Plastry z włókna węglowego: minimalnie inwazyjne wzmocnienie dla mostów i budynków

W życiu codziennym używamy plastrów do leczenia drobnych ran i otarć – proste i wygodne rozwiązanie. Jednak teraz, gdy mosty zaczynają pękać w belkach, a ściany starych budynków powoli luźnieją z wiekiem, pojawia się pozornie lekki materiał, który staje się „główną siłą” wzmacniania konstrukcji. Technologia inżynierska również przyjęła podobne rozwiązanie typu „plaster” — tkaninę z włókna węglowego — która w sposób mało inwazyjny niepostrzeżenie umacnia otaczające nas mosty i budynki.
Proces wytwarzania tkaniny jednokierunkowej

Tkanina jednokierunkowa z włókna węglowego to powszechnie stosowany materiał w projektach wzmacniania konstrukcji za pomocą włókien węglowych. Jej proces produkcyjny obejmuje głównie układanie, utrwalanie i formowanie nitek z włókna węglowego, przy czym głównym celem jest zapewnienie równoległego ułożenia nitek w jednym kierunku (zwykle podłużnym), zachowując jednocześnie wysoką wytrzymałość. Szczegółowe etapy można ogólnie opisać następująco:

Krok pierwszy: Przygotowanie nitek z włókna węglowego
Nitki prekursora z włókna węglowego na bazie PAN (standard rynkowy) są wytwarzane z włókien poliakrylonitrylowych poprzez procesy utleniania wstępnego i karbonizacji. Nitki te mają średnicę 5–7 mikrometrów i charakteryzują się wyjątkowo wysoką wytrzymałością na rozciąganie.
Krok drugi: Proces dziania
Za pomocą maszyny do dziania tysiące do dziesiątek tysięcy nitek włókna węglowego są ułożone równolegle wzdłużnie i jednorodnie w warstwy dzianiny. Naprężenie i precyzja ustawienia są ściśle kontrolowane, aby zapewnić jednokierunkowe właściwości i zapobiec skośnemu ułożeniu.
Krok trzeci: Proces tkania / ustalania
Za pomocą bardzo cienkich włókien poprzecznych (takich jak szklane lub nylonowe) nici podłużne są zabezpieczane przez tkanie lub spajanie. Podczas tkania wątek wcielany jest między nici osnowy z niską gęstością (kilka nitek na centymetr), tworząc strukturę "gęsta osnowa, luźny wątek", która zapewnia wzmocnienie bez utraty wytrzymałości. Alternatywnie można użyć emulsji żywicy epoksydowej, aby połączyć materiał w tkaninę bez wątku, choć tkanie pozostaje częściej stosowaną metodą.
Krok czwarty: Utrwalenie powierzchni
Usuń zanieczyszczenia, zwiększ chropowatość powierzchni lub zastosuj środek wiążący w celu poprawy przyczepności do kleju i lepszej kompatybilności z żywicą.
Krok piąty: Uformowanie i nawijanie
Po wysuszeniu i utrwaleniu produkt przechodzi kontrolę jakości i pakowanie, by stać się gotowym wyrobem. W całym procesie główny nacisk kładzie się na maksymalizację dużej wytrzymałości podłużnych nitek z włókna węglowego, podczas gdy nici poprzeczne pełnią jedynie pomocniczą funkcję mocującą.

Podstawą całego procesu jest zapewnienie równoległego ułożenia i wysokiej wytrzymałości na rozciąganie wzdłużnych nitek włókna węglowego, przy czym włókna poprzeczne pełnią jedynie pomocniczą funkcję mocującą. W związku z tym jednokierunkowy materiał z włókna węglowego w pełni wykorzystuje właściwości wytrzymałościowe włókna węglowego wzdłuż osi longitudinalnej, co czyni go szczególnie odpowiednim do zastosowań w wzmocnieniach konstrukcyjnych, gdzie występują naprężenia rozciągające.

Zasady wzmacniania
Tkanina z włókna węglowego jest przyklejana do powierzchni konstrukcyjnej za pomocą kompatybilnego kleju żywicznego, tworząc kompozytowy materiał (CFRP), który współpracuje z oryginalną strukturą. Posiadająca wyjątkowo wysoką wytrzymałość na rozciąganie (około dziesięć razy większą niż stal), tkanina z włókna węglowego jest dokładnie połączona z betonem poprzez klej żywiczny. To umożliwia przenoszenie obciążeń zewnętrznych na tkaninę z włókna węglowego, wykorzystując jej właściwości wysokiej wytrzymałości w celu zwiększenia odporności konstrukcji na zginanie, siły ścinające i działanie trzęsień ziemi, jednocześnie hamując rozwój rys.

Procedury budowlane

Krok pierwszy: Przygotowanie powierzchni
Oczyść powierzchnię betonu, oszlifuj luźne warstwy oraz plamy olejowe, aby uzyskać gładką podstawową powierzchnię.
Krok drugi: Nałóż grunt epoksydowy
Nałóż warstwę gruntu na beton, aby zagwarantować pewne przyleganie tkaniny.
Krok trzeci: Nałóż tkaninę z włókna węglowego
Zanurz wstępnie przyciętą tkaninę z włókna węglowego w żywicy epoksydowej i nałóż ją na obszary konstrukcyjne wymagające wzmocnienia (takie jak dolne części belek, słupów, płyty stropowe i środniki mostów).
Krok czwarty: Zagęszczanie wałkiem i odgazowanie
Przeciskaj powtarzalnie wałkiem, aby zapewnić równomierne przesiąknięcie kleju do włókien oraz usunięcie wszelkich pęcherzyków powietrza, podobnie jak przy mocnym przyciskaniu plastru.
Krok piąty: Utwardzanie i pielęgnacja
Gdy klej utwardnieje, tkanina z włókna węglowego i beton zostają połączone, tworząc wyjątkowo wytrzymałą warstwę zewnętrzną.

Charakterystyka wzmocnienia

Zwiększona nośność: Zastosowanie na spodzie belek → poprawiona odporność na zginanie; zastosowanie na słupach → zwiększone wytrzymałość na ściskanie oraz lepsze właściwości trwałości sejsmicznej.

Kontrola rys: Tkanina z włókna węglowego ogranicza dalsze powstawanie rys w betonie, tak jak plaster chroni ranę skórną przed pogorszeniem się.

Wyłużona żywotność: odporność na korozję, w przeciwieństwie do stali, która rdzewieje, co czyni ją szczególnie odpowiednią dla środowisk takich jak mosty, narażone długoterminowo.

Lekka i wydajna: szybka prędkość budowy, bez konieczności stosowania ciężkiego sprzętu i bez nakładania znaczącej dodatkowej wagi konstrukcyjnej.

Dlaczego tkanina z włókna węglowego stała się nowym wyborem wzmacniania?

W porównaniu z tradycyjnymi metodami wzmocnienia, takimi jak wzmocnienie płytą stalową lub powiększenie przekroju, tkanina z włókna węglowego oferuje wyraźne zalety:

Jej lekkość niemal nie powoduje dodatkowego obciążenia pierwotnej konstrukcji. Waży mniej niż 300 gramów na metr kwadratowy i minimalnie zmienia rozkład obciążeń budynku po zastosowanie , co czyni ją szczególnie odpowiednią do wzmocnienia konstrukcji wrażliwych na własny ciężar, takich jak stare budynki i mosty.

Odporność na korozję zapewnia stabilną wydajność w trudnych warunkach. Niezależnie od oddziaływania mgły solnej na mostach nadmorskich czy wilgotnych warunków w belkach i kolumnach piwnic, tkanina z włókna węglowego zachowuje stałą wydajność przy żywotności przekraczającej 50 lat.

Efektywna instalacja znacząco skraca harmonogramy projektów. Nie wymagając ciężkiego sprzętu – jedynie ręcznego nanoszenia – wzmocnienie budynku o powierzchni tysiąca metrów kwadratowych trwa zazwyczaj jedynie 1–2 tygodnie, co jest znacznie krótsze niż przy tradycyjnych metodach.