Композитные материалы давно не удивляют ни строителей, ни заказчиков. Все знают об их уникальных свойствах, способности намного лучше противостоять агрессивным внешним факторам, чем традиционные материалы. Вместе с тем жизнь не стоит на месте, и каждый год в этой сфере появляются новые разработки.
Об одной из них – углебетоне – стоит рассказать подробно. Об идее его создания, свойствах и перспективах внедрения в строительство.
Углеродное волокно
Углеволокно – материал давно известный и очень востребованный в разных сферах промышленного производства. Но довольно дорогой.
Процесс получения графитовых нитей заключается в многоэтапном нагреве полиакрилонитрильных или вискозных волокон в разных средах до стадии обугливания. В результате чего и появляется материал, состоящий из чистого углерода.
Свойства углеволокна
Толщина углеродной нити всего 5-10 мкм, что тоньше человеческого волоса. Состоит она из выстроенных в кристаллическую решетку цепочек атомов углерода.
Кристаллическая структура углеродных нитей
- Для производства волокон, нити соединяются в жгуты, в которых их может быть до 50000.
- Какие же свойства материала привлекли к нему внимание и позволили использовать при производстве конструкций, работающих в самых сложных условиях эксплуатации?
- В первую очередь это уникальная прочность на разрыв. Она в четыре раза превышает такой же показатель для лучших марок стали.
Это интересно. Чтобы разорвать стержень из углепластика толщиной 5 мм, потребуется усилие в 2500 кг. Тогда как такой же стержень из чугуна разрушится при 150 кг.
При этом плотность углеволокна в четыре раза ниже, чем у той же стали. Соответственно и весит материал вчетверо меньше.
Где применяется углеволокно
Композитные материалы, в которых в качестве армирующего элемента используется углеволокно, применяются в машино- и самолетостроении, производстве спортивного инвентаря, строительстве.
Нас интересует именно строительство, поэтому остановимся на этой области применения:
- Здесь углеродное волокно является основой для армирующих лент, полотен и даже композитной арматуры для бетонных конструкций.
- Ленты и полотна из графитных нитей представляют собой текстильный материал особого плетения, пропитанный смолами;
- Арматура – это стержни из углеродных волокон, пропитанных затвердевшим полимерным связующим.
Для справки. Чтобы обеспечить надежное сцепление с бетоном, на поверхность стержней наносится песчаное покрытие либо формируются выступающие ребра.
Углеволоконная арматура 
Армирующий каркас из композитных стержней 
Углеволоконная армирующая сетка 
Усиление перекрытий с использованием сетки
Углеткань обладает очень высокой прочностью, поэтому с её помощью усиливают новые конструкции, или возвращают утраченные характеристики старым.
Балки пролетов моста, усиленные углеволоконной тканью
Все это пока имеет мало общего с углебетоном. Но именно особые свойства углеродного волокна и натолкнули немецких ученых на мысль о создании нового материала.
Что такое углебетон
Итак, ученые из дрезденского Института монолитного строительства, решили заменить металлическую арматуру в бетоне углеродистым волокном. Вернее, текстильным материалом, полученным из него путем переплетения с получением особой решетчатой структуры.
В результате они получили материал, буквально по всем параметрам превосходящий все известные сегодня виды бетонов. С намного большей прочностью, и меньшей удельной массой.
Внешне материал мало отличается от традиционного бетона 
Структура углебетона 
Строительный блок из углебетона
Несмотря на кажущуюся простоту изобретения, ученые-химики работали над ним несколько десятилетий, добиваясь, чтобы углеволоконный текстиль надежно сцеплялся с бетонной смесью. Для этого его обрабатывают специальным покрытием, состав которого пока держится в тайне изготовителем.
Технологии изготовления изделий из углебетона
На данный момент разработано два способа производства углебетонных изделий:
- Набор слоев. Технология заключается в послойной укладке текстильного полотна на бетон с последующей заливкой. То есть, на слой смеси укладывается текстиль, заливается тонким слоем бетона, и так поочередно до получения требуемой толщины.
- Заливка в опалубку. Традиционный способ, при котором в опалубке или форме сначала фиксируется углеволоконная арматура, затем заливается бетонная смесь.
Преимущества материала
При сравнении с железобетоном, углебетон выдает следующие преимущества:
- Он намного легче, что облегчает и ускоряет строительство;
- Углебетон прочнее в несколько раз;
- Он не трескается, а находящаяся внутри арматура не ржавеет, в то время как железобетон со временем начинает разрушаться именно по этой причине.
Разрушение железобетонной конструкции
- Как следствие двух последних пунктов, углебетон гораздо долговечнее и надежнее аналогов с металлическим армированием.
Единственный минус материала – это его высокая стоимость. Однако если учесть, что конструкции из него получаются исключительно прочными, не требующими в течение многих лет ремонта и реконструкции, то этот минус компенсируется долговечностью эксплуатации.
Возможные сферы применения
К настоящему времени, разработчики уже нашли применение для этого уникального материала. В частности, они использовали его для реконструкции старых зданий исторической ценности в двух городах Германии. Без их помощи эти здания пришлось бы снести.
Одна из сфер применения – реконструкция изношенных конструкций
В будущем же планируется использовать углебетон в новом строительстве. Уже проведен эксперимент по возведению четырехметрового павильона из сложных элементов толщиной 4 сантиметра. Из железобетона такое здание построить невозможно, да и нужной прочностью оно отличаться не будет.
Ученые даже сегодня получают запросы из разных стран мира, в которых множество железобетонных строений нуждаются в срочной реконструкции. Они в свою очередь надеются, что уже через десять лет соотношение углебетона и железобетона, используемого в строительстве, составит 1:4.
Углеволокно, или Как усилить и вернуть прочность фундаментам, балкам, опорам и перекрытиям?
Бывают ситуации, когда строительным конструкциям требуется усиление. Что делать? Сооружать дополнительные укрепляющие конструкции. Впрочем, есть материал, позволяющий одеть их в надежный поддерживающий «корсет», для создания которого даже не понадобятся масштабные строительные мероприятия
Речь идет о таком материале, как углеволокно (УВ), выпускаемое в виде тканого и нетканого полотна, непрерывных нитей, жгутов, ламелей, сеток, фибры и даже дисперсного порошка.
В основе всех этих продуктов лежат тончайшие химические или органические волокна, в которых после поэтапной термической обработки (окисление, карбонизация, графитизация) остаются практически одни только атомы углерода (до 99%).
В качестве исходного сырья может применяться вискоза, полиакрилонитрил, лигнин, фенольные и нефтяные смолы и пр.
Свойства УВ — малый удельный вес, химическая инертность, высокая стойкость к температурным воздействиям, а также почти нулевое линейное расширение — позволяют изготавливать из него композиты, ставшие незаменимыми в авиа- и ракетостроении, при производстве электро- и радиотехники, деталей автомобилей, плавильного и теплопроводящего оборудования, энергетических установок и многого другого. Фильтрующая и сорбционная способность углеволокна нашла ему место в сфере медицины и фармакологии.
Не осталась в стороне и строительная отрасль, где ленты, ламели и сетки из углеткани служат в системах внешнего армирования для усиления элементов зданий и сооружений (путепроводов, мостов, тоннелей и пр.).
С их помощью строениям, разрушающимся от износа и агрессивных влияний, из-за неравномерной осадки или подвижек грунта, можно не просто вернуть прочность, но и увеличить их несущую способность, причем без вмешательства в конструктив.
Это позволяет использовать углеволокно для укрепления объектов, эксплуатируемых в сейсмоопасных регионах; при повышении этажности домов, а также при перепланировках, затрагивающих силовые элементы постройки.
Армированию углеволокном подлежат элементы зданий и сооружений из железобетона, кирпича и камня, дерева, металла (для предотвращения коррозии в данном случае используют прослойку из стекловолокна)
Преимущества армирования углеволокном
Несущие конструкции, которые можно усилить углеволокном
Весьма значимым плюсом применения углеволокна является возможность выполнения работ без перерыва в эксплуатации объекта: по сравнению с другими технологиями армирования, процесс (без учета подготовки поверхности) занимает минимум времени — счет идет не на дни, а на часы. Никакая тяжелая техника или спецоборудование при этом не требуется. Материал гибкий, легкий, режется обычными ножницами по металлу (ткань) или отрезным диском (ламели). К основанию его фиксируют с помощью специального адгезивного состава. Пропитанное полимерным вяжущим углеволокно после отверждения образует армирующий «корсет» исключительной прочности (в несколько раз превосходящей конструкционную сталь) и упругости, устойчивый к коррозии, влаге, высоким температурам и радиации. Он обладает способностью гасить вибрации и звуковые волны, не подвержен деформациям и растрескиванию. Максимум вреда, который можно причинить ему тяжелым точечным ударом — это вмятина. В результате такого упрочнения с наиболее нагруженных участков конструкции снимается напряжение, а сама она не испытывает при этом дополнительного давления. Срок службы усилительного бандажа составляет 75–80 лет, а значит, на столько же продлевается жизнь несущего элемента или ответственного узла сооружения.
Углеволокном можно армировать стены и фасадные системы; фундаменты и перекрытия (плиты пустотные, монолитные, ребристые); фермы, ригели и диафрагмы жесткости; балки, колонны и столбы вместе с приопорными зонами; стропильные конструкции, дымовые трубы, лестничные марши. Притом материал допускает укладку на поверхности любой сложности — в арочные проемы, в углы и пр.
Толщина углеродного полотна не превышает 5 мм, так что при усилении конструкций с внутренней стороны здания не изменяется ни геометрия, ни полезный объем помещений. Применение УВ позволяет обойтись без громоздких подпорок и расширения несущих оснований
Выпускаются материалы в упакованных рулонах: ленты — длиной 50 и 100 пог./м, ламели — 6, 25, 50 и 100 пог./м, сетки — 50 пог./м. Ширина изделий — 100–1200, 50–800 и 1000–1200 мм соответственно. Средний вес рулонов — 6–15 кг.
Плотность углеткани варьируется в пределах 200–600 г/м², прочность на растяжение — не менее 4900 МПа, удлинение волокна на разрыв —1,8—2,1%. Модуль упругости ламелей составляет от 160 до 300 ГПа.
Разрывная прочность сеток в продольном и поперечном направлениях — 2300 МПа.
В зависимости от структуры плетения, характеристик и параметров материала цена на продукты колеблется примерно от 40 до 800 тыс. руб. за рулон и более. В пересчете по плотности ламели обходятся дешевле, чем ленты.
Это объясняется меньшим содержанием в них углеволокна (65–70% от общей массы композита) и упрощенной, по сравнению с плетением, технологией изготовления методом непрерывной пултрузии (протяжки углеродных нитей через формообразующую головку с последующей полимеризацией).
В любом случае, если сопоставить затраты на усиление конструкций любыми другими способами либо и вовсе на снос и возведение новой постройки, стоимость углеволокна окажется более чем оправданной.
Производят материалы как зарубежные (США, Великобритания, Япония, Швейцария, Италия, Греция и др.), так и отечественные предприятия.
Перед монтажом углеволокно, не распаковывая, необходимо выдержать в течение минимум двух суток при температуре 20—30⁰С в условиях влажности воздуха от 40 до 80% (это поможет избежать выпадения конденсата на полотне). Складируют рулоны в горизонтальном положении
Особенности монтажа
Усиление углеродными летами приопорной зоны
Армирование углеволокном выполняют согласно проекту, подготовленному на основе результатов профессиональной строительной экспертизы и в соответствии с СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования». Инженерный расчет, а также сами работы должны проводить только квалифицированные специалисты.
Размеченные для усиления участки ж/б конструкции следует зачистить и ошлифовать так, чтобы проступили крупные фракции бетонного наполнителя. Мелкие трещины (до 6 мм) расшивают и замазывают раствором, крупные устраняют методом инъекций.
Поверхности из других материалов также должны быть очищены от старых покрытий и слабосвязанных частиц, отремонтированы и обезжирены. Обязательное условие — достаточная шероховатость основания. Подготовленные конструкции тщательнейшим образом обеспыливают, в противном случае надежного сцепления с армирующим элементом не произойдет.
По той же причине раскатывать рулоны, резать углеродное полотно и пропитывать его адгезивом нужно на чистой полиэтиленовой подстилке.
Физическую готовность конструкции к упрочнению углеволокном — качество обработки поверхности, ее соответствие допустимому уровню температуры и влажности — может оценивать только специалист
В качестве адгезива применяют двухкомпонентные эпоксидные клеи. Есть составы, которые надо дозировать и вымешивать по инструкции самостоятельно, а можно использовать готовые смеси — они продаются в двух ведрах (в одном основа, в другом отвердитель в нужных пропорциях), содержимое которых остается просто соединить. Рабочее время клеевой массы — всего 30–40 минут.
Прикатывание валиком углеволокна
Монтаж ленты. Очерченный участок поверхности промазывают адгезивом, прикатывают к нему валиком отрезок углеволоконной ткани и затем равномерно пропитывают ее саму (состав как бы втирают, вдавливают в нее шпателем).
Такой способ монтажа называется «сухим». «Мокрая» технология подразумевает прикатывание к основанию уже предварительно пропитанной ленты.
Полосы важно накладывать аккуратно, без сильного натяжения и не допуская образования складок и отслоений.
Пока клей не полимеризовался, на зону армирования наносят слой крупнозернистого песка, иначе она получится такой гладкой, что там не будет держаться отделочный слой.
Обратите внимание: эпоксидные компаунды горючи и чувствительны к ультрафиолету, а значит, усиленная углеродными лентами несущая конструкция должна иметь покрытие, обеспечивающее ей защиту от возгорания (по классу огнестойкости согласно СНиП) и от УФ-излучения. К слову, само углеволокно относится к материалам группы НГ (ленты, сетки) и Г1 (ламели).
Монтаж ламели. Рабочую сторону пластины обезжиривают растворителем, наносят на нее слой адгезива толщиной 1,5–2 мм и укладывают на промазанную клеем поверхность. Для плотного прилегания к основанию, а также чтобы выдавить излишки смеси, по ламели проходятся валиком или шпателем (допустимая высота «волны» — не более 5 мм на 2 м длины).
Монтаж сетки. Углеволокно в виде сеток предназначено для усиления конструкций из кирпича и бетона и фиксируется на полимерцементную смесь, затворяемую водой.
Предварительно поверхность увлажняют, затем кладут раствор и вжимают, утапливают в него сетку. Как только состав начнет схватываться, наносят покрывающий слой полимерцемента толщиной не менее 3 мм.
К сведению: выпускаются специальные углеволоконные сетки, которыми можно упрочнять покрытия дрог, откосы насыпей, склоны.
Использование углеродного волокна в строительстве
Егоров, Д. С. Использование углеродного волокна в строительстве / Д. С. Егоров, В. П. Хлопков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 47 (337). — С. 37-40. — URL: https://moluch.ru/archive/337/75301/ (дата обращения: 18.04.2022).
В данной статье авторы рассматривают способы использования углеродного волокна в строительной сфере. В работе выявлены исторические аспекты создания карбона, исследованы его характеристики, методы и способы применения.
Ключевые слова: углеродное волокно, строительство, карбон, углерод.
Современная строительная индустрия активно развивается, в основном, за счет внедрения новых материалов и использования инновационных технологий.
Весьма актуальными являются проблемы, связанные со строительством конструкций, устойчивых к динамическим нагрузкам и агрессивным условиям окружающей среды.
Для укрепления бетонных конструкций все чаще используют углеродные волокна, которые ранее широко применялись только в авиации и ракетостроении.
Сегодня углерод в той или иной форме востребован практически во всех отраслях промышленности. Его особенностью и, одновременно, важным преимуществом является то, что он может дополнять или даже заменять традиционные строительные материалы, такие как дерево, металл, стекло, бетон и др.
В целом, это несет существенную выгоду как людям, так и природе. Углерод был обнаружен в 1880 году Т. Эдисоном при проведении опытов с нитью накаливания. Благодаря иностранным производителям и промышленникам углеродное волокно активно применяется в различных отраслях промышленности, в том числе в строительстве.
В нашей стране многие проекты в области углеродного волокна были разработаны в советское время и сегодня активно возрождаются инженерами. Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой.
Оно формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку. За счёт физических особенностей атома углерода кристаллы в сетке располагаются параллельно относительно друг друга.
Такое выравнивание является ключевым фактором, который способствует повышенной прочности волокна на растяжение [5, с. 259]. Пример структурной модели углеродного волокна представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схематическое изображение структурной модели углеродного волокна: 1 — пустоты, 2 — границы структурных поворотов, 3 — межкристаллическая граница
Использование углеродных волокон в аэрокосмической и оборонной промышленностях, а также в сфере строительства обосновывается тем, что материал из углеродных волокон по твердости значительно превосходит металл.
Яркий пример использования углеродных волокон в строительстве — это применение их в Калифорнии в 1980 году для усиления зданий в сейсмически активной зоне.
В отечественном строительстве материал, как правило, используется в ремонтных работах, но его популярность и масштаб постепенно растут.
Углеродные волокна обладают относительно долгим сроком службы, это явление основано на их свойствах, которые включают в себя высокую устойчивость к процессам коррозии и отличную адгезию к поверхностям с различными структурами, а также легкость и прочность.
Благодаря тому, что углеродное волокно обладает довольно малой массой, оно используется в системах армирования, что, в свою очередь, существенно снижает нагрузку на фундамент здания. Поверхность углеродного волокна является глянцевой, что позволяет исключить возможность реакции с водой.
К преимуществам также относится высокая огнестойкость, ударопрочность и возможность наносить материал в несколько слоев. Проведение ремонтных работ любого типа, где возможно применение углеродного волокна, может осуществляться без прекращения эксплуатации самого здания.
Материал является полностью токсически безопасным и экологически чистым, что, безусловно, является важными преимуществами с точки зрения безопасности человека и окружающей среды.
Углеволокно может использоваться при армировании конструкций практически любых конфигураций, таких как ребристые поверхности, угловые и закругленные элементы, балочные сегменты рамных конструкций и др. Составляющей углеродного волокна является полиакрилнитрит, который предварительно обрабатывается высокой температурой (в пределах 3000° — 5000°С) [7, с. 98]. На рис. 2. Представлены варианты усиления конструкций композитными материалами в строительстве.
Рис. 2. Усиление конструкции композитными материалами
Вышеприведенные характеристики и параметры материала, во многом, обуславливают внешнее армирование как наиболее распространенное применение углеродных волокон в строительстве.
В этом случае волокно пропитывают двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая действует как связующая. Установка материала похожа на процесс поклейки обоев — материал просто приклеивается к поверхности конструкции, которая усиливается [2].
Использование именно эпоксидной смолы, в качестве связующего вещества, обусловлено следующими особенностями материала:
− такая смола имеет высокие адгезивные свойства по отношению к бетонным поверхностям.
− компоненты углеволокна и смолы вступают между собой в химическую реакцию, в результате которой углеводород приобретает жёсткость пластика и становится прочнее стали в 7 раз.
Благодаря всем вышеперечисленным свойствам и параметрам, углеродное волокно уверенно занимает лидирующую позицию среди композитных материалов.
Прочность материала на растяжение в четыре раза выше, чем у стали высшего качества, при этом удельный вес весьма невелик: углеволокно на 75 % легче железа и на 30 % легче алюминия.
Незначительное расширение материала при нагревании позволяет использовать углеродные волокна в самых различных и агрессивных климатических условиях.
Несмотря на все преимущества, углеволокно, разумеется, имеет и недостатки, которые необходимо учитывать при проведении строительных работ. Список недостатков карбона короткий, но эти недостатки обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Как правило, выделяют три основных недостатка:
− углеродное волокно является хорошим отражателем электрических волн;
− материал имеет, сравнительно, высокую стоимость;
− изготовление композита более трудоёмкое, чем производство металла [3, с. 73].
Использование углерода позволяет успешно укреплять конструкции из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, структура, армированная таким материалом, становится прочнее на 120 % за счет сжатия и дополнительно приобретает прочность на изгиб на 65 %.
В дополнение углеродное волокно можно применять для восстановления каменных конструкций, таких как, например, балки и опоры для бетонных мостов.
Также, в частном строительстве, укрепление фундамента или стен с помощью углерода обеспечивает здание большим запасом прочности.
- Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в следующих случаях:
- − конструкция была повреждена, в результате чего её несущая способность снизилась и стали появляться трещины;
- − изменились условия эксплуатации помещения, возросли нагрузки на него;
- − постройка здания планируется в сейсмически активной зоне;
− для устранения разрушений бетона и коррозийных процессов в арматуре, если постройка долгое время подвергалась агрессивному воздействию внешней среды [1, с. 116].
Если углеродное волокно было выбрано в качестве одного из компонентов внешней системы армирования на этапе проектирования строительства, в работу следует включить Свод правил 164.1325800.2014.
Производя армирование самостоятельно, нужно учитывать, что наклеивание карбона осуществляется в зонах наибольшей нагрузки: как правило, это центральная часть пролета, которая соприкасается с нижней гранью. Для работы с изгибами можно выбрать любой тип материала — лента, сетка или планки [4, с. 65].
В процессе армирования балок может возникнуть необходимость в дальнейшем усилении приопорных зон, которые увеличивают несущую способность всей конструкции при поперечных нагрузках, для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.
Углеродное волокно в строительстве можно использовать для армирования зданий и сооружений из следующих материалов:
− камень. К ним относятся мачты, пилоны, кирпичные дома. Углеродное волокно применимо здесь как в процессе постройки, так и при проведении ремонтных работ;
− железобетон. Здесь углеродное волокно можно использовать для строительства гидротехнических сооружений, мостов и др;
− металл. Такие структуры имеют модуль прочности и упругости вблизи углеродного волокна, но их усиление все еще необходимо, особенно в областях с неустойчивыми грунтами.
Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд условий, таких как отсутствие естественной влаги, надежное сцепление с поверхностью здания и использование материалов, обладающих высоким качеством для обеспечения максимальной эффективности.
Несмотря на растущую популярность использования углеродных волокон, технология их применения остается довольно сложной и трудоемкой.
На сегодня углеродное волокно — это довольно дорогой материал, требующий определенных навыков его монтажа и наличия специального оборудования.
Можно предположить, что дальнейшее развитие в сфере строительства коснется и ответвления углеродных волокон, что, в свою очередь, позволит совершить технолого-экономический скачок и сделает применение углеволокна в строительстве более легким и дешевым.
Литература:
- Алимов Л. А. Строительные материалы: Учебник / Л. А. Алимов. — М.: Academia, 2018. — 317 c.
- Барабанщиков Ю. Г. Строительные материалы и изделия: Учебник / Ю. Г. Барабанщиков. — М.: Academia, 2019. — 368 c.
- Барабанщиков Ю. Г. Строительные материалы и изделия: Учебник / Ю. Г. Барабанщиков. — М.: Academia, 2015. — 64 c.
- Волков Г. М. Машиностроительные материалы нового поколения: Учебное пособие / Г. М. Волков. — М.: Инфра-М, 2015. — 320 c.
- Ганиева Т. Ф. Современные дорожно-строительные материалы: Учебное пособие / Т. Ф. Ганиева. — СПб.: Проспект Науки, 2015. — 144 c.
- Лукаш А. А. Новые строительные материалы и изделия из древесины: Монография / А. А. Лукаш, Н. П. Лукутцова. — М.: АСВ, 2015. — 288 c.
Основные термины (генерируются автоматически): углеродное волокно, материал, волокно, строительство, активная зона, несущая способность, окружающая среда, структурная модель, сфера строительства, эпоксидная смола.
Углеволокно – передовой материал для усиления строительных конструкций
В сфере строительства постоянно ведутся поиски материалов, которые повышают устойчивость зданий и сооружений к динамическим нагрузкам и агрессивному воздействию внешней среды. Последняя передовая методика — усиление конструкций углеволокном (карбоновым волокном).
Это вещество, позаимствованное из самолёто- и ракетостроения, выигрывает у традиционных строительно-ремонтных материалов по многим параметрам. Например, по прочности на разрыв холсты и ламели из углеволокна превосходят сталь лучших марок в 7 раз.
При этом плотность углеволокна меньше железа и алюминия на 75% и 30% соответственно, то есть армирование углеволокном минимально нагружает конструкции.
Инновационная технология подходит для бетонных, железобетонных, металлических, каменных, кирпичных и деревянных конструкций. Универсальность обеспечивает специальный эпоксидный клей для углеволокна. С его помощью холсты и ламели надёжно монтируются на практически любую поверхность.
Что такое углеволокно
Материал представляет собой тонкие нити диаметром до 15 мкм. Основа нитей — атомы углерода (карбон), объединённые в микроскопические кристаллы. За счет особого строения атомов кристаллы в решётке имеют параллельное расположение, отсюда высочайшая прочность углеволокна на растяжение.
Производят карбон из природных и химических полимеров. Материалы и методы разные, но суть одна: удалить из волокон все вещества, кроме углерода.
Например, при температурной обработке сырье окисляется при 250 °C, затем помещается в инертную среду и последовательно нагревается до 1500 °C для карбонизации, до 3000 °C для графитизации (на этом этапе объем углерода доводится почти до 100 %).
Впоследствии волокна идут на изготовление разных продуктов. Например, для строительных нужд выпускаются тканые холсты и ламели (ламинаты).
Чтобы получить качественные волокна, приходится задействовать большие мощности и строго соблюдать технологию производства. Отсюда относительно высокая стоимость материала. Но если рассматривать соотношение цены и качества, то преимущества компенсируют затраты.
Основные характеристики углеволокна:
- высокая прочность — до 7 раз выше, чем у высокомарочных сталей;
- малый вес — в 4 раза легче стали и в 3 раза легче алюминия;
- универсальность — усиление углеволокном подходит для любых конструкций;
- экологичность — чистый углерод безвреден для человека и окружающей среды.
Дополнительно материал обладает высокой коррозионной стойкостью.
Углеволокно в строительстве
У карбона много полезных свойств для строительной сферы. Помимо высоких эксплуатационных характеристик, материал ценится за простой и быстрый монтаж. Для армирования поверхностей сверхлёгкими холстами и ламелями не нужно использовать грузоподъёмное и сварочное оборудование.
Технология усиления конструкций углеволокном простая. Холсты пропитываются эпоксидным составом и наклеиваются на усиливаемую конструкцию, как обои. Ламели приклеиваются на подготовленную поверхность или вклеиваются в предварительно подготовленные штробы.
Прочные карбоновые каркасы особенно актуальны на приопорных участках, в местах изгибов и зонах растяжения конструкций. Удобно, что материалы гибкие и тонкие: можно производить усиление конструкций сложной конфигурации, сохранять объёмно-планировочные решения.
Углеткани удовлетворяют запросы профессионального строительства. Например, ламели Sika® CarboDur® — углеволокно для усиления конструкций любой сложности и масштаба.
С их помощью можно увеличивать несущую способность перекрытий, балок и колонн, менять функциональное назначение зданий, ремонтировать разрушения от аварий и стихийных бедствий, устраивать проёмы в стенах, исправлять ошибки проектирования и строительства.
Усиление углеволокном бетонных конструкций используется при реставрации. Для некоторых объектов — памятников архитектуры, гидротехнических сооружений, эксплуатируемых мостов. Лёгкий, быстрый монтаж карбоновых лент и холстов сводит к минимуму простои и обеспечивает надёжную эксплуатацию сооружений в дальнейшем.
Усиление строительных конструкций углеволокном применяется на уже построенных объектах. В будущем на рынок выйдут материалы для возведения зданий с нуля. В качестве эксперимента уже построен прочный 4-метровый павильон из углебетонных элементов толщиной всего 4 см. Из сопоставимых ж/б плит такой объект построить невозможно, так что преимущества материала очевидны, а перспективы огромны.
Выбирая усиление углеволокном (плит перекрытия, балок, колонн), следует учитывать, что технология относительно новая.
При устройстве систем усиления внешнего армирования важно использовать только качественные материалы, привлекать к проектированию и монтажу специалистов с опытом в этой сфере.
Обращайтесь в Sika: у нас можно заказать подбор фирменных холстов, ламелей и клеев, а также профессиональную техническую поддержку.
Придет ли углепластик на массовую стройку
Прошел год с момента подписания Дмитрием Медведевым правительственного распоряжения № 1307-р от 24 июля 2013 года об утверждении плана мероприятий «Развитие отрасли производства композитных материалов».
Тогда же министр регионального развития Игорь Слюняев приказом № 306 в соответствии с поручением Президента от 12 ноября 2012 года утвердил отраслевую программу внедрения композиционных материалов, конструкций и изделий из них в строительном комплексе России.
Что делается и что еще предстоит сделать в этом плане?
Что это такое
Сам факт того, что слово «композит» сегодня звучит на самом высоком уровне, является показателем обеспокоенности руководства страны состоянием этого сегмента стройиндустрии.
Ведь уровень применения современных композиционных материалов в производстве — один из критериев, по которому оценивается степень развития страны в целом.
А нынешние меры, предпринимаемые Западом для изоляции России, еще сильнее выявляют проблемы нашей зависимости от импорта, в том числе от составляющих для изготовления композиционных материалов.
Под термином «композит» сегодня понимают современный материал, состоящий из полимерной (керамической, металлической, углеродной или другой) основы, армированной наполнителями. В качестве последних также используют разные материалы, из которых наиболее широко распространены стекло-, базальто- и углеволокно, а также сплетенные из них холсты.
А что же карбон, он же углепластик? Это продукт высоких технологий — композиционный материал, где наполнителем служит углеродное волокно или ткань, а связующим (матрицей) является полимер (например, эпоксидная смола), который затвердевает при определенных условиях. У разных полимеров — разные условия отверждения: повышение температуры, наличие катализаторов, специальных отвердителей и пр.
Волокна в углепластике — ?5-10 мкм и состоят из цепочек атомов углерода, выстроенных в кристаллическую решетку. Жгуты из таких волокон имеют очень высокое сопротивление на растяжение.
Так, прочность на разрыв у углеволокна в четыре раза выше, чем у лучших марок стали. При этом его плотность вчетверо меньше. Опыт показывает, что порвать тонкий стержень из углепластика ?5 мм можно только при нагрузке 2,5 тонны.
Для сравнения: образец из чугуна таких же размеров рвется уже при 150 кг.
В поперечном направлении волокна углерода имеют существенно меньшую прочность, поэтому чтобы реализовать прочностные характеристики волокон в изделии, нужно располагать их в матрице, ориентируя в нужных направлениях. Фактически затвердевший массив матрицы и компенсирует недостаток прочности волокон в их поперечном направлении.
Как его получают Процесс получения углеволокна весьма энергоемок. Графитовые нити получают в несколько этапов при нагреве вискозных или полиакрилонитрильных (ПАН) волокон в разных средах. Органические нити доводятся до стадии обугливания, в результате чего и появляется материал из чистого углерода.
Поэтому конечный продукт выходит весьма дорогим.
Точно так же существуют и разные технологии получения углепластиков, которые отличаются формой, размерами и свойствами изделий — весом, прочностью, огнестойкостью и пр. Это могут быть ленты и полотна из углеволокна, которые пропитывают на объекте эпоксидной смолой.
Готовые профили для конструкций мостов или прутки арматуры, в которых нити наполнителя «замоноличены» затвердевшим полимером.
Изготавливают и так называемые препреги — полотна углеволокна, заранее пропитанные смолами, из которых в заводских условиях при высоких температуре и давлении формуют готовые детали.
Кстати, именно такие изделия востребованы в авиа- и ракетостроении, поскольку только указанные технологии позволяют получить легкие, исключительно прочные и термостойкие детали конструкций. Поэтому-то разработчикам и удается создавать более совершенные модели самолетов и космических кораблей.
Но вернемся на землю. Посмотрим, насколько востребованы композиты, и карбон в том числе, в строительстве.
Армирование бетона
Использование арматуры нового типа для бетонных конструкций — одно из очевидных применений композитов в строительстве. Композитная арматура — это стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, пропитанных полимерным связующим и отвержденных. Тип использованного волокна определяет и характер полученной арматуры.
Довольно распространены изделия с наполнителем из стекловолокна — стеклопластиковая арматура (АСП), из базальтовых волокон — базальтопластиковая (АБП), из углеродных волокон — углепластиковая. Для сцепления с бетоном на поверхности композитной арматуры в процессе производства формируются специальные ребра или наносится покрытие из песка.
Стальная арматура в железобетоне подвержена коррозии, а вот композитный материал в этом плане выгодно отличается от нее благодаря высокой коррозионной стойкости, особенно у базальтопластика.
Однако и у базальтопластиковой, и у стеклопластиковой арматуры есть свои недостатки: низкий модуль упругости (примерно в 3-4 раза ниже, чем у стальной) и заметная потеря прочности при нагреве.
Поэтому подобную композитную арматуру чаще используют в качестве гибких связей для трехслойных стен из кирпича и других штучных материалов или для соединения несущих железобетонных стен с кирпичной облицовкой и пр. с целью снижения теплопередачи ограждений.
В этом плане углепластиковая арматура имеет лучшие характеристики, чем стекло- и базальтопластика.
Это абсолютная коррозионная стойкость (инертность ко всем агрессивным средам), высокая прочность, долговечность (ожидаемый срок службы — 75 лет), низкий вес.
Использование углепластиковой арматуры позволяет изготавливать более длинные силовые секций в сборных конструкциях. Но и стоимость такого композита в разы больше, что, в общем-то, и ограничивает его применение.
Усиление конструкций
Одно из важных направлений использования углепластика — когда на поверхности балки, стойки и пр. с помощью специального клея фиксируют сверхпрочную углеткань.
При этом обеспечивается повышение прочности элементов в растянутых зонах и приопорных участках в зоне действия поперечных сил, а также сжатых элементов.
Так, в 2003 году углеродные ленты использовали для усиления балок пролетов автодорожного моста на 104-м км трассы Москва-Нижний Новгород.
Усиливать можно стальные, деревянные и даже каменные конструкции — столбы, пилоны, простенки.
Также это могут быть кирпичные или бетонные стены, поврежденные после просадки фундамента, или ограждения с проемами (окнами, дверями, технологическими отверстиями).
Натурные испытания кирпичных столбов, проведенные в лаборатории каменных конструкций ЦНИИСК в 2004 году, например, показали полутора-двукратное увеличение несущей способности кирпичных столбов, усиленных бандажами из углехолста.
Готовые изделия из композита
В строительстве полимерные композиты — это материалы для изготовления градирен, емкостей для транспортировки и хранения химически активных веществ, трубопроводы разного назначения, элементы конструкций мостов, ограждения на автодорогах, плавательные бассейны, передвижные домики, выставочные павильоны и многое другое.
Как видим, композиты имеют весьма широкую область применения, но если сравнивать Россию с промышленно развитыми странами, наши успехи пока скромны. Если до конца 80-х прошлого века в сфере разработки композитов мы шли с Западом нога в ногу, то после развала СССР наше развитие в этой области приостановилось.
Между тем потребность в композитных материалах не уменьшается, а только возрастает. Но из-за крайне медленного развития собственного производства мы все больше и больше становимся зависимыми от импорта.
Чтобы как-то уйти от этой зависимости, необходимо решить ряд проблем технического и организационного характера, требующих не только огромных средств, но и времени.
Прежде всего, необходимо создать условия для роста серийного производства углеродных композитов. Сегодня холдинговая компания «Композит» является единственным игроком, оказывающим влияние на развитие российского рынка углеродного волокна.
А отсутствие конкуренции на рынке углеродного волокна не способствует ни снижению цены на него, ни росту объемов производства. Привлечь инвесторов в достаточно новую, наукоемкую сферу без быстрого возврата вложенных средств очень сложно — для этого нужны весомые рычаги.
Можем ли мы своими силами изготовить необходимое оборудование или придется закупать дорогостоящие станки за рубежом? Это к вопросу об импортозамещении. Четкого ответа на этот вопрос пока нет.
Для производства новых композитов, их применения и эксплуатации изделий из них нужны квалифицированные специалисты. Их подготовка — часть большой комплексной работы. И пока мы с этим тянем, в правительстве обсуждается вопрос о том, что надо привлекать мигрантов, уже обученных у себя на родине.
На бумаге все гладко…
Существенно тормозит внедрение углеродных композитов затягивание процесса принятия нормативной документации, регламентирующей применение новых материалов, особенно в строительстве. Например, отсутствие СНиПов в области применения углеродных композитов ставит практически непроходимый барьер для проектов в Госстройэкспертизе.
Конечно, сам факт создания плана мероприятий «Развитие отрасли производства композитных материалов» намечает пути решения этих проблем, но при этом данной «дорожной картой» …не устанавливается направление бюджетных ассигнований на реализацию предусмотренных документом мероприятий».
Время покажет, как чиновники отрапортуют о решении поставленных задач. Не исключено, что это будет большой «бумажный» успех.
Подготовил Владислав ТИХОМИРОВ
Фото infuture.ru, mvtb.ru, nowing.ru, nanonewsnet.ru, avito.st
Загрузка...
