MOLIWOCI WYKORZYSTANIA CEMENTOWYCH KOMPOZYTW MULTIFUNKCJONALNYCH DO MONITOROWANIA STANU

MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA CEMENTOWYCH KOMPOZYTÓW MULTIFUNKCJONALNYCH DO MONITOROWANIA STANU OBIEKTÓW BUDOWLANYCH Waldemar Pichór Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Materiałów Budowlanych

Wprowadzenie o Czy można monitorować stan obiektu budowlanego bez dodatkowych czujników zewnętrznych? o Czy konieczne jest wykorzystywanie specjalnych rozwiązań materiałowych? o Jakie wielkości można monitorować?

Wprowadzenie Kompozyt Podstawowe cechy Możliwość wykorzystania do monitoringu Stwardniały zaczyn cementowy (matryca) Dobra wytrzymałość na ściskanie, przyczepność Ograniczona Kompozyty cementowo-włókniste Wysoka wytrzymałość na zginanie, praca zniszczenia, odporność na kruche pękanie, udarność Tak Kompozyty ziarniste konstrukcyjne (zaprawy, beton) Wysoka wytrzymałość na ściskanie, duża odporność na korozję, odporność na działanie zmiennych warunków środowiskowych Tak Kompozyty ziarniste izolacyjne (zaprawy, betony) Niski współczynnik przewodzenia ciepła, niska gęstość pozorna Tak

Co można monitorować? o o o o Naprężenia mechaniczne statyczne Naprężenia mechaniczne dynamiczne Utratę przyczepności Temperaturę Stopień hydratacji Skurcz. . .

Wielkości elektryczne możliwe do wykorzystania w monitorowaniu stanu budowli o o o Zmiany rezystywności (rezystacji, impedancji, przewodnictwa elektrycznego) Efekt termoeletryczny (efekt Seebecka) Efekt piezoelektryczny Stała dielektryczna Spektroskopia impedancyjna. . .

Zmiany rezystywności zaczynu i zapraw - skurcz Chung D. D. L. Materials Science and Engineering R 42, 1 -40 (2003)

Zmiany rezystywności zaczynu i zapraw obciażenie statyczne Chung D. D. L. Cement and concrete Research 32, 817 -819 (2002)

Zmiany rezystywności zapraw utrata przyczepności Monitoring utraty przyczepności między nową warstwą zaprawy a starym podłożem Cao J. , Chung D. D. L. Cement and Concrete Research 31, 1647 -1651 (2001)

Zmiany rezystywności zapraw utrata przyczepności Monitoring utraty przyczepności przy dynamicznym obciążeniu Cao J. , Chung D. D. L. Cement and Concrete Research 31, 1647 -1651 (2001) Cao J. , Chung D. D. L. Cement and Concrete Research 31, 669 -671 (2001)

Zmiany rezystywności kompozytów z wypełniaczami przewodzącymi Wypełniacze: - Proszki mikro- i nanometryczne np. grafit, Fe 2 O 3, - Odpady z produkcji elementów metalowych, - Wypełniacze nieorganiczne z powłoką metaliczną np. Ni, Cu Hui Li, Hui-gang Xiao, Jin-ping Ou: Cement and Concrete Research 34, 435 -438 (2004)

Kompozyty cementowo-włókniste Historia: o 1900 – płyty azbestowo-cementowe (Hatscheck) o 1920 – teoria Griffith’a o 1950 – pierwsze materiały kompozytowe o 1960 – kompozyty cementowo-włókniste z włóknami syntetycznymi o 1970 – zamienniki azbestu o 1970 – SFRC, GFRC, PPFRC, … o 1990 – mikromechanika, systemy hybrydowe MD, włókna nowej generacji o 2000 - ? Podstawowe korzyści: o Ograniczenie sedymentacji mas plastycznych o Ograniczenie mikrospękań o Wzmacnianie tworzyw konstrukcyjnych n n n o o wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu praca zniszczenia i udarność odporność na zmęczenie Zmniejszenie nasiąkliwości/przesiąkliwości Zwiększenie odporności na działanie zmiennych temperatur (mrozoodporności i odporności na działanie ognia)

Spękania w betonie Rodzaj A B Osiadanie plastyczne Lokalizacja Nad siatką zbrojeniową Kolumny C Płyty warstw D Drogi i płyty E Skurcz plastyczny Płyty zbrojone F G Przyczyny Okres wytępowan ia Zapobieganie Nadmierna segregacja mieszanki betonowej, wadliwa pielęgnacja (wysychanie) 10 min ÷ 3 h Napowietrzani e, dodatek włókien, rewibracja 30 min ÷ 6 h Wczesna pielęgnacja, dodatek włókien 1 dz ÷ 6 tyg Ograniczenie wydzielania ciepła, izolowanie Zła dylatacja, zła pielęgnacja kilka tyg Redukcja w/c, pielęgnacja, włókna 1÷ 7 dni Pielęgnacja, wykończenie powierzchni kilka lat Eliminacja przyczyn powstawania Gwałtowne wysychanie, wolne wydzielanie mleczka cementowego + korozja stali Grube ściany H Wczesna termika, kontrakcja I Skurcz wys. Cienkie płyty J Siatka drobnych spękań pow. Lica Płyty Lity szalunek, za dużo cementu, zbyt gładka zacierka, zła pielęgn. Korozja zbrojenia, reakcje kruszywa z zaczynem Kolumny i belki Słaba otulina, beton złej jakości Prefabrykaty, miejsca zawilgocone Stosowanie Ca. Cl 2, reaktywne kruszywo + wysokoalkal. cement K L M N Grube płyty Nadmierne wydzielanie ciepła, szybkie chłodzenie

Ograniczenie mikrospękań przez włókna Po 24 h beton bez włókien beton z włóknami

Mechanizm ograniczenia mikrospękań Spękanie zatrzymywane na włóknie Mechanizm Cooka-Gordona

Włókno jako mikrozbrojenie – wzrost pracy zniszczenia kompozytu ASTM C-1116 wytrzymałość resztkowa Efektywność zbrojenia I 5 I 10 I 3 6 II 4 8 III 5 10 IV 6 12 ASTM C-1399 Wytrzymałość resztkowa >0, 35 MPa lub > 20% wytrzymałości przy pierwszym pęknięciu

Włókno jako mikrozbrojenie – wzrost pracy zniszczenia kompozytu Zerwane włókno PVA w zaczynie tworzenie nowych powierzchni wyciąganie, przewlekanie odrywanie Mechanizm podwyższania pracy zniszczenia (energii pękania) Dodatkowe mechanizmy zwiększania pracy zniszczenia

Zmiany rezystywności kompozytów z włóknami przewodzącymi Włókna: stalowe, węglowe, szklane metalizowane? Vf < 1% Bing Chen, Keru Wu, Wu Yao: Cement and Concrete Composites 26, 291 -297 (2004)

Zmiany rezystywności kompozytów z włóknami przewodzącymi Efekty maskujące zmiany rezystywności: Postęp hydratacji cementu, wypełniacz (np. piasek w zaprawach), wilgotność, … Bing Chen, Keru Wu, Wu Yao: Cement and Concrete Composites 26, 291 -297 (2004)

Zmiany rezystywności kompozytów z włóknami przewodzącymi – obciążenia dynamiczne Sihai wei, Chung D. D. L. : Cement and Concrete Research 31, 665 -667 (2001)

Zmiany rezystywności kompozytów z włóknami przewodzącymi – obciążenia dynamiczne System monitoringu obciążenia nawierzchni betonowej Zeng-Qiang Shi, Chung D. D. L. Cement and Concrete Research 29, 435 -439 (1999)

Monitoring temperatury Zmiana rezystywności Cung D. D. L. Applied Thermal Engineering 21, 1607 -1619 (2001) TEM Sun M. , Li Z. , Mao Q. , Shen D. Cement and Concrete Research 28, 1707 -1712 (1998)

Efekt Seebecka w kompozytach cementowych Sihai Wen, Chung D. D. L. Cement and Concrete Research 30, 661 -664 (2000) Sihai Wen, Chung D. D. L. Carbon 40, 2495 -2505 (2002)

Wypełniacze nieorganiczne z powłoką metaliczną mikrosfery, włókna szklane, mika, . . . Shukla S. , Seal S. , Akesson J. , Oder R. , Carter R. , Rahman Z. Applied Surface Science 181, 35 -50 (2001) Jiang J. , Gilbert M. , Hitt D. J. , Wilcox G. D. , Balasubramanian K. Composites A 33, 745 -751 (2002)

Monitoring temperatury – przykład realizacji Sun M. , Li Z. , Liu Q. , Tang Z. , Shen D. Cement and Concrete Research 30, 1251 -1253 (2001)

Efekt piezoelektryczny – obciążenia dynamiczne Małe możliwości wykorzystania Sun M. , Liu Q. , Li Z. , Hu Y. Cement and Concrete Research 30, 1593 -1595 (2000)

Zmiany stałej dielektrycznej – obciążenia dynamiczne Małe możliwości wykorzystania Wen S. , Chung D. D. L. Cement and Concrete Research 32, 1429 -1433 (2002)

Podsumowanie i wnioski Prace nad wykorzystaniem cementowych kompozytów multifunkcjonalnych wychodzą już poza fazę eksperymentalną i materiały takie znajdują coraz szersze zastosowanie. Przede wszystkim dotyczy to kompozytów cementowo-włóknistych z włóknami węglowymi, które oprócz typowych właściwości dla tego rodzaju kompozytów mogą generować sygnały elektryczne, proporcjonalne do oddziaływania otaczającego środowiska, np. naprężeń mechanicznych, temperatury, etc. Wskazuje to na możliwość zastosowania tego rodzaju materiałów do monitoringu stanu obiektów, ale również - w przyszłości - do sterowania pracą urządzeń, zapewniających komfort użytkowania budynków.

Dziękuję za uwagę