Усиление углепластиком

Процесс естественного износа здания связан в большей мере с постепенным воздействием на него серьезных механических нагрузок. Сначала появляются кажущиеся незначительными трещины микроскопических размеров. Со временем происходит их перерастание в гораздо более крупные бреши. По истечении достаточного срока признаки разрушения касаются несущих конструкций. Дефекты возникают и начинают расти в элементах перекрытий, колоннах, стенах. Зданию угрожает аварийное состояние и сопутствующий ему риск обрушения. До сравнительно недавних пор элементы зданий укрепляли традиционными методами. Проводилась частичная разборка старых конструкций, установка массивных и весьма объемных металлических армирующих деталей. Ситуация изменилась кардинально с появлением углепластиковых стройматериалов.  

Что такое усиление углепластиком?

В современном строительстве широко применяются композиты, среди которых самым распространенным материалом стал углепластик. Исходным сырьем для углепластика послужило углеродное волокно. Его синтезировали в США в конце 1950-х годов. Первоначально углепластик (карбон) всего на пятую часть состоял из углерода. Дальнейшие исследования, развитие технологий производства, придали материалу очень высокую жесткость и прочность. Процентная доля углерода в сегодняшних композитных углепластиках очень высока.

Промышленные производства изготавливают сегодня стройматериалы, позволяющие выполнять эффективное укрепление углепластиком несущие и ограждающие строительные конструкции зданий и сооружений. Это следующие композитные, то есть составные, состоящие из полимерной матричной основы и наполнителя, материалы:

• тканевые ленты или углеродные холсты;
• ламели;
• углеродные сетки;
•  двунаправленные углепластики-композиты.

Все типы углеродных композитов хорошо зарекомендовали себя при укреплении:

• бетонных и ж/б плит, других элементов при усилении перекрытий;
• фундаментов различных видов;
• стальных балок и ригелей;
• кирпичной и каменной кладки;
• всех типов колонн;
• оконных, дверных, арочных проемов;
• конструкций из дерева.

Ленты и ламели часто являются однонаправленными. Точнее, последние чаще применяются. Такие материалы прекрасно компенсируют значительные сжимающие нагрузки, эффективно снимают усталостное напряжение. Выпускаются и двунаправленные углепластики, для которых нет одного выбранного направления, вдоль которого они проявляют повышенную прочность и эластичность. Такие композиты одинаково компенсируют сжимающие моменты во всех направлениях. Они используются там, где конструкции подвержены разнонаправленным нагрузкам.

Каждый тип углеродных стройматериалов представлен своим набором типоразмеров. Усиление углепластиком – относительно простая строительная процедура, прекрасно подходящая для внешнего и внутреннего укрепления. Вкратце, она выполняется так: на подготовленную, очищенную поверхность проблемного участка конструкции накладываются предварительно нарезанные полотна холстов или ламелей. Для хорошего сцепления применяются адгезивные составы. Углеродная ткань располагается так, чтобы направление волокон совпало с вектором воздействия сжимающей силы. Ею армируют конструкции жилых домов, общественные, коммерческие сооружения, производственные объекты.  

Углеродные сетки – несколько отдельная категория углепластика. Такой строительный материал получается по довольно сложной производственной технологии. Важной способностью углеродных сеток стала хорошая компенсация изгибающего момента. Поэтому сферы их применения несколько специфичны:

• мостовые сооружения;
• туннели;
• коллекторы;
• трубопроводы.

Преимущества усиления углепластиком

Укрепление с применением полимерных углеродных композитов практически полностью вытеснила сегодня классические способы. Давайте снова вернемся к «классике». Отметим, что работы по усилению конструкций, выполненные по традиционным технологиям, характеризовали многие недостатки:

•  монтаж усиливающих компонентов затягивается на длительное время;
• возникает частая необходимость разбора конструкций, что требует огромной осторожности;
•  реальный риск разрушения конструкции во время монтажа, например, стальных сеток или поддерживающих подпорок при внешнем армировании;
• после установки металлических структур теряется полезная площадь;
• восстановленные таким образом элементы становятся существенно тяжелее;
• даже небольшая ошибка в проектных расчетах ведет к обрушению бетона или кирпичной кладки;
• значительные трудозатраты, необходимость вызывать много специалистов, использовать специализированную технику.

По сравнению с армированием металлом, усиление углепластиком происходит быстрее, удобнее, выгоднее и эффективнее. Отметим, что для реализации традиционных методов предусмотрен ряд предписаний, прописанных в государственных стандартах и строительных правилах. По расчету и монтажу углепластика никаких регламентов не существует. Конечно, это вовсе не означает, что здесь нет правил. Их довольно много, каждое из них неоднократно проверено и подтверждено практически.

Укрепление конструкций углеродными материалами столь удобное, простое и выгодное, благодаря замечательным механическим свойствам углепластика, а также прочим его свойствам и характеристикам:

• средняя плотность углепластика в г/см3 – 1,53, она варьируется в зависимости от типа, состава наполнителя, марки композитного стройматериала, диапазон плотности углепластика в кг/м3 – от 1450 до 2000, что соответствует очень легкому материалу (легче алюминия на 20%), если учесть, что толщина одного слоя углеродной ткани крайней мала (от 0,13 до 0,8 мм);
• очень высокая прочность на разрыв: предел прочности углепластика при растяжении достигает 4900 МПа, а на сжатие – более тысячи МПа (при комнатной температуре эксплуатации), удельная прочность углепластика превышает прочность стали;  
• прочность армирования возрастает пропорционально количеству размещенных слоев углепластика;
• отличная гибкость, эластичность, устойчивость к излому;
• углепластики отлично сохраняют свою форму;
• важнейшее свойство углепластика — абсолютная химическая инертность – несмотря на то, что реагенты, действующие непосредственно на углерод, существуют, полотно не вступает с ними во взаимодействие из-за полимерной пропитки;
• высокая коррозионная стойкость, чем углеродное волокно намного надежнее металлических элементов, применяемых в традиционных методиках;
• полная невосприимчивость к биологическим микроорганизмам;
• хорошая морозоустойчивость и стойкость к высоким температурам;
• высокая водоотталкивающая способность;
• стройматериалы не боятся солнечных лучей и яркого искусственного света;
• углепластик готов к декоративному покрытию, при этом не требует нанесения дополнительных составов;
• какую температуру выдерживает углепластик? — несмотря на то, что его температура плавления сравнительно невысокая, углепластиковые материалы выдерживают до 2000 градусов Цельсия — более того, углепластик не горит;
• возможность добавления примесей, усиливающих то или иное физическое свойство, например, кевлар сильно повышает прочность стройматериала.

Уникальные свойства углеродных полимерных композитов значительно расширили сферы их применения. Неудивительно, что строительство оказалось среди них. Усиление углепластиком выгодно отличается от прочих методик армирования конструкций:

• простотой монтажа углеволокна;
• прочностью углепластика (после застывания образуется твердый монолит) — это повышает несущую способность конструкций и продлевает период их эксплуатации;
• размещенные полотна фактически незаметны: они очень легкие, совершенно не меняют геометрию и общую массу восстановленных конструкций;
• возможностью создать плотный водозащитный слой;
• вести сварочные, грузоподъемные, сложные технические работы не нужно;
•  углепластики долговечны – срок службы может достигнуть 60 лет.

Считать, что армировать инновационным углепластиком дороже, чем металлом, неправильно. Во-первых, никаких затрат на вызов специалистов, не надо арендовать технику. Во-вторых, во время работ объект продолжает работать в прежнем режиме. Когда вводятся ограничения, всегда возникают значительные финансовые потери. К тому же, работы ведутся быстро. Также применение традиционных технологий сопряжено с реальными рисками обрушения, которых в случае углепластика просто нет. Экономия от использования углепластика, с точки зрения специалистов, может составить до 20%.

Области применения

Углепластик был создан для нужд авиационно-космической индустрии. В этой сфере на первый план выходят уникальные физико-химические свойства, а вовсе не стоимость материалов. Сегодня наибольшая доля (40%) всего производимого в мире углепластика приходится именно на эти сферы.

В наши дни, несмотря на весьма затратный производственный процесс хорошо разработаны промышленные технологии изготовления углепластиков. Механизация и автоматизация, вкупе с другими факторами, привели к значительному удешевлению стоимости углеродных композитов.  Это расширило область использования углепластика, началось производство:

• снаряжения для путешественников;
• военного снаряжения и экипировки;
• спортивного инвентаря высшего класса (хоккейных клюшек, луков, ракеток, удочек);
•  оружейных деталей;
• узлов, аксессуаров для автомобилей;
•  деталей для медицинской техники, протезов;
• компонентов некоторых приборов, например, детекторов гамма-излучения;
•  товаров общего потребления.

Углепластик нашел свою нишу в электронной промышленности, судостроении. Безусловно, немалую роль он играет в строительстве. Примерно 12% от общего валового объема производства углепластика приходит именно в эту сферу. Это величина сопоставимая с тем количеством углеродных композитов, которые нашли применение в спортивном инвентаре.  

В строительстве, усиление углепластиком возможно для подавляющего большинства материалов, среди которых:

• бетон и железобетон — усиление ламелями из углепластика часто выполняется именно на этих материалах, также для этого применяются холсты;
• кирпичная и каменная кладки, в которых углепластиком заделывают неминуемо возникающие и разрастающиеся опасные трещины;
• металлоконструкции (если их модули упругости и прочности сопоставимы с аналогичными характеристиками углепластика) очень эффективно усиливать углепластиками, поскольку последние к коррозии не восприимчивы, из-за особенностей производства и особой пропитки;
• деревянные покрытия (например, балочные), которые углепластики уберегают от расслоений, раскалываний, покрытия трещинами, проникновения влаги.

Помимо конструкций зданий, углепластиком усиливают транспортные, гидротехнические постройки, объекты атомной промышленности. Различные полезные свойства углепластиков и области их применения тесно связаны.  

Технология усиления 

Внешнее усиление конструкций углепластиком предполагает проведение конструкционной разметки. Участки, на которые будут накладываться элементы углеродного полотна следует отметить. Процедура имеет свои особенности:

• одновременно производится очистка поверхности от прежней отделки и цементного молочка – это очень важно, так как грязь, посторонние частицы сильно мешают сцеплению – это приводит к браку;
• используется водный пескоструйный аппарат либо шлифовальный прибор с алмазной чашкой;
• очистка ведется по обнаружения крупного бетонного заполнителя;
• правильно подготовленная поверхность должна быть достаточно ровной.

При подготовке к наложению ламелей или холстов учитывают:

•  результаты экспертиз и инженерных обследований объекта;
•  детализированные фотографии поверхности – на основании изучения документации выполняется расчет усиления конструкции, он выполняется в срок от 1 до 5 дней;
•  целостность и прочность материала усиливаемой поверхности;
•  температурные показатели поверхности, поскольку, хотя углепластик и выдерживает огромные температуры, адгезивный состав может легко воспламениться.

Перед тем, как раскроить ленту или сетку из углеродного пластика проблемная поверхности укрывается полиэтиленом. После замеров, ведется обрезка канцелярским ножом или ножницами по металлу. Если предстоит размещать ламели, их отрезают угло-шлифовальной машинкой.

Собственно, монтаж делается по сухому или мокрому методу. Различие здесь исключительно в последовательности нанесения адгезивного слоя. В сухом способе лента размещается на поверхности, прикатывается валиком, и только потом наполняется адгезивом. При мокром способе пропитка проводится вначале монтажа. Также важно, что связующий состав (адгезив) наносят как на поверхность усиливаемого объекта, так и на кусочек полотна углепластика.  

Возможно наложение только двух слоев углеродных лент. Большее число может привести к сползанию стройматериала под собственным весом. После схватывания

В случае углеродной сетке, материал должен быть не только подготовлен, но и увлажнен. Наносится адгезив, а потом сразу же шпателем раскатывается сетка. Высыхания ждать не нужно, поскольку сетка должны оказаться чуть вдавленной в связующий состав. Далее следует ожидать первичного схватывания состава. Только после этого наносят полимерный цемента в качестве финишного слоя. Также часто наносятся особые покрытия для огневой защиты. Они располагаются поверх полотен углепластика. Такие покрытия могут параллельно выполнять теплоизолирующие функции.     

Стоимость услуг 

Цена за м2 усиления углепластиком стартует примерно с 2500 рублей. Что касается цены углепластика, как стройматериала, то она может идти, как цена за кг углепластика (не меньше 10000 рублей) или как за квадратный метр. Что касается стоимости услуг — ее просто ориентировочно рассчитать по прайсу строительной компании. Помимо объема работ, цена на усиление углепластиком определяется типом конструкции, типов углеродного материала, срочностью выполнения работ.

Частые вопросы — FAQ