Waldemar Pichór

1. MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA CEMENTOWYCH KOMPOZYTÓW MULTIFUNKCJONALNYCH DO MONITOROWANIA STANU OBIEKTÓW BUDOWLANYCH Waldemar Pichór Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Materiałów Budowlanych

2. Wprowadzenie • Czy można monitorować stan obiektu budowlanego bez dodatkowych czujników zewnętrznych? • Czy konieczne jest wykorzystywanie specjalnych rozwiązań materiałowych? • Jakie wielkości można monitorować?

3. Wprowadzenie

4. Co można monitorować? • Naprężenia mechaniczne statyczne • Naprężenia mechaniczne dynamiczne • Utratę przyczepności • Temperaturę • Stopień hydratacji • Skurcz • ...

5. Wielkości elektryczne możliwe do wykorzystaniaw monitorowaniu stanu budowli • Zmiany rezystywności (rezystacji, impedancji, przewodnictwa elektrycznego) • Efekt termoeletryczny (efekt Seebecka) • Efekt piezoelektryczny • Stała dielektryczna • Spektroskopia impedancyjna • ...

6. Zmiany rezystywności zaczynu i zapraw - skurcz Chung D.D.L. Materials Science and Engineering R 42, 1-40 (2003)

7. Zmiany rezystywności zaczynu i zaprawobciażenie statyczne Chung D.D.L. Cement and concrete Research 32, 817-819 (2002)

8. Zmiany rezystywności zaprawutrata przyczepności Monitoring utraty przyczepności między nową warstwą zaprawy a starym podłożem Cao J., Chung D.D.L. Cement and Concrete Research 31, 1647-1651 (2001)

9. Zmiany rezystywności zaprawutrata przyczepności Monitoring utraty przyczepności przy dynamicznym obciążeniu Cao J., Chung D.D.L. Cement and Concrete Research 31, 1647-1651 (2001) Cao J., Chung D.D.L. Cement and Concrete Research 31, 669-671 (2001)

10. Zmiany rezystywności kompozytów z wypełniaczami przewodzącymi • Wypełniacze: • Proszki mikro- i nanometryczne np. grafit, Fe2O3, • Odpady z produkcji elementów metalowych, • Wypełniacze nieorganiczne • z powłoką metaliczną np. Ni, Cu Hui Li, Hui-gang Xiao, Jin-ping Ou: Cement and Concrete Research 34, 435-438 (2004)

11. Kompozyty cementowo-włókniste Historia: • 1900 – płyty azbestowo-cementowe (Hatscheck) • 1920 – teoria Griffith’a • 1950 – pierwsze materiały kompozytowe • 1960 – kompozyty cementowo-włókniste z włóknami syntetycznymi • 1970 – zamienniki azbestu • 1970 – SFRC, GFRC, PPFRC, … • 1990 – mikromechanika, systemy hybrydowe MD, włókna nowej generacji • 2000 - ? Podstawowe korzyści: • Ograniczenie sedymentacji mas plastycznych • Ograniczenie mikrospękań • Wzmacnianie tworzyw konstrukcyjnych • wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu • praca zniszczenia i udarność • odporność na zmęczenie • Zmniejszenie nasiąkliwości/przesiąkliwości • Zwiększenie odporności na działanie zmiennych temperatur (mrozoodporności i odporności na działanie ognia)

12. Spękania w betonie

13. Ograniczenie mikrospękań przez włókna Po 24h beton bez włókien beton z włóknami

14. Mechanizm ograniczenia mikrospękań Spękanie zatrzymywane na włóknie Mechanizm Cooka-Gordona

15. wytrzymałość resztkowa Włókno jako mikrozbrojenie – wzrost pracy zniszczenia kompozytu ASTM C-1116 ASTM C-1399 Wytrzymałość resztkowa >0,35 MPa lub > 20% wytrzymałości przy pierwszym pęknięciu

16. tworzenie nowych powierzchni wyciąganie, przewlekanie odrywanie Włókno jako mikrozbrojenie – wzrost pracy zniszczenia kompozytu Zerwane włókno PVA w zaczynie Mechanizm podwyższania pracy zniszczenia (energii pękania) Dodatkowe mechanizmy zwiększania pracy zniszczenia

17. Zmiany rezystywności kompozytów z włóknami przewodzącymi Włókna: stalowe, węglowe, szklane metalizowane? Vf < 1% Bing Chen, Keru Wu, Wu Yao: Cement and Concrete Composites 26, 291-297 (2004)

18. Zmiany rezystywności kompozytów z włóknami przewodzącymi Efekty maskujące zmiany rezystywności: Postęp hydratacji cementu, wypełniacz (np. piasek w zaprawach), wilgotność, … Bing Chen, Keru Wu, Wu Yao: Cement and Concrete Composites 26, 291-297 (2004)

19. Zmiany rezystywności kompozytów z włóknami przewodzącymi – obciążenia dynamiczne Sihai wei, Chung D.D.L.: Cement and Concrete Research 31, 665-667 (2001)

20. Zmiany rezystywności kompozytów z włóknami przewodzącymi – obciążenia dynamiczne System monitoringu obciążenia nawierzchni betonowej Zeng-Qiang Shi, Chung D.D.L. Cement and Concrete Research 29, 435-439 (1999)

21. Monitoring temperatury Zmiana rezystywności TEM Cung D.D.L. Applied Thermal Engineering 21, 1607-1619 (2001) Sun M., Li Z., Mao Q., Shen D. Cement and Concrete Research 28, 1707-1712 (1998)

22. Efekt Seebecka w kompozytach cementowych Sihai Wen, Chung D.D.L. Cement and Concrete Research 30, 661-664 (2000) Sihai Wen, Chung D.D.L. Carbon 40, 2495-2505 (2002)

23. Wypełniacze nieorganiczne z powłoką metaliczną mikrosfery, włókna szklane, mika, ... Shukla S., Seal S., Akesson J., Oder R., Carter R., Rahman Z. Applied Surface Science 181, 35-50 (2001) Jiang J., Gilbert M., Hitt D.J., Wilcox G.D., Balasubramanian K. Composites A33, 745-751 (2002)

24. Monitoring temperatury – przykład realizacji Sun M., Li Z., Liu Q., Tang Z., Shen D. Cement and Concrete Research 30, 1251-1253 (2001)

25. Efekt piezoelektryczny – obciążenia dynamiczne Małe możliwości wykorzystania Sun M., Liu Q., Li Z., Hu Y. Cement and Concrete Research 30, 1593-1595 (2000)

26. Zmiany stałej dielektrycznej – obciążenia dynamiczne Małe możliwości wykorzystania Wen S., Chung D.D.L. Cement and Concrete Research 32, 1429-1433 (2002)

27. Podsumowanie i wnioski Prace nad wykorzystaniem cementowych kompozytów multifunkcjonalnych wychodzą już poza fazę eksperymentalną i materiały takie znajdują coraz szersze zastosowanie. Przede wszystkim dotyczy to kompozytów cementowo-włóknistych z włóknami węglowymi, które oprócz typowych właściwości dla tego rodzaju kompozytów mogą generować sygnały elektryczne, proporcjonalne do oddziaływania otaczającego środowiska, np. naprężeń mechanicznych, temperatury, etc. Wskazuje to na możliwość zastosowania tego rodzaju materiałów do monitoringu stanu obiektów, ale również - w przyszłości - do sterowania pracą urządzeń, zapewniających komfort użytkowania budynków.

28. Dziękuję za uwagę