Углеродное волокно в строительстве

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

Применение углеволокна в строительстве

Немного истории: как появился карбон

На сегодняшний день углерод в том или ином виде востребован практически во всех промышленных отраслях. Особенностью и главным его преимуществом является то, что он способен гармонично дополнять традиционные строительные материалы, будь то стекло, метал, дерево или бетон или же и вовсе заменить их, что весьма выгодно и для человека, и для природы.

Открыт углерод еще в 1880 году Т. Эдисоном в процессе исследования нити лампы накаливания. Благодаря зарубежным производителям и промышленникам углеволокно стало активно применяться в различных отраслях, в том числе и в строительстве. На территории нашей страны последние проекты с использованием углеволокна разрабатывались еще в советские времена, потому сейчас они активно реанимируются инженерами.

Углеволокно: характеристика материала и особенности его использования

Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. 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.

Широкое использование углеволокна в аэрокосмической сфере и оборонной промышленности, а также для сооружения зданий обосновано тем, что по твердости материал значительно превосходит металл. Углеволокно в строительстве начали использовать в 1980 году в Калифорнии для укрепления построек, находящихся в сейсмически активной зоне. В отечественном строительстве материал применяется, как правило, в процессе ремонтных работ, но его популярность и сфера использования постепенно растет.

Технические характеристики и плюсы применения в строительстве

Столь продолжительный эксплуатационный срок углеволокна обусловлен такими характеристиками:

При этом волокно пропитывается двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая выступает связующим веществом. Монтаж производится аналогично обоям – материал просто наклеивается на поверхность конструкции, которая укрепляется.

Использование именно эпоксидной смолы в качестве связующего вещества обусловлено следующими особенностями материала:

Благодаря таким характеристикам углеволокно занимает лидирующие позиции среди композитных материалов. Прочность материала на разрыв в 4 раза превосходит сталь лучших марок, несмотря на то, что он на 75% легче железа и на 30% алюминия. Удельный вес углеродного волокна относительно низкий, а при нагревании материал расширяется незначительно, что обеспечивает возможность применение углеволокна в различных климатических зонах.

Недостатки углеволокна

Список недостатков карбона короткий, но обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Выделяют три основных недостатка:

Применение углеродного волокна в строительстве: основные варианты

Эффективность карбона позволяет успешно применять его для армирования конструкций из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, сооружение, усиленное таким материалом, становится прочнее на сжатие до 120%, а на изгиб получает еще плюс 65% прочности.

Помимо такого варианта использования, углеродное волокно также успешно используется для реставрации каменных конструкций, к примеру, балок и опор бетонных мостов. В частном строительстве усиление фундамента или стен посредством карбона придаст сооружению большой запас прочности.

Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в таких случаях:

Если углеродное волокно было выбрано на этапе проектирования постройки, как один из компонентов системы внешнего армирования, то в работе следует руководствоваться Сводом 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 – ленты, сетки или ламели.

В процессе армирования балок может возникнуть необходимость дополнительного укрепления приопорных зон, что повысит несущую способность всей конструкции при поперечной нагрузке. Для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.

Где следует осуществлять внешнее армирование карбоном

Углеволокно в строительстве может быть использовано для усиления зданий и сооружений из таких материалов:

Условия успешного процесса армирования внешних конструкций

Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд таких условий:

Профессиональное внешнее армирование углеволокном

Несмотря на возрастающую популярность использования углеродного волокна, технология его применения остаётся достаточно сложной для домашнего мастера. Потому если вы хотите осуществить строительные или ремонтные работы с таким композитным материалом, то следует доверить это профессионалам. Компания ИнноваСтрой уже много лет успешно осуществляет проекты по возведению объектов разной сложности.

Нашей фирме по силам любые задачи: начиная от проектирования постройки до сдачи готового объекта с отделкой. Что касается углеволокна, то это очень дорогой материал, который требует определенных навыков его монтажа, а также наличие специального оборудования. Для успешного выполнения армирования следует подготовить поверхность и сам композитный материал, правильно осуществить его монтаж (что зависит от типа конструкции), а затем грамотно нанести следующие слои.

ИнноваСтрой готова взяться за весь спектр работ по армированию постройки, а также выполнить ремонтные работы уже готовых сооружений с укреплением их карбоном. Мы работаем в строительной сфере уже не первый год и знаем территориальные особенности каждого региона, а потому сможем рассчитать целесообразное количество материала.

Сотрудничество домов и коттеджей с нами является гарантией таких преимуществ:

Убедиться в нашем профессионализме вы можете, связавшись с менеджером компании по телефону. Мы с радостью ответим на все ваши вопросы и предоставим консультацию. Настало время заказать индивидуальный проект дома и получить жилье своей мечты!

Источник

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.

Торкрет-бетон: технология получения высокопроизводительной строительной смеси

Американский стандарт ACI 318-19 под новые требования к строительному бетону

Технологии строительства домов столбами и балками

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник