Эксплуатационные характеристики и области применения композитных армирующих материалов, сплетенных из углеродного волокна 

Армирование из углеродного волокна, как следует из названия, представляет собой новый конструкционный материал, получаемый путем сочетания углеродного волокна, которое часто называют “королем новых материалов”, со смолой с помощью специального процесса пултрузии. Этот композитный материал из углеродного волокна имеет плотность всего от 1/7 до 1/5 плотности стали, однако его внутренняя прочность превышает прочность стальной арматуры в 10-15 раз.
Напоминающие по внешнему виду стальные прутки, но превосходящие их по эксплуатационным характеристикам, прутки из углеродного волокна широко используются в гражданском строительстве, судостроении, строительстве мостов и других областях благодаря своему весу, коррозионной стойкости, усталостной стойкости и другим преимуществам. Они могут служить опорой для моста или укреплять городские стены; они подходят как для высокогорных районов, так и для морских условий… Как бруски из углеродного волокна достигают таких “сверхспособностей”?
Как производится армирование из углеродного волокна?
Армирование из углеродного волокна представляет собой стержнеобразный композитный материал, армированный углеродным волокном, полученный путем объединения непрерывных углеродных волокон в качестве армирующего материала со полимерной матрицей с помощью соответствующих процессов формования.
Углеродные волокна являются основным несущим компонентом, а их предел прочности при растяжении и модуль упругости оказывают решающее влияние на прочность арматуры и характеристики изгиба. Полимерная матрица связывает углеродные волокна в пучки для коллективной передачи напряжения, что способствует продольному растяжению и сжатию, а также определяет устойчивость изделия к воздействию влажного тепла.
Каковы характеристики армирования из углеродного волокна?
Углеродные волокна обладают высокой прочностью, малым весом, устойчивостью к коррозии и усталости. Их предел прочности при растяжении может превышать 3000 МПа, а относительная плотность составляет лишь одну пятую от плотности стальных арматурных стержней. Их усталостная прочность значительно превосходит показатели стальных прутков. Они обладают превосходной стойкостью к химической коррозии в агрессивных средах, таких как кислоты, щелочи, соли и влага. Виброгасящие свойства волокнистых жил превосходят характеристики стали, обеспечивая превосходное поглощение энергии и ударов.
Где в основном используются арматурные стержни из углеродного волокна?
Помимо традиционной строительной арматуры, арматурные стержни из углеродного волокна — благодаря своему легкому весу, стойкости к коррозии и усталости — являются перспективной заменой обычным стальным наружным натяжным стержням в суровых условиях эксплуатации. В таких инфраструктурных сооружениях, как высотные здания, длиннопролетные мосты, портовые терминалы и подводные туннели, обычные железобетонные конструкции обладают значительными недостатками в плане долговечности, коррозионной стойкости и присущей им прочности. Замена традиционной стальной арматуры на арматуру из углеродного волокна позволяет бетону эффективно работать в специализированных конструкциях или суровых условиях эксплуатации.
Связывание десятков или даже сотен тонких нитей из углеродного волокна в тросы позволяет использовать их в мостах с большим пролетом. Это связано с высокой удельной прочностью и удельным модулем упругости углеродных волокон. При использовании в качестве основных тросов в подвесных мостах они повышают эффективность несущей способности моста, длину пролета и устойчивость к ветру и вибрации. Они также существенно решают проблемы коррозии и усталости, связанные со стальными тросами, что позволяет создавать высокопроизводительные мостовые конструкции, отличающиеся малым весом и увеличенным сроком службы.
От углеродного волокна к армированию углеродными волокнами
Армирование углеродными волокнами обычно производится методом пултрузии. Пултрузия – это производственный процесс получения непрерывных отрезков полимеров, армированных волокнами, с постоянным поперечным сечением. Этот процесс включает в себя вытягивание углеродных волокон из катушки с пряжей, сбор их в пучки, формуемые направляющей пластиной в соответствии с отверстием формы, и направление их в ванну со смолой в желобе для смолы.
Углеродные волокна проходят через ванну со смолой в определенном порядке. Смола в ванне полностью пропитывает армирующие волокна. Затем внутренние компоненты ванны со смолой равномерно выдавливают пропитанную смолой поверхность волокон. Затем волокна поступают в зону формования, то есть в форму.
Изображение
Форма для изготовления заготовок обычно устанавливается перед основной формой. Излишки смолы выдавливаются из формы для изготовления заготовок перед тем, как волокна попадают в нагретую формовочную форму. В нагретой форме смола постепенно затвердевает по мере нагревания, образуя круглый стержень с диаметром, соответствующим форме формы. После формы обычно устанавливается печь для последующей отверждения с подогревом, чтобы повысить степень отверждения стержня из углеродного волокна и повысить его общую производительность.
Отвержденный стержень из углеродного волокна вытягивается с помощью тягового устройства и обрезается до необходимой длины или наматывается на катушки.
Классификация стержней из углеродного волокна
В зависимости от состояния поверхности стержни из углеродного волокна в основном подразделяются на гладкие стержни (smooth-surface rods) и ребристые стержни (ribbed rods). В зависимости от конкретных сценариев применения существуют дополнительные типы стержней.
Гладкие стержни (Smooth-Surface Rods)
Обладая гладкой поверхностью, они обычно используются в качестве композитных стержней из углеродного волокна для замены стальных стержней в вантовых мостах, подвесных мостах и длиннопролетных конструкциях.
Ребристые стержни (Ribbed Bars)
Характеризующиеся рифлеными поверхностями, которые повышают прочность сцепления с бетоном, они обычно используются в качестве стержней предварительного напряжения для замены стальной арматуры.