Углеволокно для усиления конструкций и зданий

Для Российской Федерации в 1997 году появился новый способ для усиления конструкций и зданий – применение углеволокна. Данный метод заключается в закреплении на поверхность зданий прочного углеволокна, которое принимает на себя большую часть усилий. В роли сцепления, а точнее клея, здесь играют специальные строительные адгезивы на основе эпоксидных смол, либо минерального вяжущего. Благодаря специфическим возможностям и способностям углеволокна, с его помощью удается удвоить несущую способность здания без потери общего объема помещений.
Сразу стоит понять, что углеволокно – это не конечное изделие, прежде всего оно является строительным материалом, как, допустим, дерево или бетон. Из этого материала можно получить множество других полезных, таких как:

• углеродные ленты;
• строительные сетки;
• ламели.

История появления

В 1880 году был открыт углерод. Его создателем является Т. Эдисон. Зарубежные производители за короткое время смогли внедрить углерод на рынок продаж, он стал активно применяться в различных сферах, чаще всего в промышленных и строительных отраслях.

В России проводились различные проекты, постепенно углерод начал применяться в российских проектах. Сегодня инженеры активно воссоздают углерод и используют его практически во всех сферах жизни.

Само углеволокно в строительстве начали использовать в 1982 г. на юге Германии, применялось оно при усилении железобетонного моста. В России данный материал первый раз использовали в 2004 г., при проведении ремонтных работ с балками моста для автомобилей через реку Киржач.

Что такое углеволокно?

Углеродное волокно является композитом, состоящим из углеродных нитей, толщина которых примерно 5–16 микрон. Благодаря своим возможностям, тонкие волокна выравниваются и объединяются в кристаллы, которые невозможно увидеть без микроскопа. Из–за этого усиливается прочность на растяжение.

По техническим характеристикам, даже по твердости, углеродное волокно примерно раза в 3 превосходит металл (до недавних пор самый прочный материал в строительстве). Используется углеволокно в таких сферах, как промышленность, строительство, реже в аэрокосмической сфере.

Один из основных плюсов использования углеродного волокна – это доступность, скорость и простота реализации (технология работы представляет из себя наклеивание материала на подготовленную поверхность).

Использовать такой метод усиления можно на различных видах конструкций:

• бетонные здания;
• железобетонные;
• каменные;
• металлические;
• деревянные.

Особые свойства материала

Чтобы усиление конструкций углеволокном имело смысл, материал обязательно должен отвечать определенными требованиям:

• все волокна должны быть строго параллельными;
• для сохранения структуры необходимо использовать стеклянную сетку или эпоксидный биндер.

Добиться этого можно, только если создание углеволокна происходило в точности по специальной технологией. Высокого качества углеволокна добиться не сложно, но только если следовать технологии производителей.

Если технологический процесс верен, углеволокно получает необычные свойства. При своей легкости и минимальных размерах материал очень прочен. Усиление углеродным волокном может существенно улучшить свойства несущих элементов уже построенных зданий. А если необходимо добиться высокой прочности несущих конструкций только строящегося здания, то помогает, в таком случае, произвести усиление углепластик.

Преимущества использования материалов

Ремонтные работы старых зданий, а также строительство новых, при условии использования углеволоконных материалов, углепластика или фибробетонов, возможно существенное сокращение расходов на работы, сокращение срока их выполнения.

К преимуществам использования этих материалов относится:

• отсутствие необходимости привлекать тяжеловесную технику для работ, так как материалы легкие;
• с применением технологии внешнего армирования время, за которое выполняется усиление бетона углеволокном, сокращается до 10 раз;
• конструкция приобретает способность выдерживать нагрузки, которые в 4 раза превышают допустимый уровень для других материалов;
• конструкция не становится тяжелее;
• материал не подвергается коррозийным изменениям;
• если при проектировании, а также предварительных строительных работах, были допущены ошибки, их вполне можно исправить;
• новые материалы прослужат не менее 75 лет.

Усиление углеволокном проводится быстро и является очень эффективной технологией. При повреждении несущих конструкций усиление углепластиком или углеволокном незаменимо, так как оно помогает существенно уменьшить последствия повреждений, не только вернуть несущие способности конструкции, но и повысить их. В дальнейшем железобетон будет защищен от влияния влаги и возникновения коррозии арматуры. А также от большинства возможных механических повреждений.

Приготовление компонентов

Углеродные материалы продаются смотанными и упакованными в специальный защитный полиэтилен. Не допускается попадание пыли, которой после шлифования бетона будет достаточно, иначе углеродное волокно не будет приклеиваться с помощью строительного клея на основе смолы, т. е. получится производственный брак. Поэтому, заготовительную зону следует застелить плотным полиэтиленом и уже по нему отматывать требуемую длину углеродного материала. Обрезка углеродных лент и сеток может осуществляться обычным ножом, или ножницами по металлу, а углеродных ламелей – угол–шлифовальной машинкой с отрезным кругом по металлу.

Адгезивы, могут быть, как правило, двухкомпонентные – т. е. необходимо объединить два материала в определенных количествах. Необходимо точно прислушиваться к инструкции производителя и при смешивании элементов использовать специальные весы или мерную колбу. Объединение элементов заключается в постепенном добавлении одного компонента в другой, при непрерывном перемешивании дрелью на низких оборотах. Ошибки дозирования, или неправильное добавление одного элемента в другой, могут привести к кипению клея.
В последнее время, примерно несколько лет, большинство специалистов присылают адгезив в комплектах – т. е. в двух емкостях с уже дозированными объемами компонентов. Таким образом, появилась возможность просто смешать содержимое одной емкости в другой (для этого емкость присылается полупустой) и получить готовый адгезивный состав.

Строительные адгезивы (для углеродного волокна) поставляются в мешках и затворяются водой согласно инструкции, как любой ремонтный материал.
Помните, что связующее имеет ограниченный срок жизни – порядка 35–45 минут и он резко сокращается при повышении температуры выше 22 ^оС, поэтому объем приготовляемого адгезива не должен превышать физических возможностей его выработки.

Основные виды усилений

Основные виды работ, которые используется при традиционном усилении:

• устройство рубашек;
• устройство обойм;
• наращивание или же увеличение сечения элементов, самые популярные – балки, колонны, плиты;
• устройство обойм из металла;
• установка разгружающих элементов (стоек, балок, рам);
• монтаж порталов, рам, стоек из металла.

МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ

Основные методы усиления это:

1. Армирование – используется стальная и композитная арматура, сварные сетки и различный металлопрокат: швеллеры, уголки, двутавр. Другие, или же дополнительные, элементы усиления монтируются с внешней стороны, таким образом создается внешний армопояс. Также дополнительные элементы могут встраиваться в несущие конструкции, такими являются стены, колонны, балки.
2. Торкретирование – этот метод является самым молодым, используется он в сравнение с другими недавно, на сегодняшний день является самым доступным по расходам. Метод позволяет в короткие сроки обрабатывать большие поверхности.
3. Гидроизоляция – последний метод усиления, применяется в защите фундаментов, подвалов и цокольных этажей.

Стоимость усиления конструкций и зданий с использованием углеволокна

Для того чтобы узнать точную стоимость данной работы необходимо предоставить детальную информацию по объекту. Для этого потребуется оставить заявку или обратиться в строительную компанию вашего города.

Примерные расценки приведены в таблице.

Самостоятельно такие расчеты лучше не проводить, каждая ошибка может привести к нежелательному результату. Обычно строительные компании проводят расчеты в течение недели (около 5 дней, иногда дольше, все зависит от объема работы и загруженности специалистов, могут возникнуть и другие проблемы).Для того, чтобы узнать более точную цену необходимо предоставить строительной компании результаты обследования, точные фотографии стен, которые будут усиливаться, детальные пояснения (что и как нужно сделать).

Не стоит забывать и о том, что снижение затрат ресурсов, при выполнении усиления конструкций углепластиком или углеволокном, приводит к существенной экономии. Причем качество работ не страдает, а оказывается только лучше, чем при использовании устаревших технологий усиления.

Усиление железобетонных конструкций углеволокном

На 2019 год, несмотря на то, что усиление железобетонных конструкций углеволокном является достаточно новым методом, он является одним из самых эффективных. В доступной продаже находятся качественные и относительно недорогие (по современным расценкам) продукции, как зарубежных производителей, так и российских, именно поэтому купить все необходимые материалы не составит никого труда.

Для начала стоит понять, почему именно такой метод усиления конструкций является одним из самых эффектных:

1. Во–первых – по всем свойствам данный материал является одним из самых прочных, он в несколько раз превосходит по упругости, прочности, на растяжку и изгибание такой популярный материал, как конструкционная сталь.
2. Во–вторых – время службы. Жгуты и сетки, которые состоят из углерода, не поддаются коррозии и выделяются высокой прочностью к агрессивным средам. Их срок службы практически неограничен.
3. В–третьих – вес. При большей прочности углеродные материалы весят в 10 раз меньше той же стали, поэтому они незаменимы при усилении старинных зданий.
4. Также материал является ударопрочным и имеет высокую огнеупорность.
5. Материал можно наносить в несколько слоев, если это требуется.
6. При проведении усиления не требуется прекращение эксплуатации самого помещения.
7. Является полностью экологически чистым материалом.
8. Универсальный. Может использоваться практически на всех поверхностях.

Но, по сравнению с другими материалами, углеволокно:

1. Дороже (можно выбрать более доступный аналог).
2. Отражает электрические волны (в некоторых случаях это является большим недостатком).
3. Занимает больше времени, процесс композитов более трудоемкий, чем изготовление металла.

Если углеволокно было выбрано в качестве компонента входящего в систему внешнего армирования еще на этапе проектирования того или иного здания, необходимо следовать правилам, входящим в свод 164.1325800.2014.

Где и когда используется?

Углеродное волокно может быть использовано в строительстве для усиления построек из нескольких материалов:

1. Камень (столбы, кирпичные строения). Использование материала происходит в процессе построения или в процессе ремонтных работ.
2. Железобетон. В таком случае углеродное волокно используется для гидротехнических построек, мостов и других архитектурных строений.
3. Металл. Используется в том случае, если есть зоны с недостаточно устойчивым грунтом.

Несмотря на возрастающую с каждым годом популярность, в домашних условиях простому мастеру будет сложно справится с технологией применения углеволокна. Такую работу лучше всего доверить профессионалам.

Этапы работы

На первый взгляд работа может показаться простой, на участки, где больше всего требуется усиление (зоны наибольшего напряжения), наносится углеродное волокно. Но для начала необходимо определиться, что использовать в качестве армирующих элементов (ленты, ламели или сетка). В большинстве случаев в работу идет сетка.

Выполнение работы

В первую очередь необходимо найти участки, которые находятся под большим напряжением, следовательно, с ними и будет происходить дальнейшая работа. Сразу же эти места необходимо пометить и начать подготавливать конструкцию. Данные участки тщательно очищаются от прежней отделки, краски, грязи и т. д. (для этого используется специальное шлифовочное оборудование).

Шлифовка

От начального этапа будет зависеть и дальнейшая работа. Шлифовка должна происходить по точной технологии, с соблюдением всех правил. В процессе работы не допускается попадание влаги, в завершении этого этапа происходит очистка поверхности от грязи и пыли.

Подготовка компонентов

После того, как была подготовлена поверхность, настает очередь компонентов. Углеродное волокно привозится с завода в виде скрученной трубы. Перед началом выбирается отдельное место, где будет раскатываться материал, после эта зона застилается полиэтиленовой пленкой. Материал нарезается на куски необходимого размера. Для того чтобы сцепить материал и поверхность используются двухкомпонентные клеящие составы. Приобрести все необходимые ингредиенты можно в строительном магазине.

В обязательном порядке проверяют следующие параметры:

• ровность поверхности;
• прочность материала;
• температура поверхности;
• отсутствие грязи и пыли;
• влажность;
• целостность материала.

Монтаж

Монтаж работы с использованием углеродной ленты можно производить несколькими методами (мокрым или сухим). Разница между ними не столь большая, в мокром методе, прежде всего поверхность протирается адгезивом, после этого приклеивается лента. В сухом – сначала приклеивается лента, после чего она пропитывается адгезивом.

В случае работы с ламели, адгезив наносится, как на поверхность здания, так и на сам материал. Таким образом, он пропитывается с двух сторон.

Углеродная сетка наносится только на влажную поверхность.

Использование эпоксидной смолы в качестве связующего вещества

Почему в качестве связующего вещества лучше всего использовать эпоксидную смолу? На этот вопрос помогут ответить такие ее свойства как:

1. Отличное сочетание с практически любыми поверхностями.
2. Компоненты углеволокна и смолы вступают между собой в химическую реакцию, в результате которой углеводород приобретает жёсткость пластика и становится прочнее стали в 7 раз.

Углепластик или сталь?

Со временем здания и постройки подвергаются внешним и внутренним неблагоприятным воздействиям. В большинстве случаев к аварийным состояниям приходят несущие конструкции, такие как балки, фермы, плиты и колонны.

Каждый год происходит проверка всех аварийных зданий, после чего составляется Техническое Заключение, в котором приписаны все рекомендации к усилению. До недавних пор в качестве усиления выступала конструкционная сталь. Этот материал считался самым прочным, не требовал замены в течение многих десятилетий и прекрасно справлялся с основной задачей.

На сегодняшний день перед строителями встает вопрос, что лучше использовать, углепластик (углеволокно) или стандартную и привычную сталь? Современные строительные компании уже на протяжение нескольких лет останавливают свой выбор именно на углепластике, считая его более пригодным.

Углеволокно прочнее конструкционной стали, служит намного дольше и не поддается внешним факторам, благодаря чему не портится.

На 209 год углеволокно для усиления конструкций и зданий является самым надежным методом в строительстве. Большинство строительных компаний уже остановили свой выбор именно на этом материале, посчитав его достойным быть первым. Углеродное волокно практически незаменимо в усилении архитектурных зданий и старинных построек. В отличие от других, более старых, методов, этот не увеличивает сечение усиливаемых элементов, что имеет большое значение не только в случае промышленных зданий и сооружений, но, что особенно важно, в жилом, коммерческом и административном строительстве.