Речь в данной статье пойдет о композиционных (композитных) материалах на основе углеродных волокон, и о специфике их применения в российском строительном комплексе.
Углеволокно в современном мире
Спектр применения углеродных материалов очень широк. Композитные материалы из углеродных волокон уже давно широко применяются в ракетно-космической отрасли, авиационной промышленности, автомобилестроении, в производстве разнообразной продукции массового потребления. Спрос на углеродное волокно на мировом рынке постоянно растет, и эта тенденция, полагают эксперты, сохранится и в дальнейшем.
Что же касается строительной отрасли, то применение углеродных материалов в строительстве актуально при решении многих проблем. Технические характеристики углеволокна допускают его применение в самых широких диапазонах – при усилении и ремонте, а также новом строительстве. Как в Европе, так и в России уже существуют реализованные проекты возведения переходов и мостов из композитных материалов (с применением строительных стеклопластиков). Существуют даже проекты возведения масштабных конструкций целиком из углеродного волокна (проект ООО «Интер-Тэк» крытого пешеходного моста в г. Екатеринбурге через реку Исеть).
Усиление железобетонных перекрытий оздоровительного центра «Днепропетровская»
Однако столь смелые проекты пока являются экзотикой. На практике дела обстоят хуже – в России не только строительство, но даже ремонт сооружений с использованием материалов нового поколения имеет слабую распространенность. Во всем цивилизованном мире усиление железобетонных конструкций сегодня совершается с преимущественным использованием именно композитных материалов и постепенным отказом от традиционных методов армирования. Технология усиления строительных конструкций с применением элементов внешнего армирования из углеволокна является в настоящий момент самым современным и «бережным» методом восстановления и повышения эксплуатационных характеристик строительных конструкций.
При этом российская реальность демонстрирует высокую степень необходимости в усилении строительных конструкций, которые можно было бы армировать элементами из высокопрочных и высокомодульных материалов. В России очень многие конструкции нуждаются в ремонте. Большая часть стратегически важных сооружений, выполненных из железобетона, была построена еще в советские времена. Это же относится к российской инфраструктуре ЖКХ. Конструкции сооружений после 30-40 лет эксплуатации в своем большинстве имеют высокую степень физического износа и требуют ремонта. Ситуация неизбежно будет усугубляться в дальнейшем. Часто требуется проведение ремонтных работ без вывода сооружений из эксплуатации. Кроме того, ремонт и усиление технологично производить с помощью прочных, легких материалов, к тому же не подверженных к коррозии.
Усиление ферм покрытия промздания г. Санкт-Петербург
Перечисленным выше требованиям наилучшим образом отвечают элементы внешнего армирования из высокомодульных искусственных волокон, прежде всего углеродных. Этими же качествами обладают базальтовые и арамидные волокна (существуют еще стекловолоконные, но они склонны к коррозии), но наибольшее распространение в мире на сегодня получили именно углеродные волокна (в меньшей степени базальтовые), поскольку имеют наилучшее соотношение цена/качество.
Применение углеродного волокна в качестве внешнего армирования строительных конструкций насчитывает примерно 40-летнюю историю. Углеродное волокно производится во многих странах: Япония, США, Тайвань, Корея, Китай, Швейцария, Венгрия. Имеется производство в России и Украине. На сегодняшний день во всем мире имеются тысячи объектов, усиленных по этой технологии.
Технические характеристики
Композитное армирование наиболее оправдано для применения там, где требуется обеспечить надежную эксплуатацию сооружений, в первую очередь для усиления уникальных, дорогих, исторически значимых конструкций, демонтаж и замена которых значительно дороже ремонта или невозможны вообще. Это относится как к сложным конструкциям транспортных, гидротехнических сооружений, памятникам архитектуры, так и к рядовым конструкциям – фундаментам, дверным проемам, несущим элементам перекрытий после перепланировки помещений и т.п.
Композитные материалы из углеволокна обладают высокой прочностью на растяжение (до 4800 МПа), коррозионной стойкостью, отсутствуют размерные ограничения по их применению, для выполнения работ не требуются сложное оборудование и оснастка. Внешнее армирование может быть применено также и для усиления конструкций из дерева, кирпича и металла1.
Таблица 1
Применение композитных материалов в строительстве
Источник: ABARUS Market Research по материалам компаний
Модуль упругости и прочность элемента внешнего армирования представлены достаточно широкой линейкой, что дает возможность эффективного применения на различных конструкциях из разных материалов.
Механические характеристики элементов внешнего армирования варьируются в следующих пределах: Е= 70000-640000 МПа, R= 1700-4800 МПа.
При усилении деревянных конструкций применяется углеволокно с модулем упругости не менее 300 000 МПа (приводится теоретический показатель, поскольку примеров усиления деревянных конструкций в России практически нет, поэтому нет и подтверждений).
Рациональной степенью усиления является диапазон 10-60% от начальной несущей способности конструкции, при условии, что фактическая прочность на сжатие бетона конструкции составляет не менее 15 МПа².
Российская практика
Невысокая степень распространения в России этого современного метода внешнего армирования обусловлена, в первую очередь, отсутствием нормативной регулирующей базы и, как следствие, слабым уровнем информированности потенциальных игроков рынка. При этом проблема заключается именно в отсутствии нормативной документации (по проектированию, расчету, проверке качества выполненных работ), а не в качестве самих материалов. Ограничивающим фактором также выступает мнение о высокой стоимости использования композитных материалов, которое чаще всего неверно.
Специалисты полагают, что бытующее мнение о дороговизне использования композитных материалов по сравнению с традиционными методами усиления конструкций уже не отражает реального положения дел. Композиты на основе углеродных волокон, действительно, дороже, чем металл. Однако в совокупности затрат (отсутствие необходимости использования подъемной и иной техники, сварочного оборудования, излишней рабочей силы, затрат времени) такой метод часто оказывается дешевле даже без учета более радикальных альтернатив (сноса с последующим восстановлением и т.п.). В частности, как утверждают специалисты фирмы «Практик», если сравнивать усиление колонны стальной обоймой с вовлечением ее в совместную работу при выполнении всех регламентных мероприятий (нагрев планок, зачеканка безусадочным раствором и т.д.), то по стоимости композитный метод выигрывает у такого решения в 2 раза.
Таблица 2
Основные компании–производители углеродных материалов, присутствующие на российском рынке
Источник: ABARUS Market Research по материалам компаний
Исторически применение технологии внешнего армирования в нашей стране связано с железобетонными конструкциями мостов. Впервые в России были усилены элементами из углеволокна портовые сооружения Новороссийска и конструкции путепровода по Шарикоподшипниковской улице г. Москвы (фирмой «Триада-Холдинг»), а также железнодорожный мост в г. Домодедове Московской области (фирмой «Практик»). С тех пор в России усилению подверглись тысячи больших и малых объектов. Большой опыт ремонта железнодорожных и автомобильных мостов имеют компании «ИнтерАква» и «ВармаСтрой». Помимо мостов, усиливаются элементы промышленных и гражданских сооружений, в том числе тоннели различного назначения, стены и каркасы зданий и т.п.
Строительных компаний, предлагающих услуги композитного армирования, в России немало. Многочисленность таких предприятий обуславливается широтой применения композитных материалов, а также разнообразием самих материалов (ткани, сетки, ламинаты (ламели), канаты и т.п.). Однако серьезных игроков, имеющих значительный опыт, и применяющих его на транспортных и промышленных объектах, в стране в настоящее время менее десятка.
Среди распространителей углеродных материалов на российском рынке наиболее известны бренды Sika и Mapei. Их популярность в России обусловлена мировой известностью и активными действиями по продвижению на новых рынках.
Из углеволокна производятся канаты, ленты и холсты. В последнее время имеет место тенденция более широкого распространения холстов. Это связано с их высокими механическими характеристиками, простотой монтажа и обеспечением более надежной анкеровки.
Перспективы
Многие участники рынка связывают перспективы развития технологии композитного армирования в России, во-первых, с принятием регламентирующих документов на государственном уровне, а во-вторых, со стимулированием производства углеродных волокон на территории России, что без активного государственного участия тоже невозможно.
В России имеются производители углеволокна, в частности, ООО «Аргон» (Саратовская область), однако технические характеристики материалов, выпускаемых этим предприятием, не в полной мере подходят для армирования строительных конструкций. Некоторые строительные компании практиковали использование отечественных углеволоконных материалов, но впоследствии отказались от них в пользу импортных. Таким образом, строительная отрасль России по-прежнему остро нуждается в собственных материалах.
В настоящее время государственная корпорация «Роснано» предпринимает некоторые шаги по консолидации технического потенциала, который есть в России в данном направлении. В октябре 2009 года госкорпорации «Росатом», «Ростехнологии» и холдинг «Композит» создали СП по производству углеродных волокон, учредив новую компанию по производству полиакрилонитрильных и углеродных волокон ООО «Новые композиционные материалы». Генеральным директором новой компании назначен Леонид Меламед, который также является гендиректором «Композита». В дальнейшем в целях реализации проекта планируется привлечь к участию и упомянутую государственную корпорацию «Роснано», а также стратегического инвестора.
Таблица 3
Сравнительные характеристики основных игроков композитного армирования
Источник: ABARUS Market Research по материалам компаний
Новая структура планирует инициировать несколько проектов по производству углеродных волокон и композитов. Представители корпорации заявляют, что готовы оказать всестороннюю поддержку всем предприятиям, развивающим отечественный углеродный кластер.
Участники рынка пока достаточно скептически оценивают скорость принятия решений в рамках созданной структуры, но не теряют надежды на возможность реализации заявленных проектов.
В России углеволокно нужно не только для строительства, но и для обогащения урана, для модернизации автомобилестроения, самолетостроения и т.д. Эффективная система производства и продажи высокопрочных, легких и долговечных материалов – один из возможных методов модернизации многих отраслей страны.
Фото предоставлены компанией «Фирма ПРАКТИК»
Углеволокно в современном мире
Спектр применения углеродных материалов очень широк. Композитные материалы из углеродных волокон уже давно широко применяются в ракетно-космической отрасли, авиационной промышленности, автомобилестроении, в производстве разнообразной продукции массового потребления. Спрос на углеродное волокно на мировом рынке постоянно растет, и эта тенденция, полагают эксперты, сохранится и в дальнейшем.
Что же касается строительной отрасли, то применение углеродных материалов в строительстве актуально при решении многих проблем. Технические характеристики углеволокна допускают его применение в самых широких диапазонах – при усилении и ремонте, а также новом строительстве. Как в Европе, так и в России уже существуют реализованные проекты возведения переходов и мостов из композитных материалов (с применением строительных стеклопластиков). Существуют даже проекты возведения масштабных конструкций целиком из углеродного волокна (проект ООО «Интер-Тэк» крытого пешеходного моста в г. Екатеринбурге через реку Исеть).
Усиление железобетонных перекрытий оздоровительного центра «Днепропетровская»
Однако столь смелые проекты пока являются экзотикой. На практике дела обстоят хуже – в России не только строительство, но даже ремонт сооружений с использованием материалов нового поколения имеет слабую распространенность. Во всем цивилизованном мире усиление железобетонных конструкций сегодня совершается с преимущественным использованием именно композитных материалов и постепенным отказом от традиционных методов армирования. Технология усиления строительных конструкций с применением элементов внешнего армирования из углеволокна является в настоящий момент самым современным и «бережным» методом восстановления и повышения эксплуатационных характеристик строительных конструкций.
При этом российская реальность демонстрирует высокую степень необходимости в усилении строительных конструкций, которые можно было бы армировать элементами из высокопрочных и высокомодульных материалов. В России очень многие конструкции нуждаются в ремонте. Большая часть стратегически важных сооружений, выполненных из железобетона, была построена еще в советские времена. Это же относится к российской инфраструктуре ЖКХ. Конструкции сооружений после 30-40 лет эксплуатации в своем большинстве имеют высокую степень физического износа и требуют ремонта. Ситуация неизбежно будет усугубляться в дальнейшем. Часто требуется проведение ремонтных работ без вывода сооружений из эксплуатации. Кроме того, ремонт и усиление технологично производить с помощью прочных, легких материалов, к тому же не подверженных к коррозии.
Усиление ферм покрытия промздания г. Санкт-Петербург
Перечисленным выше требованиям наилучшим образом отвечают элементы внешнего армирования из высокомодульных искусственных волокон, прежде всего углеродных. Этими же качествами обладают базальтовые и арамидные волокна (существуют еще стекловолоконные, но они склонны к коррозии), но наибольшее распространение в мире на сегодня получили именно углеродные волокна (в меньшей степени базальтовые), поскольку имеют наилучшее соотношение цена/качество.
Применение углеродного волокна в качестве внешнего армирования строительных конструкций насчитывает примерно 40-летнюю историю. Углеродное волокно производится во многих странах: Япония, США, Тайвань, Корея, Китай, Швейцария, Венгрия. Имеется производство в России и Украине. На сегодняшний день во всем мире имеются тысячи объектов, усиленных по этой технологии.
Технические характеристики
Композитное армирование наиболее оправдано для применения там, где требуется обеспечить надежную эксплуатацию сооружений, в первую очередь для усиления уникальных, дорогих, исторически значимых конструкций, демонтаж и замена которых значительно дороже ремонта или невозможны вообще. Это относится как к сложным конструкциям транспортных, гидротехнических сооружений, памятникам архитектуры, так и к рядовым конструкциям – фундаментам, дверным проемам, несущим элементам перекрытий после перепланировки помещений и т.п.
Композитные материалы из углеволокна обладают высокой прочностью на растяжение (до 4800 МПа), коррозионной стойкостью, отсутствуют размерные ограничения по их применению, для выполнения работ не требуются сложное оборудование и оснастка. Внешнее армирование может быть применено также и для усиления конструкций из дерева, кирпича и металла1.
Таблица 1
Применение композитных материалов в строительстве
Источник: ABARUS Market Research по материалам компаний
Модуль упругости и прочность элемента внешнего армирования представлены достаточно широкой линейкой, что дает возможность эффективного применения на различных конструкциях из разных материалов.
Механические характеристики элементов внешнего армирования варьируются в следующих пределах: Е= 70000-640000 МПа, R= 1700-4800 МПа.
При усилении деревянных конструкций применяется углеволокно с модулем упругости не менее 300 000 МПа (приводится теоретический показатель, поскольку примеров усиления деревянных конструкций в России практически нет, поэтому нет и подтверждений).
Рациональной степенью усиления является диапазон 10-60% от начальной несущей способности конструкции, при условии, что фактическая прочность на сжатие бетона конструкции составляет не менее 15 МПа².
Российская практика
Невысокая степень распространения в России этого современного метода внешнего армирования обусловлена, в первую очередь, отсутствием нормативной регулирующей базы и, как следствие, слабым уровнем информированности потенциальных игроков рынка. При этом проблема заключается именно в отсутствии нормативной документации (по проектированию, расчету, проверке качества выполненных работ), а не в качестве самих материалов. Ограничивающим фактором также выступает мнение о высокой стоимости использования композитных материалов, которое чаще всего неверно.
Специалисты полагают, что бытующее мнение о дороговизне использования композитных материалов по сравнению с традиционными методами усиления конструкций уже не отражает реального положения дел. Композиты на основе углеродных волокон, действительно, дороже, чем металл. Однако в совокупности затрат (отсутствие необходимости использования подъемной и иной техники, сварочного оборудования, излишней рабочей силы, затрат времени) такой метод часто оказывается дешевле даже без учета более радикальных альтернатив (сноса с последующим восстановлением и т.п.). В частности, как утверждают специалисты фирмы «Практик», если сравнивать усиление колонны стальной обоймой с вовлечением ее в совместную работу при выполнении всех регламентных мероприятий (нагрев планок, зачеканка безусадочным раствором и т.д.), то по стоимости композитный метод выигрывает у такого решения в 2 раза.
Таблица 2
Основные компании–производители углеродных материалов, присутствующие на российском рынке
Источник: ABARUS Market Research по материалам компаний
Исторически применение технологии внешнего армирования в нашей стране связано с железобетонными конструкциями мостов. Впервые в России были усилены элементами из углеволокна портовые сооружения Новороссийска и конструкции путепровода по Шарикоподшипниковской улице г. Москвы (фирмой «Триада-Холдинг»), а также железнодорожный мост в г. Домодедове Московской области (фирмой «Практик»). С тех пор в России усилению подверглись тысячи больших и малых объектов. Большой опыт ремонта железнодорожных и автомобильных мостов имеют компании «ИнтерАква» и «ВармаСтрой». Помимо мостов, усиливаются элементы промышленных и гражданских сооружений, в том числе тоннели различного назначения, стены и каркасы зданий и т.п.
Строительных компаний, предлагающих услуги композитного армирования, в России немало. Многочисленность таких предприятий обуславливается широтой применения композитных материалов, а также разнообразием самих материалов (ткани, сетки, ламинаты (ламели), канаты и т.п.). Однако серьезных игроков, имеющих значительный опыт, и применяющих его на транспортных и промышленных объектах, в стране в настоящее время менее десятка.
Среди распространителей углеродных материалов на российском рынке наиболее известны бренды Sika и Mapei. Их популярность в России обусловлена мировой известностью и активными действиями по продвижению на новых рынках.
Из углеволокна производятся канаты, ленты и холсты. В последнее время имеет место тенденция более широкого распространения холстов. Это связано с их высокими механическими характеристиками, простотой монтажа и обеспечением более надежной анкеровки.
Перспективы
Многие участники рынка связывают перспективы развития технологии композитного армирования в России, во-первых, с принятием регламентирующих документов на государственном уровне, а во-вторых, со стимулированием производства углеродных волокон на территории России, что без активного государственного участия тоже невозможно.
В России имеются производители углеволокна, в частности, ООО «Аргон» (Саратовская область), однако технические характеристики материалов, выпускаемых этим предприятием, не в полной мере подходят для армирования строительных конструкций. Некоторые строительные компании практиковали использование отечественных углеволоконных материалов, но впоследствии отказались от них в пользу импортных. Таким образом, строительная отрасль России по-прежнему остро нуждается в собственных материалах.
В настоящее время государственная корпорация «Роснано» предпринимает некоторые шаги по консолидации технического потенциала, который есть в России в данном направлении. В октябре 2009 года госкорпорации «Росатом», «Ростехнологии» и холдинг «Композит» создали СП по производству углеродных волокон, учредив новую компанию по производству полиакрилонитрильных и углеродных волокон ООО «Новые композиционные материалы». Генеральным директором новой компании назначен Леонид Меламед, который также является гендиректором «Композита». В дальнейшем в целях реализации проекта планируется привлечь к участию и упомянутую государственную корпорацию «Роснано», а также стратегического инвестора.
Таблица 3
Сравнительные характеристики основных игроков композитного армирования
Источник: ABARUS Market Research по материалам компаний
Новая структура планирует инициировать несколько проектов по производству углеродных волокон и композитов. Представители корпорации заявляют, что готовы оказать всестороннюю поддержку всем предприятиям, развивающим отечественный углеродный кластер.
Участники рынка пока достаточно скептически оценивают скорость принятия решений в рамках созданной структуры, но не теряют надежды на возможность реализации заявленных проектов.
В России углеволокно нужно не только для строительства, но и для обогащения урана, для модернизации автомобилестроения, самолетостроения и т.д. Эффективная система производства и продажи высокопрочных, легких и долговечных материалов – один из возможных методов модернизации многих отраслей страны.
Фото предоставлены компанией «Фирма ПРАКТИК»
