Бывают ситуации, когда строительным конструкциям требуется усиление. Что делать? Сооружать дополнительные укрепляющие конструкции. Впрочем, есть материал, позволяющий одеть их в надежный поддерживающий «корсет», для создания которого даже не понадобятся масштабные строительные мероприятия
Речь идет о таком материале, как углеволокно (УВ), выпускаемое в виде тканого и нетканого полотна, непрерывных нитей, жгутов, ламелей, сеток, фибры и даже дисперсного порошка. В основе всех этих продуктов лежат тончайшие химические или органические волокна, в которых после поэтапной термической обработки (окисление, карбонизация, графитизация) остаются практически одни только атомы углерода (до 99%). В качестве исходного сырья может применяться вискоза, полиакрилонитрил, лигнин, фенольные и нефтяные смолы и пр. Свойства УВ — малый удельный вес, химическая инертность, высокая стойкость к температурным воздействиям, а также почти нулевое линейное расширение — позволяют изготавливать из него композиты, ставшие незаменимыми в авиа- и ракетостроении, при производстве электро- и радиотехники, деталей автомобилей, плавильного и теплопроводящего оборудования, энергетических установок и многого другого. Фильтрующая и сорбционная способность углеволокна нашла ему место в сфере медицины и фармакологии.
Не осталась в стороне и строительная отрасль, где ленты, ламели и сетки из углеткани служат в системах внешнего армирования для усиления элементов зданий и сооружений (путепроводов, мостов, тоннелей и пр.). С их помощью строениям, разрушающимся от износа и агрессивных влияний, из-за неравномерной осадки или подвижек грунта, можно не просто вернуть прочность, но и увеличить их несущую способность, причем без вмешательства в конструктив. Это позволяет использовать углеволокно для укрепления объектов, эксплуатируемых в сейсмоопасных регионах; при повышении этажности домов, а также при перепланировках, затрагивающих силовые элементы постройки.
Армированию углеволокном подлежат элементы зданий и сооружений из железобетона, кирпича и камня, дерева, металла (для предотвращения коррозии в данном случае используют прослойку из стекловолокна)
Преимущества армирования углеволокном
Весьма значимым плюсом применения углеволокна является возможность выполнения работ без перерыва в эксплуатации объекта: по сравнению с другими технологиями армирования, процесс (без учета подготовки поверхности) занимает минимум времени — счет идет не на дни, а на часы. Никакая тяжелая техника или спецоборудование при этом не требуется. Материал гибкий, легкий, режется обычными ножницами по металлу (ткань) или отрезным диском (ламели). К основанию его фиксируют с помощью специального адгезивного состава. Пропитанное полимерным вяжущим углеволокно после отверждения образует армирующий «корсет» исключительной прочности (в несколько раз превосходящей конструкционную сталь) и упругости, устойчивый к коррозии, влаге, высоким температурам и радиации. Он обладает способностью гасить вибрации и звуковые волны, не подвержен деформациям и растрескиванию. Максимум вреда, который можно причинить ему тяжелым точечным ударом — это вмятина. В результате такого упрочнения с наиболее нагруженных участков конструкции снимается напряжение, а сама она не испытывает при этом дополнительного давления. Срок службы усилительного бандажа составляет 75–80 лет, а значит, на столько же продлевается жизнь несущего элемента или ответственного узла сооружения.
Углеволокном можно армировать стены и фасадные системы; фундаменты и перекрытия (плиты пустотные, монолитные, ребристые); фермы, ригели и диафрагмы жесткости; балки, колонны и столбы вместе с приопорными зонами; стропильные конструкции, дымовые трубы, лестничные марши. Притом материал допускает укладку на поверхности любой сложности — в арочные проемы, в углы и пр.
Толщина углеродного полотна не превышает 5 мм, так что при усилении конструкций с внутренней стороны здания не изменяется ни геометрия, ни полезный объем помещений. Применение УВ позволяет обойтись без громоздких подпорок и расширения несущих оснований
Выпускаются материалы в упакованных рулонах: ленты — длиной 50 и 100 пог./м, ламели — 6, 25, 50 и 100 пог./м, сетки — 50 пог./м. Ширина изделий — 100–1200, 50–800 и 1000–1200 мм соответственно. Средний вес рулонов — 6–15 кг. Плотность углеткани варьируется в пределах 200–600 г/м², прочность на растяжение — не менее 4900 МПа, удлинение волокна на разрыв —1,8—2,1%. Модуль упругости ламелей составляет от 160 до 300 ГПа. Разрывная прочность сеток в продольном и поперечном направлениях — 2300 МПа.
В зависимости от структуры плетения, характеристик и параметров материала цена на продукты колеблется примерно от 40 до 800 тыс. руб. за рулон и более. В пересчете по плотности ламели обходятся дешевле, чем ленты. Это объясняется меньшим содержанием в них углеволокна (65–70% от общей массы композита) и упрощенной, по сравнению с плетением, технологией изготовления методом непрерывной пултрузии (протяжки углеродных нитей через формообразующую головку с последующей полимеризацией). В любом случае, если сопоставить затраты на усиление конструкций любыми другими способами либо и вовсе на снос и возведение новой постройки, стоимость углеволокна окажется более чем оправданной. Производят материалы как зарубежные (США, Великобритания, Япония, Швейцария, Италия, Греция и др.), так и отечественные предприятия.
Перед монтажом углеволокно, не распаковывая, необходимо выдержать в течение минимум двух суток при температуре 20—30⁰С в условиях влажности воздуха от 40 до 80% (это поможет избежать выпадения конденсата на полотне). Складируют рулоны в горизонтальном положении
Особенности монтажа
Армирование углеволокном выполняют согласно проекту, подготовленному на основе результатов профессиональной строительной экспертизы и в соответствии с СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования». Инженерный расчет, а также сами работы должны проводить только квалифицированные специалисты.
Размеченные для усиления участки ж/б конструкции следует зачистить и ошлифовать так, чтобы проступили крупные фракции бетонного наполнителя. Мелкие трещины (до 6 мм) расшивают и замазывают раствором, крупные устраняют методом инъекций. Поверхности из других материалов также должны быть очищены от старых покрытий и слабосвязанных частиц, отремонтированы и обезжирены. Обязательное условие — достаточная шероховатость основания. Подготовленные конструкции тщательнейшим образом обеспыливают, в противном случае надежного сцепления с армирующим элементом не произойдет. По той же причине раскатывать рулоны, резать углеродное полотно и пропитывать его адгезивом нужно на чистой полиэтиленовой подстилке.
Физическую готовность конструкции к упрочнению углеволокном — качество обработки поверхности, ее соответствие допустимому уровню температуры и влажности — может оценивать только специалист
В качестве адгезива применяют двухкомпонентные эпоксидные клеи. Есть составы, которые надо дозировать и вымешивать по инструкции самостоятельно, а можно использовать готовые смеси — они продаются в двух ведрах (в одном основа, в другом отвердитель в нужных пропорциях), содержимое которых остается просто соединить. Рабочее время клеевой массы — всего 30–40 минут.
Монтаж ленты. Очерченный участок поверхности промазывают адгезивом, прикатывают к нему валиком отрезок углеволоконной ткани и затем равномерно пропитывают ее саму (состав как бы втирают, вдавливают в нее шпателем). Такой способ монтажа называется «сухим». «Мокрая» технология подразумевает прикатывание к основанию уже предварительно пропитанной ленты. Полосы важно накладывать аккуратно, без сильного натяжения и не допуская образования складок и отслоений.
Пока клей не полимеризовался, на зону армирования наносят слой крупнозернистого песка, иначе она получится такой гладкой, что там не будет держаться отделочный слой. Обратите внимание: эпоксидные компаунды горючи и чувствительны к ультрафиолету, а значит, усиленная углеродными лентами несущая конструкция должна иметь покрытие, обеспечивающее ей защиту от возгорания (по классу огнестойкости согласно СНиП) и от УФ-излучения. К слову, само углеволокно относится к материалам группы НГ (ленты, сетки) и Г1 (ламели).
Практикуется укладка углеткани в несколько слоев, а также применение на одном участке поверхности и лент, и ламелей. Часто к такому приему прибегают при упрочнении деревянных несущих элементов (например, балок перекрытия), что позволяет во много раз увеличить их жесткость и сопротивление изгибающим нагрузкам. Притом сделать это можно и в качестве превентивной меры. А габариты конструкции даже при многослойном армировании углеволокном практически не изменятся.
Монтаж ламели. Рабочую сторону пластины обезжиривают растворителем, наносят на нее слой адгезива толщиной 1,5–2 мм и укладывают на промазанную клеем поверхность. Для плотного прилегания к основанию, а также чтобы выдавить излишки смеси, по ламели проходятся валиком или шпателем (допустимая высота «волны» — не более 5 мм на 2 м длины).
Монтаж сетки. Углеволокно в виде сеток предназначено для усиления конструкций из кирпича и бетона и фиксируется на полимерцементную смесь, затворяемую водой. Предварительно поверхность увлажняют, затем кладут раствор и вжимают, утапливают в него сетку. Как только состав начнет схватываться, наносят покрывающий слой полимерцемента толщиной не менее 3 мм. К сведению: выпускаются специальные углеволоконные сетки, которыми можно упрочнять покрытия дрог, откосы насыпей, склоны.