Bezpieczne zakupy
Idosell security badge

Rodzaje włókien w zbrojeniu rozproszonym

2020-11-03
Rodzaje włókien w zbrojeniu rozproszonym

 

Wraz z  upływem czasu rośnie zainteresowanie rozwojem kompozytów betonowych jako proekologicznych i zrównoważonych materiałów konstrukcyjnych. Betony posiadają stosunkowo bardzo dobre właściwości mechaniczne i pożądaną stabilność termiczną, jednak podobnie jak ceramika wykazują słabą odporność na kruche pękanie. Aby temu zaradzić stosuje się zbrojenie rozproszone w postaci włókien i innych dodatków, które umożliwiają poprawienie parametrów wytrzymałościowych takich jak odporność na zginanie czy pochłanianie energii. 




 

 

Włókna mogą występować w różnych postaciach, najczęściej są to jednak formy nici, włókien, tkanin czy wiskerów. Przy wyborze włókna jako wzmocnienia bierze się pod uwagę zgodność właściwości materiałowych do konkretnej aplikacji, wzajemną interakcję między włóknem a betonem do przenoszenia naprężeń, oraz zachowanie się kompozytu betonowego po pęknięciu. Zawartość włókien w kompozytach betonowych jest na bardzo zróżnicowanym poziomie - od zaledwie 0,5% dla włókien krótkich do nawet 20% dla maty czy filcu. W zależności od użytej technologii i potencjalnego zastosowania wytwarza się kompozyty o różnych parametrach.

 

Włókna stalowe

Stal jest najczęściej stosowanym rodzajem zbrojenia rozproszonego w betonie, który zapewnia bardzo wysoką wytrzymałość na pękanie betonu i przenoszenie obciążeń. Włókna stalowe są również wykorzystywane do wzmacniania i poprawienia właściwości mechanicznych materiałów geopolimerowych. Normy i wymogi krajowe określają główne rodzaje włókien stalowych które mogą być użyte do zbrojenia. Najczęstsze z nich to gładkie stalowe kawałki,  odkształcony drut ciągniony na zimno, gładki lub zdeformowany arkusz blachy czy zmodyfikowane ciągnione na zimno stalowe włókna, które są wystarczająco małe aby możliwe było ich przypadkowe rozproszenie w betonie. Ze względu na rodzaj betonu i procesu produkcyjnego, włókna stalowe mogą wykazywać szeroki zakres wytrzymałości na wydłużenie i rozciąganie. Problemem w zbrojeniu włóknami stalowymi jest podatność materiału na czynniki korozyjne pogarszające parametry kompozytu geopolimerowego

 

Włókna nieorganiczne

Włókna nieorganiczne składają się zazwyczaj z mieszanin tlenku glinu i krzemionki, a ze względu na wysoką temperaturę topnienia są często wykorzystywane do wytwarzania materiałów ogniotrwałych. Dodatkowym atutem włókien nieorganicznych jest ich wysoka dostępność, niskie koszty przetwarzania i wydobycia, wysoka stabilność chemiczna, doskonałe właściwości izolacyjne oraz bardzo dobra wytrzymałość na rozciąganie. Włókna nieorganiczne można podzielić na rodzaj materiału. Istnieje wiele rodzajów włókien nieorganicznych takich jak bor, węglik boru, tlenek cyrkonu, węglik krzemu, azotek krzemu i różne wiskery o bardzo dobrych parametrach termicznych i mechanicznych. W zależności od określonych zastosowań dobiera się najodpowiedniejsze włókna, jednak najważniejsze i najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna glinokrzemianowe i glinowe, włókna bazaltowe oraz włókna krzemionkowe. 

 

Włókna bazaltowe

Innym szeroko stosowanym włóknem nieorganicznym do wzmocnienia betonów jest włókno bazaltowe pochodzące ze skał wulkanicznych podczas ich topnienia w temperaturze około 1500 - 17000 stopni celsjusza. Włókna bazaltowe charakteryzują się doskonałą wytrzymałością, trwałością i wysoką termoodpornością. Dodatkowo włókna te są łatwe w pozyskaniu i wysoce ekonomiczne. Jest też włóknem niezwykle twardym o skali twardości Mohsa wynoszącym od 8 do 9 i posiada bardzo dobrą odporność na ścieranie. Podczas gdy włókno bazaltowe jest skorodowane w warunkach alkalicznych zwiększa się odporność na kwasy. Bazalt może być stosowany w zakresie temperatur od -200 stopni celsjusza do około +700-800 stopni celsjusza, jednak w wyższych temperaturach struktura bazaltu ulega zniszczeniu.  Na przestrzeni ostatnich lat włókna bazaltowe stało się tematem badań ze względu na ulepszone właściwości mechaniczne. Obecnie włókna te wykorzystywane są do produkcji lekkich i wysokowydajnych kompozytów hybrydowych do zastosowań ogólnoprzemysłowych. 

Pozostałe włókna nieorganiczne

Włókna krzemionkowe

Włókna krzemionkowe to często stosowane włókna tlenku metalu o wysokiej zawartości SiO₄. Cechuje je odporność na działanie wysokich temperatur. Włókna szklane podzielone są komercyjnie według przeznaczenia i ich specjalnych właściwości. Do większości ogólnych zastosowań stosuje się włókno szklane typu E.

 

Włókna glinokrzemianowe

Włókna glinokrzemianowe to również włókna składające się z tlenków metali, które zawierają około 45-60% Al₂O₃ i resztę krzemianów. Wytwarzane są często w procesach dmuchania lub przędzenia stopionego kaolinu lub gliny zawierającej SiO₂. i Al₂O₃. Stosunek zawartości glinianu do krzemianu w materiale odgrywa istotną rolę w ich właściwościach mechanicznych. Włókna glinokrzemianowe zawierające 52% Al₂O₃ mogą wytrzymywać temperatury rzędy 1250 stopni celcjusza. Natomiast wyższa zawartość krzemionki zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, ale za to moduł elastyczności jest niższy. Dodatkowo, bezpostaciowość materiału geopolimerowego wpływa na rozciąganie, wytrzymałość i skurcz termicznych włókien glinokrzemianowych.

Włókna i nanowłókna węglowe

Włókna węglowe są znane ze swojego niskiego ciężaru i największej wytrzymałości właściwej spośród wszystkich dostępnych włókien wzmacniających. Włókna charakteryzuje doskonała wytrzymałość na rozciąganie oraz wysoki moduł sprężystości nawet w wysokich temperaturach. Ponadto, włókna węglowe posiadają wysoką przewodność elektryczną oraz dobrą stabilność chemiczną i termiczną. Ze względu na równowagę pomiędzy wytrzymałością na rozciąganie a kosztami produkcji, stosuje się głównie włókna węglowe PAN wykonane z procesów konwersji poliakrylonitrylu. Rzadziej stosowane są włókna pakowe będące  pozostałością po procesach przerobowych ropy naftowej, czy włókna na bazie sztucznego jedwabiu. Nanowłókna węglowe zbudowane są z postaci wiskerów węglowych o średnicy około 0,5 - 1,5 μm. O parametrach włókien węglowych decyduję postać krystaliczna grafitu. Najbardziej znane nanowłókna węglowe to nanorurki węglowe składające się z nawiniętych zwojów grafenu na rurki o wysokim wskaźniku kształtu. 

Włókna polimerowe

Polimery to długie łańcuchy kolejnych jednostek monomeru związane poprzez silne interakcję międzycząsteczkowe. Oddziaływanie międzycząsteczkowe jest zależne od rodzaju polimerów. Włókna polimerowe można sklasyfikować pod względem stopnia krystaliczności. Zwiększenie krystaliczności we włóknach pozwala polepszyć właściwości mechaniczne, sztywność czy chropowatość powierzchni. Włókna polimerowe można podzielić na włókna pochodzenia naturalnego i sztucznego. 

 

Syntetyczne włókna polimerowe są szeroko wytwarzane z surowców z tworzyw sztucznych lub w procesie przetwórczym odpadów z tworzyw. Zwiększa to możliwość ponownego wykorzystania i ograniczenia odpadów tworzyw sztucznych w budownictwie. Najczęściej do wzmocnienia materiałów budowlanych używa się włókien syntetycznych opartych o polipropylen, polietylen, PVA czy PET. Każde z tych tworzyw sztucznych posiada unikalne właściwości warunkujące użycie danego wzmocnienia do określonego zastosowania. Główną zaletą polipropylenu jest jego niski koszt. Dodatkowo, włókna polipropylenowe pozwalają zredukować występowanie pękania skurczowego oraz spękania powierzchniowego. Włókna PET posiadają podobne właściwości mechaniczne jak polipropylen, a produkcja włókien pet jest bardziej opłacalna i przyjazna dla środowiska. PVA silnie wiąże się chemicznie ze spoiwami cementowymi, ale posiada tendencję do zrywania włókien pogarszając tym samym wytrzymałość na rozciąganie. Właściwości włókien polietylenu w znacznym stopniu zależą od ich stopnia krystaliczności oraz masy cząsteczkowej. Charakterystycznymi cechami włókien polietylenowych jest brak higroskopijności, dobra odporność na lekkie chemikalia oraz znaczna wytrzymałość na rozciąganie.

pixel