На полях конференции Сколтеха «Фронтиры прогресса» Наука Mail обсудила с экспертом «Росатома» революционный потенциал композитных материалов в строительстве.
В каких случаях композиты выигрывают у стали и бетона
В последнее время композитные материалы активно внедряются в строительство. Однако интерес к ним возник не сегодня — первые исследования начались еще в СССР, а настоящий бум пришелся на 50−60-е годы. Так в чем же их преимущества?
Композитные материалы могут, во-первых, снизить стоимость жизненного цикла изделий, сооружений.
Во-вторых, они могут увеличить срок эксплуатации этих сооружений, увеличить межремонтные плановые сроки или вообще исключить необходимость проведения плановых ремонтных работ на протяжении всего срока эксплуатации. А это — огромная экономия времени, сил и денег.
Взять, к примеру, традиционные материалы. В 90-е многие сооружения просто перестали обслуживать, и из-за этого они быстрее выходили из строя. Потенциально новые материалы, особенно такие как композитные материалы, как раз помогают решить такие проблемы.
Отдельный плюс — доступность для труднодоступных регионов. В большой стране, такой как наша, логистика играет ключевую роль. Строить в Подмосковье, где под боком заводы ЖБИ, ДСК — одно дело. А вот на Дальнем Востоке или в Сибири, Крайнем Севере, куда грузы доставляют только по зимникам или вездеходами, каждый килограмм груза на вес золота.
И здесь композиты дополнительно выигрывают за счет меньшего веса и большей удельной прочности — их проще транспортировать, а значит, и строить дешевле.
Стоит отметить, что с использованием композитов уже построено достаточно много объектов.
Индивидуальный подход vs массовое производство
Оценка экономической эффективности применения композитного решения всегда комплексный вопрос. При прямой оценке стоимости сооружения по материалам, без экономии в период эксплуатации, применение современных материалов может быть как дороже, так и дешевле традиционного решения. При этом сфер применения, где композиты уже сейчас выгоднее при лобовом сравнении с каждым годом становится все больше. Например, наш полимерный композитный шпунт (ни в коем случае не путать с пластиковыми ПВХ изделиями) — он особенно эффективен для создания противофильтрационных завес при рекультивации полигонов: свалок ТБО, токсичных отходов и так далее. В таких проектах это на сегодняшний день самая экономичная технология.
При сравнении традиционных решений и конструкций с применением композитов кроме стоимости самих материалов всегда нужно смотреть на другие затраты — применение таких материалов зачастую позволяет экономить на логистике, снижает стоимость работ и фундаментных и опорных конструкций за счет меньшей массы композитов.
Тем не менее внедрение новых материалов зачастую требует больших затрат на реализацию пилотных объектов. В 2016 году в Ульяновской области в селе Языково был построен второй в России автодорожный мост с применением композитных материалов в главных несущих конструкциях. Для этого был проведен отдельный НИОКР, длившийся несколько лет. Годом ранее был построен автодорожный мост в Новосибирской области, который также потребовал большого комплекса испытаний. Но эти работы позволили сегодня всей отрасли работать над новыми конструкциями мостов. Например, наши объекты: два пешеходных моста и один автодорожный, которые мы с партнерами сдали в прошлом году. Их стоимость уже конкурентна с традиционными решениями, поскольку для их проектирования и строительства уже была нормативная база и необходимый опыт.
За счет чего можно добиться снижения стоимости?
Главный фактор — масштаб производства. Сравните: металлопрокат производится непрерывно — стандартные размеры, тоннами и километрами профиля. Завод выпускает партию, дилеры разбирают, и цикл повторяется.
А с композитами все иначе. Каждый проект — это индивидуальные профили, малые партии. Таким образом, на одной и той же линии постоянно происходит переналадка производства на другой тип профиля, чтобы линия не простаивала. Смена оснастки, пуско-наладка, мелкие объемы — все это бьет по цене.
Нормальный размер партии, чтобы обеспечить минимальные накладные расходы — 3 км профиля. Наименьшую себестоимость удастся получить на партии размером от 10 км. Но сегодня рынок столько потребить не сможет. Тем не менее, мы уверены в том, что рынок композитов в РФ в ближайшие годы ждет серьезный рост.
Тройка лидеров в композитной гонке
Если говорить о наиболее развитых рынках композитных материалов, то первое место, безусловно, занимает Китай — их объемы просто колоссальны. Что касается технологического лидерства, здесь пальма первенства у США: они исторически раньше начали работать с композитами и сохраняют преимущество во внедрении инновационных решений.
При этом у России есть отдельные перспективные разработки, которые даже превосходят американские. Но если рассматривать отрасль в целом, мы пока отстаем.
Особого внимания заслуживает Индия — их рынок развивается семимильными шагами. Кстати, РФ уже заключила с Индией ряд соглашений о сотрудничестве в этой сфере.
Таким образом, сегодня можно выделить три ключевых игрока:
- Китай — по объемам,
- США — по технологиям,
- Индию — как самый динамично растущий рынок.
60-метровая башня без металла
Не так давно вышла интересная статья о проекте американской компании Strongwell. Они реализовали уникальное сооружение — башню высотой около 60 метров, полностью выполненную из пултрузионных профилей. Что особенно важно — в несущих и ограждающих конструкциях этого объекта нет ни грамма металла: используются композитные несущие элементы, композитный стеклопластиковый крепеж, композитная обшивка.
Это действительно впечатляющее достижение. Американские коллеги молодцы — у них была конкретная техническая задача: для исследовательских работ создать конструкцию для катушки Тесла, полностью свободную от металла, чтобы исключить влияние на работу оборудования. И они блестяще с этим справились.
Отмечу, что в России подобных готовых решений пока нет, хотя соответствующие наработки имеются. Технически мы способны реализовать аналогичный проект, но пока нет конкретного заказчика и практического запроса на такие решения. При наличии соответствующего технического задания российские специалисты вполне могли бы повторить этот успех.
Технологический прорыв, запертый в клетке нормативов
С точки зрения проблем, которые стоят в плане массового применения композитов в строительстве, можно наверное выделить три кита:
- обоснование срока службы конструкций, их диагностика и оценка остаточного ресурса;
- соблюдение требований по огнестойкости;
- обоснование безопасности применения в сейсмоопасных зонах.
Говоря о том, чем интересны композиты, всегда звучат слова что композиты долговечнее традиционных материалов. Но, по правде говоря, на сегодня эти утверждения в большей мере голословны. Старейшее здание из стеклопластика было построено в 1968 году, ECR-стекловолокно появилось в 1980-х — у нас на сегодня просто нет достаточного опыта строительства и эксплуатации таких зданий, чтобы говорить о сроках 50−100 лет и более. Нет признанных методик теоретической оценки срока службы или методик проведения ускоренных испытаний. Справедливости ради, их зачастую нет и для традиционных материалов, но у них большая история применения, и средний проектировщик и строитель знает, чего от них можно ожидать. В Композитном дивизионе ведутся масштабные исследования по разработке методик ускоренных испытаний, например, в позапрошлом году совместно с КГАСУ был разработан ГОСТ на определение долговечности системы внешнего армирования железобетонных конструкций углепластиками.
С требованиями по огнестойкости ситуации и проще, и сложнее одновременно. Сегодня есть в целом справедливый тренд требовать какой-то параметр огнестойкости от всех конструкций из композитов, даже если для решений из других материалов это требование отсутствует. Но при этом нет признанных теоретических методов оценки огнестойкости, которые, к слову, существуют для многих традиционных решений. В этой ситуации предел огнестойкости можно подтвердить только проведением натурных испытания. Какая ситуация, получается, складывается — присылает заказчик запрос на изготовление какой-то конструкции, и требуется, чтобы она была R15 (несущая способность под нагрузкой при пожаре обеспечивалась не менее 15 минут). Получается, что производитель композитов должен изготовить как минимум две запрашиваемые полноразмерные конструкции, испытать при пожаре, что довольно дорого, получить подтверждение обеспечения R15, и после этого отправить коммерческое предложение? Даже если не утрировать и говорить, что такие испытания потребуется провести после подписания договора на поставку, кто согласится заплатить за 3 конструкции плюс стоимость испытаний, когда ему нужна только одна? Фактически это делает коммерческие предложения нерентабельными, хотя технически такие решения могли бы быть востребованы.
Что касается сейсмостойкости, то здесь картина неоднозначная. Мировая практика показывает, что углепластики прекрасно работают для усиления железобетонных конструкций в сейсмоопасных зонах. Но на сегодняшний день у нас, опять же, нет методологии применения этих композитных материалов. Фактически это прямой запрет на использование композитов в несущих конструкциях в сейсмически опасных регионах, хотя их потенциал очевиден.
Мы уже несколько лет пытаемся сдвинуть эту ситуацию с мертвой точки — ищем научные центры, которые могли бы разработать адекватные методики оценки, пытаемся собрать рабочую группу для пересмотра нормативов, тщательно изучаем зарубежный опыт. Но пока эти системные проблемы не решены, массовое применение композитных конструкций в экстремальных условиях остается под большим вопросом.
Хотя технологически такие решения уже возможны, нормативная база и методическое обеспечение серьезно отстают от реальных возможностей материалов. И это проблема.
Стандарт есть, специалистов нет
Я не вижу предпосылок для исчезновения каких-то профессий вследствие влияния композитных технологий на строительные специальности. Однако есть другая серьезная проблема — подготовка новых кадров.
Сегодня в России нет ни одного направления в образовательной системе, где бы фокусно готовили специалистов в строительной отрасли, владеющих навыками работы с полимерным композитным материалом. К примеру, на рынке труда сейчас сложно найти расчетчика, который бы умел рассчитывать строительные конструкции из композитных материалов.
Парадокс в том, что профессиональный стандарт в этой области уже есть, но учебные программы под него не разработаны. Нет даже центра сертификации на соответствие этому профессиональному стандарту. Он просто существует в вакууме, но нет возможности его выполнять.
Поэтому компаниям приходится самостоятельно готовить специалистов. Мы в этом направлении давно ведем работу и постепенно наращиваем усилия. Есть определенные задумки, в том числе по сотрудничеству с вузами — возможно, уже в следующем году мы предпримем дополнительные конкретные шаги в расширении такого взаимодействия. Речь идет прежде всего о работе со студентами, а также о программах переподготовки действующих специалистов.
Какие вузы помогают двигать российские композиты вперед
Среди наших ключевых научных партнеров в сфере композитных технологий, в первую очередь, нужно отметить НИУ МГСУ — главный строительный университет страны. С ними мы довольно активно работаем по различным направлениям.
Не менее важным партнером является Казанский государственный архитектурно-строительный университет. Сейчас мы также начинаем совместные проекты с Санкт-Петербургским политехом — их наработки в области композитов представляют для нас большой интерес.
Только что мы приступили к взаимодействию с Дальневосточным федеральным университетом. У них есть очень интересные компетенции в области исследования ледовых и динамических нагрузок на гидротехнические сооружения. Это открывает для нас новые перспективы в расширении области применения наших материалов.
Кроме того, в прошлом году Нижегородский политехнический университет проводил для нас серию испытаний по заказу РЖД. Это основные академические партнеры, с которыми мы ведем конкретную работу по развитию композитных технологий в строительстве.
Ключевые проблемы внедрения композитов в строительстве
Проблемы в нашей отрасли достаточно системны. Во-первых, это кадровый вопрос — он был актуален всегда, но сегодня к этому добавляются конкретные технологические вызовы.
Нам приходится решать вопросы с оборудованием и строительной химией для композитных материалов. Не все компоненты пока производятся в России, хотя ситуация постепенно улучшается.
Отдельная больная тема — программное обеспечение для инженеров. Как ни парадоксально, санкции дали толчок развитию отечественных IT-решений. Оказалось, что у нас есть компетенции для создания качественных инженерных программ, просто раньше не было возможности выйти на этот рынок.
Но главные проблемы лежат в области долговечности материалов. Для традиционных материалов этот вопрос до сих пор полностью не решен, несмотря на многовековой опыт использования. Во многих вузах по сей день любимая тема диссертации — долговечность того или иного сооружения из бетона или стали. С композитами ситуация сложнее — массовое применение началось только в 1980-х, а нормативный срок эксплуатации составляет 50 лет. Мы просто физически не имеем достаточной статистики.
При этом методики оценки остаточного ресурса для композитных конструкций только разрабатываются. Это станет критически важным вопросом в ближайшие 5−10 лет, когда количество таких объектов значительно увеличится. Эксплуатантам нужно будет не просто визуально оценивать состояние, но и точно прогнозировать остаточный ресурс.
Сейчас не существует надежных методов контроля, которые могли бы дать однозначный ответ о текущей прочности композитных конструкций. Мы работаем над решением этой проблемы, но пока можно говорить только о косвенных методах оценки. Это наиболее острый технологический вызов для всей отрасли.