«Пластыри» из углеродного волокна: минимально инвазивное усиление мостов и зданий

В повседневной жизни мы используем пластыри для лечения небольших порезов и ссадин — просто и удобно. Однако сейчас, когда на мостах появляются микротрещины в балках, а стены старых зданий со временем постепенно разрушаются, на первый план в укреплении конструкций выходит, казалось бы, лёгкий материал. Инженерные технологии также приняли подобное решение «по принципу пластыря» — ткань из углеродного волокна, которая незаметно укрепляет окружающие нас мосты и здания с помощью малоинвазивных методов.
Процесс производства однонаправленной ткани

Однонаправленная ткань из углеродного волокна — это распространённый материал, применяемый в проектах армирования углеродным волокном. Процесс её изготовления в основном включает в себя укладку, фиксацию и формование нитей углеродного волокна, при этом основная цель заключается в том, чтобы нити были аккуратно выровнены в одном направлении (обычно продольном), сохраняя при этом высокие прочностные характеристики. Конкретные этапы в целом следующие:

Этап первый: Подготовка нити из углеродного волокна
Прекурсорные нити из углеродного волокна на основе ПАН (рыночный стандарт) производятся из полиакрилонитрильных волокон путем предварительной окислительной обработки и карбонизации. Эти нити имеют диаметр 5–7 микрометров и обладают исключительно высокой прочностью на растяжение.
Шаг второй: Процесс выравнивания
С помощью машины для выравнивания сотни и тысячи нитей углеродного волокна укладываются параллельно и равномерно в продольном направлении, образуя слои основы. Строго контролируются натяжение и точность выравнивания, чтобы обеспечить однонаправленные свойства и предотвратить перекосы в поперечном направлении.
Шаг третий: Процесс ткачества / фиксации
С помощью очень тонких поперечных волокон (например, стекловолокна или нейлона) продольные нити фиксируются путем переплетения или склеивания. При ткачестве уточные нити переплетаются с основными с низкой плотностью (несколько нитей на сантиметр), образуя структуру «плотная основа, рыхлый уток», которая обеспечивает армирование без потери прочности. В качестве альтернативы эпоксидная смола может использоваться для связывания материала в ткань без утка, хотя ткачество остается более распространенным методом.
Шаг четвертый: обработка поверхности
Удалите загрязнения, увеличьте шероховатость поверхности или нанесите соединительный агент для улучшения адгезии к клею и совместимости со смолой.
Шаг пятый: формование и намотка
После сушки и формования продукт проходит проверку качества и упаковку, становясь готовым изделием. На протяжении всего этого процесса основное внимание уделяется максимальному использованию высокой прочности продольных углеродных волокон, тогда как поперечные волокна выполняют лишь вспомогательную функцию фиксации.

Основой всего процесса является обеспечение параллельного выравнивания и высокой прочности на растяжение продольных волокон из углеродного волокна, при этом поперечные волокна выполняют лишь вспомогательную фиксирующую функцию. Следовательно, однонаправленная ткань из углеродного волокна в полной мере использует прочностные свойства углеродного волокна вдоль своей продольной оси, что делает её highly suitable для применения в конструкционном армировании, где возникают растягивающие напряжения.

Принципы армирования
Ткань из углеродного волокна приклеивается к конструкционной поверхности с использованием совместимого смолы-адгезива, образуя композитный материал (CFRP), который работает совместно с исходной конструкцией. Обладая исключительно высокой прочностью на растяжение (приблизительно в десять раз выше, чем у стали), ткань из углеродного волокна плотно соединяется с бетоном посредством клеевой смолы. Это позволяет передавать внешние нагрузки на ткань из углеродного волокна, используя её высокопрочные свойства для повышения устойчивости конструкции к изгибу, сдвиговым усилиям и сейсмическим воздействиям, а также одновременно препятствует распространению трещин.

Процедура выполнения работ

Шаг первый: Подготовка поверхности
Очистите бетонную поверхность, удалите шлифованием рыхлые слои и масляные загрязнения, чтобы создать ровную основу.
Шаг второй: Нанесение эпоксидной грунтовки
Нанесите слой грунтовки на бетон, чтобы обеспечить надежное прилипание ткани.
Шаг третий: Нанесение ткани из углеродного волокна
Погрузите предварительно нарезанную ткань из углеродного волокна в эпоксидную смолу и нанесите ее на конструкционные участки, требующие усиления (например, нижние части балок, колонны, плиты перекрытий и стенки мостов).
Шаг четвертый: Прокатка и удаление воздуха
Многократно прикатывайте роликом, чтобы обеспечить равномерное проникновение клея в волокна и удалить пузырьки воздуха, подобно тому, как плотно прижимают повязку.
Шаг пятый: Отверждение и выдержка
После отверждения клея ткань из углеродного волокна и бетон соединяются воедино, образуя чрезвычайно прочный внешний слой.

Характеристики армирования

Повышение несущей способности: Нанесение на нижнюю часть балок → улучшение сопротивления изгибу; нанесение на колонны → повышение прочности на сжатие и сейсмостойкости.

Контроль трещин: Ткань из углеродного волокна препятствует дальнейшему раскрытию трещин в бетоне, подобно тому, как повязка защищает рану на коже от ухудшения.

Продленный срок службы: устойчиво к коррозии, в отличие от стали, которая ржавеет, что делает материал особенно подходящим для эксплуатации в условиях длительного воздействия, например, на мостах.

Легкий и эффективный: высокая скорость монтажа, не требует тяжелой техники и не создает значительной дополнительной нагрузки на конструкцию.

Почему углеволокно стало новым выбором для армирования?

По сравнению с традиционными методами усиления, такими как армирование стальными пластинами или увеличение сечения, углеволокно имеет явные преимущества:

Благодаря малому весу практически не добавляет нагрузки на исходную конструкцию. Вес менее 300 граммов на квадратный метр, минимально изменяет распределение нагрузки в здании после применение , что делает его особенно подходящим для усиления конструкций, чувствительных к собственному весу, таких как старинные здания и мосты.

Его коррозионная стойкость обеспечивает стабильную производительность в агрессивных условиях. Независимо от того, идет ли речь о коррозии от соленого тумана на мостах в прибрежных зонах или о влажных условиях в балках и колоннах подвальных помещений, углеволоконный материал сохраняет постоянные эксплуатационные характеристики, а срок службы превышает 50 лет.

Эффективный монтаж значительно сокращает сроки реализации проектов. Поскольку не требуется тяжелая техника — только ручное нанесение — укрепление здания площадью тысяча квадратных метров, как правило, занимает всего 1–2 недели, что существенно меньше по сравнению с традиционными методами.