В строительной отрасли тихо, но верно происходят большие перемены: традиционные стройматериалы, такие как дерево, сталь и алюминий, заменяются современными композиционными материалами, в частности — углеродным волокном. Объем мирового рынка композитов ежегодно возрастает, поскольку строители и инженеры осознают их преимущества и стремятся включать в реализуемые проекты.
Углепластик: что это за материал?
Композитный материал углепластик — это полимер, изготовленный из тонких нитей атомов углерода, связанных вместе в кристаллической структуре, что приводит к исключительному соотношению прочности к весу. Большинство углеродных волокон производятся с использованием полиакрилонитрила, пека или вискозы в качестве прекурсора.
Выбранный прекурсор прядут для создания длинных волокон, которые после нагревают в бескислородной среде в процессе стабилизации, чтобы предотвратить их возгорание или усадку. После стабилизации волокна карбонизуются при температуре 1000-3000 ℃ в инертной азотной атмосфере для вытеснения почти всех неуглеродных элементов. В результате в кристаллической структуре остаются почти чистые атомы углерода. Нити поверхностно обрабатываются для улучшения адгезии к матричным материалам и наматываются на катушки.
Для создания композита жесткие при растяжении и сжатии углеродные волокна должны поддерживаться в стабильной матрице для сохранения формы детали. В качестве основы часто используется эпоксидная смола, обладающая хорошими физическими свойствами. Оба компонента имеют низкую плотность, поэтому при их соединении получается легкий, но очень прочный полимерный материал.
Углепластик: свойства и применение в строительстве
Металлы обычно изотропны, то есть имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Характеристики углепластика варьируются в зависимости от направления и ориентации нитей. Армирующие волокна сами по себе прочны на растяжение, но не обладают жесткостью и сопротивлением сжатию. При размещении внутри эпоксидной смолы они становятся жесткими вдоль оси, прочными на растяжение и сжатие.
В зависимости от технологии направления укладки углепластик обеспечивает в 2-10 раз большую жесткость, чем алюминий и сталь аналогичного веса, при меньшей плотности. Он на 42% легче алюминия и более чем в 5 раз легче стали. Деталь, изготовленная из стандартного углепластика той же толщины, что и алюминиевая, на 31% жестче, на 42% легче и на 60% прочнее. Теплопроводность углепластика в 40 раз ниже алюминия и в 10 раз ниже стали, поэтому он является хорошим изолятором.
| Параметр | Алюминий | Сталь | Однонаправленный углепластик | Двунаправленный углепластик |
| Жесткость (модуль Юнга), ГПа | 69 | 200 | 181-380 | 90,5-190 |
| Жесткость по отношению к весу, 106·м2·с-2 | 26 | 25 | 113-240 | 56-120 |
| Удельная прочность,кН·м/кг | 214 | 254 | 252-785 | 126-392 |
| Предел прочности на разрыв, кН·м/кг | 500 | 100 | 252-1600 | 126-800 |
| Плотность, г/см3 | 2,7 | 4,5 | 1,55 | |
| Теплопроводность, Вт/м·К | 210 | 50 | 5-7 | |
Параметры карбоновой ткани обуславливают ее преимущества:
- высокие прочностные параметры на разрыв и жесткость;
- легкость;
- химическая инертность и коррозиестойкость;
- электропроводность, защищающая сопряженные компоненты от гальванической коррозии;
- при использовании высокотемпературной эпоксидной смолы — отсутствие деформаций под влиянием климатических факторов: экстремальной жары, холода, влажности, ливней, ветра;
- высокая теплопроводность по длине волокон;
- гибкость и пластичность, возможность адаптации к различным геометриям;
- эстетичный внешний вид;
- возможность комбинирования с другими стройматериалами;
- долговечность.
Эти характеристики определяют применение углепластика в строительстве. Он хорошо подходит для изготовления окон, дверных систем, внешней отделки, террас, колонн, заборов и пергол. В силу легкости для перемещения изделий из карбона требуется меньше рабочей силы. Показатели сопротивления усталости и гибкости делают углепластик более устойчивым к трещинам, чем металл и бетон, особенно при воздействии повторяющихся несущих нагрузок. Он имеет повышенные прочностные параметры на сжатие и может выдерживать более высокое давление. Благодаря повышенной устойчивости к влаге, дождю, радиации и химическим веществам конструкции, упрочненные углепластиком, эффективно работают в любых условиях окружающей среды. Использование защитных покрытий делает их стойкими к ультрафиолету.
Усиление углепластиком
Углепластик в строительстве используется преимущественно для усиления различных частей строений. Укрепление балок, перекрытий и несущих конструкций имеет решающее значение в новых и реставрирующихся зданиях. Углепластик упрочняет критически важные элементы без добавления веса и изменения геометрических форм. В настоящее время наблюдается тенденция применения углеродного волокна для усиления деревянных балок в исторических сооружениях, чтобы сохранить их эстетику и одновременно повысить структурную целостность. В новых конструкциях углепластик дополняет передовые архитектурные проекты, обеспечивая значительную гибкость проектирования и более длинные пролеты без большого количества традиционных стройматериалов.
Высотные сооружения требуют задействования материалов с исключительной прочностью, упругостью и управляемыми габаритами. Углепластик идеально подходит для армирования железобетонных столбов и колонн. Он может использоваться в лицевых плитах как замена стальной арматурной сетки и в качестве механической связи с внешними и внутренними секциями бетонной стены. Сетка из углепластика не корродирует и надежно укрепляет лицевую сторону стеновой панели, что позволяет использовать сниженный объем бетона и получать более легкий конечный продукт: стеновая плита с армированием сеткой из углеродного волокна весит примерно на 40% меньше обычной сборной панели.
Приклеивание тонкого гибкого листа углеволокна к поверхности бетона с помощью термореактивной смолы увеличивает ограничение в колоннах, сдвиговую и изгибную способности балок и плит. Прочность на изгиб и сдвиг можно повысить, монтируя стержни из углеродного пластика вблизи поверхности или в смежных деталях. Использование углеволокна в бетонных элементах приводит к повышению несущей способности, делает здания более безопасными и долговечными. В сейсмоопасных районах столбы, армированные углепластиком, повышают уровень безопасности, поглощая и распределяя сейсмические силы эффективнее, чем традиционные стройматериалы.
Усиление углепластиком — оптимальное решение для восстановления несущей способности и продления периода эксплуатации стареющих мостов и инфраструктуры. Он используется для восстановления структурной целостности и упреждающего укрепления мостов, которое позволяет им выдерживать возрастающие транспортные нагрузки и экологические стрессы.
В силу гибкости и стабильности углепластик применяется для сейсмической модернизации сооружений. Оборачивание колонн, арматуры и других критических фрагментов конструкций карбоном позволяет лучше подготовить здания к нагрузкам, вызываемым землетрясениями. Это применение особенно важно при модернизации старых построек, которые изначально не были рассчитаны на сейсмическую активность.
Конструкции, задействованные в управлении водными ресурсами, часто подвергаются коррозионному воздействию. Благодаря коррозиестойкости углепластик хорошо подходит для армирования резервуаров для очистки воды, трубопроводов и канализационных систем. Эти работы продлевают срок службы конструкций, обеспечивают их надежность и безопасность, что важно при управлении водными ресурсами.
