§ 2. Свойства и применение конструкционных пластмасс

Стеклопластики

Стеклопластики изготовляются на полиэфирных, фенолофор-мальдегидных и на эпоксидных смолах. Полиэфирные смолы применяются для получения светопроницаемых или окрашиваемых в различные цвета материалов. Стеклопластики на других смолах не прозрачны, имеют темно-коричневый цвет.

Стеклопластики являются химически стойкими материалами, поэтому их следует применять в первую очередь при строительстве предприятий химической и нефтеперерабатывающей промышленности, там, где для обычных материалов требуется антикоррозийная защита.

Стеклопластики имеют весьма небольшой объемный вес (1,4-1,9 т/м³), что в сочетании с высокой прочностью дает возможность выполнять из них очень легкие конструкции.

Конструктивные элементы из стеклопластиков и пенопластов в 10-20 раз легче железобетонных, поэтому стеклопластики следует применять также для изготовления сборных конструкций зданий и сооружений, строящихся в отдаленных районах, не имеющих местных строительных материалов. Экономия на транспортных расходах компенсирует высокую стоимость материала. Необычная легкость строительных конструкций из стеклопластиков предопределяет также возможность использования их в сейсмостойком строительстве (например, в качестве заполнения мощных монолитных каркасов) и в строительстве на просадочных грунтах.

Стеклопластики маслотеплопроводы, достаточно морозостойки и теплостойки.

Стеклопластики водонепроницаемы. Однако при длительном увлажнении они могут поглощать водяные пары в различных количествах (в зависимости от марки), в связи с чем прочность их уменьшается. Падение прочности от увлажнения учитывается при назначении расчетных сопротивлений. Стеклопластики, как водонепроницаемые материалы, не нуждаются в гидроизоляции. Наоборот, дешевые сорта их сами могут использоваться в покрытиях зданий как кровельный материал.

Механическая обработка стеклопластиков требует специального оборудования. При небольшом объеме работ обрезка листов, сверление отверстий, зачистка краев и другие подобные операции производятся в респираторах с помощью металлорежущего инструмента, который при этом быстро стачивается. Выделяемая при механической обработке стеклопластика стеклянная пыль очень вредна. Механическая обработка стеклопластиков при серийном производстве конструкций должна осуществляться абразивным инструментом при удалении пыли с рабочего места с помощью отсоса.

Стеклопластики могут склеиваться между собой и с другими материалами. Для склеивания стеклопластика со стеклопластиком лучше использовать клеи, получаемые на основе тех же синтетических смол, которые использовались при получении самого стеклопластика. Для склеивания применяются в основном эпоксидные и фенолоформальдегидные клеи холодного и горячего отверждения и полиэфирные клеи холодного отверждения.

Склеивание является основным способом соединения стеклопластиковых элементов. Соединений только на заклепках и болтах (нагельного типа) следует избегать. При монтаже конструкций рекомендуется применять комбинированный тип соединений: нагели сочетать с клеевым швом холодного отверждения.

Стеклопластик полиэфирный неориентированный получается на основе матов (см. рис. 1,6) из короткого стекловолокна, штапельного или резаного из жгутов, расположенного в материале дисперсно, не ориентированно в каком-либо направлении.

Дисперсное расположение стекловолокна требует большого расхода смолы (от 80 до 60% по весу), что в свою очередь дает уменьшение прочности и жесткости материала, обусловливаемые здесь в основном прочностью и жесткостью смолы, а не стекловолокон. Благодаря большому процентному содержанию смолы стеклопластик относительно легок - объемный вес его 1400 кг/м³.

Полиэфирные смолы по сравнению с фенолоформальдегидными, кроме светопроницаемости, обладают еще целым рядом преимуществ. Изделия на их основе могут получаться склеиванием без давления, при нормальной температуре и без выделения побочных продуктов, т. е. без усадки. Все эти качества полиэфирных смол и более дешевый наполнитель - резаное или штапельное стекловолокно - обусловили преимущественное значение полиэфирных стеклопластиков по сравнению с другими, несмотря на их горючесть. В целях повышения огнестойкости конструкций при изготовлении стеклопластика для строительства рекомендуется применять полиэфирную смолу самозатухающую марки ПН-1С. После выноса из зоны огня такой стеклопластик затухает через 30 сек.

Полиэфирные стеклопластики изготовляются по техническим условиям МРТУ-21 в плоских и волнистых листах (рис. 7), размерами по длине от 1 до 6 ж, при ширине не менее 0,95 ж и толщине 1,5, 2,0, 2,5 мм. Осваивается также выпуск одномиллиметрового стеклопластика. Волны могут располагаться как вдоль, так и поперек листа^* с шагом 36, 75, 90, 115, 125, 167, 200 мм при высоте волны 8, 20, 28, 30, 35, 50, 54 мм соответственно. Пример построения поперечного сечения волнистых листов приведен на рис. 8 и в нижеследующей таблице.

^* (Листы с поперечным расположением волн могут поставляться в рулонах.)

Рис. 7. Волнистые листы полиэфирного стеклопластика: а - общий вид; б - типы поперечных сечений

Рис. 8. Построение сечений волнистых листов полиэфирного стеклопластика

В расчетах профиль волнистых листов приближенно считается синусоидальным.

Момент инерции одной волны определяется при этом [2] по формуле

(1)

или по графику, приведенному в приложении 5. Принятые обозначения: b - шаг волны, h-высота и δ - толщина листа. Момент сопротивления можно вычислять путем деления момента инерции на половину высоты сечения, т. е. в пренебрежении некоторым смещением нейтральной оси.

Стоимость волнистого полиэфирного стеклопластика 2,5 руб. за кГ.

Использование полиэфирного стеклопластика в строительстве достигает значительных масштабов. За границей из него изготовляют элементы различного рода пространственных конструкций: трубчатых, коробчатых, лотковых, форма которых компенсирует относительно малую жесткость самого материала [3].

Стеклопластик ФСМ-1 типа "глакрезит" получается также из короткого стекловолокна при его дисперсном расположении (ВТУ 6-60). При этом используются наиболее дешевые виды смол (обычно фенолоформальдегидные) и стекла (щелочные).

При изготовлении стеклопластика "глакрезита" получающиеся предварительно маты из стекловолокна скрепляются крахмалом или гипсом. Эти материалы остаются в окончательной продукции. Это повышает гигроскопичность и влагоемкость материала, доходящую до 10%. Влага значительно ухудшает конструкционные свойства стеклопластика, поэтому применять его для изготовления сильно напряженных конструкций не рекомендуется.

При эксплуатации конструкций в защищенных от прямого увлажнения условиях, стеклопластик "глакрезит" имеет такую же жесткость, что и полиэфирный стеклопластик, но примерно в два раза слабее его по прочности.

Стеклопластик "глакрезит" как и полиэфирный изготовляется в листах, но листы плоские.

Стеклотекстолиты получаются из стеклотканей на основе смол: фенолоформальдегидной, эпоксиднофенольной, полиэфирной, кремнийорганической и т. д. Наиболее дешевыми являются стеклотекстолиты марки КАСТ на фенолоформальдегидных смолах их модификациях, а из них - стеклотекстолит КАСТ-В (водостойкий), стоимость которого составляет 4,5 руб. за 1 кг. Объемный вес КАСТ - 1850 /сг/ж³.

На изготовление стеклотекстолита КАСТ-В есть ГОСТ 10292-62. Он выпускается в виде листов длиной 0,95-2,4 м, шириной 0,6-1,2 ж и толщиной 0,5; 0,8; 1; 1,2; 1,5-7 мм (с градацией через 0,5) и 8-35 мм. Наряду с плоскими листами из стеклотекстолитов могут изготовляться профильные изделия (рис. 9).

Кроме стеклотекстолитов КАСТ заслуживает внимания стеклотекстолит марки ВФТ-С (ВТУ 35ХП376-61) конструкционный термостойкий, получающийся так же, как и КАСТ, но при несколько ином соотношении смолы и стеклоткани, при повышенных давлении и температуре прессования и другой марки стеклоткани (сатинового переплетения вместо гарнитурного). Стоимость его 4 руб. за 1 кг.

Стеклотекстолиты не горят и стареют медленно. Стеклотекстолит листовой применяется для обшивок стеновых панелей и плит покрытий, для обрамления их, для ребер жесткости и для изготовления других мелких деталей и элементов конструкций. По сравнению с АГ-4С и СВАМ он является более доступным, так как производство его проще и сравнительно давно освоено.

Рис. 9. Образцы сортамента стеклотекстолита

Ориентированные стеклопластики. Стеклопластик СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал) является наиболее прочным из всех других пластмасс. Высокая прочность СВАМ обусловливается однонаправленным расположением непрерывных стеклянных нитей в шпонах (тонких листах), из которых прессуется пластик. Если при наборе шпонов они чередуются так, что направления стекловолокна в соседних шпонах перекрещиваются, получается стеклопластик 1:1с одинаковыми показателями механических свойств в плоскости листа в двух направлениях. В строительных конструкциях используется в основном стеклопластик 1:1, для него обычно и приводятся расчетные характеристики. Однако при массовом заводском изготовлении конструкций не исключена возможность применения СВАМ с другим соотношением направлений стекловолокон. Наибольшей прочностью и жесткостью обладает СВАМ Г: 10. В направлении вдоль листа прочность его примерно в два раза выше, чем СВАМа 1 : 1, так как стекловолокна в поперечном сечении у него соответственно больше.

Стеклопластик марки СВАМ изготовляется согласно СТУ 12249-61 объемным весом 1900 кг/м³ в листах длиной до 1 м, шириной до 0,5 м, толщиной от Г до 30 мм. В зависимости от вида смолы стоимость его составляет 9-12 руб. за 1 кг. Ограниченность сортамента и высокая стоимость определяют область применения СВАМа в строительных конструкциях. Это, в основном, конструкционные детали и элементы, несущие большие нагрузки. Листовой СВАМ находит, в частности, применение в обшивках плит и панелей, предназначенных для покрытий и стен промзданий, подвергающихся химической агрессии, требующих особой легкости и несущих большие нагрузки. Профильные элементы: уголки, швеллеры, волнистые листы, зэтовые профили длиной до 3 м также используются для изготовления деталей конструкций: обрамления, плит и панелей и т. д. в тех случаях, когда по условиям эксплуатации конструкции нельзя применять металл.

Из однонаправленного стекловолокна на полиэфирной смоле Мытищенским комбинатом синтетических материалов изготовляются трубы (рис. 10), прочность которых (вдоль трубы) может приниматься такой же, как прочность СВАМ. Наружный диаметр труб 43 мм, толщина стенок 4 мм, длина труб - по заказу. Имеются предложения по изготовлению из труб стержневых конструкций (затяжек, шпренгелей, ферм), работающих в условиях химической агрессии.

Однонаправленное стекловолокно используется также для изготовления арматурных высокопрочных стержней (рис. 10). В качестве связующего применяется фенолоформальдегидная смола. Стержни имеют диаметр 5-30 мм, модуль упругости 510 000 кГ/см² и предел прочности 13 000 кГ/см², не уступая стеклопластику СВАМ 1:10. Стержни могут быть использованы в качестве затяжек, раскосов, стоек и других элементов стержневых пластмассовых конструкций.

Прессматериал АГ-4С дает такой же высокопрочный стеклопластик, как и СВАМ, но в отличие от него получается не из элементарных стекловолокон, а из предварительно скрученных из них нитей. Полимерной основой материала является феноло- формальдегидная смола, отличающаяся после отверждения ис- ключительной стойкостью к воздействию кислот, растворителей и других сильных агентов. Стеклопластик А Г-4 С водонепроницаем, не гигроскопичен, относительно термостоек, не горюч.

Рис. 10. Трубы, стержни и профильные изделия из однонаправленного стеклопластика

Имеет ооъемный вес около 1900 кг/м³. На изготовление пресс-материала разработан ГОСТ 10087-62, согласно которому он получается в виде лент и плит (брикетов), используемых в настоящее время машиностроением для получения стеклопластиковых деталей конструкций прессованием. При разработке соответствующего сортамента: листов, профилей, погонажных изделий стеклопластик АГ-4С может быть применен для изготовления элементов и деталей строительных конструкций, в первую очередь плит для покрытий и панелей для стен, т. е. там же, где и СВАМ. В экономическом отношении он более перспективен, чем СВАМ. Оптовая цена прессматериала АГ-4С составляет 3,7 руб. за 1 кг.