Zavedení
Polymer vyztužený vláknem (FRP), také fibre vyztužený plast, je kompozitní materiál vyrobený z polymerní matrice vyztužené vlákny. Vlákna jsou obvykle sklo, uhlík nebo aramid, i když někdy byla použita jiná vlákna, jako je papír nebo dřevo nebo azbest. Polymer je obvykle epoxidové, vinylester nebo polyesterové termosetové plasty a fenol formaldehydové pryskyřice se stále používají. FRP se běžně používají v leteckém, automobilovém, námořním a stavebním průmyslu.
Kompozitní materiály jsou vytvořeny nebo přirozeně se vyskytující materiály vyrobené ze dvou nebo více složek materiálů s výrazně odlišnými fyzikálními nebo chemickými vlastnostmi, které zůstávají v hotové struktuře oddělené a odlišné. Většina kompozitů má silná, tuhá vlákna v matrici, která je slabší a méně tuhá. Cílem je obvykle vytvořit složku, která je silná a tuhá, často s nízkou hustotou. Komerční materiál obvykle má skleněná nebo uhlíková vlákna v matricích založených na termosetových polymerech, jako jsou epoxidové nebo polyesterové pryskyřice. Někdy mohou být upřednostňovány termoplastické polymery, protože po počáteční produkci jsou formovatelné. Existují další třídy kompozitu, ve kterých je matrice kov nebo keramika. Z velké části jsou stále ve vývojové fázi, s problémy s vysokými výrobními náklady, které je třeba překonat. Kromě toho jsou v těchto kompozitech důvody přidání vláken (nebo v některých případech částice) často spíše složité; Například vylepšení lze hledat v dotvarování, opotřebení, odolnost proti zlomeninám, tepelné stabilitě atd.
Polymer vyztužený vlákny (FRP) jsou kompozity používané téměř v každém typu pokročilé inženýrské struktury, přičemž jejich použití v rozmezí od letadel, vrtulníků a kosmických lodí až po lodě, lodě a na moři a automobily, sportovním zboží, chemické zpracovatelské vybavení a občanskoprávní infrastruktura takové jako mosty a budovy. Použití kompozitů FRP stále roste působivě, protože tyto materiály se používají více na jejich stávajících trzích a jsou zavedeny na relativně nových trzích, jako jsou biomedicínské zařízení a občanské struktury. Klíčovým faktorem, který v posledních letech řídí zvýšené aplikace kompozitů, je vývoj nových pokročilých forem materiálů FRP. To zahrnuje vývoj ve vysoce výkonných pryskyřičných systémech a nové styly výztuže, jako jsou uhlíkové nanotrubice a nanočástice. Tato kniha poskytuje aktuální popis výroby, mechanických vlastností, odolnosti proti delaminaci, toleranci dopadu a aplikací 3D FRP kompozitů.
Kompozity zesílené polymery (FRP) jsou stále častěji považovány za vylepšení a/nebo nahrazují komponenty nebo systémy infrastruktury, které jsou konstruovány z tradičních stavebních materiálů, jmenovitě betonu a oceli. Kompozity FRP jsou lehké, nekorozivní, vykazují vysokou specifickou pevnost a specifickou tuhost, jsou snadno konstruovány a mohou být přizpůsobeny tak, aby splňovaly požadavky na výkon. Kvůli těmto výhodným charakteristikám byly kompozity FRP zahrnuty do nové konstrukce a rehabilitace struktur prostřednictvím jeho použití jako vyztužení v betonu, můstkových palubách, modulárních strukturách, bednění a vnějším posílení pro posílení a seismickou upgrade.
Použitelnost vlákniny vyztužených polymer (FRP) na betonové struktury jako náhrada za ocelové tyčinky nebo předpětí šlachy byla aktivně studována v mnoha výzkumných laboratořích a profesních organizacích po celém světě. Posílení FRP nabízí řadu výhod, jako je odolnost proti korozi, nemagnetické vlastnosti, vysoká pevnost v tahu, lehká a snadná manipulace. Obecně však mají lineární elastickou reakci v napětí až po selhání (popsané jako křehké selhání) a relativně špatnou příčnou nebo smykovou odolnost. Mají také špatnou odolnost vůči požáru a jsou vystaveny vysokým teplotám. Při ohýbání ztratí významnou sílu a jsou citlivé na účinky na účinky na stres. Kromě toho jsou jejich náklady, ať už uvažovány na jednotku hmotnosti nebo na základě účetní kapacity síly, ve srovnání s konvenčními ocelovými tyčinkami nebo předpětí. Z pohledu strukturálního inženýrství je nejzávažnějšími problémy s výztuží FRP nedostatek plastového chování a velmi nízká pevnost smyku v příčném směru. Takové charakteristiky mohou vést k prasknutí předčasné šlachy, zejména pokud jsou přítomny kombinované účinky, například u rovin s střihováním v zesílených betonových paprscích, kde existuje působení hmoždinek. Účinek hmoždinek snižuje zbytkový tah a smykový odpor v šlaži. Byla nabízena řešení a omezení použití a v budoucnu se očekává neustálá zlepšení. Očekává se, že jednotkové náklady na posílení FRP se výrazně sníží se zvýšeným podílem na trhu a poptávkou. Dokonce i dnes však existují aplikace, kde jsou výztuhy FRP nákladově efektivní a ospravedlnitelné. Takové případy zahrnují použití vázaných listů nebo desek FRP při opravě a posilování betonových struktur a použití FRP sítí nebo textilu nebo tkanin v tenkých cementových výrobcích. Náklady na opravu a rehabilitaci struktury jsou vždy relativně podstatně vyšší než náklady na počáteční strukturu. Oprava obecně vyžaduje relativně malý objem opravných materiálů, ale relativně vysoký závazek v práci. Náklady na práci ve vyspělých zemích jsou navíc tak vysoké, že náklady na materiál se stávají sekundární. Nejvyšší výkon a trvanlivost opravného materiálu je tedy oprava, tím je nákladově efektivnější. To znamená, že náklady na materiál ve skutečnosti nejsou problémem oprav a že skutečnost, že materiály oprav FRP jsou nákladné, není omezující nevýhodou.
Při zvažování pouze energie a materiálů se objeví na povrchu argument pro kompozity FRP v udržitelném postaveném prostředí sporný. Takový závěr však musí být vyhodnocen z hlediska možných výhod přítomných při používání kompozitů FRP souvisejících s úvahami, jako jsou:
Vyšší síla
Lehčí hmotnost
Vyšší výkon
Delší trvalé
Rehabilitace stávajících struktur a prodloužení jejich života
Seismické upgrady
Obranné systémy
Vesmírné systémy
Oceánské prostředí
V případě kompozitů FRP se zdá, že environmentální obavy jsou překážkou pro jeho proveditelnost jako udržitelný materiál, zejména při zvažování vyčerpání fosilních paliv, znečištění ovzduší, smogu a okyselení spojené s jeho produkcí. Kromě toho je schopnost recyklovat kompozity FRP omezená a na rozdíl od oceli a dřeva nelze strukturální složky znovu použít k provedení podobné funkce v jiné struktuře. Hodnocení dopadu kompozitů FRP na životní prostředí v aplikacích infrastruktury, konkrétně prostřednictvím analýzy životního cyklu, však může odhalit přímé a nepřímé výhody, které jsou konkurenceschopnější než konvenční materiály.
Od té doby, co byly poprvé představeny, se kompozitní materiály velmi vyvinuly. Předtím, než lze kompozitní materiály použít jako alternativu k konvenčním materiálům v rámci udržitelného prostředí, zůstává řada potřeb.
Dostupnost standardizovaných údajů o charakterizaci trvanlivosti pro kompozitní materiály FRP.
Integrace údajů o živočistotě a metod pro předpověď životnosti konstrukčních členů využívajících kompozity FRP.
Vývoj metod a technik pro výběr materiálů na základě hodnocení konstrukčních složek a systémů na základě hodnocení životního cyklu.
Nakonec, aby byly kompozity skutečně považovány za životaschopnou alternativu, musí být strukturálně a ekonomicky proveditelné. V literatuře jsou široce dostupné mnoho studií týkajících se strukturální proveditelnosti kompozitních materiálů. Jsou však k dispozici omezené studie o hospodářské a environmentální proveditelnosti těchto materiálů z pohledu přístupu životního cyklu, protože jsou k dispozici krátkodobé údaje nebo se ve srovnání zvažuje pouze ekonomické náklady. Kromě toho je třeba určit dlouhodobé účinky používání kompozitních materiálů. Aby bylo možné určit kompozitní materiály, je třeba posoudit vedlejší produkty výroby, udržitelnost základních materiálů a potenciál recyklovat kompozitní materiály. Proto v této kapitole popište fyzikálně -chemické vlastnosti polymerů a kompozitů více používaných ve stavebnictví. Téma bude řešeno v jednoduchém a základním pro lepší porozumění.
