Бетонная инфраструктура, как жизненно важная опора для современного общества, широко используется в строительстве, мостах, дорогах, водном хозяйстве и других областях, играя решающую роль в социально-экономическом развитии. От возвышающихся небоскребов до мостов, охватывающих реки, озера и моря, и подземных туннелей, обеспечивающих городскую эксплуатацию, бетон с его преимуществами низкой стоимости, высокой пластичности и хорошей долговечности стал незаменимым материалом в строительстве инфраструктуры.

Однако бетонные конструкции неизбежно страдают от различных факторов при длительном использовании, таких как эрозия окружающей среды, несущие эффекты и старение материала, что приводит к постепенному ухудшению конструктивных характеристик, растрескиванию и снижению прочности, угрожая безопасности и долговечности конструкции. Согласно статистике, многие ранее построенные бетонные мосты имеют серьезные структурные дефекты из-за длительных транспортных нагрузок и экологической эрозии, требующие частого обслуживания и усиления. Некоторые мосты даже пришлось преждевременно вывести из эксплуатации из-за серьезного ущерба, что привело к значительным экономическим потерям и социальным последствиям. Поэтому вопрос о том, как эффективно поддерживать и укреплять конкретную инфраструктуру для обеспечения ее долгосрочной безопасной и надежной работы, стал критически важным вопросом, который необходимо срочно решить в области гражданского строительства.

Системы армирования из углеродного волокна, как новая технология укрепления конструкций, продемонстрировали огромный потенциал и преимущества в области армирования бетонной инфраструктуры благодаря своим превосходным характеристикам. Материалы из углеродного волокна обладают рядом превосходных свойств, включая высокую прочность, высокий модуль упругости, низкую плотность, коррозионную стойкость и усталостную стойкость. Применение их для армирования бетонной конструкции может значительно улучшить несущую способность, жесткость и долговечность конструкции, эффективно ремонтируя и улучшая ее характеристики и продлевая срок ее службы. В последние годы системы армирования из углеродного волокна широко используются в многочисленных проектах армирования бетонной инфраструктуры как внутри страны, так и за рубежом, что обеспечивает отличные результаты.

Принцип работы системы армированной углеродным волокном

Принцип работы армированных бетонных конструкций из углеродного волокна основан на синергетическом рабочем механизме композиционных материалов. Когда волокно углерода скреплено к поверхности бетонной конструкции используя прилипатель, под внешними нагрузками, стресс перенесен между волокном углерода и бетоном через прилипатель, формируя унифицированную систему нагрузк-подшипника. Потому что волокно углерода имеет весьма высокие прочность на растяжение и модуль, оно может принести большую часть из растяжимого напряжения, эффектно компенсируя для низкой прочности на растяжение бетона. В частности, когда бетонная конструкция подвергается нагрузкам на растяжение, изгиб или сдвиг, бетон сначала деформируется и трескается. По мере увеличения нагрузки трещины постепенно распространяются. На этом этапе ткань из углеродного волокна или пластина из углеродного волокна, прикрепленная к бетонной поверхности, может сдерживать дальнейшее развитие трещин. Через клей часть нагрузки, которую несет бетон, переносится на углеродное волокно, которое затем выдерживает растягивающее усилие, тем самым улучшая общую несущую способность и жесткость конструкции. Этот синергетический рабочий механизм полностью использует преимущества как углеродного волокна, так и бетона, обеспечивая эффективное улучшение характеристик бетонной конструкции.

Преимущества в бетонной инфраструктуре

Улучшенные механические свойства

Системы, армированные углеродным волокном, превосходно улучшают механические свойства бетонных конструкций, значительно увеличивая их прочность на растяжение, изгиб и сдвиг, эффективно уменьшая распространение трещин и тем самым продлевая срок службы конструкции.

1) Повышенная прочность на растяжение: бетон имеет относительно низкую прочность на разрыв, что делает его слабым местом в его структурных характеристиках. Когда бетонные конструкции подвергаются растягивающим силам, трещины легко образуются, и по мере развития этих трещин они серьезно влияют на безопасность и долговечность конструкции. Материалы из углеродного волокна обладают чрезвычайно высокой прочностью на разрыв. Склеивание ткани или листов из углеродного волокна с участками натяжения бетонных конструкций позволяет им работать в тандеме с бетоном, чтобы разделить растягивающую нагрузку. При армировании железобетонных балок прикрепление ткани из углеродного волокна к зоне натяжения в нижней части балки позволяет ткани из углеродного волокна полностью использовать свою высокую прочность, чтобы выдерживать большую часть растягивающего напряжения, когда балка находится под растягивающим усилием, эффективно предотвращая образование и развитие бетонных трещин, Тем самым значительно увеличивая прочность луча на разрыв. Исследования показали, что прочность на разрыв бетонных балок, армированных системами из углеродного волокна, может увеличиваться на 30-80%, причем удельное увеличение зависит от таких факторов, как количество используемого углеродного волокна, метод склеивания и исходное состояние бетонной конструкции.

2) Повышенное сопротивление изгибу: в бетонных конструкциях, таких как балки и плиты, сопротивление изгибу является важным показателем их несущей способности. Системы армирования из углеродного волокна увеличивают площадь растяжимого армирования в бетонных элементах, прикрепляя материал из углеродного волокна к зоне натяжения, тем самым улучшая сопротивление изгибу. Например, просто поддерживаемая железобетонная балка показала значительные трещины и деформацию под нагрузкой перед армированием. После изгиба армирования тканью из углеродного волокна ширина трещины значительно уменьшилась при той же нагрузке, деформация эффективно контролировалась, а несущая способность изгиба увеличилась примерно на 50%, что соответствовало более высоким требованиям к производительности. Это связано с тем, что ткань из углеродного волокна и бетон образуют единую структуру посредством склеивающих материалов. Под изгибающим моментом ткань из углеродного волокна может выдерживать большее растягивающее напряжение, работая вместе с зоной сжатия бетона, чтобы противостоять изгибающему моменту, тем самым повышая сопротивление луча изгибу.

3) Улучшенное сопротивление сдвига: Сопротивление сдвига одинаково важно для балок, колонн и других компонентов в бетонных конструкциях. Системы армирования из углеродного волокна могут улучшить сдвиговую способность компонентов путем присоединения U-образных обручей из углеродного волокна или ткани из углеродного волокна к поверхности компонента. U-образные обручи из углеродного волокна эффективно ограничивают бетон, повышая его прочность на сдвиг. Одновременно связь между тканью из углеродного волокна и бетоном передает часть силы сдвига, тем самым улучшая общее сопротивление сдвигу компонента. В практическом проектировании для некоторых железобетонных балок, демонстрирующих диагональные трещины из-за недостаточной способности к сдвигу, метод армирования с использованием U-образных обручей из углеродного волокна и ткани из углеродного волокна значительно улучшил несущую способность балки к сдвигу, эффективно подавил развитие диагональных трещин и обеспечил безопасность и надежность конструкции.

4) Контроль трещин и расширение срока службы конструкции: бетонные конструкции подвержены растрескиванию при длительном использовании из-за таких факторов, как нагрузки и условия окружающей среды. Наличие трещин не только влияет на внешний вид конструкции, но и снижает ее долговечность и ускоряет ее износ. Системы армирования из углеродного волокна могут эффективно контролировать распространение трещин, сдерживая деформацию бетона, уменьшая ширину трещин и улучшая гидроизоляцию конструкции и предотвращая просачивание, тем самым продлевая срок ее службы. Например, в некоторых бетонных мостах, расположенных в суровых условиях, использование систем армирования из углеродного волокна эффективно контролировало растрескивание, значительно улучшало прочность конструкции и продлевало ожидаемый срок службы на 20-30 лет, уменьшая экономические потери и социальные последствия частого обслуживания и замены.

Повышенная долговечность

Системы, армированные углеродным волокном, обладают отличной коррозионной стойкостью и стойкостью к кислотам и щелочам, что делает их решающими в защите бетонной инфраструктуры от суровой эрозии окружающей среды. Они могут значительно повысить прочность конструкции, снизить затраты на техническое обслуживание и особенно подходят для инфраструктуры в особых условиях.

1) Принцип коррозионной стойкости: углеродное волокно само по себе является химически очень стабильным материалом. Его основным компонентом является углерод, который имеет высококристаллическую структуру. Эта структура заставляет углеродное волокно проявлять хорошую инертность в химических средах, и оно не легко химически реагирует с такими веществами, как кислоты, щелочи и соли. В то же время клей эпоксидной смолы, используемый для склеивания углеродного волокна, также обладает отличной стойкостью к химической коррозии, эффективно изолируя углеродное волокно и бетонную конструкцию от внешних агрессивных сред, образуя прочный защитный барьер. Когда система армирования из углеродного волокна приклеивается к поверхности бетонной конструкции, даже если во внешней среде присутствуют коррозионные вещества, такие как диоксид серы и оксиды азота в промышленных отходящих газах, ионы хлорида в морской воде и кислотные или щелочные вещества в почве, Эти коррозионные среды трудно проникают в бетон, тем самым защищая бетон и внутреннюю стальную арматуру от коррозии.

2) Преимущества в особых условиях: в прибрежных районах многочисленные мосты, доки и другая инфраструктура подвергаются длительным погружениям в морскую воду и эрозии морскими ветрами. Ионы хлорида в морской воде сильно разъедают стальную арматуру в бетонных конструкциях, заставляя сталь ржаветь и расширяться, что приводит к растрескиванию и раскалыванию бетона и резкому снижению структурных характеристик. После армирования системой армирования из углеродного волокна коррозионная стойкость углеродного волокна эффективно противостоит эрозии ионов хлора, защищая стальную арматуру от коррозии и продлевая срок службы конструкции. Например, после многих лет использования прибрежный мост развил сильную коррозию на своих пирсе и палубе. После усиления тканью из углеродного волокна и пластинами из углеродного волокна и после нескольких лет мониторинга конструкция оставалась в хорошем состоянии без новых проблем с коррозией, эффективно обеспечивая безопасную эксплуатацию моста.

Удобство строительства

1) Простой процесс строительства

2) Не требуется большое оборудование

3) Короткий период строительства

4) Минимальное воздействие на окружающую среду

5) Не влияет на первоначальный структурный внешний вид или полезное пространство