| Тип волокна | Обозначение | Модуль упругости, ГПа | Прочность при растяжении, ГПа | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Стандартный модуль | SM (Standard Modulus) | 210-250 | 3,0-3,5 | Усиление строительных конструкций, спортивный инвентарь |
| Промежуточный модуль | IM (Intermediate Modulus) | 255-310 | 4,0-5,5 | Авиакосмическая техника, автомобилестроение |
| Высокий модуль | HM (High Modulus) | 310-395 | 2,5-4,5 | Космические конструкции, специальное оборудование |
| Сверхвысокий модуль | UHM (Ultra-High Modulus) | >395 | 2,0-2,5 | Космические аппараты, высокоточное оборудование |
| Производитель | Марка | Модуль упругости, ГПа | Прочность, ГПа | Плотность, г/см³ |
|---|---|---|---|---|
| Toray Industries | T300 | 230 | 3,53 | 1,76 |
| T700S | 230 | 4,90 | 1,80 | |
| M40J | 377 | 4,41 | 1,77 | |
| Hexcel Corporation | AS4 | 241 | 4,83 | 1,79 |
| IM7 | 276 | 5,65 | 1,78 | |
| IM10 | 310 | 6,76 | 1,79 |
| Параметр | PAN-based волокна | Pitch-based волокна |
|---|---|---|
| Исходное сырье | Полиакрилонитрил | Каменноугольный или нефтяной пек |
| Модуль упругости | 200-400 ГПа | 400-700 ГПа |
| Прочность на растяжение | 3,0-5,0 ГПа (высокая) | 2,0-3,0 ГПа (средняя) |
| Температура карбонизации | 1000-1500°C | 2000-3000°C |
| Поперечный модуль | Выше | Ниже |
| Основное применение | Строительство, авиация, автомобилестроение | Космическая техника, высокомодульные конструкции |
| Стоимость производства | Средняя | Высокая |
Технология усиления углеродными лентами
Усиление строительных конструкций углеродными лентами представляет собой современный метод внешнего армирования, основанный на применении однонаправленных углеволоконных материалов с высокими механическими характеристиками. Технология предполагает наклеивание специализированных лент на поверхность железобетонных, металлических или каменных элементов с использованием двухкомпонентных эпоксидных адгезивов.
Принцип работы системы внешнего армирования заключается в перераспределении растягивающих нагрузок между усиливаемой конструкцией и композитным материалом. Углеродные волокна воспринимают часть нагрузки, снижая напряжения в бетоне и арматуре. Модуль упругости углепластика достигает значений от двухсот до четырехсот гигапаскалей, что обеспечивает совместную работу с бетоном без проскальзывания.
Технология характеризуется минимальным увеличением массы конструкции, отсутствием необходимости в тяжелой строительной технике и возможностью выполнения работ без остановки эксплуатации объекта. Толщина усиления составляет от одного до пяти миллиметров, что практически не влияет на габариты элементов.
Область применения включает усиление балок, ригелей, колонн, плит перекрытий и стеновых панелей. Метод эффективен при необходимости повышения несущей способности конструкций вследствие изменения нагрузок, устранения дефектов эксплуатации или реконструкции зданий. Проектирование усиления осуществляется согласно СП 164.1325800.2014.
Типы углеродных волокон для строительства
Классификация по механическим свойствам
Углеродные волокна для строительного усиления классифицируются по модулю упругости на четыре основные группы. Волокна стандартного модуля с жесткостью от двухсот десяти до двухсот пятидесяти гигапаскалей являются наиболее распространенными в строительной индустрии благодаря оптимальному сочетанию прочности и экономической эффективности. Данный тип применяется в большинстве проектов усиления типовых конструкций.
Промежуточные и высокомодульные волокна используются в специализированных приложениях, где требуется повышенная жесткость при меньшей деформативности. Волокна промежуточного модуля с жесткостью до трехсот десяти гигапаскалей применяются при усилении конструкций с ограниченными допустимыми прогибами. Высокомодульные и сверхвысокомодульные типы находят применение преимущественно в аэрокосмической и специальной технике.
Производство из PAN-прекурсора
Полиакрилонитрильное волокно является основным исходным материалом для производства углеродных волокон строительного назначения. Процесс включает стадии окисления, карбонизации и графитизации при контролируемых температурных режимах. Окисление проводится при температуре около двухсот пятидесяти градусов Цельсия в течение продолжительного времени для формирования лестничных структур атомов углерода.
Карбонизация осуществляется в инертной атмосфере азота или аргона с постепенным повышением температуры до диапазона от тысячи до полутора тысяч градусов. Данная стадия приводит к образованию графитовой структуры с высокой степенью ориентации кристаллов вдоль оси волокна. Финальная графитизация при температурах от полутора до трех тысяч градусов применяется для получения высокомодульных волокон с улучшенными механическими характеристиками.
Температура карбонизации критически влияет на конечные свойства волокон. При производстве высокопрочных типов температура ограничивается значениями порядка полутора тысяч градусов, тогда как высокомодульные волокна требуют обработки при двух-трех тысячах градусов.
Подготовка поверхности конструкций
Очистка и выравнивание бетона
Подготовка бетонной поверхности начинается с удаления отделочных слоев, загрязнений и цементного молочка до обнажения крупного заполнителя. Шлифование осуществляется алмазными дисками или пескоструйной обработкой для обеспечения шероховатости поверхности. Глубина обработки должна составлять от одного до трех миллиметров для достижения необходимой адгезионной прочности.
Выявленные дефекты в виде трещин, каверн и сколов подлежат ремонту специализированными составами. Трещины шириной более трех десятых миллиметра инъецируются эпоксидными композициями низкой вязкости. Более узкие дефекты расшиваются и заполняются ремонтными материалами на полимерной или цементной основе. Выровненная поверхность должна иметь остаточную влажность не более четырех процентов.
Обработка металлических элементов
Металлические конструкции требуют механической очистки от продуктов коррозии, окалины и защитных покрытий. Пескоструйная обработка обеспечивает степень очистки не ниже Sa два с половиной по стандарту ISO 8501. Обнаруженная коррозия арматуры в железобетоне нейтрализуется грунтовками-преобразователями ржавчины с ингибиторами коррозионных процессов.
После механической очистки поверхность обезжиривается растворителями для удаления масляных загрязнений. Грунтование металла проводится эпоксидными составами, совместимыми с адгезивом для углеродных лент. Время выдержки между грунтованием и монтажом углепластика определяется техническими условиями применяемых материалов, обычно составляя от четырех до двадцати четырех часов.
Эпоксидные адгезивы для пропитки
Двухкомпонентные составы
Эпоксидные адгезивы для усиления конструкций представляют собой двухкомпонентные системы, состоящие из модифицированной эпоксидной смолы и отвердителя. Смешивание компонентов производится непосредственно перед применением в строго определенных пропорциях. Время жизнеспособности смеси при температуре двадцать градусов составляет от сорока до восьмидесяти минут в зависимости от марки продукта.
Тиксотропные свойства адгезива обеспечивают возможность нанесения на вертикальные и наклонные поверхности без стекания материала. Вязкость состава подбирается исходя из геометрии конструкции и плотности углеродной ленты. Для материалов плотностью от двухсот до трехсот граммов на квадратный метр применяются адгезивы средней вязкости, тогда как высокоплотные ленты требуют составов с повышенной текучестью.
Адгезионные характеристики
Прочность сцепления полимеризованного адгезива с бетоном должна превышать прочность самого бетона на отрыв, что обеспечивает когезионное разрушение по основанию. Типичные значения адгезионной прочности составляют от двух с половиной до четырех мегапаскалей при испытании методом отрыва. Модуль упругости затвердевшего клея находится в диапазоне от трех до шести гигапаскалей.
Температура стеклования эпоксидной матрицы определяет верхний предел рабочих температур системы усиления. Большинство строительных адгезивов имеют температуру стеклования от шестидесяти до восьмидесяти градусов Цельсия. При превышении данного порога происходит размягчение полимера и потеря несущей способности композита. Для конструкций с повышенным температурным воздействием применяются специализированные составы с температурой стеклования выше ста градусов.
Монтаж однонаправленных лент
Технология мокрого способа
Наклеивание углеродных лент мокрым способом предполагает пропитку материала адгезивом непосредственно в процессе монтажа. На подготовленную поверхность наносится первый слой эпоксидного состава толщиной от одного до двух миллиметров зубчатым шпателем. Углеродная лента укладывается на свежий адгезив и тщательно прикатывается резиновым валиком в направлении волокон для удаления воздушных включений.
Прикатка выполняется равномерными движениями с усилием, достаточным для пропитки ленты насквозь. Признаком качественной пропитки является выступание адгезива с обратной стороны материала и равномерное потемнение волокон. Излишки клеевого состава удаляются шпателем. Запечатывающий слой адгезива наносится поверх приклеенной ленты для защиты углеродных волокон от ультрафиолетового излучения и механических повреждений.
Многослойное усиление
При необходимости усиления несколькими слоями лент каждый последующий слой наносится после предварительного схватывания предыдущего. Минимальное время выдержки между слоями составляет четыре часа при температуре двадцать градусов. Направление волокон в многослойных системах может варьироваться в зависимости от расчетной схемы нагружения конструкции.
Нахлест лент по длине выполняется величиной не менее ста миллиметров для обеспечения передачи усилий через клеевое соединение. В зонах анкеровки концы лент заводятся на боковые поверхности элементов на расстояние не менее полутора толщин сечения. Контроль отсутствия пустот и расслоений осуществляется простукиванием молотком или ультразвуковыми методами.
Контроль качества усиления
Приемочные испытания
Контроль качества усиления включает визуальный осмотр, инструментальные измерения и выборочные разрушающие испытания. Визуальная проверка выявляет наличие складок, непропитанных участков, расслоений и воздушных пузырей. Данные дефекты приводят к неравномерному распределению напряжений и снижению эффективности усиления.
Адгезионная прочность определяется методом отрыва с использованием дисковых элементов диаметром пятьдесят миллиметров. Испытания проводятся на участках фактического усиления после достижения адгезивом расчетной прочности. Разрушение должно происходить по бетону при значениях нагрузки не ниже полутора мегапаскалей. Отрыв по границе клей-основание свидетельствует о недостаточной подготовке поверхности.
Защитные покрытия
Углепластиковое усиление требует защиты от ультрафиолетового излучения, механических повреждений и воздействия огня. Защитные покрытия наносятся после полной полимеризации адгезива. Для внутренних помещений достаточно окраски акриловыми составами, тогда как наружные конструкции требуют применения атмосферостойких материалов.
Огнезащита эпоксидной матрицы осуществляется вспучивающимися покрытиями, обеспечивающими требуемый предел огнестойкости. Толщина огнезащитного слоя рассчитывается исходя из необходимого времени до достижения критической температуры стеклования адгезива. Для обеспечения предела огнестойкости сорок пять минут толщина покрытия составляет от двух до четырех миллиметров в зависимости от типа материала.
