклопластиков и древесно-слоистых пластиков. Бумага и ткани, пропитанные синтетическими смолами, используются для получения теплоизоляционных пластмасс – сотопластов. Новыми пласт-массовыми материалами являются полимербетон и пластбетон ( с ми-неральным вяжущим и без него).

Кроме связующего и наполнителей, в пластмассах (композиционных материалах) для придания им тех или иных свойств могут присутствовать различные добавки: гипс, сажа, цемент, красители и т. п.

В зависимости от поведения связующего (смолы) при нагревании пластмассы делятся на две группы: термопластичные и термореактивные.

Термопластичные (термопласты) получаются на основе поливинил-хлорида, полиэтилена, полистирола, полиуретана, термопластичных смол (полиамидных, акриловых и др.). Термопласты при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении снова отвердевают.

Термореактивные (реактопласты) получаются на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных, карбамидных и других термореактивных синтетических смол. Они после формования переходят в неплавкое, нерастворимое состояние.

Пластмассы широко применяются в строительных конструкциях, изделиях и сантехнической арматуре. К ним относятся стеклопластики, термопластичные материалы, тепло- и звукоизоляционные материалы и древесные пластики.

Стеклопластики состоят из стекловолокнистого наполнителя (армирующий материал) и связующего (термореактивные синтетические смолы) (рис 2.6). Стеклопластики подразделяются по виду стекловолокнистого наполнителя, по виду связующего и по способу изготовления.

Стекловолокно получают из силикатного стекла малощелочного (до 2% Na₂O) и щелочного (до 15% Na₂O). Малощелочное стекло обладает большой прочностью и химической стойкостью к воде, но более низкой стойкостью к щелочным и кислым растворам. Щелочное стекловолокно устойчиво к воздействию кислот. Малощелочное стекловолокно из-за большой прочности применяют в стеклопластиках более ответственного назначения.

Рис. 2.6. Стеклопластики:

а) – стеклопластик -1; б) – стеклопластик -2 плоский; в) – стеклопластик -2 волнистый; 1– непрерывное стекловолокно; 2 – рубленое стекловолокно;

3 –поперечные волны; 4 – продольные волны; 5 – сечение волны

В качестве связующего в стеклопластиках строительного назначения широко применяют полиэфирные смолы, обладающие высокой адгезией к стекловолокну. Они дают возможность изготовить светопрозрачный стеклопластик со светопроницаемостью до 85% и пропускающий ультрафиолетовые лучи.

По расчетным характеристикам и виду стеклонаполнителя стеклопластики делятся на следующие группы:

1) Стеклопластик типа СВАМ – стекловолокнистый анизотропный материал. Он представляет собой непрерывное стекловолокно диаметром 13—16 мкм малощелочного состава и покрывается связующим немедленно после его вытягивания. Из пропитанных смолой нитей делают стеклошпон с взаимно перпендикулярным направлением волокон, из которого прессуется пластик. Стеклопластики СВАМ изготовляют в листах 1м; b 0,5; 1 30 мм; ₀=1500 кг/м³. При показателе анизотропии 10:1 применяется в элементах несущих конструкций.

2) Стеклопластик АГ-4 (ГОСТ 20437 –75) изготовляется двух марок – В и С. Пресс-материал АГ-4В выпускается в виде брикетов из перепутанных и распушенных рубленых обрезков стекловолокна малощелочного состава, пропитанного фенолформальдегидной смолой. Это высокопрочный материал из которого можно изготовлять болты, гайки, нагели.

Пресс-материал АГ-4С изготовляется непрерывным способом из ориентированных крученых стеклонитей, пропитанных анилино-фенолформальдегидной смолой. После сушки материал в виде лент наматывается в рулоны. Из него можно изготовлять стержни круглого, прямоугольного, углового, швеллерного сечения. Содержание стекловолокна в стеклопластиках СВАМ и АГ-4 составляет 45–65% объема, ₀=1900 кг/м³.

3) Стеклопластик полиэфирный изготовляется на основе стекло-волокнистых материалов из холстов или хаотически расположенных рубленых волокон малощелочного состава. Полиэфирный стеклопластик выпускается в плоских и волнистых листах размером по длине 1–6 м, при ширине не менее 0,95 м и толщине 1,5; 2,0; 2,5 мм, ₀=1400кг/м³. Применяется в обшивках ограждающих панелей и для цельно-прессованных панелей.

4) Стеклотекстолит КАСТ-В (ГОСТ 10292–74) изготовляется на основе стеклоткани с содержанием 50—55% стекловолокна и фенолформальдегидных, эпоксидно-фенольных и полиэфирных смол в виде листов длиной 0,95– 2,4 м; шириной 0,6–1,2 м и толщиной 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,5– 7,0 мм ( с градацией через 0,5 мм). Стеклотекстолит также выпускается в виде уголков, швеллеров, труб, волнистых листов и др. Применяется для стеновых и кровельных панелей, для ребер жесткости и других деталей, в узловых соединениях конструкции.

Основные пути снижения стоимости стеклопластиков связаны с удешевлением исходных материалов, механизацией и автоматизацией производства. Стоимость стеклопластиков складывается из следующих затрат (табл. 2.1).

Наиболее существенный эффект в снижении стоимости стеклопластиков может дать замена тканей из крученых нитей неткаными армирующими материалами, так как доля затрат на текстильную переработку составляет 60–70% себестоимости тканей. Снижение себестоимости стеклопластиков возможно также за счет введения в состав композиции эффективных наполнителей, например специально обработанного песка. Эта мера позволяет значительно уменьшить содержание стеклянного волокна без существенного снижения характеристик стеклопластика.

Доля связующих в материальных издержках на производство стеклопластиков составляет 30–70% в зависимости от вида связующего и типа стеклопластика, и в настоящее время нет оснований рассчитывать на снижение этих затрат за счет снижения стоимости смол.

Таблица 2.1.Структура себестоимости основных видов

стеклопластиков.

Материал	Сырье, матери-алы, полуфаб-рикаты, %	Содержание и эксплуата-ция оборудова-ния, %	Зара-бот-ная плата с начислением,%	Цехо-вые расхо-ды, %	Обще-завод-ские расхо-ды, %	Внепроизводствен-ные расходы, %
Стеклопластик листовой волнистый КАСТ-В АГ-4С	89,8 94,3 82,5	3,2 0,3 5,7	2,5 0,8 4,8	1,3 1,7 3,6	1,8 1,2 2,8	0,8 1,7 0,6

Термопласты имеют ограниченное применение в строительных конструкциях и особенно в несущих. Распространение получили такие материалы, как полиметилметакрилат (оргстекло), винипласт (поливинилхлорид), полиэтилен и некоторые другие:

1.Оргстекло (ГОСТ 10667–74) – прозрачная бесцветная термо-пластическая пластмасса, получаемая блочной полимеризацией метилметакрилата.

Важными свойствами оргстекла являются его высокая ударная прочность и способность пропускать видимые (90%) и ультрафиолетовые (73%) лучи света (обычное силикатное стекло пропускает 1–3% ультрафиолетовых лучей). Оргстекло при температуре 105–170 ⁰С хорошо формуется в изделия криволинейной формы, склеивается и сваривается, легко поддается механической обработке – резке, строжке, фрезеровке, сверловке и т. д.

Недостатками оргстекла являются низкие показатели поверх-ностной твердости и абразивной стойкости, малая теплостойкость и подверженность процессам старения.

Оргстекло применяется для светопрозрачных стеновых и кровельных панелей, теплиц и парников, светопрозрачных конструкций криво-линейного очертания – сводов, куполов, оболочек фонарей и т. д. ( ₀=1200 кг/м³⁾.

2. Винипласт (ГОСТ 10667 – 74) – жесткий термопластичный материал, получаемый на основе поливинилхлоридной смолы, изготовляется методом прессования пакета уложенных слоями пленок или методом экструзии.

Согласно гос.стандарту, жесткий листовой винипласт выпускается трех типов:

1) ВН – непрозрачный натурального цвета или окрашенный;

2) ВП – прозрачный бесцветный или окрашенный;

3) Нетоксичный, используемый в тех случаях, когда он соприкасается с продуктами.

Винипласт изготовляют в виде листов, труб, сварочных прутков, желобов, карнизов кровель, трубопроводов, а также в виде пленок толщиной 0,3 – 1 мм, шириной 600 – 800 мм и длиной до 20 м.

Он имеет высокую механическую прочность, химическую стойкость к агрессивным средам, эластичность.

Недостатками являются ползучесть, особенно при повышенных температурах (+20–60⁰С), малая морозостойкость.

Применяется винипласт в вентиляционных коробах, для облицовок конструкций в зданиях с агрессивной средой, резервуаров, обшивок панелей стен, обращенных внутрь помещения, перегородок, подвесных потолков, профильных изделий (поручней, ступеней лестниц).

3. Полиэтилен в чистом виде представляет собой твердый белый роговидный продукт. Получают путем полимеризации бесцветного газа – этилена. Из полиэтилена изготовляют трубы и арматуру к ним, профильные изделия, болты. Пленка из полиэтилена применяется для гидроизоляции бассейнов и каналов, а липкие ленты – для защиты ЖБК от агрессивных сред.

Древесные пластики – это материалы, полученные путем соединения синтетическими смолами продуктов переработки древесины. К ним относятся древеснослоистые пластики (ДСП), древесноволокнистые плиты (ДВП) и древесностружечные плиты:

1. ДСП (ГОСТ 13913–78) состоит из тонких листов сухого шпона, пропитанного и склеенного синтетическими клеями под высоким давлением и температурой. Для шпона используют древесину березы, липы, бука. В зависимости от расположения волокон шпона в смежных слоях ДСП выпускают нескольких марок: А, Б, В и Г. ДСП-А – направление всех слоев шпона параллельно друг другу. В пластике ДСП-Б каждые 5 – 20 слоев с параллельным направлением чередуются с одним поперечным слоем для связи. Наиболее прочен вдоль волокон наружных шпонов пластик ДСП-Б с отношением продольных и поперечных шпонов 10:1 (дельта-древесина) и 20:1 (балинит). Изготовляют болты, нагели и детали для безметальных соединений ДПК. ДСП-В изготовляется с перекрестно чередующимися слоями шпона, причем рубашки располагаются вдоль плиты. ДСП-Г изготовляется с расположением слоев шпона, смещенным по отношению к предыдущему на 25–30⁰, то есть звездообразно. Прочность пластиков ДСП выше прочности древесины. Их выпускают в виде плит длиной 0,7–5,6 м, шириной до 1,2 м, толщиной 3–60 мм. Плотность –1250 кг/м³.

2. ДВП (ГОСТ 10632–77) изготовляют из раздробленной и растертой до волокон древесины, склеенной канифольной эмульсией, а для сверхтвердых плит добавляют фенолформальдегидную смолу. Изготовление ДВП позволяет утилизировать отходы древесины. Формованием плит без уплотнения на прессах получают пористые ДВП и применяют их для утеплителя, звукоизоляции и отделки стен. Для получения твердых плит древесноволокнистая масса уплотняется в горячих прессах. Твердые и сверхтвердые плиты применяют для ребер панелей, стенок балок (вместо фанеры). Недостатком плит является гигроскопичность, поэтому их следует применять в защищенных от постоянного увлажнения условиях. Плиты выпускают с размерами по длине 1,2–3,6 м, по ширине 1–1,8 м и толщине 3–8 мм. Плотность – 850–950 кг/м³, сверхтвердые – до 1100 кг/м³. ДВП, используемые в строительных конструкциях, должны быть антисептированы в процессе изготовления.

3. Древесностружечные плиты (ПС и ПТ) получают горячим прессованием древесных стружек, пропитанных синтетическими термореактивными смолами (фенолформальдегидными или карбамидными). По конструкции плиты делятся на сплошные, пустотелые, многослойные, облицованные и необлицованные. В двух- и трехслойных плитах наружные слои выполняются с повышенным содержанием связующего и из более мелких древесных частиц. Облицовывают плиты с одной или с двух сторон древесным шпоном, фанерой, бумагой, пленкой и т. п. В зависимости от плотности древесностружечные плиты делятся на легкие ( ₀=350–500 кг/м³), средние ( ₀=500–650 кг/м³) и тяжелые ( ₀=660–800 кг/м³). Смолы обычно расходуется около 10%, стружки – до 90%. Плиты изотропны по прочности. Прочность увеличивается с повышением содержания смолы, но это удорожает изделия. Древесностружечные плиты разбухают по толщине на 30–40% при водопоглощении, поэтому с целью снижения разбухания в них вводят гидрофобную (водоотталкивающую) добавку. Они обладают малой теплопроводностью и высокой звукоизоляционной способностью, хорошо поддаются обработке на станках.

Используют древесностружечные плиты в строительстве для перегородок и декоративной отделки стен и потолков, а также в качестве черных полов под паркет и линолеум, для дверей, кабин санузлов, встроенной мебели. Древесностружечные плиты имеют размеры: длину – 3,5 м; ширину – 1,5; 1,75 м; толщину – 10, 13, 16, 19, 22, 25 мм.

Ткани и армированные пленки применяются в пневмоконструкциях. Они должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать достаточную прочность и долговечность, воздухо- и влагонепроницаемость, эластичность, прошиваемость или склеиваемость.

Ткани, прорезиненные капроновые однослойные применяются для воздухоопорных конструкций; двух- и трехслойные — для сильно напряженных пневмокаркасных конструкций.

Пленки изготовляются из термопластов – полиэтилена, полиамида, полиэфира.

Для повышения прочности и снижения деформативности пленки армируют тканевыми сетками из капрона, лавсана, стекловолокна. Такие пленки применяются для воздухоопорных конструкций, а также в качестве ограждающих конструкций по несущему каркасу.

Для устройства среднего слоя в трехслойных плитах (панелях) в качестве теплозвукоизоляции применяют пенопласты и сотопласты. Пенопласты имеют пористую структуру с замкнутыми порами, легкие ( ₀=30–220 кг/м³). Выпускаются пенопласты полистирольные марок ПС-1, ПС-4, ПСБ, ПСБ-С; поливинилхлоридные марок ПХВ-1, ПХВ-2, ПХВ-3; фенолформальдегидные марки ФРП-1. Сотопласты изготовляются в виде сот из бумаги обычной, прочной (крафт-бумаги), тканей, различных листовых материалов, стеклоткани. Ленты требуемой ширины склеивают друг с другом в шахматном порядке. Для упрочнения стенок сотопластов материал может пропитываться смолами. Сотопласты из жестких листовых материалов получаются вставлением полос под заданным углом в прорези, сделанные до половины ширины полос.

Пластмассы отличаются своими физико-механическими свойствами, как положительными, так и отрицательными .

Положительные свойства: легкость, водо- и атмосферостойкость, не требующие дополнительной пароизоляции; биостойкость, стойкость к химической агрессии; немагнитность, электроизоляционность; возможность получать материалы с различной расцветкой; поверхностная твердость. Производственные преимущества заключаются в простоте формования изделий: создание разнообразных пространственных архитектурных форм; легкость обработки; клеящая способность и свариваемость; высокая заводская готовность строительных элементов, что облегчает их монтаж на стройплощадке.

Отрицательные свойства: горючесть большинства пластмасс, низкая теплостойкость термопластов, ползучесть и чувствительность к знакопеременным нагрузкам, старение. Основной производственный недостаток – токсичность некоторых синтетических смол.

Влажность пластмасс (стеклопластиков) снижает физико-механические свойства, так как уменьшается адгезия (склеивание) между стекловолокнами, происходит вымывание и растворение компонентов стекла. Для предотвращения понижения прочности стеклопластиков волокна обрабатываются гидрофобными эмульсиями. Наибольшее влияние влаги наблюдается для стеклопластиков на основе полиэфирных смол, затем эпоксидных, меньше кремнийорганических и фенолформальдегидных смол (10–30%).

Влажность древесных пластиков определяется ослаблением увлажненной древесины, являющейся наполнителем в ДСП; их водопоглощение за 24 ч составляет не более 5%. В полимербетонах увеличение влажности ведет к значительному уменьшению прочности и ухудшению деформативных свойств. В расчет вводится коэффициент –m_w 1.

Плотность пластмасс равна плотности полимера, зависит от процентного содержания стекловолокна (1400–1900 кг/м³). От плотности зависят прочностные свойства стеклопластиков. Плотность пенопластов определяет их теплотехнические свойства.

Коэффициент линейного расширения у пластмасс значительный, достигает 100·10^-6. Тепловые деформации должны учитываться при конструировании введением деформационных швов при расчете на сдвигающие усилия и деформацию.

Теплостойкость пластмасс слабая, что ограничивает температуру их применения до +60⁰С. Отрицательные температуры не ограничиваются, но пластмассы становятся хрупкими. В расчет вводится коэффициент –m_t<1.

Механические свойства пластмасс – прочность, жесткость, твердость, трещиностойкость – следует учитывать при расчете конструкций на действие внешних нагрузок.

Конструкционные пластмассы в основном имеют ярко выраженную анизотропию по прочности, обусловленную ориентацией стекловолокна или древесных шпонов в определенном направлении. Термопласты и полиэфирные стеклопластики с хаотично расположенным рубленым волокном можно отнести к изотропным материалам.

Сложность структур пластмасс и наличие вязкого компонента вызывает их ползучесть (нарастание деформаций при постоянной нагрузке во времени). Пластмассы относятся к упругопластическим материалам.

Длительность нагрузки при расчете конструкций из пластмасс, так же как и деревянных, учитывается коэффициентом (k_дл=0,2–0,75), который для различных конструкционных пластмасс, имеет следующие значения:

Светопластик полиэфирный……………………..0,2– 0,4

СВАМ……………………………………………..0,6 – 0,7

АГ-4С……………………………………………...0,75

Термопласты……………………………………...0,3

Конструкционные ткани………………………....0,5

Полимербетоны…………………………………..0,45 – 0,63

Основные дефекты структуры стеклопластиков: поверхностное вздутие, расслоение, трещины, коробление, повышенная пористость, раковины, поворот и коробление отдельных слоев армирующею материала, снижение адгезии связующего и наполнителя, неравномерность усадки материалов и т. д. Эти дефекты приводят к внутренним остаточным напряжениям, концентрации напряжений в отдельных местах конструкций. При расчете снижение расчетных характеристик учитывается коэффициентом неоднородности – k_одн=0,6–0,8.

Расчетные характеристики пластмасс и фанеры приведены в табл.2. 2. Расчетные сопротивления пластмасс, работающих в различных условиях умножаются на соответствующие коэффициенты.

Таблица 2.2. Расчетные характеристики пластмасс и фанеры

(в МПа)

Наименование
КАСТ-В СВАМ 1:1 АГ-4С 1:1 ДСП-Б Огрстекло (винпласт) ВН ВП Полимербетон ФСФ ФБС ДСП(плиты)	110 160 220 109 15 14 13 2 13 32 3	55 150 110 130 15 10 19 3,2 16 33 3	45 140 90 80 20 14 14 27 10 28 3	30 5 - 7 14 8,5 8,5 - 6 11 -	19000 24000 15000 15000 1400 1600 - 14000 9000 12000 8100