Vláknobetony doc. Ing. Milena Pavlíková, Ph.D. K123, D1045 224 354 688, milena.pavlikova@fsv.cvut.cz 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/m 3 ) 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% ZrO 2
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 Juta Celulózová vlákna vysoký modul pružnosti a vysoká pevnost v tahu, jako náhrada azbestových vláken, vyžadují speciální úpravu před zabudováním 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 l c = 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/m 3 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.