Применение углеволокна в строительстве. Придет ли углепластик на массовую стройку

Стало почти аксиомой, что сезон строительства индивидуальных жилых домов начинается ранней весной и заканчивается поздней осенью. В среднем производственный цикл возведения фундамента и коробки кирпичного дома составляет от двух до пяти месяцев. В России существуют районы, где период плюсовой температуры едва укладывается в три месяца. Возникает вопрос: как там ведут каменные работы? К счастью, в строительной индустрии существуют системы зимнего обогрева растворов и смесей, различные химические добавки к ним, значительно понижающие барьер замерзания.

Зимой строительство не прекращают и в Центральной части России, где температура воздуха иногда опускается до –35 С.

Самая серьезная проблема зимней кладки заключается в сложности технологического процесса. Любое отклонение от правил может привести к разрушению готовых конструкций. Вода в растворе при замерзании увеличивается в объеме примерно на 6–10%. Лед в кладке тает неравномерно, вследствие чего кладка дает разную усадку, отклонение от вертикали, образование трещин. При несоблюдении технологии работ прочность зимней кладки составляет всего 40%.

Усиление конструкции углеволокном

Углеволокно выполняет огромную роль при проведении строительных работ в зимнее время. Процедура значительно увеличивает прочность и сейсмостойкость конструкций, что особенно важно там, где грунт является слабым, что может привести к деформации фундамента строения.

Углеволокно – прочный и легкий, по сравнению с арматурой, материал. Оно выдерживает большую нагрузку, до 70 тонн на квадратный мм и способно противостоять любой непогоде. В случае повреждения (углеволокно легко режется) материал не расползается дальше.

Различают два основных типа усиления конструкции углеволокном:

— поперечное (кроме углеводородных волокон используется металлическая сетка или специальные стержни из металла);
— продольное (бывает внешним или внутренним).

По функциональному назначению выделяют три углеволокна:

— рабочий (воспринимает любые усилия, появляющиеся под действием нагрузок)
— распределительный (сохраняет цельность конструкции, придает прочность каркасу)
— монтажный (создает транспортабельный каркас).

Если весной вы обнаружили, что дом дал трещину, чтобы предотвратить дальнейшее растрескивание постройки, его можно усилить углеволокном. Разрушенные перемычки очищаются, обеспыливаются, по необходимости трещины шпаклюются. Замешивается эпоксидный клей, отрезается ткань из углеродных волокон нужного размера. Эпоксидный состав наносится на поверхность. Ткань аккуратно наклеивается. Специальным валиком пропитываем ткань клеем. Завершающий этап – нанесение шпаклевочного состава из клея.

О составе пленки

Материал имеет многослойную структуру. Состоит, как правило, из трех слоев, а те, в свою очередь из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм. Два внешних слоя – светостабилизированная пленка угольного или черного цвета. Внутренний – армирующая сетка из углеродного волокна с размером ячеек от 0,2 мм до 2 см. Она придает материалу устойчивость к нагрузкам и растяжениям.

За счет стабилизаторов полимерный материал не разрушается под действием солнечных лучей и может прослужить до 50 лет. Пленка обладает теплостойкостью, морозостойкостью и может сохранять эксплуатационные свойства при температурах от + 80 до – 40 °С.

Выгоды

Теперь о деньгах. Есть, допустим, мост. Длина постройки – 15 метров, год постройки – 50. Разваливается. Есть два варианта: усилить металлическим профилем или углеродной тканью. Смета одного ремонта с помощью углеродной ткани будет меньше на 40%. Тут не нужно сложной техники, особых специалистов, углеродная ткань клеится как обои.

Двадцать первый век пестрит инновациями, и строительная сфера тому не исключение.

Один из новейших и набирающих популярность материалов - углеродное (карбоновое) волокно - занял достойное место, частично вытеснив стеклохолст и подобные ему армирующие материалы.

Углеродная ткань: характеристики и особенности

Говоря строго, углеродное волокно не является изобретением нашего столетия. Его уже давно используют в авиа- и ракетостроении, обывателю же этот материал знаком в виде углепластиковых удочек и кевлара. Пройдя долгий этап освоения и совершенствования технологии, индустрия, наконец, стала готова обеспечивать углеродной тканью другие отрасли, в том числе и строительную.

Главная особенность углеродных нитей - высокий показатель удельной прочности на растяжение по отношению к собственному весу. Изделия, армированные углепластиком, сохраняют наивысшее из известных сопротивление на разрыв, при этом по материалоёмкости и общему весу они гораздо выгоднее распространённой на сегодняшний день стали.

В исходном виде углеволокно представляет собой тонкую микрофибру, которая может быть сплетена в нити, из которых, в свою очередь, может быть выткан холст любых размеров. За счёт правильной ориентации молекул, их прочной связи и достигается столь высокая прочность. В остальном волокна просто выполняют функцию армирования при любом типе конструктивного наполнителя, от эпоксидных смол до бетона.

Одна из наиболее выраженных особенностей углеволокна - его высокая сорбирующая способность. Выгода от применения карбона для укрепления элементов внутренней отделки состоит в том, что углерод не позволяет естественным примесям, красителям или растворителям проникать в воздушную среду жилых помещений. В то же время сорбционные процессы протекают абсолютно безвредно для самого волокна.

Преимущества использования

В общем и целом для строительства интересны два свойства углеволокна. Первое - структурное разностороннее укрепление - используется для придания материалу повышенной твёрдости и прочности на сжатие. Армирование структуры выполняется фиброй толщиной 5–10 мкм при различной длине волокон. Имеет смысл структурно укреплять отделочные поверхности и несущую конструкцию зданий.

Вторая цель карбоновых волокон в строительной отрасли - закладное армирование - выполняется дополнительно переработанной первичной фиброй, принимающей вид холста, ровинга, нитей, канатов и укреплённых полимерными смолами стержней. В этом случае карбоновое волокно не укрепляет сам заполнитель в целом, но служит надёжной нервущейся основой для него.

Но в чём выгода карбоновых волокон, и почему их следует предпочесть менее экзотичным материалам? Начнём с того, что по физико-химическим свойствам ближайший конкурент углеволокна - фибра стеклянная, которая достаточно широко распространена в виде стеклохолста для внутренних штукатурных работ. Однако стекло имеет гораздо более низкое сопротивление разрыву и больший вес, в то время как углеродный полимер не только прочен, но и гораздо лучше сцепляется с окружающим его твёрдым материалом за счёт высокой собственной адгезии.

Облицовка и структура, укреплённые таким образом, отличаются также увеличенной прочностью на сдвиг и скручивание, что для стали, стекла и других синтетических материалов всегда было существенной проблемой.

Однако не обходится без сложностей. В частности, при внутренней отделке зданий ставится вопрос о пожарной безопасности углеволокна. В присутствии кислорода оно выгорает уже при температурах около 350–400 °С, однако будучи «законсервированным» в безвоздушной среде, карбон сохраняет свои свойства даже при нагреве выше 1700 °C. Более высокую жаростойкость гарантирует фибра и её производные, покрытые разного рода карбидами - это надо учитывать при выборе материала для отделочных работ.

Применение в отделочных работах

Широкий ряд материалов декоративной отделки требует основания, абсолютно не подверженного образованию трещин. Сюда относится акриловая покраска, полимерные покрытия для пола, венецианская штукатурка и другие тонкие и хрупкие составы.

Если для фальшстен из ГКЛ эта проблема не стоит особенно остро, то иные материалы за счёт более выраженного линейного расширения требуют особого подхода. Для примера возьмём укрепление и изоляцию стыков однослойной обшивки, выполненной из ОСП. Практически любая шпаклёвка или клей раскрошится прямо внутри шва за год-два.

Такие стыки следует заполнять прочным полимерным клеем, а затем накрывать прилегающие края на 25–30 мм лентой из тонких карбоновых нитей и снова покрыть слоем наполнителя, тщательно разгладив заделку шпателем.

Подобная обработка в большинстве случаев не требует последующего выравнивания поверхности. Обшивка принимает монолитную прочность, а возникающие структурные перенапряжения полностью компенсируются свойствами ОСП.

Подобный принцип может применяться и при финишном выравнивании оштукатуренных стен акриловой шпаклёвкой. В этом случае углеткань - бесспорный лидер в вопросах придания ударопрочности и стойкости к трещинообразованию. Монтаж выполняется по аналогии со стеклохолстом:

Сперва тонкая сплошная обмазка поверхности.
Затем укладка полотна и его разглаживание.
После чего можно сразу же приступать к финишному выравниванию.

Холст никак себя не проявляет на внешнем виде готовой поверхности ни до высыхания состава, ни после.

Использование углеродной фибры

Повышение прочности несущих элементов зданий, отлитых по месту или фабрично, возможно за счёт добавления углеволокна в жидкий состав наполнителя. Фибру из карбона уже сейчас можно приобрести в достаточно больших количествах, что позволит уменьшить толщину стен, колонн и прочих элементов бетонной конструкции, испытывающих вертикально-осевую нагрузку на сжатие. За счёт этого освобождается достаточно много пространства для структурной изоляции или утепления конструкций.

Особенно интересен этот материал будет для любителей свайно-ростверковых фундаментов, где работа карбоновой пряжи полностью наглядна. Столб, сохраняющий прочность на сжатие в 12–15 т с учётом всех рекомендуемых запасов надёжности, имеет толщину около 80 мм. Внутри него всего две нитки полимерной арматуры, а по двум другим сторонам уложены пряди углеродного ровинга.

Много ли требуется углеволокна для армирования бетона? Отнюдь, всего 0,05–0,12 % от массы готового ЖБИ. Концентрация может быть и выше, если речь идёт, например, о гидротехнических сооружениях или о бетонных фермах перекрытий.

Системы внешнего армирования

Структура, укреплённая карбоновым волокном, настолько прочна, что может применяться даже в качестве опоясывающего армирования для элементов сильно нагруженных конструкций. Начиная от высотного домостроения и заканчивая каркасными сборными конструкциями, внешний пояс армирования предоставляет небывалую устойчивость к эксплуатационным перегрузкам.

Суть в том, что сам сердечник элемента, содержащий закладную арматуру, отливается как обычно, но при минимальном защитном слое бетона по сторонам. После снятия опалубки изделие, будь то колонна или армирующий пояс, обматывается слоем углеродного полотна или толстой нитью, а затем заливается пескобетоном с содержанием фибры. Такой подход избавляет от нужды использовать тяжёлый гранитный бетон при полном наследовании его прочностных характеристик. Более того, даже минимальный слой укреплённого углеродом бетона существенно снижает корродирование закладной арматуры.

Частным случаем наружного армирования можно назвать оклеивание узлов соединений лоскутами или лентой из углеволокна, углеродной тканью с сопутствующей пропиткой эпоксидными смолами. Такое соединение демонстрирует втрое более высокую прочность, чем обычное, что неоценимо для стропильных систем и в особенности крепления ферм к мауэрлату.

В статье изложена информация об углеволокне, его особенностях, свойствах и характеристиках. Мы расскажем об истории его создания, а также озвучим познавательные факты. Вы узнаете, как применить углеволокно в быту и строительстве, а также, как своими силами отремонтировать пластик.

Изделия из тканей, волокон, шнуров и лент, выполненных из современных углеводородов, успешно конкурируют по всем эксплуатационным показателям с привычными нам изделиями из стали и бетона . При этом они имеют в десятки, а порой и в сотни раз меньшую толщину и вес. Как можно объяснить человеку с устоявшимися взглядами тот факт, что пропитанный отвердевшей смолой холст толщиной всего 3 мм прочнее по всем показателям, чем техническая фанера 15 мм? Только опытным и демонстративным путём.

Углеволокно — материал будущего, родом из прошлого

Материал был открыт Томасом Эдисоном в 1880 году в рамках исследований нити лампы накаливания. В последние 10 лет, с подачи зарубежных коллег в виде поставок дорогостоящих изделий из углеволокна, отечественные разработчики и производители занялись реанимацией углеводородных проектов, начатых в советский период, по всем направлениям.

Всем известно, что углерод востребован в любой форме, в каждой отрасли промышленности. Это производство буквально всего, что сделано не из металла, стекла, дерева или бетона. Но главным его преимуществом является то, что он способен не только дополнить традиционные материалы, но и заменить их с выгодой для человека и природы.

Видеорепортаж о российском производстве углеволокна

Углеволокно в строительстве

Этот современный материал начинает пользоваться спросом у ремонтников и строителей. Причины этого кроются в свойствах его компонентов:

Высокая прочность нитей, из которых создано полотно.
Исключительная адгезия полимерного связующего (эпоксидного клея).

Комбинация этих свойств даёт высокую эффективность при устройстве наружного армирования железобетонных, кирпичных и деревянных конструкций. Усиленный таким образом элемент получает дополнительно до 65% прочности на изгиб и до 120% прочности на сжатие. Это звучит маловероятно, но проведённые согласно ГОСТ, ТУ и СНиП испытания подтверждают это.

Испытания балок, армированных углеволокном, на видео

Усиленные углеволокном ж/б элементы — испытания на видео

Тому, кто собирается строить каменный дом или бассейн , делать капитальный ремонт, или реставрацию, стоит задуматься о карбоновом усилении. Существенное увеличение прочности позволяет уменьшить объём материала основы. То есть, холст держит огромные нагрузки, главное, было бы на что его наклеить.

Так, армирование композитом увеличивает прочность на сжатие почти вдвое с 280 кН до 520 кН (см. видео испытаний). Это значит, что объём опорного элемента — несущей стены, колонны, столба — можно смело уменьшать на 60-80%. Особое значение это имеет для отдалённых районов, куда затруднена доставка тяжёлого стройматериала.

Вторая основная область применения карбона в строительстве — реставрация несущих каменных элементов. Оклеечным армированием восстанавливают опоры и балки бетонных мостов. Это наиболее ответственные государственные объекты и их надёжность доверяют углеволокну. В частном строительстве нагрузки в десятки раз ниже, а значит, усиление фундамента или углов стен будет с огромным запасом прочности. Это прекрасная альтернатива традиционным способам — подливка фундамента бетоном или установка подобных стен.

Ещё одно полезное свойство композитного материала — его нетоксичность и безвредность после полимеризации. В готовом виде он имеет глянцевую поверхность и не вступает в реакцию с водой. Это будет интересно для того, кто решил возвести бассейн, водоём, кессон, силосную яму, отстойник или каменный септик . Для этого достаточно будет возвести стены в полкирпича с кладочной сеткой и оклеить с обеих сторон углеволокном. Застывший материал будет служить гидроизоляцией. Его монтаж аналогичен устройству армировочной сетки для утеплителя.

Стоимость таких работ будет составлять:

Углеволоконный холст — от 20 до 30 у. е. за 1 м 2 .
Полимерное связующее с отвердителем — от 3 до 5 у. е. по расходу на 1 м 2 .
Услуги по усилению каменных конструкций под ключ в среднем по России стоят 125 у. е. за 1 м 2 . В стоимость входит расчёт, доставка, материал и работа.

Применение углеволокна для ремонта

Свойства холста быть сначала гибким и эластичным, а после пропитки смолой исключительно прочным, можно (и нужно!) использовать и в повседневной жизни. В основном это касается ремонта или замены сломанных пластиковых деталей. С помощью этого материала можно склеить практически всё, а то, что склеить по каким-то причинам нельзя, можно воссоздать, используя испорченную деталь в качестве матрицы.

Ремонт стержня из стеклопластика

Рассмотрим возможность ремонта рукоятки молотка или топора при помощи углеволоконного рукава. Большинство полупрофессиональных ударных инструментов имеют рукояти из материала на основе стекловолокна — того же, что используют для производства высококачественных хоккейных клюшек.

Для ремонта потребуется:

Инструмент — тиски, ротационная шлифмашина с наждачной бумагой, направляющая струбцина, строительный фен, кисти.
Материал — рукав из углеволокна или холста, высокопрочный двухкомпонентный клей, полимерная смола и отвердитель. Всего клеящей смеси потребуется около 50 мл.
Защитные средства — очки, респиратор, резиновые перчатки.

Порядок работы:

Зачистить края разлома шлифмашиной, сохраняя место контакта.
Зажать в тисках одну часть и выставить на струбцине вторую, примерив по плоскости.
Нанести на контактные поверхности (разлом) клей и соединить две части на струбцине. Обмазать клеем место разлома. Тщательно проверить соосность обеих частей. Время выдержки — 6-8 часов (по инструкции).
Снять струбцину и зачистить место соединения, сделав заглубление в тело стержня на 1-2 мм.
Сделать разметку. Т. к. оклейка рукавом будет производиться в два этапа, верхний слой перекроет нижний. От оси соединения отложить для первого слоя — 3,5 см, для второго — 6 см в каждую сторону. Отрезать два куска рукава по размерам.
Сделать полимерный раствор из смолы и отвердителя в пропорциях согласно инструкции и обильно нанести его на место соединения по меньшей разметке.
Завести отрезок рукава к месту приклеивания и аккуратно уложить его на клей и обжать руками.
Затем нанести ещё один слой клея и завести второй (больший) отрезок рукава. Прижать его аналогичным образом. Пропитать весь участок клеем.
Создать временный зажим — приложить с двух сторон полосы упругого материала, замотать скотчем и сдавить струбцинами (не очень туго). Время выдержки — 6-8 часов.
1Зачистить место соединения шлифмашиной и довести вручную.
Технически изделие готово, его можно использовать с обычной нагрузкой через 12 часов. Отремонтированное изделие можно окрасить.

Ремонт рукоятки из стеклопластика на видео

Технологию ремонта предлагает фирма SRS (значит, речь идёт о профессиональном спорте — нетрудно представить, какие нагрузки выдерживает изделие после ремонта).

С помощью углеволокна указанным способом можно также починить вещи, которые ранее было принято заменять:

Ножки мебели.
Ручки пылесоса, зонта или ножа.
Корпуса бытовой и офисной техники, инструмента.
Оправы очков (понадобится карбоновая нить или лента).
Любую неметаллическую деталь автомобиля, мототехники, велосипеда — от бампера до дверной ручки.
Пластиковое окно или подоконник и многое другое.

Безусловно, весь спектр достоинств и возможностей передового многофункционального материала невозможно отобразить в одной статье. Домашнему мастеру достаточно знать о нём одно — для того, кто имеет в арсенале холст и ленту из углеволокна и эпоксидные компоненты, проблемы ломаного пластика не существует.

Углеродное волокно - материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение.

Впервые получение и применение углеродных нитей было предложено и запатентовано известным американским изобретателем - Томасом Эдисоном - в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах.

ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА Углеродные волокна обычно получают обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются, главным образом, атомы углерода (99 %).

В строительстве углеволокно применяется для наружного армирования и для усиления конструкций - в качестве армирующего наполнителя, обладающего значительной устойчивостью к деформациям, а также к трещинам при резких перепадах температур.

Достоинства: Бетонные стеновые панели можно делать намного тоньше. Вес панелей становиться намного легче (до 75%). Не требуется дополнительная теплоизоляция потому, что углеволокно не проводит тепло или холод. Обладает высокой огнестойкостью. Этот новый материал уже используется для производства стеновых сендвич панелей. Недостатки: Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами. Материал имеет способность отражать электрические волны, что может быть недостатком в некоторых случаях. Процесс изготовления композитов более трудоемкий, чем изготовление металла

Состав композитных стержней: -Волокна (армирующий материал) -Смола (полимер) Прочие составляющие композитных стержней: -Наполнители -Добавки Волокно, главным образом, отвечает за механическую прочность. Смола- за химическую стойкость.

Основное назначение волокна: - выдерживать нагрузки; - обеспечивать прочность; - расположены по направлению основных нагрузок. Основные функции смолы: - передача напряжения между волокнами; - обеспечение боковой поддержки и предотвращение вспучивания; - защита волокон от механических повреждений и отрицательного влияния внешних факторов.

Углепластики представляют собой особо прочные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна. Они отличаются высокой плотностью – до 2 000 кг/м 3, жесткостью, легкостью и превосходят сталь по ряду параметров. Именно поэтому углепластиковая арматура интересна в качестве достойной альтернативы металлическим прутам.

По своему внешнему виду данное изделие почти ничем не отличается от предшественницы – металлической арматуры. Оно тоже имеет вид тонких прутьев или стержней с различным диаметром поперечного сечения (4 - 20 мм).

Стержень композитной арматуры условно можно разделить на две части: Сердечник, задающий основные прочностные характеристики арматуры, который представляет собой параллельные волокна, связанные связующим на основе эпоксидных смол. Внешний слой, отвечающий за свойства сцепления с бетоном, представляет собой нанесённый на эпоксидное связующее песок, который увеличивает адгезию с бетоном, т. к. сцепление происходит по всей длине стержня.

Композитная арматура предназначена для применения в бетонных конструкциях с преднапряженным и ненапряженным армированием. Коррозионно-устойчивые композитные стержни могут защитить мосты и объекты гражданской инфраструктуры от разрушающего воздействия коррозии.

Нержавеющая композитная арматура имеет ряд преимуществ перед обычной металлической арматурой. Достоинства композитной арматуры Композитная арматура не подвержена коррозии и устойчива к воздействию агрессивных сред, в том числе, к щелочной среде бетона. Композитная арматура имеет в 3 раза большую прочность на разрыв, нежели стальная. В связи с этим проводится равнопрочная замена арматуры, при которой стальная арматура заменяется на композитную с уменьшением сечения. Это позволяет снизить вес, и стоимость арматуры, и сохранить физико -механические характеристики. Композитная арматура в 9 раз легче стальной при равнопрочной замене. Так 1 п. м. стальной арматуры диаметром 12 мм весит 0, 89 кг, а равный по прочности 1 п. м. композитной арматуры диаметром 8 мм весит 0, 10 кг. Это позволяет экономить на транспортировке и уменьшает вес конструкции.

Композитная арматура позволят экономить до 50% при её применении вместо стальной. Помимо того, что арматура стоит на 30 -40% дешевле, существенная экономия достигается за счёт улучшения логистики поставок. Композитная арматура обладает низкой теплопроводностью. Например, у стеклопластиковой арматуры теплопроводность 0, 48 Вт/м К, а у стальной – 56 Вт/м К, т. е. в 100 раз меньше. Являясь диэлектриком, композитная арматура радиопрозрачна и магнитоинертна. Не теряет прочность под воздействием низких температур. Диапазон эксплуатационных температур от -70 °С до +100 °С.

Недостатки композитной арматуры Модуль упругости композитной арматуры в 3, 5 раза ниже стальной. По этой причине её можно применять в фундаментах, дорожных плитах и т. д. , но её применение в перекрытиях требует дополнительных расчетов. Низкая огнестойкость материала. При нагреве до 600ºС, арматура из углепластика начинает быстро размягчаться. Поэтому при строительстве нужно предпринять дополнительные меры по теплоизоляции, в случае пожара. Композитную арматуру невозможно сваривать – только вязать проволокой или клеить. Из композитной арматуры невозможно изготовить гнутые изделия на месте монтажа. Изготовление нестандартных гнутых элементов возможно только в заводских условиях.

Монтаж По технологии укладки, композитная арматура аналогична традиционным стальным материалам. В большинстве случаев, легкая масса композитных стержней, фактически ускоряет процесс монтажа арматуры.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Волокно (проволока) Плотность ρ, м³ Температура плавления Тпл, °C Временное сопротивление σB, МПа Модуль упругости при растяжении Е, ГПа Алюминий 2 687 660 620 73 Асбест 2 493 1 521 1 380 172 Углерод 1 413 3 700 2 760 200 Полиамид 1 136 249 827 2, 8 Полиэфир 1 385 248 689 4, 1 Сталь 7 811 1 621 4 130 200

Современное строительство, как и любая другая отрасль, не обходится без внедрения инновационных технологий, и уже сегодня материалы, ранее используемые только в наукоемких производствах, таких как ракетостроение, широко применяются в строительной сфере, формируя архитектуру будущего. Одной из наиболее важных задач современного строительства является предотвращение проблем, связанных с прочностью зданий и сооружений, которая находится под влиянием динамических нагрузок, перепадов температур и других агрессивных климатических факторов. В результате этого на бетонных стенах построек появляются трещины, отслаивается защитный слой, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик зданий. В связи с этим, неотъемлемым этапом строительства стало армирование несущих конструкций, призванное предотвратить их преждевременное разрушение. Если раньше популярным материалом, используемым в этих целях, долгое время был стеклохолст, то сегодня его постепенно вытесняет новый востребованный материал - углеволокно, о характеристиках и особенностях использования которого поговорим далее.

Что такое углеволокно? Особенности использования материала

Углеродное волокно - линейно-упругий композитно-полимерный материал искусственного происхождения, структурным элементом которого являются тонкие углеродные нити диаметром от 3 до 15 микрон, состоящие из атомов углерода. Последние, в свою очередь, объединены в кристаллы микроскопических размеров, которые, благодаря выравниванию, расположены параллельно друг другу. Выравнивание способствует повышению прочности волокна на растяжение. По своим техническим характеристикам, в частности твердости, углеволокно в несколько раз превосходит металл, вследствие чего широко используется в оборонной промышленности, аэрокосмическом производстве и строительной сфере. Несмотря на то, что уникальные характеристики углеволокна позволяют считать данный материал инновационным, он не является изобретением нашего столетия и давно используется в авиа- и ракетостроении, а с конца прошлого столетия и в строительстве. Впервые в этой сфере он появился в 1980 году, когда в Калифорнии все здания и сооружения стали возводиться с использованием углеродного волокна, что позволило укрепить постройки, расположенные на сейсмически активной территории. Взяв это свойство на вооружение, отечественные строители нашли применение данному материалу в процессе проведения ремонтных мероприятий в жилых домах, и с тех пор его популярность только растет.

Важно! Следует помнить, что углеволокно, аналогично бетону, является лишь материалом, а не конечным готовым изделием. Оно является основой для изготовления большого количества материалов, используемых в строительстве для армирования своими руками. К ним относятся углеродные сетки, ламели и ленты.

Технические характеристики углеволокна: основные преимущества

Углеродное волокно состоит из полиакрилнитрита, прошедшего предварительную обработку высокими температурами (до 3-5 тысяч градусов). В силу технических особенностей, углеволокно используется для внешнего армирования, в процессе которого его пропитывают связующим веществом (двухкомпонентная эпоксидная смола) и аналогично обоям наклеивают на поверхность конструкции, нуждающейся в укреплении. Целесообразность применения именно этого связующего вещества доказана по нескольким направлениям:

Во-первых, эпоксидная смола обладает высокой адгезией к железобетону;
Во-вторых, после вступления в химическую реакцию со смолой углеволокно превращается в жесткий пластик, приобретая прочность, в 6-7 раз превосходящую прочность стали.

На сегодняшний день углеволокно характеризуется наибольшей популярностью среди других композитных материалов. Несмотря на то, что оно на 30 % легче алюминия и на 75 % легче железа, его прочность на разрыв в четыре раза превосходит наилучшие марки стали. Изготовленное на основе углерода, углеволокно имеет низкий удельный вес и при нагревании незначительно расширяется, при этом оно не подвержено воздействию агрессивных химических веществ. С учетом вышеперечисленных характеристик, углеволокно можно считать универсальным материалом, адаптированным для использования в различных климатических зонах.

Длительный эксплуатационный срок материала объясняется сочетанием следующих его преимуществ:

Высокие гидроизоляционные характеристики, обусловленные глянцевой поверхностью углепластика, за счет которой материал не вступает в реакцию с водой;
Высокая адгезия к различным поверхностям;
Исключительная устойчивость к коррозионным процессам;
Легкость - свойство, благодаря которому система армирования не создает дополнительных нагрузок на постройку. Несмотря на то, что углеволокно весит намного меньше, чем сталь, оно обладает высокими прочностными характеристиками;
Используя углеволокно, вы получаете возможность наносить армирующий материал в несколько слоев;
В процессе выполнения ремонтных работ можно не прекращать эксплуатацию усиливаемого здания;
Применение углеволокна для армирования фундамента своими руками способствует сокращению временных и трудовых затрат при проведении работ;
Углеволокно по праву считается универсальным материалом, который можно использовать для армирования конструкций любой сложности и конфигурации, в том числе на закругленных и угловых поверхностях, на ребристых плитах перекрытий, балочных элементах рамных конструкций, а также тавровых балок мостовых пролетов, которые характеризуются малой шириной ребра;
Углеволокно - экологически чистый и токсически безопасный материал для армирования;
Кроме того, данный материал отличается огнеупорностью и ударопрочностью.

Каким требованиям должна отвечать эффективная технология армирования?

Для обеспечения эффективного усиления конструкции технология армирования должна гарантировать выполнение ряда условий:

Естественная влажность конструкций не должна быть препятствием для монтажа армирующих элементов;
Элементы армирования должны надежно приклеиваться к любым строительным материалам, благодаря чему будет осуществляться эффективная передача усилий с усиливаемой конструкции на армирующие элементы;
Все материалы, используемые в процессе армирования, в том числе и монтажный клей, должны характеризоваться свойствами, стабильными во времени, что позволит повысить эффективность армирования;
В связи с тем, что армированию подлежат конструкции из различных материалов, модуль упругости и прочность армирующих элементов должны быть представлены достаточно широкой линейкой.

Всем требованиям, перечисленным выше, отвечают элементы внешнего армирования, представленные волокнами искусственного происхождения, в частности арамидными и углеродными, при этом последние, продемонстрировав наилучшее соотношение цена/качество, получили наибольшее распространение.

В каких ситуациях необходимо осуществление внешнего армирования?

На сегодняшний день углеволокно используется для армирования конструкций из различных материалов:

Железобетонных построек - к ним относятся мосты, гидротехнические сооружения и памятники архитектуры, которые нуждаются в защите от коррозии, усилении сжатых элементов и их защите от перегрузок. С этой функцией в полной мере справляется углеволокно;
Металлических конструкций , которые обладают близким к углеволокну модулем упругости и прочности;
Каменных конструкций , в частности каменных столбов, стен кирпичных домов и пилонов.

Необходимость в усилении построек посредством внешнего армирования возникает в следующих ситуациях:

В случае повреждения конструкции, ставшего причиной снижения ее несущей способности, жесткости и устойчивости к трещинам;
Если произошло изменение условий эксплуатации постройки, которое выражается в изменении величины и характера нагрузок;
В процессе проектирования и строительства конструкций с целью повышения их сейсмостойкости и увеличения межремонтных промежутков;
В случае длительного воздействия на конструкцию механических факторов или агрессивных природных сред, приведшего к разрушению бетона или коррозии арматуры, возникает необходимость устранения неутешительных последствий и усиления конструкции.
Проанализировав определенный набор технико-экономических показателей, можно прийти к выводу, что усиление углеволокном чаще всего уместно по отношению к железобетонным конструкциям, однако применимо и к металлическим, и бетонным, и даже деревянным зданиям и сооружениям.

Распространенные конструктивные решения для углеволокна

Если вы отдали предпочтение углеволокну и системам внешнего армирования с его использованием, помните, что проектируя системы усиления, необходимо руководствоваться Сводом правил СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования».

Отказавшись от армирования перекрытий руками специалистов и производя их усиление самостоятельно, учтите, что оно осуществляется посредством наклеивания углеволокна в зонах наибольшей нагрузки - обычно они приходятся на центральную часть пролета и соприкасаются с нижней гранью конструкции. Благодаря этому приему значительно повышается несущая способность конструкции по изгибающим моментам. Чтобы решить эту задачу, специалисты рекомендуют использовать любой из доступных видов углеродных материалов - ламели, ленты или сетки.

Важно! В процессе усиления балок зачастую возникает необходимость в усилении приопорных зон, что позволит повысить несущую способность конструкции при воздействии поперечных сил. С этой целью наклеивают U-образные хомуты, изготовленные из углеродных сеток или лент.

Важно! Что касается особенностей использования материалов из углеволокна, необходимо отметить, что, благодаря схожести способов монтажа и адгезивных составов, углеродные ленты и ламели, как правило, монтируются вместе, тогда как использование углеродных сеток, в силу монтажа материала «мокрым» способом, исключает применение лент и ламелей.

В рамках обсуждения технологии армирования бетона своими руками, отдельно необходимо поговорить об усилении колонн, которое осуществляется посредством их оклейки углеродными сетками или лентами, которые монтируются в поперечном направлении. Благодаря этому удается достигнуть эффекта «бондажирования», что позволяет предотвратить поперечные деформации бетона.

Армирование фундамента своими руками: пошаговая инструкция

Если вы ищите ответ на вопрос: «Как сделать армирование фундамента своими руками?», ознакомьтесь с нашими рекомендациями, представленными ниже, и вы узнаете, как произвести армирование плиты фундамента своими руками.

Прежде чем приступить к монтажу системы внешнего армирования с использованием углеволокна, необходимо произвести разметку конструкции, отчертив зоны, в которых будут располагаться элементы усиления. Произведя размеры, очистите поверхность от остатков отделочных материалов, цементного молочка с помощью углошлифовальной машинки с алмазной чашкой или водо-пескоструйной установки до тех пор, пока не обнажится крупный заполнитель бетона. Старайтесь производить эти манипуляции качественно, так как от характеристик подготовленного основания напрямую зависит эффективность системы усиления. В связи с этим, в процессе подготовки основания, обратите внимание на следующие параметры:

Целостность и прочность материала, из которого изготовлена конструкция, подлежащая усилению;
Ровность поверхности, на которую будет монтироваться углеволокно;
Температура и влажность поверхности, на которую будет наклеиваться углеродный материал;
Отсутствие пыли и других загрязнений;
Кроме того, существует еще целый ряд контролируемых параметров, которые можно найти в технологических картах на выполнение того или иного вида работ.

Подготовка армирующих материалов

Углеволокно продается смотанным в рулоны, упакованные в полиэтиленовую пленку. В процессе подготовки рабочей поверхности важно следить за тем, чтобы на армирующий материал не попала пыль, в большом количестве образуемая в процессе шлифования бетона, так как это приведет к тому, что материал не пропитается связующим веществом и станет причиной производственного брака.

Чтобы предотвратить это, перед раскроем материала застелите рабочую поверхность полиэтиленом и только после этого осуществляйте замеры. Для обрезки углеродных сеток и лент можно использовать канцелярский нож или ножницы по металлу, ламелей - углошлифовальной машинкой, оснащенной отрезным кругом по металлу.

В качестве адгезивов рекомендуют использовать двухкомпонентные составы, в связи с чем, неотъемлемым этапом их подготовки будет смешивание двух компонентов в определенной пропорции. Чтобы случайно не нарушить их соотношение, в процессе их дозирования необходимо использовать мерную посуду или весы. Существует важное правило подготовки смеси - компоненты смешивают, постепенно добавляя друг к другу и перемешивая полученную массу дрелью, оснащенной специальной насадкой.

Важно! Ошибки, допущенные в процессе подготовки смеси, могут привести к закипанию адгезива.

Важно! На современном строительном рынке можно найти адгезивы, поставляемые в комплекте - т.е. в двух ведрах, в которых уже дозирован необходимый объем компонентов. Таким образом, работая с уже дозированными смесями, достаточно содержимое одного ведра смешать с содержимым другого (для удобства работы одно из ведер поставляется большего объема и остается полупустым).

Для углеродных сеток используют полимерцементный адгезив, который поставляется в мешках и перед работой разводятся водой в соответствии с инструкцией.

Как произвести монтаж углеволоконных материалов?

Технология монтажа армирующей системы существенно отличается в зависимости от типа используемого материала.

Монтаж углеродной ленты может осуществляться «сухим» или «мокрым» способом. И в том, и в другом случае на поверхность усиливаемого основания наносят слой адгезива, однако «мокрый» способ подразумевает пропитывание углеродной ленты адгезивом с последующим прикатыванием ее валиком к основанию, тогда как «сухой» способ предполагает крепление ленты к основанию и только после прикатывания валиком ее пропитывают адгезивной смесью. Таким образом, последовательность этапов монтажа меняется местами. Для осуществления пропитки углеродной ленты адгезивным составом на ее поверхность наносят слой адгезива и, прикатывая валиком, добиваются того, чтобы верхний слой связующего вещества попал вглубь углеволокна, а нижний - вышел наружу.

Углеродные ленты можно наклеивать в несколько слоев, однако при их наклеивании на поверхность потолка не рекомендуется наносить более двух слоев, что предотвратит «сползание» материала под тяжестью собственного веса.

Важно! Помните, что после того, как произойдет полимеризация адгезива, его поверхность станет идеально гладкой и ровной, что сделает его отделку практически невозможной. В связи с этим, не дожидаясь затвердевания связующего вещества, еще на «свежую» поверхность наносят слой крупного песка.

В процессе монтажа углеродных ламелей слой связующего вещества наносят не только на усиливаемую конструкцию, но и на монтируемый элемент армирования. В завершение работ ламель прикатывают валиком или шпателем.

Монтируя углеродную сетку, в процессе армирования ленточного фундамента своими руками ее крепят на увлажненную бетонную поверхность. После нанесения первого слоя полимерцементного адгезива ручным или механизированным способом, не дожидаясь его высыхания раскатывают углеродную сетку, слегка вдавливая ее в нанесенный состав. Для удобства работы специалисты рекомендуют использовать шпатель. Затем необходимо дождаться первичного схватывания состава, время наступления которого зависит от характеристик выбранного состава и температуры окружающей среды. Чтобы убедиться в том, что состав начинает затвердевать, надавите на его поверхность пальцем - он должен продавливаться с большими усилиями. После этого наносят заключительный слой полимерцемента.

Важно! Адгезивы на основе эпоксидных смол подвержены возгоранию и разрушению под действием ультрафиолетовых лучей, в связи с чем, их необходимо проверить на класс огнестойкости и защитить от ультрафиолета.