Корпорация «ВСМПО-Ависма», основной производитель титана в нашей стране, ищет новые рынки реализации титановой продукции внутри России. Недавно аналитики корпорации провели исследование о перспективах использования этого металла в строительстве и архитектуре. С некоторыми его выводами они познакомили «Про Металл».
Вообще-то тема эта не совсем новая. Например, Япония построила первое здание с титановой кровельной конструкцией ещё в 1973 году. Ежегодное количество титана, используемого в строительстве в Японии, возросло до 350 тонн уже к середине 1990-х годов. А после многих лет развития она стала страной, которая использует больше всего титана в зданиях.
Диапазон применения быстро расширился от первоначальной крыши до внешних стен, а позже портовых зданий и сооружений, мостов, туннелей, перил, антикоррозионных облицовочных материалов и т.д. Ещё в 1990-х годах Европа и США тоже начали использовать титан в строительстве, но в XXI веке интерес к данному металлу с точки зрения стройки многократно возрос.
«ВСМПО-Ависма» ищет новые рынки реализации титановой продукции внутри России.
Какими уникальными преимуществами обладает титан? Его отношение прочности к весу выше, чем у традиционных материалов, таких как сталь, что позволяет создавать более лёгкие конструктивные элементы. Например, титановые сплавы демонстрируют предел прочности на разрыв до 1400 МПа по сравнению с 400–600 МПа у обычной стали.
Архитекторы и инженеры всё чаще выбирают титан для фасадов и кровельных систем из-за его исключительной коррозионной стойкости.
Всё чаще титан применяется в каркасах конструкций, что позволяет снизить их вес до 45% по сравнению с традиционной сталью, давая возможность архитекторам создавать более амбициозные проекты. Его прочность на разрыв — примерно на 63% выше, чем у стали — позволяет использовать более тонкие балки, тем самым оптимизируя использование материала и снижая нагрузку на фундамент.
Ещё одно преимущество — возможность интеграции титана в сейсмостойкие конструкции. Его гибкость позволяет зданиям эффективно поглощать и рассеивать энергию во время землетрясений. Это свойство было успешно использовано в нескольких сейсмоопасных районах, продемонстрировав его высокий потенциал в плане обеспечения безопасности зданий (к слову сказать, отмеченный выше интерес строителей именно Японии, страны, которую регулярно «потряхивает», к титану объясняется и этим тоже). Титан очень эффектен с точки зрения дизайна и весьма экологичен.
Строительство из титановых материалов очень популярно в Японии.
Одна из достаточно узких, но важных ниш применения титана — так называемая консервационная инженерия. Титан сегодня широко используется для армирования каменных конструкций в исторических зданиях и памятниках. Большое количество вмешательств с использованием нержавеющей стали, проведённых в 1990-х и 2000-х годах, показывают признаки механической деградации, отслоения арматуры от каменной основы и коррозии. В некоторых случаях эти эффекты нанесли непоправимый ущерб уникальной каменной конструкции.
Армирование титаном успешно используется для спасения археологических памятников и артефактов. Его часто применяют и для восстановления непрерывности выступающих частей мраморных статуй. Применение титановых сплавов в консервационной инженерии — очень перспективный сегмент, он будет расти.
Естественно, есть и определённые проблемы, ограничивающие использование данного материала в строительстве. В первую очередь, понятно, его цена: в среднем титан в 2,5 раза дороже стали. Но на длительную перспективу, как показывают расчёты, его применение вполне окупается.
Титан нередко применяют при изготовлении конструкций фасадов.
Здания, в которых его применяли, даже в таких суровых условиях, как, например, Крайний Север, демонстрируют гораздо большую долговечность. Ожидаемый срок службы зданий превышает 50 лет даже в суровых климатических условиях.
Строительные проекты с его использованием дают также значительную экономию с течением времени за счёт сокращения затрат на обслуживание зданий.
Исследования показывают, что здания, облицованные титаном, могут прослужить до 100 лет с минимальной деградацией, тогда как другие материалы могут потребовать периодической замены в течение 30 лет.
Проекты с использованием титана могут также выиграть от повышения энергоэффективности и устойчивости, соответствуя современным стандартам «зелёного строительства».
Есть и ещё одна тенденция, проявившаяся в последние десятилетия, которая позволяет титановые проекты сильно удешевить — это аддитивные технологии, порошковая металлургия. Для технологий 3D-печати с использованием титана открывается многообещающее будущее.
Не говоря уже о том, что инновационные технологии позволяют создавать сложные геометрические формы, давая простор творчеству и воображению архитекторов, они ещё и удешевляют процесс. 3D-печать осуществляется с минимальными отходами, оптимизируя производство и проектирование. Последние достижения позволяют снизить затраты до 25% в определённых областях применения, делая титан более доступным для различных проектов.
Титан успешно применяется в аддитивных технологиях.
Естественно, у титана как материала есть и свои проблемные технологические стороны. Как говорится, недостатки — это продолжение достоинств.
Так, именно коррозийная стойкость этого металла определяет специфические требования к его обработке. Данные исследований поверхностной инженерии показывают, что неправильная обработка может сократить срок службы защитного покрытия на целых 40%.
Сварка титана — это тоже очень специфичный процесс, он далеко не прост. Неправильная сварка может привести к снижению прочности соединения на целых 50%.
Оценка механической совместимости титана с иными материалами, с которыми он входит в контакт, имеет очень важное значение. Титан, как уже говорилось, имеет более высокое отношение прочности к весу, что требует корректировки расчётов нагрузки для предотвращения разрушения конструкции. Благодаря исследованиям выяснилось, что интеграция титана в конструкции может увеличить концентрацию напряжений до 30%, если не учитывать её должным образом.
Совместимость с крепёжными деталями является ещё одним ограничивающим фактором, который следует учитывать. В ходе полевых испытаний было показано, что интеграция титановых крепёжных деталей без надлежащих методов изоляции может привести к 25% отказов с течением времени. В целом все эти особенности титана давно известны и решаемы при грамотном подходе к проектированию и организации строительного процесса.
Сварка титана — это тоже очень специфичный процесс, он далеко не прост.
Практика показывает, что использование титана при возведении зданий даёт впечатляющий эффект. Например, музей Гуггенхайма в Бильбао (Испания), построенный в 1997 году по проекту Фрэнка Гери, демонстрирует универсальность этого металла.
Здание площадью более 30 000 квадратных метров состоит из 33 000 отдельных титановых панелей. Строительным материалом для музея являются титановые пластины толщиной 0,3 мм, а общее количество использованного титана составляет 60 тонн.
Очень любят строители использовать титан в зданиях, расположенных у моря. Морская вода достаточно агрессивная среда, а повышенная влажность воздуха ускоряет коррозию. Но титан к ней очень устойчив.
Примером может служить строительство Тяньцзиньского международного аэропорта Биньхай в Китае, где титан использовался как для повышения эстетической привлекательности, так и для увеличения устойчивости к агрессивному морскому климату. К 2035 году данный аэропорт планируют расширить, построив ещё один терминал, и без титана эта стройка также не обойдётся.
Музей Гуггенхайма в Бильбао.
Интересно отметить, что титан очень хорошо поддаётся вторичной переработке. Здания, построенные с его использованием, служат долго, но, когда всё-таки приходит их срок, до 90% титана может пойти во вторичную переработку и в дальнейшем быть использовано где-то ещё. В наш век «зелёной повестки» это тоже немаловажный плюс.
Всё это в целом свидетельствует о том, что потребность в титане в строительном секторе будет нарастать. И это как мировая, так и российская тенденция.
Алексей Василивецкий
