Преимущества применения углеродного волокна в строительстве

Первым, кто получил углеродные волокна, был Д.Свон. В 1860 г. он прокаливал хлопковую вату без доступа воздуха для использования в лампах накаливания. Значительно усовершенствовал технологию Томас Эдисон, изготовив углеродную нить накаливания для своей электролампочки из целлюлозы (хлопково-бамбуковая смесь). С изобретением дешевых технологий получения вольфрама в первом десятилетии ХХ века от углеродных волокон отказались, потеряв интерес к материалу почти на полвека.

В 1958 году американский физик Р.Бэкон получил тонкие углеродные нити («усы», по терминологии самого Бэкона), длиной в несколько сантиметров и диаметром до 5 мкм. Это был самый прочный искусственный материал на планете – 20 ГПа прочности при 200 ГПа гибкости. Но материал годился лишь для лабораторных целей: стоимость получения 1 кг вещества составляла миллион долларов.

Военная промышленность Японии форсировала разработки, направленные на уменьшение стоимости углеродного волокна, и в 1964 году была запущена опытная линия производства на основе ПАН-прекурсоров. Легкость, прочность и жаростойкость, несмотря на высокую стоимость, сделали материал незаменимым в авиа- и ракетостроении, как сырья для деталей реактивных двигателей.

Применение углеволокна в строительстве

Помимо авиационной отрасли, углеволокно в последние 30 лет стало широко использоваться в строительстве. Материал, обладая структурированной углеродной решеткой, в чём-то схожей с алмазной, значительно превосходит по прочности металл, обладая при этом малой массой и абсолютной стойкостью к коррозии и большинству кислот.

Первым опытом строительного применения углеродного волокна была программа укрепления зданий в Калифорнии, перед спрогнозированным учёными всплеском сейсмической активности в 1980 году. Сейчас в нашей стране углеволоконные материалы используются в основном в ремонтно-реставрационных работах, но снижение стоимости производства материала делает возможным и добавление его в стройматералы широкого назначения (например, армирование бетона).

Главная ценность углеволокна – в сочетании высокой прочности нитей и исключительной адгезии наполнителей-полимеров (как правило, эпоксидных клеев). При усилении наружным армированием конструкций из железобетона, кирпича, дерева наблюдается увеличение прочности на изгиб до 65% и более чем в два раза – прочности на сжатие.

Карбоновое усиление применяется при строительстве и ремонте сооружений из камня, позволяя значительно уменьшить материал основы, она лишь выполняет конфигурирующую функцию, а холст держит основную нагрузку.

По результатам испытаний, композитное армирование повышает показатель прочности на сжатие с 280 кН до 520 кН, что позволяет снизить объём опорных элементов (колонн, фундамента, несущих стен) вплоть до 20% первоначального. Это важно для труднодоступных районов, бедных на строительные материалы (например, Крайний Север, пустынные местности).

Оклеечным армированием можно восстанавливать несущие каменные элементы, с значительным улучшением их эксплуатационных характеристик. Так восстанавливают балки и опоры мостов из железобетона, углеволокно здесь вне конкуренции, так как мосты являются наиболее ответственными и нагруженными конструкциями государственной важности.

К тому же глянцевая поверхность углеволоконного холста прекрасно изолирует от воды, ударопрочна и стойка к истиранию (в случае с мостами – проплывающим льдом при вскрытии реки), обладает повышенной огнестойкостью. На особо ответственных участках можно нанести материал в несколько слоёв, без существенного увеличения габаритов конструкции. Немаловажно и то, что проведение ремонтных работ может происходить при активной эксплуатации сооружения.

В частном строительстве нагрузки многократно ниже, поэтому использование углеродистого волокна зачастую ограничено постройками в зоне частых землетрясений, выступая заменой традиционной бетонной подливке фундамента или возведению бетонных стен. С развитием технологий производства углеволокна, оно станет доступнее и популярнее для индивидуального застройщика, ведь материал негорюч, токсически безопасен и экологически чист, он не представляет интереса для грибков и насекомых.

Свойства с углеволокна, применяемого в строительстве

Армировать можно конструкции любой формы – ребристые, закруглённые, рамные и балочные сегменты и пр. Для внешнего армирования применяют волокно из полиакрилнитрит, прокалённого при 3000° — 5000°С. В качестве связующей пропитки используют двухкомпонентную эпоксидную смолу, которая позволяет просто клеить армирующий холст к материалу основы.

Эпоксидная смола используется потому, что имеет повышенную адгезивность (клейкость) к бетону, а проникая в пустоты углеродных волокон и затвердевая, приобретает жёсткость пластика, при этом становится прочнее стали в 7 раз. При этом углеволокно на 30% легче самого лёгкого промышленного материала – алюминия, и в четыре раза легче железа. При нагревании углеволоконный холст практически не расширяется, поэтому может использоваться в местах с резкими перепадами температур, без угрозы коробления и отклеивания. Благодаря этому углеволокно лидирует в рейтинге композитных стройматериалов.

Но существуют также и несколько недостатков, о которых стоит упомянуть. Это высокий коэффициент отражения электромагнитных волн, что может препятствовать использованию мобильной связи внутри армированных помещений, высокая стоимость производства волокна, сочетающаяся с большей трудоёмкостью изготовления стройматериалов, по сравнению с аналогами из металла.

Нюансы армирования углеволокном

Армирование карбоновым композитом необходимо при:

• повреждениях конструкции, выраженном в появлении трещин;
• ожидаемой сейсмической активности;
• естественному разрушению бетона при долгих сроках эксплуатации, особенно в условиях агрессивной среды.

При самостоятельном армировании, следует знать, что карбон наклеивается в зонах наибольшего повреждения или нагрузки (как правило, в центральной части пролетов, балок). Армировать изогнутые поверхности следует гибким материалом – лентой, сеткой, планками. Балки дополнительно можно укрепить в приопорной зоне наложением U-образных хомутов из этих материалов.