По мере того, как волна заводского изготовления охватывает весь мир, «избыточная прочность и недостаточная жесткость» сборные железобетонные (ПК) компоненты всегда было больной точкой в отрасли. Появление углеродное волокно, «черный маг», превращает балки, плиты и колонны из «хрупких акул» в «сейсмических железных людей».

Проблема: почему традиционные компоненты ПК не выдерживают испытания?

Хрупкое разрушение: Обычный бетон устойчив к сжатию, но не к растяжению, и его можно легко сломать при изгибе или ударе.

Коррозия стальных стержней: Эрозия, вызванная ионами хлорида в прибрежных районах или на химических заводах, привела к увеличению «внутренних повреждений» традиционных стальных стержней.

Грузовые скобы: Увеличение поперечного сечения для повышения грузоподъемности приведет к увеличению расходов на транспортировку и подъем.

Ремонт после землетрясения затруднен: как только в узловой зоне появляются трещины, цикл мокрого ремонта на месте становится длительным, что задерживает возобновление работ.

Четыре революционные роли углеродного волокна

Внутреннее добавление «короткого волокна» – «реконструкция связок» для бетона

• Механизм: добавление 0,2–0,8% по объёму короткого углеродного волокна образует трёхмерную случайную опору в матрице. При появлении трещин волокно образует «мостики», передающие напряжение, и ударная вязкость увеличивается в 2–4 раза.

• Сценарий: сборные лестницы, сегменты труб метро, ограждения для предотвращения столкновений и другие компоненты, которые должны быть ударопрочными.

• Данные: сборные балки с добавлением 0,4% углеродного волокна демонстрируют снижение прогиба в середине пролета на 35% и снижение ширины трещины на 50% при испытании на удар падающим молотом.

Внешняя «армированная ткань» из углепластика — «невидимая броня», в 10 раз прочнее стальных прутков.

• Механизм: ткань из углепластика с прочностью на разрыв ≥3000 МПа приклеивается к поверхности растяжения компонента эпоксидным клеем, образуя вторичную систему сил, которая может увеличить несущую способность изгиба на 30–50 % без увеличения поперечного сечения.

• Сценарии:

– Быстрое армирование старых сборных пустотных плит;

– Сейсмическая модернизация сборных мостов (например, обмотка пластиковой шарнирной зоны опор тканью из углепластика).

• Случай: После того, как два слоя ткани из углепластика были прикреплены к нижней части сборной коробчатой балки определенного путепровода, предельная несущая способность была восстановлена до 1,45 раз по сравнению с первоначальным проектом.

Сборные «стержни/сетки из углепластика» — «суперстальные стержни», которые никогда не ржавеют

• Механизм: При использовании стержней из углепластика вместо традиционных стальных стержней их плотность составляет всего 1/5 от плотности стали, но прочность на разрыв в 10 раз выше, чем у стали, и они устойчивы к коррозии, вызываемой хлорид-ионами.

• Сценарии:

– Сборные наружные стеновые панели для прибрежных доков и резервуаров для хранения СПГ;

– Сборные мостовые панели, требующие защиты от солевой коррозии в высокогорных холодных районах.

• Экономичность: стоимость всего жизненного цикла снижается на 30%, что исключает необходимость последующего нанесения антикоррозийного покрытия.

Интеллектуальный «слой восприятия» — пусть компоненты имеют собственную «проверку состояния»

• Механизм: равномерно распределенные короткие углеродные волокна заставляют сопротивление бетона линейно изменяться с деформацией, реализуя самодиагностику трещин.

• Сценарии:

– Сборные интегрированные трубопроводные коридоры, мониторинг осадки в режиме реального времени;

– Сборные наружные стеновые панели зданий, быстрая оценка уровня повреждений после землетрясения.

Насколько увеличилась прочность сборных компонентов после «армирования» углеродным волокном? У нас есть очевидные сравнительные данные, которые в основном отражают два аспекта:

1. Количественные показатели повышения долговечности

Ширина трещины: После армирования тканью из углепластика скорость расширения трещины снизилась на 60–75 %; после 120 циклов «сухое-влажное» коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины снизился на 50 %.

Коррозия арматуры: После того, как стержни/сетки из углепластика заменили стальные стержни, коэффициент проницаемости ионов хлорида снизился на один порядок, а скорость коррозии стальных стержней составила <0,01 мм/год.

Цикл замораживания-оттаивания: после 300 испытаний на быстрое замораживание-оттаивание (FT) показатель сохранения прочности сцепления на границе раздела углепластик-бетон составил ≥85%, тогда как у неармированных образцов этот показатель составил всего 50%.

Ультрафиолетовое старение: После непрерывного облучения лампой УФ-А 340 нм в течение 1000 часов, затухание прочности на разрыв ткани из углепластика составило <5%, что намного лучше, чем 20% затухание у стальных стержней с эпоксидным покрытием.

2. Адаптация к окружающей среде: эффективность работы в экстремальных условиях

Высокая температура и высокая влажность (40 ℃, относительная влажность 95%)

После 3000 часов прочность на сдвиг в зоне контакта углепластика и бетона снизилась на <8%, что соответствует 30-летним эквивалентным требованиям JTG/T J22-2011 для жарких и влажных сред.

Соляной туман + цикл «сухое-влажное» (NaCl 5%, 120 циклов)

Прочность сцепления традиционного железобетона снизилась на 50%, тогда как прочность сцепления образца, армированного углепластиком, снизилась только на 12%.

Замораживание-оттаивание + антигололедная соль (-18 ℃↗+5 ℃, 300 циклов)

Предельная нагрузка образца ткани из углепластика уменьшилась на <10%, тогда как у обычного бетона показатель снизился на 35%.

Таким образом, углеродное волокно — это не просто «более дорогая стальная арматура», а ключ к эволюции сборного железобетона от «пассивной несущей конструкции» к «активной сенсорике». Тот, кто первым освоит этот ключ, сможет открыть голубой океан с высокой добавленной стоимостью в красном океане сборных зданий.