Современные отрасли строительства и промышленности диктуют повышенные требования к конструкционным материалам: они обязаны противостоять экстремальным механическим нагрузкам, вибрациям, значительным температурным колебаниям и воздействию агрессивных сред. Традиционный цементный бетон, долгое время бывший основным материалом, в подобных условиях демонстрирует недостаточную долговечность и быстро теряет целостность, следует из сообщения пресс-службы ПНИПУ.
Фото предоставлено пресс-службой ПНИПУ
Екатерина Королёва
Ценность российской разработки
В мировой практике для ответственных объектов уже широко применяются композиты на базе эпоксидных смол, отличающиеся повышенной прочностью и стойкостью. Однако в России до последнего времени отсутствовали системные научно-технические решения в этой области, что вынуждало специалистов выбирать между недолговечными классическими составами и дорогостоящими импортными материалами. Специалисты Пермского Политехнического университета впервые создали российский полимербетон, который в среднем на 15–20% прочнее зарубежных аналогов, будучи при этом полностью произведенным из доступных местных компонентов. Эта разработка создает фундамент для импортозамещения в строительстве и промышленности, снижая зависимость от иностранных поставок.
(Справка: Исследование было опубликовано в «Вестнике Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение» и выполнено в рамках программы «Приоритет 2030».)
Критические области применения и риски использования традиционных материалов
Конструкции в современном строительстве подвергаются колоссальным воздействиям — высокому давлению, постоянным вибрациям, а также влиянию влаги, перепадов температуры и химических веществ. В связи с этим к надежности применяемых материалов предъявляются исключительно строгие критерии. Бетон, как ключевой материал для фундаментов, стен, дорог и мостов, напрямую определяет долговечность и безопасность всего сооружения.
- Гражданское и транспортное строительство: В практике традиционно применяются составы на основе цемента и жидкого стекла, что объясняется их доступной стоимостью и хорошо освоенными технологиями производства. Тем не менее, эти материалы имеют существенный недостаток: они склонны к образованию трещин под нагрузкой и стремительно теряют прочностные характеристики под влиянием воды и химических реагентов. Применение недостаточно надежных материалов на таких объектах чревато авариями, разрушениями и частыми восстановительными работами.
- Промышленный сектор: Здесь бетонные основания используются для монтажа тяжелого оборудования: турбин, компрессоров, станков, насосных установок. Основания постоянно воспринимают динамические нагрузки от работающих механизмов. Даже минимальная деформация или снижение прочности может спровоцировать аварию, поломку дорогостоящего оборудования и остановку всего технологического процесса.
Полимербетон как решение и существующие недостатки
Таким образом, для промышленной инфраструктуры также критически необходимы материалы, превосходящие традиционные по прочности и сроку службы. Этим критериям соответствуют полимербетоны — композиты, где связующим звеном выступают не цемент, а эпоксидные смолы. Они обеспечивают превосходное сцепление составляющих, химическую инертность и высокую механическую прочность, что необходимо для эксплуатации в экстремальных условиях.
На текущий момент существующие полимербетоны включают дорогие импортные ингредиенты, а в России собственных полноценных разработок до сих пор не было. Применяемые составы часто являются кустарными, изготавливаемыми без должного контроля качества и точной рецептуры. Это приводит к непредсказуемости свойств конечного материала и сложному выбору при возведении критически важных объектов.
Суть разработки Пермского Политеха: состав и компоненты
Ученые Пермского Политеха создали отечественный полимербетон, пригодный для использования в строительстве фундаментов, дорожных покрытий, мостов и железнодорожных путей, а также для установки тяжелого промышленного оборудования. Полученный материал является уникальным для России и превосходит по прочности как отечественные, так и зарубежные аналоги.
В качестве основы исследователи использовали эпоксидную смолу. Для придания ей свойств конструкционного материала потребовались специальные наполнители, обеспечивающие необходимые характеристики: белая сажа и аэросил (высокодисперсные порошки), оксид железа, рубленое стекловолокно, гидрофобизирующая добавка и кварцевый песок. Все компоненты были подобраны таким образом, чтобы, будучи полноценной альтернативой иностранным, они производились на территории России.
На следующем этапе ученые изготовили опытные образцы для испытаний. Компоненты тщательно смешали и поместили в металлические формы. После заливки образцы выдерживали при комнатной температуре в течение семи суток для полного отверждения.
«Мы приготовили несколько вариантов смеси с различным процентным содержанием наполнителей. Для каждого состава фиксировали внешний вид, консистенцию, удобство работы, а после отверждения оценивали прочностные и иные свойства. В результате экспериментальным путем было установлено, что оптимальным является соотношение 40% смолы и 60% наполнителей», — пояснила Галина Шайдурова, доктор технических наук, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Фото: Залитые образцы в формующей оснастке. Пресс-служба ПНИПУ
Результаты испытаний
Далее исследователи проверили прочность полученного материала. Образцы испытали на сжатие, чтобы смоделировать поведение под нагрузкой.
«Проведенные испытания показали, что разработанный отечественный полимербетон достигает прочности до 106 МПа, в то время как обычный цементный бетон выдерживает около 20–40 МПа. Что особенно важно, наш материал превосходит и зарубежные аналоги, чья прочность обычно находится в диапазоне 80–90 МПа», — отметила Галина Шайдурова.
Преимущества, сферы применения и экономический эффект
Ключевое преимущество разработки заключается в том, что ученые смогли подобрать оптимальное соотношение компонентов и сформировать состав из российского сырья, который гарантирует материалу требуемые эксплуатационные характеристики (устойчивость к влаге, температурным перепадам и химическим воздействиям).
Сферы применения:
- Гражданское строительство (фундаменты, дорожные покрытия).
- Ремонт и строительство инфраструктуры (мосты, путепроводы, железнодорожные пути).
- Промышленность (монтаж тяжелого оборудования).
Экономический эффект: Отечественный полимербетон не только соответствует, но и превосходит зарубежные аналоги по прочностным показателям. Это позволяет снизить расходы на ремонт и обслуживание конструкций, а применение доступного сырья делает его существенно экономичнее импортных материалов.
Ранее журнал «Химагрегаты» сообщал: специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета представили инновационный самозалечивающийся цемент, предназначенный для нефтяных скважин.