UNIVERSITATEA TEHNICĂ „GHEORGHE ASACHI” DIN
IAȘI
FACULTATEA DE CONSTRUCȚII ȘI INSTALAȚII
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE
PULTRUDATE DIN COMPOZITE
POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
– TEZĂ DE DOCTORAT –
Doctorand:
Ing. Dragoș Ungureanu
Conducător de doctorat:
Prof. univ. dr. ing. dr. H.C. Nicolae Țăranu
IAȘI – 2018
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
i
CUPRINS
Cuprins i
Lista figurilor v
Lista tabelelor xi
Capitolul 1 Introducere 1
1.1 Generalități 1
1.2 Motivația și obiectivele cercetării 2
1.3 Conținutul tezei 3
Capitolul 2 Stadiul actual al cercetării în domeniul îmbinărilor adezive pentru
elemente compozite
5
2.1 Introducere 5
2.2 Aplicații ale îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF 6
2.3 Stadiul actual al cercetării în domeniul îmbinărilor adezive pentru elemente
compozite
12
2.3.1 Generalități 12
Capitolul 3 Materiale compozite polimerice armate cu fibre 17
3.1 Introducere 17
3.2 Tipuri de fibre 23
3.2.1 Fibre de sticlă 23
3.2.2 Fibre de carbon 25
3.2.3 Fibre aramidice 26
3.3 Tipuri de matrice polimerice 26
3.3.1 Rășini epoxidice 27
3.3.2 Rășini poliesterice 28
3.3.3 Rășini vinilesterice 29
CUPRINS
ii
3.3.4 Rășini termoplastice 29
Capitolul 4 Adezivi pentru îmbinarea elementelor 31
4.1 Introducere 31
4.2 Clasificarea adezivilor 33
4.2.1 Clasificare în funcție de compoziția chimică 34
4.2.2 Clasificare în funcție de natura adezivului 36
4.2.3 Clasificare în funcție de forma de ambalare 36
4.2.4 Clasificare în funcție de comportarea mecanică a adezivilor 37
4.3 Criterii de selecție a adezivului 38
Capitolul 5 Rezistența de aderență 39
5.1 Introducere 39
5.2 Teorii de aderență 40
5.2.1 Teoria conlucrării mecanice 40
5.2.2 Teoria atracției electrostatice 42
5.2.3 Teoria adsorbției 42
5.2.4 Teoria legăturilor chimice 45
5.2.5 Teoria difuziei moleculare 45
5.3 Caracterizarea suprafețelor straturilor suport și selectarea soluției optime de
tratament de suprafață
46
5.4 Studiul microscopic al suprafețelor elementelor CPAF 48
5.4.1 Descrierea studiului experimental 49
5.4.2 Gradul de omogenitate a suprafețelor elementelor CPAF 50
5.4.3 Porozitatea elementelor CPAF 51
5.5 Concluzii 53
Capitolul 6 Principii de proiectare a îmbinărilor realizate cu adezivi 54
6.1 Introducere 54
6.2 Tipuri de îmbinări adezive 54
6.3 Analiza stării de tensiuni din îmbinările adezive 57
6.4 Studiul analitic al stării de tensiuni din îmbinările adezive 57
6.4.1 Modelul Volkersen 58
6.4.2 Modelul Goland - Reisner 59
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
iii
6.4.3 Modelul Hart - Smith 59
6.5 Analiza pe cale numerică a stării de tensiuni din îmbinările adezive 60
6.6 Calculul îmbinărilor adezive pe baza modelelor analitice și numerice și a
programelor experimentale
63
6.6.1 Proiectarea îmbinărilor realizate prin suprapunere simplă 64
6.6.2 Proiectarea îmbinărilor în straturi sau cu eclise duble 65
6.6.3 Considerente generale aplicate în proiectarea îmbinărilor adezive 66
6.7 Studiu comparativ între metodele analitice și metodele numerice aplicate în
vederea obținerii răspunsului structural al îmbinărilor adezive
66
6.7.1 Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor analizate 67
6.7.2 Studiul distribuției tensiunilor pe cale analitică 69
6.7.3 Analiza numerică bazată pe metoda elementului finit 70
6.7.4 Rezultate 71
6.8 Optimizarea parametrilor constructivi ai îmbinărilor adezive pentru
elemente pultrudate din CPAF
75
6.8.1 Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor analizate 76
6.8.2 Conceperea modelelor numerice 77
6.8.3 Rezultate 77
6.9 Concluzii 80
Capitolul 7 Cercetări experimentale privind eficiența structurală a îmbinărilor
adezive pentru elemente pultrudate
83
7.1 Generalități 83
7.2 Metodologii de investigare experimentală a îmbinărilor adezive 84
7.3 Caracterizarea modurilor de cedare specifice 85
7.4 Program experimental pentru investigarea îmbinărilor adezive dintre
elemente CPAF
87
7.4.1 Introducere 87
7.4.2 Descrierea epruvetelor fabricate pentru programul experimental 89
7.4.3 Asamblarea epruvetelor 96
7.4.4 Instrumentarea epruvetelor 107
7.4.5 Descrierea metodologiei de testare 109
Capitolul 8 Rezultate ale programului experimental privind eficiența structurală a
îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate
112
CUPRINS
iv
8.1 Introducere 112
8.2 Investigarea modurilor specifice de cedare în raport cu forțele capabile
ultime dezvoltate de îmbinări
112
8.2.1 Cedarea prin desprinderea și ruperea fibrelor 120
8.2.2 Cedarea prin cumul de moduri specifice 122
8.2.2.1 Combinație între modul dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și
modul secundar – desprinderea la nivelul interfeței
122
8.2.2.2 Combinație între modul dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și
modul secundar – cedare coezivă
124
8.3 Trasarea curbelor forță - deplasare 125
8.4 Trasarea curbelor tensiuni tangențiale – deformații specifice 128
8.5 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare 135
8.6 Trasarea curbelor tensiuni tangențiale – lunecare 142
8.7 Concluzii 150
Capitolul 9 Modelare numerică a comportării îmbinărilor adezive pe baza metodei
cu elemente finite
153
9.1 Introducere 153
9.2 Modelarea și analiza numerică a îmbinărilor adezive pentru elemente
pultrudate din compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS)
154
9.2.1 Conceperea modelelor numerice 154
9.2.2 Rezultatele modelării numerice 156
9.3 Concluzii 170
Capitolul 10 Concluzii generale, contribuții personale și valorificarea rezultatelor 171
10.1 Concluzii generale 171
10.2 Contribuții personale 180
10.3 Valorificarea rezultatelor 182
Bibliografie generală 185
ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN
COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE
v
Lista figurilor
Capitolul 2
Figura 2.1 ”The Eyecatcher” building
Figura 2.2 Poduri din materiale CPAF
Figura 2.3 Pod rutier peste autostrada M6, fabricat din profile compozite ASSETS
Figura 2.4 Podul Lleida din Spania
Capitolul 3
Figura 3.1 Structura și fazele materialelor compozite
Figura 3.2
Criterii de clasificare a materialelor compozite în funcție de tipul matricei și al
armăturilor
Figura 3.3 Sistemul de armare a materialelor compozite
Figura 3.4 Tipuri de dispunere a fibrelor
Figura 3.5 Tipuri de fibre de sticlă: a) rovinguri, b) țesături, c) microfibre
Figura 3.6 Fibre de carbon: a) țesături, b) înglobate în lamele
Figura 3.7 Fibre aramidice: a) rovinguri, b) microfibre, c) țesături
Capitolul 4
Figura 4.1 Criterii de clasificare ale adezivilor
Figura 4.2 Clasificarea adezivilor în funcție de natura produșilor componenți
Figura 4.3 Adezivi cu comportare liniară – grafic tensiuni tangențiale - lunecare
Figura 4.4 Adezivi cu comportare neliniară – grafic tensiuni tangențiale - lunecare
Capitolul 5
Figura 5.1 Mecanismul conlucrării mecanice
Figura 5.2 Teoria electrostatică
Figura 5.3
Umectarea suprafeței și răspândirea adezivului în cazul materialelor CPAF
a - cu textură netedă, b - cu textură rugoasă
Figura 5.4 Unghiul de contact Ɵ pentru diferite cazuri de umectare
Figura 5.5 Picătură de lichid pe suprafața elementului CPAF, în stare de echilibru
Figura 5.6
Mecanismul difuziei:
a – inter-difuzia moleculelor adezivului, b – inter-difuzia moleculelor substraturilor
Figura 5.7 Epruvete: а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
Figura 5.8 Centrarea și focalizarea probei. Microscop inversat XJP-6A echipat cu cameră DV-2C
Figura 5.9
Micro-fisuri localizate la suprafața probelor (100x):
а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
Figura 5.10
Imagini procesate ale epruvetelor, corespunzător gradelor de porozitate și rugozitate:
а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
Figura 5.11
Regiunile specifice corespunzătoare valorilor maxime ale porozității și rugozității.
Localizarea punctelor de măsurătoare. а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3
