Vláknobetony

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
0,02-0,4
3,4
196
3,5
2-3
6-200
0,91
5-77
0,15-0,75
15
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
-
1,2
10
0,3-0,5
-
25-1000
0,95
0,3
0,08-0,6
3-80
10-50
1,5
13-26
0,3-0,6
3-5
-
2,5
10-45
0,004
0,02
Azbest
Polypropylen
Aramid (Kevlar)
Celulóza
Polyethylen
Sisal
Cement
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
Juta
a vysoká pevnost v tahu, jako náhrada
azbestových vláken, vyžadují speciální úpravu
před zabudováním
Bavlna
Vyztužený beton X vláknobeton

Vyztužený beton:


Vláknobeton:


Ocelové výztuže – zvýšení nosnosti konstrukce
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:


Houževnatost:




Vlákna nemají za úkol zvyšovat pevnost, nemají na pevnost vliv
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:


Studený tok a smrštění:




dynamické zatížení – 65-90% statického zatížení (klasický beton
55%)
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
Směs
či bloky
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
Maximální
– 3 000 mm
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.