EXAMENSARBETE
Mattias Clarin
Betongbalkar förstärkta med kolfiberkomposit
En studie av böjkapacitet i kallt klimat
CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Institutionen för Väg- och vattenbyggnad
Avdelningen för Konstruktionsteknik
Examensarbete 2002
Betongbalkar Förstärkta med Kolfiberkomposit
-En Studie av Böjkapacitet i Kallt Klimat
Mattias Clarin
Avdelningen för Konstruktionsteknik Institutionen för Väg- och vattenbyggnad
Luleå tekniska universitet 971 87 Luleå http://www.ce.luth.se/
Förord
tt skriva ett examensarbete kan kanske liknas vid att föda barn; för en del går det fort och är smärtfritt. För andra tar det lång tid och är besvärligt. I vilket fack detta arbete skall placeras är svårt att veta, men det jag vet är att under en hel del sena kvällar, tidiga mornar och systematiskt helgarbete har detta examensarbete danats. Lång tid har det alltså tagit i anspråk, likaså har det i vissa fall även varit smärtsamt. Kanske skall detta ändå placeras i facket för de svåra nedkomsterna.
Ytterligare en likhet mellan de två särdeles annorlunda händelserna är det faktum att de flesta blivande mödrar har en god support i sitt förestående uppdrag; detta har även varit fallet för undertecknad. De som i skrivandes stund riktas en tanke och ett stort tack för hjälp och stöd, bör känna sin delaktighet i helheten, eller förlossningen om man så vill.
Till att börja med skulle jag vilja nämna personalen vid TESTLAB, LTU som bistått med ett ovärderligt kunnande inom ett för mig främmande område. Josef Forslund, Georg Danielsson, Hans-Olov Johansson, Håkan Johansson och Lars Åström har lotsat mig genom de experimentella försökens djungel. Detta med ett mycket gott resultat.
Min examinator Björn Täljsten, handledarna Anders Carolin och Håkan Nordin är jag också skyldiga ett stort tack. Detta för support, invändningar, utvecklingar och kanske ibland även invecklingar som bidragigt positivt till mitt arbete.
Under den period som arbetet har pågått har jag fått förmånen att vistas i en mycket positiv och trevlig omgivning. Till stor del är detta sällskapet för examensarbetares, i vilket medstudenter ingått, förtjänst. Inte bara onsdagsluncherna utan också trevlig samvaro och glada upptåg har hjälpt mig att behålla fokus.
Vänner och familj betyder mycket, kanske speciellt i perioder av motgång och avsaknad av arbetsro. Samtal om livet, beklagan av situationen eller delgivande av lycka har varit
A
frekvent förekommande under denna intensiva period i mitt liv. Var lugna; ni slipper mig inte även om detta examensarbete är förlöst.
Till sist skulle jag vilja tacka dig, Mattias. Du vet själv vilka förutsättningarna varit. Nu har du rott iland detta projekt och kan faktiskt känna dig nöjd med resultatet. Bra jobbat!
Trots att arbetet ibland varit betungande, och rent av jobbigt; en av de svåra
förlossningarna helt enkelt, kan nog de flesta instämma i att det är under dessa perioder man lär sig mest och växer som människa. Vilket är ett mål i livet för många med mig.
Om man sammanfattningsvis betraktar resultatet av allt detta arbete måste jag nog erkänna att, trots att denna rapport säkerligen har sina defekter, måste den ändå sägas vara, för att använda en i sammanhanget bekant term, välskapt.
Slutligen kan jag bara säga som en välkänd man en gång sade:
”Det är fullbordat…”
I Luleå, mars 2002
Mattias Clarin
Sammanfattning
Sverige, så väl som i övriga världen, förändras samhället konstant. Detta innebär inte bara nya villkor för en innevånare i samhället, utan kraven som ställs på de
konstruktioner som människan uppfört förändras ständigt. Även oförutsedda händelser såsom naturkatastrofer eller terrorism kan kräva en förändring i konstruktionernas utformning. Exempel kan vara en bro som skall bära en högre last eller en katedral som degraderats av tidens tand. Att bemöta de nya kraven kan göras på olika sätt. Självklart kan strukturen bytas ut mot en ny, men då detta ofta är finansiellt ofördelaktigt, finns ofta utrymme för mer ekonomiska alternativ. Ett sådant alternativ är förstärkning med pålimmad kolfiberkomposit som behandlas i föreliggande skrift.
Metoden inbegriper nyttjandet av höghållfasta fiberkompositer, i detta fall kolfiber, som förstärkning av befintliga konstruktioner. I detta examensarbete redovisas en
sammanfattning av en genomförd litteraturstudie inom området. Fiberkompositer, lim och betong samt beräkningsmodeller presenteras. Även några olika exempel på tillämpningar och genomfört forsknings- och utvecklingsarbete berörs.
Forskningsarbetet som genomförts i Sverige, och även övriga världen, har främst inriktat sig mot olika utredningar av förstärkningsmetodens kapacitet och lämplighet i normala klimatförhållanden. Denna rapport inriktar sig dock mot att undersöka om metoden även är fördelaktig i kallt klimat.
Dessa studier baseras på en experimentell provning av betongbalkar förstärkt med kolfiberkomposit i kallt klimat, detta med avseende på böjkapacitet. Provserien har omfattat fyra provkroppar av betong, där tre förstärkts med kolfiberkomposit och en använts som referens utan förstärkning. Provkropparna har testats med en
fyrpunktsböjning i ett klimatrum med en låg temperatur på c:a -28°C. Resultaten har därefter jämförts med tidigare utförd provning av identiska provkroppar, men normal rumstemperatur. De viktigaste slutsatser som gjorts på basis av de genomförda laborationsförsöken är att böjkapaciteten inte kan påvisas påverkas negativt av kallt klimat. Dessutom kan ingen förändring i uppkomna brottyper ådagaläggas.
I
Summary
he Swedish society, as well as the rest of the world, is in a constant state of change. This is not only concerning the way of life, but also the demands and conditions concerning man built constructions changes. This is combined with the possibility of unforeseen events, as for example, natural disasters or terrorist attacks. All in all, occurrences that demands a change in the structural design. Exemplified, this could be a bridge that must carry a higher load or a cathedral that is degraded over time. Facing this new demands and conditions can be made in different ways. Of course, the structure could be fully replaced with a new one, but because this often is a non-financially favourable choice, a more economic alternative could often be
preferred. Strengthening an existing structure with fibre composites is one of these alternatives and is evaluated in this thesis.
This method of strengthening is based on the usage of high strength fibre composites, in this case carbon fibre reinforced polymer-CFRP, as reinforcement in existing structures. In this thesis a summary of a literature review is presented. This includes a study of different fibres, adhesives and concrete. Also some examples of successful applications and area research are discussed. The research that has been carried out in Sweden, as well as in the rest of the world, mainly focused on the performance of the reinforcement system under normal climate conditions. The aim of this thesis is to investigate if the method also is suitable for usage under the influence of cold climate.
These studies are based on experimental testing of four concrete beams reinforced with CFRP in cold climate. This is with a focus on the moment capacity of the beams. The series of tests includes three beams with CFRP and one unreinforced, used a reference beam. The beams were tested under four-point-bending in a climate room with a temperature of -28°C. The results of the tests were compared with identical beams earlier tested under normal room temperature. The most important conclusions that were made is that the moment capacity could not be proved to be negative influenced of the cold climate. Furthermore no change in the fracture types could be proved.
T
Innehållsförteckning
1 Beteckningar & Symboler... 1
2 Inledning ... 5
2.1 Syfte...6
2.2 Metod ...6
2.3 Avgränsningar...6
2.4 Rapportens innehåll...7
3 Fiberkompositer... 9
3.1 Fiberarkitektur...10
3.1.1 Fiberhalt ... 10
3.1.2 Fiberorientering ... 10
3.2 Fibrer ...15
3.2.1 Syntetiska (polymera) högmodulfibrer ... 16
3.2.2 Syntetiska (polymera) lågmodulfibrer... 25
3.2.3 Andra fibertyper ... 25
3.2.4 Keramiska fibrer ... 26
3.3 Matriser...27
3.3.1 Polymera matriser ... 28
3.3.2 Metalliska matriser ... 31
3.3.3 Keramiska matriser... 31
3.4 Fillers ...31
3.5 Produktion...32
3.5.1 Polymera fiberkompositer... 32
3.5.2 Metalliska fiberkompositer... 39
3.5.3 Keramiska fiberkompositer ... 39
4 Fiberkompositteori ... 41
4.1 Mikromekanik...41
4.1.1 Beräkningsmodell för longitudinell elasticitetsmodul, EL... 43
4.1.2 Beräkningsmodell för transversell elasticitetsmodul, ET... 46
4.2 Brotteori ...48
4.2.1 Brott vid överstigande av axiell draghållfasthet... 49
5 Lim... 51
6 Betong ... 53
6.1 Inverkan av låg temperatur på betongens tryckhållfasthet...53
6.2 Inverkan av låg temperatur på betongens draghållfasthet ...54
6.3 Inverkan av låg temperatur på betongens böjmomentkapacitet...54
6.4 Inverkan av låg temperatur på betongens elasticitetsmodul...55
6.5 Inverkan av låg temperatur på betongens brottenergi...55
7 Förstärkningsmetoder & Genomförda projekt... 57
7.1 Förstärkningsmetoder med utanpåliggande limmade kompositer...57
7.1.1 Plate bonding ... 59
7.1.2 NSMR med kolfiberstavar... 62
7.2 Forskningsprojekt inom området vid LTU...64
7.2.1 Examensarbeten ... 64
7.2.2 Kallkällan, Luleå, Sverige... 66
7.3 Andra projekt och tillämpningar ...67
7.3.1 Tester av CFRP-förstärkta balkar i kyla... 67
7.3.2 Taylor Bridge, Winnipeg, Kanada... 68
7.3.3 Hythe Bridge, Oxford, England... 68
7.3.4 CAB–Composite Army Bridge... 70
8 Beräkningsmodeller & Brotteorier för betongbalkar förstärkta med FRP... 73
8.1 Dimensioneringsmodeller med avseende på böjande moment...73
8.1.1 Förutsättningar... 74
8.1.2 Brottmoder... 74
8.1.3 Beräkning av aktuellt töjningstillstånd, stadium I... 76
8.1.4 Beräkningsmodell för förstärkning... 78
8.1.5 Förankringslängd ... 84
8.1.6 Skjuvspänningar vid förstärkningens ände... 89
9 Laborativa förutsättningar ... 93
9.1 Bakgrund ...93
9.2 Provuppställning...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 Resultat från laboratorieförsök ... 105
10.1.1 Testredogörelse OF-provkropp... 105
10.1.2 Testredogörelse LS32f ... 107
10.1.3 Testredogörelse BS32cf ... 111
10.1.4 Testredogörelse BS32f ... 115
10.1.5 Provning av betongkvalitet ... 119
11 Utvärdering & Diskussion... 121
11.1 Utvärdering... 121
11.1.1 Felkorrigering av temperaturpåverkan ... 121
11.1.2 Samband mellan last och deformation ... 122
11.1.3 Brottyper... 124
11.1.4 Töjningar ... 125
11.1.5 Skjuvspänningar... 125
11.1.6 Jämförelse mellan beräknad och praktisk momentkapacitet ... 126
11.2 Diskussion av resultat och felkällor... 127
11.2.1 Töjnings- och Lägesgivare... 127
11.2.2 Klimatrum och temperatur ... 128
11.2.3 Deformationshatighet ... 128
12 Slutsats & Förslag till vidare forskning... 129
13 Referenser... 131
Appendix A: Fotodokumentation från experimentellt arbete... 135
Appendix B: Resultatdiagram från experimentellt arbete ... 143
Appendix C: Protokoll från provning av betongkuber; tryck- & spräckhållfasthet ... 145
Appendix D: Beräkning av nedkylningstid för provkropp ... 149
Appendix E: Teoretiska beräkningar... 151
Appendix F: Materialförteckning, mätutrustning ... 155 Appendix G: Sprickkartering ... 157
Kapitel 1:
1 Beteckningar
& Symboler
Romanska Versaler
A area [m2]
A konstant, brottyp II [N/m]
Ac tvärsnittsarea, betong [m2]
Af tvärsnittsarea, fiber [m2]
Afc tvärsnittsarea, komposit [m2]
AFog area, limfog [m2]
Am tvärsnittsarea, matris [m2] As tvärsnittsarea, dragarmering [m2] As´ tvärsnittsarea, tryckarmering [m2] Asv armeringsarea, bygelarmering [m2]
B konstant, brottyp II [N]
C konstant, brottyp II [Nm]
D konstant, brottyp III [N/m]
E konstant, brottyp III [N]
Ec elasticitetsmodul, betong [Pa]
Ece effektiv elasticitetsmodul, betong [Pa]
Ef elasticitetsmodul, fiber [Pa]
EL longitudinell elasticitetsmodul, komposit [Pa]
Em elasticitetsmodul, matris [Pa]
Es elasticitetsmodul, stål [Pa]
ET transversell elasticitetsmodul, komposit [Pa]
F konstant, brottyp III [Nm]
F normalkraft [N]
Ff normalkraft, komposit [N]
Fs normalkraft, dragarmering [N]
Fs´ normalkraft, tryckarmering [N]
Fv normalkraft, bygelarmering [N]
G konstant, brottyp IV [N/m]
Ga skjuvmodul, lim [Pa]
GFE brottenergi, betong [N/m]
H konstant, brottyp IV [N]
I konstant, brottyp IV [Nm]
Ic tröghetsmoment, betong [m4]
Ic tröghetsmoment, stål [m4]
II ideellt tröghetsmoment, stadie I [m4]
M böjande moment [Nm]
Md dimensionerande moment [Nm]
M0 nolltöjningsmoment [Nm]
P kraft/punktlast [N]
Pc normalkraft i komposit [N]
Pf normalkraft i fibrer [N]
Pm normalkraft i matris [N]
PT transversell normalkraft, komposit [N]
T temperatur [°C]
Vd dimensionerande tvärkraft [N]
Vf volymandel fibrer [%]
Vm volymandel matris [%]
Vs tvärkraftskapacitet, bygelarmering [N]
Vv volymandel porer [%]
V0 ursprunglig tvärkraftskapacitet [N]
Wc böjmoment, betong [m3]
Wf viktsandel fibrer [%]
Wm viktsandel matris [%]
Romanska gemener
a längd [m]
al sträcka, förskjutning av dragkraftskurva [m]
b bredd [m]
bf bredd, komposit [m]
d effektiv höjd [m]
ds effektiv höjd, dragarmering [m]
ds´ effektiv höjd, tryckarmering [m]
fcc tryckhållfasthet, betong [Pa]
fct spräckhållfasthet, betong [Pa]
ffd dimensionerande materialvärde, komposit [Pa]
fsv draghållfasthet, armering [Pa]
fy flytspänning, dragarmering [Pa]
fy´ flytspänning, tryckarmering [Pa]
h höjd [m]
k reell konstant [-]
l laminatlängd [m]
la förankringslängd [m]
lcr kritisk förankringslängd [m]
m massa [kg]
mc massa, komposit [kg]
mf massa, fiber [kg]
mm massa, matris [kg]
q utbredd last [N/m]
s centrumavstånd, bygelarmering [m]
s tjocklek, limskikt [m]
t tjocklek [m]
tf tjocklek, fiber [m]
tm tjocklek, matris [m]
v volym [m3]
vc volym, komposit [m3]
vf volym, fiber [m3]
vm volym, matris [m3]
vp volym, porer [m3]
w reell konstant [m]
x inre hävarm [m]
x koordinat [-]
y koordinat [-]
y0 avstånd till tyngdpunkt [m]
ytp,c avstånd till tyngdpunkt, betong [m]
z inre hävarm [m]
zf inre hävarm, komposit [m]
zs inre hävarm, dragarmering [m]
z0 inre hävarm [m]
Grekiska gemener
α vinkel [º]
αs proportionalitetsfaktor, betong/stål [-]
β vinkel [º]
β proportionalitetsfaktor, betong [-]
δ förskjutning [m]
δf förskjutning, fiber [m]
δm förskjutning, matris [m]
δT transversell förskjutning [m]
ε töjning [-]
εc töjning, betong [-]
∆εc tilläggstöjning, betong [-]
εcc töjning, betong [-]
εct dragtöjning, betong [-]
εcu brottstukning, betong [-]
εc,uk töjning, underkant tvärsnitt [-]
εc,ök töjning, överkant tvärsnitt [-]
εc0 töjning, ö.k. betong, kvarstående belastning [-]
εf töjning, fiber [-]
εfc töjning, komposit [-]
εfu brottöjning, fiber [-]
εm töjning, matris [-]
εs töjning, dragarmering [-]
εs´ töjning, tryckarmering [-]
εs0 töjning, dragarmering, kvarstående belastning [-]
∆εs0 tilläggstöjning, dragarmering [-]
εT transversell töjning, komposit [-]
εu0 töjning, u.k. betong, kvarstående belastning [-]
λ konstant [N1/2]
ρ densitet [kg/m3]
ρc densitet, komposit [kg/m3]
ρf densitet, fiber [kg/m3]
ρm densitet, matris [kg/m3]
σ normalspänning [Pa]
σc normalspänning, komposit [Pa]
σc normalspänning, betong [Pa]
σcc normalspänning, betong [Pa]
σct dragspänning, betong [Pa]
σc,uk spänning, u.k. betong [Pa]
σc,ök spänning, ö.k. betong [Pa]
σf normalspänning, fiber [Pa]
σL longitudinell normalspänning [Pa]
σm normalspänning, matris [Pa]
σs normalspänning, stål [Pa]
σst normalspänning, armering [Pa]
σT transversell normalspänning [Pa]
τ skjuvspänning [Pa]
τ(x) skjuvspänning vid läget x [Pa]
ζ säkerhetsfaktor [-]
Kapitel 2:
2 Inledning
lltsedan människan för första gången stegade över jordens yta, har ett behov av byggda konstruktioner av olika slag funnits. Från att vara en rent
överlevnadsmässig nödvändighet har behovet förändrats till att i modern tid även innefatta konstruktioner med exempelvis tranportsyfte, humanitär omvårdnad av olika slag eller till och med för att vara ett verktyg för kolonisation av andra planeter.
Härigenom har många olika byggnadsverk, alltifrån borgar och katedraler till skyskrapor och broar och rymdstationer, byggts. Trots de markanta olikheterna i
konstruktionsutförande, har alla byggnadsverk en gemensam nämnare; de är ej beständiga i evig tid.
Degraderingen av konstruktionernas funktion eller utseende kan gå olika fort beroende på exempelvis material, omgivande klimat eller grad av underhåll. Dessutom finns alltid möjligheten till oförutsedda händelser; jordbävningar, översvämningar eller till och med terrorism. Även en förändring i nyttjandet av strukturen kan också föranleda ett krav på en förändring i konstruktionen. Exempel på detta kan vara en önskan att kunna öka belastningen på en bro eller ett bjälklag i en byggnad. Möjlighet att ersätta den befintliga konstruktionen med en ny finns självklart, men då ekonomiska aspekter ofta väger mycket tungt, är ett finansiellt snålare alternativ ofta önskvärt.
Ett behov av en metod för reparation, återställning eller uppgradering av olika
strukturer finns således. Under de senaste åren har en metod baserad på utanpåliggande limning av fiberkompositer, med låg vikt och hög hållfasthet, utvecklats.
Kompositmaterialen utvecklades i begynnelsen för olika tillämpningar i rymd- och fordonsindustrin, men har med sin mångsidighet även spritt sig som
konstruktionsmaterial i andra tillämpningar. Kompositmaterialens flexibilitet gällande materialegenskaper och fabrikation är stor, vilket gör att de är lämpliga till användning i ovan beskrivna syfta. Denna flexibilitet är av stor vikt, då byggnadskonstruktionernas variation i exempelvis form, utförande samt omgivande miljö är stor. Exempel på denna stora variation kan vara reparation av en åldrig stålbro i England, med dessa
A
relativt milda klimat, till uppgradering av en järnvägsbro längs malmbanan i norra Sverige, med höga belastningar och periodvis mycket kallt klimat.
2.1 Syfte
Ett omfattande forsknings- och utvecklingsarbete har genomförts inom ovan beskrivna område. Detta inte minst vid Luleå tekniska universitet, där arbetet främst inriktats mot att omfatta förstärkning av betongkonstruktioner med utanpåliggande limmade
kolfiberkompositer. Föreliggande skrift är ett led i detta FoU-arbete med avsikt att vidareutveckla förstärkningsmetoden för tillämpningar inom byggindustrin. Det utförda arbetet har, inte bara vid LTU utan även världsomspännande, främst inriktat sig mot teoretiskt arbete eller provning i ”normalt” klimat.
Syftet med detta examensarbete är att fylla denna lucka och utreda hur en
kolfiberförstärkt betongkonstruktions hållfasthet påverkas av kallt klimat. Detta i en jämförelse med motsvarande konstruktioner i normala klimatförhållanden.
2.2 Metod
För att genomföra detta har arbetet delats upp i två olika huvuddelar; en litteraturstudie kring området för kolfiberförstärkta betongstrukturer och en del med laborationsförsök.
Litteraturstudien ger en bakgrund till förstärkningsmetodens fördelar, nackdelar samt ger en insikt i förstärkningssystemets olika ingående delars egenskaper. Dessutom har beräkningsmodeller för beskrivning av de förstärkta konstruktionerna studerats, samt genomförda projekt inom området och utfört forskningsarbete vid LTU.
Den experimentella delen omfattar belastning av fyra olika provkroppar till brott i kallt klimat (c:a -28°C). Resultaten av dessa test jämförs med motsvarande genomförda tester i normal rumstemperatur och eventuella likheter och olikheter utreds. Detta med avseende på brottyper, last/deformationsbeteende samt hållfasthet.
2.3 Avgränsningar
Litteraturstudien har begränsats till att behandla i huvudsak polymera fiberkompositer nyttjade i byggtekniska tillämpningar, främst för betongförstärkning. Dessutom har studien av materialet betong avgränsats till att beskriva hur betongens mekaniska egenskaper påverkats av kallt klimat. Detta då materialet torde vara bekant för de flesta läsare av detta examensarbete. Lim har behandlats endast med avseende på de krav som ställs på detta i aktuella förstärkningstillämpningar.
Det experimentella arbetet har avgränsats till att endast omfatta provning av två typer av kolfiberförstärkning; laminat och stav. De fyra provkropparna har provats endast under fyrpunktsböjning vid konstant temperatur. Dessutom studeras dessa bara med avseende på böjmomentkapacitet. Ingen hänsyn till eventuell förändring i tvärkraftskapacitet eller andra typer av brottfenomen utreds.
2.4 Rapportens innehåll
Kapitel 3 inriktas mot fiberkompositer. Läsaren introduceras här till bland annat hur fiberkompositer är uppbyggda hur de tillverkas, vilka egenskaper de har samt olika användningsområden för dessa.
En introduktion i hur dessa fiberkompositer behandlas matematiskt ges i Kapitel 4.
Detta bland annat med avseende på hur last fördelas i kompositen samt hur kompositen går i brott vid överstigande av axiell draghållfasthet.
Kapitel 5 behandlar de krav som ställs på limmet i förstärkningssystemet.
Hur några av betongens karaktäristiska materialparametrar påverkas av låg temperatur behandlas det sjätte kapitlet.
I Kapitel 7 kan läsaren studera hur fiberkompositer har nyttjats i några olika
byggtekniska tillämpningar runt om i världen. Dessutom ges en inblick i genomförda forskningsprojekt vid Luleå tekniska universitet.
Det åttonde kapitlet behandlar beräkningsmodeller och teori för betongbalkar förstärkta med kolfiberkomposit. Detta med avseende på böjmomentkapacitet.
De förutsättningar som gällt vid det laborativa arbetet redovisas i Kapitel 9. I detta kapitel kan även provkropparnas utseende samt hur mätning vid experimenten genomfördes studeras.
Kapitel 10 behandlar de resultat som erhållits vid fyrpunktsböjningen av provkropparna i de laborativa försöken. Dessutom visas resultat från genomförd provning av betongens kvalitet i provkropparna.
I Kapitel 11 utvärderas resultaten ur tidigare liggande del av rapporten. Dessutom diskuteras eventuella felkällor och de erhållna resultaten.
Slutsatser ur arbetet presenteras i Kapitel 12 tillsammans med några frågeställningar kring arbetes som rekommenderas för vidare studier.
Det sista kapitlet, Kapitel 12, innehåller referenser till litteratur, rapporter och elektronisk information som nyttjats i detta examensarbete.
Appendix A-G innehåller ytterligare information kring det utförda arbetet. Detta till exempel i form av fotodokumentation materialförteckning samt sprickkartering av provkropparna efter genomförd provning.
Kapitel 3:
3 Fiberkompositer
tvecklingen av moderna artificiella kompositmaterial, som vanligen benämns avancerade kompositmaterial, har skapat helt nya möjligheter, utmaningar och förutsättningar för dagens konstruktörer att framställa komponenter med egenskaper som skiljer sig från andra materials. Det är exempelvis möjligt att bygga en
flygplansvinge som själv justerar sin form efter de aerodynamiska krafter som för tillfället råder. Det är också möjligt att bygga en fartygspropeller som justerar
bladvinkeln efter motståndet i vattnet. I teorin finns närmast obegränsade möjligheter att designa kompositer med önskade egenskaper, endast praktiska begränsningar avgör produktionstekniken.
Rent definitionsmässigt är en komposit ett material sammansatt av två eller fler kemiskt olika material med en klar fysisk gräns mellan de ingående delarna. Vanligt är dock att de olika ingående delarna även skall inneha fysiska kvaliteter som gör att de förändrar, och förhoppningsvis förbättrar kompositens egenskaper. I en komposit kan det egentliga hållfasthetshöjande förstärkningsmaterialet vara av olika slag, till exempel i form av fibrer eller partiklar. Detta innebär att många av de material som vi omger oss med i vardagen faktiskt är att betrakta som kompositer. Ett exempel på en vanlig fiberkomposit är trä, där cellulosamolekyler agerar som förstärkande fibrer inbäddade i lignin. En komposit med förstärkning i partikelform kan vara betong, där stenmaterialet förstärker cementen. Detta kapitel avser behandla fiberkompositer, där de olika ingående delarna i kompositen delas in i matris och fibrer, vilka i sina enskilda faser behandlas mer utförligt i avsnitten 3.2 och 3.3.
Fiberkompositens egenskaper är starkt beroende av de enskilda materialens inbördes egenskaper, deras distribution och samverkan i kompositen. Betraktar vi exempelvis trä som kompositmaterial, ser vi att materialets mekaniska egenskaper är starkt anisotropa, riktningsberoende. Vid tillverkning av artificiella kompositer går anisotropin att i vissa fall näst intill eliminera. Detta genom att förändra kompositens fiberarkitektur, orientering, storlek eller mängd.
U
Det finns många olika typer av fiberkompositer tillgängliga på den internationella marknaden. Vanligt är att dessa grupperas i tre huvudklasser beroende av kompositens matrismaterial; polymera, metalliska och keramiska fiberkompositer. Vanligast i industriella tillämpningar är fiberkompositer baserade på en matris av polymera material. Dessa är vanligen armerade med exempelvis kol- eller glasfibrer. Då
matrismaterialet ofta är betydligt svagare och mindre styvt, har dessa kompositer starkt utpräglade anisotropa egenskaper. Metallbaserade fiberkompositer erbjuder en god temperaturmotståndskraft och näst intill isotropa egenskaper. Keramerna är ofta höghållfasta i sig själva, men armeras med partiklar eller fibrer för att minska sitt spröda beteende.
3.1 Fiberarkitektur
Som tidigare nämnts, är fiberkompositen starkt beroende av hur förstärkningsmaterialet (fibrerna) är fördelade, orienterade, hur deras fysiska utformning ser ut och vilka mekaniska egenskaper fibern har. De flesta olika fibertyperna som används som förstärkning i fiberkompositer har en diameter som varierar mellan någon mikrometer till uppemot 300 µm. Fibrernas längd varierar mellan ett tiotal mikrometer till en kontinuerlig fiber av önskad längd. De olika fibrernas mekaniska egenskaper behandlas i avsnitt 3.2
3.1.1 Fiberhalt
Mängden fibrer i en fiberkomposit påverkar i stor grad kompositens styvhet, styrka och många andra egenskaper hos kompositen. Mängden beskrivs som volymandel eller viktandel fibrer i kompositen. Generellt kan man dock säga att till en viss gräns förbättrar en högre andel fibrer kompositens egenskaper. Teoretiskt kan en maximal fiberhalt beräknas genom de fysiska förutsättningar kompositens yttre har. Vanligen bestämmer dock produktionstekniska begränsningar hur stor fibermängd som praktiskt kan användas. Vid tillverkning som innefattar matrismaterial med en låg viskositet, exempelvis olika termoplaster, kan problem med utfyllnad mellan fibrerna uppstå.
Utfyllnaden, eller genomvätningen, av fibermaterialet försvåras ytterligare av en högre fibermängd vilket ger ökade problem med materialimperfektioner i kompositen i form av porositet. Detta sätter en praktisk övre gräns för hur högt fiberinnehåll som är tillämpbar vid tillverkningen av kompositen.
En minsta fibermängd i kompositen kan också definieras. Denna minsta andel fibrer sätts som den volym då kompositen inte går till brott då alla fibrer uppnått sin ultimata hållfasthet. I detta fall skulle matrisens tvärsnittsarea vara tillräcklig för att bära hela lasten och fiberförstärkningen skulle ej öka kompositens hållfasthet. De flesta fiberkompositer har normalt ett fiberinnehåll mellan 45-60 %, Carolin (2001).
3.1.2 Fiberorientering
Med ordet fiberorientering menas i detta sammanhang hur fiberförstärkningen är distribuerad i kompositen. Genom variation av orienteringen i kompositen kan de
mekaniska egenskaperna optimeras till att passa den aktuella tillämpningens olika belastningsarter. Fibrer i kompositer kan vara arrangerade enligt system som är linjära, två- eller tredimensionella, se Figur 3.1.
Figur 3.1 Oilka typer av fiberorienteringar. a) 1-D, Linjärt med kontinuerliga fibrer b) 2-D, diskontinuerliga fibrer, slumpmässigt orienterade c) 2-D, kontinuerliga fibrer, systematiskt orienterade d) 3-D, diskontinuerliga fibrer, slumpvis orienterade. Bentur &
Mindess (1990).
Linjära fibersystem
I grupperingen av linjära fibrer finns fibrer av kontinuerlig och diskontinuerlig typ.
Kontinuerliga fibrer ger fördelen att dess fördelning i kompositen är lätt att kontrollera.
Dessa förkommer i form av enkel- och flertrådsfiber. Flertrådsfibrerna kan vara
tvinnade (garn) eller otvinnade, vanligen kallade rovings. Rovings tillverkas av parallellt samlade fibrer och antalet fibrer som nyttjas är helt beroende på önskad hållfasthet hos produkten. Kontinuerliga fibrer används då typen av belastning som kompositen skall utsättas för är väl definierad i en riktning. Dessa används vanligtvis i laminat eller profiler som pultruderas, se avsnitt 3.5. Diskontinuerliga fibrer kan blandas direkt med matrismaterialet eller kombineras med ett bindande medium till en matta vilken sedan sammanfogas med matrisen. Här har man en mycket liten kontroll över hur fibrerna egentligen placerar sig i kompositen.
Tvådimensionella fibersystem
Tvådimensionella fiberarrangemang kan bestå av diskontinuerliga fibrer eller kontinuerliga som sammanbinds genom textila processer. Detta ger en mycket bra kontroll av fibrernas placering och några olika exempel på tvådimensionella fibersystem kan studeras i Figur 3.2.
Figur 3.2 a,b,c) Olika typer av tvådimensionella stickade fibersystem. Hull & Clyne (1996).
Tvådimensionella fiberarkitekturer används vanligtvis i laminerade fiberkompositer och fotografier på exempel av sådana visas i Figur 3.3 nedan. Dessa saknar fibrer orienterade i tjocklekens riktning, se nedanstående underavsnitt.
Vanliga typer av tvådimensionella fibersammansättningar är:
• Mattor - Kan bestå av kontinuerliga och diskontinuerliga fibrer av både enkel- eller flertrådsfiber. Fibrerna kan vara slumpvis eller systematiskt orienterade.
• Väv - Fibrerna sammanförs med olika processer, ursprungligen utvecklade för textilindustrin. Vävning, flätning eller olika former av stickning med trådar av enkelfibrer, garn eller roving.
Figur 3.3 Vävd roving före matrisinfiltration, 1) och 2). Matta av diskontinuerliga slumpässigt orienterade fibrer 3). Mallick (1997).
Laminat
Laminat är en mycket vanlig form av kommersiella fiberkompositer. I ett laminat har man mycket goda möjligheter att anpassa fiberorienteringen i planet till att passa aktuell tillämpning. Laminaten kan vara enkelriktade, dubbelriktad, flerriktad eller slumpvis riktad. Exempel på hur en laminerad fiberkomposit kan vara uppbyggd visas
schematiskt i Figur 3.4.
De enskilda arken i laminatkompositen kan vara vävda, linjära eller av mattyp och ibland även av med olika fibertyper. Enkelriktade laminat är endast effektiva när lasten angriper i fiberriktningen. Detta löser man vid behov då med laminering av ark med fibrer i andra riktningar vilket då ger liknande egenskaper över i laminatets hela plan.
Mattor med slumpvis orienterade fibrer är ett bra exempel på detta. En svaghet i laminerade kompositprodukter är risken för delaminering, dvs. separation av de enskilda laminaten. Laminaten är inte är mekaniskt förbundna med varandra annat än genom vidhäftningen medelst bindemedlet i laminaten. Delaminering är också den klart vanligaste brottypen för laminerade fiberkompositer.
1 2
3
Figur 3.4 a) Plan laminat med enkelriktade kontinuerliga fibrer b) Laminat med lager av två enkelriktade och ett slumpmässigt riktat laminat. Hull & Clyne (1996).
Tredimensionella fibersystem
Den tredimensionella fiberorienteringen, se Figur 3.5, erbjuder genom sin utbredning av fibrer i tjocklekens riktning en minskning av problem med delaminering. Genom nyttjande av kontinuerliga fibrer i denna riktning motverkas, eller förhindras risken för vidhäftningsbrott mellan laminaten.
Figur 3.5 Olika typer av geomtrier för 3-dimensionella vävda strukturer. Mallick (1997).
De tredimensionella fibersystemen kan tillverkas så att näst intill isotopiska mekaniska egenskaper erhålls. Vanligen är dessa typer av fibersystem en vidareutveckling av de tvådimensionella till att omfatta även tjockleksriktningen.
3.2 Fibrer
I byggtekniska tillämningar har olika fibrer under lång tid ägt en given plats som förstärkande material. Många olika typer av fibrer är provade och i många fall också förkastade i detta syfte. I nedanstående text redogörs för en del av dessa olika fibrer som har nyttjats eller används i dag inom byggtekniken. De mest frekvent använda
fibermaterialen inom branschen är idag fibrer av stål eller högmodulfibrer, där kolfiber är ett exempel och exempel på de goda egenskaper dessa fibrer vid en jämförelse med stål, kan studeras i Figur 3.6. Nedan beskrivs dessa högmodulfibrer, med fokus på kolfibrer, mer ingående än övriga fibertyper. Även några andra typer av fibrer beskrivs för att ge en kort introduktion inom område. Några har ett förflutet som
förstärkningsmaterial inom byggbranschen, några inte. För en djupare inblick hänvisas läsaren till för ändamålet lämplig litteratur, exempelvis Donnet & Bansal (1990) eller Mallick (1997).
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0 1 2 3 4 5 6
Strain (%)
Stress (MPa)
Carbon (HM)
Carbon (HS) Aramid
(HS) Glass
AR E Steel tendon
Steel bar
Figur 3.6 Egenskaper för olika typer av fibrer och Ks500 stål. Carolin (2001).
Fibrernas många olika användningsområden har sin grund i sina vitt skilda egenskaper. I byggtekniken ser man inte bara till de mekaniska egenskaparna utan också till faktorer som åldersbeständighet och kanske viktigast av allt, kostnaden. I ovan presenterade
Figur 3.6 ges exempel på hur de mekaniska egenskaperna kan variera mellan olika fibertyper.
3.2.1 Syntetiska (polymera) högmodulfibrer
Inom byggbranschen och området för syntetisk fiberförstärkning är högmodulfibrer den mest frekvent använda fibertypen. Till denna grupp räknas i detta underavsnitt fibrer med en elasticitetsmodul som överstiger 30 GPa. Tyngdpunkten ligger på kolfibern, som idag ses som den mest attraktiva och utvecklingsbara fibern i byggbranschen när det gäller förstärkning av betongstrukturer.
Aramidfibrer
Aromatisk polyamid, eller Aramid som förkortningen lyder, var en av de första polymeriska fibrer som blev kommersiellt tillgänglig. Aramidfibern är nog mest känd under namnet ’KevlarTM’ vilket är det produktnamn som företaget DuPont använder på sin aramidfiber. Många andra liknande produkter finns dock på marknaden under andra namn, se Tabell 3.1.
Tabell 3.1 Mekaniska parametrar för olika typer av aramidfibrer, Mallick (1997).
Typ E-modul
[GPa] Draghållfasthet
[MPa] Brottöjning
[%] Densitet
[kg/m3] 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
Aramidfibern är en organisk fiber som är uppbyggd på aromatiska ringar vilket ger molekylen en bra styvhet. Molekylerna ligger orienterade i plana skikt som är bundna till varandra med vätebindningar. Skikten läggs samman med en radiell orientering till fiberns axel, se Figur 3.7. Detta ger aramidfibern starkt anisotropiska egenskaper med en låg longitudinell skjuvmodul och dåliga transversella egenskaper. Detta beror på fiberns uppbyggnad med svaga bindningar mellan de ingående skikten av molekyler.
Produktionen av aramidfibrer börjar vanligtvis med att en lämplig baspolymer löses i syra, vanligtvis svavelsyra. Lösningen genomgår en spinningsbehandling och därefter extruderas fibern under en förhöjd temperatur, 51-100°C, genom ett tunt lager luft för att sedan gå genom kallt vatten, Agarwal & Broutman (1990). Fibern tvättas därefter och torkas. Ytterligare processer för att anpassa fibermolekylerna i fiberriktningen kan
därefter genomföras genom exempelvis värmebehandling. Detta förbättrar fiberns mekaniska egenskaper avsevärt.
Figur 3.7 Illustration av aramidfiberns strukturella uppbyggnad av plan samt den radiella formationen av planen i fibern. Bentur & Mindess (1990).
Fiberns sammansättning gör att den inte är lika skör som exempelvis glas- eller
grafitfibrer, vilket gör att den lämpar sig mer än väl till användning inom textilindustrin som tråd till väv av olika slag. Produkter som utnyttjar fiberns egenskaper till fullo är t.ex. i motorsågssäkra kläder eller fiskelinor.
Glasfibrer
Glasfiber introducerades i kommersiellt syfte på slutet av 1930-talet och har sedan 1950-talet används som förstärkning i olika typer av kompositmaterial. I glasfiberns ungdom tillverkades den rak och med en slät yta, men utvecklingen har gått framåt och dagens moderna typer av glasfiber kan ha av många olika typer av former. Exempel på detta är profilerade tvärsnitt, fiberändar med krokar eller så kan de ses i form av buntade eller folierade fibrer. Användandet av glasfiber har växt och är idag det vanligast
förekommande fibermaterialet, Täljsten (2000).
De flesta glasfibrer är baserade på silika (kiseldioxid, SiO2) med tillsatser av oxider baserade på exempelvis kalcium, bor, järn, natrium eller aluminium. Olika typer av glasfiber med olika egenskaper framställs med hänseende till aktuellt
tillämpningsområde. Exempel på hur dessa egenskaper kan variera presenteras i Tabell 3.2.
Exempel på vanligt använda glasfibertyper i kompositer är
• E - Elektro
• S - Höghållfast
• AR - Alkali Resistent
• C - Korrosion
där den mest använda typen är E-fibern. Denna har en god hållfasthet, styvhet samt bra elektriska egenskaper, vilket har givit fibertypen sitt största användningsområde inom elektriska tillämpningar. E-glasfibrer har även använts som förstärkning i betong, men dess dåliga alkaliresistenta egenskaper medför en kemisk nedbrytning av glasets struktur.
Vissa försök med lågalkaliskt cement har gjorts för att minska detta problem, men en utveckling av en ny typ av glasfiber med bättre resistens mot alkalisk miljö visade sig vara bästa boten. Fibern kallades AR-glas och har en lägre hållfasthet än E - glaset, något lägre styvhet samt ett mycket högre pris.
Vid ett behov av en glasfiber med bra motstånd mot korrosion används vanligtvis fibrer av C-glas. De bra korrosiva egenskaperna erhålles dock på bekostnad av hållfastheten och styvheten. Fordras en hög hållfasthet kombinerat med en hög styvhet bör fibrer av S-glas användas. Även S-glasets temperaturresistens är bra men priset på fibrer av S-glas är betydligt högre än exempelvis E-glasets.
Tabell 3.2 Mekaniska parametrar för olika typer av glasfibrer, Mallick (1997) och Carolin (2001).
Typ E-modul
[GPa] Draghållfasthet
[MPa] Brottöjning
[%] Densitet [kg/m3]
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
Glasfiber tillverkas genom att smälta samman råmaterialet, vanligtvis i form av kalksten, sand och aluminium vilka sammanblandats i torrt tillstånd. Glasfibrerna produceras i två olika former; kontinuerliga och stapel (diskontinuerliga) fibrer. För de båda typerna används samma tillverkningsprocess fram till fiberdragningsstadiet. Smältningen av materialet sker vid ca 1600 °C och den smälta glasmassan flyter direkt från smältugnen vidare till platinadeglar försedda med dysor (fina öppningar) genom vilka glasmassan trycks eller blåses allt beroende på önskad form. Temperaturen på glasmassan i detta stadium av tillverkningen varierar mellan de olika glastyperna, men ligger vanligen i
området kring 1260 °C. En schematisk presentation av tillverkningsproceduren visas nedan i Figur 3.8.
Figur 3.8 Schematiskt tillverkningsförlopp för kontinuerliga glasfibrer. Agarwal &
Broutman (1990).
Vid tillverkning av kontinuerliga glasfibrer pressas glasmassan med ett konstant tryck genom en dysa för att sedan läggas samman till en flerfibrig tråd. Betydande för den färdiga produktens hållfasthet är den nötning som fibrerna utsätts för i arbetet mot en färdig produkt. För att minimera detta behandlas ofta glasfibrerna med en skyddande och smörjande film, vanligtvis en vattenbaserad polymeremulsion i detta stadium av tillverkningen. Glasfibertråden lindas därefter upp på en spole.
Vid tillverkning av stapelfiber blåses istället glasmassan genom dysorna med en stråle av luft eller vattenånga. Med denna metod ”kapas” då glasfibrer med en längd mellan 50- 500 mm från glasmassan. Dessa stapelfibrer samlas därefter upp på en roterande vacuumtrumma sprayad med bindemedel och samlas som ett fiberband vilket kan dras eller tvinnas till ett garn.
Kolfiber
Kolfibrer har genom historien varit ett material som använts i de mest skiftande sammanhang. Dagens användning spänner över ett område som sträcker sig från flyg- och rymdindustri till tillverkning av produkter för rekreationsändamål, t.ex.
golfklubbor, fiskeutrustning och skidstavar. Historiskt sett är Thomas Edisons användande av kolfiber som glödtråd i sina glödlampor under 1800-talets andra hälft kanske att betrakta som startpunkten för kolfiberns användande som
konstruktionsmaterial. Dessa tidiga kolfibrer tillverkades genom förkolning av bambu
och rayon. Utvecklingen av glödtråd av volfram gjorde dock att detta
användningsområde för kolfibern övergavs. Kolfiberns utveckling fortsatte dock, och nästa steg var produktion av kolfiber baserad endast på rayon. Dessa fibrer var tänkta till bruk inom områden där god värmeisolering krävdes, men kolfibern kunde inte på ett bra sätt konkurrera med glasfibern.
Den senaste tidens kolfiberrenässans grundlades redan under 1950-talet, då flygindustrin genomförde ett omfattande utvecklingsarbete inom materialområdet. Utvecklingen av en metod för att förbättra kolfiberns mekaniska egenskaper genom
spänningsgrafitisering (sträckning) av rayonbaserade fibrer ledde till en produktion av nya typer av kolfibrer med hög styrka och styvhet.
Parallellt med detta forskningsarbete utvecklades en annan tillverkningsmetod av forskare i Japan och Storbritannien. Dessa kolfibrer tillverkades på en bas av
polyakrylnitril (PAN), och med utveckling av en efterbehandlingsmetod kunde den PAN - baserade kolfibern uppvisa en nästan dubbel hållfasthet jämfört med den rayonbaserade fibern. En annan typ av kolfiber är den pitch-baserade (sv. beck - typ av kolförening) kolfibern som utvecklades i Japan och baserades på polyvinylklorid (PVC) - pitch. Denna tillverkningsmetod är idag i stort sett övergiven och numera används petroleumbaserad pitch och mesofas pitch.
Figur 3.9 Kolatomernas hexagonala orientering i grafitkristallen. Bentur & Mindess (1990).
Kolfiber är ett idealt material att använda inom applikationer där styrka, styvhet, låg vikt och mycket bra utmattningsegenskaper är eftersökta materialegenskaper. Ett
förhållandevis högt pris är dock en nackdel. Kolfiberns hållfasthet och beteende vid brott är strängt avhängigt sin mikrostrukturella uppbyggnad. Fibern är uppbyggd av små trådar (7-15 µm i diameter) vilka består av kristallin grafit. I dessa grafitkristaller är kolatomerna orienterade i ett hexagonalt mönster i plan, se Figur 3.9. Mellan dessa tätt packade atomer verkar starka kovalenta bindningar medan svaga Van der Waals krafter binder de skilda planen samman.
Detta medför att kolfibern är starkt anisotrop med de bästa mekaniska egenskaperna i planens två dimensioner. Ett exempel på detta är den transversella elasticitetsmodulen som vanligtvis bara uppgår till 3-10 % av motsvarande axiella elasticitetsmodul, Hull &
Clyne (1996). För att erhålla en fiber med hög hållfasthet och elasticitetsmodul, är den ideala strukturen i en kolfiber alltså en orientering av grafitplanen parallellt med fiberns axel. En schematisk bild på kolfiberns mikrostrukturella uppbyggnads kan studeras i Figur 3.10.
Figur 3.10 Schematisk figur av kolfiberns mikrostrukturella uppbyggnad. Hull & Clyne (1996).
De olika förekommande produktionsprocesserna ger olika hög grad av denna ideala struktur, vilket leder till olika användningsområden för de olika kolfibrerna. Exempel på variationen mellan materialparametrar för olika kolfibertyper och
tillverkningsprocesser kan studeras i Tabell 3.3.
