Современное строительство и промышленность предъявляют жесткие требования к материалам: они должны выдерживать огромные нагрузки, вибрации, перепады температур и агрессивное воздействие среды. Обычный цементный бетон, который использовался десятилетиями, в таких условиях быстро разрушается. Сегодня в мировой практике для строительства применяют полимербетоны на основе эпоксидной смолы, потому что они более прочные и устойчивые к внешним воздействиям. Однако в России системные разработки таких материалов до сих пор отсутствовали: инженеры были вынуждены либо использовать недолговечные традиционные бетоны, либо закупать дорогостоящие импортные составы. Ученые Пермского Политеха впервые разработали отечественный полимербетон, который прочнее зарубежных аналогов в среднем на 15–20%, при этом полностью состоит из доступного сырья. Разработка открывает возможности для импортозамещения в строительной отрасли и промышленности, позволяя отказаться от зарубежных поставок.
Статья опубликована в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Современные строительные конструкции испытывают колоссальные нагрузки — давление, вибрации, а также постоянное воздействие влаги, перепадов температур и химических реагентов. Поэтому к надежности таких материалов предъявляют строгие требования. Ключевым из них является бетон, который используется в фундаментах, стенах, дорожных покрытиях и мостах — от его качества и долговечности напрямую зависит срок службы всего сооружения.
В строительной практике традиционно используются бетоны на основе цемента и жидкого стекла, поскольку они доступны в цене и для них существуют отработанные технологии производства. Однако, несмотря на эти преимущества, они часто подвержены растрескиванию при нагрузках и быстро теряют прочность под воздействием влаги и химических реагентов.
В гражданском и транспортном строительстве бетон служит основой зданий, мостов, дорожного полотна и железнодорожных путей. Использование недостаточно долговечных материалов в этих конструкциях может привести к разрушениям и авариям, а также требует частых ремонтов.
Не менее критична ситуация на промышленных объектах. Здесь бетонные основания используются для монтажа тяжелого оборудования: компрессоров, турбин, станков, насосных агрегатов. Основания под установками постоянно испытывают динамические нагрузки от работающих механизмов. Даже незначительная деформация или потеря прочности может привести к аварии, выходу оборудования из строя и остановке производства.
В результате и в промышленной инфраструктуре требуются материалы, превосходящие традиционные по прочности и долговечности. Этим требованиям отвечают полимербетоны — композиционные материалы, в которых вместо цемента используют эпоксидные смолы. Они обеспечивают высокое сцепление компонентов, химическую стойкость и прочность, столь необходимые для работы в жестких условиях.
На современном этапе существующие полимербетоны содержат дорогостоящие импортные компоненты, а собственных системных разработок в России до сих пор нет. Применяемые рецептуры чаще всего представляют собой кустарные составы, которые изготавливаются «на глаз» без контроля качества.
Это означает, что надёжность свойств таких материалов в достаточной мере не прогнозируема. Нельзя быть уверенным, выдержит ли конкретный композит заявленные нагрузки и как он поведет себя через несколько лет эксплуатации. В итоге, ключевые объекты промышленности и инфраструктуры вынуждены выбирать: либо использовать традиционный цементный бетон с его ограниченной долговечностью, либо покупать дорогие импортные компоненты.
Ученые Пермского Политеха разработали отечественный полимербетон, который можно использовать в строительстве фундаментов, дорожных покрытий, мостов и железнодорожных путей, а также при монтаже тяжелого оборудования. Полученный материал уникален для России и по прочности превосходит отечественные и зарубежные аналоги.
Для его создания ученые использовали эпоксидную смолу в качестве основы. Чтобы превратить ее в прочный конструкционный материал, нужны наполнители, которые придадут смеси нужные характеристики: белая сажа и аэросил (мелкодисперсные порошки), оксид железа, рубленое стекловолокно, компонент-защитник от влаги и кварцевый песок.
Исследователи подобрали все компоненты так, чтобы по своим свойствам они были альтернативой зарубежным, но производились в России. В импортных аналогах в качестве основного наполнителя используется оксид железа. В новой разработке он также есть, однако состав дополнен другими компонентами, которые усиливают влагостойкость, трещиностойкость и эргономику процесса.
Далее ученые приступили к изготовлению образцов для испытаний. Компоненты смешали и залили в специальные металлические формы. После заливки образцы выдерживали при комнатной температуре семь дней — за это время материал полностью затвердел, а наполнители прочно закрепились в его структуре.
– Мы изготовили несколько вариантов смеси с разным содержанием наполнителей, варьируя концентрацию. Для каждого варианта фиксировали внешний вид материала, его консистенцию, удобство укладки, а затем после отверждения оценивали прочность и другие свойства. В результате опытным путем мы определили, что оптимальным является соотношение 40% смолы и 60% наполнителей, — прокомментировала Галина Шайдурова, доктор технических наук, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
На следующем этапе исследователи проверили, насколько прочным получился материал. Для этого образцы подвергли испытаниям на сжатие, чтобы увидеть, как материал поведет себя под нагрузкой — в фундаменте здания, под опорой моста или массивным оборудованием. Эксперимент проводили на гидравлическом прессе: образец помещали между двумя стальными плитами и плавно увеличивали нагрузку. Давление повышали до тех пор, пока материал не разрушался, и фиксировали максимальную нагрузку, которую он выдержал.
— Испытания показали, что разработанный отечественный полимербетон достигает прочности до 106 МПа, в то время как обычный цементный бетон выдерживает нагрузку примерно 20–40 МПа. Но главное — он превосходит и зарубежные аналоги, которые в среднем имеют прочность около 80–90 МПа, — отметила Галина Шайдурова.
Главное отличие разработки в том, что ученые подобрали оптимальное соотношение компонентов и сформировали состав из отечественного сырья, который обеспечил материалу нужные характеристики. Благодаря грамотному подбору наполнителей полученный полимербетон также устойчив к влаге, перепадам температур и химическим воздействиям.
Такой материал может использоваться в строительстве зданий для заливки фундаментов, при создании дорожных покрытий, для ремонта мостов, путепроводов и железнодорожных путей, где материал должен выдерживать постоянные динамические нагрузки и вибрации. Кроме того, состав подходит для монтажа промышленного оборудования, обеспечивая идеальную устойчивость агрегатов.
Отечественный полимербетон не просто не уступает, а превосходит зарубежные аналоги по прочности. Это позволяет сократить расходы на ремонт и обслуживание конструкций, а использование доступного сырья делает его значительно дешевле импортных аналогов.