Terminem FRP (z ang.: Fibre Reinforced Polymers) określa się materiały kompozytowe z tworzyw sztucznych zbrojone różnego rodzaju włóknami. Kompozyty te składają się z dużej liczby małych, ciągłych, ukierunkowanych, niemetalicznych włókien o wysokich właściwościach mechanicznych umocowanych w matrycy żywicznej. Najczęściej spotykane kompozyty to polimery zbrojone włóknami węglowymi, szklanymi lub aramidowymi.

Włókna są bardzo efektywnym i użytecznym materiałem do zbrojenia matryc. Materiały kompozytowe uzyskują swoje wysokie parametry mechaniczne (wytrzymałość, sztywność) dzięki odpowiedniej zawartości i rodzajowi włókien. Bardzo wysoki współczynnik długości włókien do ich średnicy, sprawia, że przy odpowiednim wypełnieniu matrycy włóknami liczba ich w jednostkowym przekroju jest bardzo duża, dzięki czemu rozkład obciążeń włókien jest równomierny i wykorzystywane są optymalnie ich właściwości.



Matrycą służącą formowaniu kompozytu, to znaczy konstrukcyjnemu połączeniu włókien w jeden element są najczęściej żywice epoksydowe, utwardzane amidami lub anhydrytami. Funkcją matrycy jest ochrona włókien przed uszkodzeniami mechanicznymi lub korozją środowiskową, powiązanie włókien razem i zapewnienie równomiernego rozkładu obciążeń na włókna.

Zastosowanie kompozytów FRP w budownictwie

Coraz szersze stosowanie materiałów kompozytowych FRP do wzmacniania konstrukcji poprzez przyklejanie zewnętrznego zbrojenia wynika głównie z poniższych zalet tego rozwiązania:
- bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie (zarówno doraźna, jak i długotrwała),
- bardzo wysoka wartość odkształceń granicznych,
- wysoka odporność na korozję,
- mały ciężar (gęstość kompozytów jest na poziomie ¼ gęstości stali),
- łatwość aplikacji w miejscach o ograniczonym dostępie,
- brak konieczności stosowania ciężkiego sprzętu podczas prac z materiałami kompozytowymi,
- redukcja kosztów materiałów pomocniczych, sprzętu i robocizny,
- krótki czas prowadzenia prac związanych ze wzmocnieniem – szybkie oddanie do eksploatacji - remontowanego obiektu,
- niemal nieograniczone możliwości projektowe

W tym miejscu jednak należy także zwrócić uwagę na różnice, w porównaniu z tradycyjnymi metodami wzmacniania przez stosowanie kształtowników stalowych. W odróżnieniu od stali materiały kompozytowe charakteryzują się brakiem zakresu plastycznego ich reakcji na obciążenia – stan poprzedzający zniszczenie nie jest sygnalizowany, zniszczenie następuje nagle, po przekroczeniu odkształceń granicznych. Dodatkowo także wrażliwość kompozytów na wysoką temperaturę sprawia, że na etapie projektowania należy przewidzieć odpowiedni sposób ochrony wzmocnienia przed oddziaływaniem wysokiej temperatury (w przypadku pożaru).

Obszary zastosowań systemu MAPEI FRP

- wzmocnienie elementów betonowych i żelbetowych obciążanych osiowo – maty z włókien węglowych (słupy, podpory mostów i wiaduktów, kominy) w celu podniesienia ich odporności na kruche pękanie i nośności,
- naprawa i wzmocnienie zniszczonych konstrukcji, gdzie konieczne jest dodatkowe zbrojenie na ścinanie (maty z włókien węglowych) lub/i na rozciąganie (taśmy z włókien węglowych)
wzmacnianie konstrukcji sklepień w zakresie skutków oddziaływań sejsmicznych, bez konieczności zwiększania masy wzbudzeniowej ustroju oraz unikając niebezpiecznego zjawiska perkolacji w kierunku wewnętrznej strony przejścia sklepionego
- naprawa i wzmocnienie konstrukcji zniszczonych na skutek pożaru, wybuchu
- wzmocnienie elementów konstrukcyjnych w zakresie wynikającym ze zmiany funkcji obiektu i sposobu użytkowania

Rodzaje kompozytów MAPEI FRP stosowanych w budownictwie

Ze względu na swój skład i proces produkcyjny, zarówno taśmy jak i maty z włókien węglowych charakteryzują się stałością swoich parametrów i wykazują wysoką wytrzymałość na rozciąganie (powyżej 2000 MPa), małym ciężarem, zredukowana grubością i wyjątkową wytrzymałością zmęczeniową. Kompozytowe taśmy z włókien węglowych CARBOPLATE dostępne są o modułach sprężystości w zakresie od 160 do 250 GPa, szerokości od 50 do 150 mm i grubości 1,2 mm oraz 1,4 mm.

Maty z włókien węglowych MAPEWRAP C charakteryzują się gęstością 300 i 600 g/m2 oraz szerokością rolki od 10 do 50 cm.

Dzięki tak zróżnicowanemu asortymentowi kompozytów FRP możliwe jest dobranie systemu wzmocnienia uzależnionego od indywidualnych warunków obciążenia, wymaganego poziomu nośności końcowej oraz rodzaju i kształtu elementów konstrukcji.

Wklejanie taśm z włókien węglowych CARBOPLATE

- Powierzchnie, na których mają być klejone taśmy powinny być całkowicie czyste, mocne i suche oraz równe (nierówności nie większe niż 1 mm).
- Wszelkie pozostałości preparatów antyadhezyjnych, mleczka cementowego, starych farb czy powłok muszą zostać usunięte, np. przez piaskowanie.
- Uszkodzone fragmenty betonu, części luźno związane z podłożem należy usunąć metodami ręcznymi lub mechanicznymi.
- Odsłonięte i skorodowane pręty zbrojeniowe należy oczyścić i zabezpieczyć preparatem ochronnym Mapefer 1K.
- Reprofilację ubytków betonu zaleca się prowadzić używając zapraw naprawczych z grupy Mapegrout lub Planitop. Przed aplikacją taśm należy odczekać 3 tygodnie.
- Jeśli wzmocnienie musi zostać wykonane wcześniej, do reprofilacji ubytków betonu należy użyć epoksydowych zapraw Adesilex PG1 lub Adesilex PG2. Podłoże niejednorodne należy zagruntować preparatem MapeWrap Primer 1.
- taśmy Carboplate dostarczane są na budowę w rolkach, stąd na miejscu wbudowania konieczne jest przycięcie odcinków o żądanych długościach. Do cięcia należy używać szlifierki kątowej z tarczą diamentową,
- w procesie produkcyjnym obie strony taśmy Carboplate zabezpieczane są folią ochronną, zabezpieczającą materiał przed zabrudzeniem podczas transportu i cięcia,
- przed przystąpieniem do klejenia taśm folia ochronna musi zostać usunięta z powierzchni wklejanej,
- w przypadku porowatego podłoża czy też elementów konstrukcji żelbetowej znajdujących się w środowisku o wysokiej wilgotności względnej powietrza (np. przejście podziemne, piwnica) zaleca się wcześniejsze gruntowanie podłoża preparatem MapeWrap Primer 1.
- na powierzchnię taśmy, z której wcześniej została usunięta folia ochronna, należy nałożyć jednolitą warstwę, o grubości 1-1,5 mm, kleju Adesilex PG1 lub Adesilex PG2 (w zależności od temperatury otoczenia).
- na przygotowane podłoże należy nanieść warstwę kleju Adesilex PG1 lub Adesilex PG2 płaska pacą metalową, przy czym gdy podłoże zostało zagruntowane preparatem MapeWrap Primer 1, klej musi zostać nałożony na jeszcze świeżą warstwę MapeWrap Primer 1.
- taśmę Carboplate należy równomiernie docisnąć do przygotowanego podłoża. Używając wałka z twardej gumy, nadmiar kleju należy wycisnąć spod taśmy i usunąć kielnią, zwracając uwagę na unieruchomienie taśmy.
- przy wklejaniu taśm na powierzchniach zakrzywionych może się okazać koniecznym zastosowanie specjalnych zacisków lub czasowego podparcia aż do czasu związania kleju, w celu utrzymania taśmy w odpowiedniej pozycji 9zwykle 24 godziny do usunięcia czasowego podparcia).
- gdy niezbędnym jest wklejenie kolejnej warstwy taśm Carboplate, należy wcześniej usunąć folie ochronną z zainstalowanej już taśmy i nałożyć klej Adesilex PG1 lub Adesilex PG2.

Powierzchnie z wklejonymi taśmami Carboplate mogą być zabezpieczane, lecz nie wcześniej niż 24 godziny po klejeniu, materiałem mineralnym, np. Mapelastic, lub farbą akrylową Elastocolor Pittura, ewentualnie, w razie takiej potrzeby, materiałami zapewniającymi odpowiednią odporność ogniową.

Wklejanie mat z włókien weglowych MapeWrap C UNI-AX

- Powierzchnie, na których mają być klejone maty MapeWrap C UNI-AX powinny być całkowicie czyste, mocne i suche.
- Wszelkie pozostałości preparatów antyadhezyjnych, mleczka cementowego, starych farb czy powłok muszą zostać usunięte, np. przez piaskowanie.
- Uszkodzone fragmenty betonu, części luźno związane z podłożem należy usunąć metodami ręcznymi lub mechanicznymi.
- Odsłonięte i skorodowane pręty zbrojeniowe należy oczyścić i zabezpieczyć preparatem ochronnym Mapefer 1K.
- Reprofilację ubytków betonu zaleca się prowadzić używając zapraw naprawczych z grupy Mapegrout lub Planitop.
- Maty z włókien węglowych należy aplikować na podłoże wysezonowane.
-Jeśli wzmocnienie musi zostać wykonane wcześniej, do reprofilacji ubytków betonu należy użyć epoksydowej zaprawy Adesilex PG1.
- Wszelkie rysy w podłożu betonowych należy wypełnić żywicami iniekcyjnymi – Epojet lub Epojet LV (zamykanie rys suchych i lekko wilgotnych) ewentualnie Resfoam 1KM (uszczelnianie rys mokrych i przewodzących wodę).
- Wszystkie ostre krawędzie elementów betonowych owijanych matami muszą zostać zaokrąglone – promień nie mniejszy niż 2 cm.
- Gruntowanie podłoża preparatem MapeWrap Primer 1. Ewentualne nierówności podłoża należy wyrównać żywicami Adesilex PG1 lub Adesilex PG2.
- Przy użyciu pędzla lub wałka moherowego należy rozprowadzić warstwę preparatu MapeWrap 31, o grubości 0,5 mm, na jeszcze świeżą powłokę z Adesilex PG1 lub Adesilex PG2. Maty MapeWrap należy wklejać (unikając fałd) w podłoże, gdy preparat MapeWrap 31 jest jeszcze lepki. Stosując wałek z twardej gumy należy wygładzić matę, przesuwając go w kierunku prostopadłym do ułożenia włókien kilka razy aby żywica dobrze nasączyła matę. Następnie aluminiowym wałkiem o powierzchni śrubowej (MapeWrap Roller) wygładzamy powierzchnię w celu całkowitego wyprowadzenia pęcherzyków powietrza uwięzionych pod matą podczas wklejania.

Przykład wzmocnienia konstrukcji żelbetowej z zastosowaniem systemu MAPEI FRP

Zgodnie z przytoczonymi wytycznymi dotyczącymi aplikacji taśm i mat z włókien węglowych wykonane zostało wzmocnienie konstrukcji żelbetowej stropów dwóch kondygnacji budynku Wyższej Szkoły Bankowości i Zarządzania w Krakowie.

Wykonanie tego zadania zostało poprzedzone dokładnymi obliczeniami i analizie nośności przed i po wzmocnieniu konstrukcji.

Prace naprawcze prowadziła specjalistyczna Firma wykonawcza z Krakowa – Przedsiębiorstwo Usług Technicznych OMEGA Sp. z o. o.

Poszczególne etapy prac ilustrują poniższe fotografie:

1. Widok oczyszczonych belek żelbetowych – podłoże przygotowane do reprofilacji.

2. Powierzchnia belek naprawiona zaprawą Planitop 430.

3. Wklejanie taśm z włókien węglowych na zaprawie epoksydowej Adesilex PG1.

4. Gruntowanie podłoża preparatem MapeWrap Primer 1 przed wklejaniem mat z włókien węglowych.

5. Nakładanie epoksydowej zaprawy wyrównującej Adesilex PG1.

6. Wklejanie mat z włókien węglowych MapeWrap C UNI-AX.

7. Laminowanie powierzchni maty z włókna węglowego żywicą MApeWrap 31.

dr inż. Krzysztof Pogan, MAPEI Polska Sp. z o. o.
Opracowanie na podstawie materiałów firmy Mapei.

Autor: Mapei - zobacz wizytówkę firmy