Что такое углепластик и как его применяют в строительстве

В сфере строительства постоянно появляются инновационные технологии и материалы. Один из них углепластик (карбон). Это композит, в основе которого углеродные волокна, обработанные специальными полимерными смолами. Материал стал прорывом в строительной индустрии и его задействуют при выполнении многих работ. Какие свойства углепластика обеспечивают широкую сферу применения, рассмотрим дальше. 

Особенности

Углепластик открыл Томас Эдисон в 1880 г., в процессе исследования нитей накаливания. В основе материала тончайшие ткани, размером до 15 мкм. Они состоят из атомов углерода, объединенных в микрокристаллы. Структура расположения компонентов параллельная, что обеспечивает высокую прочность. 

Углепластик производится из натуральных и искусственных веществ. Способы получения разные, но каждый из них предполагает удаление из исходного сырья всех элементов, кроме углерода. В процессе термообработки материал окисляется при температуре +250°C. Далее выполняете карбонизация – сырье помещается в инертную среду (с аргоном или азотом) и постепенно нагревается до +1500°C. Затем следует стадия графитизации – материал нагревается до 3000°C, что обеспечивает удаление всех лишних компонентов. Объем примесей в конечном продукте не превышает 1%.

Углепластики: плюсы и минусы   

Углепластики имеют ряд свойств:

1. Прочность и жесткость – углепластик выдерживает серьезные нагрузки на растяжение, изгиб и сжатие. Структура у материала прочная, как у и стали, но при меньшем весе. Показатели жесткости обеспечивают применение углепластика в конструкциях, которым важно повысить устойчивость к деформациям и продлить срок службы.
2. Легкость – композиты легче металлов в несколько раз, поэтому используются в сооружениях, в которых нежелательно увеличивать вес при реконструкции или восстановлении. Свойство важно для многих сфер, включая современную промышленность.
3. Устойчивость к коррозии и химическим соединениям – в отличие от металла, углепластик не подвержен подобным процессам. Углеволокно не разрушается в агрессивных средах и служит дольше, чем стальные изделия.
4. Термостойкость – углепластик не теряет свойства при воздействии высоких температур, поэтому может использоваться в экстремальных условиях, что делает его универсальным продуктом. 
5. Высокая гибкость и амортизационные характеристики – углепластик хорошо поглощает механические удары и вибрации, что важно для многих производственных отраслей.
6. Невысокий коэффициент трения – углепластик придает поверхностям гладкость.
7. Продолжительный срок службы – достигает нескольких десятков лет.

Дополнительно углепластик характеризуется низким коэффициентом температурного расширения. Композитный материал сохраняет размеры и форму при существенном изменении температуры. Предельные рабочие показатели достигают +350°C.

Существенный минус только один – высокая стоимость. Однако недостаток в строительстве компенсируется легкостью использования. Ремонт и другие мероприятия проводят без применения тяжелого оборудования с привлечением минимального числа рабочих, что сокращает расходы. Объект не нужно полностью закрывать на время реконструкции или менять режим работы, что минимизирует время простоя. Углепластик также не подходит для повторного использования, поскольку после полимеризации становится чрезмерно жестким. В карбон, который будет контактировать с металлом требуется дополнительное введение стекловолокна. 

Где используется углепластик

Изначально материал создавался для применения в авиационной и космической промышленности. Однако свойства позволяют задействовать продукт и в других сферах. Углепластик в строительстве используется для армирования конструкций из:

• Стальных сплавов – каркасы, балки, перекрытия и другие конструктивные элементы зданий.
• Железобетона – объекты жилого, коммерческого, промышленного назначения, мосты и различные гидротехнические объекты. Усиление углепластиком также подходит для архитектурных памятников, которые важно защитить от воздействий извне, изгибающих и других нагрузок.
• Камня – фундаменты, колонны, стены сооружений и т.д.

Усиление углепластиком может применяться на кирпичных и деревянных постройках. Материал задействуется при внесении корректировок в несущие сооружения, а также при строительстве новых этажей. Используется в районах, где часто возникают подвижки грунтов. 

Технология армирования 

Карбон в строительстве применяется в виде следующей продукции:

1. Холсты – углеродные нити направлены в одну или обе стороны. Для большей стабильности в состав вводят термопластовые волокна. Компоненты фиксируются специальным клеем. Вещество обеспечивает качественное крепление к углеволокну.
2. Полотна – нити устремлены в одну сторону.
3. Пластины – нити также направлены в одну сторону. Углепластик применяется для анкеровки усиливающих элементов.

Перед ремонтными мероприятиями объект обследуется. Эксперты осматривают здание. Проводят изыскания для определения технического состояния, расчета уровня износа и других параметров. Выявляют все дефекты. По итогам исследования разрабатывается проект, в котором указываются все исходные данные, а также объем материалов и сроки проведения реконструкции. 

Чтобы углепластик устранил повреждения и усилил конструкцию, в процессе ремонта нужно соблюдать ряд правил. Участки сооружений, к которым будет клеиться материал, тщательно очищаются от старой штукатурки и других сторонних частиц для усиления адгезии. При наличии трещин и других дефектов, они предварительно замазываются строительными смесями. По окончании углепластик обрабатывается эпоксидной смолой и приклеивается к поверхности. 

В процессе работы нужно соблюдать ряд требований:

• Углепластик нельзя клеить на стыках конструкций.
• Для обеспечения многослойного усиления, углепластик крепится поперечно, а затем продольно.
• Максимальное количество слоев, которые можно клеить на поверхности – пять.
• Для загиба карбоновых сеток на угловых участках, применяются фаски с катетами от 20 мм.
• При наличии больших трещин, перед укреплением сооружения выполняется инъектирование. 
• Ширина кусков композита – до 600 мм.

При наличии высоких нагрузок на изгиб, углепластик крепится параллельно с растягивающим усилием или стелется в месте расположения конструктивного элемента. Если нагрузки оказывают давление в 2-х направлениях, углепластик сначала закрепляется на большей стороне сооружения (например, на лицевой стороне прямоугольной плиты). Чтобы углепластик не отслаивался, в процессе крепления его нужно заводить на боковую сторону примерно на 150 мм. Если строение подвержено воздействию воды, фиксация углепластика выполняется так, чтобы влага могла уходить из основного материала конструкции. 

Если для ремонта используются ламели, связывающим составом обрабатывается не только углепластик, но и ремонтируемая поверхность. После монтажа компоненты укатываются валиком для выравнивания и усиления адгезии. Для большего укрепления сооружения сверху наносится дополнительный защитный слой.  

Участки, на которые воздействуют растягивающие нагрузки, укрепляются путем накладывания углепластика в зону, где строение подвержено сжатию. Холсты и сетки, размещенные продольно, закрепляются поперечными 3-сторонними хомутами. Размер нахлестки при креплении обойм – от 150 мм. Поперечные крепежи, которые будут устанавливаться под углом, можно создавать из 2-х частей. Они скрепляются внизу конструкции.

Заключение

Углепластик находит все более широкое применение на стройке благодаря своим уникальным свойствам. Использование углепластиковых композитов позволяет значительно улучшить показатели надежности и долговечности при возведении различных объектов. Применение продукции охватывает множество областей: от армирования бетона до создания легких и прочных конструкций. Востребованность карбона также объясняется возможностью адаптации к специфическим требованиям проектов. Современные технологии позволяют создавать материалы с нужными характеристиками, что открывает новые возможности для архитекторов и инженеров.