Застосування вуглеволокна в будівництві

| 9-06-2017, 17:48 |

Сучасне будівництво, як і будь-яка інша галузь, не обходиться без впровадження інноваційних технологій, і вже сьогодні матеріали, раніше використовувані тільки в наукомістких виробництвах, таких як ракетобудування, широко застосовуються в будівельній сфері, формуючи архітектуру майбутнього. Однією з найбільш важливих завдань сучасного будівництва є запобігання проблем, пов'язаних з міцністю будівель і споруд, яка знаходиться під впливом динамічних навантажень, перепадів температур і інших агресивних кліматичних факторів. В результаті цього на бетонних стінах будівель з'являються тріщини, відшаровується захисний шар, що призводить до зниження експлуатаційних характеристик будівель. У зв'язку з цим, невід'ємним етапом будівництва стало армування несучих конструкцій, покликане запобігти їх передчасному руйнуванню. Якщо раніше популярним матеріалом, використовуваним в цих цілях, довгий час був стеклохолст, то сьогодні його поступово витісняє новий затребуваний матеріал - вуглеволокно, про характеристики та особливості використання якого поговоримо далі.

Що таке вуглеволокно? Особливості використання матеріалу

Вуглецеве волокно - лінійно-пружний композитної-полімерний матеріал штучного походження, структурним елементом якого є тонкі вуглецеві нитки діаметром від 3 до 15 мікрон, що складаються з атомів вуглецю. Останні, в свою чергу, об'єднані в кристали мікроскопічних розмірів, які, завдяки вирівнюванню, розташовані паралельно один одному. Вирівнювання сприяє підвищенню міцності волокна на розтягнення. За своїми технічними характеристиками, зокрема твердості, вуглеволокно в кілька разів перевершує метал, внаслідок чого широко використовується в оборонній промисловості, аерокосмічному виробництві і будівельній сфері. Незважаючи на те, що унікальні характеристики вуглеволокна дозволяють вважати даний матеріал інноваційним, він не є винаходом нашого століття і давно використовується в авіа- і ракетобудуванні, а з кінця минулого століття і в будівництві. Вперше в цій сфері він з'явився в 1980 році, коли в Каліфорнії все будівлі і споруди почали зводити з використанням вуглецевого волокна, що дозволило зміцнити споруди, розташовані на сейсмічно активній території. Взявши це властивість на озброєння, вітчизняні будівельники знайшли застосування даного матеріалу в процесі проведення ремонтних заходів в житлових будинках, і з тих пір його популярність тільки зростає.

Важливо! Слід пам'ятати, що вуглеволокно, аналогічно бетону, є лише матеріалом, а не кінцевим готовим виробом. Воно є основою для виготовлення великої кількості матеріалів, використовуваних в будівництві для армування своїми руками. До них відносяться вуглецеві сітки, ламелі та стрічки.

Технічні характеристики вуглеволокна: основні переваги

Вуглецеве волокно складається з поліакрілнітріта, минулого попередню обробку високими температурами (до 3-5 тисяч градусів). В силу технічних особливостей, вуглеволокно використовується для зовнішнього армування, в процесі якого його просочують сполучною речовиною (двокомпонентна епоксидна смола) і аналогічно шпалер наклеюють на поверхню конструкції, яка потребує зміцнення. Доцільність застосування саме цієї сполучної речовини доведена за кількома напрямками:

По-перше, епоксидна смола має високу адгезію до залізобетону;
По-друге, після вступу в хімічну реакцію з смолою вуглеволокно перетворюється в жорсткий пластик, набуваючи міцність, в 6-7 разів перевищує міцність сталі.
На сьогоднішній день вуглеволокно характеризується найбільшою популярністю серед інших композитних матеріалів. Незважаючи на те, що воно на 30% легше алюмінію і на 75% легше заліза, його міцність на розрив в чотири рази перевершує найкращі марки стали. Виготовлене на основі вуглецю, вуглеволокно має низьку питому вагу і при нагріванні незначно розширюється, при цьому воно не схильне до впливу агресивних хімічних речовин. З урахуванням перерахованих вище характеристик, вуглеволокно можна вважати універсальним матеріалом, адаптованим для використання в різних кліматичних зонах.

Тривалий експлуатаційний термін матеріалу пояснюється поєднанням наступних його переваг:

Високі гідроізоляційні характеристики, обумовлені глянсовою поверхнею вуглепластика, за рахунок якої матеріал не вступає в реакцію з водою;
Висока адгезія до різних поверхонь;
Виняткова стійкість до корозійних процесів;
Легкість - властивість, завдяки якому система армування не створює додаткових навантажень на споруду. Незважаючи на те, що вуглеволокно важить набагато менше, ніж сталь, воно володіє високими характеристиками міцності;
Використовуючи вуглеволокно, ви отримуєте можливість наносити армуючий матеріал в кілька шарів;
В процесі виконання ремонтних робіт можна не припиняти експлуатацію будинку, що підсилюється;
Застосування вуглеволокна для армування фундаменту своїми руками сприяє скороченню часових і трудових витрат при проведенні робіт;
Углеволокно по праву вважається універсальним матеріалом, який можна використовувати для армування конструкцій будь-якої складності і конфігурації, в тому числі на закруглених і кутових поверхнях, на ребристих плитах перекриттів, балкових елементах рамних конструкцій, а також таврових балок мостових прольотів, які характеризуються малою шириною ребра;
Углеволокно - екологічно чистий і токсично безпечний матеріал для армування;
Крім того, даний матеріал відрізняється вогнетривкістю і ударопрочностью.

Яким вимогам повинна відповідати ефективна технологія армування?

Для забезпечення ефективного посилення конструкції технологія армування повинна гарантувати виконання ряду умов:

Природна вологість конструкцій не повинна бути перешкодою для монтажу армуючих елементів;
Елементи армування повинні надійно приклеюватися до будь-яких будівельних матеріалів, завдяки чому буде здійснюватися ефективна передача зусиль з конструкцію, що підсилюється на армирующие елементи;
Всі матеріали, використовувані в процесі армування, в тому числі і монтажний клей, повинні характеризуватися властивостями, стабільними в часі, що дозволить підвищити ефективність армування;
У зв'язку з тим, що армування підлягають конструкції з різних матеріалів, модуль пружності і міцність армуючих елементів повинні бути представлені досить широкою лінійкою.
Всім вимогам, перерахованим вище, відповідають елементи зовнішнього армування, представлені волокнами штучного походження, зокрема арамідними і вуглецевими, при цьому останні, продемонструвавши найкраще співвідношення ціна / якість, набули найбільшого поширення.

В яких ситуаціях необхідно здійснення зовнішнього армування?

На сьогоднішній день вуглеволокно використовується для армування конструкцій з різних матеріалів:

Залізобетонних споруд - до них відносяться мости, гідротехнічні споруди і пам'ятники архітектури, які потребують захисту від корозії, посилення стиснутих елементів і їх захисту від перевантажень. З цією функцією в повній мірі справляється вуглеволокно;
Металевих конструкцій , які мають близьких до вуглеволокна модулем пружності і міцності;
Кам'яних конструкцій , зокрема кам'яних стовпів, стін цегляних будинків і пілонів.

Необхідність в посиленні будівель за допомогою зовнішнього армування виникає в наступних ситуаціях:

У разі пошкодження конструкції, що став причиною зниження її несучої здатності, жорсткості і стійкості до тріщин;
Якщо відбулася зміна умов експлуатації споруди, яке виражається в зміні величини і характеру навантажень;
В процесі проектування і будівництва конструкцій з метою підвищення їх сейсмостійкості і збільшення міжремонтних проміжків;
У разі тривалого впливу на конструкцію механічних факторів або агресивних природних середовищ, що призвів до руйнування бетону або корозії арматури, виникає необхідність усунення невтішних наслідків і посилення конструкції.
Проаналізувавши певний набір техніко-економічних показників, можна прийти до висновку, що посилення углеволокном найчастіше доречно по відношенню до залізобетонних конструкцій, проте можна застосувати і до металевих, і бетонним, і навіть дерев'яним будівлям і спорудам.

Поширені конструктивні рішення для вуглеволокна

Якщо ви віддали перевагу вуглеволокна і системам зовнішнього армування з його використанням, пам'ятайте, що проектуючи системи посилення, необхідно керуватися Зводом правил СП 164.1325800.2014 «Посилення залізобетонних конструкцій композитними матеріалами. Правила проектування».

Відмовившись від армування перекриттів руками фахівців і виробляючи їх посилення самостійно, врахуйте, що воно здійснюється за допомогою наклеювання вуглеволокна в зонах найбільшого навантаження - зазвичай вони припадають на центральну частину прольоту і стикаються з нижньою гранню конструкції. Завдяки цьому прийому значно підвищується несуча здатність конструкції по изгибающим моментам. Щоб вирішити це завдання, фахівці рекомендують використовувати будь-який з доступних видів вуглецевих матеріалів - ламелі, стрічки або сітки.

Важливо! У процесі посилення балок часто виникає необхідність в посиленні приопорних зон, що дозволить підвищити несучу здатність конструкції при впливі поперечних сил. З цією метою наклеюють U-образні хомути, виготовлені з вуглецевих сіток або стрічок.

Важливо! Що стосується особливостей використання матеріалів з вуглеволокна, необхідно відзначити, що, завдяки схожості способів монтажу і адгезивних складів, вуглецеві стрічки і ламелі, як правило, монтуються разом, тоді як використання вуглецевих сіток, в силу монтажу матеріалу «мокрим» способом, виключає застосування стрічок і ламелей.

В рамках обговорення технології армування бетону своїми руками, окремо необхідно поговорити про посилення колон, яке здійснюється за допомогою їх обклеювання вуглецевими сітками або стрічками, які монтуються в поперечному напрямку. Завдяки цьому вдається досягти ефекту «бондажірованія», що дозволяє запобігти поперечні деформації бетону.

Армування фундаменту своїми руками: покрокова інструкція

Якщо ви шукайте відповідь на питання: «Як зробити армування фундаменту своїми руками?», Ознайомтеся з нашими рекомендаціями, представленими нижче, і ви дізнаєтеся, як зробити армування плити фундаменту своїми руками.

Підготовка поверхні: рекомендації фахівців

Перш ніж приступити до монтажу системи зовнішнього армування з використанням вуглеволокна, необхідно зробити розмітку конструкції, отчертите зони, в яких будуть розташовуватися елементи посилення. Провівши розміри, очистіть поверхню від залишків оздоблювальних матеріалів, цементного молочка за допомогою углошлифовальной машинки з алмазної чашкою або водо-піскоструминної установки до тих пір, поки не оголиться великий заповнювач бетону. Намагайтеся робити ці маніпуляції якісно, так як від характеристик підготовленого підстави безпосередньо залежить ефективність системи посилення. У зв'язку з цим, в процесі підготовки підстави, зверніть увагу на наступні параметри:

Цілісність і міцність матеріалу, з якого виготовлена конструкція, що підлягає посиленню;
Рівність поверхні, на яку буде монтуватися вуглеволокно;
Температура і вологість поверхні, на яку буде наклеюватися вуглецевий матеріал;
Відсутність пилу і інших забруднень;
Крім того, існує ще цілий ряд параметрів, що контролюються, які можна знайти в технологічних картах на виконання того чи іншого виду робіт.

Підготовка армуючих матеріалів

Углеволокно продається змотатися в рулони, упаковані в поліетиленову плівку. У процесі підготовки робочої поверхні важливо стежити за тим, щоб на армуючий матеріал не потрапив пил, у великій кількості утворюється в процесі шліфування бетону, так як це призведе до того, що матеріал не просочиться сполучною речовиною і стане причиною виробничого браку.

Щоб запобігти цьому, перед розкриємо матеріалу застеліть робочу поверхню поліетиленом і тільки після цього здійснюйте виміри. Для обрізки вуглецевих сіток і стрічок можна використовувати канцелярський ніж або ножиці по металу, ламелей - углошлифовальной машинкою, оснащеної відрізним кругом по металу.

Як адгезивов рекомендують використовувати двокомпонентні склади, в зв'язку з чим, невід'ємним етапом їх підготовки буде змішування двох компонентів в певній пропорції. Щоб випадково не порушити їх співвідношення, в процесі їх дозування необхідно використовувати мірний посуд або ваги. Існує важливе правило підготовки суміші - компоненти змішують, поступово додаючи один до одного і перемішуючи отриману масу дрилем, оснащеної спеціальною насадкою.

Важливо! Помилки, допущені в процесі підготовки суміші, можуть привести до закипання адгезиву.

Важливо! На сучасному будівельному ринку можна знайти адгезиви, що поставляються в комплекті - тобто в двох відрах, в яких вже дозований необхідний обсяг компонентів. Таким чином, працюючи з уже дозованими сумішами, досить вміст одного відра змішати з вмістом іншого (для зручності роботи одне з відер поставляється більшого обсягу і залишається напівпорожнім).

Для вуглецевих сіток використовують полімерцементний адгезив, який поставляється в мішках і перед роботою розлучаються водою відповідно до інструкції.

Як зробити монтаж вуглеволоконних матеріалів?

Технологія монтажу армуючої системи істотно відрізняється в залежності від типу використовуваного матеріалу.

Монтаж вуглецевої стрічки може здійснюватися «сухим» або «мокрим» способом. І в тому, і в іншому випадку на поверхню підсилюється підстави наносять шар адгезиву, проте «мокрий» спосіб має на увазі просочування вуглецевої стрічки адгезивом з подальшим прикочуванням її валиком до основи, тоді як «сухий» спосіб передбачає кріплення стрічки до основи і тільки після прикочування валиком її просочують адгезивной сумішшю. Таким чином, послідовність етапів монтажу міняється місцями. Для здійснення просочення вуглецевої стрічки адгезивним складом на її поверхню наносять шар адгезиву і, прікативая валиком, домагаються того, щоб верхній шар сполучного речовини потрапив всередину вуглеволокна, а нижній - вийшов назовні.

Вуглецеві стрічки можна наклеювати в кілька шарів, однак при їх наклеюванні на поверхню стелі не рекомендується наносити більше двох шарів, що запобіжить «сповзання» матеріалу під тяжкістю власної ваги.

Важливо! Пам'ятайте, що після того, як відбудеться полімеризація адгезиву, його поверхня стане ідеально гладкою і рівною, що зробить його обробку практично неможливою. У зв'язку з цим, не чекаючи затвердіння сполучного речовини, ще на «свіжу» поверхню наносять шар крупного піску.

В процесі монтажу вуглецевих ламелей шар сполучного речовини наносять не тільки на конструкції, що підсилюються, а й на монтуємий елемент армування. На завершення робіт ламель накочують валиком або шпателем.

Монтуючи вуглецеву сітку, в процесі армування стрічкового фундаменту своїми руками її кріплять на зволожену бетонну поверхню. Після нанесення першого шару полимерцементного адгезиву ручним або механізованим способом, не чекаючи його висихання розгортають вуглецеву сітку, злегка вдавлюючи її в нанесений склад. Для зручності роботи фахівці рекомендують використовувати шпатель. Потім необхідно дочекатися первинного схоплювання складу, час настання якого залежить від характеристик обраного складу і температури навколишнього середовища. Щоб переконатися в тому, що склад починає укріпляти, натисніть на його поверхню пальцем - він повинен продавлюватися з великими зусиллями. Після цього наносять заключний шар полимерцемента.

Важливо! Адгезиви на основі епоксидних смол схильні до спалаху і руйнування під дією ультрафіолетових променів, в зв'язку з чим, їх необхідно перевірити на клас вогнестійкості і захистити від ультрафіолету.