6. Badanie trwałości syntetycznego zbrojenia rozproszonego BarChip w alkalicznym środowisku cementowym

Badanie trwałości syntetycznego zbrojenia rozproszonego BarChip w alkalicznym środowisku cementowym. 

Syntetyczne zbrojenie rozproszone BarChip produkowane jest z modyfikowanej poliolefiny, która charakteryzuje się wysoką odpornością na działanie rozpuszczalników oraz innych substancji chemicznych.

W celu potwierdzenia odporności włókien BarChip na alkalia, szczególnie obecnych w środowisko cementowym, przeprowadzono odpowiednie testy, które rozpoczęto w kwietniu 2004 a zakończono w październiku 2004. Zaobserwowane rezultaty przedstawione są poniżej.  

Badania zostały przeprowadzone w celu określenia wpływu środowiska alkalicznego podobnego do środowiska występującego w betonie na właściwości włókien BarChip, takich jak wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie. Całość została wykonana poprzez poddanie próbek włókien BarChip badaniu przyspieszonego starzenia, w oparciu na teorii Arrheniusa (patrz poniżej).

Przedstawione dane dotyczące trwałości przedstawiają wyniki badań wykonanych w niezależnych laboratoriach w Centrum Technologii Przemysłowej Prefektury Okayama w Japonii.

Metoda badawcza

Odporność syntetycznego zbrojenia rozproszonego BarChip opiera się na jego odporności na przenikanie wobec środowiska oraz szybkości i stopniu w jakim następuje absorpcja. Oba czynniki wpływają na przydatność włókna BarChip do stosowania w danym środowisku.   

Próbki nieobciążone włókna BarChip zostały zalane betonem w formie graniastosłupów.

Po stwardnieniu, graniastosłupy betonowe zostały zanurzone w wodzie w temperaturze 60 stopni C.

W określonych odstępach czasu graniastosłupy były wyjmowane z wody i badane. 10 graniastosłupów było badanych w równych odstępach czasu a następnie została wyciągnięta średnia ze wszystkich wyników.

Zdjęcie 1: Włókna BarChip zalane betonem.


Zdjęcie 2: Próba rozciągania pojedynczej nitki włókna BarChip.
 

Zdjęcie 3: Nitka włókna BarChip po próbie.

Poprzez możliwość przeprowadzenia tzw. przyspieszonego starzenia można symulować właściwości eksploatacyjne syntetycznego zbrojenie rozproszonego BarChip. Badanie prowadzone w temperaturze 60 stopni C w środowisku alkalicznym zapewniło starzenie próbki wg przelicznika 1 dzień = 90 dni*. 

Włókno z politereftalanu etylenu (PET) również zostało poddane próbie identycznej próbie.

Wyniki

Poniżej podane są wyniki badania przyspieszonego starzenia włókna BarChip i jego wpływu na wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie.

Rys. 1 przedstawia wpływ alkaliów na wytrzymałość na rozciąganie włókna BarChip w okresie 100 lat.




Dni 0,1 7 14 21 28 84
Lata* 0,1 2 4 5 7 21
BarChip (MPa) 446 445 449 447 448 480
PET (MPa) 378 402 390 377 368 292


Rys. 2 przedstawia wpływ alkaliów na wydłużenie włókna BarChip w okresie 100 lat.



Dni 0,1 7 14 21 28 84
Lata* 0,1 2 4 5 7 21
BarChip (%) 19,23 25,43 25,84 25,75 25,5 24,8
PET (%) 37,94 51,25 44,95 41,86 37,15 20,00


Dane stanowią odpowiednik około 21 lat naturalnej żywotności w środowisku alkaicznym takim jak środowisko betonu. Wyniki zostały ekstrapolowane dla okresu od 21 do 100 lat na podstawie danych uzyskanych do teraz. 

Wniosek

Badania pokazują, że syntetyczne zbrojenie rozproszone BarChip oferuje doskonałą odporność na środowisko betonu.

Na podstawie tych wstępnych wyników, w styczniu 2005 rozpoczęto badania w celu zweryfikowania trwałości włókna BarChip w okresie do 100 lat w środowisku alkalicznym.

Teoria Arrheniusa

W 1889 Svante Arrhenius zauważył, że szybkość reakcji można interpretować jako zależność od energii aktywacji Ea i temperatury T (w Kelwinach) za pomocą formy wykładniczej k = A exp (-Ea/RT). Gdzie stała szybkości reakcji k stanowi całkowitą częstotliwość zderzeń exp (-Ea/RT), która ma energię przekraczającą progową energię aktywacji Ea w temperaturze T.
A zatem wzrost temperatury powoduje zwiększenie frakcji cząsteczek, które mają energię aktywacji (Ea). Dlatego, przez wzrost temperatury następuje przyspieszenie reakcji i możliwość symulacja dłuższego okresu czasu.

Dodatkowa lektura

Zakończył się 18-letni program badań nad właściwościami odkształceniowo-naprężeniowymi przy rozciąganiu kompozytu betonowego zbrojonego dwoma typami fibrylowanych włókien polipropylenowych. Zastosowano przechowywanie w 3 różnych warunkach: naturalne warunki atmosferyczne, przechowywanie w atmosferze laboratoryjnej oraz przechowywanie pod wodą. W części próbek kompozytowych wywołano rysy (pęknięcia), a inne pozostały nienaruszone przed rozpoczęciem badań. Mierzone parametry obejmowały moduł sprężystości wzdłużnej, naprężenia powodujące pęknięcia w matrycy, pełne krzywe odkształceniowo-naprężeniowe i rozkład pęknięć w kompozycie oraz skutki odziaływania różnych warunków atmosferycznych na wytrzymałość, na rozciąganie, odkształcenie niszczące i siłę wiązania polipropylenowego zbrojenia rozproszonego.


Wykazano, że wytrzymałość, plastyczność i odporność na obciążenie dynamiczne kompozytu została zachowana bez względu na warunki ekspozycji przez bardzo długi okres czasu, zapewniając większą pewność długoterminowej stabilności polipropylenu w środowisku betonu.

„Wpływ starzenia w zakresie do 18 lat w różnych warunkach ekspozycji na własności mechaniczne przy rozciąganiu kompozytów betonowych zbrojonych włóknem polipropylenowym” D.J. Hannant University of Surrey Guildford 1998 Materiały i konstrukcje Vol 32 marzec 1999 strony 83-88.

Instytuty badawcze prefektury Okayama

W prefekturze Okayama znajduje się wiele instytutów badawczych, które oferują nowoczesne usługi w zakresie badań i rozwoju.

Laboratoria badawcze i centra badawcze obejmują: Centrum Technologii Przemysłowej Prefektury Okayama, Centrum Ceramiki Okayama i Instytut Badawczy Nauk Biologicznych, Okayama. Powyższe grupy prowadzą nowatorskie badania wspólnie z uniwersytetami w Japonii i w innych krajach, jak również prywatnymi firmami w górnictwie, przemyśle produkcyjnym, branży kompozytów wysokotemperaturowych, biotechnologii i innych branżach.