Разработка лёгкого конструкционного кирпича на полиуретановой основе с композитными волокнами для повышения механических характеристик

Почему лёгкие кирпичи важны для безопасности зданий

В регионах, подверженных землетрясениям, масса здания может стать решающим фактором между незначительными повреждениями и катастрофическим обрушением. Тяжёлые стены и перекрытия при колебаниях грунта порождают большие инерционные силы. В этом исследовании рассматривается новый тип ультралёгкого кирпича из пористого полиуретана, усиленного мелкими волокнами. Цель — создать строительные блоки намного легче традиционной глины или бетона, но достаточно прочные и жёсткие, чтобы нести нагрузки и противостоять сейсмическим воздействиям.

Как превратить пену в несущий кирпич

Исследователи начали с жёсткого типа полиуретана — пластика, часто используемого в теплоизоляционных пенах. Сам по себе этот материал лёгкий и обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, но недостаточно прочен для основных несущих элементов. Чтобы повысить его характеристики, команда вводила короткие волокна из стекла, базальта (волокно на основе породы) или углерода. Эти волокна функционируют как миниатюрные арматурные стержни внутри пены, помогая ей воспринимать большие нагрузки. Путём изменения доли заполнителя и длины волокон исследователи систематически определяли, какие сочетания дают наилучший баланс лёгкости и прочности.

Испытания на сжатие и поперечный изгиб

Используя тщательно подготовленные блоки и балки из смеси пены и волокон, команда измеряла поведение каждой рецептуры при сжатии и изгибе. Образцы подвергали контролируемой деформации при сжатии и испытывали в трёхточечной схеме изгиба — аналогично укладыванию короткой балки на два опорных узла с нагрузкой в середине. Хотя абсолютные значения прочности были скромнее по сравнению с традиционной кладкой — порядка 1 мегапаскаля на сжатие у лучших образцов — материал значительно легче, а это означает, что стенка или панель создают гораздо меньшую нагрузку на каркас и фундамент здания.

Какие волокна работают лучше внутри пены

Результаты показали, что не все волокна одинаково эффективны внутри полиуретана. Образцы, армированные стекловолокном и базальтовыми волокнами, выдерживали большие нагрузки и демонстрировали более высокую жёсткость и предсказуемое поведение, чем образцы с углеродными волокнами. Длинные волокна — около 12 миллиметров — особенно полезны для повышения характеристик, в то время как увеличение доли волокна выше низкого уровня часто давало убывающую отдачу или повышенную разбросанность результатов. Углеродное волокно, несмотря на высокую прочность в принципе, здесь показало плохие результаты, поскольку склонялось к слипанию и плохо сцеплялось с окружающей пеной, образуя слабые участки, где легко возникали трещины.

Взгляд внутрь материала

Чтобы понять, почему некоторые смеси работали лучше, исследователи изучили внутреннюю структуру блоков пены с помощью оптического и растрового электронного микроскопов. В образцах со стеклом и базальтом волокна распределялись относительно равномерно, а ячейки пены вокруг них выглядели регулярными и не искажёнными. В образцах с углеродным волокном волокна склонялись к образованию плотных скоплений, оставляя рядом пустоты и деформированные ячейки пены. При большом увеличении вытащенные углеродные волокна выглядели гладкими и чистыми, что свидетельствует о слабом захвате полиуретана. Напротив, стекловолокно и базальтовые волокна часто имели на поверхности частицы затвердевшей пены — признак лучшей адгезии и более эффективной передачи напряжений.

Компьютерные модели подтверждают эксперименты

Помимо лабораторных испытаний, команда создала компьютерные симуляции композитных кирпичей с использованием конечного элементного моделирования. Эти цифровые кирпичи включали встроенные скопления волокон, похожие на те, что наблюдались в реальных образцах. При сжатии смоделированные кирпичи с добавленными волокнами демонстрировали большую сопротивляемость внутренним напряжениям и меньшую деформацию по сравнению с чистыми полиуретановыми блоками. В изгибе и при нагрузках, похожих на потери устойчивости тонких элементов, модели, армированные базальтовыми волокнами, оказывались наиболее жёсткими, что подтверждало экспериментальные наблюдения. С увеличением доли волокна модели становились труднее деформировать, подтверждая, что грамотно подобранные добавки могут превратить лёгкую пену в более надёжный конструкционный материал.

Что это значит для будущих зданий

В совокупности испытания и моделирование указывают на то, что полиуретановые кирпичи, армированные равномерно распределёнными стекловолокном или базальтовыми волокнами, могут выполнять роль очень лёгких, теплоизоляционных, но при этом механически способных строительных блоков. Хотя отдельный кирпич слабее традиционного глиняного, его низкая плотность означает, что стены и перекрытия будут значительно легче. Это снижение массы уменьшает силы, возникающие при землетрясении, и может помочь зданиям переживать толчки более безопасно. При дальнейшей доработке — особенно улучшении сцепления между волокнами и пеной и оптимизации производства — эти волокноармированные полиуретановые кирпичи могут стать практичными элементами энергоэффективных и сейсмостойких конструкций.

Цитирование: Sak, Ö.F., Demir, S. & Şentürk, B.G. Development of lightweight structural brick with polyurethane and composite fibers to increase mechanical performance. Sci Rep 16, 11171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41331-7

Ключевые слова: лёгкие кирпичи, полиуретановые композиты, армирование волокнами, сейсмостойкие конструкции, устойчивое строительство