UNIVERZITET U SARAJEVU GRAĐEVINSKU FAKULTET ODSJEK ZA KONSTRUKCIJE PREDMET: GRAĐEVINSKI MATERIJALI II
AKADEMSKA 2013/14. GODINA
KARBONSKA VLAKNA - PRIMJENA U GRAĐEVINARSTVU -
STUDENT: NEIMARLIJA RUSMIR
Profesor: Doc.dr. Azra Kurtović
Plan i program: 1.) Uvod - Historijat - Nastanak - Područja primjene
2.) KARAKTERISTIKE MATERIJALA - Sastav i struktura - Tehnologija izrade - Fizičko - hemijska svojstva - Mehanička svojstva - Otpornost - zatezanje, savijanje, udar... - ispitivanje materijala - poređenje sa konkurencijom
Plan i program: 3.) PRIMJENA U GRAĐEVINARSTVU - Aplikacija - Oblast primjene: 1. rekonstrukcije i ojačanja - visokogradnja - niskogradnja 2. kao osnovni materijal 4.) PRIMJENA U BIH 5.) ZAKLJUČAK 6.) LITERATURA
Opšti podaci •
• •
•
ugljična vlakna (karbonska vlakna), vlakna koja sadrže najmanje 90% ugljika, vrlo su fina, većinom kružna presjeka, promjera 5 do 10 μm i svojstvene crne boje. Spadaju u kategoriju FRP (Fiber Reinforced Polymer) CFRP Definicija: Karbonska vlakna predstavljaju kompozitni materijal sastavlje od mnogo finih, sitnih ugljicnih vlakana, izuzetnih mehanickih karakteristika, unutar matrice od epoksidnih smola Novim tehnologijama iz grafita se izrađuju izuzetno čvrsta grafitna vlakna (pirolizom pri temperaturama iznad 1500-3000°C), Grafitna vlakna koriste se za izradu metalnih ili nemetalnih kompozitnih materijala male gustoće i izuzetno visoke čvrstoće koji se koriste u zrakoplovnoj i svemirskoj tehnologiji, ali i u građevinarstvu. Polimeri – velike molekule sastavljene od manjih molekula (monomera) povezanihu duge lance (sinteticki organski materijali)
Matrica (eng.matrix) je tijelo sastojka koje služi za oblikovanje kompozitnih materijala te za završno formriranje veličine i oblika kompozita. Matrica međusobno povezuje vlakna i pri tomu prenosi naprezanja među vlaknima i ujedno ih štiti od utjecaja iz okoliša.
• Od 1996. godine taj broj raste iz godine u godinu. Npr. u SAD-u 42% od ukupno 575 000 mostova koji povezuju glavne prometnice treba popraviti uglavnom zbog korozije ili je potrebno ojačanje na kolniku zbog povećanog opterećenja. Kako bi se postigla optimalna obnova starih i izgradnja novih mostova, izrađen je program CONMAT (engl. CONstruction MATerials) koji je počeo s radom 1995. godine i u koji je uloženo dvije milijarde američkih dolara za razvoj infrastrukture i njezin popravak. Od tog iznosa 40% je utrošeno na razvoj polimera ojačanih vlaknima kako bi se razvila nova generacija mostova povećane trajnosti i produžena vijeka trajanja. 1996. godine izgrađen je prvi most od polimera ojačanih vlaknima, a do kraja 2000. godine bila su dovršena 32 mosta. •
•
Početkom 80-ih godina prošlog stoljeća bilo je svega tridesetak istraživačkih centara koji su se bavili istraživanjem ovih materijala s obzirom na njihovu primjenu u građevinskim konstrukcijama, a danas ih ima više od 300. U 2005, globalni karbonskih vlakana na tržištu je samo 900 milijuna dolara, dok je u 2013 dosegnulo više od 10 milijarde dolara, očekuje se da će 2022 se očekuje da će dosegnuti 40 milijarde dolara, primjena karbonskih vlakana također će ući u novo razdoblje.
Historijat i nastanak • Od davnina ljudi koriste kompozitne materijale • KARBONSKA VLAKNA patentirao 1957. godine Roger Bacon u laboratoriju Union Carbid, Ohio, Cleveland • Prvobitni pokusi relativno neuspjesni – samo 20 % karbona u krajnjem proizvodu (puno slabije mehanicke osobine) • Puni potencijal realizovan 1963. od strane W. Watt, L. N. Phillips, and W. Johnson gdje je nanovo patentirano i prodano kompanijama Rolls Royce, Morganit itd • Eksperimenti nastavljeni tokom godina, a primjena je rasla (automobilska, avio i mašinska industrija, a poslije i građevinarstvo) • Danas jako bitna grana industrije i osnovni materijal za mnoge konstrukcije i predmete (više milijardi dolara godišnje)... KOMPOZITI – materijali sastavljeni od drugih, vec konacnih proizvoda, uglavnom kao njihova mjesavina, kako bi imali nova, poboljsana svojstva, ili radi zastite. Jedna komponenta se koristi kao osnova, a druga kao dopuna ili materijal za ojacanje. KARBONSKA VLAKNA - KOMPOZIT KARBONA I MATRICE EPOKSIDA
PREDNOSTI I NEDOSTACI • KARBONSKA VLAKNA imaju niz prednosti i nedostataka. • Glavne prednosti u odnosu na tradicionalne konstrukcijske materijale su: - odnos čvrstoće vlastite težine – taj je odnos kod FRP materijala približno 40 – 50 puta veći nego kod čelika - uglavnom nisu podložni koroziji - postojani su na većinu kiselina i lužina - otporni su na zamor - lako se oblikuju - relativno su jeftini - mogućnost prigušenja vibracija i izolacije - dobra otpornost na habanje.
• Najvažniji nedostaci su: osjetljivost na raslojavanje i mrvljenje, neplastičnost, mogućnost širenja pukotine duž vlakana, pojava naprezanja izazvana skupljanjem matrice pri proizvodnji i nakon nje (zaostala naprezanja) te anizotropna svojstva.
Podjela Prema obliku: • • • •
Vlakna (razne upotrebe i mogućnosti oblikovanja) Lamele-trake (upotreba u građevinarstvu) Platna (upotreba u građevinarstvu) Folije (zaštita i izolacija)
PREMA GRAĐI: • GRAFITNA • ARAMIDNA (KEVLAR)
GRAĐA I STRUKTURA Vlakna: 90-99 % ugljika (veći % C -> bolje osobine) Matrica: epoksidne smole
Ugljik – Karbon • Ugljik, poslije vodika, tvori više spojeva nego svi ostali hemijski elementi zajedno. Razlog tome je što se ugljikovi atomi u spojevima mogu međusobno povezivati jednostrukim, dvostrukim i trostrukim kovalentnim vezama na različite načine u dugačke lance i prstenove.. • Kemiju ugljikovih spojeva, osim karbida, karbonata, cijanida, ugljikovih oksida i sulfida proučava organska hemija.
ZAŠTO UGLJIK??? • •
•
•
Postoje 3 značajna razloga za široku upotrebu materijala koji sadrže ugljik: Atomi ugljika mogu se spajati s drugim atomima ugljika pomoću kovalentne veze. Na taj način dobivamo spojeve različitih svojstava, ovisno o atomima s kojima se ugljik veže. Svaki atom ugljika može stvoriti 4 kovaletne veze istovremeno, s 4 različita atoma. To je mnogo veći broj veza, nego što ih tvori većina drugih atoma. Na taj način imamo mogućnost stvaranja velikih lanaca različitih spojeva, od kojih svaki unosi nove (poželjne) osobine. Ugljik je element koji tvori najsnažniju vezu sa samim sobom u cijelom periodnom sistemu elemenata. Također, ima mogućnost vezivanja na najrazličitiji broj načina. Na primjer, ako se atomi ugljika vežu u kratke lance, nastaje spoj s osobinama plina. Veže li se u duže lance, dobivamo čvrste tvari, poput plastike. Kad bi vezanje krenulo u 2 ili 3 dimenzije, dobili bi najčvršće spojeve koji postoje kao na primjer dijamant.
• Alotropske modifikacije •
Alotropske modifikacije (koristi se i pojam alotropija) su dva ili više oblika istog hemijskog elementa koja se međusobno razlikuju po načinu međusobnog vezivanja atoma. Zbog različitih hemijskih veza, alotropi imaju različita fizikalna i hemijska svojstva.
•
dijamant (najtvrđi poznati mineral). Vezivna struktura: 4 elektrona u sp3-orbitalama. Dijamant je proziran, vrlo tvrd (i vrlo skup!) mineral. Ne provodi električnu struju. Ugljikovi atomi u dijamantu povezani su sa četiri susjedna ugljikova atoma u dijamantnu rešetku.
•
grafit Vezivna struktura: 3 elektrona u sp2-orbitalama i 1 elektron u p-orbitali. Grafit je mekana, sivocrna, lomljiva tvar, masna opipa. Grafit provodi električnu struju. Kristali grafita sastoje se od slojeva, a u svakom sloju atomi su poredani kao šesteročlani prstenovi.
•
fuleren Zatvorene strukture, napravljene od peteročlanih i šesteročlanih, a ponekad i sedmeročlanih prstenova ili cijevi. Najpoznatiji i najstabilniji fuleren je bakminsterfuleren, C60, čija struktura podsjeća na nogometnu loptu. Fulereni su ime dobili po poznatom američkom arhitektu Buckminsteru Fulleru (1895. - 1983.).
Nanotubes (nanocjevčice) • Karbonska nanocijev je nanoskopska struktura koja se sastoji od atoma karbona (C) u obliku šupljeg cilindra. Cilindri su obično zatvoreni na krajevima polu-fulerenskim strukturama. • Nanocijevi su konstruisane sa omjerom dužina-promjer, čak do 132,000,000:1 Ugljikove nanocijevi su zapravo fulereni, samo što se kraj nikad ne zatvara u sferu, već tvori cilindar. jednozidne nanocijevi (Single-Walled Carbon Nanotubes)
Druga vrsta su višezidne cijevi (Multi-Walled Carbon Nanotubes - MWNTs)
Osobine: puno bolja istezljivost, električna i toplotna provodljivost u odnosu na druga vlakna
KARBONSKA VLAKNA • Sastavljena od više hiljada karbonskih (nano)cjevčica
100% ugljik
grafen
Grafen je dvodimenziona ugljenička struktura debljine jednog atoma. Grafen je skoro u potpunosti providan, ali je istovremeno i toliko gust da ni najmanji atomi gasa ne mogu da prođu kroz njega. To je veliki kristal, koji je veoma jak – sto puta jači od čelika – a može se rastegnuti i do 20%“. Grafen je istovremeno i najtanji i najjači poznati materijal.
Podjela karbonskih vlakana: • • • •
“Obična” karbonska vlakna Vlakna sa višezidnim nanocjevčicama Grafitna vlakna Grafenska vlakna
MATRICA:
EPOKSIDNE SMOLE
• Epoksidne smole (engl. epoxy resins; ep- + oksid) su hemijski inertni polimeri s najmanje dvije epoksidne skupine koji se povezivanjem lančastih molekula mogu prevesti u visokomolekulske polimerne materijale (epoksidni polimeri). • Proizvode se polikondenzacijom dihidroksifenilpropana (bifenol A) i epiklorhidrina u dva stepena. • Zbog svojih svojstava, pretežito služe kao ljepila i sredstva za zaštitu površine. Najveća im je primjena u antikorozivnoj zaštiti i prevlačenju metala, te kao matrica za karbonska vlakna.
Povezuju i štite vlakna unutar vlastite matrice !!! Nanošenje: -
Bojenje Pre-impregnacija
TEHNOLOGIJA DOBIJANJA CFRP
1. PITCH metode
2. PAN metode • KARBONIZACIJA (PIROLIZA) sirovine PAN • 1. Sirovina PAN - polyacrylonitrile (ZAGRIJAVANJE) Piroliza (piro + liza), kemijska razgradnja organskih tvari djelovanjem topline na visokoj temperaturi, bez prisutnosti kisika i vode i tako se dobivaju čisti elementi (UGLJIK). Pritom se velike molekule razgrađuju na manje. Karbonizacija – proces dobijanja ugljika prirodnim ili vjestackim putem, zagrijavanjem bez prisusustva zraka ili vode
PAN – sintetički, polukristal smolaste strukture, (C3H3N)n Dobija se u procesu prerade u naftnoj industriji. Polazna osnova je propen, iz kojeg se dobija akronitril, a u postupku polimerizacije poliakronitril.
2. Zagrijavanje na 700 ° C (gubitak hidrogena) – DEHIDROGENIZACIJA
3. Dodatno zagrijavanje 1000+ ° C – izbacivanje ostatka vodika i vezivanje u trake Jednostavna i labilna struktura molekula
Stabilna i popunjena struktura molekula
3.POVEĆANJE TEMPERATURE 3000 ° C (ODBACIVANJE NITROGENA I ŠIRENJE TRAKA) - UGLJENIZACIJA Ovako nastale strukture imaju ugljik u svojoj heksagonalnoj strukturi, ali su još uvijek bezoblična masa, pa svoje mehaničke karakteristike dobijaju tek slaganjem strukture u pravilne oblike.
Dodatni zagrijavanjem 1300+ ° C karbonska vlakna se mogu pretvoriti u grafen, koji predstavlja jaču i stabilniju formu ugljika.
• 4. površinska obrada i spajanje sa matricom od epoksidnih smola BIAXIAL
Pravac nošenja
Pravac nošenja
• 5. oblikovanje i sušenje - Velika prednost: mogućnost slobodnog oblikovanja i korištenja kalupa svih vrsta i veličina - Fabrička izrada –trake, lamela i žica (građevinarstvo!)
Djelovanje temperature u procesu dobijanja karbonskih vlakana
OSOBINE KARBONSKIH VLAKANA • POREĐENJE SA KONKURENCIJOM: MEHANIČKA I TEHNOLOŠKA SVOJSTVA AGRESIVNA SREDINA !!!
TEMPERATURA !!!
•
SIKA – CARBOWRAP 230C (LAMELE)
Sika je globalna tvrtka s više od 120 proizvodnih i marketinških podružnica u 76 zemalja. To je globalno integrirana tvrtka koja nudi specijalne proizvode građevinske hemije i znanja o njihovoj primjeni
ISPITIVANJE MATERIJALA • • -
ISPITIVANJE BETONA – PULL OFF TEST ISPITIVANJE VLAKANA PRITISAK SMICANJE
PULL OFF TEST - beton Pri primeni karbonskih traka postoji i uslov da se one mogu lijepiti samo za betonske elemente dovoljno visokih mehaničkih karakteristika To znači da se apliciranje traka može izvoditi samo na betonskim podlogama koje će obezbediti zadovoljavajući stepen athezije (prijanjanja) između betona i ljepila u toku eksploatacije posle ojačanja.
AKSIJALNI PRITISAK
- opit centričnim pritiskom - do loma nastaje usljed deformacije matrice, koja omogućava izvijanje i lom vlakana - prosječna nosivost σ = 350 MPA , oko 10 % nosivosti na zatezanje
AKSIJALNO ZATEZANJE -
-
Najbitnije svojstvo CFRP I dalje se unaprijeđuju osobine Prosječna vrijednost zavisi od tehnologije proizvodnje Prosječne vrijednosti variraju σ = 3500 – 8000 MPA
Vrste lomova
Armatura potekla – smanjenje pritisnute zone (drobljenje betona)
“PEELING OFF” CFRP (ODLJEPLJENJE)
Diskontinuitet usljed neravne površine betona - nemogućnost prenošenja sila zatezanja (javlja se sila okomita na pravac zatezanje, koja odljepljuje lamelu
Diskontinuitet usljed prethodne ili novonastale pukotine, usljed čega dolazi do skretanja sila zatezanja i nemogućnosti prenošenja na daljnja vlakna
UPOTREBA CFRP U GRAĐIVANRSTVU • MATERIJAL ZA OJAČANJE - GREDE - STUBOVI - ZIDOVI - PLOČE • OSNOVNI MATERIJAL ZA GRADNJU - GRADNJA KONSTRUKCIJA - IZOLACIJA I PANELI
OJAČANJE I REKONSTRUKCIJA AB ELEMENATA Aplikacija moguća na sve vrste materijala, zavisno od veziva. Prethodno potrebno urediti, zaštititi i obraditi površinu koja se ojačava, a zatim se vrši nanošenje elemenata za ojačanje. Potrebno postaviti konačnu zaštitu.
OJAČANJE GREDA
-Trake služe za ojačanje i rekonstrukciju elemenata - Ojačavanje: 1. savijanje (zategnuti rub) 2. transverzalne sile (rebro)
prednosti: -Povećanje ili sanacija nosivosti MiT - ne povećavaju se dimenzije - jednostavna aplikacija -Ne povećava se težina -Uklapanje u prethodno stanje -Jeftina varijanta ojačanja
mane: -Prethodna obrada površine - nemoguće sve sanirati (Pull Off) - Naknadna obrada površina
OJAČANJE STUBOVA I CIJEVI
CFRP se postavlja radi povećanja nosivosti i duktilnosti betonskih stubova - Koriste se monoaksijalna ojačanja u pravcu stuba (N, M) i omot za primanje poprečne sile (T)
prednosti: -Povećava se nosivost i duktilnost - ne povećava se sopstvena težina i dimenzije - jednostavna primjena - omogućuje dodatnu zaštitu presjeka od vanjskih uticaja -Moguća primjena na šipove i cijevi
mane: -Prethodna obrada površine - nemoguće sve sanirati (Pull Off) - Naknadna obrada površina - Potrebna velika površina ojačanja
OJAČANJE ZIDOVA OD OPEKE
• Koristi se za ojačanje armiranih i nearmiranih zidova od opeka. Povećava nosivost u ravni zida i okomito na ravan zida. Koriste se lamele (trake) i tkakine (površi) prednosti: -Povećava se nosivost i duktilnost presjeka - ne povećava se sopstvena težina i dimenzije -Ojačanje moguće vršiti u oba pravca -Nije potrebno temeljenje, niti sidrenje - U određenim slučakevima može zamijeniti serklaže (seizmika – duktilnost) - ne gubi se prostor poslije
mane: -Prethodna obrada površine potrebna (peeling off) -Velika površina lijepljenja i potrošnja materijala
OJAČANJE AB PLOČA
Postavlja se sa gornje strane ili donje strane, zavisno od napona zatezanja.
prednosti: -Povećava se nosivost ploče - ne povećava se sopstvena težina i dimenzije (ne smeta) -Zamjena za gljivaste stubove -Smanjuje ugibe
mane: -Prethodna obrada površine potrebna (peeling off) -Velika površina lijepljenja i potrošnja materijala -Vatrootpornosti i otvori!
PRORAČUN OJAČANJA
USLOVI: - Koeficijent sigurnost 2,5 – 5 -Pull of – 1,5 N/mm2
REKAPITULACIJA PRORAČUNA OJAČANJA
PRIMJER PRORAČUNA NAPONA:
OBMATANJE STUBOVA
Ke
Primjeri:
Postoje još ojačanja za smicanje, ploče, za smanjenje ugiba... Višu u krajnjem
CFRP KAO OSNOVNI MATERIJAL
-
Tehnologija budućnosti Moguća proizvodnja elemenata u potpunosti od CFRP (rešetke, cijevi, armatura) Pogodno za sve elemente, bez obzira na karakter opterećenja (M, T, N) Preovladava primjena u izradi malih elemenata, konstrukcionih veza i elemenata sa velikim udjelom vlastite težine (mostovi, zgrade, čelični detalji) Primjena u građevinarstvu još uvijek puno manja u odnosu na druge tehnologije: medicina, elektrotehnika, automobilizam...
CFRP- OBLOGE I ZIDNI PANELI
UTICAJ OBLOGE NA KONDUKCIJU TOPL - VELIKA ELEKTRIČNA, - MALA TOPLOTNA VODLJIVOST - NEDOSTATAK: PAD TEMPERATURE SNIŽAVA KARAKTERISTIKE MATERIJALA
GRADIVNA OSNOVA ZIDNIH PANELA:
