Использовать в строительстве вместо традиционных материалов композиционные предлагают ученые ЮУрГУ. Композиты потенциально эффективнее во время работы при высоких температурах и в агрессивной среде. В последнем исследовании, опубликованном в высокорейтинговом журнале «Polymers» (Q1), ученые рассмотрели деформативность полимеров под нагрузкой и нагреванием.

Композиты из доступных компонентов

Композиционные материалы – наиболее перспективные на сегодняшний день материалы, состоящие из двух или более компонентов, дополняющих и усиливающих свойства друг друга. Композиционные материалы благодаря малому весу и высокой прочности распространены в авиа- и автомобилестроении, однако исследователи видят широкие возможности для их использования в промышленном строительстве.

Главной проблемой сейчас является дороговизна применения в этой сфере композиционных материалов. Дело в том, что строительство подразумевает использование конструкций больших масштабов, и на их изготовление требуется больше материалов, чем, например, в автомобилестроении. Решить проблему можно, создавая материалы из доступных компонентов. Именно такая задача сейчас стоит перед учеными Архитектурно-строительного института Южно-Уральского государственного университета (вуз – участник Проекта 5-100).

«Мы исследуем распространенные стеклопластики на основе эпоксидных и эпоксидно-фенольных связующих. Мы сочетаем различные виды материалов не только по химическому составу, но и по строению, чтобы получить эффективный гибридный материал. Основная задача – повышение температуры его применения для замены конструкций, которые эксплуатируются при температуре до 300 градусов Цельсия», – отметил к.т.н., доцент кафедры «Строительные конструкции и сооружения» Александр Королев.

«Состав-свойство-конструкция»

В рамках своего исследования ученые создают схему «состав-свойство-конструкция». Эта триада позволит прогнозировать свойства, которые необходимы проектировщикам конструкций, в зависимости от состава или условий, которым изделия будут подвергаться. В то же время схема даст возможность менять конструкторские решения, изучив свойства состава. На сегодняшний день подобных исследований нет, а нормативные табличные данные не отражают все возможные вариации.

Во время работы исследователи ЮУрГУ в разных соотношениях смешивают недорогие и доступные составы, применяют армирующие материалы, чтобы получить композиты с разными свойствами. Затем определяют их механические характеристики, то есть жесткость, потерю массы при повышенной температуре, характер этого процесса. Используется оборудование не только лабораторий Архитектурно-строительного института, но и научно-образовательного центра «Нанотехнологии», а также Лаборатории экспериментальной механики.

В исследовании задействованы специалисты АСИ, а также представители Химического факультета, например, д.х.н., руководитель НИЛ «Многомасштабное моделирование многокомпонентных функциональных материалов» Екатерина Барташевич. С учетом экспериментальных данных в лаборатории создают компьютерную модель, позволяющую делать прогнозы. Кроме того, к работе подключили студентов, которые заинтересованы в проведении исследований и планируют поступать в аспирантуру.

«Мы работаем с машиной, которая позволяет измерить модуль упругости. Суть работы заключается в том, чтобы нагружать образец, подвергнутый температурному воздействию, с определенной нагрузкой. Машина передает данные на компьютер, по точкам выстраивается график, который позволяет рассчитать модуль упругости», – прокомментировали студенты кафедры «Строительные конструкции и сооружения» Никита Хорошилов и Александр Задорин.

Композиты выручат промышленность

В рамках последнего исследования ученые изучили деформируемость некоторых полимерных составов под нагрузкой и нагреванием. Эти данные необходимы для прогнозирования свойств композиционных материалов. Кроме того, ученые рассматривали влияние энтропийного фактора на деформативные свойства. Как пояснили авторы работы, чем выше энтропия, тем менее упорядочены молекулы полимера, соответственно, тем большей деформации он подвергается. Еще одним интересным моментом для ученых стал факт, что длительное воздействие температуры может увеличивать жесткость полимерного материала.

Это наблюдение позволит использовать композиты, например, в качестве основы для дымовых труб или газоходов, установленных на заводах. Сейчас их изготавливают из стали или железобетона, что косвенным образом плохо отражается на экологии.

«Из-за выпадения конденсата в стволе газохода начинается коррозия, конструкция довольно быстро разрушается и рискует упасть. Реконструкция, как правило, затруднена или невозможна, потому что надо останавливать производство, а это ведет к гигантским убыткам. Кроме того, все агрессивные вещества выбрасываются наружу. При использовании композиционных материалов, которые работают в широком диапазоне температур, можно не только создать долговечную конструкцию, но и обеспечить выпадение конденсата внутри газоотводящего тракта, что важно с точки зрения экологии», – объяснил к.т.н., заведующий кафедрой «Строительные конструкции и сооружения» Максим Мишнев.

Исследование деформируемости полимеров – только часть из большого цикла работ. Ученые ставят целью рассмотреть, как влияют на композиционные материалы различные режимы термообработки, и провести эксперименты по истираемости, коррозионной стойкости и ударной вязкости пластиков. Также в планах определить влияние на свойства стеклопластика углеродных нанотрубок, синтезируемых здесь же в лаборатории.