Китай направи значителни крачки в изследванията и практическото приложение на структурно подсилване и укрепване с помощта на композитни материали от въглеродни влакна. Обичайните методи, използвани в инженерството, включват разширяване на сечението, стоманена обвивка, предварително напрягане, залепване на стоманени плочи и залепване на композитни въглеродни влакна. Традиционните методи за укрепване като цяло са остарели, със сложни строителни процеси и техники, които могат да повлияят на теглото и използваемата площ на конструкцията. За разлика от това, композитният метод на свързване с въглеродни влакна предлага предимства като висока якост, ефективност, устойчивост на корозия, лекота на конструкцията и без увеличаване на структурните размери, което го прави широко използван в инженерни проекти.

1. Принципи на композитната армировка от въглеродни влакна

Армирането с въглеродни влакна на бетонни конструкции е модерен метод, който започна изследване през 80-те години на миналия век и беше въведен в Китай през 1996 г. Той бързо привлече вниманието в инженерната общност, превръщайки се в гореща тема за изследване и приложение. Този метод включва свързване на композити от въглеродни влакна към повърхността на бетонни конструкции, повишаване на тяхната здравина и подобряване на тяхната производителност чрез съвместната работа на влакната и структурата.

2. Композитни материали от въглеродни влакна

Основните материали, използвани за подсилване и ремонт на бетонни конструкции с композити от въглеродни влакна, са тъкани от въглеродни влакна и съвместими смоли. Композитите от въглеродни влакна са известни със своята висока якост, висок модул на еластичност, леко тегло и отлична устойчивост на корозия, с якост на опън около десет пъти по-голяма от обикновените стоманени пръти. Съвместимите смоли включват основни смоли, изравняващи смоли и свързващи смоли. Тези смоли подобряват качеството на свързване на въглеродните влакна и спомагат за образуването на тяло от композитен материал с бетона, като подобряват устойчивостта на огъване и срязване на конструкцията.

2.1 Платове от въглеродни влакна

Тъканите от въглеродни влакна могат да бъдат категоризирани въз основа на техните суровини в тъкани на основата на ПАН, на базата на вискоза и на основата на асфалт. Те също се различават по спецификация, включително 1K, 3K, 6K, 12K и 24K или по-големи тъкани от въглеродни влакна, както и по процеса на карбонизация в графитизирани, карбонизирани и предварително оксидирани тъкани. Освен това те се различават по методите на тъкане, като тъкани, плетени, плетени и предварително импрегнирани тъкани.

2.2 Свързващи материали

Лепилата, използвани за композитна армировка от въглеродни влакна, включват три вида: грунд (основна смола), ремонтна смола (изравняващ материал или шпакловка) и импрегнираща смола. Грундът укрепва бетонната повърхност, подобрявайки връзката между бетона и композитите от въглеродни влакна. Ремонтната смола изравнява бетонната повърхност, улеснявайки адхезията на листовете от въглеродни влакна. Импрегниращата смола свързва въглеродните влакна заедно и с бетона, образувайки композитен материал, който издържа на външни сили. Ефективността на импрегниращата смола е от решаващо значение за ефективното армиране на бетонни конструкции.

3. Превъзходна производителност на стоманобетонни конструкции от композитни въглеродни влакна

• Висока якост и модул на еластичност:Композитите от въглеродни влакна предлагат висока якост на опън, приблизително десет пъти по-голяма от стоманата, и модул на еластичност, сравним със стоманата.

• Устойчивост на корозия и издръжливост:Композитите от въглеродни влакна са химически стабилни и не реагират с киселини, основи или соли, осигурявайки отлична устойчивост на корозия и издръжливост на подсилените конструкции.

• Нисък коефициент на термично разширение:Композитите от въглеродни влакна имат много нисък коефициент на топлинно разширение, почти нулев в посоката на влакната.

• Лесна конструкция и висока ефективност:Подсилването с тъкани от въглеродни влакна не изисква тежки машини или голямо оборудване, заема минимално пространство и позволява гъвкаво рязане и бърз монтаж.

• Гарантирано качество на строителството:Тъканите от въглеродни влакна, тъй като са гъвкави, могат да се придържат добре към неравни повърхности след ремонт, постигайки ефективна степен на адхезия от над 95%.

• Минимално въздействие върху конструкциите:Лекото тегло и тънкият профил на композитите от въглеродни влакна не увеличават значително теглото или размерите на оригиналната структура, запазвайки използваемото пространство.

• Широка гама от приложения:Подходящ за армиране на различни видове конструкции, форми, материали и различни слаби места в конструктивни елементи.

4. Приложения на композитна армировка от въглеродни влакна в бетонни конструкции

В практическото инженерство тъканите от въглеродни влакна се използват предимно за армиране. Технологията е зряла и се прилага широко в няколко области:

• Подобряване на капацитета на срязване:Платовете от въглеродни влакна допринасят за съпротивлението на срязване, подобно на стремената, и помагат за предотвратяване на преждевременното огъване на основната армировка чрез задържане на бетона и понасяне на напрежението на опън.

• Увеличаване на капацитета на огъване:Чрез свързване на тъкани от въглеродни влакна към повърхността на опън на структурните елементи, техният капацитет на огъване е значително подобрен.

• Подобряване на сеизмичните характеристики:Тъканите от въглеродни влакна могат да подобрят пластичността и способността за поглъщане на енергия на бетонните елементи, особено във връзките греда-колона и колони при аксиално натоварване, осигурявайки отлична сеизмична армировка.

• Повишаване на устойчивостта на умора:Стоманобетонните греди и предварително напрегнатите бетонни греди, подсилени с тъкани от въглеродни влакна, поддържат здравина и твърдост след повтарящи се цикли на натоварване, значително удължавайки техния живот на умора и намалявайки деформацията.

5. Ограничения на композитната армировка от въглеродни влакна в бетонни конструкции

• Крехкост:Въглеродните влакна са линейно еластични и крехки, изискващи значителна деформация на структурата, за да се използват напълно техните свойства.

• Проблеми със сцеплението:Армировката от въглеродни влакна може да претърпи повреди на свързването, което води до крехки режими на повреда в стоманобетонните конструкции.

• Ограничено изследване на дългосрочното представяне:Липсват изследвания за ефективността на армирания с въглеродни влакна бетон при дълготрайни и ударни натоварвания.

• Теоретични пропуски:Въпреки че има задълбочени изследвания върху механизмите за усилване на срязване и огъване на материали от въглеродни влакна в греди и колони, има ограничено разбиране за тяхното приложение в срязващи стени.

Като цяло технологията за армиране с въглеродни влакна предлага значителни икономически, социални и екологични ползи. С разработването на материали от въглеродни влакна, намалените производствени разходи и продължаващите изследвания, тази технология ще намери все по-голямо приложение в армирането на бетонни конструкции, обещавайки светло бъдеще.