wimic agh

Żyjemy w czasach, w których postęp techniki wprowadzany jest do życia codziennego z taką dynamiką, że często tego nie zauważamy. Nikogo nie dziwi już kompozytowa rama rowerowa z włókien węglowych, akumulator o super pojemności, naklejka na butelce informująca o odpowiedniej temperaturze zawartości, czy niebieski laser w zestawie kina domowego.

 

Nie zastanawiamy się - bo i po co - nad przedmiotami codziennego użytku, które nabrały nowej funkcjonalności przy zachowaniu tradycyjnej formy. Często materiały wokół nas wzbogacane są o cechy dzięki czemu nabierają całkiem nowych funkcji. 

Przykładem mogą być nowoczesne zaprawy cementowe i betony nowej generacji. Postęp w tej grupie materiałów zwykle kojarzy się nam z obniżeniem zużycia energii, wykorzystaniem paliw alternatywnych, etc. Jeśli mówimy o ich właściwościach to przede wszystkim mamy na myśli coraz większą wytrzymałość, trwałość (szczególnie po kilku zimach) czy większą estetykę ich powierzchni. To są bardzo ważne kierunki rozwoju tej grupy materiałowej, niemniej jednak nie jedyne. 

Jednocześnie rozwija się technologia wytwarzana wielofunkcyjnych materiałów budowlanych na bazie cementu. Materiały te, oprócz podstawowych cech tj. wytrzymałości i trwałości, mogą posiadać właściwości pozwalające wykorzystać je do monitorowania stanu obiektów w których są wykorzystane, i to zarówno w czasie normalnej eksploatacji jak i w warunkach ekstremalnych np. pożaru, przeciążenia, etc. Dzięki tym materiałom istnieje możliwość określenia naprężeń mechanicznych w istotnych elementach konstrukcyjnych lub zmian temperatury np. w ścianie - bez konieczności montażu dodatkowych czujników. Sam materiał konstrukcyjny zdolny jest do monitoringu swojego stanu. 

Do grupy wielofunkcyjnych kompozytów cementowych należą przede wszystkim materiały z dodatkiem włókien węglowych lub stalowych i kompozyty z cząstkami przewodzącymi np. grafitem. Monitoring naprężeń daje możliwość analizy rozkładu naprężeń w budowli, co pozwala z dużym wyprzedzeniem zapobiegać awariom lub katastrofom budowlanym. Stan naprężeń można monitorować wykorzystując zmiany rezystancji kompozytów cementowych z dodatkiem cząstek lub włókien przewodzących prąd. 

Rys. 1. Zmiany rezystancji zaprawy cementowej z 15 kg/m3 nanometrycznego Fe2O3 w funkcji naprężenia zewnętrznego [4] 

 

Naprężenia związane z normalną eksploatacją zwykle mają składową dynamiczną, czyli zmieniającą się w czasie. Szczególnie w przypadku obiektów komunikacyjnych np. mostów, dróg lub parkingów istotnym parametrem jest możliwość oceny stanu chwilowych naprężeń, które mogą przyczyniać się do ich przyspieszonego niszczenia. 

Rys. 2. Zmiany rezystancji kompozytu cementowego z 0,5% włókien węglowych proporcjonalne do odkształcenia w czasie dynamicznego obciążania [3] 

Betony z włóknami węglowymi można wykorzystać również do ważenia przejeżdżających autostradą aut bez konieczności ich zatrzymywania, a nawet zwalniania. 

Rys. 3. Wpływ szybkości obciążania na wartość rezystancji betonu z dodatkiem 1% modyfikowanych włókien węglowych [5] 

Zmiany rezystancji kompozytów mogą być również wykorzystane do śledzenia postępu dojrzewania zapraw i betonów oraz rozwoju mikrospękań w betonie. Do monitoringu naprężeń wykorzystać można również zmiany stałej dielektrycznej kompozytu cementowego np. z dodatkiem niewielkiej ilości krótkich włókien stalowych. Również efekt piezoelektryczny występujący w kompozytach cementowych może być wykorzystany do np. zliczania uderzeń. 

Kompozyty cementowe można także wykorzystać do mierzenia temperatury masywnych bloków betonowych oraz monitoringu rozkładu temperatury w przegrodzie budowlanej np. w ścianie po termomodernizacji. Wykorzystuje się tu zależność zmiany rezystancji w funkcji temperatury lub zjawiska termoelektryczne podobnie jak to mam miejsce w termoparze. Najlepsze efekty uzyskuje się dla zapraw i betonów z dodatkiem włókien węglowych lub stalowych. 

Rys. 4. Zmiany rezystancji kompozytu cementowego z 0,5% włókien węglowych (po lewej) [10] oraz zmiany siły termoelektrycznej w funkcji różnicy temperatur dla kompozytu z 1% włókien stalowych (po prawej) [11]. 

Prace nad wykorzystaniem cementowych kompozytów wielofunkcyjnych wychodzą poza fazę eksperymentalną i materiały takie znajdują coraz szersze zastosowanie w praktyce. Przede wszystkim dotyczy to kompozytów cementowo-włóknistych z włóknami węglowymi. "Stare-nowe" materiały budowlane coraz więcej potrafią, a postęp cicho się wkrada w tak "oporny" materiał, jakim jest beton…

 

Opracowanie: dr inż. Waldemar Pichór 

Katedra Technologii Materiałów Budowlanych

 

[1] Chung D.D.L: Composites get smart. Materials Study, Jan 2002, pp. 30-35. 

[2] Schwartz M. (ed.): Encyclopedia of smart materials. John Wiley&Sons, Chichester 2001

[3] Sihai Wen, Chung D.D.L.: Carbon fiber-reinforced cement as a strain-sensing coating. Cem Concr Res, Vol.31 (2001), pp. 665-667. 

[4] Hui Li, Hui-gang Xiao, Jin-ping Ou: A study on mechanical and pressure-sensitive properties of cement mortar with nanophase materials. Cem Concr Res, Vol.34 (2004), pp. 435-438. 

[5] Zeng-Qiang Shi, Chung D.D.L.: Carbon fiber-reinforced concrete for traffic monitoring and weighing in motion. Cem Concr Res, Vol.29 (1999), pp. 435-439. 

[6] Jingyao Cao, Chung D.D.L.: Effect of strain rate on cement mortar under compression, studied by electrical resistivity measurement. Cem Concr Res, Vol.32 (2002), pp. 817-819. 

[7] Xuli Fu, Chung D.D.L.: Effect of curing age on the self-monitoring behavior of carbon fiber reinforced mortar. Cem Contr Res, Vol.27 (1997), pp. 1313-1318. 

[8] Sihai Wen, Chung D.D.L.: Cement-based materials for stress sensing by dielectric measurement. Cem Concr Res, Vol.32 (2002), pp. 1429-1433. 

[9] Mingqing Sun, Qingping Liu, Zhuoqiu Li, Yaozu Hu: A study of piezoelectric properties of carbon fiber reinforced concrete and plain cement paste during dynamic load. Cem Concr Res, Vol.30 (2000), pp. 1593-1595. 

[10] Chung D.D.L.: Cement-matrix composites for thermal engineering. Applied Thermal Eng, Vol.21 (2001), pp. 1607-1619. 

[11] Sihai Wen, Chung D.D.L.: Seebeck effect in steel fiber reinforced cement. Cem Concr Res, Vol.30 (2000), pp. 661-664.