Углеволокно для усиления конструкций: Как выбрать? Как использовать? Какое бывает?

Отличие углеволокна от композитного материала и полимерного материала 

Нередко в статьях про углеволокно авторы и читатели путаются в показаниях. Одни утверждают, что углеволокно — это композит, вторые — что это полимер. Но насколько это всё правда?

Мы хотим раз и навсегда поставить точку в этом вопросе и помочь Вам не только не запутаться во всей этой терминологии, а также кратко изложить важность понимания различий между углеродным волокном, композитным материалом и полимерным материалом.

Итак, запоминайте: 

1. Углеродное волокно — нити из углерода, которые сами по себе не являются конечным материалом. Это прочная и жесткая основа. Волокна, которые используют для создания других материалов;
2. Композитный материал — это комбинация двух и более материалов, которые, в сочетании, повышают армирующую способность при усилении сооружения.
   Это происходит за счёт объединения исключительных характеристик каждого из материалов.
   Например, объединим углеродное волокно и эпоксидную смолу. В данном случае, углеродное волокно является прочной основой, а полимерная смола выступает в качестве клея. Полученный композитный материал именуется карбоном. 
3. Полимерный материал — это связующий элемент в композитах, который гарантирует прочное сцепление волокон с поверхностью.

Проще говоря, углеродное волокно — это армирующий компонент, полимер — это смола/клей/матрица, а композит — готовый материал(например, карбон), сочетающий оба этих компонента.

Примечание: углеродное волокно получается из полимеров, но ни в коем случае не заслуживает того, чтобы его называли или считали “ полимером”, поскольку это углерод в чистом виде, а не синтетический материал. 

Что такое углеволокно?

Итак, углеволокно — это компонент из нитей углерода, полученных путём специальной термической обработки полимеров (окисление, карбонизация и графитизация), при которой устраняются все элементы, кроме углерода. После всех этапов обработки, углеволокно входит в состав композитных материалов и находит достойное применение в разных областях строительства как важный армирующий элемент. 

Углерод, полученный таким интересным способом, наделяет композитные материалы высокой степенью прочности и упругости, оставаясь при этом лёгким и устойчивым к воздействию внешних факторов. Именно это подарило материалу такую высокую  степень огласки и доверия в строительном мире. Композитные материалы из углеволокна особенно актуальны в ситуациях, когда необходимо быстро, надёжно и бюджетно усилить несущие конструкции.

Процесс создания углеволокна

Получение углеволокна, на основе которого производятся композиты — процесс трудозатратный, но весьма интересный. 

Интересным процесс, как мы уже говорили в самом начале, делает трехэтапная обработка полимеров: окисление, карбонизация и графитизация. 

Разберём каждый этап по отдельности.

1. Окисление кислородом исходного компонента при температуре +250°С.
   Стабилизирующий этап перед карбонизацией, который длится 24 часа и  придаёт структуре полимера термостойкость;
2. Карбонизация в аргоновой или азотной среде.
   На этом этапе изготовления производят нагрев полимеров до +800°С, затем, в среде азота или аргона, повышают этот показатель до +1500°С. Этот этап увеличивает содержание углерода до 90% в составе полимера;
3. Графитизация посредством нагрева до очень высоких температур.
   Это завершающий этап производства, при котором на весь объём полученного углеволокна приходится >99% углерода и ≤1% примесей путём нагрева от 1600°С до +3000°С. 

Повышая содержание углерода в составе, углеволокно, от этапа к этапу, становится всё более адаптивным и наделяется тем самым уникальным пакетом характеристик, за которые его так ценят, а именно:

1. Прочность и жесткость;
2. Лёгкий вес;
3. Термостойкость;
4. Химическая устойчивость;
5. Коррозийная стойкость;
6. Низкий коэффициент трения;
7. Адгезия;
8. Долговечность;

Вы удивитесь, но благодаря обработке полимерами, композитные материалы из углеволокна становятся настолько прочными и жесткими, что превосходят саму сталь. 

После этапа полимеризации, укреплённые композитами конструкции способны выдержать значительные нагрузки без какой-либо деформации.  

Несмотря на это, композитные материалы из углеволокна тонкие и имеют лёгкий вес. Это позволяет не утяжелить вес конструкции, сохранить полезную площадь сооружения и, при всём этом, сформировать гладкую поверхность за счёт низкого коэффициента трения материала. 

Углеволокно адгезивно и, при контакте с различными, даже самыми агрессивными химическими материалами, сохраняет свои свойства и несущую способность конструкции в первозданном виде. 

В отличии от металлических конструкций, углеволокно не подвержено коррозии, поскольку не окисляется под воздействием влаги.

Усиление композитами на основе углеволокна также защищает конструкции от термического воздействия, поскольку материал сам по себе устойчив к среде с частыми колебаниями температур, от самых низких, до самых высоких. 

Помните, что время не щадит постройки, и всё же углеволокно помогает сооружениям оставаться пригодными к эксплуатации на протяжении нескольких десятков лет. Долговечность здесь играет только на руку, поскольку использование композитных материалов на основе углеволокна позволяет в значительной степени сократить расходы на обслуживание сооружения. 

Виды композитных материалов для строительства на основе углеволокна

Разобравшись со всеми названиями и характеристиками, мы, наконец, готовы рассказать Вам о композитных материалах, одни из которых —  однонаправленные, а вторые — двунаправленные. Это важно, поскольку вид композита подбирается отталкиваясь от особенностей формы конструкции и нагрузок на неё. 

Однонаправленные:

1. Углеродные ленты – тканая продукция. Плотность от 230-600 г/м²;
2. Углеволоконные ламели – жесткие пластины из углеродных волокон, толщина которых составляет 1,2-1,4 мм. 

В данных композитах углеродные волокна расположены в одном направлении. Это обеспечивает максимальную прочность при давлении вдоль основного вектора нагрузки элемента, работающего на растяжение или изгиб. Например, балки или колонны.

Двунаправленные:

1. Углеродные сетки — тканая двунаправленная продукция. Используется с полимерцементным компонентом. Плотность — от 150-600 г/м²;
2. Углеродные холсты — тканая продукция. Плотность от 230-600 г/м².

В данном типе композитов углеволокна расположены в двух перпендикулярных направлениях, что позволяет им выдерживать разные векторы усилия и применять их на поверхностях, подвергающихся нагрузкам сразу в нескольких направлениях Например, на стены и плиты. Подходит для укрепления сложных форм, ремонта поврежденных поверхностей, усиления и защиты поверхностей от трещин.

Композитные материалы с низкой плотностью (150–300 г/м²) часто используются для усиления конструкций, где не требуется сверхвысокая несущая способность. Подходит для защиты от мелких трещин и последующего их образования. 

Более плотные композитные материалы (400–600 г/м²) обеспечивают прочность и жесткость сооружениям с высокой несущей способностью, необходимые для продолжительной стойкости и безопасности конструкций.

Чем более плотным будет материал, тем большим будет расход на пропитку этого материала полимером (смолой, матрицей, клеем). 

Области применения композитных материалов на основе углеволокна 

Углеволокно в составе композитов — материал с широким спектром применения, с помощью которого возводят балки и колонны, а также, создают легкие строения с высоким профилем прочности, которые используются в качестве каркасов высоток, ангаров, мостов и т.д.;

Усиление композитными материалами стен, фундамента и перекрытий повышает устойчивость к механическим и химическим воздействиям, при этом, несущая способность конструкций возвращается всецело. 

Армирование конструкций композитами заменяет металлические компоненты в железобетоне, за счёт чего срок службы объектов увеличивается, а расходы на обслуживание — снижаются.

Углеволокно востребовано в транспортной сфере, где требуется ремонт и усиление мостов, эстакад и т.д.;

С помощью композитов также улучшается общая эстетика зданий, а на их основе изготавливаются облицовочные панели. 

Композиты подходят для усиления конструкций из кирпичной и любой другой каменной кладки и дерева. Востребованы при реконструкции объектов и их реставрации, а также, при перепланировках или изменении этажности. 

Плиты и панели на основе углеволокна энергоэффективны, поэтому подходят для утепления стен, крыши и полов. 

Когда требуется укрепить конструкцию углепластиком?

Усиление конструкций композитными материалами проводится при необходимости и не противоречит строительным нормам, а лишь повышает показатели надёжности конструкции до заданных значений:

• Тогда, когда необходимо исправить ошибки, допущенные при строительстве, которые рано или поздно приведут к частичному или полному обрушению здания за счёт снижения несущей способности конструкции;
• Тогда, когда Вы обнаружили дефекты  в виде трещин, пробоин, проседания и деформации несущих сооружений;
• Тогда, когда запланированы перепрофилирование или реконструкция, обусловленные изменениями в назначения здания и возрастающей на него нагрузкой;
• Тогда, когда на здание идёт постоянное воздействие агрессивных внешних факторов. Это осадки, ультрафиолетовое излучение, сильный ветер, микроорганизмы, капиллярная влага и перепады температур;
• Тогда, когда необходимо оказать изолирующий эффект, создать дополнительную опору и остановить разрушительные процессы; 
• Тогда, когда необходимо увеличить несущую способность конструкций;
• Тогда, когда необходимо снять или перераспределить нагрузку на разрыв и сжатие, давления на колонны, перекрытия и балки; 
• Тогда, когда необходимо повысить устойчивость построек к вибрациям и механическим повреждениям.

Методика крепления углеволокна

Методика крепления углеволокна будет зависеть от типа конструкции, уровня нагрузок, условий эксплуатации и от характеристик композитного материала. 

Холсты можно укладываться двумя способами:

• Сухим: сухой композит укладывается на поверхность, которую предварительно покрыли адгезивным слоем.
  Материал обрабатывают эпоксидной смолой уже на месте.
  Данный метод проще и дешевле в исполнении. Часто используется для усиления небольших поверхностей, где несущая способность конструкции не является критически важным параметром;
• Мокрым: при мокром методе, перед самим наклеиванием, композит дополнительно пропитывается адгезивом и только после этого подвергается обкатке валиком.
  Мокрый способ нанесения обеспечивает более высокую адгезию и однородность армирующего слоя, что важно для конструкций с повышенными нагрузками.
  

Менее плотные композиты хорошо подходят для сухого метода, потому что они быстро и равномерно пропитываются смолой уже после укладки. 

Плотные углеволоконные холсты и ламели требуют более тщательной пропитки адгезивом для равномерного распределения состава. 

Мокрый способ обеспечивает полную пропитку всех волокон и обязателен для усиления объектов, где требуется максимальная прочность. 

После полимеризации углеволокно приобретает гладкую поверхность, поэтому финишная отделка не обязательна. 

Оба метода требуют тщательной подготовки поверхности и правильного нанесения адгезивного слоя. 

Процесс укрепления конструкций композитными материалами на основе углеволокна

После тщательного обследования и оценки состояния здания, определения типов и масштабов дефектов, происходит процедура локализация дефектов. 

Процесс усиления углеволокном любых элементов сооружения включает в себя ряд шагов:

• Для начала, необходимо подготовить поверхность. С места, которое нуждается в усилении — убирают пыль, остатки старой отделки и грязь. При необходимости, устраняют следы коррозии и покрывают новым бетонным слоем;
• Чтобы углепластик лёг ровно, при наличии дефектов геометрии здания необходимо выровнять поверхность, а трещины и впадины заделать ремонтной смесью;
• Далее процесс раскраивания композитного холста. Опираясь на техническое задание проекта, холсты режут на ламели и ленты или используют уже в изготовленном виде;
• Затем идёт разметка рабочего основания под монтаж углеволокна, раскроенного по проектной документации. Если упустить этот этап, то велика вероятность образования нахлёстов, что делает конструкцию не эстетичной, и, что самое важное, снижает эффективность усиления. Это можно исправить, сделав ещё один слой углеволокна. Хоть монтаж в несколько слоев более надежен, но так возрастает стоимость проекта;
• Нанесение эпоксидной смеси на поверхность конструкции;
• Поклейка композитного материала на поверхность конструкции;

Важно: каждый отрезок композитного материала должен плотно прилегать к поверхности без образования под ним пузырьков воздуха. 

Преимущества и недостатки усиления конструкций композитными материалами из углеволокна

Усиление конструкций композитными материалами на основе углеволокна имеет ряд привилегий по сравнению с усилением консервативными методами.
Для наглядности, мы решили предоставить Вам сравнительную таблицу отличий между усилением конструкций композитными материалами на основе углеволокна против традиционных методов:

При усилении углеволокном первоначальное сечение элемента конструкции остаётся неизменным.

Вес композитов из углеволокна в 25 раз ниже аналогов  из бетона/металла. Применение композита позволяет реконструировать сооружения и здания, изменение массы которых нежелательно и даже опасно. 

Только посмотрите на эту разницу: 

1. Вес 1 м² углеволокна толщиной 1 мм: 300 г (0,3 кг);
2. Вес 1 м² стального холста толщиной 1 мм: 7,5 кг.

Если соотнести вес углеволокна к стали/бетону, то мы получим: 

Выходит, углеволокна потребуется всего 4% ( в 25 раз меньше) от веса стали:

Получается, чтобы усилить один и тот же объект, Вам понадобится либо 300 кг углеволокна, либо около 7,5  тонн стали. Заставляет задуматься, не правда ли? 

Композитные материалы имеют высокую коррозионную стойкость и не требуют регулярных затрат на обработку.

Экономичность при усилении данным методом обусловлена стоимостью на  композитные материалы из углеволокна и отсутствием необходимости задействовать дополнительную рабочую силу и спецтехнику.

Углеволоконные материалы просты в использовании, за счёт чего добиться необходимого результата удаётся в 2-3 раза быстрее в сравнений с другими методами.

Размерные ограничения отсутствуют, поскольку длина холстов составляет не менее 50 метров. 

Композитные материалы, в составе которых присутствует углеволокно, уникальны своими прочностными качествами, которые касаются изгибания, упругости и прочности на разрыв и растягивание. Именно поэтому мы рекомендуем применять композиты для усиления конструкций сложной архитектурной формы.

Рекомендации по усилению углеволокном

Чтобы достичь предела эффективности и долговечности при использовании композитов из углеволокна, рекомендуем Вам обратить особое внимание на такие ключевые аспекты, как:

1. Исследование и системный подход ко всем требованиям проекта — подбирается стройматериал, который оптимально подходит для конкретных условий работы;
2. Соблюдайте технологию монтажа и учитывайте рекомендации производителей, чтобы обеспечить сохранность всех заявленных характеристик композита и предотвратить нарушения эксплуатации;
3. Учитывайте температурные воздействия внешней среды и соблюдайте компенсаторный принцип охранных зон, поскольку даже незначительно, но  все стройматериалы могут сжиматься или расширяться при снижении или росте температуры; 
4. Хотя мы уже говорили, что композиты устойчивы к высоким температурам, всё же дополнительная защита от огня усилит инертность к термическому воздействию; 
5. Чтобы увеличить срок службы объекта, проводите периодические проверки на устранение мелких дефектов.

Следование этим рекомендациям обеспечит усиленным композитами объектам  долговечность и продолжительную эксплуатацию материалов без снижения их первоначальных характеристик

Углеволокно: заключение статьи

Спасибо, что дочитали эту статью до конца. 

Как и в самом начале, мы надеемся, что помогли Вам разобраться в том, как выбрать, как использовать и какими бывают композитные материалы из углеволокна.

Вне зависимости от выбранного Вами метода, для эффективного применения углеволокна крайне важно соблюдать технологии монтажа и усиления. Важно, чтобы материал был правильно применен и соответствовал всем техническим требованиям и задачам  проекта. 

В перспективе, развитие применения углеволокна повышает  безопасность и долговечность объектов и конструкций с его применением. Углеволокно и по сей день продолжает занимать ключевое место в инновационных решениях для современной строительной промышленности.