Применение углепластика в строительстве

Углеродное волокно: технологии в области строительства набирают силу

Главная страница » Углеродное волокно: технологии в области строительства набирают силу

Инновационные применения технологии углеродного волокна в строительстве оцениваются специалистами в плане полезности и экологической безопасности оптимальным выбором. Теперь продавцы недвижимости главным критерием продаж называют вес жилого дома. Поэтому запрос на углеродное волокно в строительстве видится вполне актуальным, судя по конструкции проекта «Dymaxion».

Аргументы для технологий современного строительства

Проект состоит из легкой алюминиевой обшивки листовым металлом. Обшивку держит только одна центральная мачта. Масса такой постройки составляет всего 1,5 тонны (примерно 10% веса стандартного проекта жилого дома средней величины).

Акцентирование на массе строительных конструкций становится важным аспектом современности, учитывая постоянно растущее воздействие на окружающую среду транспортировки сырья и обработанных материалов по всей планете.

Автомобильная и аэрокосмическая промышленность достигли значительных успехов, применяя стратегию «облегчения», используя новые и более лёгкие материалы, уменьшая тем самым вес компонентов. Инновационный подход позволил авиакомпаниям значительно увеличить эффективность использования топлива (на 125% за период 1978-2017 гг.).

Углеродное волокно всё чаще используется для изготовления различных сверхлёгких конструкций, начиная от кузовов автомобилей «Формулы-1», завершая велосипедными рамами.

Изготовленные из углеродных нитей, обычно вплетаемых в ткань, углеродное волокно часто покрывают смолой или термопластами для создания композитов, обладающих высоким отношением прочности к весу. В результате получается материал:

традиционной стали, материал, сравнительно легко переносящий воздействия тепла и коррозии. Эти рабочие свойства делают углеродное волокно идеальным материалом для применения в экстремальных условиях.

Углеродное волокно под строительство зданий разного типа

Несмотря на относительно высокую стоимость углеродного волокна, архитекторы и строительные инженеры стараются активно использовать углеродное волокно под строительство зданий, а также различных инфраструктурных проектов.

Павильон «BUGA 2019» — одна из демонстрационных современных конструкций, созданная на основе инновационного строительного материала – волокнистого углепластика

Например, специалисты Института вычислительного проектирования и строительства, принадлежащего университету Штутгарта, использовали углеродное волокно в качестве основного строительного материала одной из последних работ. Речь идёт о проекте волоконно-оптического павильона «BUGA 2019» года в Германии, где купол созданный:

заключенных в прозрачную мембрану ЭТФЕ (сополимер этилен/тетрафторэтилен).

Сооружение структуры выполнялось запрограммированными роботами, которыми осуществлялась доставка более 150 000 волокнистых нитей в пространственном расположении. Применяя разный тип и плотность волокна, строители получили возможность вариаций в зависимости от структурных нагрузок.

Разработанные для имитации биологических систем, углеродные волокна окружают прозрачные стеклянные волокна, образуя связанные элементы структуры, напоминающие изогнутые мышечные ткани.

Примеры прочности конструкций на углеродном волокне

Несмотря на тот момент, что работа принимает форму демонстраций на заказ, другая исследовательская группа широко внедряет углеродное волокно в общественной инфраструктуре.

Так, центром перспективных конструкций и композитов Университета штата Мэн разработана система композитных арочных мостов из углеродного волокна, армированного бетоном.

Предназначенная для однопролётных мостов длиной до 20 метров, система содержит серию труб из углепластика, заполненных бетоном непосредственно на месте, а затем покрытых железобетонным настилом.

Система «Bridge-in-a-Backpack»: 1 – композитный настил; 2 – гравийная засыпка; 3 – композитная арка; 4 – бетонное основание; 5 – боковая стена; 6 – композитный экзоскелет; 7 – бетонное ядро

Подобно надувным плотам, трубы из углепластика транспортируются на площадку в компактном сложенном состоянии — отсюда и название проекта «Bridge-in-a-Backpack» («Мост в рюкзаке).

Согласно информации центра университета, арки легко транспортируются, быстро разворачиваются и не требуют тяжёлого оборудования или крупных бригад строителей, привлекаемых в условиях обычного строительства.

Свойство лёгкости – главное преимущество нового материала

Помимо свойства лёгкости, трубы из углепластика служат бетонной опалубкой, чем устраняется необходимость в дополнительных материалах. Углепластиковые трубы также выполняют функцию коррозионного армирования бетона, обладая явным преимуществом перед сталью, которая подвержена ржавчине.

Основываясь на этих многочисленных преимуществах, система на данный момент использовалась для создания уже 23 мостов.

Отмеченные примеры демонстрируют, насколько свойство лёгкости, помимо прочих свойств материала, даёт углеродному волокну преимущество в строительстве. Но как работает это свойство лёгкости, когда проект, кроме всего прочего, требует повышения устойчивости?

Специалисты исследовательского центра Института перспективных инноваций в Ноксвилле штата Теннеси отвечают на вопрос неоднозначно. Углеродное волокно обладает ярко выраженным потенциалом лёгкого веса, но при этом требует массу энергии.

Согласно исследованию, проведенному Министерством энергетики США и специалистами Национальной лаборатории, для типичного композита углепластика требуется в среднем 800 МДж/кг. Для сравнения: сталь требует 50 МДж/кг, что приводит к получению соотношений экономии 1:16 и 1:22, соответственно.

Полиакрилонитриловые нити – материал, массово являющийся компонентом современных углепластиков – продукт производства нефтехимической промышленности

Кроме того, на каждую тонну произведенного углеродного волокна выбрасывается 20 тонн углекислого газа. Углеродное волокно также тесно связано с ископаемым топливом, поскольку наиболее распространенным сырьём является полиакрилонитрил, материал-прекурсор, производимый в нефтехимической промышленности.

Химически активированные смолы или полимеры, обычно используемые для получения углепластика, также являются производными нефти.

Энергетические потребности при транспортировке

Однако для конкретных применений углеродное волокно находит компромисс между эксплуатационной и внедрённой площадью. Углеродное волокно – материал, способный привести к значительному сокращению энергетических потребностей при транспортировке.

Так, если конструкция кузова автомобиля на 30% легче благодаря использованию углеродного волокна, выброс 50 тонн углекислого газа сокращается примерно до 1 тонны за 10 лет эксплуатации.

Если конструкция фюзеляжа самолета на 20% легче за счёт использования углеродного волокна, при тех же условиях эксплуатации ожидается сокращение углекислого газа на 1400 тонн.

Что-то в этом роде можно представить, если рассматривать концепцию карбонового фюзеляжа и других компонентов современного самолёта

Так имеет ли материал экологический смысл для неподвижных зданий? Уменьшение массы и объема материала может оказать положительное влияние на большинстве этапов жизненного цикла здания, поскольку для транспортировки, установки и возможной разборки требуется меньше топлива и тяжелой техники.

Тем не менее, рабочий аргумент в пользу углеродного волокна является более сложным аргументом для зданий в отношении экономии энергии. Правда, устойчивость материала к чрезмерному нагреву и деградации окружающей среды — критерии продления срока службы здания и сокращения объёмов технического обслуживания.

Использование углеродного волокна и строительная архитектура

Чтобы принять обоснованное решение о том, использовать ли углеродное волокно в архитектуре, проектная группа должна провести всестороннюю оценку воплощенных и эксплуатационных воздействий в течение ожидаемого срока службы здания. Другое критическое соображение, которое здесь не затронуто — конечная стоимость.

С точки зрения экологии, характеристики материала должны улучшаться:

Поскольку углеродное волокно рассматривается всё чаще экологически более выгодным строительным материалом, мечта относительно замены тяжеловесных зданий сверхлёгкой архитектурой постепенно приближается к реальности.

Строительная 3D печать: экспериментальная установка строительства бетоном

Как строят бревенчатые дома за рубежом?

Солнечное охлаждение: система кондиционирования воздуха от Солнца

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник

Применение углеволокна (карбона) в строительстве

На сегодняшний день с изделиями из бетона и стали успешно соперничают материалы из шнуров, тканей, волокон и лент изготовленных из современных углеводородов. При этом такие материалы обладают небольшой толщиной и весом.

Даже холст толщиной всего в несколько миллиметров, пропитанный отвердевшей смолой по своей прочности превосходит 15 миллиметровый лист фанеры и в пять раз прочнее стали.

Что такое углеродные волокна

Улеволокно (карбон) представляет собой полимерно-композитный материал, в основе которого лежат углеродные нити. Имеет наибольшую популярность среди других пластиков и композитов. Имея четырёх кратную прочность на разрыв, чем у наилучших марок стали, углеволокно намного легче железа (на 75%) и алюминия (на 30%).

Углеродные нити достаточно ломкие и поэтому из них создают эластичное полотно. А добавление полимерных связующих составов позволяет изготавливать углепластик, совершивший революцию во множестве сфер деятельности человека.

Для чего нужен карбон (углеволокно)

Углеродные волокна представляют собой альтернативу традиционным материалам, например, стали, алюминию, стеклопластику и для строительства легких ферм и каркасных конструкций. Они обладают высокой прочностью, надежностью, возможностью настройки, и имеют малый вес.

Углеволокно на данный момент пользуется большим спросом у строителей и ремонтников. Подобная популярность обусловлена высокой прочностью материала. Это качество очень важно при обустройстве внешнего армирования кирпичных, железобетонных и деревянных систем.

Конструкция, оклеенная углеволокном, получает дополнительно до 60 % прочности и до 110 % прочности на сжатие. Хоть и выглядит это не достаточно правдоподобно, все проверки по СНиП и ГОСТ это подтверждают. Поэтому, если собираетесь делать ремонт или занимаетесь строительством, можете в серьез подумать об усилении из карбона.

Усиление прочности конструкции позволяет сократить размеры основания. Углеволокно удерживает на себе значительные нагрузки, самое главное, чтобы было, куда его приклеить. Сокращение необходимого материала за счет использования современного карбона является актуальным мероприятием для отдаленных регионов, куда сложно доставить тяжелые строительные материалы.

Помимо этого углеволокно сейчас используют при ремонте несущих элементов из камня. Путем армирования восстанавливаются балки и опоры бетонных мостов. Как правило, используется карбон в промышленности, но может применяться и в частном строительстве, где нагрузки значительно ниже, а значит, запас прочности будет довольно большим.

Достоинства материала

Многие знают о коррозии сборного железобетона, которую вызывает стальная арматура. При использовании сетки из углеродного волокна вместо стальной арматуры результаты получаются превосходными.

Недостатки

Углеродное волокно также имеет недостатки, которые должны быть приняты во внимание при планировании его использования.

Источник

Строительство домов

Современное строительство, как и любая другая отрасль, не обходится без внедрения инновационных технологий, и уже сегодня материалы, ранее используемые только в наукоемких производствах, таких как ракетостроение, широко применяются в строительной сфере, формируя архитектуру будущего. Одной из наиболее важных задач современного строительства является предотвращение проблем, связанных с прочностью зданий и сооружений, которая находится под влиянием динамических нагрузок, перепадов температур и других агрессивных климатических факторов. В результате этого на бетонных стенах построек появляются трещины, отслаивается защитный слой, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик зданий. В связи с этим, неотъемлемым этапом строительства стало армирование несущих конструкций, призванное предотвратить их преждевременное разрушение. Если раньше популярным материалом, используемым в этих целях, долгое время был стеклохолст, то сегодня его постепенно вытесняет новый востребованный материал – углеволокно, о характеристиках и особенностях использования которого поговорим далее.

Содержание

Что такое углеволокно? Особенности использования материала

Углеродное волокно – линейно-упругий композитно-полимерный материал искусственного происхождения, структурным элементом которого являются тонкие углеродные нити диаметром от 3 до 15 микрон, состоящие из атомов углерода. Последние, в свою очередь, объединены в кристаллы микроскопических размеров, которые, благодаря выравниванию, расположены параллельно друг другу. Выравнивание способствует повышению прочности волокна на растяжение. По своим техническим характеристикам, в частности твердости, углеволокно в несколько раз превосходит металл, вследствие чего широко используется в оборонной промышленности, аэрокосмическом производстве и строительной сфере. Несмотря на то, что уникальные характеристики углеволокна позволяют считать данный материал инновационным, он не является изобретением нашего столетия и давно используется в авиа- и ракетостроении, а с конца прошлого столетия и в строительстве. Впервые в этой сфере он появился в 1980 году, когда в Калифорнии все здания и сооружения стали возводиться с использованием углеродного волокна, что позволило укрепить постройки, расположенные на сейсмически активной территории. Взяв это свойство на вооружение, отечественные строители нашли применение данному материалу в процессе проведения ремонтных мероприятий в жилых домах, и с тех пор его популярность только растет.

Важно! Следует помнить, что углеволокно, аналогично бетону, является лишь материалом, а не конечным готовым изделием. Оно является основой для изготовления большого количества материалов, используемых в строительстве для армирования своими руками. К ним относятся углеродные сетки, ламели и ленты.

Технические характеристики углеволокна: основные преимущества

Углеродное волокно состоит из полиакрилнитрита, прошедшего предварительную обработку высокими температурами (до 3-5 тысяч градусов). В силу технических особенностей, углеволокно используется для внешнего армирования, в процессе которого его пропитывают связующим веществом (двухкомпонентная эпоксидная смола) и аналогично обоям наклеивают на поверхность конструкции, нуждающейся в укреплении. Целесообразность применения именно этого связующего вещества доказана по нескольким направлениям:

На сегодняшний день углеволокно характеризуется наибольшей популярностью среди других композитных материалов. Несмотря на то, что оно на 30 % легче алюминия и на 75 % легче железа, его прочность на разрыв в четыре раза превосходит наилучшие марки стали. Изготовленное на основе углерода, углеволокно имеет низкий удельный вес и при нагревании незначительно расширяется, при этом оно не подвержено воздействию агрессивных химических веществ. С учетом вышеперечисленных характеристик, углеволокно можно считать универсальным материалом, адаптированным для использования в различных климатических зонах.

Длительный эксплуатационный срок материала объясняется сочетанием следующих его преимуществ:

Каким требованиям должна отвечать эффективная технология армирования?

Для обеспечения эффективного усиления конструкции технология армирования должна гарантировать выполнение ряда условий:

Всем требованиям, перечисленным выше, отвечают элементы внешнего армирования, представленные волокнами искусственного происхождения, в частности арамидными и углеродными, при этом последние, продемонстрировав наилучшее соотношение цена/качество, получили наибольшее распространение.

В каких ситуациях необходимо осуществление внешнего армирования?

На сегодняшний день углеволокно используется для армирования конструкций из различных материалов:

Необходимость в усилении построек посредством внешнего армирования возникает в следующих ситуациях:

Распространенные конструктивные решения для углеволокна

Если вы отдали предпочтение углеволокну и системам внешнего армирования с его использованием, помните, что проектируя системы усиления, необходимо руководствоваться Сводом правил СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования».

Отказавшись от армирования перекрытий руками специалистов и производя их усиление самостоятельно, учтите, что оно осуществляется посредством наклеивания углеволокна в зонах наибольшей нагрузки – обычно они приходятся на центральную часть пролета и соприкасаются с нижней гранью конструкции. Благодаря этому приему значительно повышается несущая способность конструкции по изгибающим моментам. Чтобы решить эту задачу, специалисты рекомендуют использовать любой из доступных видов углеродных материалов – ламели, ленты или сетки.

Важно! В процессе усиления балок зачастую возникает необходимость в усилении приопорных зон, что позволит повысить несущую способность конструкции при воздействии поперечных сил. С этой целью наклеивают U-образные хомуты, изготовленные из углеродных сеток или лент.

Важно! Что касается особенностей использования материалов из углеволокна, необходимо отметить, что, благодаря схожести способов монтажа и адгезивных составов, углеродные ленты и ламели, как правило, монтируются вместе, тогда как использование углеродных сеток, в силу монтажа материала «мокрым» способом, исключает применение лент и ламелей.

В рамках обсуждения технологии армирования бетона своими руками, отдельно необходимо поговорить об усилении колонн, которое осуществляется посредством их оклейки углеродными сетками или лентами, которые монтируются в поперечном направлении. Благодаря этому удается достигнуть эффекта «бондажирования», что позволяет предотвратить поперечные деформации бетона.

Армирование фундамента своими руками: пошаговая инструкция

Если вы ищите ответ на вопрос: «Как сделать армирование фундамента своими руками?», ознакомьтесь с нашими рекомендациями, представленными ниже, и вы узнаете, как произвести армирование плиты фундамента своими руками.

Подготовка поверхности: рекомендации специалистов

Прежде чем приступить к монтажу системы внешнего армирования с использованием углеволокна, необходимо произвести разметку конструкции, отчертив зоны, в которых будут располагаться элементы усиления. Произведя размеры, очистите поверхность от остатков отделочных материалов, цементного молочка с помощью углошлифовальной машинки с алмазной чашкой или водо-пескоструйной установки до тех пор, пока не обнажится крупный заполнитель бетона. Старайтесь производить эти манипуляции качественно, так как от характеристик подготовленного основания напрямую зависит эффективность системы усиления. В связи с этим, в процессе подготовки основания, обратите внимание на следующие параметры:

Подготовка армирующих материалов

Углеволокно продается смотанным в рулоны, упакованные в полиэтиленовую пленку. В процессе подготовки рабочей поверхности важно следить за тем, чтобы на армирующий материал не попала пыль, в большом количестве образуемая в процессе шлифования бетона, так как это приведет к тому, что материал не пропитается связующим веществом и станет причиной производственного брака.

В качестве адгезивов рекомендуют использовать двухкомпонентные составы, в связи с чем, неотъемлемым этапом их подготовки будет смешивание двух компонентов в определенной пропорции. Чтобы случайно не нарушить их соотношение, в процессе их дозирования необходимо использовать мерную посуду или весы. Существует важное правило подготовки смеси – компоненты смешивают, постепенно добавляя друг к другу и перемешивая полученную массу дрелью, оснащенной специальной насадкой.

Важно! Ошибки, допущенные в процессе подготовки смеси, могут привести к закипанию адгезива.

Важно! На современном строительном рынке можно найти адгезивы, поставляемые в комплекте – т.е. в двух ведрах, в которых уже дозирован необходимый объем компонентов. Таким образом, работая с уже дозированными смесями, достаточно содержимое одного ведра смешать с содержимым другого (для удобства работы одно из ведер поставляется большего объема и остается полупустым).

Для углеродных сеток используют полимерцементный адгезив, который поставляется в мешках и перед работой разводятся водой в соответствии с инструкцией.

Как произвести монтаж углеволоконных материалов?

Технология монтажа армирующей системы существенно отличается в зависимости от типа используемого материала.

Монтаж углеродной ленты может осуществляться «сухим» или «мокрым» способом. И в том, и в другом случае на поверхность усиливаемого основания наносят слой адгезива, однако «мокрый» способ подразумевает пропитывание углеродной ленты адгезивом с последующим прикатыванием ее валиком к основанию, тогда как «сухой» способ предполагает крепление ленты к основанию и только после прикатывания валиком ее пропитывают адгезивной смесью. Таким образом, последовательность этапов монтажа меняется местами. Для осуществления пропитки углеродной ленты адгезивным составом на ее поверхность наносят слой адгезива и, прикатывая валиком, добиваются того, чтобы верхний слой связующего вещества попал вглубь углеволокна, а нижний – вышел наружу.

Углеродные ленты можно наклеивать в несколько слоев, однако при их наклеивании на поверхность потолка не рекомендуется наносить более двух слоев, что предотвратит «сползание» материала под тяжестью собственного веса.

Важно! Помните, что после того, как произойдет полимеризация адгезива, его поверхность станет идеально гладкой и ровной, что сделает его отделку практически невозможной. В связи с этим, не дожидаясь затвердевания связующего вещества, еще на «свежую» поверхность наносят слой крупного песка.

В процессе монтажа углеродных ламелей слой связующего вещества наносят не только на усиливаемую конструкцию, но и на монтируемый элемент армирования. В завершение работ ламель прикатывают валиком или шпателем.

Монтируя углеродную сетку, в процессе армирования ленточного фундамента своими руками ее крепят на увлажненную бетонную поверхность. После нанесения первого слоя полимерцементного адгезива ручным или механизированным способом, не дожидаясь его высыхания раскатывают углеродную сетку, слегка вдавливая ее в нанесенный состав. Для удобства работы специалисты рекомендуют использовать шпатель. Затем необходимо дождаться первичного схватывания состава, время наступления которого зависит от характеристик выбранного состава и температуры окружающей среды. Чтобы убедиться в том, что состав начинает затвердевать, надавите на его поверхность пальцем – он должен продавливаться с большими усилиями. После этого наносят заключительный слой полимерцемента.

Важно! Адгезивы на основе эпоксидных смол подвержены возгоранию и разрушению под действием ультрафиолетовых лучей, в связи с чем, их необходимо проверить на класс огнестойкости и защитить от ультрафиолета.

Источник