Мосты станут легче и прочнее: разработаны заклёпки, переживающие любые среды

Композитные заклёпки улучшили надёжность мостов и платформ — Сколтех

Новые материалы всё активнее используются в строительстве, однако даже самые современные композиты сталкиваются с важной проблемой — металлические крепежи, которыми соединяют элементы конструкций, по-прежнему остаются слабым звеном. Исследователи Сколтеха совместно с китайскими коллегами предложили решение, способное устранить этот недостаток. Они разработали новый тип заклёпок на основе усиленного стекловолокном полипропилена и успешно протестировали их в сравнении с традиционными соединениями. Об этом сообщает Наука Mail. ru.

Почему крепёжные узлы долго оставались уязвимым местом композитных конструкций

Во многих странах мира, включая Россию, эксплуатируются крупные сооружения, полностью выполненные из композитов. К таким объектам относятся мосты, портовые платформы, инженерные сооружения на химических предприятиях и теплоэлектростанциях. Композиты хорошо сопротивляются коррозии, обладают лёгкостью и длительным сроком службы, но металлические болты, которые используются для соединения этих элементов, сводят преимущества на нет.

Металл неизбежно страдает от ржавления, особенно при контакте с морской водой, химически активными веществами или насыщенным паром. Даже если основная конструкция может служить десятилетиями, крепёж выходит из строя значительно раньше, и именно он становится слабым звеном большого сооружения. Похожие выводы об уязвимости материалов встречаются и в исследованиях, где показано, что устойчивость структур напрямую зависит от их взаимодействия со средой — например, в работах о том, как атомарный кислород проявляет себя в воде, демонстрируя, что даже простые элементы окружающей среды могут радикально менять долговечность инженерных материалов.

Руководитель исследования, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Александр Сафонов обратил внимание на важность решения проблемы.

"В России используется множество мостов, полностью выполненных из композитных материалов. Однако есть важный нюанс: композитными сделаны все основные элементы, кроме соединительных узлов — в них применяются металлические болты. Это решение имеет недостатки: металл утяжеляет конструкцию и снижает общий срок ее службы. Из-за коррозии болтов часто именно они определяют ресурс всего сооружения. Особенно остро эта проблема проявляется в агрессивных условиях — например, в морской воде, на химических производствах или в контакте с горячим паром, как в градирнях тепловых электростанций", — отметил он.

Эта ситуация подталкивала инженеров к поиску композитного аналога металлического крепежа — лёгкого, коррозионностойкого и одновременно прочного.

Как устроены новые композитные заклёпки

Исследователи предложили использовать заклёпки из усиленного стекловолокном полипропилена. В качестве основного материала выбран полимер, обладающий высокой стойкостью к внешним средам, а стекловолокно обеспечивает повышенную прочность и жёсткость.

Команда разработала технологию формования и обработки таких заклёпок, обеспечивая стабильность структуры и возможность массового внедрения. Композитные элементы имеют небольшой вес, не требуют металлических вставок и могут применяться в узлах, где традиционные материалы быстро выходили бы из строя.

Особое внимание уделялось тому, как заклёпки выдерживают нагрузки в реальных условиях. Именно поэтому серия тестов включала измерение разрушающей силы, оценку предельных циклов нагрузки и испытания на стойкость к эксплуатации в разных средах. Результат оказался многообещающим: новые заклёпки продемонстрировали высокую механическую надёжность и устойчивость к эксплуатационным воздействиям.

Работа была поддержана Российским научным фондом, а результаты опубликованы в журнале Materials & Design — одном из ведущих изданий по материаловедению и инженерным технологиям.

Испытания и сравнение с традиционными соединениями

Для оценки эффективности новой разработки учёные провели сравнительный анализ нескольких видов крепления: стандартных болтовых соединений, клеевых систем, комбинированных узлов и экспериментальных композитных заклёпок. Каждое соединение тестировали на прочность, усталостную стойкость и способность выдерживать многократные циклы нагрузки.

Испытания показали, что композитные заклёпки обеспечивают прочное и стабильное соединение, не уступая металлическим аналогам, а в ряде условий даже превосходя их. Благодаря низкому весу и полной коррозионной стойкости такие крепления открывают путь к созданию долговечных конструкций, особенно в агрессивных средах. Эта логика развития технологий перекликается с исследованиями природных систем, например с данными о том, как муравьиные колонии формируют эффективные механизмы защиты, показывая, что устойчивость сложных структур — биологических или инженерных — определяется оптимизацией слабых узлов.

Благодаря малому весу такие заклёпки позволяют значительно облегчить конструкции. Для мостов и крупных инженерных сооружений это особенно важно, поскольку снижение массы каркаса уменьшает нагрузку на опоры и снижает расход материалов.

Исследование подтвердило: технология может стать основой для создания полностью композитных сооружений, лишённых уязвимых металлических элементов. Это решение открывает перспективы для объектов критической инфраструктуры — мостов, портовых сооружений, резервуаров и градирен.

Сравнение: металлические болты и новые композитные заклёпки

Металлические болты подвержены коррозии, а композитные заклёпки полностью устойчивы к агрессивным средам.
Композитные крепления менее тяжелые, что уменьшает массу конструкции; металл увеличивает нагрузку.
Металлические узлы требуют регулярного обслуживания, тогда как композитные элементы практически не нуждаются в ремонте.
Прочность металлических болтов снижается со временем из-за коррозии, в то время как композитные материалы сохраняют характеристики дольше.
Новые заклёпки позволяют формировать полностью композитные конструкции, а металлические элементы ограничивают срок службы сооружения.

Плюсы и минусы внедрения композитных креплений

Преимущества:

отсутствие коррозии при эксплуатации в воде, химических средах и при контакте с паром;
значительное снижение веса конструкции;
высокая прочность и усталостная стойкость;
возможность применения в критически важных объектах;
уменьшение затрат на обслуживание и ремонт;
совместимость с композитными элементами мостов и промышленных сооружений.

Ограничения: