Углеродное волокно — современный материал, который состоит из тончайших нитей диаметром 5-15 микрометров, образованных в основном атомами углерода. Атомы объединены в мельчайшие кристаллы, расположенные параллельно друг другу. Благодаря такому выравниванию кристаллов углеволокно обладает значительной прочностью на растяжение.
____________
Ильнур
История
Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано известным американским изобретателем — Томасом Эдисоном — в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он же предложил получать углеродные и графитированные волокна на основе различных природных волокон.
Вторично интерес к углеродным волокнам появился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жёсткостью.
__________________________________________________________________
Илья
Получение
Углеродное волокно обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.
_____________
Ильнур
Углеволокно в строительстве
В строительстве углеволокно применяется для наружного армирования и для усиления конструкций — в качестве армирующего наполнителя, обладающего значительной устойчивостью к деформациям, а также к трещинам при резких перепадах температур.
Для усиления конструкций применяют также металл и бетон, но углеволокно обладает рядом преимуществ перед ними. Главное из них — высокая прочность на растяжение. Другие плюсы — существенное уменьшение веса усиливаемой конструкции и обеспечение ее коррозионной стойкости.
______________________________________
Углеволокно можно использовать для усиления конструкций из бетона, стали и древесины. Усиленный элемент приобретает дополнительно до 120 % прочности на сжатие и до 65 % прочности на изгиб.
Усиление колонн и перекрытий, упрочнение мостов — варианты применения композитов на основе углеволокна в строительстве, кажется, неисчерпаемы.
Для повышения прочности стен зданий в сейсмоопасных зонах можно применять внешнее армирование кирпичной кладки углеволокнистой тканью.
____________
Илья
Вторая основная область применения карбона в строительстве — реставрация несущих каменных элементов. Оклеечным армированием восстанавливают опоры и балки бетонных мостов. Это наиболее ответственные государственные объекты и их надёжность доверяют углеволокну. В частном строительстве нагрузки в десятки раз ниже, а значит, усиление фундамента или углов стен будет с огромным запасом прочности. Это прекрасная альтернатива традиционным способам — подливка фундамента бетоном или установка подобных стен.
Ещё одно полезное свойство композитного материала — его нетоксичность и безвредность после полимеризации. В готовом виде он имеет глянцевую поверхность и не вступает в реакцию с водой.
__________
Ильнур
Достоинства материала
Многие знают о коррозии сборного железобетона, которую вызывает стальная арматура. При использовании сетки из углеродного волокна вместо стальной арматуры результаты получаются превосходными.
1. Бетонные стеновые панели можно делать намного тоньше.
2. Вес панелей становиться намного легче (до 75%).
3. Не требуется дополнительная теплоизоляция потому, что углеволокно не проводит тепло или холод.
4. Обладает высокой огнестойкостью.
5. Этот новый материал уже используется для производства стеновых сендвич панелей.
Недостатки
Углеродное волокно также имеет недостатки, которые должны быть приняты во внимание при планировании его использования.
1. Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами.
2. Материал имеет способность отражать электрические волны, что может быть недостатком в некоторых случаях.
3. Процесс изготовления композитов более трудоемкий, чем изготовление металла.
_______________
Илья
Стержни, изготовленные из стеклянных, базальтовых или углеродных волокон и прошедшие специальную обработку, относятся к неметаллической арматуре. Существует несколько ее разновидностей. Классификация проводится на основании использованного волокна:
§ Стеклопластиковая.
§ Базальтопластиковая.
§ Углепластиковая арматура.
________
Ильнур
Композитные материалы представляют собой конструкцию из армирующего элемента и матрицы. Армирующей основой обычно служат волокна, имеющие непрерывную структуру. Матричный компонент всегда представлен каким-нибудь полимером, формирующим стержень. Наружной поверхности композитной арматуры придаётся ребристый рельеф.
_________
Илья
Технология изготовления называется пултрузия или протяжка.
Суть метода состоит в том, что волокно пропитывается полимером и протягивается через разогретую формообразующую конструкцию.
- Вначале, волокно графита подается в полимерную ванну, в которой оно пропитывается специальным полимером.
- Из ванны волокно попадает в преформочное устройство.
- Оттуда, волокна карбона направляются в нагретую фильеру. Проходя через пресс-форму, в которой специальными нагревательными элементами создается до 6 зон с различной температурой, полимер затвердевает, и на выходе из нее получается охлажденный готовый продукт.
________
Ильнур
Внешний вид полностью повторяет классическую форму арматуры из металла: прутья и стержни диаметром сечения до 20 мм.
______
Илья
Поверхность у такой арматуры ребристая, что обеспечивает максимальное сцепление с бетонным раствором.
При внешней схожести химический состав неметаллической композитной арматуры совершенно другой. Она изготовлена из волокон карбона, связанных в единый пучок полимером. Прерывистость структуры углеродного наполнителя определяет свойства и характеристики материала, выгодно отличает его среди подобных изделий.
________
Ильнур
Углепластиковая арматура имеет широкий спектр применения. Она используется при возведении жилых домов и зданий общественного назначения, а также промышленных объектов и складских помещений.
Разрушение бетонных конструкций из-за коррозии стальной арматуры - одна из основных задач, с которой столкнулась строительная отрасль.
Главным преимуществом перед другими материалами, которое и определяет применение углепластиковой арматуры в строительстве, является её коррозийная стойкость по отношению к разным условиям внешней среды. При этом не имеет значения, является ли агрессивная среда фактором эксплуатации будущего объекта или возникает в процессе возведения.
__________
Илья
Нержавеющая композитная арматура имеет ряд преимуществ перед обычной металлической арматурой.
Достоинства углепластиковой арматуры:
· Углепластиковая арматура имеет в 3 раза большую прочность на разрыв, нежели стальная. В связи с этим проводится равнопрочная замена арматуры, при которой стальная арматура заменяется на композитную с уменьшением сечения. Это позволяет снизить вес, и стоимость арматуры, и сохранить физико-механические характеристики.
· Композитная арматура не подвержена коррозии и устойчива к воздействию агрессивных сред, в том числе, к щелочной среде бетона.
· Композитная арматура в 9 раз легче стальной при равнопрочной замене. Это позволяет экономить на транспортировке и уменьшает вес конструкции.
· Не теряет прочность под воздействием низких температур. Диапазон эксплуатационных температур от -70 °С до +100 °С.
· Композитная арматура обладает низкой теплопроводностью. Показатель теплопроводности в 100 раз ниже, чем у металлической.
· Являясь диэлектриком, композитная арматура радиопрозрачна и магнитоинертна. Не пропускает электрический ток. Предотвращает короткие замыкания электропроводки внутри бетона. Углепластик не создает помех и искажений для радиоволн.
· Высокая долговечность. Как утверждают все производители композитной арматуры, ее минимальный срок эксплуатации около 75 лет.
· Композитная арматура позволят экономить до 50% при её применении вместо стальной. Помимо того, что арматура стоит на 30-40% дешевле, существенная экономия достигается за счёт улучшения логистики поставок.
__________
Ильнур
Недостатки:
Положительных моментов у данной арматуры много, тем не менее, есть и минусы.
Первым следует назвать невысокий модуль упругости. По этому показателю арматура в 4 раза проигрывает металлической. Свойство проявляется в том, что материал не гнется, а ломается. По этой причине, ее применяют при строительстве фундамента, дороги, мостов, но использование в перекрытиях влечет за собой потенциальный риск и необходимость дополнительных расчетов.
Нужно сказать и о воздействии высокой температуры. При нагреве до 600 град. С, арматура из углепластика начинает быстро размягчаться. Поэтому при строительстве нужно предпринять дополнительные меры по теплоизоляции, в случае пожара.
Еще одним недостатком считается тот факт, что соединяют композитную арматуру только вязкой, электросварка применяться не может. На крупных стройплощадках часто надевают стальные наконечники на прутья и только после этого производят сварку.
_______
Илья
Вязка арматуры
Вязать арматуру из композитных материалов достаточно просто, если использовать специальные хомуты и клипсы.
По технологии укладки, композитная арматура аналогична традиционным стальным материалам.
Области применения композитной арматуры:
· в фундаментах ниже нулевой отметки залегания;
· в качестве гибких связей для трёхслойных стен;
· для дорожного строительства;
· в конструкциях, работающих в условиях ускоренной коррозии стальной арматуры и бетона (причалы, сухие доки, берегоукрепление).
________
Ильнур
Рынок композитной арматуры стремительно растёт. По оценкам специалистов его рост составляет 12% в год.
Здесь представлена сравнительная характеристика стоимости композитной и стальной арматуры при равнопрочной замене.
