Инновационные применения технологии углеродного волокна в строительстве оцениваются специалистами в плане полезности и экологической безопасности оптимальным выбором. Теперь продавцы недвижимости главным критерием продаж называют вес жилого дома. Поэтому запрос на углеродное волокно в строительстве видится вполне актуальным, судя по конструкции проекта «Dymaxion».
Аргументы для технологий современного строительства
Проект состоит из легкой алюминиевой обшивки листовым металлом. Обшивку держит только одна центральная мачта. Масса такой постройки составляет всего 1,5 тонны (примерно 10% веса стандартного проекта жилого дома средней величины).
Акцентирование на массе строительных конструкций становится важным аспектом современности, учитывая постоянно растущее воздействие на окружающую среду транспортировки сырья и обработанных материалов по всей планете.
Автомобильная и аэрокосмическая промышленность достигли значительных успехов, применяя стратегию «облегчения», используя новые и более лёгкие материалы, уменьшая тем самым вес компонентов. Инновационный подход позволил авиакомпаниям значительно увеличить эффективность использования топлива (на 125% за период 1978-2017 гг.).
Углеродное волокно всё чаще используется для изготовления различных сверхлёгких конструкций, начиная от кузовов автомобилей «Формулы-1», завершая велосипедными рамами.
Изготовленные из углеродных нитей, обычно вплетаемых в ткань, углеродное волокно часто покрывают смолой или термопластами для создания композитов, обладающих высоким отношением прочности к весу. В результате получается материал:
- в пять раз прочнее,
- в пять раз легче,
- в два раза жёстче,
традиционной стали, материал, сравнительно легко переносящий воздействия тепла и коррозии. Эти рабочие свойства делают углеродное волокно идеальным материалом для применения в экстремальных условиях.
Углеродное волокно под строительство зданий разного типа
Несмотря на относительно высокую стоимость углеродного волокна, архитекторы и строительные инженеры стараются активно использовать углеродное волокно под строительство зданий, а также различных инфраструктурных проектов.
Например, специалисты Института вычислительного проектирования и строительства, принадлежащего университету Штутгарта, использовали углеродное волокно в качестве основного строительного материала одной из последних работ. Речь идёт о проекте волоконно-оптического павильона «BUGA 2019» года в Германии, где купол созданный:
- из рёбер,
- из стекла,
- из углеродного волокна,
заключенных в прозрачную мембрану ЭТФЕ (сополимер этилен/тетрафторэтилен).
Сооружение структуры выполнялось запрограммированными роботами, которыми осуществлялась доставка более 150 000 волокнистых нитей в пространственном расположении. Применяя разный тип и плотность волокна, строители получили возможность вариаций в зависимости от структурных нагрузок.
Разработанные для имитации биологических систем, углеродные волокна окружают прозрачные стеклянные волокна, образуя связанные элементы структуры, напоминающие изогнутые мышечные ткани.
Примеры прочности конструкций на углеродном волокне
По словам специалистов, один волокнистый компонент способен выдерживать около 25 тонн веса – массу примерно 15 автомобилей. Купол, имеющий свободный пролёт около 23 метров, укрывающий площадь пола 1312 м2, состоит из 60 таких компонентов, каждый из которых несёт массу не более 5 кг/м2.
Несмотря на тот момент, что работа принимает форму демонстраций на заказ, другая исследовательская группа широко внедряет углеродное волокно в общественной инфраструктуре.
Так, центром перспективных конструкций и композитов Университета штата Мэн разработана система композитных арочных мостов из углеродного волокна, армированного бетоном.
Предназначенная для однопролётных мостов длиной до 20 метров, система содержит серию труб из углепластика, заполненных бетоном непосредственно на месте, а затем покрытых железобетонным настилом.
Подобно надувным плотам, трубы из углепластика транспортируются на площадку в компактном сложенном состоянии — отсюда и название проекта «Bridge-in-a-Backpack» («Мост в рюкзаке).
Согласно информации центра университета, арки легко транспортируются, быстро разворачиваются и не требуют тяжёлого оборудования или крупных бригад строителей, привлекаемых в условиях обычного строительства.
Свойство лёгкости – главное преимущество нового материала
Помимо свойства лёгкости, трубы из углепластика служат бетонной опалубкой, чем устраняется необходимость в дополнительных материалах. Углепластиковые трубы также выполняют функцию коррозионного армирования бетона, обладая явным преимуществом перед сталью, которая подвержена ржавчине.
Основываясь на этих многочисленных преимуществах, система на данный момент использовалась для создания уже 23 мостов.
Отмеченные примеры демонстрируют, насколько свойство лёгкости, помимо прочих свойств материала, даёт углеродному волокну преимущество в строительстве. Но как работает это свойство лёгкости, когда проект, кроме всего прочего, требует повышения устойчивости?
Специалисты исследовательского центра Института перспективных инноваций в Ноксвилле штата Теннеси отвечают на вопрос неоднозначно. Углеродное волокно обладает ярко выраженным потенциалом лёгкого веса, но при этом требует массу энергии.
Согласно исследованию, проведенному Министерством энергетики США и специалистами Национальной лаборатории, для типичного композита углепластика требуется в среднем 800 МДж/кг. Для сравнения: сталь требует 50 МДж/кг, что приводит к получению соотношений экономии 1:16 и 1:22, соответственно.
Кроме того, на каждую тонну произведенного углеродного волокна выбрасывается 20 тонн углекислого газа. Углеродное волокно также тесно связано с ископаемым топливом, поскольку наиболее распространенным сырьём является полиакрилонитрил, материал-прекурсор, производимый в нефтехимической промышленности.
Химически активированные смолы или полимеры, обычно используемые для получения углепластика, также являются производными нефти.
Энергетические потребности при транспортировке
Однако для конкретных применений углеродное волокно находит компромисс между эксплуатационной и внедрённой площадью. Углеродное волокно – материал, способный привести к значительному сокращению энергетических потребностей при транспортировке.
Так, если конструкция кузова автомобиля на 30% легче благодаря использованию углеродного волокна, выброс 50 тонн углекислого газа сокращается примерно до 1 тонны за 10 лет эксплуатации.
Если конструкция фюзеляжа самолета на 20% легче за счёт использования углеродного волокна, при тех же условиях эксплуатации ожидается сокращение углекислого газа на 1400 тонн.
Так имеет ли материал экологический смысл для неподвижных зданий? Уменьшение массы и объема материала может оказать положительное влияние на большинстве этапов жизненного цикла здания, поскольку для транспортировки, установки и возможной разборки требуется меньше топлива и тяжелой техники.
Тем не менее, рабочий аргумент в пользу углеродного волокна является более сложным аргументом для зданий в отношении экономии энергии. Правда, устойчивость материала к чрезмерному нагреву и деградации окружающей среды — критерии продления срока службы здания и сокращения объёмов технического обслуживания.
Использование углеродного волокна и строительная архитектура
Чтобы принять обоснованное решение о том, использовать ли углеродное волокно в архитектуре, проектная группа должна провести всестороннюю оценку воплощенных и эксплуатационных воздействий в течение ожидаемого срока службы здания. Другое критическое соображение, которое здесь не затронуто — конечная стоимость.
С точки зрения экологии, характеристики материала должны улучшаться:
- за счёт более широкого использования сырья на биологической основе,
- более эффективных производственных процессов,
- растущих темпов переработки.
Поскольку углеродное волокно рассматривается всё чаще экологически более выгодным строительным материалом, мечта относительно замены тяжеловесных зданий сверхлёгкой архитектурой постепенно приближается к реальности.
