Применение карбона в строительстве

Достаточно долго и сложно: первыми в 1980 году стали использовать карбон в строительстве американцы, когда впервые попробовали применить его для укрепления конструкций, расположенных в сейсмоактивной зоне.

И с тех пор уже неоднократно подтверждалось, что оклеенная углеволокном конструкция становится прочнее на 60 %, а также до 110 % повышается ее прочность на сжатие. Как бы сказочно ни выглядели данные цифры, а неоднократное тестирование конструкций по СНиПу и ГОСТу данный факт таки подтверждают.

Современное строительство и ремонт с использованием карбона

Итак, внешнее армирование композитными материалами с содержанием карбонового волокна всё более популярно в наши дни. И это поистине оправданно: усиление прочности элементов конструкции оказалось настоящей находкой, например, для строительства в очень отдаленных регионах нашей страны, куда долго и дорого доставлять тяжелые стройматериалы. Ведь наклеенное на части конструкции углеволокно оказалось способным удержать на себе очень высокие нагрузки.

Кроме того, подобным методом армирования стало возможным восстановить тяжелые балки и мощные опоры бетонных мостов, каменных конструкций, перекрытий тоннелей и фундаментов.

Всё это относится к промышленному строительству, но в последнее время карбоновый композит стал популярным и в частном зодчестве. Ведь, понижая нагрузку, можно увеличить запас прочности и, как следствие, продлить срок эксплуатации сооружений. Как это происходит?

Вот, благодаря чему это возможно:

• углеткань с эпоксидной смолой априори обладает высокой адгезией — независимо от того, какой структурой обладает поверхность укрепляемой конструкции. Такое волокно поистине можно назвать универсальной, поскольку его легко использовать. Иными словами, независимо от сложности формы и поверхности частей конструкции, материал идеально ложится на углы, ребристые поверхности, на рамные и блочные сегменты конструкций;

• такая ткань обладает устойчивостью к коррозии в отличие от металлосодержащих материалов;

• низкий вес карбона при его высочайшей прочности уменьшает нагрузку несущих стен на фундамент. Кроме того, малый вес практически не ограничивает количество используемых слоев;

• композит также выполняет функции изоляции от влаги. Он практически не впитывает воду и не вступает с ней ни в какую химическую реакцию;

• высокая огнестойкость этого материала также повышает пожаробезопасность сооружений;

• большое значение имеет и экологическая безопасность материала. Материал нетоксичный, в каких бы условиях не использовалось бы помещение;

• еще одним преимуществом является возможность не останавливать во время ремонта эксплуатацию здания.

С какими же строительными материалами целесообразно использовать углепластик?

Как материал для внешнего укрепления он отлично усиливает прочность каменных конструкций, а также железобетонных и металлических. Причем использовать такой способ укрепить стены можно на самых разных стадиях возведения постройки — но об этом лучше подробнее.

Когда применяют внешнее армирование зданий и сооружений углепластиком

Таким относительно простым и доступным по стоимости способом можно усиливать несущую способность здания без необходимости дополнительно укреплять фундамент еще на начальных этапах строительства. Но можно и в ситуациях уже завершенных работ — например, когда условия эксплуатации помещения изменились и нагрузки возросли.

Технология позволяет также дополнительно укрепить и защитить уже готовые постройки от разрушений в сейсмически активных зонах, увеличив их несущие способности к изгибающим моментам.

Пригодится карбон и при проведении ремонтных работ, когда частично снижается несущая способность здания — об этом могут свидетельствовать трещины стен (к такой ситуации может привести процесс коррозии стальной арматуры железобетона). Технология «карбонизации» позволяет продлить жизнь тяжелым плитам перекрытия и балкам, а также усилить приопорные зоны и несущие колонны.

Состав и технологии монтажа углеродной ткани

Полиакрилнитрит, входящий в состав углеродного волокна ткани, используемой для внешнего армирования зданий, предварительно обрабатывается при экстремальных температурах (в диапазоне от 3 000 ° до 5 000 °С). А волокна пропитываются двухкомпонентной эпоксидной смолой, выполняющей функцию связующего. По отношению к бетонным поверхностям такое связующее обладает высокими адгезивными свойствами.

Армирование осуществляется углетканью, карбоновой сеткой, ламелями или лентами, создавая таким образом своеобразные ребра жесткости и U-образные хомуты. Такие строительные бандажи препятствуют поперечной деформации бетонных конструкций.

Но в зависимости от типа карбонового армирования применяют разные технологии его монтажа.

• Углеродные ленты укладываются «сухим» или «мокрым» методом. Оба метода предполагают нанесение на основание ткани слоя адгезирующего вещества с тем отличием, что при «мокром» способе лента предварительно тоже должна пропитываться адгезирующим веществом, а после с помощью валика плотно прикатываться к основанию. «Сухой» же метод предполагает предварительную прикатку ленты к основанию, а уже потом ее пропитывание адгезирующим средством. Однако при любом способе нужны не только связующие вещества, но и подходящие инструменты. Так, валик помогает качественно пропитать ленту составом адгезива, хотя равномерно распределить его можно и шпателем, добиваясь, чтобы верхний слой связующего вещества пропитался вглубь ленты, а нижний появился снаружи.

• Карбоновую ленту можно использовать сразу в несколько слоев. Это только повысит прочность без критической весовой нагрузки.

• Можно также использовать углепластиковые ламели. При их использовании адгезирующий состав должен наноситься на саму поверхность усиливаемой конструкции, после чего их надо прикатывать шпателем либо валиком.

• Может быть и углеродная сетка — она монтируется на влажную бетонную поверхность. Тут порядок таков: сначала наносится слой полимерцементного состава, далее, не дожидаясь полимеризации, по поверхности раскатывается карбоновая сетка и шпателем она вдавливается в состав. Раскатывать сетку можно либо вручную, либо при помощи торкрета. Далее составу нужно дать немного «схватиться», после чего нанести финишный слой полимерцемента. Почему не нужно дожидаться полимеризации? Дело в том, что после того как завершится процесс отверждения полученная поверхность станет гладкой, что сильно затруднит нанесение отделочных материалов. По этой причине еще до завершения процесса полной полимеризации обычно наносят еще и слой песка крупной фракции.

Армирование бетона карбоном

Сетка из углеродного волокна, используемая вместо металлической, не только защищает стройматериал от коррозии, как в случае с армированием металлом, но и вообще дает отличные результаты. Какие же ее основные преимущества?

• Стеновые панели, армированные углеволокном, значительно снижаются в весе, избавляя строителей от необходимости соблюдать большую толщину конструкций. Иными словами, высокая прочность карбона позволяет делать их тоньше и легче (у них получается до 75 % меньше веса) без ущерба надежности и долговечности сооружения.

• Дополнительно создавать при строительстве теплоизоляционный слой тоже нет необходимости, поскольку углеволокно не отличается теплопроводностью, а это значит, что холод не будет проникать внутрь и стены не повлекут высокие потери тепла.

• Армирование карбоном также повышает огнестойкость.

Все перечисленные преимущества давно привлекли внимание производителей сэндвич-панелей, которые стали с успехом пользоваться такими инновациями даже несмотря на то, что данный технологический ход приводит к удорожанию строительства.

Но не только этих мастеров привлек углепластик. Теплоизоляционными качествами карбоновых композитов заинтересовались и производители фасадной штукатурки. Только они стали использовать мельчайшие карбоновые волокна (диаметром не более 15 микрон), которые начали добавлять в основной состав. С таким подходом не только повышаются энергосберегающие характеристики фасада, но и в среднем в 10 раз увеличивается его прочность. Такой облицовке не страшен даже крупный град и сильнейший шквалистый ветер, который поднимает в воздух крупные ветки, камни и мусор. Одним словом, фасадная штукатурка с углепластиковой добавкой дает впечатляющие результаты.

О недостатках использования углепластика

На фоне высоких эксплуатационных характеристик, которые приобретают стройматериалы, а также здания и сооружения при армировании с использованием карбона, с углеволокном связаны и некоторые приобретаемые недостатки.

• Углеволокно является токопроводящим материалом и одновременно экраном для электромагнитного излучения. Хотя, если это важно, то данный недостаток можно обойти технически — правда, без «танцев с бубном» не обойтись.

• И, конечно, использование материалов с карбоновым армированием значительно повышает стоимость строительства.

Еще одно применение карбона

Следует упомянуть и о том, что не могли пройти мимо такого уникального материала и архитекторы-дизайнеры. Благодаря им всё чаще места общественного отдыха украшают современные элегантные инсталляции, а также малые архитектурные формы из углепластика. Что говорить, если карбоновый холст в несколько миллиметров толщиной при пропитке связующим веществом становится более прочным, чем лист фанеры толщиной 15 мм и в 5 раз прочнее тонколистовой стали.

А технологии позволяют создавать из карбона предметы абсолютно любой формы и конструкции.

Особенности работы с композитными материалами

Для задач армирования углеродные материалы поставляют в виде рулонов, упакованных в полиэтиленовую пленку. Учитывая наличие строительной пыли, к хранению материалов на строительной площадке предъявляются особые требования. А именно: до момента укладки и пропитки их связующим веществом нельзя допустить осаждение на их поверхности любой строительной пыли.

Также работа с адгезивами требует определенных навыков, поскольку они, как правило, имеют недолгий период пребывания в жидком состоянии. И чем выше окружающая температура, тем это время больше сокращается.