Композиционные материалы в строительстве

УДК 678 
ББК 30.36 
 
К63 
Авторы: 
В.Г. Соловьев, В.Ф. Коровяков, О.А. Ларсен, Н.А. Гальцева 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент В.А. Ушков,  
доцент кафедры строительных материалов НИУ МГСУ; 
кандидат технических наук Д.А. Ильин, технический специалист 
ИТЦ ООО «ТЕХНОНИКОЛЬ — Строительные Системы» 
К63  
Композиционные материалы в строительстве [Электронный ресурс] : [учебное пособие 
для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство] / [В.Г. Соловьев и др.] ; 
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, кафедра технологии 
вяжущих веществ и бетонов. — Электрон. дан. и прогр. (3,8 Мб). — Москва : Издательство 
МИСИ – МГСУ, 2020. — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/. — Загл. с титул. экрана. 
ISBN 978-5-7264-2163-6 (сетевое) 
ISBN 978-5-7264-2162-9 (локальное) 
В учебном пособии дана характеристика композиционных материалов, приведены сведения об их 
классификации, применяемом сырье и особенностях технологических схем изготовления. Освещена 
сущность процессов, протекающих при изготовлении строительных материалов, представлены присущие им физико-механические свойства и области применения. 
Для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство. 
Учебное электронное издание 
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2020 
 

Редактор Е.Б. Махиянова 
Корректор Л.А. Попова 
Компьютерная верстка В.Е. Гурьянчевой 
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано: 
Microsoft Word 2010, ПО Adobe Acrobat 
Подписано к использованию 26.03.2020. Объем данных 3,8 Мб. 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования  
«Национальный исследовательский  
Московский государственный строительный университет» 
129337, Москва, Ярославское ш., 26 
Издательство МИСИ – МГСУ. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95. 
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru 
 

 
Оглавление 
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................................  5 
ГЛАВА 1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ....................................................................  6 
1.1. Основные понятия 
..............................................................................................................  6 
1.2. Классификация композиционных материалов 
по геометрии и параметрам наполнителя ........................................................................  8 
ГЛАВА 2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА. 
ВЯЖУЩИЕ НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ .......................................................  13 
ГЛАВА 3. ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ....................................  15 
3.1. Общие положения ..............................................................................................................  15 
3.2. Упругие и прочностные свойства волокнистых композитов ........................................  16 
3.3. Материалы матрицы ..........................................................................................................  17 
3.4. Фибробетоны ......................................................................................................................  18 
3.5. Разновидности армирующих волокон 
..............................................................................  20 
3.6. Сталефибробетоны 
.............................................................................................................  22 
3.7. Бетоны, армированные неметаллическими волокнами 
..................................................  30 
ГЛАВА 4. БЕТОНОПОЛИМЕРЫ 
................................................................................................  36 
4.1. Основные понятия 
..............................................................................................................  36 
4.2. Бетонополимеры 
.................................................................................................................  36 
4.3. Полимербетоны ..................................................................................................................  37 
ГЛАВА 5. ДРЕВЕСНЫЕ КОМПОЗИТЫ НА МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ.......................  40 
5.1. Общие понятия ...................................................................................................................  40 
5.2. Влияние древесных наполнителей на структурообразование 
минеральных вяжущих ......................................................................................................  41 
5.3. Фибролит 
.............................................................................................................................  41 
5.4. Арболит ...............................................................................................................................  46 
5.5. Цементно-стружечные плиты ...........................................................................................  48 
5.6. Гипсоволокнистые листы ..................................................................................................  54 
5.7. Гипсостружечные плиты ...................................................................................................  57 
5.8. Системы КНАУФ ...............................................................................................................  58 
5.9. Строительные композиты на основе магнезиальных вяжущих 
и древесных наполнителей 
................................................................................................  60 
ГЛАВА 6. ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ................  63 
6.1. Классификация древесно-полимерных композиционных материалов 
.........................  63 
6.2. Сырьевые материалы .........................................................................................................  63 
6.3. Клееная фанера 
...................................................................................................................  64 
6.4. Древесностружечные плиты .............................................................................................  69 
6.5. Древесноволокнистые плиты 
............................................................................................  72 
ГЛАВА 7. ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
.......................................  74 
7.1. Общие понятия и положения ............................................................................................  74 
7.2. Композитная арматура 
.......................................................................................................  76 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..........................................................................................  85 
 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Композиционные материалы (композиты) позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства своих компонентов. В последние годы значительно возросло количество 
исследований и разработок в этой области, что связано с возможностью получения материалов с новыми функциональными свойствами. Новый термин в материаловедении — «композиционный материал» — был предложен в середине прошлого века для определения, изучения и прогнозирования свойств конструкционных материалов. Данное понятие объединяет 
в себе многообразие видов материалов, состоящих из двух или нескольких разнородных 
компонентов. По этой причине большинство материалов, существующих в природе или созданных человеком, можно считать композиционными. Однако принципиальные различия в 
механизмах упрочнения, обусловленные химическим составом, физико-механическими 
свойствами, формой и размерами составляющих, не позволяют рассматривать все двух- и многокомпонентные системы с единых позиций и вызывают необходимость в определении современного толкования понятия «композиционные материалы» применительно к новым материалам. 
История использования человеком композиционных материалов насчитывает много веков, а его представление о них заимствовано у природы. Особенно широкое распространение 
композиты получили в строительстве. Так, сравнение прочности двух стержней одинакового 
сечения, изготовленных из бамбука и древесины, показывает, что прочность и гибкость первого приблизительно в 2 раза больше. Такие исключительные свойства на протяжении длительного времени нашли применение при изготовлении шестов для прыжков, корабельных 
мачт и т.д. 
Существует обширная группа материалов, сочетающих в себе необычные свойства разнородных материалов. Например, железобетон — искусственно созданный на рубеже XIX–XX веков материал — позволяет сооружать элементы пролетов мостов, балок, оболочек, воспринимающих значительные изгибающие нагрузки, конструкции которых из обычного бетона 
категорически невозможны ввиду недостаточной трещиностойкости при воздействии даже 
достаточно небольших изгибающих нагрузок. 
Чаще всего композиционные материалы представляют собой металлические или 
неметаллические конструкционные материалы, в которых, как правило, присутствуют усиливающие компоненты. В качестве таких компонентов могут выступать нити, волокна или 
хлопья более прочного материала. 
Применение дисперсного армирования в бетонах открывает широкие возможности для 
снижения материалоемкости, стоимости и трудоемкости конструкций по сравнению с традиционными бетонами, способствуя улучшению прочностных характеристик изгибаемых, сжатых, растянутых элементов конструкций, увеличивая трещиностойкость, ударную вязкость, 
износостойкость, термическое сопротивление и другие характеристики. 
5 

 
ГЛАВА 1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
1.1. Основные понятия 
Композиционными материалами (КМ) называют искусственные многокомпонентные 
материалы, состоящие из матрицы и наполнителя. При этом между составляющими компонентами композита имеется четкая граница раздела фаз. 
Прочностные, эксплуатационные и другие свойства композиционного материала зависят 
от соотношения трех основных параметров: 
− прочности армирующих компонентов; 
− свойств и жесткости матрицы; 
− межфазового взаимодействия на границе между связующим и наполнителем. 
Основными признаками композитов принято считаться следующие: 
− композиционный материал должен быть создан человеком; 
− композиционный материал (или композиция) образуется за счет объемного сочетания 
составляющих его компонентов. 
− композит должен обладать свойствами, которыми не обладает ни один из составляющих его материалов; 
− разнородные компоненты композита не должны химически взаимодействовать между 
собой; 
− композиционный материал должен состоять не менее чем из двух разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. 
По структуре и расположению компонентов композиционные материалы могут быть 
каркасными, матричными, слоистыми и иметь комбинированную структуру. 
Композиционные материалы также подразделяют по геометрии (форме) армирующего 
компонента, схеме его расположения в матрице и механизму упрочнения. 
Условия, необхомимые для создания композиционных материалов. При выборе материалов для изготовления композита необходимо, чтобы между компонентами присутствовала физико-химическая совместимость, которая сводится к следующему: 
− при изготовлении и в условиях эксплуатации компоненты, входящие в состав композита, не должны образовывать химических соединений или твердых растворов, которые могут снизить прочность армирующих элементов; 
− для выбранных компонентов следует обеспечить прочную связь между матрицей и наполнителем; 
− различие между коэффициентами термического расширения компонентов не должно 
вызывать разрушения или растрескивание какого-либо из них в составе композита; 
− отсутствие остаточных деформаций при асимметричном цикле нагружения, способствующих снижению прочности композита; 
− полученный композиционный материал должен иметь лучшие показатели по удельной 
прочности и жесткости, чем монолитные материалы, используемые для создания самого композита в данных условиях; 
− вновь созданный композит должен быть экономически более эффективным, чем существующие материалы. 
Композиционные материалы различают: 
−  по материалу матрицы; 
−  армирующим компонентам; 
−  геометрии компонентов, их структуре и их расположении в композите; 
−  методам изготовления. 
Наиболее широко применяется классификация композитов по материалу матрицы. На 
рис. 1.1 приведена классификация композитов по виду применяемого материала матрицы. 
В соответствии с этим композиционные материалы подразделяются на металлические и неметаллические. К металлическим относятся композиты на металлической матрице, к неметаллическим — цементные, керамические, полимерные, углеродистые материалы. 
6 

 
Композиты с матрицей смешанного типа носят название полиматричных композиционных материалов (рис. 1.2, а). 
Композиционные материалы, состоящие из трех и более компонентов и содержащие 
в своем составе наполнители различной природы, называются гибридными (полиармированными) композитами (рис. 1.2, б). 
В композиционных материалах существенная роль отводится матрице, которая выполняет следующие функции: 
− обеспечивает монолитность композита; 
− выполняет укрепляющую функцию; 
− фиксирует взаимное расположение армирующих компонентов (волокон, дисперсных 
частиц) и форму изделия; 
− выполняет функцию равномерного распределения действующих напряжений по всему 
объему материала на наполнитель, а также их перераспределение при разрушении части волокон. 
В качестве матрицы и наполнителя применяются самые разнообразные по природе и происхождению материалы. Существуют композиты на основе металлов, керамики, стекол, цементного камня, углерода, полимеров и других материалов. Матрица (связующее) является пластичной, 
а наполнитель (армирующие компоненты) обладает высокой прочностью и жесткостью. 
 
Рис. 1.1. Классификация композиционных материалов по материалу матрицы 
Методы получения композиционных материалов. Основные требования, предъявляемые к любому методу изготовления композитов, состоят в максимальном сохранении исходной прочности армирующих компонентов, обеспечении необходимой ориентации в матрице и создании условий для прочного соединения исходных компонентов. 
Для композитов на металлической матрице существует три основных метода синтеза 
компонентов, зависящих от исходного агрегатного состояния матрицы: 
− твердофазный (прокатка, диффузионная сварка, горячее динамическое прессование, 
сварка взрывом и магнитно-импульсным способом); 
− жидкофазный; 
− осаждение; 
− комбинированный. 
 
а 
б 
Рис. 1.2. Схемы армирования композитов: 
а — полиматричный композит; б — гибридный (полиармированный) композит 
7 

 
В процессе проведения твердофазного синтеза в качестве матрицы используются листовые материалы или материалы в порошкообразном состоянии. При этом создание композита осуществляется в пресс-формах посредством совместного прессования порошкообразного связующего с равномерно распределенными в нем дискретными волокнами (металлическими, керамическими, нитевидными кристаллами). 
Недостаток этого метода заключается в трудностях с приданием направления ориентации армирующих волокон. Так, например, для придания определенной ориентации армирующих компонентов виде нитевидных кристаллов их предварительно покрывают металлом 
(никелизация), после чего смесь волокон с матрицей из алюминиевого сплава помещают 
в магнитное поле, в котором волокна располагаются по направлению силовых линий. 
Достоинством метода являются высокие прочностные показатели получаемых изделий, 
минимальные допуски по размерам изделий, сокращение времени спекания, поскольку процессы прессования и спекания совмещаются. Недостатком метода является быстрый износ 
пресс-форм и невысокая производительность процесса. 
Жидкофазные методы изготовления композитов являются высокопроизводительными, 
применяются при изготовлении изделий сложной формы с возможностью использования 
жгутовых и тканевых армирующих материалов, позволяют полностью автоматизировать 
технологический процесс производства. Методы предусматривают получение металлических 
композитов путем совмещения армирующих волокон с расплавленной матрицей. К ним относят методы пропитки волокон жидкими матричными сплавами и метод направленной кристаллизации. Недостатками данных методов являются высокая температура получения, присутствие межфазных взаимодействий и тщательный выбор компонентов. 
Метод осаждения позволяет получать многослойные композиции, обладающие высокой 
прочностью. При производстве металлических композитов методом осаждения — напыления матричный металл наносят на волокна из растворов солей или других химических соединений при помощи плазменного или вакуумного напыления. 
Комбинированный метод получения композитов представляет собой сочетание двух 
и более указанных методов. 
1.2. Классификация композиционных материалов 
по геометрии и параметрам наполнителя 
В зависимости от геометрии армирующих элементов наполнителя и их взаимного 
расположения свойства композитов могут быть одинаковыми во всех направлениях — изотропными (дисперсно-упрочненные КМ) и различными — анизотропными (КМ, упрочненные непрерывными волокнами, ориентированными в определенных направлениях). Изотропные композиты обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях. К ним относятся композиты с порошкообразными наполнителями. К числу изотропных условно можно 
отнести композиты с дискретными частицами. Свойства материалов с анизотропными 
свойствами зависят от направления расположения армирующего компонента, которые могут 
быть однонаправленными, слоистыми и трехмерно-направленными. 
Характер расположения составляющих элементов, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. их упорядоченность, оказывает большое влияние на свойства композита. Композиты, обладающие высокой прочностью, имеют, как правило, высокоупорядоченную структуру. 
Композиты в зависимости от геометрических размеров наполнителя подразделяют 
(табл. 1.1): 
− на нульмерные или дисперсно-упрочненные — упрочненные частицами с весьма соизмеримо малыми размерами в трех измерениях; 
− одномерные — армированные волокнами, с малыми размерами в двух направлениях 
и значительно превосходящим размером в третьем измерении; 
− двумерные — армированные наполнителем в виде слоев, листов, пластин или тканей 
с двумя размерами, соизмеримыми с размером композиционного материала и значительно превосходящими третий размер. 
8 

 
Применение наполнителей различной формы и природы способствует улучшению физических, технологических и эксплуатационных свойств композитов. Например, для увеличения прочности связи между волокнами на основе углерода или стекла в полимерное связующее вводятся частицы карбида кремния. Для повышения модуля упругости композиционных 
материалов с полимерной матрицей совместно вводятся волокна на основе стекла и бора. 
Таблица 1.1 
Классификация наполнителя по форме 
Компонент 
Геометрия компонента 
Соотношение размеров 
𝑙1
Нульмерный 
𝐿≪1; 𝑙2
𝐿≪1; 𝑙3
𝐿≪1; 
 
𝑙1
Одномерный 
𝐿~1; 𝑙2
𝐿≪1; 𝑙3
𝐿≪1; 
 
𝑙1
Двумерный  
𝐿~1; 𝑙2
𝐿≪1; 𝑙3
𝐿~1; 
 
Наполнители композитов могут выполнять различные функции. В зависимости от назначения наполнители подразделяют на армирующие (усиливающие механические свойства) и технологические (изменяющие фрикционные, электрические, теплофизические и другие свойства). 
Варьируя объемное содержание составляющих компонентов можно получать композиционные материалы с заданными свойствами: высокой прочностью, жаростойкостью, высоким модулем упругости, абразивной стойкостью, а также необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими показателями. 
В зависимости от схемы армирования или расположения армирующих компонентов 
в матрице (рис. 1.3) различают следующие виды композитов. 
 
Рис. 1.3. Классификация композитов по схеме армирования: 
9 

 
а — одноосное армирование; б — двуосное армирование; в —трехосное армирование 
Композиты с одноосным (линейным) расположением армирующих компонентов в матрице (рис. 1.3, а), представляющих собой нульмерные и одномерные наполнители в виде 
частиц, волокон, нитей, ориентированных цепочек нитевидных кристаллов. При этом расстояние между нульмерными наполнителями вдоль одного направления значительно меньше, чем по двум другим, т.е. 𝑙𝑥≪𝑙𝑦; 𝑙𝑥≪𝑙𝑧. Содержание нульмерных наполнителей в композитах по объему составляет 1–5 %. При одноосном армировании одномерные наполнители 
располагаются параллельно друг другу. 
Композиты с двухосным (плоскостным) расположением армирующих компонентов 
(рис. 1.3, б) в виде нульмерных, одномерных и двумерных наполнителей, представляющих 
собой частицы, волокна, фольгу, маты. При этом, в случае армирования нульмерными и одномерными наполнителями, они располагаются параллельно друг другу со значительно 
меньшим расстоянием между собой в пределах плоскости, чем между самими плоскостями, 
т.е. 𝑙𝑥≪𝑙𝑧; 𝑙𝑦≪𝑙𝑧. Содержание нульмерных армирующих компонентов по объему может 
достигать 15–16 %. Одномерные наполнители располагаются параллельно в границах данной 
плоскости, но по отношению к другим плоскостям обычно под разными углами. Двумерные 
наполнители расположены параллельно друг другу. 
Композиты с трехосным (объемным) армирование (рис. 1.3, в), которые характеризуется 
отсутствием какого-либо направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нульмерные и одномерные наполнители. Располагаются нульмерные наполнители 
на одинаковом расстоянии от друга во всех трех измерениях в пределах одного порядка, 
т.е. 𝑙𝑥~𝑙𝑦~𝑙𝑧. При этом их содержание в матрице по объему может превышать 15 %. Одномерные наполнители располагаются в трех и более пересекающихся плоскостях. 
На рис. 1.4 представлены возможные схемы армирования композитов. 
 
Рис. 1.4. Схемы армирования композитов: 
а — хаотическая; б — слоистая; в — розеточная; г—з — ортогональное армирование; и — аксиально-радиальноокружная; к — аксиально-спиральная; л — радиально-спиральная; м — аксиально-радиально-спиральная 
В зависимости от характера взаимодействия с материалом матрицы наполнители 
подразделяют на инертные и активные (упрочняющие). Механизм взаимодействия матрицы 
с наполнителем определяется химической природой этих материалов и состоянием поверхности наполнителя. Наибольший эффект усиления достигается при возникновении между 
наполнителем и материалом матрицы химических связей или значительного адгезионного 
10