OTKA F61685 SZÁLERŐSÍTÉSŰ POLIMER (FRP) BETÉTEK TAPADÁSA BETONBAN. Összefoglaló szakmai beszámoló

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM (BME) ÉPÍTŐ MÉRNÖKI KAR ÉPÍTŐANYAGOK ÉS MÉRNÖKGEOLÓGIA TANSZÉK 1111 Budapest, XI., Műegyetem rkp. 3. SZÁLERŐSÍTÉSŰ POLIMER (FRP) BETÉTEK TAPADÁSA BETONBAN Összeoglaló szakmai beszámoló Témavezető: Dr. Borosnyói Adorján adjunktus Tanszékvezető: Dr. Balázs L. György egyetemi tanár 29. május 2.

2 Tartalomjegyzék 1. A KUTATÁS CÉLJA ELÉRT EREDMÉNYEK AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTHATÓSÁGA A KUTATÁSI TÉMA TOVÁBBI LEHETSÉGES IRÁNYAI

3 1. A KUTATÁS CÉLJA Vasbetonszerkezetek acélbetéteinek tapadása (együttdolgozása) meghatározó jelentőségű a szerkezeti elemek teherbírása és használhatósága szempontjából. Az acélbetéteknél tapasztalható korróziós károsodások miatt megjelentek a nem acél anyagú betétek, amelyeknél az elektrolitikus korrózió kizárt. Ezek szálerősítésű polimer (FRP) betétek, amelyeknek nem csak anyagi tulajdonságaik, hanem tapadásuk a betonban is eltér a hagyományos acélbetétekétől. Jelen kutatási program hiánypótló jelleggel olyan laboratóriumi vizsgálatokat végzett el, amelyek az FRP betétek betonnal való együttdolgozásából származtathatók, így a szerkezettervezés számára elengedhetetlen alapadatokat szolgáltatnak. A kutatási program közvetlenül kapcsolódik a témavezető PhD kutatásaihoz is. A kutatás célkitűzései voltak: 1) Jellegzetes elületi kialakítású FRP betétek tapadásának vizsgálata ikus rövid idejű terhelés alatt. 2) Minimális betonedés vizsgálata beton próbatesteken erőátadódási szempontok alapján. 3) Magas hőmérséklet hatásának vizsgálata FRP betétek tapadására. 2. ELÉRT EREDMÉNYEK A kutatási program megvalósítása során világossá vált, hogy a célkitűzésben megogalmazott munkarészek akkor adnak igazán értékes, nemzetközi szinten is újszerű eredményeket, ha azokat elhasználva, kombinált vizsgálatokat is elvégzünk. Ezért került sor a kombinált vizsgálatok elvégzésére és a kísérleti paraméterek körének kibővítésére annak ellenére, hogy a munkatervben azok nem szerepeltek, és a laboratóriumi munka időtartamát jelentősen meg is növelték. A laboratóriumi vizsgálatok 28. év végére ejeződtek be, és az utolsó vizsgálati eredmények kiértékelése ekkor kezdődhetett. Az elhúzódó laboratóriumi vizsgálatok következtében a publikációs tevékenység a kutatási program lezárása után, most indul, és az eredmények egyediségére való tekintettel számos nemzetközi olyóirathoz kéziratot ogunk benyújtani a közeli hónapokban. 2.1 Jellegzetes elületi kialakítású FRP betétek tapadásának vizsgálata ikus rövid idejű terhelés alatt Kísérleteinkhez mm névleges átmérőjű, homokhintett elületű, szénszálas polimer eszítőhuzalokat használtunk el (gyártó: NEDRI, Hollandia). Ez ugyanaz a termék, amelyet a témavezető a PhD kutatásai során már laboratóriumi vizsgálatokban tanulmányozott. A termék (Carbon- Stress ) anyagjellemzői a gyártó adatszolgáltatása szerint a következők: Húzószilárdság: Carbon-Stress AS: 27 N/mm 2 Szakítóerő: mm Carbon-Stress AS: kn Rugalmassági modulus: E = 1 kn/mm 2 16 kn/mm 2 (száltartalomtól üggően) Szakadónyúlás: Carbon-Stress AS: 1,7 % 2

4 Poisson tényező: ν =,3 (ikus húzókísérletek alapján) Tartós szilárdság: a Carbon-Stress több éves tartós terhelés mellett sem mutatott szilárdságvesztést Fáradás: első teherszint,7 pu,8 pu eszültségamplitúdó 9 N/mm 2 6 N/mm 2 ismétlésszám >2 1 6 >2 1 6 Relaxáció: 2 C-on,,7 pu teherrel 1 óra alatt a relaxáció 1% Kúszás:,8 pu teherrel 3 óra alatt a kúszás,1% Erőátadódási hossz: homokszórt elületű mm betétek, l bp = 8 1 mm Hőtágulás: tengelyirányú hőtágulási együttható +,2 1-6 m/m/ C keresztirányú hőtágulási együttható m/m/ C A elsorolt anyagjellemzőket a kísérleti program során nem mértük, vizsgálataink a tapadási jellemzőkre szorítkoztak. A ikus kihúzó vizsgálatokhoz olyan próbatest-geometriát alkalmaztunk, amely mellett elhasadásos (elkerülendő) tönkremenetel nem jött létre, azaz a betonedés nagy volt (c min = 1 ). A vizsgálatokhoz azonos cementtel készített, cm = 3 9 N/mm 2 átlagos nyomószilárdságú kvarckavics betonokat használtunk el. A vizsgálatok igazolták azokat a szakirodalomban bemutatott, más kialakítású FRP betéteken tapasztalt jelenségeket, amelyek a tapadási jellemzőknek és a beton nyomószilárdságának az egyértelmű összeüggésére utalnak. E jellegzetességeket mutatja sematikusan az 1. ábra. Az ábrán kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagramok alakhelyes görbéit illusztráljuk, amelyek jelen kutatási program vizsgálati eredményei (az ábra magyarázó jellegénél ogva a diagramtengelyeken nincs skála). b = ( cm ) b b br = ( cm ) s s s cm = 3 N/mm 2 cm = 62 N/mm 2 cm = 87 N/mm 2 1. ábra. Jellegzetes kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagramok Szakirodalmi orrások általában a következő alakban adják meg a kapcsolati szilárdság ( ) és a maradó kapcsolati szilárdság ( br ) értékét: = k és 1 cm br = k 2 b, max. 3

5 Jelen kutatási program eredményei szerint a megvizsgált, homokhintett elületű, szénszálas polimer eszítőhuzalokra vonatkozóan, cm = 3 9 N/mm 2 beton nyomószilárdsági tartományban a kapcsolati szilárdság ( ) és a maradó kapcsolati szilárdság ( br ) értéke elírható a következő alakban (2 C-on, ikus kihúzó vizsgálatra vonatkozóan): = 1,4 és cm br =, 6 b, max. Az eredmények graikus összeoglalását a 2. ábrán mutatjuk be. Megigyelhető, hogy a = k ( cm ), alakú üggvénykapcsolat nem ideális. 16 A betonedés hatékonyságának egyik lehetséges laboratóriumi vizsgálati módja a betontestben külpontosan elhelyezett betétek kihúzó vizsgálata. Ekkor az egyik oldali betonedés sokkal kib, max, br (N/mm 2 ) br =, 6 = 1,4 cm cm (N, /mm) ábra. Kapcsolati szilárdság, maradó kapcsolati szilárdság és betonszilárdság összeüggése Megjegyzés: egy adatpont öt vizsgálati eredmény átlaga 2.2 Minimális betonedés vizsgálata beton próbatesteken erőátadódási szempontok alapján Vasbeton szerkezetekben a betétek és a beton erőátadódási mechanizmusa olyan igénybevételeket is ébreszt (a betétek körüli gyűrűirányú húzás ormájában, 3. ábra), amelyek a vasbeton szerkezet elhasadásos tönkremenetelét, szétesését eredményezhetik. Ez ellen az egyik védekezési mód a megelelő betonedés alkalmazása. húzóeszültség 3. ábra. Húzóeszültségek megoszlása húzott betét körüli betonban (Eckeldt, 28) 4

6 sebb, mint a próbatest többi oldalán alkalmazott betonedés, így ezzel a elhasadással járó tönkremenetel irányítható, és a elhasadásos tönkremenetelt eredményező minimális betonedés megkereshető. A elhasadásos tönkremenetel jellegzetesen a bordás betétek erőátadódási mechanizmusának a következménye, és a elhasadásos tönkremenetel bekövetkezésének kockázata a relatív bordaelület mértékének üggvénye. A jelen kutatási programban megvizsgált, homokhintett elületű, szénszálas polimer eszítőhuzalok nagy erőket képesek lehorgonyozni, kis erőátadódási hossz mellett, ami nagy átlagos kapcsolati eszültség kialakulását eredményezi. A elhasadás jelenségének tanulmányozása ezért indokolt. A témavezető korábbi vizsgálati tapasztalatai azt igazolták, hogy ezekkel a eszítőhuzalokkal, c min = 2, betonedés alkalmazása mellett (ahol a CFRP huzalok névleges átmérője), cm = 6 N/mm 2 nyomószilárdságú betonnal készíthetők előreeszített gerendák, amelyeknél elhasadás sem a eszítőerő ráengedésekor, sem terhelés közben nem alakul ki. Jelen kutatási program során cm = 3 9 N/mm 2 beton nyomószilárdsági tartományban, a betonedés mértékét c min = 1 2 (azaz mm 1 mm) értékek között változtatva végeztük el a kihúzó vizsgálatokat (ahol a CFRP huzalok névleges átmérője). A vizsgálatok arra az eredményre vezettek, hogy a betonedés mértéke nem beolyásolja a kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagramokat, és elhasadást a legkisebb betonedések alkalmazása esetén sem sikerült elérni. Az eredmények a gyakorlat számára hasznos inormációt szolgáltattak. 2.3 Hőmérséklet hatása az FRP betétek tapadására A kísérleti programot úgy állítottuk össze (az eredeti munkatervet kibővítve), hogy a betonszerkezetek teljes használati hőmérséklet tartományára vonatkozóan kapjunk eredményeket, azért a ikus kihúzó vizsgálatokat elvégeztük 2 C és +6 C hőmérsékleteken is. A kihúzó vizsgálatok kiegészítéseként a beton nyomószilárdság vizsgálatát is elvégeztük ezeken a vizsgálati hőmérsékleteken. Úgy találtuk, hogy a betonszilárdság-hőmérséklet kapcsolatra közismert összeüggések megelelő pontossággal leírják a jelenséget. Ennek szemléltetését (példaként a CEB- FIP Model Code 199 javaslatára vonatkozóan) a 4. ábrán láthatjuk. 1 cm (N/mm 2 ) CEB-FIP MC9 hőmérséklet ( C) ábra. Vizsgálati hőmérséklet és beton nyomószilárdság összeüggése Megjegyzés: egy adatpont öt vizsgálati eredmény átlaga

7 A jelen kutatási programban megvizsgált, homokhintett elületű, szénszálas polimer eszítőhuzalok kapcsolati szilárdsága ( ) és a vizsgálati hőmérséklet közötti összeüggést az. ábrán szemléltetjük. Feltételezve, hogy a jelenséget = k ( cm ), alakú üggvénykapcsolat írja le, azt találjuk, hogy: = 2,3 2 C vizsgálati hőmérséklet esetén cm = 1,4 cm = 1,1 cm +2 C vizsgálati hőmérséklet esetén (2. ábra) +6 C vizsgálati hőmérséklet esetén Az. ábrán is megigyelhető, hogy a = k ( cm ), alakú üggvénykapcsolat nem ideális a jelenség leírására b, max (N/mm 2 ) b, max (N/mm 2 ) C 1 +2 C +6 C cm (N, /mm) cm (N, /mm) ábra. Vizsgálati hőmérséklet és kapcsolati szilárdság ( ) összeüggése A 6. ábrán jellegzetes kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagramokat mutatunk be a három betonszilárdságra vonatkozóan. 2 b (N/mm 2 ) 2 b (N/mm 2 ) 2 b (N/mm 2 ) 2 C +2 C +6 C s (mm) s (mm) s (mm) ábra. Vizsgálati hőmérséklet és kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagramok 6

8 2.4 Terhelési sebesség hatása az FRP betétek tapadására Mivel a tartószerkezeteket az esetek többségében nem ikus terhelés éri, ezért szükségesnek éreztük, hogy a tapadási jellemzők és a terhelési sebesség összegüggésének tanulmányozásával is kiegészítsük az eredeti munkatervet. Megvizsgáltuk, hogy milyen terhelési sebesség tekinthető még normál használati tehernek, ugyanis a rendkívül nagy terhelési sebességeket, amelyek általában robbanás vagy becsapódás következtében alakulnak ki, nem szándékoztuk jelen kutatási program keretein belül tanulmányozni. Az 1. táblázatban Reinhardt (1987) nyomán összeoglaltuk a lökésszerű terhek terhelési sebességeit. Teher típusa Terhelési sebesség, (s -1 ) Közlekedési terhek Gázrobbanás Földrengés Cölöpverés Repülőgép becsapódás Kemény becsapódás Nagy sebességű becsapódás táblázat. Lökésszerű terhek terhelési sebességei (Reinhardt, 1987) Vizsgálatainkban a terhelési sebességet (mind a kihúzó vizsgálatokhoz, mind pedig a kapcsolódó nyomószilárdság vizsgálatokhoz) a következő lépcsőkben alkalmaztuk: 4, s -1 1, s -1 4, s -1 1, s -1 2, s -1 4, s -1 4, s -1 Az alkalmazott terhelési sebességek ezerszeres terhelési sebesség változás vizsgálatát tették lehetővé, és egyben leedték a még normál használati tehernek tekinthető tartományt. Vizsgálataink során olyan üggvénykapcsolatot találtunk a beton nyomószilárdsága és a terhelési sebesség között, amely pontosabban írja le a jelenséget, mint a szakirodalomban található más javaslatok (pl. CEB-FIP Model Code 199). A üggvénykapcsolat alakja a következő: c, = ε & n ahol: 1 c, n = 7 + (1) 22 c beton nyomószilárdsága lökésszerű teher alatt (N/mm 2 ) c, beton nyomószilárdsága ikus teher alatt (N/mm 2 ) c = 1 N/mm 2 lökésszerű teher terhelési sebessége (s -1 ) ikus teher terhelési sebessége (s -1 ) Az összeüggést a kísérleti program három betonösszetételére vonatkozóan a 7. ábrán szemléltetjük graikus ormában. 7

9 1,8 1,6 c, javasolt üggvénykapcsolat 1,4 1,2 1 & ε ábra. Beton nyomószilárdság és terhelési sebesség összeüggése A 8. ábrán jellegzetes kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagramokat mutatunk be a három betonszilárdságra, illetve két-két terhelési sebességre vonatkozóan b (N/mm 2 ) +2 C b (N/mm 2 ) +2 C b (N/mm 2 ) C = 4, s -1 1 = 4, s -1 1 = 4, s -1 4 s -1 = 1,16 1 = 1, s -1 = 1, s -1 s (mm) s (mm) s (mm) ábra. Terhelési sebesség és kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagramok 2. Kombinált vizsgálatok: a terhelési sebesség és a hőmérséklet együttes hatása az FRP betétek tapadására Az elvégzett vizsgálatok rámutattak, hogy a vizsgálati hőmérséklet és a terhelési sebesség egyaránt szigniikáns hatást gyakorol a tapadási jellemzőkre, ezért a vizsgálatok további részében e két vizsgálati paraméter együttes hatását tanulmányoztuk. 8

10 A vizsgált betonok nyomószilárdságának változását a vizsgálati hőmérséklet és a terhelési sebesség üggvényében a 9. ábrán adjuk meg cm,imp (N/mm 2 ) cm,imp (N/mm 2 ) cm,imp (N/mm 2 ) 2 C 1 +2 C 1 +6 C (s -1 ) (s -1 ) (s -1 ) ábra. Beton nyomószilárdság, vizsgálati hőmérséklet és terhelési sebesség összeüggése 1,8 1,6 c, 2 C 1,8 1,6 c, +2 C 1,8 1,6 c, +6 C 1,4 1,4 1,4 1,2 1,2 1, ábra. Beton nyomószilárdság, vizsgálati hőmérséklet és terhelési sebesség összeüggése Vizsgálataink során úgy találtuk, hogy a korábban bemutatott üggvénykapcsolat, amelyet a beton nyomószilárdsága és a terhelési sebesség között találtunk, alkalmas a jelenség leírására +2 C vizsgálati hőmérsékleten kívül is. Ennek illusztrálását a 1. ábrán láthatjuk. Megigyelhető ebben az ábrázolási módban, hogy a megtalált üggvénykapcsolat jól követi a mérési eredményeket. Az (1) jelű összeüggés tehát átírható a következő, általános alakra: 9

11 c, ( T ) = ( ) 2 C n ahol: n = 1 22 c, ( 2 C) 7 + c (2) (T) beton nyomószilárdsága lökésszerű teher alatt, T = 2 C +6 C hőmérsékleten c, (2 C) beton nyomószilárdsága ikus teher alatt, T = +2 C hőmérsékleten (N/mm 2 ) c = 1 N/mm 2 lökésszerű teher terhelési sebessége (s -1 ) ikus teher terhelési sebessége (s -1 ) A kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagramoknak a vizsgálati hőmérséklet és a terhelési sebesség változtatására bekövetkező érzékenyen reakciójának megigyelése érdekében célszerű, ha jellegzetes pontjaik változását ábrázoljuk a kísérleti paraméterek üggvényében. A legegyszerűbben kijelölhető jellegzetes pontok a következők (11. ábra): a kapcsolati merevség ( b / s), a kapcsolati szilárdság ( ), a maradó kapcsolati szilárdság ( br ). b br s b s 11. ábra. Kapcsolati eszültség ( b ) relatív elmozdulás (s) diagram jellegzetes pontjai A ábrán bemutatjuk a vizsgálati eredményeket. Megigyelhető, hogy a tapadási jellemzők változását a betonban és a szénszálas huzalban lejátszódó jelenségek egyaránt beolyásolják. A kapcsolati merevség ( b / s) változása a legkevésbé érzékeny a terhelési sebességre a nagyszilárdságú betonkeverék esetén és leginkább érzékeny a terhelési sebességre a kis szilárdságú betonkeverék esetén, míg a vizsgálati hőmérséklettől csak a beton nyomószilárdság változásán keresztül ügg (12. ábra). A kapcsolati szilárdság ( ) esetén mindhárom betonkeveréknél azt igyelhetjük meg, hogy mindkét kísérleti paraméter hatása erős (13. ábra). Ebből az is következik, hogy a kapcsolati szilárdság érzékenyebben követi a hőmérsékletváltozást, mint a beton nyomószilárdsága önmagában. A maradó kapcsolati szilárdságok ( br ) eredményei mutatják a legnagyobb szórást, de a megigyelések itt is hasonlóak (14. ábra). 1

12 ,,4 b,imp ( T ) s ( T ),,4 b,imp ( T ) s ( T ),,4 b,imp ( T ) s ( T ),3,3,3,2,2,2,1,1,1 2 C +2 C C & ε ábra. Kapcsolati merevség, vizsgálati hőmérséklet és terhelési sebesség összeüggése,,4,imp,,4,imp,,4,imp,3,3,3,2,1,2,2 2 C +2 C,1, C & ε ábra. Kapcsolati szilárdság, vizsgálati hőmérséklet és terhelési sebesség összeüggése 11

13 ,3,2 br,imp,3,2 br,imp,3,2 br,imp,2,2,2,1,1,1,1,1,1,,, 2 C +2 C +6 C ábra. Maradó kapcsolati szilárdság, vizsgálati hőmérséklet és terhelési sebesség összeüggése 3. AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTHATÓSÁGA Jelen kutatási program egyes eredményei közvetlenül hasznosíthatók a gyakorlatban, illetve elősegítik a tapadás jelenségének részletesebb megigyelését és pontosabb modellezését. A kutatási eredmények segíthetik a szénszálas polimer eszítőbetétekkel készülő betonszerkezetek tervezési módszereinek pontosítását, a használati hőmérséklet és a terhelési sebességek igyelembe vételén keresztül. A tapadás jelenségének pontosabb megismerésével a kutatási eredmények elősegíthetik optimális elületi kialakítású szénszálas polimer eszítőbetétek ejlesztését. 4. A KUTATÁSI TÉMA TOVÁBBI LEHETSÉGES IRÁNYAI Jelen kutatási program elvei további kutatásokban is célszerűen elhasználhatók, és más anyagú, illetve más elületi kialakítású szálerősítésű polimer (FRP) betétek tapadásának vizsgálatát, valamint azok optimális kialakításának ejlesztését segíthetik elő. A tapadás kutatása betonban alapvető jelentőségű: a tapadás minősége és mechanizmusa közvetlen hatást gyakorol a szerkezeti elemek viselkedésére használhatósági és tönkremeneteli határállapotban egyaránt. A jelen kutatási programban tanulmányozott vizsgálati paramétereken kívül célszerű és szükséges a szálerősítésű polimer (FRP) betétek tapadásának vizsgálata tartós terhelés alatt és árasztó terhelés alatt is, lehetőség szerint kombinált vizsgálatokkal (hőmérsékleti hatások és a tartósságot, kémiai ellenállást beolyásoló hatások egyidejű jelenlétével). 12