Заглядывая в будущее: новый строительный материал – углебетон. Применение углеволокна в строительстве: армирование и усиление несущих конструкций

Композитные материалы давно не удивляют ни строителей, ни заказчиков. Все знают об их уникальных свойствах, способности намного лучше противостоять агрессивным внешним факторам, чем традиционные материалы. Вместе с тем жизнь не стоит на месте, и каждый год в этой сфере появляются новые разработки.

Об одной из них – углебетоне – стоит рассказать подробно. Об идее его создания, свойствах и перспективах внедрения в строительство.

Углеволокно – материал давно известный и очень востребованный в разных сферах промышленного производства. Но довольно дорогой.

Процесс получения графитовых нитей заключается в многоэтапном нагреве полиакрилонитрильных или вискозных волокон в разных средах до стадии обугливания. В результате чего и появляется материал, состоящий из чистого углерода.

Свойства углеволокна

Толщина углеродной нити всего 5-10 мкм, что тоньше человеческого волоса. Состоит она из выстроенных в кристаллическую решетку цепочек атомов углерода.

Для производства волокон, нити соединяются в жгуты, в которых их может быть до 50000.
Какие же свойства материала привлекли к нему внимание и позволили использовать при производстве конструкций, работающих в самых сложных условиях эксплуатации?
В первую очередь это уникальная прочность на разрыв. Она в четыре раза превышает такой же показатель для лучших марок стали.

Это интересно. Чтобы разорвать стержень из углепластика толщиной 5 мм, потребуется усилие в 2500 кг. Тогда как такой же стержень из чугуна разрушится при 150 кг.

При этом плотность углеволокна в четыре раза ниже, чем у той же стали. Соответственно и весит материал вчетверо меньше.

Где применяется углеволокно

Композитные материалы, в которых в качестве армирующего элемента используется углеволокно, применяются в машино- и самолетостроении, производстве спортивного инвентаря, строительстве.

Нас интересует именно строительство, поэтому остановимся на этой области применения:

Здесь углеродное волокно является основой для армирующих лент, полотен и даже композитной арматуры для бетонных конструкций.
Ленты и полотна из графитных нитей представляют собой текстильный материал особого плетения, пропитанный смолами;
Арматура – это стержни из углеродных волокон, пропитанных затвердевшим полимерным связующим.

Для справки. Чтобы обеспечить надежное сцепление с бетоном, на поверхность стержней наносится песчаное покрытие либо формируются выступающие ребра.

Углеволоконная арматура Армирующий каркас из композитных стержней Углеволоконная армирующая сетка Усиление перекрытий с использованием сетки

Углеткань обладает очень высокой прочностью, поэтому с её помощью усиливают новые конструкции, или возвращают утраченные характеристики старым.

Все это пока имеет мало общего с углебетоном. Но именно особые свойства углеродного волокна и натолкнули немецких ученых на мысль о создании нового материала.

Что такое углебетон

Итак, ученые из дрезденского Института монолитного строительства, решили заменить металлическую арматуру в бетоне углеродистым волокном. Вернее, текстильным материалом, полученным из него путем переплетения с получением особой решетчатой структуры.

В результате они получили материал, буквально по всем параметрам превосходящий все известные сегодня виды бетонов. С намного большей прочностью, и меньшей удельной массой.

Внешне материал мало отличается от традиционного бетона Структура углебетона Строительный блок из углебетона

Несмотря на кажущуюся простоту изобретения, ученые-химики работали над ним несколько десятилетий, добиваясь, чтобы углеволоконный текстиль надежно сцеплялся с бетонной смесью. Для этого его обрабатывают специальным покрытием, состав которого пока держится в тайне изготовителем.

Технологии изготовления изделий из углебетона

На данный момент разработано два способа производства углебетонных изделий:

Набор слоев. Технология заключается в послойной укладке текстильного полотна на бетон с последующей заливкой. То есть, на слой смеси укладывается текстиль, заливается тонким слоем бетона, и так поочередно до получения требуемой толщины.
Заливка в опалубку. Традиционный способ, при котором в опалубке или форме сначала фиксируется углеволоконная арматура, затем заливается бетонная смесь.

Преимущества материала

При сравнении с железобетоном, углебетон выдает следующие преимущества:

Он намного легче, что облегчает и ускоряет строительство;
Углебетон прочнее в несколько раз;
Он не трескается, а находящаяся внутри арматура не ржавеет, в то время как железобетон со временем начинает разрушаться именно по этой причине.

Как следствие двух последних пунктов, углебетон гораздо долговечнее и надежнее аналогов с металлическим армированием.

Единственный минус материала – это его высокая стоимость. Однако если учесть, что конструкции из него получаются исключительно прочными, не требующими в течение многих лет ремонта и реконструкции, то этот минус компенсируется долговечностью эксплуатации.

Возможные сферы применения

К настоящему времени, разработчики уже нашли применение для этого уникального материала. В частности, они использовали его для реконструкции старых зданий исторической ценности в двух городах Германии. Без их помощи эти здания пришлось бы снести.

В будущем же планируется использовать углебетон в новом строительстве. Уже проведен эксперимент по возведению четырехметрового павильона из сложных элементов толщиной 4 сантиметра. Из железобетона такое здание построить невозможно, да и нужной прочностью оно отличаться не будет.

Ученые даже сегодня получают запросы из разных стран мира, в которых множество железобетонных строений нуждаются в срочной реконструкции. Они в свою очередь надеются, что уже через десять лет соотношение углебетона и железобетона, используемого в строительстве, составит 1:4.

Углеродное волокно - материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение.

Впервые получение и применение углеродных нитей было предложено и запатентовано известным американским изобретателем - Томасом Эдисоном - в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах.

ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА Углеродные волокна обычно получают обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются, главным образом, атомы углерода (99 %).

В строительстве углеволокно применяется для наружного армирования и для усиления конструкций - в качестве армирующего наполнителя, обладающего значительной устойчивостью к деформациям, а также к трещинам при резких перепадах температур.

Достоинства: Бетонные стеновые панели можно делать намного тоньше. Вес панелей становиться намного легче (до 75%). Не требуется дополнительная теплоизоляция потому, что углеволокно не проводит тепло или холод. Обладает высокой огнестойкостью. Этот новый материал уже используется для производства стеновых сендвич панелей. Недостатки: Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами. Материал имеет способность отражать электрические волны, что может быть недостатком в некоторых случаях. Процесс изготовления композитов более трудоемкий, чем изготовление металла

Состав композитных стержней: -Волокна (армирующий материал) -Смола (полимер) Прочие составляющие композитных стержней: -Наполнители -Добавки Волокно, главным образом, отвечает за механическую прочность. Смола- за химическую стойкость.

Основное назначение волокна: - выдерживать нагрузки; - обеспечивать прочность; - расположены по направлению основных нагрузок. Основные функции смолы: - передача напряжения между волокнами; - обеспечение боковой поддержки и предотвращение вспучивания; - защита волокон от механических повреждений и отрицательного влияния внешних факторов.

Углепластики представляют собой особо прочные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна. Они отличаются высокой плотностью – до 2 000 кг/м 3, жесткостью, легкостью и превосходят сталь по ряду параметров. Именно поэтому углепластиковая арматура интересна в качестве достойной альтернативы металлическим прутам.

По своему внешнему виду данное изделие почти ничем не отличается от предшественницы – металлической арматуры. Оно тоже имеет вид тонких прутьев или стержней с различным диаметром поперечного сечения (4 - 20 мм).

Стержень композитной арматуры условно можно разделить на две части: Сердечник, задающий основные прочностные характеристики арматуры, который представляет собой параллельные волокна, связанные связующим на основе эпоксидных смол. Внешний слой, отвечающий за свойства сцепления с бетоном, представляет собой нанесённый на эпоксидное связующее песок, который увеличивает адгезию с бетоном, т. к. сцепление происходит по всей длине стержня.

Композитная арматура предназначена для применения в бетонных конструкциях с преднапряженным и ненапряженным армированием. Коррозионно-устойчивые композитные стержни могут защитить мосты и объекты гражданской инфраструктуры от разрушающего воздействия коррозии.

Нержавеющая композитная арматура имеет ряд преимуществ перед обычной металлической арматурой. Достоинства композитной арматуры Композитная арматура не подвержена коррозии и устойчива к воздействию агрессивных сред, в том числе, к щелочной среде бетона. Композитная арматура имеет в 3 раза большую прочность на разрыв, нежели стальная. В связи с этим проводится равнопрочная замена арматуры, при которой стальная арматура заменяется на композитную с уменьшением сечения. Это позволяет снизить вес, и стоимость арматуры, и сохранить физико -механические характеристики. Композитная арматура в 9 раз легче стальной при равнопрочной замене. Так 1 п. м. стальной арматуры диаметром 12 мм весит 0, 89 кг, а равный по прочности 1 п. м. композитной арматуры диаметром 8 мм весит 0, 10 кг. Это позволяет экономить на транспортировке и уменьшает вес конструкции.

Композитная арматура позволят экономить до 50% при её применении вместо стальной. Помимо того, что арматура стоит на 30 -40% дешевле, существенная экономия достигается за счёт улучшения логистики поставок. Композитная арматура обладает низкой теплопроводностью. Например, у стеклопластиковой арматуры теплопроводность 0, 48 Вт/м К, а у стальной – 56 Вт/м К, т. е. в 100 раз меньше. Являясь диэлектриком, композитная арматура радиопрозрачна и магнитоинертна. Не теряет прочность под воздействием низких температур. Диапазон эксплуатационных температур от -70 °С до +100 °С.

Недостатки композитной арматуры Модуль упругости композитной арматуры в 3, 5 раза ниже стальной. По этой причине её можно применять в фундаментах, дорожных плитах и т. д. , но её применение в перекрытиях требует дополнительных расчетов. Низкая огнестойкость материала. При нагреве до 600ºС, арматура из углепластика начинает быстро размягчаться. Поэтому при строительстве нужно предпринять дополнительные меры по теплоизоляции, в случае пожара. Композитную арматуру невозможно сваривать – только вязать проволокой или клеить. Из композитной арматуры невозможно изготовить гнутые изделия на месте монтажа. Изготовление нестандартных гнутых элементов возможно только в заводских условиях.

Монтаж По технологии укладки, композитная арматура аналогична традиционным стальным материалам. В большинстве случаев, легкая масса композитных стержней, фактически ускоряет процесс монтажа арматуры.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Волокно (проволока) Плотность ρ, м³ Температура плавления Тпл, °C Временное сопротивление σB, МПа Модуль упругости при растяжении Е, ГПа Алюминий 2 687 660 620 73 Асбест 2 493 1 521 1 380 172 Углерод 1 413 3 700 2 760 200 Полиамид 1 136 249 827 2, 8 Полиэфир 1 385 248 689 4, 1 Сталь 7 811 1 621 4 130 200

Двадцать первый век пестрит инновациями, и строительная сфера тому не исключение.

Один из новейших и набирающих популярность материалов - углеродное (карбоновое) волокно - занял достойное место, частично вытеснив стеклохолст и подобные ему армирующие материалы.

Углеродная ткань: характеристики и особенности

Говоря строго, углеродное волокно не является изобретением нашего столетия. Его уже давно используют в авиа- и ракетостроении, обывателю же этот материал знаком в виде углепластиковых удочек и кевлара. Пройдя долгий этап освоения и совершенствования технологии, индустрия, наконец, стала готова обеспечивать углеродной тканью другие отрасли, в том числе и строительную.

Главная особенность углеродных нитей - высокий показатель удельной прочности на растяжение по отношению к собственному весу. Изделия, армированные углепластиком, сохраняют наивысшее из известных сопротивление на разрыв, при этом по материалоёмкости и общему весу они гораздо выгоднее распространённой на сегодняшний день стали.

В исходном виде углеволокно представляет собой тонкую микрофибру, которая может быть сплетена в нити, из которых, в свою очередь, может быть выткан холст любых размеров. За счёт правильной ориентации молекул, их прочной связи и достигается столь высокая прочность. В остальном волокна просто выполняют функцию армирования при любом типе конструктивного наполнителя, от эпоксидных смол до бетона.

Одна из наиболее выраженных особенностей углеволокна - его высокая сорбирующая способность. Выгода от применения карбона для укрепления элементов внутренней отделки состоит в том, что углерод не позволяет естественным примесям, красителям или растворителям проникать в воздушную среду жилых помещений. В то же время сорбционные процессы протекают абсолютно безвредно для самого волокна.

Преимущества использования

В общем и целом для строительства интересны два свойства углеволокна. Первое - структурное разностороннее укрепление - используется для придания материалу повышенной твёрдости и прочности на сжатие. Армирование структуры выполняется фиброй толщиной 5–10 мкм при различной длине волокон. Имеет смысл структурно укреплять отделочные поверхности и несущую конструкцию зданий.

Вторая цель карбоновых волокон в строительной отрасли - закладное армирование - выполняется дополнительно переработанной первичной фиброй, принимающей вид холста, ровинга, нитей, канатов и укреплённых полимерными смолами стержней. В этом случае карбоновое волокно не укрепляет сам заполнитель в целом, но служит надёжной нервущейся основой для него.

Но в чём выгода карбоновых волокон, и почему их следует предпочесть менее экзотичным материалам? Начнём с того, что по физико-химическим свойствам ближайший конкурент углеволокна - фибра стеклянная, которая достаточно широко распространена в виде стеклохолста для внутренних штукатурных работ. Однако стекло имеет гораздо более низкое сопротивление разрыву и больший вес, в то время как углеродный полимер не только прочен, но и гораздо лучше сцепляется с окружающим его твёрдым материалом за счёт высокой собственной адгезии.

Облицовка и структура, укреплённые таким образом, отличаются также увеличенной прочностью на сдвиг и скручивание, что для стали, стекла и других синтетических материалов всегда было существенной проблемой.

Однако не обходится без сложностей. В частности, при внутренней отделке зданий ставится вопрос о пожарной безопасности углеволокна. В присутствии кислорода оно выгорает уже при температурах около 350–400 °С, однако будучи «законсервированным» в безвоздушной среде, карбон сохраняет свои свойства даже при нагреве выше 1700 °C. Более высокую жаростойкость гарантирует фибра и её производные, покрытые разного рода карбидами - это надо учитывать при выборе материала для отделочных работ.

Применение в отделочных работах

Широкий ряд материалов декоративной отделки требует основания, абсолютно не подверженного образованию трещин. Сюда относится акриловая покраска, полимерные покрытия для пола, венецианская штукатурка и другие тонкие и хрупкие составы.

Если для фальшстен из ГКЛ эта проблема не стоит особенно остро, то иные материалы за счёт более выраженного линейного расширения требуют особого подхода. Для примера возьмём укрепление и изоляцию стыков однослойной обшивки, выполненной из ОСП. Практически любая шпаклёвка или клей раскрошится прямо внутри шва за год-два.

Такие стыки следует заполнять прочным полимерным клеем, а затем накрывать прилегающие края на 25–30 мм лентой из тонких карбоновых нитей и снова покрыть слоем наполнителя, тщательно разгладив заделку шпателем.

Подобная обработка в большинстве случаев не требует последующего выравнивания поверхности. Обшивка принимает монолитную прочность, а возникающие структурные перенапряжения полностью компенсируются свойствами ОСП.

Подобный принцип может применяться и при финишном выравнивании оштукатуренных стен акриловой шпаклёвкой. В этом случае углеткань - бесспорный лидер в вопросах придания ударопрочности и стойкости к трещинообразованию. Монтаж выполняется по аналогии со стеклохолстом:

Сперва тонкая сплошная обмазка поверхности.
Затем укладка полотна и его разглаживание.
После чего можно сразу же приступать к финишному выравниванию.

Холст никак себя не проявляет на внешнем виде готовой поверхности ни до высыхания состава, ни после.

Использование углеродной фибры

Повышение прочности несущих элементов зданий, отлитых по месту или фабрично, возможно за счёт добавления углеволокна в жидкий состав наполнителя. Фибру из карбона уже сейчас можно приобрести в достаточно больших количествах, что позволит уменьшить толщину стен, колонн и прочих элементов бетонной конструкции, испытывающих вертикально-осевую нагрузку на сжатие. За счёт этого освобождается достаточно много пространства для структурной изоляции или утепления конструкций.

Особенно интересен этот материал будет для любителей свайно-ростверковых фундаментов, где работа карбоновой пряжи полностью наглядна. Столб, сохраняющий прочность на сжатие в 12–15 т с учётом всех рекомендуемых запасов надёжности, имеет толщину около 80 мм. Внутри него всего две нитки полимерной арматуры, а по двум другим сторонам уложены пряди углеродного ровинга.

Много ли требуется углеволокна для армирования бетона? Отнюдь, всего 0,05–0,12 % от массы готового ЖБИ. Концентрация может быть и выше, если речь идёт, например, о гидротехнических сооружениях или о бетонных фермах перекрытий.

Системы внешнего армирования

Структура, укреплённая карбоновым волокном, настолько прочна, что может применяться даже в качестве опоясывающего армирования для элементов сильно нагруженных конструкций. Начиная от высотного домостроения и заканчивая каркасными сборными конструкциями, внешний пояс армирования предоставляет небывалую устойчивость к эксплуатационным перегрузкам.

Суть в том, что сам сердечник элемента, содержащий закладную арматуру, отливается как обычно, но при минимальном защитном слое бетона по сторонам. После снятия опалубки изделие, будь то колонна или армирующий пояс, обматывается слоем углеродного полотна или толстой нитью, а затем заливается пескобетоном с содержанием фибры. Такой подход избавляет от нужды использовать тяжёлый гранитный бетон при полном наследовании его прочностных характеристик. Более того, даже минимальный слой укреплённого углеродом бетона существенно снижает корродирование закладной арматуры.

Частным случаем наружного армирования можно назвать оклеивание узлов соединений лоскутами или лентой из углеволокна, углеродной тканью с сопутствующей пропиткой эпоксидными смолами. Такое соединение демонстрирует втрое более высокую прочность, чем обычное, что неоценимо для стропильных систем и в особенности крепления ферм к мауэрлату.

Стало почти аксиомой, что сезон строительства индивидуальных жилых домов начинается ранней весной и заканчивается поздней осенью. В среднем производственный цикл возведения фундамента и коробки кирпичного дома составляет от двух до пяти месяцев. В России существуют районы, где период плюсовой температуры едва укладывается в три месяца. Возникает вопрос: как там ведут каменные работы? К счастью, в строительной индустрии существуют системы зимнего обогрева растворов и смесей, различные химические добавки к ним, значительно понижающие барьер замерзания.

Зимой строительство не прекращают и в Центральной части России, где температура воздуха иногда опускается до –35 С.

Самая серьезная проблема зимней кладки заключается в сложности технологического процесса. Любое отклонение от правил может привести к разрушению готовых конструкций. Вода в растворе при замерзании увеличивается в объеме примерно на 6–10%. Лед в кладке тает неравномерно, вследствие чего кладка дает разную усадку, отклонение от вертикали, образование трещин. При несоблюдении технологии работ прочность зимней кладки составляет всего 40%.

Усиление конструкции углеволокном

Углеволокно выполняет огромную роль при проведении строительных работ в зимнее время. Процедура значительно увеличивает прочность и сейсмостойкость конструкций, что особенно важно там, где грунт является слабым, что может привести к деформации фундамента строения.

Углеволокно – прочный и легкий, по сравнению с арматурой, материал. Оно выдерживает большую нагрузку, до 70 тонн на квадратный мм и способно противостоять любой непогоде. В случае повреждения (углеволокно легко режется) материал не расползается дальше.

Различают два основных типа усиления конструкции углеволокном:

— поперечное (кроме углеводородных волокон используется металлическая сетка или специальные стержни из металла);
— продольное (бывает внешним или внутренним).

По функциональному назначению выделяют три углеволокна:

— рабочий (воспринимает любые усилия, появляющиеся под действием нагрузок)
— распределительный (сохраняет цельность конструкции, придает прочность каркасу)
— монтажный (создает транспортабельный каркас).

Если весной вы обнаружили, что дом дал трещину, чтобы предотвратить дальнейшее растрескивание постройки, его можно усилить углеволокном. Разрушенные перемычки очищаются, обеспыливаются, по необходимости трещины шпаклюются. Замешивается эпоксидный клей, отрезается ткань из углеродных волокон нужного размера. Эпоксидный состав наносится на поверхность. Ткань аккуратно наклеивается. Специальным валиком пропитываем ткань клеем. Завершающий этап – нанесение шпаклевочного состава из клея.

О составе пленки

Материал имеет многослойную структуру. Состоит, как правило, из трех слоев, а те, в свою очередь из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм. Два внешних слоя – светостабилизированная пленка угольного или черного цвета. Внутренний – армирующая сетка из углеродного волокна с размером ячеек от 0,2 мм до 2 см. Она придает материалу устойчивость к нагрузкам и растяжениям.

За счет стабилизаторов полимерный материал не разрушается под действием солнечных лучей и может прослужить до 50 лет. Пленка обладает теплостойкостью, морозостойкостью и может сохранять эксплуатационные свойства при температурах от + 80 до – 40 °С.

Выгоды

Теперь о деньгах. Есть, допустим, мост. Длина постройки – 15 метров, год постройки – 50. Разваливается. Есть два варианта: усилить металлическим профилем или углеродной тканью. Смета одного ремонта с помощью углеродной ткани будет меньше на 40%. Тут не нужно сложной техники, особых специалистов, углеродная ткань клеится как обои.