Koolstofvezel 'pleisters': minimaal invasieve versterking voor bruggen en gebouwen

In het dagelijks leven gebruiken we pleisters om kleine sneden en schaafwonden te behandelen – eenvoudig en handig. Nu echter, wanneer bruggen fijne scheuren ontwikkelen in hun balken en muren van oude gebouwen met de jaren langzaam loskomen, komt een ogenschijnlijk lichtgewicht materiaal naar voren als de 'hoofdrolspeler' bij structurele versterking. De techniek heeft ook een vergelijkbare 'pleisteroplossing' geadopteerd—koolstofvezeldoek—dat op minimale invasieve wijze stilletjes de bruggen en gebouwen rondom ons versterkt.
Productieproces van unidirectioneel doek

Unidirectioneel koolstofvezeldoek is een veelgebruikt materiaal in koolstofvezelversterkingsprojecten. Het productieproces omvat voornamelijk het rangschikken, bevestigen en vormgeven van koolstofvezeldraadjes, waarbij de kernbedoeling is ervoor te zorgen dat de draadjes netjes uitgelijnd zijn in één richting (meestal longitudinaal), terwijl tegelijkertijd hoge sterkteeigenschappen worden behouden. De specifieke stappen zijn grofweg als volgt:

Stap één: Voorbereiding van koolstofvezeldraadje
PAN-gebaseerde vezels voor koolstofvezels (de marktstandaard) worden vervaardigd uit polyacrylonitrilvezels via vooroxiderings- en carbonisatieprocessen. Deze vezels hebben een diameter van 5–7 micrometer en vertonen uitzonderlijk hoge treksterkte.
Stap twee: Omspanningsproces
Via de omspanningsmachine worden duizenden tot tienduizenden koolstofvezels parallel en gelijkmatig in lengterichting gerangschikt tot omspanlagen. De spanning en uitlijning worden nauwkeurig gecontroleerd om unidirectionele eigenschappen te garanderen en dwarsverdraaiing te voorkomen.
Stap drie: Weef-/bevestigingsproces
Door gebruik te maken van zeer fijne dwarsvezels (zoals glasvezel of nylon) worden de longitudinale draden bevestigd door weven of verbinden. Tijdens het weefproces worden de schubben in geringe dichtheid (enkele draden per centimeter) met de kettingdraden gevlochten, waardoor een "strakke ketting, losse schub"-structuur ontstaat die versterking biedt zonder de sterkte te verminderen. Als alternatief kan een epoxyharsemulsie worden gebruikt om het materiaal tot een schubloze stof te binden, hoewel weven de meest gebruikte methode blijft.
Stap vier: Oppervlaktebehandeling
Verwijder onzuiverheden, vergroot de oppervlakteruwheid of breng een koppelingsmiddel aan om de hechting aan de lijm te verbeteren en de verenigbaarheid met de hars te vergroten.
Stap vijf: Afstellen en opwinden
Na het drogen en instellen ondergaat het product een kwaliteitsinspectie en verpakking om het eindproduct te vormen. Tijdens dit hele proces staat de maximalisatie van de hoge sterkte van de longitudinale koolstofvezeldraden centraal, waarbij de dwarsdraden slechts een hulpfunctie hebben.

De kern van het gehele proces ligt in het waarborgen van de parallelle uitlijning en hoge treksterkte van de longitudinale koolstofvezelstranden, waarbij de transversale vezels slechts een hulpfunctie bij de bevestiging vervullen. Daarom benut eenduidig koolstofvezelmateriaal volledig de trekkenmerken van koolstofvezel langs zijn longitudinale as, waardoor het zeer geschikt is voor toepassingen in structurele versterking waar trekspanningen optreden.

Versterkingsprincipes
Koolstofvezelweefsel wordt met een compatibele harskleefstof verbonden aan het structurele oppervlak, waardoor een composietmateriaal (CFRP) ontstaat dat samenwerkt met de oorspronkelijke constructie. Door de uitzonderlijk hoge treksterkte (ongeveer tien keer die van staal) is het koolstofvezelweefsel strak verbonden met het beton via de harskleefstof. Hierdoor worden externe belastingen overgedragen op het koolstofvezelweefsel, dat door zijn hoge sterkte de weerstand van de constructie tegen buiging, schuifkrachten en seismische activiteit verhoogt, terwijl het tegelijkertijd scheurgroei onderdrukt.

Bouwprocedure

Stap één: Oppervlaktevoorbereiding
Reinig het betonoppervlak, schuur losse lagen en olievlekken weg om een gladde basis te creëren.
Stap twee: Breng de epoxyprimer aan
Breng een laag primer aan op het beton om te zorgen dat het weefsel stevig hecht.
Stap drie: Breng het koolstofvezelweefsel aan
Dompel het vooraf gesneden koolstofvezelweefsel in epoxyhars en breng het aan op de structurele delen die versterking nodig hebben (zoals onderkanten van balken, kolommen, vloerplaten en brugwanden).
Stap vier: Walscompressie en ontluchting
Pers herhaaldelijk met een roller om ervoor te zorgen dat de lijm gelijkmatig in de vezels doordringt en luchtbelletjes verwijdert, vergelijkbaar met het stevig aanbrengen van een pleister.
Stap vijf: Uitharden en onderhoud
Zodra de lijm is uitgehard, zijn het koolstofvezelweefsel en het beton met elkaar vergroeid en vormen ze een uitzonderlijk sterke externe laag.

Versterkingskenmerken

Verhoging van de draagkracht: aangebracht op de onderrand van balken → verbeterde buigweerstand; aangebracht op kolommen → verhoogde drukvastheid en seismische prestaties.

Kierbeheersing: Koolstofvezelweefsel beperkt verdere scheurvorming in beton, net zoals een pleister een huidwond beschermt tegen verslechtering.

Verlengde levensduur: Corrosiebestendig, in tegenstelling tot staal dat kan roesten, waardoor het bijzonder geschikt is voor omgevingen zoals bruggen die op lange termijn blootgesteld zijn.

Lichtgewicht en efficiënt: Snelle bouwsnelheid, zonder zware machines nodig te hebben en zonder significante extra structurele belasting toe te voegen.

Waarom is koolstofvezelweefsel de nieuwe keuze geworden voor versterking?

In vergelijking met traditionele versterkingsmethoden zoals plaatstaalversterking of doorsnede-vergroting, biedt koolstofvezelweefsel duidelijke voordelen:

Zijn lichtgewicht aard zorgt ervoor dat er vrijwel geen extra belasting op de oorspronkelijke constructie wordt uitgeoefend. Met een gewicht van minder dan 300 gram per vierkante meter verandert het de beladingsverdeling van het gebouw minimaal na toepassing , waardoor het bijzonder geschikt is voor het versterken van constructies die gevoelig zijn voor eigen gewicht, zoals oude gebouwen en bruggen.

De corrosiewerende eigenschappen zorgen voor een stabiele prestatie in extreme omgevingen. Of het nu gaat om corrosie door zoutnevel op kustbruggen of vochtige omstandigheden in kelderbalken en -kolommen, koolstofvezelweefsel behoudt een constante prestatie met een levensduur van meer dan 50 jaar.

Efficiënte installatie vermindert de projecttijdschema's aanzienlijk. Zonder zware machines, alleen handmatige aanbrenging, duurt de versterking van een gebouw van duizend vierkante meter doorgaans slechts 1 à 2 weken, wat aanzienlijk korter is dan bij conventionele methoden.