Армирование пластиковой арматурой: Стеклопластиковая арматура для фундамента: правила армирования

Армирование ленточного фундамента стеклопластиковой арматурой: да или нет

Содержание статьи

• 1 Что такое композитная арматура и ее виды
• 2 Достоинства применения
• 3 Недостатки и мифы
  • 3.1 Расчетные характеристики
  • 3.2 Уменьшение веса конструкции
  • 3.3 Долговечность
• 4 Возможные области применения
• 5 Армирование ленточного фундамента

Последнее время на рынке строительных материалов появляется все большее количество новинок, разобраться с которыми непрофессионалу не под силу. Одной из таких новых технологий стало применение стеклопластиковой арматуры. Производители позиционируют свой товар, как арматуру, имеющую массу преимуществ относительно привычных стальных стержней, но так ли это?

Что такое композитная арматура и ее виды

Композитные материалы — это целая группа арматурных стержней, отличающихся по типу исходного сырья. Композит получил свое название из-за того, что в его составе содержится несколько элементов. Первый — волокна из различных видов сырья, второй — термореактивный или термопластичный полимер (смола). После отвердевания вяжущего получают прочные стержни.

В зависимости от происхождения волокон различают несколько видов арматуры:

• стеклопластиковая;
• базальтокомпозитная;
• углекомпозитная;
• арамидокомпозитная;
• комбинированная, состоящая в основном из одного вида волокон, но имеющая включения по всей длине другого вида.

Наиболее распространено применение стеклопластиковой арматуры, о ней дальше и пойдет речь. Структура стеклопластиковой арматуры схожа со строением древесины. Точно так же вдоль стержня располагаются волокна, которые за счет вяжущего образуют единое целое.

Достоинства применения

• Возможность сматывать материал в бухты существенно облегчает его транспортировку и снижает затраты на самостоятельное строительство — арматуру можно доставить на собственном автотранспорте.
• Небольшой вес изделий упрощает работу своими руками. Нет необходимости в применении большого количества рабочей силы и грузоподъемной техники. Для сравнения, плотность стали составляет 7850 кг на кубометр, в то время как кубический метр композитного материала имеет массу 1900 кг. Отсюда можно посчитать, что масса стеклопластиковой арматуры в 4,13 раза меньше, чем стальной.
• Устойчивость к коррозии. Самая главная проблема стальных прутов — они подвержены появлению ржавчины. Стеклопластик не боится воды и различных агрессивных сред. Армирование композитным материалом хорошо подойдет для бетонов с добавками различных модификаторов (противоморозные и тому подобное).
• Также к достоинствам относят то, что стеклопластик плохо проводит тепло и не проводит электрический ток. Бетонные конструкции не обеспечивают необходимой теплоизоляции здания, поэтому к ним всегда предусматривают слой утеплителя, который предотвращает тепловые потери. В связи с этим низкая теплопроводность композита не играет существенной роли. Непроводимость электричества дает некоторые преимущества. Но иногда в железобетонных конструкциях предусматривают выпуски стержней для устройства заземления или молниезащиты. При использовании стеклопластиковой арматуры такие мероприятия невозможны.

Недостатки и мифы

Материал достаточно новый, поэтому не до конца изучен. Применение в массовом строительстве такого типа стержней делает невозможным отсутствие нормативной базы для расчета. По стеклопластику существует только ГОСТ 31938-2012. Это недавно появившийся и единственный нормативный документ. ГОСТ предусматривает технические требования к материалу, но не дает рекомендаций по расчету, производители приводят лишь примерные значения соответствующих стальных стержней.

Армирование композитом имеет следующие недостатки:

• Невозможность гибки: материал могут изогнуть только на заводе по заранее предоставленным схемам;
• Невозможность применения сварки. Обычно сварка применяется на больших каркасах, в частном домостроении арматуру чаще вяжут.
• Неустойчивость к высоким температурам. Сталь начинает терять свои свойства при нагреве до 600 градусов Цельсия. В случае с композитом потеря несущей способности происходит намного раньше. А это значит, что при пожаре бетонные перекрытия и балки обрушатся быстрее.

Помимо недостатков существуют сомнительные моменты, о которых стоит знать.

Расчетные характеристики

Расчет железобетонных элементов выполняют по СП «Бетонные и железобетонные конструкции» по 2 группам предельных состояний (ГПС).

• 1 ГПС — расчет по несущей способности. Проверяют, может ли элемент выдержать нагрузку, прикладываемую к нему. Расчет ведут с учетом прочности материала.
• 2 ГПС — расчет по жесткости. Здесь учитываются деформации и величина раскрытия трещин железобетонных конструкций. Расчет ведут с учетом модуля упругости материала.

В железобетонном элементе сжимающую нагрузку берет на себя бетон, а функция арматуры — предотвратить разрушение под действием деформаций.

Рассчитать деформативность можно, разделив прочность на модуль упругости. Для стальной арматуры А400 Rs = 360 МПа, Es = 200000 МПа, отсюда получаем деформативность равную 0,0018 или 0,18 %. Для стеклопластиковой арматуры Rs = 1000 МПа, Es = 50000 МПа. Деформативность равна 0,02 или 2%. Т.е. на 1 метр конструкции растяжение композитной арматуры возможно до 2-х см против 0,18 см у стальной, представьте какие трещины будут образовываться в конструкции. Арматура предназначена для предотвращения растрескивания и растяжения. Композитная справляется с этой функцией в 10 раз хуже, чем стальная.

Особенно важно это качество при армировании плит перекрытия и различных балок. Здесь деформации очень велики, поэтому армирование таких элементов композитом невозможно.

При применении в конструкциях с предварительным напряжением, его потери со временем для стали составляют 20-30% (то насколько теряется жесткость конструкции).

Обратите внимание что ни один производитель напряженного железобетона (плиты, балки) не использует композитную арматуру. Для неё нет нормативных документов (СП, СНиП), поэтому невозможно рассчитать как она себя поведет.

Исходя из этого, заверения производителей о высокой прочности материала справедливы, но на нормальную работу конструкции влияет не только прочность. По деформативности стеклопластик значительно уступает стали.

Уменьшение веса конструкции

Небольшая масса материала существенно снижает трудоемкость, но стержни не могут дать существенного уменьшения веса всей конструкции, которым добиваются уменьшения нагрузок на фундамент.

Для обоснования приводятся числовые значения:

1. Нагрузка на фундамент от плиты 6 м на 1,5 м и толщиной 0,2 м из железобетона равняется сумме массы бетона и арматуры. Процент армирования принимаем 3%. Объем бетона = 6 * 1,5*0,3 = 2,7 м³. Умножив этот объем на процент армирования получим объем стали = 2,7 * 0,03 = 0,081 м³. Масса бетона = 2,7м³ * 2000 кг/м³ = 5400 кг. Масса стали = 0,081 м³ * 7850 кг/м3 = 636 кг. Итого масса плиты = 6036 кг.
2. Для такой же плиты армирование предусмотрено стеклопластиком. Объем бетона, арматуры не меняется, масса бетона тоже. Масса арматуры = 0,081 м³ * 1900 кг/м³ = 154 кг. Масса плиты равна 5400 кг + 154 кг = 5554 кг.

Из приведенных выше вычислений видно, что суммарная масса элемента отличается меньше, чем на 500 кг. При массе плиты более 5000 кг это не очень большое значение. Поэтому применение стеклопластиковой арматуры для снижения нагрузки на фундамент экономически необоснованно, так как композит стоит дороже.

Долговечность

Можно верить производителям композитной арматуры на слово, о том что срок службы композитной арматуры составляет 80 лет. Но сомнительными их слова делают два факта:

• Сталь применяется человеком уже долгие годы, о ней много информации, можно довольно точно определить ее срок службы в тех или иных условиях. Композитные стержни — новый материал. Сведений о ее эксплуатации в течение долгого периода, а именно заверенные 80 лет, нет.
• Композитные пруты — органический материал. Со временем в любом органическом веществе происходит разрыв полимерных связей, так называемый процесс “старения” органики, это приводит к потере свойств материала, иногда к разрушению (например резина становится жесткой и начинает растрескиваться через определенное время).

Возможные области применения

Предыдущий пункт расписывает все в черных красках. Но при его прочтении не стоит забывать о достоинствах материала. Благодаря своим физическим свойствам данный тип арматуры будет хорошим решением для:

• Армирования кладки. В кладочных растворах часто используются противоморозные и другие агрессивные добавки, которые оказывают плохое влияние на стальные изделия. Стеклопластику такие модификаторы не страшны.
• Армирование ленточного фундамента. Закладка арматуры в ленточный фундамент часто носит конструктивный характер (без расчета), поэтому стеклопластиковая арматура, легкая и устойчивая к химическим воздействиям может подойти, но применять её стоит осторожно, особенно для массивных зданий и фундаментов на проблемных грунтах (высокий уровень грунтовых вод, пучинистая, просадочная почва и т.д.).
• Армирование дорожного полотна. Арматура не разрушается при контакте с грунтом.

Помните, что не существует нормативной документации на композитную арматуру (СП, СНиП), поэтому ни один проектировщик не сможет грамотно посчитать конструкцию с такой арматурой. Не может идти никакой речи о применении данной арматуры в плитных фундаментах и ростверках, т.к. растягивающие нагрузки могут быть велики.

Армирование ленточного фундамента

Ленточный фундамент в зависимости о сечения может быть двух типов:

• прямоугольный;
• т-образный.

В т-обазной конструкции ленточного фундамента стенка работает только на сжатие, и арматура закладывается в нее без расчета. Подошва при этом воспринимает изгиб и рассчитывается. Стеклопластик можно закладывать в стенку, но в подошву — с осторожностью. Она подойдет только для небольших нагрузок.

При прямоугольном сечении ленточного фундамента композитные стержни применять можно. Это связано с тем, что данная конструкция в основном работает на сжатие. Рабочее горизонтальное армирование (диаметр и количество прутов) определяют из процента армирования, равного, как приводилось ранее 2-3%. Хомуты для небольших зданий подбирают исходя из конструктивных требований в документе «Армирование элементов монолитных железобетонных зданий. Пособие по проектированию», здесь также приведены минимальные диаметры рабочего армирования. В этом документе представлены требования для стальных стержней, для композита нормативов нет, поэтому застройщик может его применять на свой страх и риск.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод: стеклопластиковая арматура еще не изученный до конца материал. Его использование на сегодняшний день возможно только для конструктивного армирования, но для рабочего армирования применять данный материал не стоит. Особенно не подходит композит для армирования балок, перекрытий и ростверков, т.е. там где большие изгибающие и крутящие моменты.

Обвязка фундамента стеклопластиковой арматурой: как правильно, фото, видео

Содержание

1. Характеристики стеклопластиковой арматуры
   1. Стеклопластик и сталь – сравнение характеристик
2. Особенности использования арматуры
   1. Для плитного фундамента
   2. При вязке проволокой
   3. Хомутами
   4. Для ленточного фундамента
   5. Для столбчатого фундамента
3. Инструкция по вязке арматуры
   1. Нюансы вязки проволокой
4. Заключение

Новые строительные материалы, в числе которых и стеклопластиковая арматура (СПА), очень медленно вытесняют старые, проверенные десятилетиями материалы. Все привыкли, что в железобетоне должная быть стальная арматура, о полной замене которой в масштабном строительстве речь пока не идёт. Однако для строительства фундаментов малоэтажных зданий гораздо выгоднее использовать композитные стержни, так как при меньшей цене и весе они могут выдерживать те же самые нагрузки. В чём достоинства такой замены, и как вязать стеклопластиковую арматуру для фундамента, будет рассказано в этой статье.

Стеклопластиком называется вид композиционного материала из термопластичного полимера, наполненного волокнами стекла или кварца. Основными преимуществами являются:

• малый удельный вес;
• высокая коррозионная стойкость;
• прочность на разрыв, не уступающая стали.

До недавних пор стеклопластики использовались преимущественно в космической и авиационной технике, но теперь, когда создана технология пултрузии (формирование неметаллической рельефной арматуры методом протяжки), появилась возможность и для широкого применения в строительстве.

Бетонный цоколь по монолитной плите

• Существуют различные вариации композитов, в том числе и комбинированных, но одним из самых доступных является стеклопластик. По сравнению с металлом он дороже, это если сравнивать цену за тонну. Но учитывая малый вес, погонных метров композитной арматуры в этой тонне (если сравнивать одинаковые диаметры) будет в пять раз больше. А значит, и по цене выгоднее.
• Как и стальная, арматура из стеклопластика предлагается в виде тонких и толстых стержней, стержневых карт и кладочных сеток. Для подбора арматуры по диаметру производятся такие же расчёты, как и для стальной, но всегда получается, что диаметр СПА может быть на одну ступень ниже. То есть, вместо металлической арматуры АIIID12 можно использовать стеклопластиковые стержни диаметром 10 мм – и вот почему.
• Модуль упругости, это усилие, которое надо приложить, чтобы растянуть материал на определённое расстояние. У композитной арматуры модуль ниже почти в 5 раз, чем у стальных стержней. Но величина эта постоянна, тогда как у стали она зависит от нагрузок и температуры окружающей среды.
• Есть ещё такой показатель, как предел прочности. Это предельная нагрузка, после которой материал полностью разрушается. У стальной арматуры он равен 400 Мпа, а вот у композиционной – не менее 1200 Мпа. У самого бетона эти цифры несопоставимо меньше, поэтому при пиковых нагрузках он разрушается первым, после чего в работу включается предел прочности арматуры.
• Чем он выше, тем большую нагрузку сможет выдержать тот же фундамент. Выходит, что конструкция, армированная стеклопластиком, будет держаться в три раза дольше. Но учитывая большую эластичность стеклополимерного композита, конструкция при этом существенно провиснет, из-за чего бетон будет сильнее растрескиваться.
• Чтобы найти золотую серединку, расчёт арматуры для фундамента должен производиться специалистом. При условии правильного подбора диаметров и шага элементов каркаса, стеклопластик может служить гораздо дольше из-за отсутствия коррозии.

В случае с фундаментами способность стеклопластика к более сильному прогибу особого значения не имеет, так как лента или плита всей площадью опирается на грунт. Это не то, что плита перекрытия или балка, которая имеет всего две точки опоры. Фундамент должен продемонстрировать высокую прочность, а с этим у армированной стеклопластиком фундаментной конструкции проблем точно не будет.

Самые популярные проекты серии FH:

Проект FH-90 Windows

Общая площадь:

90м²

Подробнее

Проект FH-114 Optimus

Общая площадь:

114м²

Подробнее

Проект дома FH-115 Status

Общая площадь:

115м²

Подробнее

Главным конкурентом стеклопластиковой арматуры является стальная, поэтому именно с ней и надо сравнивать технические характеристики:

Характеристика арматуры	Ед. изм.	Стеклопластик	Металл
Максимальная прочность на разрыв (чем больше, тем лучше)	МПа	1600	690
Модуль упругости (чем больше, тем лучше)	МПа	56000	200000
Относительное удлинение (чем меньше, тем лучше)	%	2,2	25
Коэффициент теплопроводности (чем меньше, тем лучше)	Вт/м*С	0,35	46
Коррозионная устойчивость		Не подвержен коррозии	Подвержен коррозии
Коэффициент теплового расширения (чем меньше, тем лучше)	10-6 С продольно	8-10	11,7
Коэффициент теплового расширения (чем меньше, тем лучше)	10-6 С поперечно	22	11,7
Устойчивость к излому		Низкая	Высокая
Электропроводность		Диэлектрик	Проводник
Оптимальное восприятие температур	Градус Цельсия	-60…. .+90	-200…..+750
Способы вязки арматуры		Хомуты, вязальная проволока, фиксаторы	Сварка, вязальная проволока
Возможность изготовления гнутых элементов в условиях стройки		нет	есть
Способность пропускать электромагнитные волны		Да	Нет
Экологичность		Малый процент токсичности	Нетоксичен

Композитная арматура может иметь различное назначение, и в том числе бывает специально предназначена для усиления бетонных конструкций. Как и стальная, она изготавливается гладкой и рифлёной, и продаётся в виде стержней или сетчатых карт. Для конструкций ленточного типа можно приобрести и готовый каркас для фундамента из стеклопластиковой арматуры.

Чтобы не нарваться на дешёвую подделку, покупать всё это нужно либо непосредственно у производителя, либо у официального дилера. У контрафактной арматуры может быть некачественная заливка витков, бывает более низкая или неравномерная плотность навивки стекловолоконного жгута (ровинга).

Но прежде, чем купить материал, нужно правильно его рассчитать, поэтому рассмотрим, как это делается на примере небольшого фундамента размером 6*6 м.

В плитном фундаменте не может использоваться арматура диаметром меньше 6 мм, если она стеклопластиковая, и она должна быть только профилированная. Ориентироваться надо на плотность грунта и вес строения. Минимальный диаметр арматуры можно взять, если постройка, к примеру, лёгкая каркасная, а грунт прочный. Если же дачный дом или гараж строится из каменных материалов, лучше взять пруты или сетку диаметром 10 мм.

При размере ячейки сетки 200 мм, количество прутков, укладываемых в одном направлении, составит 31 штуку — соответственно, 62 стержня на один уровень. Всего уровней два, поэтому нам понадобится 124 шестиметровых прутка, в метрах это будет 744.

Для соединения верхних и нижних сеток можно использовать обрезки той же арматуры. Учитывая, что пруты укладываются 31 на 31, всего получится 961 соединение. При толщине плиты 200 мм, за минусом толщины защитных слоёв (по 50 мм с каждой стороны), длина соединительных прутков составит 100 мм, или 0,1 м. Умножив её на количество соединений, получим 96,1 метр. Чтобы получить общую длину арматуры на плиту, надо суммировать 744 и 96,1. Округляем до целого числа, и в итоге получаем 841 м.

Теперь посчитаем количество необходимой проволоки, что может зависеть от схемы вязки. Обычно сначала связывают прутки нижнего пояса, после чего к ним присоединяют вертикальные элементы, которые будут соединять нижнюю сетку с верхней.

Схемы вязки арматуры

Чтобы произвести одно соединение, в среднем требуется 0,3 м проволоки. В одном уровне у нас 961 соединение, а в двух (снизу и сверху) – 1922. Путём умножения длины одного куска проволоки на их количество, получаем общую длину 576,6 м.

Стеклопластиковую арматуру можно – и даже более удобно, вязать не проволокой, а пластиковыми стяжками, используемыми обычно для связки проводов. Так как они продаются штучно, их количество будет соответствовать количеству соединений на каркасе.

Вязка пластиковыми стяжками

Как вариант, можно использовать специальные соединительные хомуты. Есть и такие, которые одновременно выполняют функцию подставки, обеспечивающей нужную толщину защитного слоя бетона.

Хомуты для соединения композитной арматуры

Отличительным свойством ленточной конструкции является её высота, которая всегда больше ширины. Лента лучше, чем плита работает на изгиб, поэтому диаметр арматуры здесь может быть меньше. В ней тоже делается два пояса армирования, только соединяются уровни чаще не короткими прутками как в плите, а гнутыми П-образными элементами.

Расчёт армирования производится в таком порядке (просчитаем всё тот же фундамент 6х6 м с одной внутренней стеной):

1. На подставки продольно укладывают более толстые рифлёные стержни (для одноэтажного дома можно брать диаметром 8 мм). Их при ширине ленты в 30-40 см будет всего по паре снизу и сверху.
2. Соединяющие их вертикальные стержни нагрузку не несут, а потому могут быть гладкими, без спиральной навивки – диаметр 6 мм.
3. При общей длине ленты 30 м, армируемой в 4 ряда, расход основной (продольной) арматуры составит 120 м.
4. Хомуты или вертикально-поперечные прутки устанавливаются через 0,5 м. Допустим, сечение ленты составляет 0,3*0,7 м, при котором на одно соединение будет уходить 1,6 м арматуры диаметром 6 мм. Всего секций перевязки образуется 61 — умножив эту цифру на 1,6, мы получим общую длину арматуры 97,6 м.
5. Каждая секция каркаса, связанная поперечной арматурой, имеет 4 соединения. Всего 4х61=244 соединения. Столько нужно хомутов или стяжек, если использовать для вязки их.
6. Если 244 умножить на 0,3 м, мы получим расход проволоки — 73,2 м.

Обвязка фундамента стеклопластиковой арматурой

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Задать вопрос

При вязке каркаса можно уменьшить диаметр арматуры, но при этом придётся увеличить количество продольных стержней. Можете просчитать оба варианта по цене и выбрать тот, который окажется наиболее выгодным.

Столбчатый фундамент работает не на изгиб, а на сжатие, так как рабочая арматура располагается не горизонтально, а вертикально. В таком положении она работает в облегчённом режиме, поэтому брать ребристые стержни можно диаметром 6 мм. По горизонтали монтируются гладкие прутки диаметром 4-5 мм, которые должны связать рабочую арматуру в пространственный каркас.

Форма каркасов для бетонного фундаментного столба

В зависимости от формы и размеров сечения столба, в каркасе могут присутствовать 2, 3 или 4 пояса рабочей арматуры. Для армирования столбов длиной 2 м и диаметром 0,2 м, обычно делают каркас прямоугольной формы из 4-х, связанных поперечной арматурой продольных прутков. Диаметры – 10 и 6 мм, с перевязкой в четырёх местах.

В таком случае, на один столб уйдёт 2*4=8 м основной арматуры, и 0,4*4=1,2 м перевязочной арматуры. Останется только умножить эти цифры на количество столбов, и вы получите общую длину стержней. На каркасе столба 4 пояса, в которых имеется по 4 соединения. Перемножив эти цифры, получаем 16 точек перевязки. Если вязать будете не стяжками, а проволокой, умножьте её расход 0,3 м на 16. Всего получится 4,8 м вязальной проволоки на один столб.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Задать вопрос

На заметку: Арматура для ростверка считается по аналогии с конструкцией ленточного типа.

Каркас ростверка, обвязывающего столбы

Речь о том, как правильно вязать пластиковую арматуру для фундамента, пойдёт в следующей главе.

Перед тем, как вязать пластиковую арматуру для фундамента, желательно посмотреть видео. Однако это не отменяет наличия чертежа, в котором будут чётко обозначены все элементы каркаса и указаны расстояния между ними. Соответственно, на основании этого чертежа и должны отрезаться пруты рабочей и поперечной арматуры.

Вязать каркас для фундаментной ленты удобнее укрупнёнными блоками, которые затем опускаются в опалубку и привязываются друг к другу. При структурировании каркаса плиты, вяжут сначала сетку нижнего уровня, к ней фиксируют вертикальные перемычки, а затем уже приступают к формированию верхнего ряда.

Самые популярные проекты серии FH:

Проект Windows Villa FH-90WV

Общая площадь:

90м²

Подробнее

Проект Master Dom FH-144 c мастер-спальней

Общая площадь:

144м²

Подробнее

Проект FH-150 Full HDom

Общая площадь:

150м²

Подробнее

Угловое соединение

В последнее десятилетие композитная арматура стала весьма востребованной в малоэтажном строительстве. Она отлично подходит для армирования фундаментов, так как расчётное сопротивление растяжению у СПА в 3 раза выше, чем у стальных стержней. Композит лучше сохраняет свою форму при повышении температуры и практически не поддаётся деформированию, а благодаря меньшему весу стержней снижается и масса монолита. Полимеры не способны увлажняться, а потому не подвержены коррозии. Вывод напрашивается сам: конструкция, армированная стеклопластиком, прослужит гораздо дольше металлической.

Все, что вы хотите знать об армированном волокном пластике

Рынок армированного волокном пластика оценивался примерно в 68 миллиардов долларов в 2020 году и, как ожидается, достигнет 109 миллиардов долларов к 2026 году. 

Этот материал приобретает все большее значение во многих областях. производства. Но что именно? Наша цель в этом посте — познакомить вас со всеми основами, которые вам нужно знать.

Что такое армированный волокном пластик?

Пластик, армированный волокном, представляет собой композитный материал, сочетающий в себе матрица (это пластиковая часть) с каким-то армирующим волокном. Волокна, внедренные в затвердевший пластик, помогают ему держаться вместе с гораздо большей прочностью, чем могла бы обладать только матрица.

Пластик представляет собой синтетическую форму полимера, который представляет собой молекулу, имеющую цепочечную структуру, состоящую из множества небольших повторяющихся звеньев. Полимеры можно найти в природе; черепаховый панцирь является одним из примеров. Однако пластмассы создаются химическим путем.

Поскольку пластмассы являются полимерами, вы также увидите термин армированный волокном полимер . Это относится к одному и тому же. Оба могут быть сокращены как FRP . Вы также можете встретить аббревиатуру GFRP . Это означает армированный стекловолокном полимер , который является особым типом FRP.

Когда был изобретен армированный волокном пластик?

Люди уже очень давно используют волокна для укрепления матрицы. Например, в древней Месопотамии для укрепления глиняных кирпичей использовали солому. Но первый полностью синтетический полимер, бакелит, был создан только в 1907 американского химика Лео Бакеланда. Вскоре после своего изобретения Baekeland добавила в бакелит асбестовые волокна в качестве армирующего материала. Это был первый экземпляр FRP.

Хотя бакелит был популярным продуктом, настоящий взрыв на рынке армированного волокном пластика произошел несколько позже. В 1930-х годах Геймз Слейтер и Дейл Клейст первыми разработали новые методы дешевого и массового производства стекловолокна. Эти волокна были объединены с новыми полимерами, разработанными в начале 1940-х годов, для создания стекловолокна. Этот новый композит был экономичным и простым в изготовлении, что помогло быстро расширить область применения FRP. Стекловолокно (или GFRP) сегодня является наиболее широко используемым FRP.

Какие типы волокон можно использовать для армирования пластмасс?

Мы только что упомянули стекловолокно, которое чаще всего используется для армирования пластика. Однако не все стекловолокна одинаковы. Химики разработали различные формулы стекловолокна и даже различные технологии производства в зависимости от желаемого качества конечного продукта. Некоторые формулы стекла, например, являются особенно хорошими тепловыми или электрическими изоляторами. Другие созданы для защиты от химической коррозии. Тем не менее, другие созданы, чтобы быть особенно сильными.

Другим все более распространенным типом волокна является углеродное волокно. Вместо стекла эти волокна состоят из длинных цепочек атомов углерода. Хотя это зависит от конкретного стекловолокна, о котором мы говорим, углеродные волокна, как правило, немного прочнее, жестче и легче, чем стекловолокна.

Для специальных применений иногда также используются арамидные (или ароматические полиамидные) волокна. Возможно, вы слышали об этом волокне под торговой маркой кевлар. Помимо использования в пуленепробиваемых жилетах, это прочное волокно также используется в композитах, используемых в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Современные инженеры-материаловеды даже возвращаются к волокнам, которые использовались людьми на протяжении веков, таким как конопля, в качестве источника возобновляемого и экологически чистого армирующего материала. Однако на данный момент использование этих видов волокон ограничено, поскольку их эксплуатационные характеристики не могут сравниться с их синтетическими аналогами.

Каковы некоторые преимущества пластмасс, армированных волокном?

Говоря о рабочих характеристиках, что делает стеклопластики столь привлекательными для производителей во многих областях? В общем, композиты — отличный способ объединить сильные стороны двух или более материалов, чтобы в конечном итоге получить готовый продукт, который превосходит любой материал сам по себе.

Основной функцией армирующих волокон является увеличение прочности. Это интуитивно понятно. Длинные нити, связанные с матрицей и проходящие через нее, затрудняют разрыв, изгиб или растяжение. Однако волокна также могут иметь много других преимуществ. Они могут повысить эластичность, что означает способность композита изгибаться без постоянной деформации. Они могут повысить ударопрочность и продлить срок службы. Они могут позволить композиту действовать как эффективный тепловой или электрический изолятор. Они могут повысить долговечность и устойчивость к факторам окружающей среды, таким как тепло, влага и химические вещества. Они могут помочь создать материал, очень прочный для своего веса.

Результатом этого процесса армирования пластиковой матрицы различными видами армирующих волокон является создание невероятно прочных, легких, долговечных и устойчивых к коррозии материалов. Есть много отраслей, где это сочетание свойств очень полезно.

Каковы основные области применения армированного волокном пластика?

Что это за отрасли в частности? FRP широко используется в:

• Инфраструктура и строительство : Есть много применений в этих областях, где желательны высокая прочность и малый вес в сочетании с долговечностью. FRP используется в таких вещах, как пешеходные мосты, композитные настилы, армирующие элементы конструкционных балок и различные виды трубопроводов.

• Аэрокосмическая и автомобильная промышленность : В конструкции коммерческих самолетов все чаще используются композиты для изготовления более легких компонентов, таких как крылья, которые могут снизить расход топлива при одновременном повышении коррозионной стойкости. Боинг 787 Dreamliner, например, на 80% состоит из композитов по объему. По тем же причинам в автомобилях используются легкие и прочные компоненты.

• Спортивные товары : FRP зарекомендовал себя как хороший материал для всего, от досок для серфинга и клюшек для гольфа до теннисных ракеток, благодаря своему выдающемуся соотношению прочности и веса.

Как изготавливается армированный волокном пластик?

Существует три основных формы изготовления. Первый заключается в использовании формы для создания волокна (часто в виде тканых матов) и полимера в желаемой форме. Материалы можно распылять или наносить вручную. Во-вторых, использовать общие методы производства прессования или литья под давлением. В этих случаях короткие армирующие волокна подмешиваются в жидкий полимер, который затвердевает до нужной формы в форме.

Наконец, самые прочные материалы FRP обычно создаются с использованием пултрузии, которая представляет собой процесс, при котором длинные армирующие волокна протягиваются через ванну с жидким полимером перед их пропусканием через нагретую головку, которая отверждает полимер, создавая готовый продукт.

Как получить пользовательские компоненты FRP?

Не у всех, кто читает эту статью, возникнет этот последний вопрос, но если вы участвуете в производственном процессе и интересуетесь, с кем вы можете связаться по поводу использования армированного волокном пластика, мы будем рады поговорить. Наши инженеры имеют многолетний опыт, помогая дизайнерам, строителям и производителям в различных отраслях претворять свои идеи в жизнь. Свяжитесь с нами сегодня.

Армированные пластмассы заставляют металлы выглядеть слабыми

от Patrick Johnson
Президент
Тим Грин
Директор по продукту
Applied Fiber System Waterstick Inc., Порт-Перри, Онтарио, использует ткань Applied Fiber Systems CFRTP под названием RF6 для изготовления восьмигранного весла для каяка. Говорят, что поверхность лопасти не только захватывает воду более эффективно, чем обычные лопасти, но и сбрасывает поверхностное давление в восьми точных точках вдоль внешнего края лопасти. Это дает лезвие с нулевым флаттером, обеспечивая при этом больший укус на квадратный дюйм площади поверхности. Тонкая конструкция лезвия стала возможной благодаря высокой жесткости и ударопрочности материала CFRTP.

Непрерывные нити с порошковым покрытием из плавких в расплаве термопластичных частиц вплетаются в ткань или оплетку, формируются в полужесткие однонаправленные ленты или ленты или ламинируются в панели.

В этом процессе CFRTP переплетаются нити волокон, покрытых порошковой смолой, для производства тканей TowFlex компании Applied Fiber Systems. Это отличается от других тканей, где необработанные армирующие волокна сначала ткут, а затем покрывают. Плетение отдельных нитей с покрытием делает ткань очень драпируемой. Это связано с тем, что каждая прядь внутри ткани свободно перемещается относительно соседних прядей. Кроме того, нити остаются гибкими, поскольку они не полностью смачиваются перед формованием. Полное намокание ткани происходит в процессе компрессионного формования.

Два типа материалов, армированных непрерывным волокном, недавно заменили металл во многих аэрокосмических, спортивных и промышленных приложениях. Первые и наиболее известные изготавливаются из реактопластов. Детали из этих композитов легче и более устойчивы к коррозии, чем металлы. Они также легче принимают сложные формы. Другой, изготовленный из термопластичных материалов, армированных непрерывным волокном (CFRTP), предлагает несколько дополнительных преимуществ по сравнению с термореактивными композитами. Они более жесткие и лучше выдерживают удары. Они легко плесневеют и могут быть переработаны. Они также имеют неограниченный срок годности и не выделяют вредных растворителей во время обработки.

Типичные термореактивные композиты являются хрупкими и имеют низкую ударопрочность. Удар может вызвать незначительные видимые повреждения поверхности, но значительно ослабит деталь. Термопласты, с другой стороны, намного прочнее и выдерживают более сильные удары практически без повреждений. Но удары, достаточно сильные, чтобы ослабить деталь, обычно вызывают хорошо видимые повреждения поверхности.

Термореактивные смолы нуждаются в химической реакции, обычно вызываемой теплом, для затвердевания или отверждения. Химическая реакция необратима; после отверждения термореактивный материал нельзя перерабатывать или реформировать. А время цикла формования термореактивных материалов во многом определяется временем отверждения. Напротив, термопластичные матричные материалы не требуют химической реакции. Они многократно плавятся при нагревании и затвердевают при охлаждении. CFRTP хорошо работают с методами быстрого изготовления деталей: время цикла их формования зависит от того, насколько быстро инструменты и оборудование нагреваются или охлаждаются, а не от времени, необходимого для протекания химической реакции.

Однако коммерческих приложений для CFRTP было немного. Одна из причин заключалась в том, что ранние формы продуктов из этих материалов были сложнее обрабатывать и формовать. Разработка хорошо драпируемых и эластичных тканей CFRTP устраняет эти недостатки. Они изготавливаются из термопластов, таких как нейлон, полипропилен, полифениленсульфид (PPS), полиэфиримид (PEI) и полиэфирэфиркетон (PEEK) с углеродными, стеклянными или арамидными армирующими волокнами. Из них можно легко формовать сложные структурные формы, и они идеально подходят для объемов производства от 1000 до 50 000 деталей в год.

CFRTP BASICS
Термопласты, армированные волокном, широко используются в литье под давлением. В подавляющем большинстве этих продуктов используются короткие или рубленые волокна. Эти волокна обычно имеют размер менее 0,25 дюйма и во время формования ориентируются случайным образом. Типичные детали, полученные литьем под давлением, содержат только 20–30% армирующего волокна. Короткие, беспорядочно ориентированные волокна в малом процентном соотношении не обеспечивают сильного армирования. И зачастую из такого материала трудно формовать сложные, большие или толстостенные детали без пустот или линий вязания.

Для сравнения, детали, отлитые из новых углепластиков, часто содержат более 60% армирования. Армирующие волокна непрерывно проходят по всей детали в заданных направлениях, помогая оптимизировать прочность и жесткость. CFRTP содержат волокнистые нити с непрерывным армированием, покрытые порошковым покрытием из плавких в расплаве термопластичных частиц. Нити с однородным покрытием вплетаются в ткань или тесьму, формируются в полужесткие однонаправленные ленты или ленты или ламинируются в панели. Частицы смолы смачиваются и быстро затвердевают при компрессионном формовании.

Первым этапом компрессионного формования ткани CFRTP является резка и сборка слоев ткани. Слои создают заготовку, которая приближается к плоской форме формованной детали. Автоматизированное режущее оборудование, такое как возвратно-поступательные ножи или ультразвуковые зубчатые колеса, может быть вариантом для сложных моделей, производимых в больших объемах. Штампы со стальными линейками, электроножницы или ручные ножницы/ножницы лучше всего подходят для небольших объемов работ. Часто бывает полезно обработать простую заготовку с полостью или углублением в форме развертки. Приспособление для сборки помогает удерживать предварительно нарезанные слои ткани в правильном порядке, расположении и ориентации. Это включает в себя любые частичные слои, необходимые для создания дополнительной толщины в определенных областях.

Сложенные друг на друга слои свариваются прихваточным швом ультразвуком или паяльником перед снятием с приспособления. Это помогает удерживать их в правильном положении во время обращения и хранения. Преформы имеют неограниченный срок хранения и могут производиться в больших количествах независимо от процесса формования или пресс-форм. Они также не требуют дополнительной подготовки перед прессованием в готовые детали. Ткань легко драпируется и обеспечивает простой процесс формования, который формирует и формирует плоскую заготовку. Напротив, предварительно пропитанные термореактивные материалы обычно требуют резки и сращивания для формования сложных форм.

КОНСТРУКЦИЯ ФОРМЫ
Подходящие стальные металлические формы обеспечивают наилучшее качество поверхности и срок службы формы при формовании деталей из углепластика. Никелированные алюминиевые формы подходят для умеренных объемов обработки материалов при температуре ниже 600°F. Стальные формы обязательны для высокотемпературного формования матричных смол, таких как PPS или PEEK. Совмещение верхней и нижней половин пресс-формы осуществляется либо с помощью направляющих штифтов, либо с помощью самой конфигурации пресс-формы.

Как правило, пресс-формы предназначены для полного «дна» на материале CFRTP, а не на ограничителях толщины. Это помогает поддерживать давление на материал на протяжении всего процесса формования. Однако ограничители толщины используются для поддержания плоскостности и помогают гарантировать, что форма не «качается» во время процесса. Они также устанавливают минимальную толщину детали. Упоры обычно должны быть на 0,010–0,020 дюйма ниже желаемой номинальной толщины детали. Для относительно тонких деталей или пластин толщиной менее 0,15 дюйма количество слоев ткани, загруженных в форму, главным образом определяет толщину. Более толстые детали или пластины используют указанный вес заготовки вместе с количеством слоев для контроля толщины детали.

Для быстрой обработки пресс-форм требуется небольшая масса — быстрый нагрев и охлаждение. Для обработки определенных деталей глубокой вытяжки при обработке челночным прессом горячего / холодного типа к формовочным прессам добавляют охлаждаемые плиты / валики, которые приблизительно соответствуют форме детали. Эта тактика помогает держать источники нагрева и охлаждения близко к CFRTP и устраняет ненужную массу пресс-формы.

Формованные детали должны иметь угол уклона боковой стенки не менее 3°, чтобы поддерживать достаточное давление на материал и облегчить снятие детали. Для достижения наилучших результатов радиусы углов должны быть не меньше 0,06 дюйма.

Важным фактором при обработке толстых листов является несоответствие теплового расширения между материалами CFRTP и металлическими формами. Этот эффект становится проблемой, когда толщина листа превышает 0,15 дюйма, а ширина или длина превышают 10 дюймов. Форма сжимается во время охлаждения. Но армированные углеродом материалы CFRTP с почти нулевым коэффициентом теплового расширения перестают сжиматься после затвердевания. Инструмент «захватит» деталь в пресс-форме, возможно, повредив пресс-форму или деталь, если это не будет учтено. Способы решения этой проблемы включают снятие формованных пластин из углепластика при как можно более высокой температуре и разработку формы с двумя регулируемыми сторонами, которые могут двигаться во время охлаждения. Другой подход заключается в изготовлении форм из таких материалов, как инвар, которые незначительно расширяются при нагревании.

ВАРИАНТЫ ПРЕССОВОГО ФОРМОВАНИЯ
Ткани CFRTP обычно используют три варианта процесса компрессионного формования. Все они используют обычное оборудование и не нуждаются в высокой скорости закрывания или чрезмерном усилии пресса.

Плиты одиночного пресса/плиты с подогревом и охлаждением — Плиты одинарного пресса нагреваются и охлаждаются для достижения правильных условий обработки. Они, в свою очередь, нагревают и охлаждают формы, загруженные в пресс. Формы остаются в прессе на протяжении всего технологического цикла. Но тот факт, что плиты пресса и пресс-формы должны нагреваться и остывать, замедляет скорость цикла. Время цикла варьируется от 30 до 90 мин для типичного оборудования и оснастки в зависимости от толщины детали, массы пресс-формы и других факторов. Полезно охлаждать формы, используемые в повторяющихся циклах, только до тех пор, пока не будет снята деталь. Это помогает сократить общее время цикла.

Этот подход лучше всего подходит в ситуациях, когда требуется множество различных деталей в относительно небольших объемах, не требующих быстрого цикла формования.

Процесс формования начинается с загрузки заготовки в нижнюю половину пресс-формы. Затем операторы устанавливают верхнюю половину пресс-формы и загружают пресс-форму в сборе. Затем его нагревают при давлении порядка от 10 до 50 фунтов на квадратный дюйм. Низкое давление при нагреве помогает обеспечить хорошую теплопередачу и инициирует формирование преформы. Полное давление, от 100 до 800 фунтов на квадратный дюйм, возникает во время окончательного уплотнения, когда форма достигает требуемой температуры обработки. Затем плита пресса охлаждается, чтобы довести форму и деталь из углепластика до температуры удаления.

Челночный пресс с горячим/холодным прессованием — Челночные прессы с горячим/холодным прессованием разделяют основные этапы процесса компрессионного формования — нагрев, охлаждение и загрузку/разгрузку — для повышения эффективности. Отдельные плиточные прессы с подогревом и охлаждением оказывают давление на пресс-форму и материал CFRTP. Время цикла короткое, потому что формы перемещаются между предварительно нагретыми горячими прессами и предварительно охлажденными охлаждающими прессами.

Время цикла особенно мало для относительно тонких деталей и пресс-форм малой массы. Пресс-формы не нуждаются в индивидуальных системах нагрева и охлаждения, что помогает снизить затраты. Для пресс-форм для деталей глубокой вытяжки может потребоваться использование нагретых или охлажденных плит пресса или суппортов. Они приближаются к форме детали и крепятся к горячим и холодным прессам. Такой подход помогает расположить источники нагрева и охлаждения близко к материалу, чтобы увеличить скорость обработки.

Челночный пресс с горячим/холодным прессом полезен для комбинаций различных деталей в умеренных и больших объемах. Здесь экономика не оправдывает затраты на нагревание и охлаждение каждой формы.

Станция горячего прессования сначала предварительно нагревается до температуры на 50 или 100°F выше желаемой температуры пресс-формы. Преформа помещается в нижнюю половину пресс-формы, верхняя половина пресс-формы опускается на место, и пресс-форма перемещается в предварительно нагретый пресс. Низкое давление, от 10 до 50 фунтов на квадратный дюйм, применяется по мере того, как форма нагревается для хорошей теплопередачи и начала формирования преформы. Полное давление от 100 до 500 фунтов на квадратный дюйм или более вызывает окончательное уплотнение, когда форма достигает диапазона температур обработки. Затем открывается горячий пресс, сбрасывается давление, и пресс-форма перемещается на станцию ​​холодного прессования. Снова применяется полное давление, поскольку форма и материал достаточно остыли для удаления детали.

Для лучшей экономичности процесса три формы должны одновременно проходить каждый этап процесса. В зависимости от формы детали типичное время цикла при непрерывной обработке часто составляет 5 минут или менее для деталей размером от 0,030 до 0,125 дюйма. детали с маломассивными пресс-формами. Пластины толщиной более 1 дюйма, для которых требуются тяжелые стальные формы, могут иметь циклы порядка 30 минут.

Процесс челночного прессования обычно реализуется либо в «линейной», либо в «роторной» конфигурации. Формы для поточной обработки шаттлами на направляющих или роликовых конвейерах от станции загрузки через четырехстоечный горячий пресс в холодный пресс и обратно. Прессы выровнены спиной к спине или бок о бок. В роторных конфигурациях станция загрузки/разгрузки и С-образные нагревательные и охлаждающие прессы размещаются вокруг поворотного стола. Пресс-формы прикреплены к поворотному столу индексом к каждой станции обработки.

Пресс-формы с одинарным прессованием/обогревом-охлаждением — В этом случае пресс-формы с подогревом и охлаждением устанавливаются непосредственно на плиты пресса. Циклы обработки деталей сложной формы могут быть быстрыми, поскольку системы нагрева и охлаждения формы могут быть близки к CFRTP. Индивидуальные формы дороже, потому что каждая форма должна иметь встроенный обогрев и охлаждение. Прессовые плиты также должны иметь достаточный ход, чтобы открываться достаточно широко для легкой загрузки преформы и удаления деталей. В противном случае формы необходимо будет снимать с пресса для удаления деталей.

Подход с одним прессованием/формой с подогревом и охлаждением особенно подходит для больших производственных циклов конкретной детали или плиты. Производители могут амортизировать пресс-формы при большом количестве деталей, а быстрая обработка помогает снизить затраты. Он также подходит для больших или глубоких форм, где челночный процесс нецелесообразен.

Интегрально обогреваемые и охлаждаемые половины пресс-формы обычно прикрепляются к плитам пресса, чтобы свести к минимуму манипуляции. Температура пресс-формы колеблется между температурой обработки и температурой извлечения детали. Преформа CFRTP загружается в пресс-форму, пресс закрывается с низким давлением, от 10 до 50 фунтов на квадратный дюйм, для хорошей теплопередачи и начала формирования преформы. Нагретая форма находится под полным давлением от 100 до 500 фунтов на квадратный дюйм или более для окончательного уплотнения и формования. Затем форма и материал охлаждаются, и деталь извлекается. Время цикла может составлять менее 5 минут в зависимости от массы пресс-формы, толщины детали и геометрии детали.