Углеволокно в строительстве углеродное волокно материал. Углеволокно — материал будущего в строительстве

Поисковые теги:

Что такое углепластик и каково его место в ряду строительных материалов

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

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.

Углеродное волокно - современный материал, который состоит из тончайших нитей диаметром 5-15 микрометров, образованных в основном атомами углерода. Атомы объединены в мельчайшие кристаллы, расположенные параллельно друг другу. Благодаря такому выравниванию кристаллов углеволокно обладает значительной прочностью на растяжение.

Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано известным американским изобретателем - Томасом Эдисоном - в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он же предложил получать углеродные и графитированные волокна на основе различных природных волокон.

Вторично интерес к углеродным волокнам появился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жёсткостью.

__________________________________________________________________

Получение

Углеродное волокно обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. После окисления следует стадия карбонизации - нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.

_____________

Углеволокно в строительстве

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.

Для усиления конструкций применяют также металл и бетон, но углеволокно обладает рядом преимуществ перед ними. Главное из них - высокая прочность на растяжение. Другие плюсы - существенное уменьшение веса усиливаемой конструкции и обеспечение ее коррозионной стойкости.

______________________________________

Углеволокно можно использовать для усиления конструкций из бетона, стали и древесины. Усиленный элемент приобретает дополнительно до 120 % прочности на сжатие и до 65 % прочности на изгиб.

Усиление колонн и перекрытий, упрочнение мостов - варианты применения композитов на основе углеволокна в строительстве, кажется, неисчерпаемы.

Для повышения прочности стен зданий в сейсмоопасных зонах можно применять внешнее армирование кирпичной кладки углеволокнистой тканью.

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.

Достоинства материала

Многие знают о коррозии сборного железобетона, которую вызывает стальная арматура. При использовании сетки из углеродного волокна вместо стальной арматуры результаты получаются превосходными.

1. Бетонные стеновые панели можно делать намного тоньше.

2. Вес панелей становиться намного легче (до 75%).

3. Не требуется дополнительная теплоизоляция потому, что углеволокно не проводит тепло или холод.

4. Обладает высокой огнестойкостью.

5. Этот новый материал уже используется для производства стеновых сендвич панелей.

Недостатки

Углеродное волокно также имеет недостатки, которые должны быть приняты во внимание при планировании его использования.

1. Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами.

2. Материал имеет способность отражать электрические волны, что может быть недостатком в некоторых случаях.

3. Процесс изготовления композитов более трудоемкий, чем изготовление металла.

Стержни, изготовленные из стеклянных, базальтовых или углеродных волокон и прошедшие специальную обработку, относятся к неметаллической арматуре. Существует несколько ее разновидностей. Классификация проводится на основании использованного волокна:

§ Стеклопластиковая.

§ Базальтопластиковая.

§ Углепластиковая арматура.

Композитные материалы представляют собой конструкцию из армирующего элемента и матрицы. Армирующей основой обычно служат волокна, имеющие непрерывную структуру. Матричный компонент всегда представлен каким-нибудь полимером, формирующим стержень. Наружной поверхности композитной арматуры придаётся ребристый рельеф.

Технология изготовления называется пултрузия или протяжка.

Суть метода состоит в том, что волокно пропитывается полимером и протягивается через разогретую формообразующую конструкцию.

Вначале, волокно графита подается в полимерную ванну, в которой оно пропитывается специальным полимером.
Из ванны волокно попадает в преформочное устройство.
Оттуда, волокна карбона направляются в нагретую фильеру. Проходя через пресс-форму, в которой специальными нагревательными элементами создается до 6 зон с различной температурой, полимер затвердевает, и на выходе из нее получается охлажденный готовый продукт.

Внешний вид полностью повторяет классическую форму арматуры из металла: прутья и стержни диаметром сечения до 20 мм.

Поверхность у такой арматуры ребристая, что обеспечивает максимальное сцепление с бетонным раствором.

При внешней схожести химический состав неметаллической композитной арматуры совершенно другой. Она изготовлена из волокон карбона, связанных в единый пучок полимером. Прерывистость структуры углеродного наполнителя определяет свойства и характеристики материала, выгодно отличает его среди подобных изделий.

Углепластиковая арматура имеет широкий спектр применения. Она используется при возведении жилых домов и зданий общественного назначения, а также промышленных объектов и складских помещений.

Разрушение бетонных конструкций из-за коррозии стальной арматуры - одна из основных задач, с которой столкнулась строительная отрасль.

Главным преимуществом перед другими материалами, которое и определяет применение углепластиковой арматуры в строительстве, является её коррозийная стойкость по отношению к разным условиям внешней среды. При этом не имеет значения, является ли агрессивная среда фактором эксплуатации будущего объекта или возникает в процессе возведения.

Нержавеющая композитная арматура имеет ряд преимуществ перед обычной металлической арматурой.

Достоинства углепластиковой арматуры:

· Углепластиковая 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 не подвержена коррозии и устойчива к воздействию агрессивных сред, в том числе, к щелочной среде бетона.

· Композитная арматура в 9 раз легче стальной при равнопрочной замене. Это позволяет экономить на транспортировке и уменьшает вес конструкции.

· Не теряет прочность под воздействием низких температур. Диапазон эксплуатационных температур от -70 °С до +100 °С.

· Композитная арматура обладает низкой теплопроводностью. Показатель теплопроводности в 100 раз ниже, чем у металлической.

· Являясь диэлектриком, композитная арматура радиопрозрачна и магнитоинертна. Не пропускает электрический ток. Предотвращает короткие замыкания электропроводки внутри бетона. Углепластик не создает помех и искажений для радиоволн.

· Высокая долговечность. Как утверждают все производители композитной арматуры, ее минимальный срок эксплуатации около 75 лет.

· 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.

Недостатки:

Положительных моментов у данной арматуры много, тем не менее, есть и минусы.

Первым следует назвать невысокий модуль упругости. По этому показателю арматура в 4 раза проигрывает металлической. Свойство проявляется в том, что материал не гнется, а ломается. По этой причине, ее применяют при строительстве фундамента, дороги, мостов, но использование в перекрытиях влечет за собой потенциальный риск и необходимость дополнительных расчетов.

Нужно сказать и о воздействии высокой температуры. При нагреве до 600 град. С, арматура из углепластика начинает быстро размягчаться. Поэтому при строительстве нужно предпринять дополнительные меры по теплоизоляции, в случае пожара.

Еще одним недостатком считается тот факт, что соединяют композитную арматуру только вязкой, электросварка применяться не может. На крупных стройплощадках часто надевают стальные наконечники на прутья и только после этого производят сварку.

Вязка арматуры

Вязать арматуру из композитных материалов достаточно просто, если использовать специальные хомуты и клипсы.

По технологии укладки, композитная арматура аналогична традиционным стальным материалам.

Области применения композитной арматуры:

· в фундаментах ниже нулевой отметки залегания;

· в качестве гибких связей для трёхслойных стен;

· для дорожного строительства;

· в конструкциях, работающих в условиях ускоренной коррозии стальной арматуры и бетона (причалы, сухие доки, берегоукрепление).

Рынок композитной арматуры стремительно растёт. По оценкам специалистов его рост составляет 12% в год.

Здесь представлена сравнительная характеристика стоимости композитной и стальной арматуры при равнопрочной замене.

Похожая информация.

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.

Строительная отрасль в наше время активно развивается посредством внедрения новых материалов, а также за счет использования инновационных технологий. Наиболее актуальными являются проблемы возведения сооружений, которые отличались бы устойчивостью к динамическим нагрузкам и агрессивным условиям окружающей среды. Так для укрепления бетонных конструкций стали использовать углеволокно, которое ранее применялось только в самолёто- и ракетостроении.

Немного истории: как появился карбон

На сегодняшний день углерод в том или ином виде востребован практически во всех промышленных отраслях. Особенностью и главным его преимуществом является то, что он способен гармонично дополнять традиционные строительные материалы, будь то стекло, метал, дерево или бетон или же и вовсе заменить их, что весьма выгодно и для человека, и для природы.

Открыт углерод еще в 1880 году Т. Эдисоном в процессе исследования нити лампы накаливания. Благодаря зарубежным производителям и промышленникам углеволокно стало активно применяться в различных отраслях, в том числе и в строительстве. На территории нашей страны последние проекты с использованием углеволокна разрабатывались еще в советские времена, потому сейчас они активно реанимируются инженерами.

Углеволокно: характеристика материала и особенности его использования

Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. 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.

Широкое использование углеволокна в аэрокосмической сфере и оборонной промышленности, а также для сооружения зданий обосновано тем, что по твердости материал значительно превосходит металл. Углеволокно в строительстве начали использовать в 1980 году в Калифорнии для укрепления построек, находящихся в сейсмически активной зоне. В отечественном строительстве материал применяется, как правило, в процессе ремонтных работ, но его популярность и сфера использования постепенно растет.

Технические характеристики и плюсы применения в строительстве

Столь продолжительный эксплуатационный срок углеволокна обусловлен такими характеристиками:

Отличная адгезия к поверхностям с различной структурой.
Высокая устойчивость к коррозийным процессам.
Лёгкость и прочность. Благодаря тому, что углеволокно обладает поразительной лёгкостью, его используют в системах армирования, что позволяет снизить нагрузку на фундамент здания.
Изоляция от влаги. Поверхность углепластикового волокна является глянцевой, что исключает возможность его реакции с водой.
Высокая огнеупорность и ударопрочность.
При использовании для армирования, можно наносить материал в несколько слоёв.
Проведение ремонтных работ любого типа, где возможно применение углеволокна, может осуществляться без прекращения эксплуатации самого здания.
Является полностью токсически безопасным и экологически чистым.
Высокая степень универсальности. Может использоваться при армировании конструкций практически любых конфигураций: на ребристых поверхностях, закругленных и угловых элементах, балочных сегментах рамных конструкций и пр.

Составляющей углеродного волокна является полиакрилнитрит, который предварительно обрабатывается высокой температурой (в пределах 3000° - 5000°С). Учитывая вышеописанные технические характеристики, наиболее частой сферой применения углеволокна в строительстве является внешнее армирование.

При этом волокно пропитывается двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая выступает связующим веществом. Монтаж производится аналогично обоям – материал просто наклеивается на поверхность конструкции, которая укрепляется.

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 таким характеристикам углеволокно занимает лидирующие позиции среди композитных материалов. Прочность материала на разрыв в 4 раза превосходит сталь лучших марок, несмотря на то, что он на 75% легче железа и на 30% алюминия. Удельный вес углеродного волокна относительно низкий, а при нагревании материал расширяется незначительно, что обеспечивает возможность применение углеволокна в различных климатических зонах.

Недостатки углеволокна

Список недостатков карбона короткий, но обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Выделяют три основных недостатка:

Углеволокно является хорошим отражателем электрических волн.
Материал отличается высокой стоимостью в сравнении с аналогами.
Изготовление композита более трудоёмкое, чем производство металла.

Применение углеродного волокна в строительстве: основные варианты

Эффективность карбона позволяет успешно применять его для армирования конструкций из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, сооружение, усиленное таким материалом, становится прочнее на сжатие до 120%, а на изгиб получает еще плюс 65% прочности.

Помимо такого варианта использования, углеродное волокно также успешно используется для реставрации каменных конструкций, к примеру, балок и опор бетонных мостов. В частном строительстве усиление фундамента или стен посредством карбона придаст сооружению большой запас прочности.

Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в таких случаях:

Конструкция была повреждена, в результате чего её несущая способность снизилась, стали появляться трещины.
Изменились условия эксплуатации помещения, возросли нагрузки на него.
Планируется постройка здания в сейсмически активной зоне.
Для устранения разрушений бетона и коррозийных процессов в арматуре, если постройка долгое время подвергалась агрессивному воздействию внешней среды.

Если углеродное волокно было выбрано на этапе проектирования постройки, как один из компонентов системы внешнего армирования, то в работе следует руководствоваться Сводом 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 – ленты, сетки или ламели.

В процессе армирования балок может возникнуть необходимость дополнительного укрепления приопорных зон, что повысит несущую способность всей конструкции при поперечной нагрузке. Для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.

Где следует осуществлять внешнее армирование карбоном

Углеволокно в строительстве может быть использовано для усиления зданий и сооружений из таких материалов:

Камень. Сюда относят столбы, пилоны, кирпичные дома. Углеволокно применимо здесь как в процессе постройки, так и для проведения рементных работ.
Железобетон. Здесь углеродное волокно может быть использовано для гидротехнических построек, мостов, паток архитектуры.
Металл. Такие сооружения имеют близкий к углеволокну модуль прочности и упругости, но их усиление все равно необходимо, особенно в зонах с неустойчивыми грунтами.

Условия успешного процесса армирования внешних конструкций

Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд таких условий:

Надежное сцепление с поверхностью здания. Чем лучше армирующая сетка из углеволокна будет приклеена к конструкции, тем более эффективной будет передача усилий на неё.
Отсутствие естественной влаги. Важно обеспечить сухость поверхности, армирование которой будет проводиться.
Материалы, используемые в работе (особенно клеевые составы) должны отличаться высоким качеством и отличными характеристиками для обеспечения максимальной эффективности.

Профессиональное внешнее армирование углеволокном

Несмотря на возрастающую популярность использования углеродного волокна, технология его применения остаётся достаточно сложной для домашнего мастера. Потому если вы хотите осуществить строительные или ремонтные работы с таким композитным материалом, то следует доверить это профессионалам. Компания ИнноваСтрой уже много лет успешно осуществляет проекты по возведению объектов разной сложности.

Нашей фирме по силам любые задачи: начиная от проектирования постройки до сдачи готового объекта с отделкой. Что касается углеволокна, то это очень дорогой материал, который требует определенных навыков его монтажа, а также наличие специального оборудования. Для успешного выполнения армирования следует подготовить поверхность и сам композитный материал, правильно осуществить его монтаж (что зависит от типа конструкции), а затем грамотно нанести следующие слои.

ИнноваСтрой готова взяться за весь спектр работ по армированию постройки, а также выполнить ремонтные работы уже готовых сооружений с укреплением их карбоном. Мы работаем в строительной сфере уже не первый год и знаем территориальные особенности каждого региона, а потому сможем рассчитать целесообразное количество материала.

Сотрудничество домов и коттеджей с нами является гарантией таких преимуществ:

Мы можем проводить встречи с клиентами удаленно. Данная функция наиболее выгодна, когда у заказчика нет возможности посетить наш офис лично. В таком случае, мы предлагаем связь по Скайпу или посредством другой удобной программы.
Приемлемые цены на услуги строительной компании . Стоимость наших работ всегда очень разумна и рассчитывается исходя из определенных критериев.
Индивидуальный подход. Каждый клиент очень ценен для нас, потому мы выслушиваем все ваши требования или пожелания по проекту и выполняем работу так, как было согласовано.
Широкий спектр предоставляемых услуг. Наш штат имеет квалифицированных специалистов из разных отраслей строительства и отделки помещений.

Убедиться в нашем профессионализме вы можете, связавшись с менеджером компании по телефону. Мы с радостью ответим на все ваши вопросы и предоставим консультацию. Настало время заказать индивидуальный проект дома и получить жилье своей мечты!