IPSOS ARMAT (III). Armarea compozitelor

Armarea prin folosirea diverselor materiale reprezinta un sistem incercat si aplicat din cele mai vechi timpuri. Paiele au fost utilizate, de pilda, pentru armarea caramizilor uscate la soare, iar parul de cal pen­tru armarea tencuielilor.

La inceputul anilor ‘50 sunt consemnate incercari privind utilizarea fibrelor de sticla, iar in anii ‘60 apar betonul cu fibre de sticla, materialele refractare si alte produse. Tot la inceputul anilor ‘60 s-au semnalat primele incercari pentru folosirea armarii cimentului cu fibre din otel.

FIBRELE – ARMATURA PENTRU MATERIALELE COMPOZITE

Fibrele utilizate ca armatura sunt: carbonul si grafitul (carbon cu grade variate de grafitizare), otelul cu con­tinut redus de carbon, molibdenul, tungstenul si aluminiul sau cuprul electrolitic, fila­mentele de bor si de safir, fibrele din oxid de aluminiu, oxidul de magne­ziu, oxidul de beriliu, carbura de sili­ciu, fibrele naturale de sisal, iuta, fibrele din celuloza s.a.

Materialele compozite pot fi armate cu: fibre de sticla tip E, tip S, fibre de sticla cu cuart, fibre de sticla cu ZrO₂, rezistente la atac alcalin, pentru inlocuirea azbestului in mor­tarul de ciment, fibre de alumina, fibre de carbura de siliciu (se obtin din SiCU si o hidrocarbura in prezenta unui filament incandescent de wolfram).

Fibrele utilizate ca armatura in diverse matrice imbunatatesc sub­stan­tial proprietatile la intindere ale compozitului.

Fibrele de sticla ofera caracteris­tici mecanice superioare la un cost redus comparativ cu fibrele de inalta rezistenta.

Proprietati mecanice tipice pentru fibrele de sticla:

• Rezistenta la intindere 150-550 N/mm2;
• Modulul lui Young 10×103 N/mm2;
• Alungire maxima 1,5-3,5%;
• Densitate specifica 2,5 t/mc.

Armarea betoanelor si a mor­tarelor de ciment trebuie sa fie cat mai uniforma. Controlul uniformitatii se rea­lizeaza cu o tehnica numita scanning, utilizand o fotodioda cu care se estimeaza fractiunea de volum ocupata de fibrele de sticla in compozitul care are matricea opaca.

Transmisia de lumina prin com­pozit este proportionala cu fractiunea de volum ocupata de fibre (care este de maximum 6%). Se obtin, astfel, informatii asupra distributiei fibrelor din interiorul compozitelor.

Cercetarile efectuate in Anglia pe tipuri de fibre de compozitie spe­ciala, rezistente la alcali, confirma posibilitatea armarii betoanelor si mortarelor de ciment cu fibre de sti­cla (Majumdar – Conferinta a Xl-a a silicatilor, Budapesta, 1973; studi­ile au fost efectuate la Institutul de cercetari pentru sticla al firmei Pilkington din Shefeld).

Amestecarea mortarului cu fibrele tocate si pulverizate se face fie in buncar, fie direct prin pul­verizare pe banda de transport a mortarului. Amestecul din buncar se toarna in forme intr-un proces con­tinuu de transport. In cazul amestecarii prin pulverizare pe banda, viteza de inain­tare a benzii de transport este astfel calculata, incat debitul pistolului de pulverizare sa asigure continutul de fibre dorit.

FIBRELE DE STICLA

In cadrul unui material compozit, fibrele utilizate pentru armare con­fera o comportare ductila matricei care, de obicei, este un material casant. Sub aspectul rezistentei la intindere, fibrele poseda valori mult superioare matricei; ele nu ajung, niciodata, sa cedeze prin rupere. Cedarea materialului compozit survine prin distrugerea conlucrarii dintre matrice si fibre, respectiv prin smulgerea fibrelor din matrice.

Reutilizarea deseurilor provenite din procesul de fabricatie conduce la rezultate identice cu cele obtinute prin utilizarea standard a fibrelor de sticla, rezolvand, in acelasi timp, probleme economice si ecologice majore.

In favoarea utilizarii fibrelor de sticla in amestecul proaspat, amintim obtinerea unei distributii uniforme in masa compozitului, simultan cu afec­tarea minima a lucrabilitatii pastei. In consecinta, fibrele de sticla tip „roving“ se preteaza ca armare dispersa a matricei de ipsos.

Extinderea domeniilor de uti­lizare a materialelor din fibra de sti­cla si, in special, folosirea lor ca materiale de armare pentru com­pozite, a determinat elaborarea tehnologiei pentru noi tipuri de materiale din fibre netesute. Acest fapt a fost impus de necesitatea inlocuirii procesului tehnologic multi-operational, laborios, discontinuu in timp si scump de prelucrare a firului complex in tesatura, cu un proces tehnologic nou, continuu, mai ieftin, care pastreaza principalele propri­etati ale fibrelor de sticla, creand si posibilitatea combinarii acestora cu alte tipuri de fibre.

In prezent, in majoritatea tarilor care produc fibre de sticla continua, o mare parte din fibre se transforma in materiale netesute (Japonia 75-80% si SUA 70%). Extinderea pro­ductiei si a utilizarii materialelor netesute, in locul materialelor tesute, se bazeaza pe avantajele lor tehnice si economice.

Majoritatea materialelor netesute pentru com­pozite avansate (cu excep­tia tricota­jelor) se remarca prin faptul ca nu prezinta fire incovoiate in structura materialului, cum este cazul tesa­turilor; unele materiale se pot prelucra (pe o directie sau pe doua) cu coeficienti mai mari de umplere decat tesatura din fibre de sticla. Aceste materiale pot fi obtinute din fibre elementare din sticla, mai grosiere.

Rovingul reprezinta unul dintre cele mai raspandite tipuri de materi­ale netesute din fibre de sticla continua. Ele sunt suvite continui din fibre complexe (uzual cel mult 60) infasurate pe o teava numita colac cu masa pana la 15-20 kg. Caracteristicile rovingului sunt: grosimea suvitei, diametrul fibrei elementare si tipul compozitiei de lubrefiere utilizate pentru prelu­crarea firului complex.

In productia curenta sunt patru tipuri principale de rovinguri:

• roving friabil – pentru produ­cerea de panze dure si moi, prin pul­verizarea pe forme complexe, urmata de presare; in acest caz rovingul trebuie sa prezinte o anu­mita rigiditate.
• roving de bobinare – pentru producerea compozitelor prin meto­da infasurarii si tragerii;
• roving impregnat – pentru obti­nerea elementelor din materiale compozite prin metoda bobinarii uscate;
• roving pentru tesaturi de sti­cla – semifabricat.

Operatia suplimentara de im­preg­nare a rovingului este efectuata simultan cu obtinerea rovingului, intr-un proces unificat; in mod obisnuit, rovingul impregnat isi pastreaza proprietatile mecanice si tehnologice in conditii standard timp de 90 de zile.

FABRICAREA FIBRELOR DE STICLA

Fibrele de sticla se obtin prin tragerea din masa de sticla topita a fibrelor izolate, care se reunesc si se infasoara ca fir cumulat pe o bobina sau ca filamente paralele pe un tambur.

Ipoteze cu privire la natura rezistentei ridicate a fibrelor de sticla

Dupa analiza unui mare volum de cercetari experimentale, s-a con­statat ca rezistenta ridicata a fibrelor de sticla se datoreaza profundelor modificari structurale produse in sti­cla la tragerea in fibre subtiri.

Prin analogie cu fibrele polimerice s-a emis ipoteza cu privire la orienta­rea moleculara si structura in lant a fibrelor de sticla, datorita careia ele au o rezistenta mai mare in comparatie cu cea a sticlei masive. Dupa unele date experi­mentale, rezistenta ridicata a fibrelor de sticla este determinata de prezenta unui strat superficial rezis­tent.

O larga raspandire a capatat ipo­teza ca rezistenta ridicata a fibrei de sticla nu este legata de ori­entarea mo­leculara la laminarea ei.

Conform datelor experimentale, rezistenta ridicata a fibrelor de sticla, in comparatie cu rezistenta sticlei masive, este determinata de struc­tura izotropa a topiturii de sticla la tempe­ratura inalta, din care se rea­lizeaza fibrele si de viteza lor de racire, care evita aparitia unor microdefecte si microfisuri pericu­loase la suprafata fibrelor in proce­sul de formare.

Obtinerea fibrelor de sticla cu rezistenta ridicata este posibila numai in cazul unei corelari optime a vitezei de racire si de laminare la topiturile de sticla in zona de for­mare a filtrelor.

Influenta compozitiei chimice a sticlei asupra rezistentei fibrelor de sticla

Compozitia chimica a sticlei deter­mina, in egala masura, proprietatile fi­zico-chimice fundamentale ale sti­clei masive si ale fibrelor de sticla (rezistenta chimica, termostabilitate, proprietati electrice si optice).

Rezultatele cercetarilor experi­mentale arata ca, in anumite conditii de formare, cel mai ridicat nivel de rezistenta poate fi atins pentru fibrele de cuart topit si fibrele de sti­cla cu compozitia: magneziu, alumi-nobo­rosi­licati – apropiata de eutecticul MgO-Al₂O₃-SiO₂. Rezis­tenta minima au sticlele cu borati, fosfati, plumb si plurialcali, cu lega­turi structurale slabe si cu o rezis­tenta chimica redusa.

Din punctul de vedere al rezis­tentei tehnice, fibrele de sticla pot fi clasificate in trei grupe:

• fibre cu rezistente ridicate 500-700×107 Pa, obtinute din cuart topit si din sticla, apropiate in ceea ce priveste compozitia de eutectit cu compozitia de silicat de magneziu si aluminiu;
• fibre cu rezistenta ridicata 250-300×107 Pa; din aceasta cate­gorie fac parte fibrele cu cea mai diversa compozitie chimica si cu dife­rite microstructuri;
• fibre cu rezistenta de 100-290×107 Pa, din care fac parte fibrele de borati, fosfati, silicati de plumb si din sticla plurialcalina cu un continut redus de oxid de siliciu.

REZUMAT

Materialele componente, ipsosul si fibrele de sticla au influente speci­fice asupra proprietatilor materialu­lui compozit-ispos armat.

Ipsosul natural sau artificial – matricea materialului compozit – se obtine prin prelucrarea depozitelor na­turale de gips, dar si a deseurilor din industria chimica, precum si din reciclarea simpla a elementelor de constructie pe baza de ipsos.

Ipsosul face parte din sistemul sulfat de calciu – apa; variantele diverse obtinute sunt in functie de procesul tehnologic utilizat (tempe­ratura, presiunea vaporilor). Gradul de puritate al gipsului de origine si forma granulelor influenteaza sem­nificativ structura cristalina si reac­tivitatea ipsosului obtinut. Proprietatile tehnologice ale ipsosului obtinut sunt determinate de gradientii de temperatura si pre­siunea vaporilor de apa.

Ipsosul tip a se obtine prin deshidratarea gipsului in autoclave la presiuni mai mari de 1 bar. Prin textura sa cristalizata, compacta, permite rapoarte de amestecare A/l mai mici decat ipsosul tip b, iar liantul intarit prezinta caracteristici mecanice ridicate. In cazul ipsosului de tip b, se lucreaza sub presiunea de 1 bar obtinandu-se un material macroporos constituit dintr-un ansamblu moale de microcristale.

Timpul de priza al liantului ipsos trebuie sa fie adecvat modului de fabricatie – manual sau mecanizat -, existand posibilitatea de a fi dirijat prin parametrii de fabricatie (viteza de ridicare a temperaturii, palierul de men­tinere a temperaturii, presiunea vaporilor de apa, gradul de puritate si textura materiei prime).

Proprietatile materialului de armare sunt complementare propri­etatilor matricei compozitului, cu conditia unei conlucrari eficiente in sensul transmiterii eforturilor din­spre matrice spre fibre.

Pentru domeniul constructi­ilor, fibrele de sticla sunt de mare interes, datorita caracteristicilor tehnice si de cost atractive.

Tehnologia de fabricatie a fibre­lor de sticla a evoluat pana la un inalt grad de complexitate, ceea ce a permis realizarea de semifabricate specializate eficiente (tesaturi, maturi, roving) pentru functia de material de armare a compozitelor pe baza de lianti anorganici si organici.

Absenta defectelor superficiale ale fibrei este factorul determinant pentru obtinerea de fibre de sticla cu rezistente ridicate. Aceasta se obtine prin corelarea para­metrilor de fabricatie, in vederea atingerii si mentinerii constante a izotropiei topiturii de sticla la tem­peratura ridicata.

Compozitia chimica a fibrelor de sticla are o influenta limitata asupra caracteristicilor mecanice, cu posibili­tati mari de compensare si diri­jare prin controlul parametrilor de fabricatie (viteza de filare si temperatura masei topite).

Prelucrarea termica a fibrelor de sticla deja formate, la temperaturi ridicate, influenteaza, in general, negativ caracteristicile mecanice. Si compo­zitia chimica diferentiaza diminuarea caracteristicilor me­canice, prin perturbarea izotropiei structurale si prin intensificarea pro­cesului de formare a cristalitilor.

Mediul cu umiditate ridicata determina extinderea microfisurilor aparute la solicitarea mecanica a fibrelor si astfel, ca urmare a umflarii si plastifierii corpului solid, feno­mene reversibile in conditiile reve­nirii umiditatii la valori reduse.

Autori:
prof. univ. dr. ing. Alexandru Ciornei
ing. Ionel Vidrascu

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 128 – august 2016, pag. 46