Углеводородное волокно 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.

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

Строительство и автоматизация: эмансипация в пользу роботов на стройке

Тёплый пол водяной: конструкция своими руками

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

Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего

Главная страница » Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего

Композиты CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) — современные облегчённые и прочные материалы. Этот вид композитов удачно применим для производства различных продуктов, используемых в повседневной жизни. Полимерный композит карбона – это структура, армированная волокнами углерода, выступающего в качестве главного компонента. Следует отметить: символ «Р» аббревиатуры CFRP допускает также расшифровку «пластик», а не только «полимер».

О композитных материалах будущего

Композиты CFRP, как правило, создаются с применением термореактивных смол:

Несмотря на тот факт, что термопластичные смолы используются в составе композитов CFRP, часто можно встретить несколько иную аббревиатуру, определяющую композит как CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites). В принципе, разница несущественная.

Тем не менее, при работе с композитами важно понимать все относимые к ним термины и аббревиатуры. Не менее важно понимать свойства композитов CFRP и все возможности участвующего в них силового компонента, коим является карбон.

Преимущества композитов CFRP

Композитные материалы, армированные углеродным волокном — карбоном, резко отличаются от обычных композитов, содержимое структуры которых характерно присутствием традиционных компонентов:

Поэтому свойства композитов CFRP являются более предпочтительными для современных технологий производства.

Таким выглядит внешне строительный материал настоящего и будущего — углеродное волокно. Его также называют кратким, но ёмким словом — карбон

Этот вид материала значительно прочнее и жестче стекловолокна из расчёта на единицу веса. Остаётся лишь догадываться, какой будет разница, если сравнивать композиты из углеродного волокна с металлами.

Пока что карбон (углеродное полотно) достаточно активно применяется для производства отдельных деталей автомобилей высшего класса. На фото патрубок из карбона для мотора машины

Согласно исследованиям, при сравнении стали и CFRP, структура углеродного волокна с той же прочностью что у стали, будет весить в 5 раз меньше.

Этот момент приоткрывает очевидный интерес всемирно известных автомобильных компаний по отношению к технологиям с применением карбона вместо традиционной стали.

Если сравнивать композиты CFRP с алюминием, обладающим славой лёгкого металла, в объёмной составляющей алюминиевая структура с равной прочностью окажется в 1,5 раза тяжелее, нежели структура углеродного волокна.

Конечно, найдётся достаточное количество факторов, которые могут оказать влияние на отмеченные сравнения. К примеру, сорт и качество материалов способны изменить результаты. К тому же для композитов всегда важно учитывать производственный процесс, архитектуру волокон, качество.

Недостатки композитов CFRP

Композиты CFRP уникальные продукты, но есть серьёзная причина, заставляющая искать ответ на вопрос, отчего углеродное волокно активно не используется в гражданском строительстве.

Один из немногочисленных строительных проектов, где частично применялось углеродное волокно для создания экзотических форм. Но даже при малом внедрении материала эффект впечатляет

На текущий момент материалы CFRP остаются всё ещё сильно дорогостоящими. Правда, цена карбона нередко находится в прямой зависимости от конкретных факторов:

Сырьё углеродного волокна по цене за килограмм может варьироваться от 5-кратной до 25-кратной стоимости стекловолокна. А в случае сравнения продуктов из стали и композитов на основе CFRP, эта разница увеличивается ещё.

Таким образом, цена инновационного современного продукта является его первым главным недостатком. Второй недостаток карбона — электропроводимость. Углеродное волокно характеризуется как легко проводящее электрический ток.

Но этот недостаток сводится на нет, если отталкиваться от конкретной сферы применения. Для иных проектов электропроводимость углеродного волокна переходит из недостатка в преимущество.

Близкий родственник карбона — стекловолокно. Этот материал тоже обладает уникальными свойствами, но до углеродного волокна ему далеко. Единственное преимущество стекловолокна — свойства изолятора

Опять же, если сравнивать стекловолокно, этот продукт, напротив, характеризуется качественным изолятором. Именно поэтому многие технологии строятся на использовании стекловолокна.

Такие технологии невозможно перестроить на карбон или металл по причине наличия свойств высокой электропроводимости металла и углеродного волокна.

Карбон и перспективы развития

Углеродный волокнистый материал – карбон, обещает широкий диапазон применения, так как позволяет при различных плотностях формировать разные формы и размеры. На современном этапе традиционными формами карбона являются:

Каждую из форм доступно изготовить на заказ в любом количестве составных частей, обрезков, кусков.

Пример отдельно взятого изделия на основе углеродного волокна — зеркало заднего вида автомобиля. Здесь не столько радует дизайн, сколько безвременный срок жизни аксессуара

Уже сейчас среди примеров применения углеродных волокон разных по качеству, можно встретить привычные для массового пользователя вещи:

Карбон высокого качества применяется в сферах, где приоритетом являются новые технологии:

Тем не менее, широкого внедрения карбона пока что не наблюдается. Обусловлены ограничения, прежде всего, высокой себестоимостью процесса получения материала.

Сложности массового производства карбона требуют вливания значительных средств. Этим фактом обусловлен слабый интерес компаний к новому эффективному материалу.

Например, изготовление только лишь одного велосипеда из карбона обходится производителю, как минимум, в сто тысяч рублей. Поэтому для автомобильной промышленности или массового строительства разного рода объектов, внедрение нового материала крайне ограничено.

Этот велосипед был сделан из материала с добавлением углеродного волокна. Точная себестоимость производства экземпляра неизвестна

Актуальный пример: более-менее массовое использование углеродного волокна в конструкциях спортивных экзотических автомобилей. Правда, последние годы наметилась тенденция активного внедрения углеродно-волоконных материалов в мостостроительной сфере.

Пародия на углеродное волокно

На фоне удивительных свойств карбона традиционно активизировались любители выдавать желаемое за действительное. Рынок наполнился предложениями относительно дешёвого углеродного волокна. Внешне продукт действительно похож на карбон, но только внешне.

Фактически, выдаваемые за карбон синтетические материалы являются обычным пластиком, внешне напоминающим углеродное волокно. Такие изделия можно часто встретить среди компонентов компьютерной и другой бытовой техники.

На площадках некоторых интернет магазинов предлагается материал внешне похожий на углеродное волокно. На самом деле это обычное стекловолокно

Карбон легко перепутать с другим материалом – стекловолокном, и этим тоже пользуются недобросовестные продавцы рынка. Но стекловолокно, структурно усиленно нитями кварцевого стекла, а никак не углеродом.

Поэтому материалы из чистого карбона отличаются выраженной прочностью, в то время как материалам на основе стекловолокна присущи выраженные свойства гибкости.

Свойства карбона позволяют производить продукты без конкретных границ долговечности.

И в этом тоже существенное отличие.

Углебетон – производная углеродного волокна

Совсем недавно на строительном рынке случилась самая настоящая сенсация. Немецким инженерам удалось применить карбон в качестве арматурного элемента бетона. Так получили новый строительный материал века – углебетон. Правда, чтобы получить конечный результат, немцам потребовались годы.

Лабораторные испытания строительного материала будущего — углебетона. В раствор обычного бетона внедряются нити углеродного волокна

Новый строительный материал логично сравнить с традиционным железобетоном. Только вместо привычной стальной арматуры здесь используется тканое углеродное волокно.

Технологию применения такого вида карбона немцы держат в секрете, озвучивают лишь поверхностную технику строительства:

Таким способом получают заливную конструкцию нужной толщины и других размеров. Применение карбонного полотна в сочетании с жидким бетоном – такая технология открывает небывалые возможности для создания строительных конструкций невообразимых форм. При этом надёжность строений обещает быть на порядок выше традиционных – железобетонных.

Углеродные ламели: продолжение эпопеи карбона

Между тем наряду с карбонным полотном для бетона, на строительном рынке появилась ещё одна новинка – углеродные ламели.

Примерно так выглядит процесс усиления строительной конструкции, благодаря использованию ламелей из углеродного волокна

Пластинчатый материал, структурно представляющий углеродно-волоконный продукт. Основное предназначение углеродных ламелей:

Углеродным ламелям присущи свойства выраженной упругости при растяжениях. Этот строительные материал отличают высокие механические характеристики при его малом весе.

Пример удачного использования карбонных ламелей – укрепление мостовых опор. Производство их пока ещё остаётся дорогим, но в перспективе ситуация обещает измениться. Применять ламели из карбона на практике несложно:

Через определённый промежуток времени структура ламели пропитывается эпоксидной смолой, застывает и превращается в монолитную крепкую основу. При желании поверх такой основы можно положить декоративный слой.

Начало массового производства углеродного волокна в России

Видеоролик «Алабуга-Волокно» — наглядный информационный материал об организации современного производства углеродного волокна на территории России. «Алабуга-Волокно» — это одно из многих уникальных российских производств современности:

Новые стройматериалы и технологии: перспективы будущего

Гидравлическая известь: определение состав свойства применение формула

Как построить плавательный бассейн на основе блоков Бессера?

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник