Použitie uhlíkových vlákien v stavebníctve: výstuž vlastnými rukami a vystuženie nosných konštrukcií

Moderná konštrukcia, ako každé iné odvetvie, nie je úplná bez zavedenia inovatívnych technológií a dnes sa v stavebnom priemysle široko používajú materiály, ktoré sa predtým používali iba v špičkových priemyselných odvetviach, ako je raketová technika, a formovali tak architektúru budúcnosti. Jednou z najdôležitejších úloh modernej výstavby je predchádzať problémom spojených so silou budov a štruktúr, ktoré sú ovplyvnené dynamickým zaťažením, teplotnými zmenami a inými agresívnymi klimatickými faktormi. V dôsledku toho sa na betónových stenách budov objavia praskliny, ochranná vrstva sa odlupuje, čo vedie k zníženiu prevádzkových charakteristík budov. V tomto ohľade sa výstuž nosných konštrukcií navrhnutá tak, aby sa zabránilo ich predčasnému zničeniu, stala integrálnou etapou výstavby. Ak predtým bol obľúbeným materiálom používaným na tieto účely sklolaminát po dlhú dobu, dnes je postupne nahrádzaný novým požadovaným materiálom – uhlíkovými vláknami, o charakteristikách a vlastnostiach použitia, o ktorých budeme hovoriť ďalej.

Čo je to uhlíkové vlákno? Vlastnosti použitia materiálu

Uhlíkové vlákno je lineárny elastický kompozitný polymérny materiál umelého pôvodu, ktorého štruktúrnym prvkom sú tenké uhlíkové vlákna s priemerom 3 až 15 mikrónov, pozostávajúce z atómov uhlíka. Posledne menované sú zase kombinované do mikroskopických kryštálov, ktoré sú v dôsledku zarovnania navzájom rovnobežné. Zarovnanie pomáha zvýšiť pevnosť vlákna v ťahu. Pokiaľ ide o technické vlastnosti, najmä tvrdosť, uhlíkové vlákna niekoľkonásobne prevyšujú kov, v dôsledku čoho sa široko používajú v obrannom priemysle, leteckej a kozmickej výrobe a stavebnom priemysle. Napriek tomu, že jedinečné vlastnosti uhlíkových vlákien umožňujú považovať tento materiál za inovatívny, nie je to vynález nášho storočia a už dlho sa používa v lietadlách a raketovom priemysle a od konca minulého storočia v stavebníctve. Prvýkrát sa v tejto oblasti objavil v roku 1980, keď sa všetky budovy a stavby v Kalifornii začali stavať pomocou uhlíkových vlákien, čo umožnilo posilniť budovy nachádzajúce sa v seizmicky aktívnej oblasti. Keď uvedú túto vlastnosť do prevádzky, domáci stavitelia našli aplikáciu pre tento materiál v procese vykonávania opravných opatrení v obytných budovách a od tej doby jej popularita len rástla..

Dôležité! Malo by sa pamätať na to, že uhlíkové vlákna, podobne ako betón, sú iba materiálom, a nie konečným hotovým výrobkom. Je to základ pre výrobu veľkého počtu materiálov používaných v stavebníctve na vlastné vystuženie. Patria sem uhlíkové siete, lamely a pásky.

Špecifikácia uhlíkových vlákien: Kľúčové výhody

Uhlíkové vlákno pozostáva z polyakrylonitritu, ktorý bol vopred ošetrený vysokými teplotami (až 3 až 5 000 stupňov). Vďaka technickým vlastnostiam sa uhlíkové vlákno používa na vonkajšiu výstuž, počas ktorej je impregnované spojivom (dvojzložková epoxidová živica) a podobne ako tapety je prilepené k povrchu konštrukcie, ktorú je potrebné spevniť. Účelnosť použitia tohto konkrétneho spojiva bola dokázaná niekoľkými spôsobmi:

  • Po prvé, epoxidová živica má vysokú priľnavosť k železobetónu;
  • Za druhé, po vstupe do chemickej reakcie so živicou sa uhlíkové vlákno zmení na tvrdý plast, ktorý získa pevnosť 6 až 7-krát väčšiu ako oceľ.

Dnes sú uhlíkové vlákna najobľúbenejšie spomedzi ostatných kompozitných materiálov. Napriek tomu, že je o 30% ľahší ako hliník a 75% ľahší ako železo, jeho pevnosť v ťahu je štyrikrát väčšia ako u najlepších tried ocele. Karbónové vlákna sú vyrobené na báze uhlíka a majú nízku špecifickú hmotnosť a po zahriatí sa mierne roztiahnu, pričom nie sú vystavené agresívnym chemikáliám. Vzhľadom na vyššie uvedené vlastnosti možno uhlíkové vlákna považovať za všestranný materiál prispôsobený na použitie v rôznych klimatických zónach..

Dlhá životnosť materiálu sa vysvetľuje kombináciou jeho nasledujúcich výhod:

  • Vysoká vodotesnosť vďaka lesklému povrchu uhlíkových vlákien, vďaka ktorému materiál nereaguje s vodou;
  • Vysoká priľnavosť k rôznym povrchom;
  • Výnimočná odolnosť voči koróznym procesom;
  • Ľahkosť je vlastnosť, vďaka ktorej výstužný systém nevytvára ďalšie zaťaženie budovy. Napriek tomu, že uhlíkové vlákna vážia oveľa menej ako oceľ, majú vysoké pevnostné vlastnosti;
  • Použitím uhlíkových vlákien získate príležitosť naniesť výstužný materiál v niekoľkých vrstvách;
  • V procese opravy nemôžete zastaviť prevádzku vystuženej budovy;
  • Použitie uhlíkových vlákien na vystuženie základu vlastnými rukami pomáha znižovať čas a náklady na prácu počas práce;
  • Uhlíkové vlákno je oprávnene považované za univerzálny materiál, ktorý je možné použiť na vystuženie štruktúr akejkoľvek zložitosti a konfigurácie, a to aj na zaoblených a uhlových povrchoch, na rebrovaných podlahových doskách, nosníkových prvkoch rámových štruktúr, ako aj na nosníkoch T mostných polí, ktoré sa vyznačujú malou šírkou rebier;
  • Uhlíkové vlákno – ekologický a toxický bezpečný materiál na vystuženie;
  • Tento materiál je navyše ohňovzdorný a odolný voči nárazom..

Aké požiadavky by mala spĺňať účinná výstužná technológia??

Na zaistenie účinného vystuženia konštrukcie musí technológia výstuže zaistiť splnenie niekoľkých podmienok:

  • Prirodzený obsah vlhkosti v štruktúrach by nemal byť prekážkou inštalácie výstužných prvkov;
  • Výstužné prvky musia byť spoľahlivo prilepené k akýmkoľvek stavebným materiálom, vďaka čomu sa bude vykonávať účinný prenos síl z vystuženej konštrukcie na výstužné prvky;
  • Všetky materiály použité v procese výstuže, vrátane montážneho lepidla, musia byť charakterizované vlastnosťami, ktoré sú v priebehu času stabilné, čo zlepší účinnosť výstuže;
  • Vzhľadom na to, že konštrukcie vyrobené z rôznych materiálov podliehajú výstuži, modul pružnosti a pevnosť výstužných prvkov by mal byť reprezentovaný pomerne širokým rozsahom.

Všetky vyššie uvedené požiadavky spĺňajú prvky vonkajšej výstuže reprezentované vláknami umelého pôvodu, najmä aramidom a uhlíkom, pričom tieto vlákna, ktoré preukázali najlepší pomer cena / kvalita, sú najrozšírenejšie.

V akých situáciách je potrebné vykonať vonkajšie vystuženie?

Dnes sa uhlíkové vlákna používajú na vystuženie štruktúr vyrobených z rôznych materiálov:

  • Železobetónové budovy – patria sem mosty, hydraulické stavby a architektonické pamiatky, ktoré potrebujú ochranu proti korózii, vystuženie stlačených prvkov a ich ochranu pred preťažením. Túto funkciu plne zvládajú uhlíkové vlákna;
  • Kovové konštrukcie, ktoré majú modul pružnosti a pevnosti blízky uhlíkovým vláknam;
  • Kamenné stavby, najmä kamenné stĺpy, múry tehlových domov a pylóny.

Potreba posilniť budovy vonkajšou výstužou vzniká v nasledujúcich situáciách:

  • V prípade poškodenia konštrukcie, ktoré spôsobilo zníženie jeho únosnosti, tuhosti a odolnosti voči trhlinám;
  • Ak došlo k zmene prevádzkových podmienok budovy, ktorá je vyjadrená zmenou veľkosti a charakteru zaťaženia;
  • V procese navrhovania a výstavby štruktúr s cieľom zvýšiť ich seizmickú odolnosť a predĺžiť intervaly generálnych opráv;
  • V prípade dlhodobého vystavenia štruktúre mechanických faktorov alebo agresívneho prírodného prostredia, ktoré vedie k zničeniu betónu alebo korózii výstuže, je potrebné odstrániť neuspokojivé následky a posilniť štruktúru..
  • Po analýze určitého súboru technických a ekonomických ukazovateľov možno dospieť k záveru, že vystuženie uhlíkovými vláknami je najčastejšie vhodné vo vzťahu k železobetónovým konštrukciám, ale je použiteľné na kovové, betónové a dokonca aj drevené budovy a stavby..

Bežné konštrukcie pre uhlíkové vlákna

Ak ste uprednostnili používanie uhlíkových vlákien a vonkajších výstužných systémov, pamätajte na to, že pri navrhovaní výstužných systémov sa musíte riadiť Kódexom pravidiel SP 164.1325800.2014 „Vystužovanie železobetónových konštrukcií kompozitnými materiálmi. Pravidlá návrhu “.

Odmietnutie vystuženia podláh rukami špecialistov a ich posilnenie vlastnými silami majte na pamäti, že sa to vykonáva lepením uhlíkových vlákien v oblastiach s najväčším zaťažením – zvyčajne padajú na strednú časť rozpätia a prichádzajú do kontaktu s spodný okraj konštrukcie. Vďaka tejto technike sa výrazne zvýši únosnosť konštrukcie z hľadiska ohybových momentov. Na vyriešenie tohto problému odborníci odporúčajú použiť ktorýkoľvek z dostupných typov uhlíkových materiálov – lamely, pásky alebo sieťoviny..

Dôležité! V procese spevnenia nosníkov je často potrebné posilniť nosné zóny, čo pri pôsobení priečnych síl zvýši únosnosť konštrukcie. Za týmto účelom sú prilepené svorky v tvare U vyrobené z uhlíkových sietí alebo pások..

Dôležité! Pokiaľ ide o zvláštnosti použitia materiálov z uhlíkových vlákien, treba poznamenať, že vzhľadom na podobnosť spôsobov inštalácie a lepidiel sú uhlíkové pásky a lamely spravidla montované dohromady, zatiaľ čo používanie uhlíkových sietí v dôsledku inštalácie materiálu „mokrým“ spôsobom, vylučuje použitie pások a lamiel.

V rámci diskusie o technológii betónovej výstuže vlastnými rukami je potrebné samostatne hovoriť o vystužení stĺpikov, ktoré sa vykonáva ich prilepením uhlíkovými sieťami alebo páskami, ktoré sú namontované v priečnom smere. Vďaka tomu je možné dosiahnuť efekt „otroctva“, ktoré zabraňuje priečnym deformáciám betónu..

Posilnenie základu pre domácich majstrov: pokyny krok za krokom

Ak hľadáte odpoveď na otázku: „Ako urobiť výstuž základov vlastnými rukami?“.

Príprava povrchu: odborné rady

Pred inštaláciou vonkajšieho výstužného systému pomocou uhlíkových vlákien je potrebné označiť štruktúru a vymedziť zóny, v ktorých budú umiestnené výstužné prvky. Po dimenzovaní vyčistite povrch od zvyškov dokončovacích materiálov, cementového mlieka pomocou uhlovej brúsky s diamantovým pohárom alebo zariadenia na pieskovanie vodou, kým sa obnaží hrubý betónový agregát. Pokúste sa tieto manipulácie vykonávať efektívne, pretože účinnosť výstužného systému priamo závisí od vlastností pripravenej základne. V tomto ohľade pri príprave základne dávajte pozor na nasledujúce parametre:

  • Celistvosť a pevnosť materiálu, z ktorého je vyrobená konštrukcia, ktorá má byť vystužená;
  • Rovnomernosť povrchu, na ktorý budú namontované uhlíkové vlákna;
  • Teplota a vlhkosť povrchu, na ktorý bude uhlíkový materiál prilepený;
  • Nedostatok prachu a iného znečistenia;
  • Okrem toho existuje množstvo kontrolovaných parametrov, ktoré je možné nájsť v technologických mapách na výkon jedného alebo iného druhu práce..

Príprava výstužných materiálov

Uhlíkové vlákno sa predáva zvinuté v kotúčoch zabalené v plastovom obale. V procese prípravy pracovného povrchu je dôležité zabezpečiť, aby sa prach nedostal na výstužný materiál, ktorý sa vo veľkom množstve tvorí pri brúsení betónu, pretože to povedie k tomu, že materiál nie je nasýtený spojivo a spôsobí výrobné chyby.

Aby ste tomu zabránili, pred rezaním materiálu pokryte pracovnú plochu polyetylénom a až potom vykonajte merania. Na rezanie uhlíkových sietí a pások môžete použiť kancelársky nôž alebo nožnice na kov, lamely – s uhlovou brúskou vybavenou rezacím kotúčom na kov.

Ako lepidlo sa odporúča použiť dvojzložkové kompozície, v súvislosti s ktorými bude miešanie týchto dvoch zložiek v určitom pomere neoddeliteľnou fázou ich prípravy. Aby nedošlo k náhodnému porušeniu ich pomeru, v procese ich dávkovania je potrebné použiť odmerné misky alebo váhy. Na prípravu zmesi existuje dôležité pravidlo – zložky sa zmiešajú, postupne sa k sebe pridávajú a výsledná hmota sa mieša vŕtačkou vybavenou špeciálnou dýzou.

Dôležité! Chyby, ku ktorým došlo počas prípravy zmesi, môžu viesť k varu lepidla..

Dôležité! Na modernom stavebnom trhu nájdete lepidlá dodávané v sade – t.j. v dvoch vedrách, v ktorých už bolo nadávkované potrebné množstvo komponentov. Pri práci s už dávkovanými zmesami teda stačí zmiešať obsah jedného vedra s obsahom druhého (pre uľahčenie práce je jedno z vedier dodávané s väčším objemom a zostáva poloprázdne).

Na uhlíkové siete používajte polymércementové lepidlo, ktoré sa dodáva vo vreciach a pred použitím sa riedi vodou v súlade s pokynmi.

Ako nainštalovať materiály z uhlíkových vlákien?

Technológia montáže výstužného systému sa výrazne líši v závislosti od typu použitého materiálu..

Inštaláciu uhlíkovej pásky je možné vykonať „na sucho“ alebo „na mokro“. V oboch prípadoch sa na povrch základne, ktorá sa má vystužiť, nanesie vrstva lepidla, ale „mokrá“ metóda zahŕňa impregnovanie uhlíkovej pásky lepidlom a následné valcovanie na základňu valčekom, zatiaľ čo „suché“ metóda zahŕňa pripevnenie pásky k základni a až po jej valcovaní je impregnovaná lepiacou zmesou. Postupnosť inštalačných krokov je teda obrátená. Na impregnovanie uhlíkovej pásky lepiacou kompozíciou sa na jej povrch nanesie vrstva lepidla a pomocou valčeka zaistí, aby horná vrstva spojiva dopadla hlboko do uhlíkových vlákien a spodná vrstva vyšla..

Uhlíkové pásky je možné lepiť vo viacerých vrstvách, pri lepení na povrch stropu sa však neodporúča nanášať viac ako dve vrstvy, čo zabráni „skĺznutiu“ materiálu pod vlastnou hmotnosťou..

Dôležité! Nezabudnite, že akonáhle lepidlo polymerizuje, jeho povrch bude dokonale hladký a rovnomerný, takže je takmer nemožné ho dokončiť. V tomto ohľade sa bez čakania na vytvrdnutie spojiva nanesie na „čerstvý“ povrch vrstva hrubého piesku..

V procese inštalácie uhlíkových lamiel sa vrstva spojiva nanáša nielen na konštrukciu, ktorá sa má vystužiť, ale aj na výstužný prvok, ktorý sa má namontovať. Na konci práce sa lamela valcuje valčekom alebo špachtľou..

Pri montáži uhlíkovej sieťoviny je v procese spevnenia pásového základu vlastnými rukami pripevnená k navlhčenému betónovému povrchu. Po ručnom alebo mechanickom nanesení prvej vrstvy polymérno-cementového lepidla bez čakania na zaschnutie rozviňte uhlíkovú sieťku a mierne ju zatlačte do nanesenej kompozície. Pre pohodlie práce odborníci odporúčajú použiť špachtľu. Potom je potrebné počkať na počiatočné nastavenie kompozície, ktorej nástupný čas závisí od charakteristík zvolenej kompozície a teploty okolia. Aby ste sa uistili, že kompozícia začne tuhnúť, stlačte na jej povrch prstom – malo by byť stlačené s veľkým úsilím. Potom sa nanesie konečná vrstva polymérneho cementu..

Dôležité! Epoxidové lepidlá sú náchylné na oheň a poškodenie ultrafialovými lúčmi, preto musia byť testované na požiarnu odolnosť a chránené pred ultrafialovým žiarením..

About the author