Wraz z rozprzestrzenianiem się na świecie fali prefabrykacji, „nadmierna wytrzymałość i niewystarczająca wytrzymałość” elementy prefabrykowane z betonu (PC) zawsze stanowiło bolączkę branży. Pojawienie się włókno węglowe, „czarny mag”, sprawia, że belki, płyty i kolumny przekształcają się z „kruchych rekinów” w „sejsmicznych żelaznych ludzi”.

Problem: Dlaczego tradycyjne podzespoły komputerów PC „nie wytrzymują”?

Kruche pękanie: Zwykły beton jest odporny na ściskanie, ale nie na rozciąganie, a w przypadku zgięcia lub uderzenia może ulec natychmiastowemu pęknięciu.

Korozja prętów stalowych: Erozja spowodowana jonami chlorkowymi w obszarach przybrzeżnych lub zakładach chemicznych spowodowała wzrost „wewnętrznych uszkodzeń” tradycyjnych prętów stalowych.

Haki obciążeniowe: Zwiększenie przekroju poprzecznego w celu zwiększenia nośności zwiększy koszty transportu i podnoszenia.

Naprawa po trzęsieniu ziemi jest trudna: gdy pęknie obszar węzła, cykl naprawy na miejscu metodą mokrą jest długi, co opóźnia wznowienie prac.

Cztery przełomowe role włókna węglowego

Dodatek wewnętrzny „krótkiego włókna” – „rekonstrukcja więzadeł” dla betonu

• Mechanizm: Dodatek 0,2%–0,8% objętości krótko przyciętego włókna węglowego tworzy trójwymiarowe, losowe podparcie w matrycy. W przypadku pojawienia się pęknięć włókno tworzy „mostki”, przenosząc naprężenia, a udarność wzrasta 2–4-krotnie.

• Scenariusz: Schody prefabrykowane, segmenty rurociągów metra, barierki zabezpieczające przed kolizjami i inne elementy, które muszą być odporne na uderzenia.

• Dane: Belki prefabrykowane z dodatkiem 0,4% włókna węglowego wykazują 35% redukcję ugięcia w połowie rozpiętości i 50% redukcję szerokości pęknięcia w badaniu młotem spadowym.

Zewnętrzna „tkanina CFRP” – „niewidzialny pancerz” o 10-krotnie większej wytrzymałości niż pręty stalowe

• Mechanizm: Tkanina CFRP o wytrzymałości na rozciąganie ≥3000 MPa jest przyklejana do powierzchni rozciąganej elementu za pomocą kleju epoksydowego, tworząc wtórny układ sił, który może zwiększyć nośność na zginanie o 30%–50% bez zwiększania przekroju poprzecznego.

• Scenariusze:

– Szybkie zbrojenie starych prefabrykowanych płyt kanałowych;

– Ulepszenia sejsmiczne mostów prefabrykowanych (np. owinięcie plastikowych zawiasów filarów tkaniną CFRP).

• Przypadek: Po przymocowaniu dwóch warstw tkaniny CFRP do dolnej części prefabrykowanej belki skrzynkowej pewnego wiaduktu, przywrócono maksymalną nośność wynoszącą 1,45-krotność pierwotnego projektu.

Prefabrykowane „pręty/siatki CFRP” – „super stalowe pręty”, które nigdy nie rdzewieją

• Mechanizm: Zastosowanie prętów CFRP zamiast tradycyjnych prętów stalowych sprawia, że gęstość tych prętów wynosi zaledwie 1/5 gęstości stali, ale wytrzymałość na rozciąganie jest 10 razy większa od wytrzymałości stali i są odporne na korozję wywołaną jonami chlorkowymi.

• Scenariusze:

– Prefabrykowane panele ścienne zewnętrzne do doków nadbrzeżnych i zbiorników magazynowych LNG;

– Prefabrykowane panele mostowe, które należy chronić przed korozją wywołaną solą w obszarach wysokogórskich i o niskiej temperaturze.

• Ekonomiczność: Koszt całego cyklu życia zmniejsza się o 30%, co eliminuje potrzebę późniejszego nakładania powłok antykorozyjnych.

Inteligentna „warstwa percepcji” – pozwól komponentom na własną „kontrolę stanu”

• Mechanizm: Równomiernie rozproszone krótkie włókna węglowe powodują liniową zmianę rezystancji betonu wraz ze wzrostem odkształcenia, co umożliwia samodiagnozowanie się pęknięć.

• Scenariusze:

– Prefabrykowane zintegrowane korytarze rurowe, monitorowanie osiadań w czasie rzeczywistym;

– Prefabrykowane panele ścienne zewnętrzne, szybka ocena stopnia zniszczeń po trzęsieniu ziemi.

Jak bardzo poprawiła się trwałość prefabrykowanych komponentów po „opancerzeniu” włóknem węglowym? Mamy oczywiste porównania danych, które odzwierciedlają się głównie w dwóch aspektach;

1. Wskaźniki ilościowe poprawy trwałości

Szerokość pęknięcia: Po wzmocnieniu tkaniną CFRP szybkość rozszerzania się pęknięć zmniejszyła się o 60%–75%; po 120 cyklach sucho-mokro współczynnik intensywności naprężeń na czubku pęknięcia zmniejszył się o 50%.

Korozja prętów zbrojeniowych: Po zastąpieniu prętów stalowych prętami/siatkami CFRP współczynnik przepuszczalności jonów chlorkowych zmniejszył się o rząd wielkości, a szybkość korozji prętów stalowych była <0,01 mm/rok.

Cykl zamrażania i rozmrażania: Po 300 szybkich testach zamrażania i rozmrażania (FT) wskaźnik utrzymania wytrzymałości połączenia między CFRP a betonem wyniósł ≥85%, podczas gdy w przypadku próbek niewzmocnionych wskaźnik ten wyniósł jedynie 50%.

Starzenie ultrafioletowe: Po ciągłym naświetlaniu lampą UV-A 340 nm przez 1000 godzin, osłabienie wytrzymałości na rozciąganie tkaniny CFRP wynosiło <5%, co jest wynikiem znacznie lepszym od 20% tłumienia uzyskiwanego przez pręty stalowe pokryte powłoką epoksydową.

2. Adaptacja do środowiska: wydajność w ekstremalnych warunkach pracy

Wysoka temperatura i wysoka wilgotność (40 ℃, wilgotność względna 95%)

Po 3000 h wytrzymałość na ścinanie styku CFRP-beton zmniejszyła się o <8%, spełniając 30-letnie wymagania równoważne JTG/T J22-2011 dla środowisk gorących i wilgotnych.

Mgiełka solna + cykl sucho-mokro (NaCl 5%, 120 cykli)

Wytrzymałość wiązania tradycyjnego betonu zbrojonego zmniejszyła się o 50%, podczas gdy w przypadku próbki zbrojonej CFRP spadek ten wyniósł zaledwie 12%.

Zamrażanie-rozmrażanie + sól odladzająca (-18 ℃↗+5 ℃, 300 cykli)

Obciążenie graniczne próbki tkaniny CFRP zmniejszyło się o <10%, podczas gdy zwykłego betonu zmniejszyła się o 35%.

Włókno węglowe to zatem nie tylko „droższe pręty stalowe”, ale klucz do ewolucji prefabrykatów betonowych od „pasywnego nośnego” do „aktywnego wykrywania”. Kto pierwszy opanuje ten klucz, będzie mógł otworzyć błękitny ocean o wysokiej wartości dodanej w czerwonym oceanie budynków prefabrykowanych.