KARBONSKA VLAKNA

- PRIMJENA U GRAEVINARSTVU -

UNIVERZITET U SARAJEVU AKADEMSKA 2013/14. GODINA GRAEVINSKU FAKULTET ODSJEK ZA KONSTRUKCIJE PREDMET: GRAEVINSKI MATERIJALI II

STUDENT: NEIMARLIJA RUSMIR

Profesor: Doc.dr. Azra Kurtovi

Plan i program:

1.) Uvod - Historijat - Nastanak - Podruja primjene

2.) KARAKTERISTIKE MATERIJALA - Sastav i struktura - Tehnologija izrade - Fiziko - hemijska svojstva - Mehanika svojstva - Otpornost - zatezanje, savijanje, udar... - ispitivanje materijala - poreenje sa konkurencijom

Plan i program: 3.) PRIMJENA U GRAEVINARSTVU

- Aplikacija

- Oblast primjene:

1. rekonstrukcije i ojaanja

- visokogradnja

- niskogradnja

2. kao osnovni materijal

4.) PRIMJENA U BIH

5.) ZAKLJUAK

6.) LITERATURA

Opti podaci ugljina vlakna (karbonska vlakna), vlakna koja sadre

najmanje 90% ugljika, vrlo su fina, veinom kruna presjeka, promjera 5 do 10 m 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 izrauju izuzetno vrsta grafitna vlakna (pirolizom pri temperaturama iznad 1500-3000C), Grafitna vlakna koriste se za izradu metalnih ili nemetalnih kompozitnih

materijala male gustoe i izuzetno visoke vrstoe koji se koriste u zrakoplovnoj i svemirskoj tehnologiji, ali i u graevinarstvu.

Matrica (eng.matrix) je tijelo sastojka koje slui za oblikovanje kompozitnih materijala te za

zavrno formriranje veliine i oblika kompozita. Matrica meusobno povezuje vlakna i pri tomu prenosi naprezanja meu vlaknima i ujedno ih titi od utjecaja iz okolia.

Polimeri velike molekule sastavljene od manjih molekula (monomera)

povezanihu duge lance (sinteticki

organski materijali)

Poetkom 80-ih godina prolog stoljea bilo je svega tridesetak istraivakih centara koji su se bavili istraivanjem ovih materijala s obzirom na njihovu primjenu u graevinskim konstrukcijama, a danas ih ima vie od 300.

U 2005, globalni karbonskih vlakana na tritu je samo 900 milijuna dolara, dok je u 2013 dosegnulo vie od 10 milijarde dolara, oekuje se da e 2022 se oekuje da e dosegnuti 40 milijarde dolara, primjena karbonskih vlakana takoer e ui u novo razdoblje.

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 ojaanje na kolniku zbog poveanog optereenja. Kako bi se postigla optimalna obnova starih i izgradnja novih mostova, izraen je program CONMAT (engl. CONstruction MATerials) koji je poeo s radom 1995. godine i u koji je uloeno dvije milijarde amerikih dolara za razvoj infrastrukture i njezin popravak. Od tog iznosa 40% je utroeno na razvoj polimera ojaanih vlaknima kako bi se razvila nova generacija mostova poveane trajnosti i produena vijeka trajanja. 1996. godine izgraen je prvi most od polimera ojaanih vlaknima, a do kraja 2000. godine bila su dovrena 32 mosta.

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 mainska industrija, a poslije i graevinarstvo)

Danas jako bitna grana industrije i osnovni materijal za mnoge konstrukcije i predmete (vie milijardi dolara godinje)...

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

KARBONSKA VLAKNA imaju niz prednosti i nedostataka.

Glavne prednosti u odnosu na tradicionalne konstrukcijske materijale su:

- odnos vrstoe vlastite teine taj je odnos kod FRP materijala priblino 40 50 puta vei nego kod elika

- uglavnom nisu podloni koroziji

- postojani su na veinu kiselina i luina

- otporni su na zamor

- lako se oblikuju

- relativno su jeftini

- mogunost priguenja vibracija i izolacije

- dobra otpornost na habanje.

Najvaniji nedostaci su: osjetljivost na raslojavanje i mrvljenje, neplastinost, mogunost irenja pukotine du vlakana, pojava naprezanja izazvana skupljanjem matrice pri proizvodnji i nakon nje (zaostala naprezanja) te anizotropna svojstva.

PREDNOSTI I NEDOSTACI

Podjela

Prema obliku: Vlakna (razne upotrebe i mogunosti oblikovanja)

Lamele-trake (upotreba u graevinarstvu)

Platna (upotreba u graevinarstvu)

Folije (zatita i izolacija)

PREMA GRAI: GRAFITNA ARAMIDNA (KEVLAR)

GRAA I STRUKTURA Vlakna: 90-99 % ugljika (vei % C -> bolje osobine)

Matrica: epoksidne smole

Ugljik Karbon

Ugljik, poslije vodika, tvori vie spojeva nego svi ostali

hemijski elementi zajedno. Razlog tome je to se ugljikovi atomi u spojevima mogu meusobno povezivati jednostrukim, dvostrukim i trostrukim kovalentnim vezama na razliite naine u dugake lance i prstenove..

Kemiju ugljikovih spojeva, osim karbida, karbonata, cijanida, ugljikovih oksida i sulfida prouava organska hemija.

ZATO UGLJIK??? Postoje 3 znaajna razloga za iroku upotrebu materijala koji sadre ugljik:

Atomi ugljika mogu se spajati s drugim atomima ugljika pomou kovalentne veze. Na taj nain dobivamo spojeve razliitih svojstava, ovisno o atomima s kojima se ugljik vee.

Svaki atom ugljika moe stvoriti 4 kovaletne veze istovremeno, s 4 razliita atoma. To je mnogo vei broj veza, nego to ih tvori veina drugih atoma. Na taj nain imamo mogunost stvaranja velikih lanaca razliitih spojeva, od kojih svaki unosi nove (poeljne) osobine.

Ugljik je element koji tvori najsnaniju vezu sa samim sobom u cijelom periodnom sistemu elemenata. Takoer, ima mogunost vezivanja na najrazliitiji broj naina. Na primjer, ako se atomi ugljika veu u kratke lance, nastaje spoj s osobinama plina. Vee li se u due lance, dobivamo vrste tvari, poput plastike. Kad bi vezanje krenulo u 2 ili 3 dimenzije, dobili bi najvre spojeve koji postoje kao na primjer dijamant.

Alotropske modifikacije Alotropske modifikacije (koristi se i pojam alotropija) su dva ili vie oblika

istog hemijskog elementa koja se meusobno razlikuju po nainu meusobnog vezivanja atoma. Zbog razliitih hemijskih veza, alotropi imaju razliita fizikalna i hemijska svojstva.

dijamant (najtvri poznati mineral). Vezivna struktura: 4 elektrona u sp3-orbitalama. Dijamant je proziran, vrlo tvrd (i vrlo skup!) mineral. Ne provodi elektrinu struju. Ugljikovi atomi u dijamantu povezani su sa etiri susjedna ugljikova atoma u dijamantnu reetku.

grafit Vezivna struktura: 3 elektrona u sp2-orbitalama i 1 elektron u p-orbitali. Grafit je mekana, sivocrna, lomljiva tvar, masna opipa. Grafit provodi elektrinu struju. Kristali grafita sastoje se od slojeva, a u svakom sloju atomi su poredani kao esterolani prstenovi.

fuleren Zatvorene strukture, napravljene od peterolanih i esterolanih, a ponekad i sedmerolanih prstenova ili cijevi. Najpoznatiji i najstabilniji fuleren je bakminsterfuleren,

C60, ija struktura podsjea na nogometnu loptu. Fulereni su ime dobili po poznatom amerikom arhitektu Buckminsteru Fulleru (1895. - 1983.).

Nanotubes (nanocjevice) Karbonska nanocijev je nanoskopska struktura koja se sastoji od

atoma karbona (C) u obliku upljeg cilindra. Cilindri su obino zatvoreni na krajevima polu-fulerenskim strukturama.

Nanocijevi su konstruisane sa omjerom duina-promjer, ak do 132,000,000:1

Ugljikove nanocijevi su zapravo fulereni, samo

to se kraj nikad ne zatvara u sferu, ve tvori cilindar.

jednozidne nanocijevi

(Single-Walled Carbon Nanotubes)

Druga vrsta su viezidne cijevi (Multi-Walled Carbon Nanotubes - MWNTs)

Osobine: puno bolja istezljivost, elektrina i toplotna provodljivost u odnosu na druga vlakna

KARBONSKA VLAKNA Sastavljena od vie hiljada karbonskih (nano)cjevica

100% ugljik grafen

Grafen je dvodimenziona ugljenika struktura debljine jednog atoma. Grafen je skoro u potpunosti providan, ali je istovremeno i toliko gust da ni najmanji

atomi gasa ne mogu da prou kroz njega. To je veliki kristal, koji je veoma jak sto puta jai od elika a moe se rastegnuti i do 20%.

Grafen je istovremeno i najtanji i najjai poznati materijal.

Podjela karbonskih vlakana:

Obina karbonska vlakna

Vlakna sa viezidnim nanocjevicama

Grafitna vlakna

Grafenska vlakna

Povezuju i tite vlakna unutar vlastite matrice !!!

Nanoenje: - Bojenje

- Pre-impregnacija

MATRICA: EPOKSIDNE SMOLE Epoksidne smole (engl. epoxy resins; ep- + oksid) su hemijski inertni polimeri s najmanje dvije epoksidne skupine koji se povezivanjem lanastih molekula mogu prevesti u visokomolekulske polimerne materijale (epoksidni polimeri).

Proizvode se polikondenzacijom dihidroksifenilpropana (bifenol A) i epiklorhidrina u dva stepena.

Zbog svojih svojstava, preteito slue kao ljepila i sredstva za zatitu povrine. Najvea im je primjena u antikorozivnoj zatiti i prevlaenju metala, te kao matrica za karbonska vlakna.

TEHNOLOGIJA DOBIJANJA CFRP 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 isti elementi (UGLJIK). Pritom se velike molekule razgrauju na manje.

Karbonizacija proces dobijanja ugljika

prirodnim ili vjestackim putem, zagrijavanjem

bez prisusustva zraka ili vode

PAN sintetiki, polukristal smolaste

strukture, (C3H3N)n

1. PITCH metode

2. PAN metode

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.POVEANJE TEMPERATURE 3000 C (ODBACIVANJE NITROGENA I IRENJE TRAKA) - UGLJENIZACIJA

Ovako nastale strukture imaju ugljik u svojoj heksagonalnoj strukturi, ali su jo uvijek bezoblina masa, pa svoje mehanike karakteristike dobijaju tek slaganjem strukture u pravilne oblike.

Dodatni zagrijavanjem 1300+ C karbonska vlakna se mogu pretvoriti u grafen, koji predstavlja jau i stabilniju formu ugljika.

4. povrinska obrada i spajanje sa matricom od epoksidnih smola

5. oblikovanje i suenje

- Velika prednost: mogunost slobodnog oblikovanja i koritenja kalupa svih vrsta i veliina

- Fabrika izrada trake, lamela i ica (graevinarstvo!)

Pravac noenja

Pravac noenja

BIAXIAL

Djelovanje temperature u

procesu dobijanja

karbonskih vlakana

OSOBINE KARBONSKIH VLAKANA POREENJE SA KONKURENCIJOM: MEHANIKA I TEHNOLOKA SVOJSTVA

TEMPERATURA !!!

AGRESIVNA SREDINA !!!

SIKA CARBOWRAP 230C (LAMELE) Sika je globalna tvrtka s vie od 120 proizvodnih i marketinkih podrunica u 76

zemalja. To je globalno integrirana tvrtka koja nudi specijalne proizvode graevinske 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 mehanikih karakteristika

To znai da se apliciranje traka moe izvoditi samo na betonskim podlogama koje

e obezbediti zadovoljavajui stepen athezije (prijanjanja)

izmeu betona i ljepila u toku eksploatacije posle ojaanja.

AKSIJALNI PRITISAK

- opit centrinim pritiskom - do loma nastaje usljed deformacije

matrice, koja omoguava izvijanje i lom vlakana

- prosjena nosivost = 350 MPA , oko 10 % nosivosti na zatezanje

AKSIJALNO ZATEZANJE - Najbitnije svojstvo

CFRP

- I dalje se unaprijeuju osobine

- Prosjena vrijednost zavisi od tehnologije proizvodnje

- Prosjene vrijednosti variraju

- = 3500 8000 MPA

Vrste lomova

Armatura potekla

smanjenje pritisnute zone

(drobljenje

betona)

PEELING OFF CFRP (ODLJEPLJENJE)

Diskontinuitet usljed neravne

povrine betona - nemogunost prenoenja sila zatezanja (javlja se sila okomita na pravac zatezanje,

koja odljepljuje lamelu

Diskontinuitet usljed prethodne ili

novonastale pukotine, usljed ega dolazi do skretanja sila zatezanja i

nemogunosti prenoenja na daljnja vlakna

UPOTREBA CFRP U GRAIVANRSTVU MATERIJAL ZA OJAANJE

- GREDE

- STUBOVI

- ZIDOVI

- PLOE

OSNOVNI MATERIJAL ZA GRADNJU

- GRADNJA KONSTRUKCIJA

- IZOLACIJA I PANELI

OJAANJE I REKONSTRUKCIJA AB ELEMENATA

Aplikacija mogua na sve vrste materijala, zavisno od veziva. Prethodno potrebno urediti, zatititi i obraditi povrinu koja se ojaava, a zatim se vri nanoenje elemenata za ojaanje. Potrebno postaviti konanu zatitu.

OJAANJE GREDA

-Trake slue za ojaanje i rekonstrukciju elemenata - Ojaavanje: 1. savijanje (zategnuti rub)

2. transverzalne sile (rebro)

prednosti:

-Poveanje ili sanacija nosivosti M i T

- ne poveavaju se dimenzije - jednostavna aplikacija

-Ne poveava se teina -Uklapanje u prethodno stanje

-Jeftina varijanta ojaanja

mane:

-Prethodna obrada povrine - nemogue sve sanirati (Pull Off) - Naknadna obrada povrina

OJAANJE STUBOVA I CIJEVI

CFRP se postavlja radi poveanja nosivosti i duktilnosti betonskih stubova

- Koriste se monoaksijalna ojaanja u pravcu stuba (N, M) i omot za primanje poprene sile (T)

prednosti:

-Poveava se nosivost i duktilnost

- ne poveava se sopstvena teina i dimenzije - jednostavna primjena

- omoguuje dodatnu zatitu presjeka od vanjskih uticaja

-Mogua primjena na ipove i cijevi

mane:

-Prethodna obrada povrine - nemogue sve sanirati (Pull Off)

- Naknadna obrada povrina - Potrebna velika povrina ojaanja

OJAANJE ZIDOVA OD OPEKE

Koristi se za ojaanje armiranih i nearmiranih zidova od opeka. Poveava nosivost u ravni zida i okomito na ravan zida. Koriste se lamele (trake) i tkakine (povri)

prednosti:

-Poveava se nosivost i duktilnost presjeka - ne poveava se sopstvena teina i dimenzije

-Ojaanje mogue vriti u oba pravca -Nije potrebno temeljenje, niti sidrenje

- U odreenim sluakevima moe zamijeniti serklae (seizmika duktilnost) - ne gubi se prostor poslije

mane:

-Prethodna obrada

povrine potrebna (peeling off)

-Velika povrina lijepljenja i potronja materijala

OJAANJE AB PLOA

Postavlja se sa gornje strane ili donje strane, zavisno od napona zatezanja.

prednosti:

-Poveava se nosivost ploe - ne poveava se sopstvena teina i dimenzije (ne smeta)

-Zamjena za gljivaste stubove

-Smanjuje ugibe

mane:

-Prethodna obrada povrine potrebna (peeling off)

-Velika povrina lijepljenja i potronja materijala -Vatrootpornosti i otvori!

PRORAUN OJAANJA

USLOVI:

- Koeficijent sigurnost

2,5 5 -Pull of 1,5 N/mm2

REKAPITULACIJA PRORAUNA OJAANJA

PRIMJER PRORAUNA NAPONA:

OBMATANJE STUBOVA

Ke

Primjeri:

Postoje jo ojaanja za smicanje, ploe, za smanjenje ugiba... Viu u krajnjem radu!

CFRP KAO OSNOVNI MATERIJAL

- Tehnologija budunosti

- Mogua proizvodnja elemenata u potpunosti od CFRP (reetke, cijevi, armatura)

- Pogodno za sve elemente, bez obzira na karakter optereenja (M, T, N)

- Preovladava primjena u izradi malih elemenata, konstrukcionih veza i elemenata sa velikim udjelom vlastite teine (mostovi, zgrade, elini detalji)

- Primjena u graevinarstvu jo uvijek puno manja u odnosu na druge tehnologije: medicina, elektrotehnika, automobilizam...

CFRP- OBLOGE I ZIDNI PANELI

UTICAJ OBLOGE NA KONDUKCIJU TOPLOTE:

- VELIKA ELEKTRINA, - MALA TOPLOTNA VODLJIVOST

- NEDOSTATAK: PAD TEMPERATURE

SNIAVA KARAKTERISTIKE MATERIJALA

GRADIVNA OSNOVA ZIDNIH PANELA: