Углеродное волокно — один из самых замечательных материалов в современном строительном материаловедении. При равном весе оно обеспечивает примерно в десять раз большую прочность на растяжение, чем сталь. Но не все углеродные волокна одинаковы. Сырье выпускается в широком диапазоне марок, определяемых двумя фундаментальными параметрами: размером жгута (количество отдельных филаментов в связке) и классификацией прочности/модуля (насколько волокно прочно и жестко).
Для инженеров, выбирающих системы из углепластика (CFRP) для усиления зданий и инфраструктуры, понимание этих классификаций критически важно. В этой статье объясняются типы сырья углеродного волокна и рекомендуются оптимальные марки для строительного усиления.
Что такое жгут углеродного волокна?
Углеродное волокно производится в виде пучков из тысяч отдельных филаментов, каждый диаметром всего 5–10 мкм — тоньше человеческого волоса. Эти пучки называются жгутами. Число "K" обозначает количество филаментов в жгуте:
- 1K (1 000 филаментов)—Очень тонкий жгут для аэрокосмической отрасли и спортивных товаров.
- 3K (3 000 филаментов)—Распространен в потребительских товарах и автомобилестроении.
- 12K (12 000 филаментов)—Стандартный размер для конструкционного CFRP. Оптимальный баланс прочности, веса и стоимости.
- 24K (24 000 филаментов)—Более крупный жгут для пултрузионных пластин и тяжелых тканей.
- 50K и выше—"Крупножгутовое" волокно для лопастей ветрогенераторов и автомобильных деталей.
Классы прочности и модуля: серии T и M
Стандартный модуль (SM)—~230 ГПа
- T300—Оригинальное стандартное волокно. Прочность ~3.5 ГПа, модуль ~230 ГПа, удлинение ~1.5%. Самая распространенная марка для усиления.
Промежуточный модуль (IM)—~240–300 ГПа
- T700—Более высокая прочность (~4.9 ГПа) с улучшенным качеством.
- T800—Промежуточный модуль (~294 ГПа), высокая прочность (~5.9 ГПа) для авиации.
Высокий модуль (HM)—~340–450+ ГПа
- M40, M46, M55, M60—Высокая жесткость, но малое удлинение (<1%). Редко используются в строительстве.
Какая марка используется для конструкционного усиления?
Для подавляющего большинства проектов оптимальным выбором является волокно стандартного модуля (T300) или промежуточного модуля (T700) в формате жгута 12K.
Соотношение прочности и стоимости. Ткань T300 12K обеспечивает прочность 3 400–3 800 МПа при доле стоимости аэрокосмических марок.
Совместимость удлинения. Удлинение ~1.5–1.7% хорошо соответствует рабочему диапазону деформаций бетона и стали.
Технологичность. Жгуты 12K дают гибкую ткань для обертывания колонн и балок.
Проверенный опыт. Ткани T300 и T700 используются в усилении более 30 лет.
Практическое руководство по выбору
Для большинства проектов — стандартная ткань 12K (аналог T300). Где требуется повышенная производительность — переход на T700. Аэрокосмические марки обычно не нужны для конструкционного усиления.