Οι ίνες άνθρακα είναι το ισχυρότερο τεχνητό υλικό στον κόσμο. Αυτό και μόνο το γεγονός είναι αξιοσημείωτο. Αλλά το γεγονός ότι μπορεί να χειραγωγηθεί με τόσους πολλούς τρόπους – συμπεριλαμβανομένης της χρήσης σε διαστημικά λεωφορεία, αεροπλάνα, αυτοκίνητα υψηλής ποιότητας και διάφορα αθλητικά είδη όπως μπαστούνια γκολφ – καθώς και για επισκευή και ενίσχυση σκυροδέματος και τοιχοποιίας, είναι εξίσου αξιοσημείωτο.
Μαζί με τη μεγάλη αντοχή των ανθρακονημάτων έρχεται και μια εκπληκτική ελαφρότητα. Οι επιμέρους ράβδοι που συνήθως υφαίνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ύφασμα αποτελούνται από νήματα από ανθρακονήματα. Τα ρυμουλκά περιέχουν συνήθως 12.000 ή μερικές φορές ακόμη και 24.000 μεμονωμένα νήματα από ανθρακονήματα. Τα νήματα είναι ίνες με διάμετρο περίπου 5-10 μικρόμετρα (μια μονάδα γνωστή και ως μικρό – ένα εκατομμυριοστό του μέτρου ή ένα χιλιοστό του χιλιοστού) και αποτελούνται κυρίως από άτομα άνθρακα, ένα από τα ελαφρύτερα γνωστά στοιχεία. Οι ίνες άνθρακα χρονολογούνται από το 1860, όταν πρωτοπαρήχθησαν για λαμπτήρες με ψήσιμο βαμβακερών νημάτων σε μια διαδικασία γνωστή ως ενανθράκωση, μια διαδικασία κατά την οποία η θερμότητα εφαρμόζεται σε ένα περιβάλλον όπου δεν υπάρχει έλλειψη οξυγόνου, ώστε το υλικό να μην καίγεται.
Οι ίνες άνθρακα κατασκευάζονται συχνά από πρόδρομο πολυμερές γνωστό ως πολυακρυλονιτρίλιο, ρεγιόν ή πετρελαϊκό πίσσα. Για κατασκευαστικές εφαρμογές, αυτός ο πρόδρομος μετατρέπεται σε οπλισμό, ύφασμα και πλάκες ή φύλλα. Οι πλάκες έχουν γενικά πλάτος τέσσερις ίντσες και πάχος 0,04 ίντσες (λιγότερο από το πάχος μιας δεκάρας) και μπορούν να έχουν αντοχή που πλησιάζει 10 φορές την αντοχή εφελκυσμού του χάλυβα 60.000 psi.
Περιττό να πούμε ότι, καθώς το κόστος παραγωγής έχει μειωθεί, ένα προϊόν με τόσο μεγάλη αντοχή και τόσο χαμηλό προφίλ χρησιμοποιείται τώρα για την επίλυση ορισμένων ζητημάτων στον χώρο της κατασκευής κατοικιών. Οι τόξοι τοίχοι, οι ραγισμένοι τοίχοι και οι πλάκες και οι σπασμένες γωνίες μπορούν όλα να επισκευαστούν με ανθρακονήματα.
Οι μονοκατευθυντικοί ιμάντες από ανθρακονήματα χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση και την ακαμψία αυτού του καταστρώματος γέφυρας.
Νέα Έρευνα και Κατευθυντήριες Γραμμές
Η χρήση σύνθετων πολυμερών ενισχυμένων με ίνες (FRP) για τον οπλισμό και την επισκευή κατασκευών από σκυρόδεμα αυξάνεται ραγδαία την τελευταία δεκαετία περίπου. Τα τελευταία 20 ή 25 χρόνια, οι περισσότερες ίνες άνθρακα έχουν τοποθετηθεί στην επιφάνεια. Όταν το υλικό είναι επιφανειακά τοποθετημένο, οι ιμάντες ή τα φύλλα εφαρμόζονται ανάλογα με τις ανάγκες στην επιφάνεια με τρόπο παρόμοιο με την ταπετσαρία και στη συνέχεια συγκολλούνται στο υπόστρωμα.
Η Επιτροπή 440 του Αμερικανικού Ινστιτούτου Σκυροδέματος για Πολυμερή Ενισχυμένα με Ίνες μελετά το θέμα της αγκύρωσης ινών άνθρακα. Ο Todd Jackson, συνιδρυτής της Fortress Stabilization Systems στην Ολλανδία του Μίσιγκαν, είναι στην Επιτροπή 440 και παρατηρεί μια αλλαγή στον κλάδο σχετικά με τις κατευθυντήριες γραμμές για επιφανειακές ίνες άνθρακα. «Πιστεύω ότι μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια όλες οι ίνες άνθρακα θα είναι αγκυρωμένες», λέει ο Τζάκσον.
Όταν οι ίνες άνθρακα τοποθετούνται στην επιφάνεια, το ACI καταρρίπτει το μεγαλύτερο μέρος της αντοχής του ανθρακονήματος κατά 70 τοις εκατό λόγω μακροπρόθεσμου ερπυσμού ή αποσύνδεσης. Εάν η ίνα άνθρακα χρησιμοποιείται σε εξωτερική εφαρμογή, όπως κάτι σαν γέφυρα, ο άνθρακας υποβαθμίζεται περαιτέρω με την πάροδο του χρόνου από την υγρασία, τη ζημιά από την υπεριώδη ακτινοβολία κ.λπ. Ωστόσο, οι μελέτες δείχνουν ότι εάν η ίνα άνθρακα είναι μηχανικά αγκυρωμένη ποικιλία τρόπων που μελετώνται για να το πετύχετε), μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το 100% της δύναμής του. Ένας ιστότοπος που ανέπτυξε ο Τζάκσον, www.carbonanchor.com, περιγράφει τις δοκιμές που έχουν γίνει στο Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι σχετικά με το πώς η αγκύρωση αυξάνει την αντοχή των ανθρακονημάτων.
Ολόκληρος ο κλάδος κινείται επίσης προς την έγκριση του ICC-ES για όλα τα προϊόντα του. Στον εμπορικό κόσμο, οι περισσότεροι υπάλληλοι κτιρίων θέλουν έγκριση ICC για οποιοδήποτε προϊόν που χρησιμοποιείται, αλλά αυτό έχει μείνει πίσω στον οικιστικό κόσμο.
„Προσπαθούν να το ρυθμίσουν λίγο περισσότερο, ώστε οι άνθρωποι να γνωρίζουν ότι το υλικό κάνει αυτό που σχεδιάστηκε να κάνει“, λέει ο Jackson. «Καθώς η δημοτικότητα της ενίσχυσης FRP συνεχίζεται, πολλοί διανομείς αυτών των συστημάτων μπορούν να βρεθούν στο [internet] και οι αναφερόμενες τιμές μπορεί να είναι άγνωστες. Υπήρξε μια ώθηση στον οικιακό κόσμο για τους προμηθευτές να έχουν έγκριση ICC για προϊόντα. Αυτό δίνει στους υπαλλήλους του κώδικα και στους ιδιοκτήτες κατοικιών μια εμπιστοσύνη ότι αυτά τα προϊόντα είναι εγκεκριμένα και ελεγμένα συστήματα.»
Το ύφασμα από ανθρακονήματα είναι μια καλύτερη επιλογή όταν η καταπόνηση προέρχεται από πολλές κατευθύνσεις, όπως αυτή η τυλιγμένη στήλη στήριξης.
Περισσότερο από Ενέσεις
Ο Jarred Jones, διευθυντής μηχανικής και ανάπτυξης προϊόντων στη Rhino Carbon Fiber, λέει ότι οι εργολάβοι επισκευής αρχίζουν να χρησιμοποιούν περισσότερα υφάσματα από ανθρακονήματα εκτός από τις εργασίες έγχυσης στεγανοποίησης ρωγμών. Σε σύγκριση με τις χαλύβδινες δοκούς, τις άγκυρες τοίχου και άλλες παραδοσιακές μεθόδους σταθεροποίησης τοίχου, οι ανθρακονήματα είναι πολύ πιο γρήγορα και πολύ πιο εύκολα στην εγκατάσταση.
«Όσον αφορά τις επισκευές ρωγμών, πολλοί τύποι τώρα δεν κάνουν μια έγχυση χωρίς να εγκαταστήσουν μια επισκευή ρωγμών από ανθρακονήματα πάνω της», λέει ο Jones. „Είναι ένα επιπλέον στρώμα προστασίας και προσθέτει δύναμη στην επισκευή.“ Είναι επίσης μια καλή μέθοδος για χρήση εάν ένας εργολάβος αντιμετωπίσει πρόβλημα με μια ένεση ή επισκευάζει την ένεση κάποιου άλλου όπου εξακολουθεί να έχει πρόβλημα με διαρροή. Όπως και οι περισσότερες άλλες μέθοδοι επισκευής, ωστόσο, κάθε νερό που διέρχεται από τον τοίχο πρέπει να σταματήσει για να εξασφαλιστεί επαρκής σύνδεση με το εποξειδικό. Αυτό μπορεί συνήθως να επιτευχθεί κάνοντας την εργασία κατά τη διάρκεια μιας ξηρής περιόδου ή με τη χρήση υδραυλικού τσιμέντου ή κάποιας άλλης μεθόδου στεγανοποίησης.
Συρραπτικά και Ράμματα
Για την επισκευή ρωγμών, η Rhino έχει τρεις επιλογές: εποξειδικές εγχύσεις, ύφασμα που μπορεί να επικαλυφθεί στην ίδια τη ρωγμή και από ανθρακονήματα Concrete Crack Lock, την οποία ο Jones περιγράφει ως „βελονιά“ για να δώσει πρόσθετη αντοχή στην επισκευή και να κλειδώσει τη ρωγμή. τοποθετήστε και μην το μετακινήσετε.
Για να εγκαταστήσουν το Crack Lock, οι εγκαταστάτες έκοψαν μια λεπτή σχισμή στο σκυρόδεμα κάθετα στη ρωγμή και τρυπούσαν δύο μικρές τρύπες σε κάθε άκρο. Στη συνέχεια γεμίζουν την τομή με εποξειδικό Rhino’s και εισάγουν το Crack Lock στην κοπή.
«Κηρύττουμε εδώ και καιρό ότι για μια επισκευή πρέπει να κάνετε κάτι περισσότερο από μια απλή ένεση», λέει. «Συνήθως, εάν μια ένεση αποτύχει, δεν είναι η ένεση που είναι το πρόβλημα, είναι το σκυρόδεμα που βρίσκεται δίπλα της. Έτσι, αν μπορείτε να το γεφυρώσετε και να κρατήσετε τα πάντα μαζί, το ποσοστό επιτυχίας σας θα αυξηθεί δραματικά».
Ο Τζάκσον, στο Φρούριο, έχει επίσης ερευνήσει τα συνδετικά υλικά από ανθρακονήματα. Η εταιρεία του ανέπτυξε μια άγκυρα «συνεχούς» από ανθρακονήματα ως μέσο αγκυρώσεως εξωτερικά συνδεδεμένων φύλλων FRP στο σκυρόδεμα. Ονομάζονται Fortec και διατίθενται σε δύο διαφορετικούς τύπους: επίπεδες και στρογγυλές. Και οι δύο έχουν δοκιμαστεί αυστηρά στο Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι και στο Πολυτεχνείο του Μιλάνου σε ένα ευρύ φάσμα περιστάσεων και συνθηκών. (Οι πλήρεις αναφορές δοκιμών είναι προσβάσιμες μέσω της ηλεκτρονικής έκδοσης αυτής της ιστορίας.)
Και οι δύο τύποι αγκυρίων παρέχονται ως προκατασκευασμένα στοιχεία που εισάγονται σε εποξειδικές οπές στο σκυρόδεμα. Και τα δύο προϊόντα μοιράζονται τον ίδιο στόχο: ενίσχυση της πρόσφυσης εξωτερικά συνδεδεμένων ελασμάτων FRP στο υπόστρωμα σκυροδέματος. 
Ο επίπεδος συνδετήρας είναι λιγότερο ενοχλητικός και απαιτεί λιγότερο τρόχισμα για να κάθεται στο ίδιο επίπεδο με το σκυρόδεμα. Όπως όλοι οι τύποι ανθρακονημάτων, αφού ωριμάσει, μπορεί να τελειώσει με παλτό, επικαλύψεις από τούβλα ή βαφή για βελτίωση της αισθητικής. Τοποθετείται με τον ίδιο τρόπο όπως ευθείες πλάκες άνθρακα ή πλέγματα.
Η τυπική άγκυρα έχει μήκος έξι ίντσες και πλάτος δύο ίντσες με πόδια μιας ίντσας. Οι άγκυρες αποτελούνται από ανθρακονήματα υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό, εγκλεισμένα σε ρητίνη θερμικής πήξης. Ένα ύφασμα με φλούδα κολλιέται στον ιμάντα και όταν αφαιρεθεί, αφήνει μια προετοιμασμένη επιφάνεια συγκόλλησης για πρόσφυση σε προετοιμασμένο υπόστρωμα. Οι άγκυρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου οι κολώνες συναντούν τους τοίχους, τους αρμούς στις οροφές και όπου απαιτείται πρόσθετη αντοχή συγκόλλησης σε εναέριες εφαρμογές.
Νέα προϊόντα έχουν αναπτυχθεί για τη μηχανική στερέωση των ανθρακονημάτων στο σκυρόδεμα, επιτρέποντας την επισκευή ρωγμών πιο δυνατή από ποτέ.
Περισσότερα από 500 τετραγωνικά μέτρα από ανθρακονήματα χρησιμοποιήθηκαν για την επισκευή αυτής της εγκατάστασης λιανικής. Ολοκληρώθηκε σε 11 ημέρες, το πλήρωμα τριών ατόμων χρησιμοποίησε σκαλωσιές ύψους πάνω από 20 πόδια για να φτάσει στην περιοχή επισκευής.
Τα ανθρακονήματα έχουν χρησιμοποιηθεί παγκοσμίως για την επισκευή όλων των τύπων κτιρίων και κατασκευών, συμπεριλαμβανομένων των υπογείων κατοικιών, των γεφυρών και των υπερυψωμάτων, των πολυόροφων και των γκαράζ στάθμευσης. Χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα για την επισκευή μιας εγκατάστασης λιανικής στο νησί του Μαυρίκιου, στον Ινδικό Ωκεανό.
Ο Jarred Jones δηλώνει, «Η PND Contracting επικοινώνησε με το Rhino Carbon Fiber σχετικά με ένα έργο ενίσχυσης δοκών στο νησί Μαυρίκιος, μια μικρή αφρικανική χώρα στον Ινδικό Ωκεανό. Η εγκατάσταση Shop Rite στο Εμπορικό Πάρκο Trianon είχε βιώσει μια καταστροφική πυρκαγιά που προκάλεσε ζημιές στη δομή από σκυρόδεμα.»
Όταν η PND, ο εργολάβος αποκατάστασης, άρχισε τις εργασίες για την επισκευή της κατασκευής, ο μηχανικός του ιδιοκτήτη ανακάλυψε ζημιά στα κύρια και δευτερεύοντα δοκάρια που στήριζαν την οροφή, γεγονός που μείωσε σημαντικά την αντοχή τους.
Ο μηχανικός του ιδιοκτήτη διαπίστωσε ότι το πολυμερές ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (CFRP) θα μπορούσε να εφαρμοστεί για να αντισταθμιστεί αυτή η μείωση αντοχής. Η PND επικοινώνησε με τον Rhino για βοήθεια.
Ο Jones λέει, «Συνεργαζόμενος με τον εργολάβο και τον μηχανικό του ιδιοκτήτη, η ομάδα Rhino μπόρεσε να παράσχει στην PND ένα δομικό σχέδιο με σφραγίδα των ΗΠΑ που ικανοποιούσε όλες τις απαιτήσεις του έργου». Ο μηχανικός του ιδιοκτήτη εξέτασε και αποδέχτηκε το σχέδιο και οι εργασίες μπόρεσαν να ξεκινήσουν.
Οι ιδιοκτήτες, όπως είναι κατανοητό, ήθελαν να ολοκληρωθεί το έργο όσο το δυνατόν συντομότερα, και λόγω της υλικοτεχνικής υποστήριξης για τη μεταφορά του υλικού στο απομονωμένο νησιωτικό έθνος, τα υλικά έπρεπε να αποσταλούν στον Μαυρίκιο πριν από την ολοκλήρωση του τελικού σχεδιασμού. Αυτή η αποστολή βασίστηκε στις προκαταρκτικές εργασίες σχεδιασμού και έπρεπε να αναλυθεί και να συσκευαστεί με μεγάλη ακρίβεια, προκειμένου να πληρούνται οι οδηγίες για τις αεροπορικές μεταφορές εμπορευμάτων.
Ένας εκπρόσωπος της Rhino ταξίδεψε επίσης στο νησί για να βεβαιωθεί ότι η εγκατάσταση έγινε ομαλά, να απαντήσει σε ερωτήσεις και να βεβαιωθεί ότι ακολουθήθηκε επακριβώς η δομική μελέτη και η διαδικασία εφαρμογής.
Το έργο – το οποίο περιελάμβανε πάνω από 500 τετραγωνικά μέτρα CFRP – ολοκληρώθηκε σε 11 ημέρες χρησιμοποιώντας ένα πλήρωμα τριών ατόμων που εργαζόταν σε σκαλωσιές ύψους άνω των 20 ποδιών.
Μετά την ολοκλήρωση της εγκατάστασης των ανθρακονημάτων, ο μηχανικός του ιδιοκτήτη πραγματοποίησε δοκιμή φορτίου στην οροφή και παρατήρησε μόνο ένα κλάσμα της παραμόρφωσης που αναμενόταν.
Ο Jones καταλήγει, «Λόγω της άμεσης διαθεσιμότητας του υλικού, της γρήγορης αλλαγής του δομικού σχεδιασμού και της προθυμίας του Rhino να είναι διαθέσιμος για να επιβλέπει την εγκατάσταση, αυτό ήταν ένα πολύ επιτυχημένο έργο όχι μόνο για τη Rhino, αλλά για την PND Contracting και την ιδιοκτησία ιδιοκτήτης.“
Η Vanessa Salvia είναι ανεξάρτητη συγγραφέας που ειδικεύεται στον κατασκευαστικό κλάδο. Με έδρα το Eugene του Όρεγκον, η δουλειά της έχει εμφανιστεί σε πολλές εθνικές και περιφερειακές εκδόσεις.
