Patrząc w przyszłość: nowy materiał budowlany - beton węglowy

Kondratieva Tatyana

Blok z betonu węglowego

Materiały kompozytowe od dawna nie zaskoczyły ani budowniczych, ani klientów. Wszyscy wiedzą o ich unikalnych właściwościach, ich zdolność do wytrzymania agresywnych czynników zewnętrznych jest znacznie lepsza niż tradycyjnych materiałów. Jednak życie nie stoi w miejscu i co roku pojawiają się nowe osiągnięcia w tej dziedzinie.

Jeden z nich - beton węglowy - jest warty szczegółowego opowiedzenia. O idei jego powstania, właściwościach i perspektywach wdrożenia w budownictwie.

Włókno węglowe

Włókno węglowe jest materiałem od dawna znanym i bardzo poszukiwanym w różnych dziedzinach produkcji przemysłowej. Ale dość drogie.

Proces wytwarzania włókien grafitowych polega na wieloetapowym ogrzewaniu włókien poliakrylonitrylowych lub wiskozowych w różnych mediach do etapu karbonizacji. W rezultacie pojawia się materiał składający się z czystego węgla.

Właściwości włókna węglowego

Grubość włókna węglowego wynosi zaledwie 5-10 mikronów, czyli jest cieńsza niż ludzki włos. Składa się z łańcuchów atomów węgla ułożonych w sieci krystalicznej.

Struktura krystaliczna włókien węglowych

• Do produkcji włókien nici są łączone w wiązki, w których może być do 50 000.
• Jakie właściwości materiału przyciągnęły uwagę i pozwoliły na wykorzystanie go do produkcji konstrukcji działających w najtrudniejszych warunkach pracy?
• Przede wszystkim jest to wyjątkowa wytrzymałość na rozciąganie. Jest czterokrotnie ten sam wskaźnik dla najlepszych gatunków stali.

To interesujące. Aby złamać pręt z włókna węglowego o grubości 5 mm, wymagana jest siła 2500 kg. Podczas gdy ten sam pręt żeliwny zapadnie się przy 150 kg.

Gęstość włókna węglowego jest czterokrotnie niższa niż w przypadku tej samej stali. W związku z tym materiał waży cztery razy mniej.

Gdzie stosuje się włókno węglowe?

Materiały kompozytowe, w których włókno węglowe jest stosowane jako element wzmacniający, są stosowane w budowie maszyn i samolotów, produkcji sprzętu sportowego i konstrukcji.

Jesteśmy zainteresowani budową, dlatego zastanówmy się nad tym obszarem zastosowania:

• Włókno węglowe jest tutaj podstawą do zbrojenia taśm, środników, a nawet zbrojenia kompozytowego do konstrukcji betonowych.
• Wstążki i płótna wykonane z nici grafitowych to specjalny tkany materiał tekstylny impregnowany żywicami;
• Wzmocnienie to pręty z włókien węglowych impregnowane utwardzonym spoiwem polimerowym.

Na przykład. Aby zapewnić niezawodną przyczepność do betonu, na powierzchnię prętów nakłada się powłokę piaskową lub powstają wystające żebra.

Włókno węglowe ma bardzo wysoką wytrzymałość, dzięki czemu pomaga wzmocnić nowe projekty lub przywrócić utracone właściwości do starych.

Belki rozpiętości mostu wzmocnione tkaniną z włókna węglowego

Wszystko to ma niewiele wspólnego z węglobetonem. Ale to szczególne właściwości włókna węglowego skłoniły niemieckich naukowców do zastanowienia się nad stworzeniem nowego materiału.

Co to jest węgielobeton

Naukowcy z Drezdeńskiego Instytutu Budownictwa Monolitycznego postanowili więc zastąpić zbrojenie metalowe w betonie włóknem węglowym. Zamiast tego materiał tekstylny otrzymany z niego przez tkanie w celu uzyskania specjalnej struktury kratowej.

W rezultacie otrzymali materiał, który dosłownie pod każdym względem przewyższa wszystkie znane dziś rodzaje betonu. Ze znacznie większą siłą i niższym ciężarem właściwym.

Pomimo pozornej prostoty wynalazku, chemicy pracowali nad nim przez kilka dziesięcioleci, upewniając się, że tekstylia z włókna węglowego niezawodnie przylegają do mieszanki betonowej. Aby to zrobić, jest traktowany specjalną powłoką, której skład jest nadal utrzymywany w tajemnicy przez producenta.

Technologie produkcji wyrobów z betonu węglowego

Obecnie opracowano dwie metody produkcji wyrobów z betonu węglowego:

1. Zestaw warstw. Technologia polega na nakładaniu warstw tkaniny tekstylnej na beton z późniejszym wylewaniem. Oznacza to, że na warstwę mieszaną nakłada się tekstylne, wylewa cienką warstwą betonu i tak dalej, na przemian, aż do uzyskania wymaganej grubości.
2. Wlewanie do szalunku. Tradycyjny sposób, w którym zbrojenie z włókna węglowego jest najpierw mocowane w szalunku lub formie, a następnie wylewa się mieszankę betonową.

Wlewanie betonu do formy

Korzyści materialne

W porównaniu z żelbetem, beton węglowy daje następujące korzyści:

• Jest znacznie lżejszy, co ułatwia i przyspiesza budowę;
• Beton węglowy jest kilkakrotnie mocniejszy;
• Nie pęka, a zbrojenie wewnątrz nie rdzewieje, a żelbet zaczyna z czasem ulegać zniszczeniu właśnie z tego powodu.

Zniszczenie konstrukcji żelbetowej

• W wyniku dwóch ostatnich punktów, beton węglowy jest znacznie bardziej trwały i niezawodny niż analogi ze zbrojeniem metalowym.

Jedynym minusem tego materiału jest jego wysoki koszt. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę, że wykonane z niego konstrukcje są wyjątkowo trwałe i nie wymagają naprawy i rekonstrukcji przez wiele lat, to ten minus jest kompensowany przez trwałość działania.

Możliwe zastosowania

Do tej pory programiści znaleźli już aplikację dla tego wyjątkowego materiału. W szczególności wykorzystali go do rekonstrukcji starych budynków o wartości historycznej w dwóch niemieckich miastach. Bez ich pomocy budynki te musiałyby zostać zburzone.

Jednym z obszarów zastosowania jest rekonstrukcja zużytych konstrukcji

W przyszłości planowane jest zastosowanie betonu węglowego w nowych konstrukcjach. Przeprowadzono już eksperyment dotyczący budowy czterometrowego pawilonu złożonych elementów o grubości 4 centymetrów. Niemożliwe jest zbudowanie takiego budynku ze zbrojonego betonu i nie będzie on różnił się wymaganą wytrzymałością.

Naukowcy nawet dzisiaj otrzymują wnioski z całego świata, w których wiele żelbetowych budynków wymaga pilnej rekonstrukcji. Z kolei mają nadzieję, że za dziesięć lat stosunek betonu węglowego i betonu zbrojonego zastosowanego w budownictwie wyniesie 1: 4.