Углеволокно в сучасному світі
Спектр застосування вуглецевих матеріалів дуже широкий. Композитні матеріали з вуглецевих волокон сьогодні широко застосовуються в ракетно-космічній галузі, авіаційній промисловості, автомобілебудуванні, у виробництві різноманітної продукції масового споживання. Попит на вуглецеве волокно на світовому ринку постійно зростає, і ця тенденція, вважають експерти, збережеться і надалі.
Що ж стосується будівельної галузі, то застосування вуглецевих матеріалів в будівництві актуально при вирішенні багатьох проблем. Технічні характеристики вуглеволокна допускають його застосування в самих широких діапазонах - при відновленні і ремонті, а також новому будівництві. Як в Європі, так і в Росії вже існують реалізовані проекти зведення переходів і мостів з композитних матеріалів. Існують навіть проекти зведення масштабних конструкцій цілком з вуглеводневого волокна (проект від ТОВ НДІ ВСУ «ІНТЕР / ПЕК» критого пішохідного моста в м Єкатеринбург через річку Ісеть).
Однак настільки сміливі проекти поки є екзотикою. На практиці справи йдуть гірше - в Росії не тільки будівництво, але навіть ремонт споруд з використанням матеріалів нового покоління має слабку поширеність. У всьому цивілізованому світі посилення залізобетонних конструкцій сьогодні відбувається з переважним використанням саме композитних матеріалів і поступовою відмовою від металевого армування. Технологія посилення будівельних конструкцій із застосуванням елементів зовнішнього армування з вуглеволокна є зараз найсучаснішим і «дбайливим» методом відновлення та підвищення експлуатаційних характеристик будівельних конструкцій.
При цьому російська реальність демонструє високу ступінь необхідності в посиленні будівельних конструкцій, які можна було б підсилювати елементами з високоміцних і високомодульних матеріалів. У Росії дуже багато конструкцій потребують ремонту. Велика частина стратегічно важливих залізобетонних конструкцій було побудовано ще в радянські часи, особливо це відноситься до російської інфраструктурі ЖКГ. Ці конструкції в своїй більшості мають високий ступінь фізичного зносу і вимагають ремонту. Ситуація неминуче буде посилюватися надалі. Одночасне виведення великої кількості об'єктів інфраструктури з експлуатації на час заміни здатний створити великі проблеми. Крім того, ремонт і посилення часто бажано проводити за допомогою міцних, легких матеріалів, до того ж не схильних до корозії.
Зазначеним вище вимогам цілком відповідають елементи зовнішнього армування з високомодульних штучних волокон, перш за все вуглецевих. Цими ж якостями володіють скловолоконні (скловолоконні мають корозію краще замінити на базальтові) і арамідні волокна, але найбільшого поширення в світі на сьогодні отримали саме вуглецеві і базальтові (причому в-во Україна, Росія, Китай) волокна, оскільки мають найкраще співвідношення ціна / якість .
Застосування вуглецевого волокна в якості зовнішнього армування будівельних конструкцій налічує приблизно 40-річну історію. На сьогоднішній день у всьому світі є тисячі об'єктів, посилених за цією технологією.
Вуглецеве волокно в основному виробляється в трьох країнах: США, Японія і республіки колишнього СРСР. Найбільшого поширення у виробах для посилення отримали елементи зовнішнього армування з вуглеволокна японського виробництва [1].
Композитний армування найбільш виправдано для застосування там, де потрібно забезпечити надійну експлуатацію унікальних, дорогих, історично значущих конструкцій, демонтаж і заміна яких значно дорожче ремонту або неможлива взагалі. Це, перш за все, відноситься до транспортних, гідротехнічних споруд, пам'ятників архітектури. Посилення рядових конструкцій із застосуванням технології зовнішнього армування повинно бути обгрунтовано економічно.
Композитні матеріали з вуглеволокна мають високу міцність (до 3500 МПа), корозійну стійкість, відсутні розмірні обмеження щодо їх застосування, для виконання робіт не потрібно складне устаткування і оснащення. Зовнішнє армування може бути застосовано і для посилення конструкцій з дерева, цегли і металу [2].
Модуль пружності і міцність елемента зовнішнього армування представлені досить широкою лінійкою, що дає можливість ефективного застосування на різних конструкціях з різних матеріалів.
Механічні характеристики елементів зовнішнього армування варіюються в наступних межах: Е = 70000-640000 МПа, R = 1700-4800 МПа
Раціональної ступенем посилення є діапазон 10-60% від початкової несучої здатності конструкції і якщо фактична міцність на стиск бетону конструкції становить не менше 15 МПа. [3]
Невисока ступінь поширення в Росії цього сучасного методу зовнішнього армування обумовлена, в першу чергу, відсутністю нормативної регулюючої бази, і, як наслідок, слабким рівнем інформованості потенційних гравців ринку. При цьому проблема полягає саме в регламентації якості робіт (проектування, технічних розрахунків, кваліфікації інженерів і робітників). а не в якості самих матеріалів. Обмежуючим фактором також виступає стійка думка про високу вартість використання композитних матеріалів.
Фахівці вважають, що існуючу думку про дорожнечу використання композитних матеріалів у порівнянні з традиційними методами посилення конструкцій вже не відображає реального стану справ в країні. Вуглецеве волокно, дійсно, дорожче, ніж метал. Однак в сукупності витрат (відсутність необхідності використання підйомної та іншої техніки, зварювального устаткування, зайвої робочої сили, витрат часу) такий метод може виявитися дешевше навіть без урахування більш радикальних альтернатив (знесення з подальшим відновленням і т.п.). Зокрема якщо порівнювати посилення колони сталевий обоймою з залученням її в спільну роботу при виконанні всіх регламентних заходів (нагрів планок, зачеканення безусадкова розчином і т.д.), то за вартістю композитний метод виграє у такого рішення в два рази.
Історично, застосування технології зовнішнього армування в нашій країні пов'язано з залізобетонними конструкціями мостів. Вперше в Росії були посилені елементами з вуглеволокна і практично одночасно естакада, що входить до складу третього транспортного кільця Москви і залізничний міст в г.Домодедово Московської області. З тих пір в Росії посилення піддалися тисячі великих і малих об'єктів. Крім мостів, посилюються елементи промислових і цивільних споруд, тунелі метро, стіни будівель архітектурного значення і т.п.
З вуглеволокна виробляються стрічки (ламелі, бандажі) і полотна. Останнім часом має місце тенденція більш широкого поширення полотен. Це пов'язано з їх більш високими механічними характеристиками, простотою монтажу та забезпеченням більш надійної анкерування.
Таблиця 1. Застосування композитних матеріалів в будівництві