В данной статье авторы рассматривают способы использования углеродного волокна в строительной сфере. В работе выявлены исторические аспекты создания карбона, исследованы его характеристики, методы и способы применения.
Ключевые слова: углеродное волокно, строительство, карбон, углерод.
Современная строительная индустрия активно развивается, в основном, за счет внедрения новых материалов и использования инновационных технологий. Весьма актуальными являются проблемы, связанные со строительством конструкций, устойчивых к динамическим нагрузкам и агрессивным условиям окружающей среды. Для укрепления бетонных конструкций все чаще используют углеродные волокна, которые ранее широко применялись только в авиации и ракетостроении.
Сегодня углерод в той или иной форме востребован практически во всех отраслях промышленности. Его особенностью и, одновременно, важным преимуществом является то, что он может дополнять или даже заменять традиционные строительные материалы, такие как дерево, металл, стекло, бетон и др. В целом, это несет существенную выгоду как людям, так и природе. Углерод был обнаружен в 1880 году Т. Эдисоном при проведении опытов с нитью накаливания. Благодаря иностранным производителям и промышленникам углеродное волокно активно применяется в различных отраслях промышленности, в том числе в строительстве. В нашей стране многие проекты в области углеродного волокна были разработаны в советское время и сегодня активно возрождаются инженерами. Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. Оно формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку. За счёт физических особенностей атома углерода кристаллы в сетке располагаются параллельно относительно друг друга. Такое выравнивание является ключевым фактором, который способствует повышенной прочности волокна на растяжение [5, с. 259]. Пример структурной модели углеродного волокна представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схематическое изображение структурной модели углеродного волокна: 1 — пустоты, 2 — границы структурных поворотов, 3 — межкристаллическая граница
Использование углеродных волокон в аэрокосмической и оборонной промышленностях, а также в сфере строительства обосновывается тем, что материал из углеродных волокон по твердости значительно превосходит металл. Яркий пример использования углеродных волокон в строительстве — это применение их в Калифорнии в 1980 году для усиления зданий в сейсмически активной зоне. В отечественном строительстве материал, как правило, используется в ремонтных работах, но его популярность и масштаб постепенно растут.
Углеродные волокна обладают относительно долгим сроком службы, это явление основано на их свойствах, которые включают в себя высокую устойчивость к процессам коррозии и отличную адгезию к поверхностям с различными структурами, а также легкость и прочность. Благодаря тому, что углеродное волокно обладает довольно малой массой, оно используется в системах армирования, что, в свою очередь, существенно снижает нагрузку на фундамент здания. Поверхность углеродного волокна является глянцевой, что позволяет исключить возможность реакции с водой. К преимуществам также относится высокая огнестойкость, ударопрочность и возможность наносить материал в несколько слоев. Проведение ремонтных работ любого типа, где возможно применение углеродного волокна, может осуществляться без прекращения эксплуатации самого здания. Материал является полностью токсически безопасным и экологически чистым, что, безусловно, является важными преимуществами с точки зрения безопасности человека и окружающей среды. Углеволокно может использоваться при армировании конструкций практически любых конфигураций, таких как ребристые поверхности, угловые и закругленные элементы, балочные сегменты рамных конструкций и др. Составляющей углеродного волокна является полиакрилнитрит, который предварительно обрабатывается высокой температурой (в пределах 3000° — 5000°С) [7, с. 98]. На рис. 2. Представлены варианты усиления конструкций композитными материалами в строительстве.
Рис. 2. Усиление конструкции композитными материалами
Вышеприведенные характеристики и параметры материала, во многом, обуславливают внешнее армирование как наиболее распространенное применение углеродных волокон в строительстве. В этом случае волокно пропитывают двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая действует как связующая. Установка материала похожа на процесс поклейки обоев — материал просто приклеивается к поверхности конструкции, которая усиливается [2]. Использование именно эпоксидной смолы, в качестве связующего вещества, обусловлено следующими особенностями материала:
− такая смола имеет высокие адгезивные свойства по отношению к бетонным поверхностям.
− компоненты углеволокна и смолы вступают между собой в химическую реакцию, в результате которой углеводород приобретает жёсткость пластика и становится прочнее стали в 7 раз.
Благодаря всем вышеперечисленным свойствам и параметрам, углеродное волокно уверенно занимает лидирующую позицию среди композитных материалов. Прочность материала на растяжение в четыре раза выше, чем у стали высшего качества, при этом удельный вес весьма невелик: углеволокно на 75 % легче железа и на 30 % легче алюминия. Незначительное расширение материала при нагревании позволяет использовать углеродные волокна в самых различных и агрессивных климатических условиях.
Несмотря на все преимущества, углеволокно, разумеется, имеет и недостатки, которые необходимо учитывать при проведении строительных работ. Список недостатков карбона короткий, но эти недостатки обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Как правило, выделяют три основных недостатка:
− углеродное волокно является хорошим отражателем электрических волн;
− материал имеет, сравнительно, высокую стоимость;
− изготовление композита более трудоёмкое, чем производство металла [3, с. 73].
Использование углерода позволяет успешно укреплять конструкции из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, структура, армированная таким материалом, становится прочнее на 120 % за счет сжатия и дополнительно приобретает прочность на изгиб на 65 %. В дополнение углеродное волокно можно применять для восстановления каменных конструкций, таких как, например, балки и опоры для бетонных мостов. Также, в частном строительстве, укрепление фундамента или стен с помощью углерода обеспечивает здание большим запасом прочности.
Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в следующих случаях:
− конструкция была повреждена, в результате чего её несущая способность снизилась и стали появляться трещины;
− изменились условия эксплуатации помещения, возросли нагрузки на него;
− постройка здания планируется в сейсмически активной зоне;
− для устранения разрушений бетона и коррозийных процессов в арматуре, если постройка долгое время подвергалась агрессивному воздействию внешней среды [1, с. 116].
Если углеродное волокно было выбрано в качестве одного из компонентов внешней системы армирования на этапе проектирования строительства, в работу следует включить Свод правил 164.1325800.2014. Производя армирование самостоятельно, нужно учитывать, что наклеивание карбона осуществляется в зонах наибольшей нагрузки: как правило, это центральная часть пролета, которая соприкасается с нижней гранью. Для работы с изгибами можно выбрать любой тип материала — лента, сетка или планки [4, с. 65]. В процессе армирования балок может возникнуть необходимость в дальнейшем усилении приопорных зон, которые увеличивают несущую способность всей конструкции при поперечных нагрузках, для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.
Углеродное волокно в строительстве можно использовать для армирования зданий и сооружений из следующих материалов:
− камень. К ним относятся мачты, пилоны, кирпичные дома. Углеродное волокно применимо здесь как в процессе постройки, так и при проведении ремонтных работ;
− железобетон. Здесь углеродное волокно можно использовать для строительства гидротехнических сооружений, мостов и др;
− металл. Такие структуры имеют модуль прочности и упругости вблизи углеродного волокна, но их усиление все еще необходимо, особенно в областях с неустойчивыми грунтами.
Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд условий, таких как отсутствие естественной влаги, надежное сцепление с поверхностью здания и использование материалов, обладающих высоким качеством для обеспечения максимальной эффективности.
Несмотря на растущую популярность использования углеродных волокон, технология их применения остается довольно сложной и трудоемкой. На сегодня углеродное волокно — это довольно дорогой материал, требующий определенных навыков его монтажа и наличия специального оборудования. Можно предположить, что дальнейшее развитие в сфере строительства коснется и ответвления углеродных волокон, что, в свою очередь, позволит совершить технолого-экономический скачок и сделает применение углеволокна в строительстве более легким и дешевым.
Литература:
- Алимов Л. А. Строительные материалы: Учебник / Л. А. Алимов. — М.: Academia, 2018. — 317 c.
- Барабанщиков Ю. Г. Строительные материалы и изделия: Учебник / Ю. Г. Барабанщиков. — М.: Academia, 2019. — 368 c.
- Барабанщиков Ю. Г. Строительные материалы и изделия: Учебник / Ю. Г. Барабанщиков. — М.: Academia, 2015. — 64 c.
- Волков Г. М. Машиностроительные материалы нового поколения: Учебное пособие / Г. М. Волков. — М.: Инфра-М, 2015. — 320 c.
- Ганиева Т. Ф. Современные дорожно-строительные материалы: Учебное пособие / Т. Ф. Ганиева. — СПб.: Проспект Науки, 2015. — 144 c.
- Лукаш А. А. Новые строительные материалы и изделия из древесины: Монография / А. А. Лукаш, Н. П. Лукутцова. — М.: АСВ, 2015. — 288 c.
