Вуглепластикові 'пластирі': мінімально інвазивне зміцнення мостів та будівель

У повсякденному житті ми використовуємо пластир для лікування невеликих порізів та подряпин — просто і зручно. Однак тепер, коли на мостах з'являються дрібні тріщини в балках, а стіни старих будівель з часом ослаблюються, здається, легкий матеріал стає «головною силою» у зміцненні конструкцій. Інженерна технологія також прийняла подібне рішення типу «пластир» — тканину з вуглецевого волокна, яка непомітно підсилює мости та будівлі навколо нас за допомогою малотравматичних методів.
Виробничий процес односпрямованої тканини

Односпрямовану тканину з вуглецевого волокна часто використовують у проектах з підсилення вуглецевим волокном. Її виробничий процес передусім передбачає вирівнювання, фіксацію та формування ниток вуглецевого волокна, основною метою чого є забезпечення чіткого напряму ниток в одному напрямку (зазвичай уздовж) і збереження високих міцнісних характеристик. Конкретні кроки в цілому такі:

Крок перший: підготовка нитки вуглецевого волокна
Преформи з вуглецевих волокон на основі ПАН (ринковий стандарт) виготовляють із волокон поліакрілонітрилу шляхом процесів попереднього окиснення та карбонізації. Ці волокна мають діаметр 5–7 мікрометрів і відрізняються надзвичайно високою міцністю на розрив.
Крок другий: Процес шарування
За допомогою шарувальної машини тисячі або десятки тисяч вуглецевих волокон розташовуються паралельно один одному та рівномірно утворюють шари основи. Натяг та точність вирівнювання суворо контролюються, щоб забезпечити одноманітні властивості та запобігти поперечному перекосу.
Крок третій: Процес ткацтва / фіксації
За допомогою дуже тонких поперечних волокон (наприклад, скловолокна або нейлону) поздовжні нитки фіксуються шляхом ткання або склеювання. Під час ткання уток переплітається з основою з низькою густотою (кілька ниток на сантиметр), утворюючи структуру «щільна основа, розріджений уток», яка забезпечує армування без втрати міцності. Як альтернативу, може використовуватися емульсія епоксидної смоли для з'єднання матеріалу в тканину без утку, хоча ткання залишається поширенішим методом.
Крок чотири: обробка поверхні
Видаліть домішки, збільште шорсткість поверхні або нанесіть зв'язувальний агент для покращення адгезії до клею та поліпшення сумісності зі смолою.
Крок п'ятий: затвердіння та намотування
Після сушіння та затвердіння продукт проходить перевірку якості та упаковується, перетворюючись на готовий виріб. Упродовж цього процесу основна увага приділяється максимізації високої міцності поздовжніх ниток із вуглецевого волокна, тоді як поперечні нитки виконують лише допоміжну функцію фіксації.

Основою всього процесу є забезпечення паралельного вирівнювання та високої міцності на розрив поздовжніх ниток вуглецевого волокна, при цьому поперечні волокна виконують лише допоміжну фіксуючу функцію. Відповідно, односпрямована тканина з вуглецевого волокна повністю використовує властивості вуглецевого волокна на розрив уздовж своєї поздовжньої осі, що робить її високоефективною для застосування у конструкційному підсиленні, де діють розтягувальні напруження.

Принципи армування
Тканину з вуглепластикових волокон приєднують до конструкційної поверхні за допомогою сумісного смолистого клею, утворюючи композитний матеріал (CFRP), який працює у поєднанні з первинною конструкцією. Маючи надзвичайно високу міцність на розрив (приблизно в десять разів вищу, ніж у сталі), тканина з вуглепластикових волокон щільно з'єднується з бетоном через смолистий клей. Це передає зовнішнє навантаження на тканину з вуглепластикових волокон, використовуючи її високоміцні властивості для підвищення опору конструкції згину, зсувним зусиллям і сейсмічній дії, а також одночасно запобігає розповсюдженню тріщин.

Процедури виконання робіт

Крок перший: Підготовка поверхні
Очистіть бетонну поверхню, зашліфуйте розхитані шари та масляні плями, щоб створити рівну основу.
Крок другий: Нанесення епоксидної грунтівки
Нанесіть шар грунтівки на бетон, щоб забезпечити міцне прилягання тканини.
Крок третій: Нанесення тканини з вуглепластикових волокон
Змочіть наперед вирізаний волоконно-карбоновий матеріал у епоксидній смолі та нанесіть його на конструкційні ділянки, які потребують підсилення (такі як нижні частини балок, колони, плити перекриття та діафрагми мостів).
Крок чотири: Ущільнення валком та відкачка повітря
Багаторазово прокатуйте поверхню валком, щоб забезпечити рівномірне проникнення клею в волокна та видалити всі повітряні бульбашки, подібно до того, як щільно приклеюється пластер.
Крок п'ятий: Твердіння та догляд
Після затвердіння клею карбонове волокно та бетон зливаються разом, утворюючи надзвичайно міцний зовнішній шар.

Характеристики армування

Підвищення несучої здатності: нанесення на нижню сторону балок → покращення опору згину; нанесення на колони → підвищення стискальної міцності та сейсмостійкості.

Контроль тріщин: карбонове волокно запобігає подальшому розкриванню тріщин у бетоні, подібно до того, як пластер захищає рану на шкірі від погіршення.

Подовжений термін служби: стійкий до корозії, на відміну від сталі, яка іржавіє, що робить його особливо придатним для середовищ, таких як мости, що піддаються довготривалому впливу.

Легкий і ефективний: швидке будівництво, не потребує важкої техніки та практично не додає додаткової структурної ваги.

Чому карбонове полотно стало новим вибором для армування?

Порівняно з традиційними методами армування, такими як сталеві пластини чи збільшення перерізу, карбонове полотно має чіткі переваги:

Його легка природа практично не додає навантаження на початкову конструкцію. Маса менше 300 грамів на квадратний метр, мінімально змінює розподіл навантаження в будівлі після застосування , що робить його особливо придатним для підсилення конструкцій, чутливих до власної ваги, таких як старовинні будівлі та мости.

Його стійкість до корозії забезпечує стабільну роботу в агресивних умовах. Незалежно від того, чи йдеться про корозію від дії сольового туману на прибережних мостах, чи про вологі умови в підвальних балках і колонах, тканина з вуглепластикових волокон зберігає стабільні характеристики з терміном експлуатації понад 50 років.

Ефективне встановлення значно скорочує строки виконання проектів. Оскільки не потрібно важке обладнання — лише ручне нанесення — посилення будівлі площею тисячу квадратних метрів, як правило, займає всього 1–2 тижні, що значно менше, ніж при традиційних методах.