Какие конструкции усиливают с помощью углеволокна?

Современное строительство требует применения инновационных технологий для обеспечения долговечности и надежности зданий и сооружений. Одной из таких технологий является усиление железобетонных конструкций с помощью углеволокна.

Усиление конструкций углеволокном сегодня распространено как для устаревших зданий, так и для новостроек. Карбон обладает уникальными свойствами, которые выгодно выделяют его на фоне традиционных методов армирования. При применении качественного материала и соблюдении технологии такой способ помогает существенно увеличить несущую способность зданий.

Области применения и особенности углеродного волокна

Углеволокно получают из органических волокон, таких как полиакрилонитрил (ПАН), за счет их углеродизации при высоких температурах. Процесс производства включает производство ПАН, затем его нагревают при температуре 200-300°C. Этот процесс позволяет волокнам окислиться и переструктурироваться, что предотвращает их плавление на следующих этапах. После этого волокна нагревают до температур в диапазоне 1000-1500°C в инертной атмосфере (например, азоте). При этом большинство неметаллических элементов удаляется, оставляя в основном молекулы углерода.

Получаемый карбон отличается такими достоинствами, как:

Высокой прочностью, которая кратно превосходит сталь;
Малым весом и толщиной;
Химической инертностью;
Невосприимчивостью к биологическим воздействиям, влаге;
Отсутствием коррозии.

Усиление углеволокном благодаря свойствам карбонового полотна популярно не только в строительстве. Также этот материал активно используют в авиа- и автомобилестроении, производстве спортивного инвентаря, высокопрочных изделий для разных целей.

Когда требуется усиление карбоновым волокном

Углеродные материалы нужны, когда имеются следующие проблемы:

Физическое старение объекта, износ стройматериалов и отдельных элементов сооружения (балок, колонн, плит перекрытия, стен);
Механические повреждения сооружения;
Перепланировка, установка более тяжелого оборудования;
Надстройка новых этажей;
Нестабильность грунтового основания, просадка почвы под фундаментом;
Ранняя распалубка;
Ошибки проектирования или строительства, низкое качество стройматериалов;
Сейсмическая активность или последствия пожара, утечки из коммуникаций (и снижение прочности конструкций).

После наклеивания углеволокна оно затвердевает, становясь в 6 раз прочнее стали при минимальном весе и толщине. Материал забирает излишние нагрузки, а срок безопасной эксплуатации увеличивается.

Что можно усилить углеродным волокном

Практически любая конструкция, требующая повышения прочности при минимальном весе, может быть усилена углеволокном. Это могут быть элементы зданий, мостов, трубопроводов, детали автомобилей, лодок, велосипедов. Такой вариант армирования универсален для разных стройматериалов: с его помощью восстанавливают прочность конструкций из камня, кирпича, бетона, железобетонных и деревянных зданий.

Усиление колонн углеволокном, перекрытий, стен, других элементов может проводиться намоткой, ламинированием или использованием предварительно напряженных углеродных полотен.

Технология проведения работ по усилению углеволокном

Принцип, с которым работают при армировании композитными материалами, аналогичен для любых сооружений. Он подразумевает, что углеволокно монтируют на те участки конструкций, где выявлено наибольшее напряжение. Как правило, это центр пролета сооружения в нижней части.

Для решения конкретных задач проекта выбирают, какие элементы из углеволокна эффективнее использовать. Это могут быть ламели, ленты или сетка из композита. Если выбрана карбоновая сетка для укрепления объекта, практически всегда это не дает возможности применять еще и ленты, ламели. Причина в том, что монтаж сетки требует «мокрых» работ, тогда как ленты и ламели можно разместить «сухим» способом.

Разница между «мокрым» и «сухим» методиками монтажа в том, что в первом случае композитные ленты или ламели сначала пропитывают адгезивным связующим, а потом накладывают на основание. Во втором случае композиты сначала прикладывают к усиливаемой конструкции, а потом пропитывают их адгезивом. Состав должен хорошо пропитать слой углеволокна и выйти наружу там, где композит соприкасается с бетоном.

Подготовка к работам

Перед тем, как усиливать сооружения углеволокном, необходимо провести инженерное обследование. Оно позволяет понять:

В каком состоянии здание сейчас, какова его несущая способность;
Где находятся дефекты сооружения, чем они вызваны, насколько они масштабные;
Какие факторы влияют на прочность и надежность объекта,
Какие части здания испытывают наибольшие нагрузки, какого характера эти нагрузки.

После обследования можно проводить разметку, выполнять подготовительные работы и укреплять конструкцию. Трещины, сколы, пустоты в рабочей плоскости обязательно удалить: замазать ремонтной смесью или бетоном.

Очистка и шлифовка

Это крайне важные этапы работ, которые выполняют с помощью специального оборудования. Поверхность строительного объекта перед усилением должна быть хорошо подготовлена к монтажу композитного полотна. В другом случае бетон и композит не будут сцеплены достаточно сильно, а карбоновый слой не сможет забрать на себя чрезмерные нагрузки, разрушающие конструкцию.

При шлифовке на бетонную плиту или перекрытие не должна попасть влага! Также после процесса шлифования нужно убрать с поверхности всю пыль, грязь, чтобы основа для наклейки композита была ровной.

Монтаж

Усиление углеволокном жб, бетонных, каменных зданий требует раскроя композитного полотна по разметке. Обычно этот процесс выполняют непосредственно на стройплощадке. Место, где нарезают и хранят армирующие ленты, ламели или сетки, должно быть застелено полиэтиленом, чтобы исключить попадание на них бетонной пыли. Связующее вещество чаще всего тоже заготавливают прямо перед выполнением работ.

Преимущества усиления углеволокном

У углеродного волокна как укрепляющего материала есть ряд плюсов. Среди них:

Простота, высокая скорость монтажа;
Укладка без спецтехники, без приостановки эксплуатации объекта;
Малый вес, минимальная толщина, не меняющая геометрию усиливаемой конструкции;
Гибкость, возможность применять углеволокно на поверхностях с нестандартной геометрией, усиливать труднодоступные места;
Стойкость к действию высоких температур (до 2000 градусов), легкость применения углеволокна на промышленных объектах, в цехах;
Отсутствие дополнительной нагрузки на фундамент (в отличие от традиционных методов усиления металлом или бетонными рубашками);
Длительная служба (до 80 лет) и значительное увеличение несущей способности.

Еще преимуществами материала можно назвать сохранение внешнего вида усиленных зданий. Углеродное волокно применяют даже для исторических памятников при реконструкции, а не только для современных сооружений. Дело в том, что устройство углеродного полотна не меняет облик объекта так, как это происходит при других способах армирования, значительно улучшая прочность. Усиленная постройка меньше подвержена усталостному износу, механическим деформациям.

Важно знать, что у методики есть и недостатки. К ним обычно относят сравнительно высокую цену материала, хотя длительность результат укрепления вполне ее окупает. Еще среди недочетов углеволокна — невозможность вторичного использования. Наконец, проводить усиление конструкций углеволокном должны профессионалы: если допустить ошибки, эффект будет снижен или сведен на нет.

Как усиливать углеволокном бетонные конструкции

Для сооружений из бетона или железобетона усиление углеродным волокном хорошо подходит, если есть задача увеличивать или восстанавливать несущую способность. Можно разделить способы укрепления на инновационные (когда применяют только композитные материалы) и комбинированные. Комбинированными называют те варианты усиления, когда монтаж углеродного волокна сочетают с укреплением металлическими обоймами или бетонными рубашками, инъектированием.

Первый вид укрепления (только за счет карбона) более оптимален для объектов, которые нельзя нагружать дополнительным весом. Это могут быть сильно изношенные постройки, у которых ослаблено основание. Комбинированные варианты усиления актуальны для проектов, в которых нужно оптимизировать бюджет, а еще когда здания испытывают повышенную нагрузку.

Усилить жб объекты можно, обратившись в специализированную организацию, которая выполняет проекты разной сложности, обеспечивая качественный результат армирования объектов любого целевого профиля.