referat materiale compozite 2003

7/27/2019 referat materiale compozite 2003

1/13

MATERIALE COMPOZITE MODERNE PENTRU REABILITAREA

STRUCTURILOR

4.1 ASPECTE GENERALE

4.1.1 Definirea sistemelor compozite

Progresul inregistrat in fabricarea materialelor compozite si anumite dezavantaje pe

care le prezinta solutiile traditionale de reabilitare structurala favorizeaza in prezent extinderea

utilizarii compozitelor cu matrice polimerica (CMP) la consolidarea structurilor de rezistenta.

Materialele compozite sunt sisteme multifazice obtinute pe cale artificiala, prin

asocierea a cel putin doua materiale chimic distincte, cu interfata de separare clara intre

componente, fig.4.1, iar materialul compus rezultat este creat in scopul obtinerii unor proprietati

care nu pot fi obtinute de oricare dintre component lucrand individual.

Fig. 4.1 Fazele sistemului compozit. a. faza continua (matricea), b. faza dispersa

(armatura), c. interfata

Sistemele sunt definite drept compozite doar daca proprietatile fazelor individuale

difera substantial in raport cu cele ale materialelor rezultate in urma asocierii. Definirea

unor materiale cu termenul general de compoziteeste bazata pe schimbarea semnificativa a

caracteristicilor materialelor compozite fata de a componentelor initiale. Cele mai multe

compozite au fost realizate pentru a obtine materiale cu proprietati mecanice superioare si pentru

a imbunatati performantele acestora in conditii severe de solicitare.

Compozitele cuprind cel putin o faza discontinue (armatura) inglobata intr-o faza

continua (matrice). Proprietatile compozitelor sunt determinate de caracteristicile fazelor

componente, distributia acestora si interactiunea dintre ele. Aceste proprietati se pot

evalua prin sumarea contribufiilor fractiunilor volumetrice ale fazelor sau pot rezulta

printr-o interactiune sinergetica, astfel ca proprietatile nu se pot stabili prin aditionarea

c

1


2/13

S-a constatat ca apar modificari evidente ale proprietatilor sistemelor multifazice

daca armarea se realizeaza cu fibre, fractiunea volume

armatura depasind 10%, iar proprietatile armaturii sunt cel putin de 5 ori mai ridicate decat ale

matricei [ 1 ].

La compozitele cu fibre continue se presupune ca armatura este principalul

component portant, iar matricea indeplineste functiunile de protectie si transfer al

eforturilor intre componentele portante.

Piesa elementara a stratificatului compozit este lamela alcatuita dintr-un esantion de matrice

si fibre aranjate in modul in care aceste componente sunt dispuse in ansamblul produsului

compozit, fig.4.2.

4.1.2 Rolul fazelor in stabilirea proprietatilor materialelor compozite armate cu fibre

4.1.2.a Matricea

Functiunile pe care le indeplineste matricea in ansamblul compozit sunt urmatoarele:

i. stabileste forma definitiva a produsului realizat din materialu compozit;

2

Fig. 4.2 Alcatuirea lamelelor compozite armate cufibre, a. cu armare unidirectionala, b. armare cu

t t l (t t )


3/13

iv. impiedica flambajul fibrelor deoarece fara mediul continuu de

sustinere laterala armatura nu este capabila sa preia eforturi de

compresiune;

v. asigura contributia principala la stabilirea rezistentei si rigiditatii in

directie normala pe fibre;

vi. matricea constituie mediul de transmitere a eforturilor prin compozit

astfel ca la ruperea unei fibre reincarcarea celorlalte se poate realiza

prin contactul la interfata;

vii. permite redistribuirea concentrarilor de tensiuni si deformatii evitand

propagarea rapida a fisurilor prin compozit;

viii. stabileste continuitatea transversala dintre lamelele ansamblului

stratificat;

ix. previne efectele corozive si reduce efectele abraziunii fibrelor;

x. asigura compatibilitatea termicS si chimicS in raport cu materialul de

armare.

4.1.2.D Armatura

Ideile principale care trebuie retinute in legatura cu folosirea fibrelor si rolul

acestora la armarea compozitelor polimerice se refera la:

. caracteristicile unidimensionale ale fibrelor armaturii contribuie la cresterea rezistentelor

si a constantelor elastice in principal dupa directia fibrelor, desi unele contributii

"laterale "nu sunt excluse,

cresterea valorilor constantelor elastice si a rezistentelor compozitului este

proportionala cu fractiunea volumetrica de fibra dispusa paralel cu directia efortului

aplicat, atata vreme cat matricea polimerica asigura invelirea corecta a fibrelor si

transferul eforturilor intre componente,

in cazul unor anumite fractiuni volumetrice de fibra si dispunerile geometrice ale

armaturii, rezistenta si modulul de elasticitate la intindere al compozitului creste prin

sporirea rigiditatii relative a armaturii fata de matrice,

. fibrele trebuie sa aiba caracteristici geometrice uniforme, variatii reduse ale rezistentelor

individuale si stabilitatea proprietatilor in timpul operatiunilor de manipulare si punere in opera.

4.1.2.C Interfata armatura-matrice

3


4/13

compozitului, iar cedarea la interfata este de multe ori critica pentru caracteristicile fizico-

mecanice ale sistemului multifazic.

4.1.3 Probleme specifice utilizarii compozitelor polimerice in structurile ingineresti

Proprietatile compozitelor polimerice armate cu fibre (CPAF) sunt influentate in

mod semnificativ de directia de solicitare, cu exceptia compozitelor armate cu fibre

scurte distribute aleatoriu. La compozitele armate unidirectional caracteristicile mecanice

au valori maxime in directia fibrelor (longitudinala) si minime in directie normala pe

fibre (transversale). O dependenta unghiulara asemanatoare se observ si la proprietatile

termofizice (de exemplu coeficientul de dilatare termica sau conductivitatea termica etc).

Armarea bidirectional sau multidirectional a CMP echilibreaza valorile proprietatilor

fizico-mecanice. Desi mai reduse decat valorile in directia longitudinala, acestea mentin avantajul

unui raport favorabil rezistenta/densitate sau modul de elasticitate/densitate.

De asemenea, la sistemele compozite exists posibilitatea de repartizare si orientare a

armaturii astfel incat sa rezulte un material compozit cu proprietati dirijate.

Proiectarea devine astfel un proces complex, incluzand simultan etapele: material, element,

structura compozit.

Stratificatele alcatuite din lamele compozite se degradeaza progresiv fiind evitata

cedarea totala instantanee. Mecanismele de degradare si cedare structurala ale stratificatelor din

CMP difers substantial fata de cele specifice metalelor. CMP armate cu fibre au o capacitate

superioara de amortizare a vibratiilor.

Cele mai multe CMP sunt rezistente la actiunea agen tilor agresivi; de obicei exista

pentru orice situatie de exploatare cate un material compozit care ar putea fi utilizat acolo unde

folosirea altor materiale structurale (conventionale) este contraindicata. Totusi, unele compozite

polimerice absorb umiditatea atmosferica suferind modificari dimensionale si stari de tensiuni

suplimentare.

Degradarea comportarii mecanice a CMP se poate produce si datorita radiatiilor

ultraviolete sau temperaturilor ridicate.

Produsele din CMP se pot realiza la standarde ridicate de precizie pentru un numar

redus de faze tehnologice in procese simple (manuale) sau automatizabile, specifice productieiindustrial de masa.

4


5/13

deformatie se reflecta si asupra rezistentei la rupere, de aceea pentru a obtine o imagine reala a

comportarii CMP sunt necesare incercari la rupere prin fluaj.

Multe CMP sunt anizotrope, fie datorita intentiei producatorului de a le imbunatati

proprietetile pe o directie (cazul CMP armate unidirectional sau cu straturi neechilibrate), fie ca

rezultat al operatiilor tehnologice de formare. La unele CMP modulul de elasticitate la intindere

difera de valoarea corespunzatoare la compresiune si incovoiere.

4.2 FIBRE PENTRU ARMAREA COMPOZITELOR POLIMERICE

4.2.1 Aspecte generaie

Fibrele reprezinta constituentul cel mai important al compozitului intrucat natura,

fractiunea volumetrica si orientarea acestora determina caracteristicile mecanice principale, adica

rezistentele si modulii de deformatie elastica la solicitarile uzuale, precum si costul CMP.

Fibrele folosite la armarea CMP solicitate la intindere trebuie sa aiba rezistente si

moduli de elasticitate cu valori mari, alungire la rupere si durabilitate corespunzatoare, tenacitate

buna si cost redus. Diametrele fibrelor trebuie sa fie suficient de mici pentru a asigura o suprafate

specifica mare de transfer a tensiunilor prin forfecare/aderente cu masa de baza. De asemenea

diametrele mai mici reduc posibilitatea de dezvoltare a defectelor de suprafata.

Cele mai multe fibre au sectiunea transversala circulara, acestea avand o comportare

mai buna la interfate cu matricea polimerica.

4.2.2 Fibre din sticla

Fibrele din sticla se utilizeaza extensiv la armarea matricelor polimerice, avand caprincipale avantaje costul relativ redus si rezistente mecanice convenabile. Principalele

dezavantaje constau in valoarea mai redusa a modulului de elasticitate, rezistenta nesatisfacatoare

la abraziune, precum si aderenta necorespunzatoare la matricea polimerica in prezenta apei.

Aderenta redusa necesita folosirea unor agenti de cuplare pentru tratarea suprafetei fibrelor.

Rezistentele mecanice ale compozitelor armate cu fibre din sticla sunt influentate

semnificativ de forma in care se foloseste materialul de armare.

Rovingul unidirectional este un ansamblu de filamente continue din sticla (cu diametrele

5


6/13

Calitatea aderentei dintre fibra de sticla si matricea polimerica afecteaza

substantial proprietatile mecanice ale compozitului si rezistenfa la actiunea agresiva a

mediului. Prin tratarea fibrelor cu un agent de cuplare se asigura o regiune de interfata

corespunzatoare transferului dintre fazele componente ale compozitului cu matrice

polimerica.

Prezenta apei la interfata inrautateste comportarea mecanica a fibrelor prin

adancirea microfisurilor de la suprafata armaturilor. Totusi se poate aprecia ca fibrele din

sticla sunt armaturi convenabile deoarece au pretul de cost scazut, caracteristici mecanice

bune si rezistenta acceptabila la actiunea agresiva a mediului daca sunt protejate

corespunzator.

Aceste fibre au caracteristici mecanice avantajoase; in general, pe masura cresterii

modulului de elasticitate se reduce rezistenta la tractiune si alungirea specifica la rupere.

Fibrele din carbon se comporta liniar elastic pana la rupere, fig. 4.3, iar ruperea este

fragila. Atat fibrele din grafit cat si cele din carbon sunt rezistente la actiuni agresive ale

mediului inconjurator dar trebuie tratate pentru a fi "udate" corespunzator de matricele

polimerice.

Principalul dezavantaj al acestor tipuri de fibre il reprezinta costul inca relativ

ridicat (de pana la 10 ori mai mare decat al fibrelor din sticla E). In tabelul 4.1 sunt prezentate

principalele proprietati fizico-mecanice ale fibrelor utilizate la armarea matricelor polimerice,

inclusiv cele din carbon.

Atat din tabelul 4.1 cat si din fig. 4.3 se disting doua categorii de fibre din carbon: fibre

din carbon cu modul de elasticitate ridicat si fibre din carbon cu rezistenta la tractiune mare;

aceasta diferenfiere recomanda utilizarea lor in raport cu cerintele specifice de rigiditate sau

rezistenta.

4.2.4 Fibre aramidice

Fibrele aramidice sunt materiale organice la care lanjurile moleculare sunt aliniate si

rigidizate cu ajutorul inelelor aromatice legate prin punti de hidrogen. In prezent se utilizeaza

pentru armare mai multe tipuri de fibre aramidice (Kevlar 29, Kevlar 49, Kevlar 129, Kevlar 149,

6


7/13

avantajul unei energii specifice de deformatie mai mare decat la alte materiale de armare. Fibrele

din Kevlar sunt rezistente la majoritatea solventilor dar pot fi degradate de unii acizi si alcalii

putemice.

4.3 MATRICE POLIMERICE 4.3.1 Aspecte generale

Asa cum s-a mentionat anterior, matricele indeplinesc functiuni vitale in cadrulsistemelor compozite. Pe langa rolul complex descris in cap. 4.1.2 matricea unui sistem,

prin caracteristicile termofizice, afecteaza procesabilitatea i proprietatile generale ale

compozitului. Matricea are o influenza decisiva asupra unor caracteristici mecanice (mai ales in

directie transversala, la forfecare si compresiune). Proprietatile fizice si chimice ale matricei, cum

sunt temperaturile de intarire sau topire, vascozitatea si reactivitatea cu fibrele, influenteaza

alegerea procesului de fabricatie. De aceea matricea selectata pentru un sistem compozit trebuie

sa tina seama de ansamblul factorilor mentionati.

Tabelul 4.1 Proprietati fizico-mecanice ale unor tipuri de fibre pentru armarea

compozitelor cu matrice polimerica [1,3]

Tipul fibrei

Densitatea

Rezistentalaintindere

Modululdeelasticitate

Alung

irealarupere Coeficientul de

dilatare termica

liniara

oeficientulluiPoisson

(kg/m3) (MPa) (GPa) (%) (10"6/C) OSticla E 2500 3450 72,4 3,5 5 0,20

Sticla S 2500 4580 85,5 2,6 2,9 0,22

Carbon cu modul

elastic ridicat

1950 2100 380 0,5 -0,6...-l,3 0,20

Carbon cu rezistenta

ridicata

1750 2800 240 1,1 -0,2...-0,6 0,20

Kevlar 29 1440 2760 62 4,4 -2,0 longitudinal 30

radial

0,35

Kevlar 49 1440 3620 124 2,9 -2,0 longitudinal 30

radial

0,35

Kevlar 149 1440 3450 175 1.4 -2,0 longitudinal 30

radial

0,35

Polimerii reprezinta clasa de matrice cu cea mai larga utilizare la fabricarea

compozitelor armate cu fibre. Matricele polimerice au costuri convenabile, lucrabilitate buna,

rezistenta chimica buna si densitate redusa. Pe de alta parte unele caracteristici cum sunt valorile

reduse ale rezistentelor mecanice, constantelor elastice si temperaturilor de serviciu sunt factoricare limiteaza domeniul de utilizare.

7


8/13

Astfel de matrice sunt realizate din polimeri constand din lanpari moleculare

liniare sau ramificate avand legaturi intramoleculare puternice dar slabe intermolecular.

Topirea si solidificarea acestor polimeri sunt reversibile fiind posibila reformarea

produselor sub actiunea temperaturii si presiunii ridicate.

4.3.1.b Matrice polimerice termorigide

Aceste matrice sunt alcatuite din polimeri cu structura reticulata, cu legaturi

covalente intre molecule, care nu se inmoaie, dar la temperaturi ridicate se pot

descompune. Dupa constituirea rejelei de legaturi transversale polimerii termorigizi nu-si

pot modifica forma inifiala.

Dintre cele doua grupe de matrice polimerice, pentru CMP sunt mai folosite

matricele polimerice termorigide (MPT).

MPT au caracteristici bune de umectare a fibrelor, stabilitate termica buna,

rezistenta la actiunea multor agenti chimici agresivi si comportare corespunzatoare la

fluaj si relaxarea eforturilor. Dezavantajele principale sunt: durata de stocare redusa,

timpul de punere in opera mai indelungat si deformatii specifice la rupere mici, avand

rezistenta mica la impact si comportare putin ductila. Cele mai utilizate MPT la obtinerea

compozitelor armate cu fibre sunt rasinile epoxidice, poliesterice si vinil esterice, o scurta

descriere a acestora fiind prezentata in continuare.

4.3.2 Tipuri de matrice polimerice termorigide utilizate la reabilitarea structurala

4.3.2.a Rasinile poliesterice

Rasinile poliesterice sunt alcatuite din poliesteri nesaturati dizolvati intr-un

monomer polimerizabil. Poliesterii nesaturati rezulta din reactia dintre acidul maleic si un

glicol, dizolvate intr-un polimer nesaturat (de regula stirenul). Rasinile poliesterice de uz

general devin, dupa intarire, copolimeri ai stirenului si ai poliesterului nesaturat.

Poliesterii baza se formeaza prin policondensarea anhidridelor ftalica si maleica cu

propilen glicol.

Rasinile poliesterice reticuleaza in urma reactiei de copolimerizare cu un radical

8


9/13

Aceste tipuri de rasini sunt rezultatul reactiei dintre o rasina epoxidica si un acid

carboxilic nesaturat. Datorita structurii chimice aceste rasini au mai putine legaturi

transversale, sunt mai flexibile si au o tenacitate la rupere superioara valorilor similare de

la rasinile poliesterice.

Matricele vinilesterice au proprietati excelente de umectare a fibrelor si aderenja foarte

buna la fibrele din sticla. Sunt comparabile cu rasinile epoxidice in privinta rezistentei chimice si

a rezistentei la intindere; au vascozitatea si viteza de maturare comparabile cu ale rasinilor

poliesterice.

4.3.2.C Rasinile epoxidice

Rasinile epoxidice sunt lichide organice cu greutate moleculara redusa, confinand

un numar de grupari epoxi. Reactia de formare este de polimerizare-aditie, fara produsi secundari,

insotita de ridicarea temperaturii.

Proprietatile rasinilor epoxidice intarite depind de compozitia chimica a

prepolimerului epoxi si de conditiile de intarire.

Rasinile epoxidice se proceseaza usor, au proprietati mecanice si chimice foarte bune,

contractie redusa la intarire si aderente buna la mai multe tipuri de fibre. Principalele

dezavantaje ale rasinilor epoxidice sunt costul ridicat si durata de intarire mare.

in tabelul 4.2 sunt precizate unele proprietati fizico-mecanice ale matricelor polimerice

termorigide utilizate curent la compozitele armate cu fibre frecvent folosite la reabilitarea

structurilor ingineresti.

Tabelul 4.2 Proprietati fizico-mecanice ale unor matrici polimerice termorigide

PROPRIETATE UM MATRICEA

poliesterica epoxidica vinil-esterica

Densitatea kg/m3 1200 -1400 1200 - 1300 1150- 1350

Rezistenta la

tractiune

MPa 34,5 -104 55-130 73-81

Modulul de

elasticitate la

tractiune

GPa 2,1 - 3,45 2,75-4,10 3,0 - 3,5

Coeficientul lui

Poisson

- 0,35 - 0,39 0,38 - 0,40 0,36-0,39

9


10/13

4.4 PRODUSE COMPOZITE PENTRU REABILITARE STRUCTURALA

La consolidarea structurilor ingineresti se folosesc platbande si membrane din

CMP armate unidirectional sau bidirectional.Elementele se obtin prin procedeele

specifice fabricarii produselor din materiale compozite cu materiale polimerice:

pultrudere, procesare cu vacuumare siprin contact[5].

4.4.1 Compozitele polimerice armate cu fibre din sticla

(CPAFS) au proprietati mecanice moderate. In cazul armarii cu fibre unidirectionale si

fractiunea volumetrica de fibra V/=0,65, compozitele au modulul de elasticitate EL=45 GPa si

rezistenta la intindere longitudinalaRtL=1300 MPa. In directia normala pe fibre, adica in direcfie

transversala, modulul de elasticitate este Ej=4 GPa iar rezistenta la intindere Rti=50-100 MPa.

Compozitele stratificate armate cu tesatura din fibra din sticla au fractiunea volumetrica de fibra

aproximativ V/=0,40, iar modulul de elasticitate la intindere corespunzator acestui procent de

armare esteEL=ET=14 GPa.

4.4.2 Compozitele polimerice armate cu fibre din carbon

(CPAFC) unidirecfionale cu matricea epoxidica sau vinilesterica si cu fractiunea

volumetrica Vf=0,65-0,70 au modulul de elasticitate la intindere EL=155-165 GPa, rezistenta la

intindere in directie longitudinalaRtL=2500-3000 MPa si alungirea specifica la rupere eUL=l,2-l,3

%. Prin pultrudere se obtin in prezent platbande si membrane cu caracteristici geometrice si

mecanice uniforme [6].

4.4.3 Compozitele polimerice armate cu fibre aramidice

(CPAFA) unidirectionale au densitate mica si rezistenta la intindere cuprinsa intre

1200-1400 MPa. Rezistenta la compresiune mult mai redusa (230 MPa) nu recomanda folosirea

CPAFA la elementele supuse la compresiune sau in zona comprimata a elementelor incovoiate.

Modulul de elasticitate al acestor compozite in directie longitudinala este Ei=75 GPa iar in

directie transversals ET=5 GPa. Se apreciaza ca proprietatile mecanice ale CPAFA sunt cuprinse

in intervalul limitat inferior de CPAFS si superior de CPAFC.

Cele mai uzuale produse compozite folosite in sistemele de consolidare sunt [7]:

10


11/13

fascicule din fibre unidirectionale preimpregnate pentru infasurare,

platbande prefabricate si intarite, care se ataseaza de elementele consolidate cu ajutorul

adezivilor.

4.5 PARTICULARITATI ALE REABILITARII STRUCTURALE CU MATERIALE

COMPOZITE

O comparatie directa intre solufiile de consolidare in care se folosesc platbande din CMP

i platbande din o{el conduce la urmatoarele observatii, [6]:

A. Consolidarea cu platbande are avantajele:

i. platbandele din CMP sunt mai putin vulnerabile la actiunea agresiva

a agenjilor chimici, de aceea costul intretinerii dupa instalare este

mult mai redus;

ii. platbandele compozite se pot proiecta si realiza cu proprietati

prestabilite pe baza alegerii elementelor sistemului multifazic,

fractiunilor volumetrice de fibra si matrice, orientarii fibrelor si

procedeului de fabricate;

iii. CMP sunt izolatoare electrice, nemagnetice si neconductive

termic;

iv. platbandele si membranele din CMP au greutate proprie redusa si

sunt usor de transportat, manipulat si instalat, adaugand valori mici

la greutatea proprie;

v. elementele de consolidare din CMP se pot produce cu lungimi mari,

fiind posibila livrarea si in rulouri;

vi. reabilitarea structurala nu necesita decat rareori si pe durate

minime intreruperea functionarii structurii aflate in procesul de

consolidare;

vii. costul total al aplicarii la platbandele din otel si la cele compozite

este aproape acelasi dar daca se considera intreruperile in

11


12/13

B.Dezavantajele consolidarii cu platbande din CMP:

Din experienta existenta pana in prezent la solutiile de consolidare realizate se pot identifica

urmatoarele dezavantaje:

ii consolidarea cu platbande din CMP este sensibila la schimbari bruste

ale sectiunii elementelor consolidate - denivelarile pot conduce la

initierea unor forme de cedare cauzate de tensiunile locale de

intindere normala pe platbande;

ii. materialele se comports liniar elastic pana la rupere dar exista

pericolul unor cedari fragile;

iii. fibrele, mai ales cele din carbon, sunt de 4-5 ori mai scumpe decat

otelul, dar manopera este mult mai ieftina - diferenta dintre

costuri se reduce pe masura ce creste volumul de activitate si apar

ofertanti noi;iv. platbandele compozite sunt mai vulnerabile la deteriorari cauzate de

corpuri dure, dar deteriorarile sunt localizate si se pot repara usor.

BIBLIOGRAFIE

1. Taranu N., Iosipescu D. - Structures Made of Composite Materials, Ed. Vesper, Iasi, 1996.

2. Jones R.M. - Mechanics of Composite Materials, Ed. Taylor and Francis, Philadelphia,

1999.

3. Gibson R.F. - Principles of Composite Material Mechanics, McGraw Hill, New York, 1994.

4. Hollaway L. - Polimer Composites for Civil and Structural engineering, Blackie Academic

and Professional, Glasgow, 1993.

5. Taranu N., Secu AL, Decher E., Iosipescu D. - Structuri din materiale compozite si

asociate, Ed. Univ. Tehn. Iasi, 1992.

6. Hollaway L.C., Leeming M.B. - Strengthering of Reinforced Concrete Structures (Using

Externally-bonded FRP Composites in Structural and Civil Engineering), CRC Press, Cambridge,

1999.

7. Triantafillou T. - Composites as Strengthening Materials of Concrete Structures, Chapt. 9

from "Failure Analysis of Industrial Composite Materials", Ed. E. Gdoutos, K. Pilakoutas, C.

Rodopoulos, McGraw Hill, New York, 2000.

12


13/13

13

referat materiale compozite 2003

Documents