Embed Size (px)
Citation preview
Vláknobetony
doc. Ing. Milena Pavlíková, Ph.D.
K123, D1045
224 354 688, [email protected]
www.tpm.fsv.cvut.cz
Rozdělení kompozitů
Úvod
Beton – křehký materiál s nízkou pevností v tahu a deformační
kapacitou
Od konce 60. let 20. st. – výroba vyztužených betonů =
vláknobetony (fiber reinforced concrete, FRC):
Betony se zabudovanými relativně krátkými, oddělenými a
nespojitými vlákny.
Úloha vláken:
Kontrola tvoření trhlin.
Modifikace chování materiálu v případě, že matrice obsahuje trhliny.
Tvoří přemostění trhlin.
Poskytují betonu tvárnost.
Vlákna
Druhy vláken:
ocelová
polymerní (zejména polypropylen)
skleněná
uhlíková
azbestová
celulózová
Vlákna
Typické vlastnosti vláken a cementové matrice
Materiál vlákna Průměr
(mm)
Objemová
hmotnost
(kg/m3)
Modul
pružnosti
(GPa)
Pevnost v tahu
(GPa)
Prodloužení
při přetržení
(%)
Ocel 5-500 7.84 200 0,5-2 0,5-3,5
Sklo 9-15 2.60 70-80 2-4 2-3,5
Azbest 0,02-0,4 3,4 196 3,5 2-3
Polypropylen 6-200 0,91 5-77 0,15-0,75 15
Aramid (Kevlar) 10 1,45 65-133 3,6 2,1-4
Uhlík 9-18 1,6-2,15 28-480 0,5-3 0,5-2,4
Nylon 20-200 1,1 4 0,9 13-15
Celulóza - 1,2 10 0,3-0,5 -
Polyethylen 25-1000 0,95 0,3 0,08-0,6 3-80
Sisal 10-50 1,5 13-26 0,3-0,6 3-5
Cement - 2,5 10-45 0,004 0,02
Vlákna
Ocelová vlákna:
Výroba – řezáním drátu, střiháním fólie či
tažením z horké taveniny
První generace vláken měla hladký povrch
– zjištěna nedostatečná vazba s pojivem
→ dnes vlákna deformována podélně či na
koncích
Vlákna
Skleněná (skelná) vlákna:
Výroba – tažením skelné
taveniny otvorem ve dně
rozžhavené platinové nádoby
či pánve
Většinou se táhne 204 vláken
současně, po ztuhnutí se
spletou do jednoho provazce
Použití ve formě naštípaných
vláken či nekonečného vinutí
vlákna
Vývoj alkalicky odolných skel
– obsahují 16 – 20% ZrO2
Splétání vláken
Vlákna
Azbestová vlákna:
Výroba – vlákna s cementem a vodou na výrobu trubic
Kompatibilní s cementovou matricí, která pojme velký objem těchto
vláken a utvoří se velice pevný kompozit.
Azbestocement – vysoká korozní a abrazní odolnost.
Ze zdravotních důvodů se již nepoužívají.
Vlákna
Syntetická (polymerní) vlákna:
Polypropylenová, nylonová a
polyethylenová – nejužívanější,
vysoký modul elasticity
Uhlíková a aramidová
(aromatický polyamid) – vysoký
modul elasticity a vysoká
pevnost v tahu, vysoká cena
Uhlíková vlákna
Schéma výroby uhlíkových vláken z
PAN prekurzoru
Souhrn vlastností užitných uhlíkových
vláken a kompozitů
Aplikace uhlíkových vláken a kompozitů
Vlákna
Přírodní organická vlákna:
Sisal, juta, kokosové vlákno, sloní tráva,
vylisovaná cukrová třtina – nízký modul
pružnosti, degradace vlhkostí a alkalickým
prostředím
Užití – nízkonákladové prvky na stavbu domů
Celulózová vlákna – vysoký modul pružnosti
a vysoká pevnost v tahu, jako náhrada
azbestových vláken, vyžadují speciální úpravu
před zabudováním
Juta
Bavlna
Vyztužený beton X vláknobeton
Vyztužený beton:
Ocelové výztuže – zvýšení nosnosti konstrukce
Vláknobeton:
Kontrola vzniku a působení trhlin v betonu
Použití kombinace obou:
Beton vystavený nárazům, výbuchům, otřesům (oblasti
zemětřesení) apod.
Definice Průřezový poměr
= délka vlákna/ekvivalentní průměr vlákna (průměr kruhu mající shodnou plochu průřezu jako vlákno) – v rozmezí 50 – 150 zaručena dobrá zpracovatelnost a disperze v matrici
Kritická délka lc
= délka, nad kterou se vlákno přetrhne dříve než se uvolní z matrice, přičemž trhlina protíná vlákno v jeho středu
Faktor orientace (koeficient účinnosti vlákna)
= účinnost s jakou náhodně orientovaná vlákna snesou tahové namáhání působící v jakémkoliv směru, rozmezí 0,2 – 1,0
Rozdělovací faktor: Pokud jsou vlákna dostatečně blízko sebe, pak první mez trhu kompozitu je mnohem
vyšší než matrice samotné, neboť vlákna efektivně redukují napěťový faktor řídící lom
První lomová síla
= síla odpovídající zatížení (v tahu či ohybu) , při kterém zařízení zaznamená první zřejmou nelinearitu
Spojení vlákno – matrice
Mechanické vlastnosti závisí nejen na vlastnostech jednotlivých složek
kompozitu, ale zejména na jejich vzájemném spojení.
Velice komplikované rozhraní matrice – vlákna:
Probíhají chemické reakce
Změny chování v čase
Objemové změny
Přirozená tvorba vodou zaplněného prostoru kolem vláken v čerstvé
záměsi
V blízkosti povrchu vláken matrice poréznější než v objemu matrice
Cementová zrna obtížně pronikají do prostoru mezi jednotlivými
vlákny → vnější vlákna dobře spojena X vnitřní
Spojení vlákno – matrice
Schématické znázornění mezifázové přechodové zóny ve
vláknobetonu:
Spojení vlákno – matrice
Hlavní formy vazby:
Ocelová vlákna – adheze, tření, vzájemné mechanické spojení
Skelná vlákna – chemické reakce
Organická vlákna - vzájemné mechanické spojení
Běžné je zvyšovat vazebnou sílu vlákno – matrice deformací
vláken podélně či na koncích.
Mechanismus působení vláken
Typický zátěžový diagram:
OA – úsek shodný s
výsledky pro beton
A – zatížení, při kterém
matrice praská
AB – zátěž přebírají vlákna
Výroba vláknobetonů
Návrh záměsi:
Obvykle < 1obj. % ocelových a < 0,5obj. % polypropylenových vláken
Přídavek vláken snižuje zpracovatelnost, lze kompenzovat zvýšením podílu
velmi jemného plniva a obsahu cementu, přídavkem pucolánů.
Zpracování:
Stejné jako u betonů
Důležité zajistit rovnoměrné rozptýlení vláken v matrici – vlákna se
přidávají do vlhké záměsi, nejlépe spolu s kamenivem
Aplikace pumpováním, stříkáním atd.
Pro vláknobetony s obsahem > 5obj. % vláken se užívají techniky SIFCON
(kaší infiltrovaný vláknobeton) – vlákna se umístí do forem a zalijí se kaší
jemnozrnné malty, a SIMCON (kaší infiltrované rohože) – vlákna ve formě
rohože se zalijí kaší jemnozrnné malty
Schéma výroby kompozitních dílů
Schéma pultruzní linky
Pultruze: založena na tažení vyztužujícího materiálu (vláken) skrz impregnační vanu
Ve vaně se vlákna prosycují matricí a následně se vedou do formy
Ve formě dojde ke konečnému zformování
Do formy je následně vstřikována matrice
Ve formě je kompozit prohříván a vytvrzován.
Vlastnosti vláknobetonů
Pevnost:
Vlákna nemají za úkol zvyšovat pevnost, nemají na pevnost vliv
Houževnatost:
Úkolem vláken přemostit trhliny vznikající při zátížení
Prodloužení doby, než se při zatěžování beton přetrhne.
V závislosti na typu vláken s růstem jejich objemu roste houževnatost, např. ocelová efektivnější než polypropylenová
Odolnost vůči nárazům:
Ocelová a uhlíková vlákna efektivnější než syntetická
Všechny typy vláken zvyšují odolnost vůči nárazům
Užívá se test Charpyho kladivem a zátěž výbuchem
Vlákna se většinou přetrhnou, ale zůstávají ukotvena v matrici
Zlepšení odolnosti vůči abrazi a kavitaci
Zobrazení destrukce kompozitního dílu
při tahovém namáhání
Vlastnosti vláknobetonů
Dynamická pevnost v ohybu:
dynamické zatížení – 65-90% statického zatížení (klasický beton 55%)
Studený tok a smrštění:
nad 1obj. % vláken – malý či žádný efekt
domněnka – zmenšení rozměrů trhlin během smršťování
velice efektivní v omezení plastického smrštění
Odolnost:
nepatrně snížená propustnost oproti betonům, ale nemá to dostatečný efekt na zvýšení odolnosti.
syntetická vlákna odolná, ocelová korodují (ochrana vysokým pH), běžná Eskla neodolná → alkalicky odolná skla, přírodní vlákna snadno degradují alkáliemi, působením bakterií a hub a vyžadují speciální zacházení
Použití vláknobetonů
Poměrně vysoká cena – zvážit, zda vlastnosti běžného
betonu nelze vylepšit změnou receptury nebo konstrukčním
provedením.
Rozšířené použití – na chodníky, dálnice, letištní plochy,
průmyslové podlahy.
Nelze použít jako běžnou náhradu vyztuženého betonu, ale
vláknobeton lze kombinovat s výztuží → vylepšení chování
(zlepšení vazby beton – ocel), zvýšení odolnosti vůči
zemětřesení
Využití optických vláken
Průsvitný beton – LiTraCon (Light-Transmitting Concrete)
Využití optických vláken
Optické vlnovody jsou vlákna skla, kterými se šíří světelný svazek
rychlostí přibližně 2/3 rychlosti světla ve vakuu.
Svazek se šíří optickým vláknem pod úhlem menším, než je kritický úhel
(modrý svazek).
Jestliže je, např. při ohybu vlákna, tento úhel překročen, svazek vlákno
opouští (červený svazek).
Proto se vlákna dělají obvykle s pláštěm, který má menší index lomu, než
je index lomu samotného vlákna.
Využití optických vláken
Podle vynálezce Árona Losoncziho je teoreticky možné vytvořit z
průsvitného betonu i několik metrů silnou zeď
Vlákna jsou schopna přenášet světlo bez výrazných ztrát až do tloušťky 20 m.
Mezi dvěma hlavními povrchy každého bloku z průsvitného betonu vedou
tisíce paralelně uspořádaných optických skleněných vláken a vytvářejí
matrici.
Nízký obsah vláken v materiálu - cca 4 % celkového objemu materiálu a
jejich malý rozměr umožňují dokonalé smísení s betonem a povrch bloků
proto zůstává homogenní.
Zcela nový materiál - LITRACON
2001 přišel maďarský PhD student Aron Losonczi s ideou nového
materiálu
Úspěšný návrh a výroba – založil společnost LitraCon
současnost – produkují prefabrikované dílce tohoto materiálu
Vlastnosti
Prefabrikované dílce či bloky
Směs betonu a optických vláken
Množství vláken: 3-5% z celkového objemu
Objemová hmotnost: 2 400kg/m3
Pevnost v tlaku: 32-49 MPa
Pevnost v tahu za ohybu: 7,7 MPa
Tloušťka: 20 – 3 000 mm
Maximální velikost bloku: 300x600 mm
Využití optických vláken
Poprvé byl průsvitný beton použit - v roce 2002 pro pochozí povrch
náměstí ve vnitřní části Stockholmu.
Bloky o rozměrech 350 x 350 x 50 mm tvoří během dne zdánlivě prostý
typ betonové dlažby, ale po západu slunce se díky zdrojům světla, které
jsou umístěny pod nimi, rozzáří.
Když se zcela setmí, vytvoří se kolem centra náměstí zajímavý světelný
obrazec.
