Коротко
- Конструкционное углеродное волокно производится на основе ПАН — волокно вытягивают, окисляют, затем карбонизируют. Классы определяются испытанными прочностью и модулем (ASTM D3039), а не маркой жгута.
- Более высокий модуль упругости достигается за счёт прочности и пластичности. Типовые нормативные значения: система с низким модулем упругости — ~160 GPa / 2,800 MPa / деформация 1.6% против системы с высоким модулем упругости — ~300 GPa / 1,500 MPa / 0.5%.
- Более тяжёлая ткань не означает более прочное волокно. Поверхностная плотность (200→600 g/m²) определяет толщину отверждённого слоя (0.111→0.333 mm), а не класс волокна.
Углеродное волокно для усиления строительных конструкций классифицируется по измеренным механическим характеристикам — прочности, модулю упругости и деформации — а не по маркировке исходного жгута, и при этом значение, определяющее расчёт, редко оказывается заявленной прочностью волокна. В этом руководстве рассказывается, из чего изготавливается углеродное волокно, как оно на самом деле классифицируется и как выбор класса влияет на расчёт усиления — на основе технических паспортов FidStrong и проектных норм. Чтобы превратить эти цифры в спецификацию, см. как читать технический паспорт CFRP.
Из чего изготавливается углеродное волокно?
Практически всё конструкционное углеродное волокно — и вся углеродная продукция FidStrong — изготавливается на основе ПАН: прекурсор из полиакрилонитрила вытягивается в филаменты, окисляется (стабилизируется), затем карбонизируется при высокой температуре в почти чистое углеродное волокно с сильно ориентированными вдоль оси графитовыми микрокристаллитами. Второй путь — пековый прекурсор — существует в отрасли в целом для сверхвысокомодульного волокна, но это нишевое решение вне сферы усиления конструкций. Общий диапазон свойств углеродного волокна широк — модуль упругости примерно 200–800 GPa и прочность 2,500–6,000 MPa — но усиление строительных конструкций использует только участок с более низким модулем и более высокой прочностью.
Как классифицируется углеродное волокно — и почему не по “T-номеру”?
По испытанным характеристикам. Достоверный класс определяется измеренными пределом прочности при растяжении, модулем упругости и относительным удлинением по ASTM D3039, а не обозначением жгута прекурсора. FidStrong классифицирует свою ткань по классам прочности — Grade A (высокопрочная), B (средняя), C (эконом) — каждый с опубликованными, испытанными значениями; марка жгута исходного сырья не даёт никакой проверяемой информации о готовом композите. Поставщик, который делает акцент на марке жгута вместо испытанной пары значений прочности и модуля упругости с подтверждающей методикой, продаёт волокно, а не систему усиления.
Высокая прочность или высокий модуль упругости — в чём компромисс?
Они противоречат друг другу. Типовые нормативные значения (CNR-DT 200) показывают систему с низким модулем упругости — 160 GPa / 2,800 MPa / деформация разрушения 1.6% и систему с высоким модулем упругости — 300 GPa / 1,500 MPa / 0.5% — удвоение модуля упругости почти вдвое снижает прочность и примерно втрое уменьшает предельную деформацию. Более высокий модуль упругости даёт жёсткость (меньший прогиб, больше нагрузки распределяется до текучести стали); он не даёт прочность. Большинство усиливающих тканей находится в диапазоне стандартного модуля упругости, а проект Eurocode, приложение J, вообще допускает только системы с 150 GPa ≤ Ef ≤ 230 GPa.
| Система (типовая) | Модуль упругости | Предел прочности при растяжении | Деформация разрушения |
|---|---|---|---|
| Низкий модуль упругости | 160 GPa | 2,800 MPa | 1.6% |
| Высокий модуль упругости | 300 GPa | 1,500 MPa | 0.5% |
| Ткань FidStrong Grade A | 240 GPa | 4,500 MPa (среднее) | 1.8% |
| Ткань FidStrong Grade B/C | 230 GPa | 3,500–3,800 MPa | 1.7% |
Означает ли более тяжёлая ткань более прочное волокно?
Нет — распространённое заблуждение. В пределах одного класса поверхностная плотность (g/m²) определяет толщину отверждённого слоя и усилие, которое способен нести слой, а не собственный класс прочности волокна: FSC200 (200 g/m²) отверждается до 0.111 mm, FSC300 — до 0.167 mm, FSC600 — до 0.333 mm. Ткань Grade A плотностью 300 g/m² имеет тот же модуль упругости 240 GPa и среднюю прочность 4,500 MPa, что и Grade A плотностью 200 g/m² — различаются только толщина и суммарная несущая способность на погонный метр. Выбирайте плотность исходя из требуемой несущей способности слоя; выбирайте класс исходя из требуемых прочности и жёсткости.
Почему одна и та же ткань показывает два совершенно разных значения прочности?
Потому что существуют два законных базиса площади сечения, и разница между ними разительна. По базису чистой площади волокна FSC200A показывает 4,500 MPa при 240 GPa; по базису валового отверждённого ламината (волокно распределено по всей пропитанной смолой толщине) та же ткань показывает около 1,248 MPa при 66.6 GPa — падение примерно в ~3.6× для одного и того же материала. Никогда не смешивайте базисы в одном расчёте и никогда не проектируйте по справочному значению сухого волокна: технический паспорт пластины FidStrong прямо указывает, что значение 5,800 MPa для сухого волокна носит справочный характер и не должно использоваться в расчёте (расчётным является значение ламината 2,800–3,400 MPa).
Определяет ли класс волокна расчёт вообще?
Часто нет. При изгибном усилении используемая деформация ограничивается отслоением — εfe = min(εfd, 0.9εfu), где εfd = 0.41√(f′c/(n·Ef·tf)) (ACI 440.2R, ур. 10.1.1) — то есть сцепление разрушается раньше, чем волокно достигает своей паспортной прочности; при обойме засчитывается лишь около 55% деформации разрушения (Kε ≈ 0.55). Обратите внимание, что более высокомодульное волокно стоит в знаменателе формулы εfd, поэтому более жёсткий класс фактически достигает ограниченной отслоением деформации раньше. Выбор класса меняет то, где именно расчёт упирается в ограничение — и сколько жёсткости вы добавляете — в большей степени, чем повышает исходную используемую прочность. Почему это так, см. механику передачи нагрузки.
Часто задаваемые вопросы
Означает ли более высокий номер жгута более прочное волокно?
Нет, это не расчётная характеристика. Марки жгута — это маркетинговые обозначения сырья; FidStrong классифицирует углеродное волокно по измеренным пределу прочности при растяжении, модулю упругости и относительному удлинению согласно ASTM D3039, но никогда по марке жгута. Проектируйте по испытанным средним и характеристическим значениям из технического паспорта, а не по марке жгута.
В чём разница между высокопрочным и высокомодульным углеродным волокном?
Между ними есть компромисс. Типовые значения показывают систему с низким модулем упругости — ~160 GPa / 2,800 MPa / деформация 1.6% против системы с высоким модулем упругости — ~300 GPa / 1,500 MPa / 0.5%. Более высокий модуль упругости повышает жёсткость (меньший прогиб), но снижает прочность и пластичность; большинство усиливающих тканей — это ткани со стандартным модулем упругости и высокой прочностью.
Является ли более тяжёлая ткань (600 g/m²) более высоким классом, чем ткань 200 g/m²?
Нет. В пределах одного класса поверхностная плотность определяет толщину отверждённого слоя (200→0.111 mm, 600→0.333 mm) и несущую способность на погонный метр, а не модуль упругости или класс прочности волокна. Grade A плотностью 300 g/m² имеет те же 240 GPa / 4,500 MPa, что и Grade A плотностью 200 g/m².
Почему для одной ткани указывают одновременно ~4,500 MPa и ~1,250 MPa?
Это два базиса площади сечения, а не два разных материала. 4,500 MPa — это базис чистой площади волокна (голое армирующее волокно); ~1,248 MPa — это базис валового отверждённого ламината (волокно распределено по всей толщине смолы). Уточняйте, на каком базисе приведено значение, и никогда не смешивайте их в одном расчёте.
Можно ли проектировать по значению 5,800 MPa для сухого волокна?
Нет. Значения для сухого волокна носят справочный характер — собственный технический паспорт пластины FidStrong прямо запрещает использовать 5,800 MPa в расчёте и отсылает к значениям предварительно отверждённого ламината (2,800–3,400 MPa). Но даже они обычно дополнительно ограничиваются отслоением после приклеивания системы к бетону.
Даёт ли выбор более высокого класса пропорционально больше несущей способности?
Редко. Расчётная деформация при изгибе ограничивается отслоением, а при обойме засчитывается лишь ~55% деформации разрушения, поэтому исходная прочность волокна редко используется полностью. Более высокомодульный класс добавляет жёсткость, но раньше достигает ограниченной отслоением деформации — выбор класса скорее смещает, где именно срабатывает ограничение, чем повышает используемую прочность.
FidStrong производит на основе ПАН углеродную ткань, пластину, сетку и арматурные стержни — каждый вид классифицируется по испытанным характеристикам (ASTM D3039) в рамках систем ISO 9001, 14001 и 45001. Приведённые здесь диапазоны характеристик взяты из технических паспортов FidStrong и проектных норм (ACI 440.2R, CNR-DT 200, Eurocode); уточняйте расчётные значения и их базис по техническому паспорту и с квалифицированным инженером.