CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BTCT VÀ VẬT LIỆU SỢI COMPOSITE, CÁC PHƯƠNG PHÁP GİA CƯỜNG VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG DÁN TẤM SỢI COMPOSITE
1.5. CẤU TRÚC VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU SỢI
1.5.1. Cấu trúc vật liệu sợi Composite
- Vật liệu Composite do sự kết hợp của hai thành phần là cốt sợi và chất dẻo nền tạo nên.
- Vật liệu Composite có 2 thành phần: Cấu trúc nền và cấu trúc sợi. Cấu trúc vật liệu Composite được thể hiện trên (Hình 1.5).
Hình 1.5. Cấu trúc của vật liệu Composite (Fiber Reinforced Polymer - FRP)
❖ Cốt sợi
Trong vật liệu Composite chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu Composite phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:
- Mô đun đàn hồi cao;
- Cường độ tới hạn cao;
- Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn;
- Cường độ ổn định cao trong vận chuyển và;
- Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất.
Vật liệu Composite được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường được sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid.
a) Sợi Carbon (CFRP)
- Sợi carbon được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi được xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi carbon. Sản phẩm sợi tạo thành có các thay đổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác nhau.
- Để phân loại các loại sợi carbon khác nhau, dựa vào mô đun đàn hồi và ứng xử nhiệt như sau:
+ Phân loại dựa vào mô đun đàn hồi:
- Mô đuyn đàn hồi rất cao: loại sợi cacbon có mô đun >450Gpa;
- Mô đuyn đàn hồi cao: loại sợi carbon có mô đun từ 325-450 Gpa.
- Mô đuyn đàn hồi trung bình: loại sợi carbon có mô đun từ 200 đến 325Gpa;
- Mô đuyn đàn hồi và cường độ chịu kéo thấp: loại sợi carbon có mô đun <100 Gpa và cường độ chịu kéo >3 Gpa.
+ Phân loại dựa vào ứng xử với nhiệt độ:
- Loại I (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ cao): Kết hợp với mô đun đàn hồi cao (>20000C);
- Loại II (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ trung bình: Kết hợp với cường độ cao (>15000C và <20000C) và;
- Loại III (loại sợi cacbon ứng xử nhiệt độ thấp): Kết hợp với cường cường độ và mô đun đàn hồi thấp (<10000C).
Hiện nay, sợi carbon ngày càng sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng do chúng có các ưu điểm như cường độ cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống mài mòn cao xem (Bảng 1.1)
Bảng 1.1. Các đặc trưng loại sợi carbon khác nhau (Ameteau, 2003) Các loại
sợi cac bon
Mô đun đàn hồi kéo
(ksi)
Cường độ chịu kéo
(ksi)
Nước sản xuất Giá thành ($/pound)
AP38-500 33.000 500 Nhật $16
AP38-600 33.000 600 Nhật $24
AS2 33.000 400 Mỹ $24
Panex 33 33.069 522 Mỹ/ Hungary $26
F3C 33.069 551 Mỹ $26
T300 33.359 512 Mỹ/Pháp/Nhật $26
XAS 33.939 500 Mỹ $26
Celion 33.939 515 Mỹ $26
Celion ST 33.939 629 Mỹ $26
b) Sợi aramid (AFRP)
Là sợi hữu cơ tổng hợp có cường độ và độ cứng lớn hơn sợi thủy tinh. Chúng cũng có tính mỏi và từ biến tốt. Về mặt sản xuất, được sản xuất từ hợp chất tổng hợp poliamit thơm. Sợi aramid có mô đuyn đàn hồi trung bình, cường độ cao, trọng lượng nhẹ. Sợi aramid nhẹ hơn sợi thủy tinh khoảng 43% và 20% đối với sợi thủy tinh. Sợi aramid có 3 loại chính là Kevlar R49, Kevlar R29, Kevlar R.
c) Sợi thủy tinh (GFRP)
Có giá thành rẻ nhất so với hai loại sợi cacbon và sợi aramid. Sợi thủy tinh được sản xuất theo phương pháp nấu chảy từ dung dịch thủy tinh. Sợi thủy tinh có môđun đàn hồi và trọng lượng riêng trung bình, cường độ cao, có khả năng chống cháy ở nhiệt độ lên đến 4000C. Sợi thủy tinh có các loại E-glass, S-glass, C-glass, AR-glass, xem (Bảng 1.2)
Bảng 1.2. Các đặc trưng loại sợi thủy tinh khác nhau
Loại sợi thủy tinh
Tỷ trọng (g/cm3)
Cường độ chịu kéo
(ksi)
Mô đun đàn hồi (ksi)
Biến dạng dài (%)
E-glass 2.6 500 10.500 4.8
S-glass 2.49 665 12.600 5.4
C-glass 2.56 480 9.993 4.8
AR-glass 2.7 470 10.602 4.4
Bảng 1.3. So sánh đặc trưng ba loại sợi (Meier 1994)
Tiêu chuẩn
Loại sợi
Carbon Aramid Thủy tinh
Cường độ chịu kéo Rất tốt Rất tốt Rất tốt
Cường độ chịu nén Rất tốt Không tốt Tốt
Mô đun đàn hồi Rất tốt Tốt Trung bình
Ứng xử dài hạn Rất tốt Tốt Trung bình
Ứng xử mỏi Đặc biệt tốt Tốt Trung bình
Trọng lượng Tốt Đặc biệt tốt Trung bình
Sức kháng kiềm Rất tốt Tốt Không tốt
Giá thành Trung bình Trung bình Rất rẻ
Trong đó sợi carbon có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi thủy tinh và sợi aramid, giá thành khoảng 5-7 lần sợi thủy tinh. Sợi carbon nhẹ hơn và cường độ cao hơn khi so sánh với các sợi thủy tinh và aramid. Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt là mỏi và từ biến, hệ số giãn nở nhiệt thấp.
❖ Chất dẻo nền
Trong vật liệu Composite chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính. Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền :
- Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ;
- Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;
- Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường;
- Kết dính các sợi với nhau;
- Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu Composite;
- Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi;
Trong vật liệu Composite thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, còn cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu Composite thường sử dụng là Vinylester, epoxy, polyethylen.
+ Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi.
Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composit.
- Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và ít độc.
- Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn.
+ Vinylester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester.
- Ưu điểm của Vinylester là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao.
- Nhược điểm của Vinylester là có giá thành cao.
+ Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny ester. Những ưu điểm chính của epoxy bao gồm:
- Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa;
- Sức kháng rất tốt với sự thay đổi hóa học và;
- Dính bám với cốt sợi rất tốt.
Bảng 1.4. Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền (Coker2003)
Đặc trưng Epoxy Vinylester Polyester
Tỷ trọng (Ib/in3) 0.04-0.047 0.038-0.04 0.036- 0.052 Mô đun đàn hồi kéo (ksi) 350-870 465-520 400-490
Cường độ chịu kéo (ksi) 8-15 11.8-13 6-12
Cường độ chịu nén (ksi) 13-16 15-20 14.5-17
Mô đun đàn hồi (ksi) 360-595 410-500 460-490
Hệ số poisson 0.37 0.373 0.35-0.4