Odborná skupna Mechanka kompoztních materálů a konstrukcí České společnost pro mechanku s podporou frmy Letov letecká výroba, s. r. o. a Ústavu teoretcké a aplkované mechanky AV ČR v. v.. Semnář KOMPOZITY ŠIROKÝ POJEM 9.11. 2011 POLYMERNÍ BETONY Jří Mnster Ústav teoretcké a aplkované mechanky AV ČR, v. v.. Motvem pro přípravu přednášky a tohoto textu byla snaha o vypracování přehledu současného stavu znalostí problematky spojené s vlastnostm a použtím polymerních betonů. Vedle obecných nformací a známých postupů analýzy vlastností sledovaných materálů jsou s příslušným odkazy uvedeny novější postupy hodnocení jejích časově-závslého chování a některé nedávné příklady použtí. Text s v žádném ohledu neklade nároky na úplnost. Úvod Polymerní betony jsou částí skupny betonů, které namísto cementu využívají jako pojvo polymery. Obecně zahrnují polymery mpregnované betony a betony se smíšeným typy pojv, jejchž jednu složku tvoří polymer. Polymerní mpregnace zahrnuje zušlechťování celého objemu (0.1 10% hm.), případně jen úpravy povrchu (penetrací, njektáží). Složení polymerních betonů Polymerbeton: vytvrdtelná organcká matrce + anorgancké plnvo (+ další složky) Matrce: obvykle dvou-komponentní pryskyřce a tvrddlo. Nejčastěj: epoxd, nenasycený polyester, metacrylát, fenol a další podle nároků na použtí. Plnvo: až 80% objemu. Přírodní (převážně mnerální) umělé materály různé zrntost. Mez plnvem a matrcí nedochází k chemcké reakc. Přísady: Redukující cenu (plnvo jako náhrada pojva) Ovlvňující výrobní proces (tvorba trhlnek, rozměrová stálost) Ovlvňující funkce (pgmenty, retardéry hoření) Neměly by pod únosnou mez zhoršovat mech. vlastnost Základní techncké a materálové parametry Mechancké: pružnost, pevnost, houževnatost únava, rázové zatížení, tečení Fyzkální: odolnost vnějším vlvům teplota, vlhkost, záření, el. vodvost Chemcké: reakční knetka Technologcké 1
Tab. 1: Porovnání základních materálových charakterstk polymerbetonu, betonu, šedé ltny a ocel Výhody Vysoká statcká dynamcká tuhost Vysoká schopnost tlumení rázů Nízká teplotní vodvost Odolnost prot abrasvním a agresvním medím Chemcká stálost př působení obvyklých chladcích a mazacích kapaln Odolnost prot koroz Konstrukční varablta Integrace funkčních částí do odltku Rozměrová přesnost Lkvdace / Recyklace nezatěžující žvotní prostředí a nevýhody Monomery mohou být těkavé, hořlavé nebo toxcké. Totéž platí o přísadách - katalyzátorech a urychlovačích tuhnutí, ředdlech, pgmentech a tvrddlech. Teplotní odolnost nžší než u kovových materálů v závslost na konkrétní pryskyřc a způsobu vytvrzení. Polymerní betony jsou podstatně dražší než klascký beton (300-2000 USd/m 3 prot 50-80 USd/m 3 ). 2
Časově závslé vlastnost Polymerní kompozty jsou složté systémy, jejchž jednotlvé část (zejména matrce) jsou vlvem probíhajících procesů degradace, stárnutí a reakce na nejrůznější zatížení permanentně v nerovnovážném stavu. Agresvta prostředí, záření, teplo a tepelné změny, změny vlhkost, prach, bologcká koroze a další faktory mohou působt synergcky na materál pod napětím, který degraduje a stárne. Vztahy mez napětím, přetvořením a časem pro vazkopružné materály za předpokladu ustálených podmínek v průběhu testu. (převzato z J.Aghazadech Mohandes et al., Compostes : PartB, 2011, DOI 10.1016/j.compostesb.2011.04.048) Možné přístupy k hodnocení dlouhodobých mechanckých vlastností: a) expermentálně Relaxační a creepová měření v reálném čase (jejch délku vymezuje ekonomka a požadavky na podmínky testu; ASTM D5262 dovoluje zvětšt rozsah odhadu př extrapolac o jeden log řád) Zrychlené zkoušky za podmínek blízkých použtí (kombnace několka typů zatížení, klmatcké komory) b) s podporou teore např. Využtí analoge čas vlvový faktor (teplota, vlhkost, hodnota zatížení, frekvence a další) 3
Pravděpodobnostní metody Zrychlená SED metoda Měření creepu v reálném čase: (vz následující obr.) Polyestermalenova matrce + dabázové plnvo, přetržtá granulometrcká křvka (z důvodu dosažení mnmální nespojté mezerovtost), různé velkost nejhrubší frakce a tudíž různá velkost plochy povrchu plnva. Nelneární vazkopružnost: Vazkopružná poddajnost J(t,τ) je funkcí úrovně zatížení α, velkost povrchové plochy plnva F a doby stárnutí A (mladý polymerbeton a tentýž materál po 3 letém fyzkálním stárnutí v laboratorních podmínkách bez přístupu slunečního světla). J t ε ( t) = J ( t, τ ) dσ ( τ ) τ = 0 ( t, τ ) J ( t, τ, α, F, A ) Závěry: negatvní vlv úrovně mechanckého zatížení na hodnoty vazkopružné poddajnost, vyšší hodnota plochy povrchu plnva má postvní vlv. Stárnutí bez mechanckého zatížení snžuje hodnoty poddajnost a zkracuje nterval dosažení rovnovážných hodnot. Větší povrch plnva má zde negatvní efekt. 4
Využtí nterpolace mez známým průběhy pro různé úrovně objemu plnva, příp. vztahu mez creepovým a relaxačním charakterstkam ke stanovení jedné z nch, známe-l druhou: Hrstova, Ju., Mnster, J.(1997) Effect of a fller on the long-term mechancal behavour of an epoxy matrx/mneral partcle composte. Polymer Compostes, Vol. 18, No.2, 232-236 Epoxdová matrce s mnerálním plnvem, křvky znázorňují vypočtené průběhy (vz. následující obrázek) Převod mez relaxačním a creeepovým charakterstkam je založen na využtí vztahu mez Laplaceovým transformacem příslušných časových funkcí. 5
J ( t) = J ξ N 0 + t / + q k t k ) k = 1 [ 1 exp( / Λ ] ) ) L r = 2 [ E ( s) ] L[ J ( s) ] s Analoge čas vlvový faktor Příklad: Central Laboratory of Physco-Chemcal Mechancs Bulgaran Academy of Scences 9 th Internatonal Conference on MECHANICS AND TECHNOLOGY OF COMPOSITE MATERIALS, September 11-14, 2000, Sofa, Bulgara, Proceedngs pp. 300-306 Creep Behavour of Long-Term Aged Epoxy Matrx Compostes Mnster, J., Hrstova, Ju. Vazkopružná poddajnost epoxdového polymerního betonu (vz. následující obrázek) různého fyzkálního stáří J(t,t a ) od 1 měsíce až do 10 let. Posunem závslostí (zejména pro dobu stárnutí t a =1 měsíc) podél logartmcké časové souřadnce na zvolenou úroveň stárnutí lze získat pro tuto úroveň prodloužení odhadu hstore sledované funkce (až o dva řády pro polymerbeton s nejvyšší hodnotou stárnutí). 6
Pravděpodobnostní metody předpověd V okamžku potřeby odhadu vývoje časově závslého jevu máme k dsposc jen omezené nformace. Počáteční, ne zcela objektvní předpověď (vz křvku A na následujícím obrázku) se nahrazuje aprorním odhadem parametrů popsujícího modelu, který je založen na subjektvní úvaze a zkušenost. S využtím dalších dostupných nformací (měření) se hodnotí správnost odhadu a na základě požadavku normálního rozdělení náhodných chyb se střední hodnotou nula a jstým rozptylem se provádí postupné opravy parametrů aprorního modelu. Uvedeným postupem např. získáme odhad rovnovážné vazkopružné poddajnost pro zkoušený polymerbeton a čas log t[s] = 8,75 (tj. pro t 18 let) dříve a lépe než regresí na známá expermentální data. 7
Zrychlená SED (stran energy densty) metoda předpověd creepových vlastností za tlaku J.Aghazadech Mohandes et al., Compostes : PartB, 2011, DOI 10.1016/j.compostesb.2011.04.048 Dlouhodobý statcký creep lze předpovědět extrapolací chování napětí-deformace vzorků zkoušených různým rychlostm deformace. Každý bod závslost napětí-deformace má odpovídající bod se stejnou hustotou energe na téže závslost získané jnou rychlostí zatěžování (Matsuoka et al. Polymer Eng Sc 18 (14), 1977, pp. 1073-1080). & ε & ε r1 r 2 m = ε ε r 2 r1 m = log( E r 1 / E r 2) 2log( & ε / & ε ) r1 r 2 Rychlost creepové deformace magnárního ekvvalentního creepového testu ε&, která odpovídá časovému ntervalu, který nás zajímá, je neznámá, ale může být předpověděna. Totéž platí o délce referenčního testu napětí deformace t r. σ c ε SED c = 2 & ε t r = 2( m+ 1) = σ & c ε t E ε r σ & c ε E t 2 & r r 2m r 8
Maxmální pevnost kompoztu polyethylentereftalat (PET) + písek byla stanovena od 15 do 28 MPa, pevnost odpovídající 100 letům zatížení (pro deformace menší 3%) pomocí odvozené metodky 11.7 Mpa. Použtí polymerních betonů spíše tenkostěnné konstrukční prvky plnící více funkcí Nové konstrukce opravy (adhesní vlastnost umožňují vyspravování polymerních cementových betonů) Nízká propustnost, lepší mechancké vlastnost, chemcká odolnost: bazény, kanalzační a drenážní potrubí (např. kanalzační stoka K v Praze - tunelová stavba s kruhovým vntřním proflem o průměru 3,6 m s vntřní ochrannou vrstvou z polymerního betonu o tloušťce 4 cm), komory pro elektrolytcké technologe, náhrady asfaltových komunkací s delší trvanlvostí a pevností Podstavce a rámy pro obráběcí a měřcí stroje pro strojírenský, elektrotechncký, potravnářský chemcký průmysl (vz např. webové stránky společnost EPUCRET Mneralgusstechnk GmbH & Co., nebo frmy FRAMAG užívající pro tento účel hybrdní materál Hydropol) Příklady nedávných aplkací Česká frma COMING Plus a.s.: Kontejnery na dlouhodobé ukládání radoaktvních odpadů nízké ntensty Svítící slnční a mostové obrubníky Částcový termoplastový kompozt s využtím odpadního PET (polyethylenterftalát) s křemenným pískem (J. A. Mohandes et al., Metallurgcal Engneerng Department, AmrKabr Unversty of Technology, Teheran, Iran) Hybrdní lože z polymerního betonu pro vysokorychlostní CNC frézu Složení polymerního betonu: 9
Nenasycený polyester Žulový štěrk a písek Složení: 52 obj.% štěrk + 26.2 obj.% písek + 21.8 obj.% polyester Svařovaná ocelová konstrukce stroje: Zvyšuje tuhost, slouží jako bednění, vntřní povrchy jsou zdrsněny Celková energe deformace je sumou energí kovové a polymerní část, dsspovaná energe je úměrná součntelům útlumu a energím deformace Základní mody kmtání lože (log dekrement = 2.93-5.69% stablní pro šroký rozsah frekvencí př 583 ot/s a zrychlení posunu 30 m/s2) Využtí: Daewoo Heavy Industres and Machnery Ltd., Korea Další podobné aplkace vz např. Jan Smolík, Pavel Lysý, Jří Hovorka, Ivan Dvš, Václava Lašová: Stavba nosných soustav; Sborník "Obráběcí stroje a technologe na EMO Mlano 2009", ČVUT v Praze, 2010, str. 93. SHRNUTÍ Polymerní betony jsou kompozty se specfckým vlastnostm vhodné pro aplkace využívající jejch komparatvní výhody ve srovnání s konkurenčním konstrukčním materály (hustota, fyzkální a chemcká odolnost, vysoký koefcent tlumení, nízká tepelná vodvost př porovnávání s kovy a lepší mechancké vlastnost a nepropustnost prot klasckému betonu). V poslední době se stále více uplatňují jako konstrukční prvky (frémy) dynamcky namáhaných konstrukcí včetně hybrdních. Jejch relatvně vyšší cena je u optmálně navržených konstrukcí vyvážena jejch užtným vlastnostm. 10