2002:130 CIV EXAMENSARBETE Betongbalkar örtärkta med koliberkompoit En tudie av böjkapacitet i kallt klimat Mattia Clarin CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Intitutionen ör Väg- och vattenbyggnad Avdelningen ör Kontruktionteknik 2002:130 CIV ISSN: 1402-1617 ISRN: LTU - EX - - 02/130 - - SE
Examenarbete 2002 Betongbalkar Förtärkta med Koliberkompoit -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Mattia Clarin Avdelningen ör Kontruktionteknik Intitutionen ör Väg- och vattenbyggnad Luleå teknika univeritet 971 87 Luleå http://www.ce.luth.e/
Förord Förord A tt kriva ett examenarbete kan kanke likna vid att öda barn; ör en del går det ort och är märtritt. För andra tar det lång tid och är bevärligt. I vilket ack detta arbete kall placera är vårt att veta, men det jag vet är att under en hel del ena kvällar, tidiga mornar och ytematikt helgarbete har detta examenarbete danat. Lång tid har det alltå tagit i anpråk, likaå har det i via all även varit märtamt. Kanke kall detta ändå placera i acket ör de våra nedkomterna. Ytterligare en likhet mellan de två ärdele annorlunda händelerna är det aktum att de leta blivande mödrar har en god upport i itt öretående uppdrag; detta har även varit allet ör undertecknad. De om i krivande tund rikta en tanke och ett tort tack ör hjälp och töd, bör känna in delaktighet i helheten, eller örloningen om man å vill. Till att börja med kulle jag vilja nämna peronalen vid TESTLAB, LTU om bitått med ett ovärderligt kunnande inom ett ör mig rämmande område. Joe Forlund, Georg Danielon, Han-Olov Johanon, Håkan Johanon och Lar Åtröm har lotat mig genom de experimentella öröken djungel. Detta med ett mycket gott reultat. Min examinator Björn Täljten, handledarna Ander Carolin och Håkan Nordin är jag ockå kyldiga ett tort tack. Detta ör upport, invändningar, utvecklingar och kanke ibland även invecklingar om bidragigt poitivt till mitt arbete. Under den period om arbetet har pågått har jag ått örmånen att vita i en mycket poitiv och trevlig omgivning. Till tor del är detta ällkapet ör examenarbetare, i vilket medtudenter ingått, örtjänt. Inte bara ondagluncherna utan ockå trevlig amvaro och glada upptåg har hjälpt mig att behålla oku. Vänner och amilj betyder mycket, kanke peciellt i perioder av motgång och avaknad av arbetro. Samtal om livet, beklagan av ituationen eller delgivande av lycka har varit I
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat rekvent örekommande under denna inteniva period i mitt liv. Var lugna; ni lipper mig inte även om detta examenarbete är örlöt. Till it kulle jag vilja tacka dig, Mattia. Du vet jälv vilka örutättningarna varit. Nu har du rott iland detta projekt och kan aktikt känna dig nöjd med reultatet. Bra jobbat! Trot att arbetet ibland varit betungande, och rent av jobbigt; en av de våra örloningarna helt enkelt, kan nog de leta intämma i att det är under dea perioder man lär ig met och växer om männika. Vilket är ett mål i livet ör många med mig. Om man ammanattningvi betraktar reultatet av allt detta arbete måte jag nog erkänna att, trot att denna rapport äkerligen har ina deekter, måte den ändå äga vara, ör att använda en i ammanhanget bekant term, välkapt. Slutligen kan jag bara äga om en välkänd man en gång ade: Det är ullbordat I Luleå, mar 2002 Mattia Clarin II
Sammanattning Sammanattning I Sverige, å väl om i övriga världen, örändra amhället kontant. Detta innebär inte bara nya villkor ör en innevånare i amhället, utan kraven om täll på de kontruktioner om männikan uppört örändra tändigt. Även oörutedda händeler åom naturkatatroer eller terrorim kan kräva en örändring i kontruktionerna utormning. Exempel kan vara en bro om kall bära en högre lat eller en katedral om degraderat av tiden tand. Att bemöta de nya kraven kan göra på olika ätt. Självklart kan trukturen byta ut mot en ny, men då detta ota är inaniellt oördelaktigt, inn ota utrymme ör mer ekonomika alternativ. Ett ådant alternativ är örtärkning med pålimmad koliberkompoit om behandla i öreliggande krit. Metoden inbegriper nyttjandet av höghållata iberkompoiter, i detta all koliber, om örtärkning av beintliga kontruktioner. I detta examenarbete redovia en ammanattning av en genomörd litteraturtudie inom området. Fiberkompoiter, lim och betong amt beräkningmodeller preentera. Även några olika exempel på tillämpningar och genomört orkning- och utvecklingarbete berör. Forkningarbetet om genomört i Sverige, och även övriga världen, har rämt inriktat ig mot olika utredningar av örtärkningmetoden kapacitet och lämplighet i normala klimatörhållanden. Denna rapport inriktar ig dock mot att underöka om metoden även är ördelaktig i kallt klimat. Dea tudier baera på en experimentell provning av betongbalkar örtärkt med koliberkompoit i kallt klimat, detta med aveende på böjkapacitet. Proverien har omattat yra provkroppar av betong, där tre örtärkt med koliberkompoit och en använt om reeren utan örtärkning. Provkropparna har tetat med en yrpunktböjning i ett klimatrum med en låg temperatur på c:a -28 C. Reultaten har däreter jämört med tidigare utörd provning av identika provkroppar, men normal rumtemperatur. De viktigate lutater om gjort på bai av de genomörda laborationöröken är att böjkapaciteten inte kan påvia påverka negativt av kallt klimat. Deutom kan ingen örändring i uppkomna brottyper ådagalägga. III
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat IV
Summary Summary T he Swedih ociety, a well a the ret o the world, i in a contant tate o change. Thi i not only concerning the way o lie, but alo the demand and condition concerning man built contruction change. Thi i combined with the poibility o unoreeen event, a or example, natural diater or terrorit attack. All in all, occurrence that demand a change in the tructural deign. Exempliied, thi could be a bridge that mut carry a higher load or a cathedral that i degraded over time. Facing thi new demand and condition can be made in dierent way. O coure, the tructure could be ully replaced with a new one, but becaue thi oten i a non-inancially avourable choice, a more economic alternative could oten be preerred. Strengthening an exiting tructure with ibre compoite i one o thee alternative and i evaluated in thi thei. Thi method o trengthening i baed on the uage o high trength ibre compoite, in thi cae carbon ibre reinorced polymer-cfrp, a reinorcement in exiting tructure. In thi thei a ummary o a literature review i preented. Thi include a tudy o dierent ibre, adheive and concrete. Alo ome example o ucceul application and area reearch are dicued. The reearch that ha been carried out in Sweden, a well a in the ret o the world, mainly ocued on the perormance o the reinorcement ytem under normal climate condition. The aim o thi thei i to invetigate i the method alo i uitable or uage under the inluence o cold climate. Thee tudie are baed on experimental teting o our concrete beam reinorced with CFRP in cold climate. Thi i with a ocu on the moment capacity o the beam. The erie o tet include three beam with CFRP and one unreinorced, ued a reerence beam. The beam were teted under our-point-bending in a climate room with a temperature o -28 C. The reult o the tet were compared with identical beam earlier teted under normal room temperature. The mot important concluion that were made i that the moment capacity could not be proved to be negative inluenced o the cold climate. Furthermore no change in the racture type could be proved. V
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat VI
Summary VII
Innehållörteckning Innehållörteckning 1 Beteckningar & Symboler... 1 2 Inledning... 5 2.1 Syte...6 2.2 Metod...6 2.3 Avgränningar...6 2.4 Rapporten innehåll...7 3 Fiberkompoiter... 9 3.1 Fiberarkitektur...10 3.1.1 Fiberhalt... 10 3.1.2 Fiberorientering... 10 3.2 Fibrer...15 3.2.1 Syntetika (polymera) högmodulibrer... 16 3.2.2 Syntetika (polymera) lågmodulibrer... 25 3.2.3 Andra ibertyper... 25 3.2.4 Keramika ibrer... 26 3.3 Matrier...27 3.3.1 Polymera matrier... 28 3.3.2 Metallika matrier... 31 3.3.3 Keramika matrier... 31 3.4 Filler...31 3.5 Produktion...32 3.5.1 Polymera iberkompoiter... 32 3.5.2 Metallika iberkompoiter... 39 3.5.3 Keramika iberkompoiter... 39 IX
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat 4 Fiberkompoitteori... 41 4.1 Mikromekanik...41 4.1.1 Beräkningmodell ör longitudinell elaticitetmodul, E L... 43 4.1.2 Beräkningmodell ör tranverell elaticitetmodul, E T... 46 4.2 Brotteori...48 4.2.1 Brott vid övertigande av axiell draghållathet... 49 5 Lim... 51 6 Betong... 53 6.1 Inverkan av låg temperatur på betongen tryckhållathet...53 6.2 Inverkan av låg temperatur på betongen draghållathet...54 6.3 Inverkan av låg temperatur på betongen böjmomentkapacitet...54 6.4 Inverkan av låg temperatur på betongen elaticitetmodul...55 6.5 Inverkan av låg temperatur på betongen brottenergi...55 7 Förtärkningmetoder & Genomörda projekt... 57 7.1 Förtärkningmetoder med utanpåliggande limmade kompoiter...57 7.1.1 Plate bonding... 59 7.1.2 NSMR med kolibertavar... 62 7.2 Forkningprojekt inom området vid LTU...64 7.2.1 Examenarbeten... 64 7.2.2 Kallkällan, Luleå, Sverige... 66 7.3 Andra projekt och tillämpningar...67 7.3.1 Teter av CFRP-örtärkta balkar i kyla... 67 7.3.2 Taylor Bridge, Winnipeg, Kanada... 68 7.3.3 Hythe Bridge, Oxord, England... 68 7.3.4 CAB Compoite Army Bridge... 70 8 Beräkningmodeller & Brotteorier ör betongbalkar örtärkta med FRP... 73 8.1 Dimenioneringmodeller med aveende på böjande moment...73 8.1.1 Förutättningar... 74 8.1.2 Brottmoder... 74 8.1.3 Beräkning av aktuellt töjningtilltånd, tadium I... 76 8.1.4 Beräkningmodell ör örtärkning... 78 8.1.5 Förankringlängd... 84 8.1.6 Skjuvpänningar vid örtärkningen ände... 89 9 Laborativa örutättningar... 93 X
Innehållörteckning 9.1 Bakgrund...93 9.2 Provupptällning...94 9.2.1 Allmänt... 94 9.2.2 Klimatrum och kallt klimat... 96 9.2.3 Mätning... 97 9.2.4 Provkroppar... 100 10 Reultat rån laboratorieörök... 105 10.1.1 Tetredogörele OF-provkropp... 105 10.1.2 Tetredogörele LS32... 107 10.1.3 Tetredogörele BS32c... 111 10.1.4 Tetredogörele BS32... 115 10.1.5 Provning av betongkvalitet... 119 11 Utvärdering & Dikuion... 121 11.1 Utvärdering...121 11.1.1 Felkorrigering av temperaturpåverkan... 121 11.1.2 Samband mellan lat och deormation... 122 11.1.3 Brottyper... 124 11.1.4 Töjningar... 125 11.1.5 Skjuvpänningar... 125 11.1.6 Jämörele mellan beräknad och praktik momentkapacitet... 126 11.2 Dikuion av reultat och elkällor...127 11.2.1 Töjning- och Lägegivare... 127 11.2.2 Klimatrum och temperatur... 128 11.2.3 Deormationhatighet... 128 12 Slutat & Förlag till vidare orkning... 129 13 Reerener... 131 Appendix A: Fotodokumentation rån experimentellt arbete... 135 Appendix B: Reultatdiagram rån experimentellt arbete... 143 Appendix C: Protokoll rån provning av betongkuber; tryck- & präckhållathet... 145 Appendix D: Beräkning av nedkylningtid ör provkropp... 149 Appendix E: Teoretika beräkningar... 151 XI
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Appendix F: Materialörteckning, mätutrutning... 155 Appendix G: Sprickkartering... 157 XII
Kapitel 1: Beteckningar & Symboler Kapitel 1: 1 Beteckningar & Symboler Romanka Veraler A area [m 2 ] A kontant, brottyp II [N/m] A c tvärnittarea, betong [m 2 ] A tvärnittarea, iber [m 2 ] A c tvärnittarea, kompoit [m 2 ] A Fog area, limog [m 2 ] A m tvärnittarea, matri [m 2 ] A tvärnittarea, dragarmering [m 2 ] A tvärnittarea, tryckarmering [m 2 ] A v armeringarea, bygelarmering [m 2 ] B kontant, brottyp II [N] C kontant, brottyp II [Nm] D kontant, brottyp III [N/m] E kontant, brottyp III [N] E c elaticitetmodul, betong [Pa] E ce eektiv elaticitetmodul, betong [Pa] E elaticitetmodul, iber [Pa] E L longitudinell elaticitetmodul, kompoit [Pa] E m elaticitetmodul, matri [Pa] E elaticitetmodul, tål [Pa] E T tranverell elaticitetmodul, kompoit [Pa] F kontant, brottyp III [Nm] F normalkrat [N] F normalkrat, kompoit [N] F normalkrat, dragarmering [N] F normalkrat, tryckarmering [N] 1
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat F v normalkrat, bygelarmering [N] G kontant, brottyp IV [N/m] G a kjuvmodul, lim [Pa] G FE brottenergi, betong [N/m] H kontant, brottyp IV [N] I kontant, brottyp IV [Nm] I c tröghetmoment, betong [m 4 ] I c tröghetmoment, tål [m 4 ] I I ideellt tröghetmoment, tadie I [m 4 ] M böjande moment [Nm] M d dimenionerande moment [Nm] M 0 nolltöjningmoment [Nm] P krat/punktlat [N] P c normalkrat i kompoit [N] P normalkrat i ibrer [N] P m normalkrat i matri [N] P T tranverell normalkrat, kompoit [N] T temperatur [ C] V d dimenionerande tvärkrat [N] V volymandel ibrer [%] V m volymandel matri [%] V tvärkratkapacitet, bygelarmering [N] V v volymandel porer [%] V 0 urprunglig tvärkratkapacitet [N] W c böjmoment, betong [m 3 ] W viktandel ibrer [%] W m viktandel matri [%] Romanka gemener a längd [m] a l träcka, örkjutning av dragkratkurva [m] b bredd [m] b bredd, kompoit [m] d eektiv höjd [m] d eektiv höjd, dragarmering [m] d eektiv höjd, tryckarmering [m] cc tryckhållathet, betong [Pa] ct präckhållathet, betong [Pa] d dimenionerande materialvärde, kompoit [Pa] v draghållathet, armering [Pa] y lytpänning, dragarmering [Pa] y lytpänning, tryckarmering [Pa] h höjd [m] k reell kontant [-] 2
l laminatlängd [m] l a örankringlängd [m] l cr kritik örankringlängd [m] m maa [kg] m c maa, kompoit [kg] m maa, iber [kg] m m maa, matri [kg] q utbredd lat [N/m] centrumavtånd, bygelarmering [m] tjocklek, limkikt [m] t tjocklek [m] t tjocklek, iber [m] t m tjocklek, matri [m] v volym [m 3 ] v c volym, kompoit [m 3 ] v volym, iber [m 3 ] v m volym, matri [m 3 ] v p volym, porer [m 3 ] w reell kontant [m] x inre hävarm [m] x koordinat [-] y koordinat [-] y 0 avtånd till tyngdpunkt [m] y tp,c avtånd till tyngdpunkt, betong [m] z inre hävarm [m] z inre hävarm, kompoit [m] z inre hävarm, dragarmering [m] z 0 inre hävarm [m] Grekika gemener α vinkel [º] α proportionalitetaktor, betong/tål [-] β vinkel [º] β proportionalitetaktor, betong [-] δ örkjutning [m] δ örkjutning, iber [m] δ m örkjutning, matri [m] δ T tranverell örkjutning [m] ε töjning [-] ε c töjning, betong [-] ε c tilläggtöjning, betong [-] ε cc töjning, betong [-] ε ct dragtöjning, betong [-] Kapitel 1: Beteckningar & Symboler 3
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat ε cu brotttukning, betong [-] ε c,uk töjning, underkant tvärnitt [-] ε c,ök töjning, överkant tvärnitt [-] ε c0 töjning, ö.k. betong, kvartående belatning [-] ε töjning, iber [-] ε c töjning, kompoit [-] ε u brottöjning, iber [-] ε m töjning, matri [-] ε töjning, dragarmering [-] ε töjning, tryckarmering [-] ε 0 töjning, dragarmering, kvartående belatning [-] ε 0 tilläggtöjning, dragarmering [-] ε T tranverell töjning, kompoit [-] ε u0 töjning, u.k. betong, kvartående belatning [-] λ kontant [N 1/2 ] ρ denitet [kg/m 3 ] ρ c denitet, kompoit [kg/m 3 ] ρ denitet, iber [kg/m 3 ] ρ m denitet, matri [kg/m 3 ] σ normalpänning [Pa] σ c normalpänning, kompoit [Pa] σ c normalpänning, betong [Pa] σ cc normalpänning, betong [Pa] σ ct dragpänning, betong [Pa] σ c,uk pänning, u.k. betong [Pa] σ c,ök pänning, ö.k. betong [Pa] σ normalpänning, iber [Pa] σ L longitudinell normalpänning [Pa] σ m normalpänning, matri [Pa] σ normalpänning, tål [Pa] σ t normalpänning, armering [Pa] σ T tranverell normalpänning [Pa] τ kjuvpänning [Pa] τ(x) kjuvpänning vid läget x [Pa] ζ äkerhetaktor [-] 4
Kapitel 2: Inledning Kapitel 2: 2 Inledning A lltedan männikan ör örta gången tegade över jorden yta, har ett behov av byggda kontruktioner av olika lag unnit. Från att vara en rent överlevnadmäig nödvändighet har behovet örändrat till att i modern tid även inneatta kontruktioner med exempelvi tranportyte, humanitär omvårdnad av olika lag eller till och med ör att vara ett verktyg ör koloniation av andra planeter. Härigenom har många olika byggnadverk, alltirån borgar och katedraler till kykrapor och broar och rymdtationer, byggt. Trot de markanta olikheterna i kontruktionutörande, har alla byggnadverk en gemenam nämnare; de är ej betändiga i evig tid. Degraderingen av kontruktionerna unktion eller uteende kan gå olika ort beroende på exempelvi material, omgivande klimat eller grad av underhåll. Deutom inn alltid möjligheten till oörutedda händeler; jordbävningar, övervämningar eller till och med terrorim. Även en örändring i nyttjandet av trukturen kan ockå öranleda ett krav på en örändring i kontruktionen. Exempel på detta kan vara en önkan att kunna öka belatningen på en bro eller ett bjälklag i en byggnad. Möjlighet att erätta den beintliga kontruktionen med en ny inn jälvklart, men då ekonomika apekter ota väger mycket tungt, är ett inaniellt nålare alternativ ota önkvärt. Ett behov av en metod ör reparation, återtällning eller uppgradering av olika trukturer inn ålede. Under de enate åren har en metod baerad på utanpåliggande limning av iberkompoiter, med låg vikt och hög hållathet, utvecklat. Kompoitmaterialen utvecklade i begynnelen ör olika tillämpningar i rymd- och ordonindutrin, men har med in mångidighet även pritt ig om kontruktionmaterial i andra tillämpningar. Kompoitmaterialen lexibilitet gällande materialegenkaper och abrikation är tor, vilket gör att de är lämpliga till användning i ovan bekrivna yta. Denna lexibilitet är av tor vikt, då byggnadkontruktionerna variation i exempelvi orm, utörande amt omgivande miljö är tor. Exempel på denna tora variation kan vara reparation av en åldrig tålbro i England, med dea 5
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat relativt milda klimat, till uppgradering av en järnvägbro läng malmbanan i norra Sverige, med höga belatningar och periodvi mycket kallt klimat. 2.1 Syte Ett omattande orkning- och utvecklingarbete har genomört inom ovan bekrivna område. Detta inte mint vid Luleå teknika univeritet, där arbetet rämt inriktat mot att omatta örtärkning av betongkontruktioner med utanpåliggande limmade koliberkompoiter. Föreliggande krit är ett led i detta FoU-arbete med avikt att vidareutveckla örtärkningmetoden ör tillämpningar inom byggindutrin. Det utörda arbetet har, inte bara vid LTU utan även världompännande, rämt inriktat ig mot teoretikt arbete eller provning i normalt klimat. Sytet med detta examenarbete är att ylla denna lucka och utreda hur en koliberörtärkt betongkontruktion hållathet påverka av kallt klimat. Detta i en jämörele med motvarande kontruktioner i normala klimatörhållanden. 2.2 Metod För att genomöra detta har arbetet delat upp i två olika huvuddelar; en litteraturtudie kring området ör koliberörtärkta betongtrukturer och en del med laborationörök. Litteraturtudien ger en bakgrund till örtärkningmetoden ördelar, nackdelar amt ger en inikt i örtärkningytemet olika ingående delar egenkaper. Deutom har beräkningmodeller ör bekrivning av de örtärkta kontruktionerna tuderat, amt genomörda projekt inom området och utört orkningarbete vid LTU. Den experimentella delen omattar belatning av yra olika provkroppar till brott i kallt klimat (c:a -28 C). Reultaten av dea tet jämör med motvarande genomörda teter i normal rumtemperatur och eventuella likheter och olikheter utred. Detta med aveende på brottyper, lat/deormationbeteende amt hållathet. 2.3 Avgränningar Litteraturtudien har begränat till att behandla i huvudak polymera iberkompoiter nyttjade i byggteknika tillämpningar, rämt ör betongörtärkning. Deutom har tudien av materialet betong avgränat till att bekriva hur betongen mekanika egenkaper påverkat av kallt klimat. Detta då materialet torde vara bekant ör de leta läare av detta examenarbete. Lim har behandlat endat med aveende på de krav om täll på detta i aktuella örtärkningtillämpningar. Det experimentella arbetet har avgränat till att endat omatta provning av två typer av koliberörtärkning; laminat och tav. De yra provkropparna har provat endat under yrpunktböjning vid kontant temperatur. Deutom tudera dea bara med aveende på böjmomentkapacitet. Ingen hänyn till eventuell örändring i tvärkratkapacitet eller andra typer av brottenomen utred. 6
Kapitel 2: Inledning 2.4 Rapporten innehåll Kapitel 3 inrikta mot iberkompoiter. Läaren introducera här till bland annat hur iberkompoiter är uppbyggda hur de tillverka, vilka egenkaper de har amt olika användningområden ör dea. En introduktion i hur dea iberkompoiter behandla matematikt ge i Kapitel 4. Detta bland annat med aveende på hur lat ördela i kompoiten amt hur kompoiten går i brott vid övertigande av axiell draghållathet. Kapitel 5 behandlar de krav om täll på limmet i örtärkningytemet. Hur några av betongen karaktäritika materialparametrar påverka av låg temperatur behandla det jätte kapitlet. I Kapitel 7 kan läaren tudera hur iberkompoiter har nyttjat i några olika byggteknika tillämpningar runt om i världen. Deutom ge en inblick i genomörda orkningprojekt vid Luleå teknika univeritet. Det åttonde kapitlet behandlar beräkningmodeller och teori ör betongbalkar örtärkta med koliberkompoit. Detta med aveende på böjmomentkapacitet. De örutättningar om gällt vid det laborativa arbetet redovia i Kapitel 9. I detta kapitel kan även provkropparna uteende amt hur mätning vid experimenten genomörde tudera. Kapitel 10 behandlar de reultat om erhållit vid yrpunktböjningen av provkropparna i de laborativa öröken. Deutom via reultat rån genomörd provning av betongen kvalitet i provkropparna. I Kapitel 11 utvärdera reultaten ur tidigare liggande del av rapporten. Deutom dikutera eventuella elkällor och de erhållna reultaten. Slutater ur arbetet preentera i Kapitel 12 tillamman med några rågetällningar kring arbete om rekommendera ör vidare tudier. Det ita kapitlet, Kapitel 12, innehåller reerener till litteratur, rapporter och elektronik inormation om nyttjat i detta examenarbete. Appendix A-G innehåller ytterligare inormation kring det utörda arbetet. Detta till exempel i orm av otodokumentation materialörteckning amt prickkartering av provkropparna eter genomörd provning. 7
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat 8
Kapitel 3: Fiberkompoiter Kapitel 3: 3 Fiberkompoiter U tvecklingen av moderna artiiciella kompoitmaterial, om vanligen benämn avancerade kompoitmaterial, har kapat helt nya möjligheter, utmaningar och örutättningar ör dagen kontruktörer att ramtälla komponenter med egenkaper om kiljer ig rån andra material. Det är exempelvi möjligt att bygga en lygplanvinge om jälv juterar in orm eter de aerodynamika krater om ör tillället råder. Det är ockå möjligt att bygga en artygpropeller om juterar bladvinkeln eter mottåndet i vattnet. I teorin inn närmat obegränade möjligheter att deigna kompoiter med önkade egenkaper, endat praktika begränningar avgör produktiontekniken. Rent deinitionmäigt är en kompoit ett material ammanatt av två eller ler kemikt olika material med en klar yik grän mellan de ingående delarna. Vanligt är dock att de olika ingående delarna även kall inneha yika kvaliteter om gör att de örändrar, och örhoppningvi örbättrar kompoiten egenkaper. I en kompoit kan det egentliga hållathethöjande örtärkningmaterialet vara av olika lag, till exempel i orm av ibrer eller partiklar. Detta innebär att många av de material om vi omger o med i vardagen aktikt är att betrakta om kompoiter. Ett exempel på en vanlig iberkompoit är trä, där celluloamolekyler agerar om örtärkande ibrer inbäddade i lignin. En kompoit med örtärkning i partikelorm kan vara betong, där tenmaterialet örtärker cementen. Detta kapitel aver behandla iberkompoiter, där de olika ingående delarna i kompoiten dela in i matri och ibrer, vilka i ina enkilda aer behandla mer utörligt i avnitten 3.2 och 3.3. Fiberkompoiten egenkaper är tarkt beroende av de enkilda materialen inbörde egenkaper, dera ditribution och amverkan i kompoiten. Betraktar vi exempelvi trä om kompoitmaterial, er vi att materialet mekanika egenkaper är tarkt aniotropa, riktningberoende. Vid tillverkning av artiiciella kompoiter går aniotropin att i via all nät intill eliminera. Detta genom att örändra kompoiten iberarkitektur, orientering, torlek eller mängd. 9
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Det inn många olika typer av iberkompoiter tillgängliga på den internationella marknaden. Vanligt är att dea gruppera i tre huvudklaer beroende av kompoiten matrimaterial; polymera, metallika och keramika iberkompoiter. Vanligat i indutriella tillämpningar är iberkompoiter baerade på en matri av polymera material. Dea är vanligen armerade med exempelvi kol- eller glaibrer. Då matrimaterialet ota är betydligt vagare och mindre tyvt, har dea kompoiter tarkt utpräglade aniotropa egenkaper. Metallbaerade iberkompoiter erbjuder en god temperaturmottåndkrat och nät intill iotropa egenkaper. Keramerna är ota höghållata i ig jälva, men armera med partiklar eller ibrer ör att minka itt pröda beteende. 3.1 Fiberarkitektur Som tidigare nämnt, är iberkompoiten tarkt beroende av hur örtärkningmaterialet (ibrerna) är ördelade, orienterade, hur dera yika utormning er ut och vilka mekanika egenkaper ibern har. De leta olika ibertyperna om använd om örtärkning i iberkompoiter har en diameter om varierar mellan någon mikrometer till uppemot 300 µm. Fibrerna längd varierar mellan ett tiotal mikrometer till en kontinuerlig iber av önkad längd. De olika ibrerna mekanika egenkaper behandla i avnitt 3.2 3.1.1 Fiberhalt Mängden ibrer i en iberkompoit påverkar i tor grad kompoiten tyvhet, tyrka och många andra egenkaper ho kompoiten. Mängden bekriv om volymandel eller viktandel ibrer i kompoiten. Generellt kan man dock äga att till en vi grän örbättrar en högre andel ibrer kompoiten egenkaper. Teoretikt kan en maximal iberhalt beräkna genom de yika örutättningar kompoiten yttre har. Vanligen betämmer dock produktionteknika begränningar hur tor ibermängd om praktikt kan använda. Vid tillverkning om inneattar matrimaterial med en låg vikoitet, exempelvi olika termoplater, kan problem med utyllnad mellan ibrerna upptå. Utyllnaden, eller genomvätningen, av ibermaterialet örvåra ytterligare av en högre ibermängd vilket ger ökade problem med materialimperektioner i kompoiten i orm av poroitet. Detta ätter en praktik övre grän ör hur högt iberinnehåll om är tillämpbar vid tillverkningen av kompoiten. En minta ibermängd i kompoiten kan ockå deiniera. Denna minta andel ibrer ätt om den volym då kompoiten inte går till brott då alla ibrer uppnått in ultimata hållathet. I detta all kulle matrien tvärnittarea vara tillräcklig ör att bära hela laten och iberörtärkningen kulle ej öka kompoiten hållathet. De leta iberkompoiter har normalt ett iberinnehåll mellan 45-60 %, Carolin (2001). 3.1.2 Fiberorientering Med ordet iberorientering mena i detta ammanhang hur iberörtärkningen är ditribuerad i kompoiten. Genom variation av orienteringen i kompoiten kan de 10
Kapitel 3: Fiberkompoiter mekanika egenkaperna optimera till att paa den aktuella tillämpningen olika belatningarter. Fibrer i kompoiter kan vara arrangerade enligt ytem om är linjära, två- eller tredimenionella, e Figur 3.1. Figur 3.1 Oilka typer av iberorienteringar. a) 1-D, Linjärt med kontinuerliga ibrer b) 2-D, dikontinuerliga ibrer, lumpmäigt orienterade c) 2-D, kontinuerliga ibrer, ytematikt orienterade d) 3-D, dikontinuerliga ibrer, lumpvi orienterade. Bentur & Minde (1990). Linjära iberytem I grupperingen av linjära ibrer inn ibrer av kontinuerlig och dikontinuerlig typ. Kontinuerliga ibrer ger ördelen att de ördelning i kompoiten är lätt att kontrollera. Dea örkommer i orm av enkel- och lertrådiber. Flertrådibrerna kan vara tvinnade (garn) eller otvinnade, vanligen kallade roving. Roving tillverka av parallellt amlade ibrer och antalet ibrer om nyttja är helt beroende på önkad hållathet ho produkten. Kontinuerliga ibrer använd då typen av belatning om kompoiten kall utätta ör är väl deinierad i en riktning. Dea använd vanligtvi i laminat eller proiler om pultrudera, e avnitt 3.5. Dikontinuerliga ibrer kan blanda direkt med matrimaterialet eller kombinera med ett bindande medium till en matta vilken edan ammanoga med matrien. Här har man en mycket liten kontroll över hur ibrerna egentligen placerar ig i kompoiten. 11
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Tvådimenionella iberytem Tvådimenionella iberarrangemang kan betå av dikontinuerliga ibrer eller kontinuerliga om ammanbind genom textila proceer. Detta ger en mycket bra kontroll av ibrerna placering och några olika exempel på tvådimenionella iberytem kan tudera i Figur 3.2. Figur 3.2 a,b,c) Olika typer av tvådimenionella tickade iberytem. Hull & Clyne (1996). Tvådimenionella iberarkitekturer använd vanligtvi i laminerade iberkompoiter och otograier på exempel av ådana via i Figur 3.3 nedan. Dea aknar ibrer orienterade i tjockleken riktning, e nedantående underavnitt. Vanliga typer av tvådimenionella iberammanättningar är: Mattor - Kan betå av kontinuerliga och dikontinuerliga ibrer av både enkeleller lertrådiber. Fibrerna kan vara lumpvi eller ytematikt orienterade. Väv - Fibrerna ammanör med olika proceer, urprungligen utvecklade ör textilindutrin. Vävning, lätning eller olika ormer av tickning med trådar av enkelibrer, garn eller roving. 12
Kapitel 3: Fiberkompoiter 1 2 3 Figur 3.3 Vävd roving öre matriiniltration, 1) och 2). Matta av dikontinuerliga lumpäigt orienterade ibrer 3). Mallick (1997). Laminat Laminat är en mycket vanlig orm av kommeriella iberkompoiter. I ett laminat har man mycket goda möjligheter att anpaa iberorienteringen i planet till att paa aktuell tillämpning. Laminaten kan vara enkelriktade, dubbelriktad, lerriktad eller lumpvi riktad. Exempel på hur en laminerad iberkompoit kan vara uppbyggd via chematikt i Figur 3.4. De enkilda arken i laminatkompoiten kan vara vävda, linjära eller av mattyp och ibland även av med olika ibertyper. Enkelriktade laminat är endat eektiva när laten angriper i iberriktningen. Detta löer man vid behov då med laminering av ark med ibrer i andra riktningar vilket då ger liknande egenkaper över i laminatet hela plan. Mattor med lumpvi orienterade ibrer är ett bra exempel på detta. En vaghet i laminerade kompoitprodukter är riken ör delaminering, dv. eparation av de enkilda laminaten. Laminaten är inte är mekanikt örbundna med varandra annat än genom vidhätningen medelt bindemedlet i laminaten. Delaminering är ockå den klart vanligate brottypen ör laminerade iberkompoiter. 13
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Figur 3.4 a) Plan laminat med enkelriktade kontinuerliga ibrer b) Laminat med lager av två enkelriktade och ett lumpmäigt riktat laminat. Hull & Clyne (1996). Tredimenionella iberytem Den tredimenionella iberorienteringen, e Figur 3.5, erbjuder genom in utbredning av ibrer i tjockleken riktning en minkning av problem med delaminering. Genom nyttjande av kontinuerliga ibrer i denna riktning motverka, eller örhindra riken ör vidhätningbrott mellan laminaten. Figur 3.5 Olika typer av geomtrier ör 3-dimenionella vävda trukturer. Mallick (1997). 14
Kapitel 3: Fiberkompoiter De tredimenionella iberytemen kan tillverka å att nät intill iotopika mekanika egenkaper erhåll. Vanligen är dea typer av iberytem en vidareutveckling av de tvådimenionella till att omatta även tjocklekriktningen. 3.2 Fibrer I byggteknika tillämningar har olika ibrer under lång tid ägt en given plat om örtärkande material. Många olika typer av ibrer är provade och i många all ockå örkatade i detta yte. I nedantående text redogör ör en del av dea olika ibrer om har nyttjat eller använd i dag inom byggtekniken. De met rekvent använda ibermaterialen inom branchen är idag ibrer av tål eller högmodulibrer, där koliber är ett exempel och exempel på de goda egenkaper dea ibrer vid en jämörele med tål, kan tudera i Figur 3.6. Nedan bekriv dea högmodulibrer, med oku på kolibrer, mer ingående än övriga ibertyper. Även några andra typer av ibrer bekriv ör att ge en kort introduktion inom område. Några har ett örlutet om örtärkningmaterial inom byggbranchen, några inte. För en djupare inblick hänvia läaren till ör ändamålet lämplig litteratur, exempelvi Donnet & Banal (1990) eller Mallick (1997). 4000 Stre (MPa) 3500 3000 2500 2000 1500 Carbon (HM) Carbon (HS) Aramid (HS) Gla AR E Steel tendon 1000 500 Steel bar 0 0 1 2 3 4 5 6 Strain (%) Figur 3.6 Egenkaper ör olika typer av ibrer och K500 tål. Carolin (2001). Fibrerna många olika användningområden har in grund i ina vitt kilda egenkaper. I byggtekniken er man inte bara till de mekanika egenkaparna utan ockå till aktorer om ålderbetändighet och kanke viktigat av allt, kotnaden. I ovan preenterade 15
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Figur 3.6 ge exempel på hur de mekanika egenkaperna kan variera mellan olika ibertyper. 3.2.1 Syntetika (polymera) högmodulibrer Inom byggbranchen och området ör yntetik iberörtärkning är högmodulibrer den met rekvent använda ibertypen. Till denna grupp räkna i detta underavnitt ibrer med en elaticitetmodul om övertiger 30 GPa. Tyngdpunkten ligger på kolibern, om idag e om den met attraktiva och utvecklingbara ibern i byggbranchen när det gäller örtärkning av betongtrukturer. Aramidibrer Aromatik polyamid, eller Aramid om örkortningen lyder, var en av de örta polymerika ibrer om blev kommeriellt tillgänglig. Aramidibern är nog met känd under namnet Kevlar TM vilket är det produktnamn om öretaget DuPont använder på in aramidiber. Många andra liknande produkter inn dock på marknaden under andra namn, e Tabell 3.1. Tabell 3.1 Mekanika parametrar ör olika typer av aramidibrer, Mallick (1997). Typ E-modul [GPa] Draghållathet [MPa] Brottöjning [%] Denitet [kg/m 3 ] Tillverkare Kevlar 29 62 3617 4,0 1440 DuPont Twaron 80 3150 3,3 1440 Teijin Kevlar 49 120 3792 2,9 1440 DuPont Kevlar 149 186 3445 1,8 1440 DuPont Aramidibern är en organik iber om är uppbyggd på aromatika ringar vilket ger molekylen en bra tyvhet. Molekylerna ligger orienterade i plana kikt om är bundna till varandra med vätebindningar. Skikten lägg amman med en radiell orientering till ibern axel, e Figur 3.7. Detta ger aramidibern tarkt aniotropika egenkaper med en låg longitudinell kjuvmodul och dåliga tranverella egenkaper. Detta beror på ibern uppbyggnad med vaga bindningar mellan de ingående kikten av molekyler. Produktionen av aramidibrer börjar vanligtvi med att en lämplig bapolymer löe i yra, vanligtvi vavelyra. Löningen genomgår en pinningbehandling och däreter extrudera ibern under en örhöjd temperatur, 51-100 C, genom ett tunt lager lut ör att edan gå genom kallt vatten, Agarwal & Broutman (1990). Fibern tvätta däreter och torka. Ytterligare proceer ör att anpaa ibermolekylerna i iberriktningen kan 16
däreter genomöra genom exempelvi värmebehandling. Detta örbättrar ibern mekanika egenkaper avevärt. Kapitel 3: Fiberkompoiter Figur 3.7 Illutration av aramidibern trukturella uppbyggnad av plan amt den radiella ormationen av planen i ibern. Bentur & Minde (1990). Fibern ammanättning gör att den inte är lika kör om exempelvi gla- eller graitibrer, vilket gör att den lämpar ig mer än väl till användning inom textilindutrin om tråd till väv av olika lag. Produkter om utnyttjar ibern egenkaper till ullo är t.ex. i motorågäkra kläder eller ikelinor. Glaibrer Glaiber introducerade i kommeriellt yte på lutet av 1930-talet och har edan 1950-talet använd om örtärkning i olika typer av kompoitmaterial. I glaibern ungdom tillverkade den rak och med en lät yta, men utvecklingen har gått ramåt och dagen moderna typer av glaiber kan ha av många olika typer av ormer. Exempel på detta är proilerade tvärnitt, iberändar med krokar eller å kan de e i orm av buntade eller olierade ibrer. Användandet av glaiber har växt och är idag det vanligat örekommande ibermaterialet, Täljten (2000). De leta glaibrer är baerade på ilika (kieldioxid, SiO 2 ) med tillater av oxider baerade på exempelvi kalcium, bor, järn, natrium eller aluminium. Olika typer av glaiber med olika egenkaper ramtäll med häneende till aktuellt tillämpningområde. Exempel på hur dea egenkaper kan variera preentera i Tabell 3.2. 17
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Exempel på vanligt använda glaibertyper i kompoiter är E - Elektro S - Höghållat AR - Alkali Reitent C - Korroion där den met använda typen är E-ibern. Denna har en god hållathet, tyvhet amt bra elektrika egenkaper, vilket har givit ibertypen itt törta användningområde inom elektrika tillämpningar. E-glaibrer har även använt om örtärkning i betong, men de dåliga alkalireitenta egenkaper medör en kemik nedbrytning av glaet truktur. Via örök med lågalkalikt cement har gjort ör att minka detta problem, men en utveckling av en ny typ av glaiber med bättre reiten mot alkalik miljö viade ig vara bäta boten. Fibern kallade AR-gla och har en lägre hållathet än E - glaet, något lägre tyvhet amt ett mycket högre pri. Vid ett behov av en glaiber med bra mottånd mot korroion använd vanligtvi ibrer av C-gla. De bra korroiva egenkaperna erhålle dock på bekotnad av hållatheten och tyvheten. Fordra en hög hållathet kombinerat med en hög tyvhet bör ibrer av S-gla använda. Även S-glaet temperaturreiten är bra men priet på ibrer av S-gla är betydligt högre än exempelvi E-glaet. Tabell 3.2 Mekanika parametrar ör olika typer av glaibrer, Mallick (1997) och Carolin (2001). Typ E-modul [GPa] Draghållathet [MPa] Brottöjning [%] Denitet [kg/m 3 ] E 72-77 3400-3700 3,3-4,8 2520-2600 R 86,2 2068 5,1 2491 AR 21-74 3000-3500 2,0-4,3 2680-2700 S 75-88 4300-4900 4,2-5,4 2450-2550 Glaiber tillverka genom att mälta amman råmaterialet, vanligtvi i orm av kalkten, and och aluminium vilka ammanblandat i torrt tilltånd. Glaibrerna producera i två olika ormer; kontinuerliga och tapel (dikontinuerliga) ibrer. För de båda typerna använd amma tillverkningproce ram till iberdragningtadiet. Smältningen av materialet ker vid ca 1600 C och den mälta glamaan lyter direkt rån mältugnen vidare till platinadeglar öredda med dyor (ina öppningar) genom vilka glamaan tryck eller blåe allt beroende på önkad orm. Temperaturen på glamaan i detta tadium av tillverkningen varierar mellan de olika glatyperna, men ligger vanligen i 18
Kapitel 3: Fiberkompoiter området kring 1260 C. En chematik preentation av tillverkningproceduren via nedan i Figur 3.8. Figur 3.8 Schematikt tillverkningörlopp ör kontinuerliga glaibrer. Agarwal & Broutman (1990). Vid tillverkning av kontinuerliga glaibrer prea glamaan med ett kontant tryck genom en dya ör att edan lägga amman till en leribrig tråd. Betydande ör den ärdiga produkten hållathet är den nötning om ibrerna utätt ör i arbetet mot en ärdig produkt. För att minimera detta behandla ota glaibrerna med en kyddande och mörjande ilm, vanligtvi en vattenbaerad polymeremulion i detta tadium av tillverkningen. Glaibertråden linda däreter upp på en pole. Vid tillverkning av tapeliber blåe itället glamaan genom dyorna med en tråle av lut eller vattenånga. Med denna metod kapa då glaibrer med en längd mellan 50-500 mm rån glamaan. Dea tapelibrer amla däreter upp på en roterande vacuumtrumma prayad med bindemedel och amla om ett iberband vilket kan dra eller tvinna till ett garn. Koliber Kolibrer har genom hitorien varit ett material om använt i de met kitande ammanhang. Dagen användning pänner över ett område om träcker ig rån lygoch rymdindutri till tillverkning av produkter ör rekreationändamål, t.ex. golklubbor, ikeutrutning och kidtavar. Hitorikt ett är Thoma Edion användande av koliber om glödtråd i ina glödlampor under 1800-talet andra hält kanke att betrakta om tartpunkten ör kolibern användande om kontruktionmaterial. Dea tidiga kolibrer tillverkade genom örkolning av bambu 19
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat och rayon. Utvecklingen av glödtråd av volram gjorde dock att detta användningområde ör kolibern övergav. Kolibern utveckling ortatte dock, och näta teg var produktion av koliber baerad endat på rayon. Dea ibrer var tänkta till bruk inom områden där god värmeiolering krävde, men kolibern kunde inte på ett bra ätt konkurrera med glaibern. Den enate tiden koliberrenäan grundlade redan under 1950-talet, då lygindutrin genomörde ett omattande utvecklingarbete inom materialområdet. Utvecklingen av en metod ör att örbättra kolibern mekanika egenkaper genom pänninggraitiering (träckning) av rayonbaerade ibrer ledde till en produktion av nya typer av kolibrer med hög tyrka och tyvhet. Parallellt med detta orkningarbete utvecklade en annan tillverkningmetod av orkare i Japan och Storbritannien. Dea kolibrer tillverkade på en ba av polyakrylnitril (PAN), och med utveckling av en eterbehandlingmetod kunde den PAN - baerade kolibern uppvia en nätan dubbel hållathet jämört med den rayonbaerade ibern. En annan typ av koliber är den pitch-baerade (v. beck - typ av kolörening) kolibern om utvecklade i Japan och baerade på polyvinylklorid (PVC) - pitch. Denna tillverkningmetod är idag i tort ett övergiven och numera använd petroleumbaerad pitch och meoa pitch. Figur 3.9 Kolatomerna hexagonala orientering i graitkritallen. Bentur & Minde (1990). Koliber är ett idealt material att använda inom applikationer där tyrka, tyvhet, låg vikt och mycket bra utmattningegenkaper är eterökta materialegenkaper. Ett 20
Kapitel 3: Fiberkompoiter örhållandevi högt pri är dock en nackdel. Kolibern hållathet och beteende vid brott är trängt avhängigt in mikrotrukturella uppbyggnad. Fibern är uppbyggd av må trådar (7-15 µm i diameter) vilka betår av kritallin grait. I dea graitkritaller är kolatomerna orienterade i ett hexagonalt mönter i plan, e Figur 3.9. Mellan dea tätt packade atomer verkar tarka kovalenta bindningar medan vaga Van der Waal krater binder de kilda planen amman. Detta medör att kolibern är tarkt aniotrop med de bäta mekanika egenkaperna i planen två dimenioner. Ett exempel på detta är den tranverella elaticitetmodulen om vanligtvi bara uppgår till 3-10 % av motvarande axiella elaticitetmodul, Hull & Clyne (1996). För att erhålla en iber med hög hållathet och elaticitetmodul, är den ideala trukturen i en koliber alltå en orientering av graitplanen parallellt med ibern axel. En chematik bild på kolibern mikrotrukturella uppbyggnad kan tudera i Figur 3.10. Figur 3.10 Schematik igur av kolibern mikrotrukturella uppbyggnad. Hull & Clyne (1996). De olika örekommande produktionproceerna ger olika hög grad av denna ideala truktur, vilket leder till olika användningområden ör de olika kolibrerna. Exempel på variationen mellan materialparametrar ör olika kolibertyper och tillverkningproceer kan tudera i Tabell 3.3. 21
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Tabell 3.3 Mekanika parametrar ör olika typer av koliber, Mallick (1997). Typ/Tillverkare E-modul [GPa] Draghållathet [MPa] Brottöjning [%] Denitet [kg/m 3 ] Bamaterial HS / Hercule 227 3996 1,6 1750 PAN Ultra HS/Toray 289 7027 1,82 1820 PAN HM / Amoco 390 2900 0,7 1810 PAN HM / Amoco 379 2068 0,5 2000 Pitch UHM / Celion 517 1816 0,36 1960 PAN UHM / Amoco 689 2240 0,31 2150 Pitch Dagen produktion av koliber baerar nätan utelutande på.k. precuror (organikt bamaterial), PAN, rayon eller olika ormer av pitch. Eter tillverkning av baibern omvandla denna genom en tretegbehandling till en koliber vilket kan tudera i Figur 3.11. Dea tre teg är till typen de amma ör de olika bamaterialen, endat detaljer kiljer dem åt. Exempel på dea killnader är de olika temperaturer om nyttja i delproceerna. De tre ingående delmomenten är i turordning: Oxidering/Stabiliering - en nödvändighet ör att tabiliera ibern mot kollap (uion eller mältning) under enare behandling i hög temperatur Karboniering - värmebehandling genomör ör att minka örorenande element i ibern Graitiering - högtemperaturbehandling om örbättrar ibern mekanika egenkaper Kolibrerna kombinera vanligen däreter ihop till en leribrig tråd, vilken utgör baen ör vidare tillverkning av olika koliberprodukter. Genom en variation av bamaterial och produktionproceer, kan koliber med tora dierener i egenkaper tillverka. Olika klaiiceringytem är rådande, men ett av de mer vedertagna är det om örelagit av IUPAC International Committee och nedan redogör ör tre vanliga typer av koliber, Donnet & Banal (1990). UHM - Ultra High Modulu: Kolibrer med elaticitetmodul över 500 GPa HM - High Modulu: Kolibrer med elaticitetmodul mellan 300-500 GPa HT/HS - High Tenile/Strength: Kolibrer med en draghållathet över 3 GPa 22
Kapitel 3: Fiberkompoiter Figur 3.11 Metoder ör att öka önkvärd orientering av molekylkedjor i kolibern. Donnet & Banal (1990). PAN-baerade kolibrer Koliber baerade på polymeren polyakrylnitril, PAN, är den vanligate metoden ör ramtällning av ibrer med hög elaticitetmodul och hållathet. Proceen inled med tillverkning av en baiber av PAN. Detta gör på olika ätt beroende på tillverkaren av ibern, men vanligt är att metoderna baera på våtpinning eller dragning. PAN-ibern träck däreter vilket ökar linearieringen av molekylkedjorna läng ibern axel. Den träckta ibern tabiliera däreter genom en värmebehandling i en yrerik miljö (ota ren lut) med en temperatur upp mot 300 C. Stabilieringen innebär att en tranormering av PAN-molekylen till en tabilare molekyl med ringtruktur. Denna proce är tidödande och kan ortgå i upp till 24 timmar. Eter tabilieringen karboniera ibern i en inert miljö ör att örhindra oxidation. Temperaturen ligger på upp till 1700 C. I denna miljö rena ibern och de element om inte är önkade i ibern, exempelvi vatten, koloxid, koldioxid och kvävga örgaa. Detta reulterar i en viktminkning på uppemot 70 %, Donnet & Banal (1990). Upphettningen ker mycket långamt ör att minimera riken ör kador på ibern truktur. Under denna proce utvecklar ibern den törta delen av ina goda mekanika egenkaper och den egentliga konverteringen av PAN-ibern till kolibern ker. 23
Betongbalkar Förtärkta med Koliber -En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat Eter karbonieringen kan ibern egenkaper örädla ytterligare genom en graitiering. Genom att värmebehandla kolibern i temperaturer upp mot 3000 C örbättra den kritallina trukturen amt orienteringen och ordningen i molekylkedjorna. Detta ger ytterligare örbättrade mekanika egenkaper i orm av hållathet och elaticitetmodul. Ett direkt amband mellan graitieringtemperatur och den ärdiga kolibern elaticitetmodul har kunnat påvia, Donnet & Banal (1990). Pitch-baerade kolibrer Tillverkning av koliber på ba av pitch är attraktivt då bamaterialet har en låg kotnad jämört med exempelvi PAN eller rayon. Vanligat använda pitcher kommer rån petroleum, aalt, tenkoltjära eller PVC. Det billiga bamaterialet ger dock vanligen en koliber med ämre mekanika egenkaper än vad PAN-baerade kolibrer innehar. Detta har itt urprung i iotropa materialegenkaper vilket örhindrar en önkad orientering av molekylplanen. Metoder ör att överbygga detta problem använd, men detta är ota dyrbara proceer om väger upp de initiellt låga kotnaderna ör materialet. Produktionen av koliber på ba av pitch kan dela upp i yra grundläggande teg; Preparering av bamaterialet, produktion av grundiber, tabiliering och karboniering. Graitiering tillkommer vid tillverkning av höghållat koliber. Prepareringen av pitchen innebär en jutering av molekylvikt, vikoitet och kritallorientering. Detta kan ke genom värmebehandling eller tillättning av tillatmedel. I öljande tillverkningteg behandla grundmaterialet i en pinningproce öljt av en dragning till en baiber. En oxidation genomör däreter i lut med temperaturer mellan ca 250-400 C. Den oxiderade ibern är då tabilierad och kan genomgå karbonieringen utan att mälta. Karbonieringen ker i en kväverik miljö under en ucceiv temperaturhöjning upp mot 1000-1500 C. Graitieringen genomör däreter, även denna i en kväverik miljö. Graitieringtemperaturerna ligger mellan 2000-3000 C och ger en iber med goda egenkaper. Rayonbaerade kolibrer Celluloa, grundmaterialet ör rayoniber, har varit ett mycket vanligt använt bamaterial ör tillverkning av koliber. Detta har dock minkat till örmån ör PAN och pitch baerade ibrer. Naturlig celluloa, exempelvi rån bomull, lämpar ig dock inte om baiber då dea ota kapar dikontinuerliga kolibrer och innehåller många oönkade material om exempelvi lignin. Detta ger ämre mekanika egenkaper ho kolibern. Vanligare baiber i koliberproduktionen är itället olika typer av kuproiber, regenererad celluloa eller viko rayoniber. Konverteringen till koliber innehåller de vanliga tre tegen; tabiliering, karboniering och graitiering. Stabilieringen ker i en yrtegproce där temperaturen ucceivt öka och ibern vikt minka med upp till 90 % beroende på bamaterialet. När tabilieringaen nått en temperatur runt 400 C ker den törta önderdelningen av 24
Kapitel 3: Fiberkompoiter molekylerna då C=O bindningar i molekylen bryt. Rayonibern är då redo ör karboniering i temperaturer mellan 1000 och 1500 C, vanligtvi i en inert omgivning. Proceen genomör på några ekunder. Metoder med träckning av ibern under karbonieringen använd, men ännu bättre mekanika egenkaper erhåll om träckningen itället ker under graitieringen. Graitieringen är en mycket nabb proce genomörd på mindre än en ekund och med träckt iber. Även ör rayonbaerade kolibrer är elaticitetmodulen i lutprodukten tarkt beroende av graitieringtemperatur (vanligtvi över 2800 C) och hur hårt ibern träck. PVA Fibrer av Polyvinylalkohol utvecklade rämt ör att erätta abetibrer i olika ammanhang. PVA-ibrerna har en elaticitetmodul mellan 20 40 GPa och en draghållathet på 1200 1500 MPa men nyttja idag ej i någon törre utträckning i tillämpningar inom byggbranchen. 3.2.2 Syntetika (polymera) lågmodulibrer För att kunna öka hållatheten (tyrkan) ho matrien i en iberkompoit, kräv att de örtärkande ibrerna elaticitetmodul är högre än matrien. För ibrer med låga elaticitetmoduler kan detta krav vara vårt att bemöta. Trot detta har teoretika beräkningar och tillämpad orkning viat att även lågmodulibrer har itt användningområde om örtärkningmaterial, exempelvi i betong. Detta med aveende på töjningkapacitet, töthållathet, och prickkontroll, Bentur & Minde (1990). I detta avnitt räkna lågmodul om elaticitetmodul runt eller lägre än 30 GPa. Polypropylen Fibrer baerade på Polypropylen är en yntetik lågmoduliber. En av de örta polypropylenibrer om utvecklade peciellt ör betongörtärkning var Caricrete TM av Shell Company. Polypropylen om använd om örtärkning i byggnadammanhang är otat i orm av entrådiber, ilm eller en extruderad tejp. Polyetylen Polyetylenibrer ligger med in elaticitetmodul på upp emot 31.5 GPa på gränen till att räkna om en högmoduliber, Bentur & Minde (1990). Som örtärkning i betong använd ibrerna av polyetylen i plittrad (eng. ibrillated) orm och otat om korta dikontinuerliga ibrer eller om ett nätverk av längre kontinuerliga ibrer. 3.2.3 Andra ibertyper Akryl Akrylibrer är met känt ör användning inom textilindutrin, men har även använt om ett alternativ till abetibrer i abetcementprodukter. Fibrer utvecklade ör detta 25