Η Κίνα έχει κάνει σημαντικά βήματα στην έρευνα και την πρακτική εφαρμογή της δομικής ενίσχυσης και ενίσχυσης χρησιμοποιώντας σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα. Οι συνήθεις μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στη μηχανική περιλαμβάνουν τη μεγέθυνση τομών, το περίβλημα από χάλυβα, την προένταση, τη συγκόλληση χαλύβδινων πλακών και τη συγκόλληση σύνθετων ινών άνθρακα. Οι παραδοσιακές μέθοδοι ενίσχυσης είναι γενικά απαρχαιωμένες, με περίπλοκες διαδικασίες και τεχνικές κατασκευής που μπορούν να επηρεάσουν το βάρος της κατασκευής και τη χρησιμοποιήσιμη επιφάνεια. Αντίθετα, η μέθοδος συγκόλλησης σύνθετων ινών άνθρακα προσφέρει πλεονεκτήματα όπως υψηλή αντοχή, απόδοση, αντοχή στη διάβρωση, ευκολία κατασκευής και μη αύξηση των δομικών διαστάσεων, γεγονός που την καθιστά ευρέως χρησιμοποιούμενη σε έργα μηχανικής.

1. Αρχές σύνθετης ενίσχυσης από ανθρακόνημα

Ο οπλισμός κατασκευών από σκυρόδεμα με ανθρακονήματα είναι μια σύγχρονη μέθοδος που ξεκίνησε την έρευνα τη δεκαετία του 1980 και εισήχθη στην Κίνα το 1996. Γρήγορα κέρδισε την προσοχή στην κοινότητα των μηχανικών, καθιστώντας ένα καυτό θέμα για έρευνα και εφαρμογή. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει τη συγκόλληση σύνθετων ινών άνθρακα στην επιφάνεια των κατασκευών από σκυρόδεμα, ενισχύοντας την αντοχή τους και βελτιώνοντας την απόδοσή τους μέσω της συνεργατικής εργασίας των ινών και της δομής.

2. Σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα

Τα κύρια υλικά που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση και την επισκευή κατασκευών από σκυρόδεμα με σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα είναι τα υφάσματα από ανθρακονήματα και οι συμβατές ρητίνες. Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα είναι γνωστά για την υψηλή αντοχή, το υψηλό μέτρο ελαστικότητας, το μικρό βάρος και την εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, με αντοχή εφελκυσμού περίπου δέκα φορές μεγαλύτερη από τις συνηθισμένες ράβδους χάλυβα. Οι συμβατές ρητίνες περιλαμβάνουν ρητίνες βάσης, ρητίνες ισοπέδωσης και ρητίνες συγκόλλησης. Αυτές οι ρητίνες βελτιώνουν την ποιότητα συγκόλλησης των ινών άνθρακα και βοηθούν στο σχηματισμό ενός σύνθετου υλικού σώματος με το σκυρόδεμα, ενισχύοντας την αντοχή στην κάμψη και τη διάτμηση της κατασκευής.

2.1 Υφάσματα από ανθρακονήματα

Τα υφάσματα από ανθρακονήματα μπορούν να ταξινομηθούν με βάση τις πρώτες ύλες τους σε υφάσματα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ, με βάση τη βισκόζη και τα υφάσματα με βάση την άσφαλτο. Διαφέρουν επίσης ανάλογα με τις προδιαγραφές, συμπεριλαμβανομένων των 1K, 3K, 6K, 12K, και 24K ή μεγαλύτερων υφασμάτων από ανθρακονήματα ρυμούλκησης και από τη διαδικασία ενανθράκωσης σε γραφιτοποιημένα, ανθρακούχα και προοξειδωμένα υφάσματα. Επιπλέον, διαφέρουν στις μεθόδους ύφανσης, όπως υφαντά, πλεκτά, πλεγμένα και προεμποτισμένα υφάσματα.

2.2 Υλικά συγκόλλησης

Οι κόλλες που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση σύνθετων ινών άνθρακα περιλαμβάνουν τρεις τύπους: αστάρι (ρητίνη βάσης), επισκευαστική ρητίνη (επιπεδωτικό υλικό ή στόκος) και ρητίνη εμποτισμού. Το αστάρι ενισχύει την επιφάνεια του σκυροδέματος, ενισχύοντας τη σύνδεση μεταξύ του σκυροδέματος και των σύνθετων ινών άνθρακα. Η επισκευαστική ρητίνη ισοπεδώνει την επιφάνεια του σκυροδέματος, διευκολύνοντας την πρόσφυση των φύλλων από ανθρακονήματα. Η ρητίνη εμποτισμού συνδέει τις ίνες άνθρακα μεταξύ τους και με το σκυρόδεμα, σχηματίζοντας ένα σύνθετο υλικό που αντιστέκεται στις εξωτερικές δυνάμεις. Η απόδοση της ρητίνης εμποτισμού είναι ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική ενίσχυση των κατασκευών από σκυρόδεμα.

3. Ανώτερη απόδοση σύνθετων κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα από ανθρακονήματα

• Υψηλής αντοχής και ελαστικότητας:Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα προσφέρουν υψηλή αντοχή εφελκυσμού, περίπου δεκαπλάσια από αυτή του χάλυβα, και μέτρο ελαστικότητας συγκρίσιμο με το χάλυβα.

• Αντοχή στη διάβρωση και αντοχή:Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα είναι χημικά σταθερά και δεν αντιδρούν με οξέα, αλκάλια ή άλατα, παρέχοντας εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και ανθεκτικότητα για ενισχυμένες κατασκευές.

• Χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής:Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν πολύ χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, σχεδόν μηδενικό στην κατεύθυνση της ίνας.

• Ευκολία κατασκευής και υψηλή απόδοση:Η ενίσχυση με υφάσματα από ανθρακονήματα δεν απαιτεί βαριά μηχανήματα ή μεγάλο εξοπλισμό, καταλαμβάνει ελάχιστο χώρο και επιτρέπει την ευέλικτη κοπή και τη γρήγορη εγκατάσταση.

• Εγγυημένη ποιότητα κατασκευής:Τα υφάσματα από ανθρακονήματα, όντας εύκαμπτα, μπορούν να προσκολληθούν καλά σε ανώμαλες επιφάνειες μετά από επισκευές, επιτυγχάνοντας αποτελεσματικό ποσοστό πρόσφυσης άνω του 95%.

• Ελάχιστη επίπτωση στις κατασκευές:Το μικρό βάρος και το λεπτό προφίλ των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα δεν αυξάνουν σημαντικά το βάρος ή τις διαστάσεις της αρχικής δομής, διατηρώντας τον χρησιμοποιήσιμο χώρο.

• Ευρύ φάσμα εφαρμογών:Κατάλληλο για την ενίσχυση διαφορετικών τύπων κατασκευών, σχημάτων, υλικών και διαφόρων αδύναμων σημείων σε δομικά στοιχεία.

4. Εφαρμογές σύνθετου οπλισμού από ανθρακονήματα σε κατασκευές από σκυρόδεμα

Στην πρακτική μηχανική, τα υφάσματα από ανθρακονήματα χρησιμοποιούνται κυρίως για ενίσχυση. Η τεχνολογία είναι ώριμη και εφαρμόζεται ευρέως σε διάφορους τομείς:

• Ενίσχυση διατμητικής ικανότητας:Τα υφάσματα από ανθρακονήματα συμβάλλουν στην αντίσταση στη διάτμηση παρόμοια με τους συνδετήρες και βοηθούν στην πρόληψη της πρόωρης διαρροής του κύριου οπλισμού συγκρατώντας το σκυρόδεμα και φέροντας εφελκυστικές τάσεις.

• Αύξηση της ικανότητας κάμψης:Με τη συγκόλληση των υφασμάτων από ανθρακονήματα στην εφελκυστική επιφάνεια των δομικών στοιχείων, η ικανότητα κάμψης τους βελτιώνεται σημαντικά.

• Βελτίωση της σεισμικής απόδοσης:Τα υφάσματα από ανθρακονήματα μπορούν να ενισχύσουν την ολκιμότητα και την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας των στοιχείων σκυροδέματος, ειδικά σε αρμούς δοκού-κολονών και υποστυλωμάτων υπό αξονικό φορτίο, παρέχοντας εξαιρετική σεισμική ενίσχυση.

• Ενίσχυση της αντίστασης στην κόπωση:Οι δοκοί από οπλισμένο σκυρόδεμα και οι δοκοί από προεντεταμένο σκυρόδεμα ενισχυμένες με υφάσματα από ανθρακονήματα διατηρούν την αντοχή και την ακαμψία μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτωσης, παρατείνοντας σημαντικά τη διάρκεια ζωής τους σε κόπωση και μειώνοντας την παραμόρφωση.

5. Περιορισμοί του σύνθετου οπλισμού από ανθρακονήματα σε κατασκευές από σκυρόδεμα

• Εύθραυστο:Οι ίνες άνθρακα είναι γραμμικά ελαστικές και εύθραυστες, απαιτώντας σημαντική παραμόρφωση της δομής για την πλήρη αξιοποίηση των ιδιοτήτων τους.

• Ζητήματα προσκόλλησης:Ο οπλισμός από ανθρακονήματα μπορεί να παρουσιάσει αστοχίες συγκόλλησης, οδηγώντας σε εύθραυστους τρόπους αστοχίας στις κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα.

• Περιορισμένη έρευνα για τη μακροπρόθεσμη απόδοση:Υπάρχει έλλειψη έρευνας σχετικά με την απόδοση του οπλισμένου σκυροδέματος με ανθρακονήματα υπό μακροπρόθεσμα φορτία και φορτία κρούσης.

• Θεωρητικά κενά:Ενώ υπάρχει εκτεταμένη έρευνα για τους μηχανισμούς ενίσχυσης διάτμησης και κάμψης υλικών από ανθρακονήματα σε δοκούς και υποστυλώματα, υπάρχει περιορισμένη κατανόηση της εφαρμογής τους σε διατμητικούς τοίχους.

Συνολικά, η τεχνολογία ενίσχυσης σύνθετων ινών άνθρακα προσφέρει σημαντικά οικονομικά, κοινωνικά και περιβαλλοντικά οφέλη. Με την ανάπτυξη υλικών από ανθρακονήματα, το μειωμένο κόστος παραγωγής και τη συνεχή έρευνα, αυτή η τεχνολογία θα δει αυξανόμενη εφαρμογή στην ενίσχυση των δομών από σκυρόδεμα, υποσχόμενη ένα λαμπρό μέλλον.