Армирование

Полиамид 12 – один из ключевых материалов в 3D-печати, сочетающий прочность, гибкость, химическую стойкость и биосовместимость. Этот универсальный пластик используют в авиа- и машиностроении, а также в медицине для создания протезов и имплантатов. Однако недостаток полимерных материалов в их пористости и хрупкости, которые можно устранить, добавляя стеклянные волокна. Ученые Пермского Политеха провели масштабное исследование и выяснили, что правильный выбор формы стеклянных частиц и ориентации печати может кардинально изменить свойства конечного продукта и повысить прочность на 23-44%. Результаты помогут создавать более надежные композитные изделия с определенными характеристиками для высокотехнологичных отраслей.

Статья опубликована в «Международном журнале передовых производственных технологий», 2025. Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда (№ 22–79-10350).

Детали из полиамида 12 часто изготавливают методом селективного лазерного спекания – это технология 3D-печати, которая основана на соединении полимерного порошка лазером, за счет чего слой за слоем создается изделие любой формы. Таким способом можно получать сложные решетчатые структуры с минимальным весом и максимальной прочностью, что особенно востребовано в авиации, например, для обшивки салона самолета, деталей подшипников, корпусов БПЛА.

Такой полимер обладает высокой прочностью и хорошей устойчивостью к усталости, то есть способностью долго не разрушаться под нагрузками. Однако детали, изготовленные методом селективного лазерного спекания, могут быть хрупкими из-за внутренней пористости. Исправить это можно с помощью специальных армирующих элементов, которые добавляются в состав порошка для укрепления структуры. Сейчас в качестве такого модификатора активно рассматриваются стеклянные волокна, способные улучшить механические свойства будущей детали.

Ученые Пермского Политеха в ходе масштабного исследования выяснили, что на характеристики композитного изделия сильно влияет как форма стеклянных частиц, так и ориентация печати.

Политехники изготовили образцы из полиамида с добавлением стеклянных частиц в виде шариков и коротких волокон, используя горизонтальную и вертикальную ориентацию печати. После провели комплексные испытания (растяжение, изгиб, сжатие, ударную вязкость, вязкость разрушения и испытания на усталость) и сравнили полученные характеристики с показателями чистого полиамида без добавок.

– Эксперименты показали, что состав материала необходимо выбирать в зависимости от того, при каких нагрузках будет использоваться деталь. Так, применение стеклянных шариков немного снизило прочность образцов при испытаниях на разрыв и ударную вязкость. Чистый полиамид менее жесткий, но показал лучшую прочность в этих испытаниях. Образцы с неравномерным распределением коротких стеклянных волокон в полимере ухудшили большинство показателей, включая прочность и пластичность, – рассказывает Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Политехники отмечают, что на свойства детали значительно влияет ориентация печати. Образцы, напечатанные горизонтально, оказались на 23-44% прочнее, чем вертикальные, из-за лучшего распределения нагрузки и меньшего количества слабых мест между слоями. Этот фактор важно учитывать при проектировании изделий и подготовке моделей к печати.

– С точки зрения промышленного применения выбор конкретного материала должен зависеть от точных условий эксплуатации детали, вида и величины предполагаемых нагрузок. Наше исследование показало, что для жестких конструкций его предпочтительнее укреплять стеклянными шариками. Например, в корпусах и оболочках приборов электроники, где важна высокая жесткость и стабильность размеров, а также в конструкционных компонентах дронов и аэрокосмической техники. А если в приоритете ударопрочность, лучшим решением станет чистый полиамид без наполнителей. Например, в съемных элементах и деталях, работающих в условиях износа и ударов, таких как протезы, – объясняет Илья Виндокуров, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.

Ученые Пермского Политеха выяснили, что небольшие изменения в составе материала и параметрах печати могут кардинально поменять свойства конечного продукта. Полученные результаты позволят создавать композитные детали с определенными характеристиками под конкретные задачи. Это открывает новые возможности для аддитивного производства, особенно в областях, где критичны точность и надежность.

Или в этом и есть нюанс? Берем песок, перемешиваем с цементом, добавляем фибры для новизны, укладываем с трамбовкой виброкатком, проливаем водой для получения плиты толщиной 2м из раствора М15-М50 (за счет толщины она прекрасно передает нагрузку) и делаем сверху обычный фундамент?

Можно сделать тоже самое но без фибры. Все равно обьем грунтовых работ будет бешенный, только не надо вывозить/завозить грунт.

Если фибру добавлять в растворы для инъецирования, то там еще проще - вся фибра будет возле трубы, отфильтруется грунтом.

При проектировании и строительстве зданий часто встречаются слабые грунтовые основания с низкой несущей способностью и высокой сжимаемостью. Для их укрепления и улучшения характеристик используют армирующие элементы, в частности фиброволокна, внедрение которых усиливает грунтовое основание фундамента. Однако полная замена слабого грунта фиброармированным нецелесообразна и может оказаться экономически невыгодной. Ученые Пермского Политеха предложили более экономичный вариант укрепления основания фундамента, который позволяет значительно сократить расход материала, но при этом остается таким же эффективным.

Статья с результатами опубликована в журнале «Известия высших учебных заведений. Строительство», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Армирование грунта фиброволокнами происходит путем внедрения и распределения по всему объему грунтового основания коротких высокопрочных элементов (фибры). Укрепление таким способом подпорных стен и откосов насыпей уже исследовано, но особенности применения фиброгрунта в качестве основания здания почти не изучено.

Его прочностные характеристики значительно выше по сравнению со слабым неукрепленным основанием. Фиброгрунт увеличивает несущую способность грунта, сокращает площадь подошвы фундамента и уменьшает его осадку. Но, несмотря на это, полная замена слабого основания под зданиями – очень дорогая и нецелесообразная процедура.

Ученые Пермского Политеха изучили возможность применения подушек из фиброармированного грунта, которые укладываются на слабую естественную земляную основу. Такое устройство сравнивали с полностью замененным на фиброгрунт и неукрепленным грунтом.

Для каждого варианта политехники рассчитывали прочностные и деформационные характеристики основания, определяли сопротивление грунта, площадь подошвы фундамента и его осадку.

– Грунт, полностью армированный фиброволокном, позволяет сократить площадь подошвы фундамента и тем самым расход его материала в 1,8 раза. Кроме того, результаты расчетов показали, что частичное добавление фиброволокон может до 3 раз сократить объемы строительных работ в различных грунтовых условиях. Особенно важно, что осадка фундамента не значительно больше и не превышает допустимых пределов, – рассказывает Андрей Пономарев, профессор кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, доктор технических наук.

Ученые Пермского Политеха выяснили, что применение фиброгрунтовых подушек позволяет также продуктивно увеличить прочность основания и сопротивляемость нагрузкам, но при этом такой вариант устройства гораздо рентабельней, значительно уменьшает объемы производства армирующих элементов и сокращает сроки строительства.

В строительстве зданий, дорог, дамб, мостов и тоннелей широко используют геотекстиль – синтетический материал, который укрепляет грунтовое основание и увеличивает его несущую способность. Сейчас активно изучается идея «умного геотекстиля», когда в сам материал внедряют специальные датчики для удаленного контроля состояния грунта. Это позволит значительно повысить безопасность объекта, заранее предупреждая о необходимости ремонта или о возникновении аварийной ситуации. Ученые ПНИПУ разработали волоконно-оптическую систему для непрерывного мониторинга геотекстиля. Она надежно фиксирует его смещение до 0,5 мм и по стоимости гораздо дешевле волоконных датчиков, которые в настоящее время применяются для контроля зданий и сооружений.

Статья с результатами опубликована в журнале «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Геотекстиль отличается низкими затратами на производство и замену, компактностью, простотой в транспортировке, быстрой скоростью монтажа, долгим сроком службы, а также низкой чувствительностью к воздействиям окружающей среды. Дополнительный мониторинг его состояния позволит повысить безопасность строительных объектов и прогнозировать серьезные аварийные ситуации до их критического состояния.

– Этот материал укладывается слоями вместе с грунтом. На геотекстиле можно закреплять волоконно-оптические датчики смещения и тем самым вести удаленное наблюдение за состоянием грунта. Система аналогична тем, что используют для мониторинга железнодорожных насыпей и укрепления откосов. Непрерывный контроль с помощью оптоволокна значительно повышает безопасность эксплуатации подобных строительных объектов, – рассказывает Илларион Никулин, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор технических наук.

Сейчас для отслеживания состояния сооружений применяют различные оптические системы. Наиболее доступными и эффективными считаются те, что основаны на использовании волоконных брэгговских решеток. С их помощью фиксируют основные параметры несущих строительных конструкций: деформацию, вибрацию и температуру. Однако для мониторинга геотекстиля они не подходят, потому что грунт сильнее податлив изменениям окружающей среды. И применение более точных и дорогих датчиков, по сравнению с телекоммуникационным волокном, нецелесообразно и экономически не выгодно.

Ученые Пермского Политеха разработали волоконно-оптическую систему, которая может быть использована для мониторинга состояния геотекстиля в дисперсных грунтах (песок, глина, торф), наиболее подверженных влиянию агрессивных и нестабильных сред.

Политехники отмечают, что конструкция датчика должна обеспечивать качественное измерение смещений геотекстиля порядка 1 мм. Именно величина смещения свидетельствует об опасной деформации сооружения, предупреждая о необходимости проведения ремонтных работ. Также система должна легко монтироваться, обладать невысокой стоимостью, долгосрочностью и экологичностью.

– Мы реализовали точечный амплитудный волоконно-оптический датчик контроля смещения, состоящий из ABS-пластика и оптоволокна Corning SMF-28. Он позволяет надежно фиксировать смещение до 0,5 мм. Этой точности достаточно для отслеживания состояния грунта. Более того, он на порядок дешевле датчиков на волоконных брэгговских решетках, что обеспечивает его перспективность, – объясняет Илларион Никулин.

Чувствительный элемент оптоволокна выполнен в виде петель, закрепленных в корпусе датчика. Во время эксперимента на него поступали излучения различной мощности от источника смещения, а далее, распространяясь по световоду, попадали в фотоприемник. Сигнал оттуда обрабатывался с помощью разработанной программы на персональном компьютере.

Оптоволоконная система ученых Пермского Политеха перспективна для качественного и эффективного мониторинга состояния геотекстиля. С ее помощью возможно точно отслеживать смещения грунтового основания, что обеспечивает безопасность строительных конструкций.