Interlaminární smyková pevnost FRP výztuže – experimentální studie
V článku je představena upravená konfigurace zkoušky podélného smyku kompozitních prutů vycházející z normy ASTM D 4475. Cílem experimentálního programu je ověření možnosti použití zkoušky tříbodovým ohybem k hodnocení kvality pryskyřice a kontaktu pryskyřice/vlákno. Studie se zaměřuje na stanovení vlivu vzdálenosti podpor zkušebního zařízení na vypočtenou pevnost v podélném smyku. Charakteristiky pryskyřice jsou ve velké míře ovlivněny působením alkalického prostředí. Odolnost pryskyřice a kontaktu pryskyřice/vlákno vystavené těmto vlivům byla pomocí řešené zkoušky rovněž určena. Na obou testovaných typech kompozitní výztuže byl vypozorován vliv alkalického prostředí na interlaminární smykovou pevnost FRP prutů.
Článek byl oceněn a vydán v rámci 21. ročníku odborné konference doktorského studia Juniorstav.
1 Úvod
Matrice kompozitních prutů hraje důležitou roli při ochraně nosných vláken před okolním agresivním prostředím, a především pomáhá přenášet napětí mezi jednotlivými vlákny. Kvalita matrice však může být v průběhu životnosti konstrukce výrazně ovlivněna působením alkalického prostředí. Kromě zkoušky příčným smykem (střihem) je možné určit charakteristiky matrice, a především kontaktu matrice/vlákno pomocí zkoušky interlaminárního (podélného) smyku. Podstatou této zkoušky je vyvození takového stavu napětí, při kterém v prutovém vzorku dojde k usmyknutí jednotlivých vrstev (vytvoření podélné trhliny rovnoběžné se směrem vláken – tj. kolmo na směr zatěžování). Konfigurace zatěžovací zkoušky a její provedení je uvedeno v normě ASTM D 4475 [1], kdy je tato zkouška provedena jako tříbodový ohyb s velmi krátkým rozponem vzorku mezi podporami (v rozmezí 3–6 průměrů zkušebního vzorku). Výhodou zkoušky interlaminárního smyku je testování na velmi malých vzorcích, nízká časová náročnost (předepsaná doba zkoušky se musí pohybovat mezi 20 až 200 sekundami) a také absence dalších zařízení, která jsou používaná jednorázově (např. kotevní koncovky v případě tahovou zkoušek).
Důležitým faktorem potenciálně negativně ovlivňujícím dlouhodobé vlastnosti kompozitu je, kromě hladiny a charakteru působícího zatížení, také alkalické prostředí betonu, vlhkost a teplota, které obecně snižují tahovou pevnost FRP výztuží, např. [2] a [3].
V zahraničí byla zkouška interlaminárního smyku použita v omezeném rozsahu pro určení charakteristik různých druhů matric [4] a také k určení vlivu degradace okolního prostředí na vlastnosti matrice [5]. V uvedených studiích je však zkouška interlaminárního smyku použita jen okrajově pro hodnocení kvality matrice. Ani jedna z dostupných studií se nezabývá komplexním hodnocením vlivu změny parametrů zkoušky (např. vzdálenosti podpor) na výslednou interlaminární smykovou pevnost. Norma ASTM D 4475 [1] pouze uvádí, že je podélná smyková únosnost u většiny materiálů funkcí rozpětí podpor a měla by být tudíž uváděna.
2 Experimentální program
Cílem experimentálního programu je určení podélné smykové pevnosti dvou typů GFRP výztuží. Testována byla GFRP výztuž průměru 10 mm složená z E-CR vláken (hmotnostní podíl 80 %) a epoxidové matrice a také výztuž s vinyl esterovou matricí, viz Tab. 1 a Tab. 2.
Pro určení vlivu zásaditého prostředí na degradaci byly některé vzorky uloženy po definovaný čas v alkalickém roztoku, který byl připraven dle CSA S806-12 [6] ve složení 118,5 g Ca(OH)2, 0,9 g NaOH a 4,2 g KOH v 1 litru deionizované vody. Roztok dle [6] simuluje prostředí betonu. Pro zvýšení rychlosti degradace byl roztok temperován. Hodnoty pH se u všech sledovaných uložení vzorků pohybovaly v intervalu 12,66–12,97. Podrobněji o experimentálním programu degradace GFRP výztuží alkalickým prostředím viz [3].
Vzdálenost podpor zkoušky byla zvolena s ohledem na požadovaný způsob porušení, tj. trhlinou rovnoběžnou se směrem nosných vláken (kolmo na směr zatížení). Při zatěžování musí být vzorek zabezpečen proti pohybu ve vodorovném směru, v podporách mu však musí být umožněno se volně pootáčet. K tomuto účelu jsou v ASTM D 4475 [1] podpory opatřeny válečky s drážkou, které jsou vyměnitelné a průměr jejich vnitřních zářezů se shoduje s vnějším průměrem vzorku. Zkušební zařízení také musí umožňovat nastavení vzdálenosti podpor.
| Pruty | Vlákna | Matrice | Povrchová úprava | Degradace |
|---|---|---|---|---|
| GFRP.E.EP.10 | E sklo | epoxid | opískování + nylonové vinutí | 42 dní |
| GFRP.E.VE.10 | E sklo | vinyl ester | opískování + lněné vinutí | 650 dní |
| Pruty | Střední tahová pevnost [MPa] ± sm. odchylka | Střední modul pružnosti [GPa] ± sm. odchylka | Střední pevnost v příčném smyku [MPa] ± sm. odchylka |
|---|---|---|---|
| GFRP.E.EP.10 | 1018,8 ± 5,2 | 52,2 ± 0,3 | 188,7 ± 7,3 |
| GFRP.E.EP.10.d42.20 | 1015,3 ± 9,3 | 52,5 ± 0,1 | 241,0 ± 7,4 |
| GFRP.E.EP.10.d42.40 | 1017,6 ± 13,6 | 52,2 ± 0,7 | 234,4 ± 12,1 |
| GFRP.E.EP.10.d42.60 | 987,5 ± 39,1 | 52,5 ± 0,5 | 223,9 ± 14,1 |
| GFRP.E.VE.10 | 881,4 ± 8,6 | 48,9 ± 2,2 | 131,0 ± 3,2 |
| GFRP.E.VE.10.d650.20 | 662,1 ± 35,7 | 49,7 ± 0,7 | 122,0 ± 3,9 |
| GFRP.E.VE.10.d650.40 | 612,1 ± 31,8 | 49,4 ± 0,5 | 121,3 ± 6,4 |
| GFRP.E.VE.10.d650.60 | 590,4 ± 42,8 | 50,3 ± 1,1 | 118,6 ± 4,8 |
Obr. 1 K větě o vzájemnosti smykových napětí
Podélnou smykovou pevnost Su lze vypočítat za předpokladu vzájemnosti smykových napětí, viz Obr. 1. Smyková napětí působící ve vzájemně kolmých řezech kolmo k jejich průsečnici jsou stejně velká a orientována k průsečnici (τxy = τyx). Pro kruhový průřez dále platí, že maximální hodnota smykového napětí je na neutrální ose a převyšuje průměrné napětí o jednu třetinu, Obr. 2. Dosazením velikosti posouvající síly do vztahu pro výpočet smykového napětí na kruhovém průřezu vznikne vztah pro výpočet podélné smykové pevnosti uvedený v ASTM D 4475 [1], kde P je působící síla a d je průměr prutu.
(1)
Obr. 2 Průběh posouvajících sil a smykového napětí na vzorku kruhového průřezu
Konfigurace zkoušky uvedená v ASTM D 4475 [1] byla modifikována. Válečky byly nahrazeny zahnutou tyčovou ocelí s vnitřním poloměrem ohybu shodným s poloměrem testované výztuže, viz Obr. 3. Tato úprava snižuje náklady na pořízení zkušebního zařízení a také umožňuje testování vzorků s malou vzdáleností podpor.
Obr. 3 Konfigurace zkoušky (vlevo) a vytvoření podélné trhliny (vpravo)
3 Výsledky
Podélná smyková únosnost byla určena na vzorcích bez degradace i na vzorcích vystavených působení zásaditého roztoku v celkovém počtu 82 vzorků, viz Tab. 3. Pro urychlení degradace byl roztok zahříván na 20 °C, 40 °C a 60 °C. Pouze jeden ze vzorků se porušil nežádoucím způsobem (ohybem), tento vzorek je vyřazen z vyhodnocení. Kromě vlivu zásaditého prostředí na smykovou únosnost byl stanoven vliv vzdálenosti podpor. K tomuto účelu byly testovány sady o rozpětí podpor v celém doporučeném rozsahu, tedy 3d–6d. Porušení vzorku interlaminárním smykem je patrné z Obr. 3.
| Pruty | Vzdálenost podpor | Pevnost v interlaminárním smyku Su [MPa] | Způsob porušení | Úroveň degradace | |
|---|---|---|---|---|---|
| GFRP.E.EP.10 | 3d | 68,26 | 66,12 ± 1,87 | IS | – |
| 66,99 | IS | ||||
| 64,10 | IS | ||||
| 64,18 | IS | ||||
| 67,07 | IS | ||||
| 4d | 64,69 | 63,22 ± 2,28 | IS | ||
| 59,18 | IS | ||||
| 64,27 | IS | ||||
| 63,76 | IS | ||||
| 64,18 | IS | ||||
| 5d | 60,46 | 60,46 ± 3,29 | IS | ||
| 62,49 | IS | ||||
| 62,59 | IS | ||||
| 55,61 | IS | ||||
| 6d | 56,37 | 54,94 ± 2,31 | IS | ||
| 55,72 | IS | ||||
| 56,16 | IS | ||||
| 48,06 | O | ||||
| 51,50 | IS | ||||
| GFRP.E.EP.10.d42.20 (degradace po dobu 42 dní při 20 °C) | 3d | 66,73 | 64,69 ± 2,62 | IS | − 2 % |
| 64,35 | IS | ||||
| 60,36 | IS | ||||
| 66,73 | IS | ||||
| 65,29 | IS | ||||
| 4d | 64,86 | 62,55 ± 3,76 | IS | − 1 % | |
| 60,79 | IS | ||||
| 65,03 | IS | ||||
| 56,71 | IS | ||||
| 65,37 | IS | ||||
| 5d | 59,90 | 57,68 ± 1,61 | IS | − 5 % | |
| 57,72 | IS | ||||
| 57,77 | IS | ||||
| 55,34 | IS | ||||
| 57,67 | IS | ||||
| GFRP.E.EP.10.d42.40 (degradace po dobu 42 dní při 40 °C) | 3d | 67,24 | 67,87 ± 0,70 | IS | + 3 % |
| 68,17 | IS | ||||
| 67,33 | IS | ||||
| 67,67 | IS | ||||
| 68,94 | IS | ||||
| 4d | 67,84 | 66,83 ± 1,28 | IS | + 6 % | |
| 65,37 | IS | ||||
| 68,43 | IS | ||||
| 65,97 | IS | ||||
| 66,56 | IS | ||||
| 5d | 58,05 | 60,57 ± 2,37 | IS | + 1 % | |
| 58,39 | IS | ||||
| 63,79 | IS | ||||
| 61,38 | IS | ||||
| 61,26 | IS | ||||
| GFRP.E.EP.10.d42.60 (degradace po dobu 42 dní při 60 °C) | 3d | 64,86 | 65,59 ± 1,74 | IS | − 1 % |
| 64,10 | IS | ||||
| 66,56 | IS | ||||
| 64,27 | IS | ||||
| 68,17 | IS | ||||
| 4d | 63,84 | 61,04 ± 2,92 | IS | − 3 % | |
| 59,68 | IS | ||||
| 64,27 | IS | ||||
| 59,94 | IS | ||||
| 57,48 | IS | ||||
| 5d | 52,87 | 57,79 ± 3,20 | IS | − 4 % | |
| 60,09 | IS | ||||
| 56,21 | IS | ||||
| 59,71 | IS | ||||
| 60,09 | IS | ||||
| GFRP.E.VE.10 | 5d | 53,62 | 54,01 ± 1,02 | IS | – |
| 54,64 | IS | ||||
| 54,64 | IS | ||||
| 52,51 | IS | ||||
| GFRP.E.VE.10.d650.20 (degradace po dobu 650 dní při 20 °C) | 5d | 50,91 | 47,84 ± 3,58 | IS | − 11 % |
| 48,97 | IS | ||||
| 48,83 | IS | ||||
| 42,66 | IS | ||||
| GFRP.E.VE.10.d650.40 (degradace po dobu 650 dní při 40 °C) | 5d | 58,09 | 48,96 ± 2,51 | IS | − 9 % |
| 59,25 | IS | ||||
| 58,04 | IS | ||||
| 57,36 | IS | ||||
| GFRP.E.VE.10.d650.60 (degradace po dobu 650 dní při 60 °C) | 5d | 48,34 | 47,86 ± 1,45 | IS | − 11 % |
| 47,03 | IS | ||||
| 49,67 | IS | ||||
| 46,40 | IS | ||||
| IS – interlaminární smyk, O – ohyb | |||||
Obr. 4 Vliv zásaditého prostředí na interlaminární smykovou pevnost prutů GFRP.E.EP.10
Obr. 5 Vliv zásaditého prostředí na interlaminární smykovou pevnost prutů GFRP.E.EP.10
Z Tab. 3 a Obr. 4 je patrný značný vliv vzdálenosti podpor na výsledné vypočítané napětí v podélném smyku. Při zvyšování rozpětí podpor se zřejmě začíná projevovat také vliv normálového napětí od ohybového momentu. Rozdíl v interlaminární smykové pevnosti mezi minimálním doporučeným rozpětím podpor (3d) a maximálním doporučeným rozpětím (6d) je více než 20 %. Z Obr. 4 je také patrný vliv alkalického prostředí na kvalitu matrice, resp. kontaktu matrice s vláknem. Již po krátkém časovém intervalu, po který byla výztuž s epoxidovou matricí vystavena působení degradačnímu prostředí, nastal úbytek v interlaminárním smyku až o 4 %. Při teplotě zásaditého roztoku 40 °C docházelo u všech testovaných sad k nárůstu pevnosti v interlaminárním smyku až o 6 %. Při této teplotě se zřejmě matrice dále vytvrzuje. Tento závěr je však nutné dále podložit zkoumáním na mikroskopické úrovni.
Vzorky s vinyl esterovou matricí vykazují obdobné chování jako vzorky s epoxidovou matricí. Tyto vzorky byly vystaveny degradačnímu prostředí po dobu 650 dní, což způsobilo úbytek interlaminární pevnosti až o 11 %. Nejmenší úbytek pevnosti (9 %) byl zaznamenán u vzorků s teplotou roztoku 40 °C.
4 Závěr
Upravená konfigurace zkoušky umožňuje experimentálně stanovit interlaminární smykovou pevnost FRP výztuží. K porušení v naprosté většině případů dochází požadovaným způsobem, tedy vytvořením smykové trhliny rovnoběžné se směrem vláken. Z obdržených výsledků je patrný značný vliv rozpětí podpor na vypočítanou interlaminární pevnost. Jelikož není velikost posouvající síly, a tudíž i smykového napětí závislá na vzdálenosti podpor a nefiguruje ve vztahu pro výpočet interlaminární smykové pevnosti, mělo by být rozpětí podpor vždy uvedeno při uvedení interlaminární smykové pevnosti výztuže. Testováním degradovaných výztuží bylo ověřeno, že se kvalita matrice, resp. kontaktu matrice/vlákno projevuje snížením interlaminární smykové pevnosti. Tato zkouška je tedy vhodná jako výstupní kontrola kvality matrice. Při vystavení vzorků alkalickému prostředí po dobu 1000 hodin docházelo k poklesu interlaminární smykové pevnosti výztuží s epoxidovou matricí až o 4 %. V případě vzorků s vinyl esterovou matricí při vystavení degradačnímu roztoku po dobu 650 dní došlo k redukci interlaminární smykové pevnosti až o 11 %.
Poděkování
Prezentované výsledky byly získány za finanční podpory projektu FAST-J-18-5224 „Zkouška interlaminárního smyku FRP prutů pro rychlé a efektivní hodnocení kvality produktu a stanovení míry degradace“.
Použité zdroje
- (ASTM). D 4475-02 – Standard Test Method for Apparent Horizontal Shear Strength of Pultruded Reinforced Plastic Rods By the Short-Beam Method. 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, United States: ASTM International, 2002.
- BENMOKRANE, Brahim, Fareed ELGABBAS, Ehab A. AHMED a Patrice COUSIN. Characterization and Comparative Durability Study of Glass/Vinylester, Basalt/Vinylester, and Basalt/Epoxy FRP Bars. Journal of Composites for Construction. 2015, 19(6). ISSN 1090-0268.
- GIRGLE, František, Lenka BODNÁROVÁ, Ondřej JANUŠ a Vojtěch KOSTIHA. Influence of Alkalinity and Ambient Temperature on Long-Term Properties of GFRP Reinforcement. Key Engineering Materials. 2018, (760), 213–218.
- Influence of resin type on physical, mechanical and durability performance of glass-FRP bars. In: ALI, Ahmed H., Hamdy M. MOHAMED, Adel ELSAFTY a Brahim BENMOKRANE. CDCC 2017 Fifth International Conference on Durability of FRP Composites for Construction and Rehabilitation of Structures. Delta Hotel, Sherbrooke, Quebec, Canada, 2017.
- WANG, Zike, Xiao-Ling ZHAO, Guijun XIAN, Gang WU, R.K. Singh RAMAN a Saad AL-SAADI. Urability study on interlaminar shear behaviour of basalt-, glass- and carbon-fibre reinforced polymer (B/G/CFRP) bars in seawater sea sand concrete environment. Construction and Building Materials. 2017, (156), 985-1004. ISSN 0950-0618.
- (CSA). S806-12 – Design and construction of building structures with fibre-reinforced polymers. 5060 Spectrum Way, Suite 100, Mississauga, Ontario, Canada L4W 5N6: Canadian Standards Association, 2012. ISBN 978-1-55491-931-4.
The article presents the modified configuration of the longitudinal shear test of composite bars based on ASTM D 4475. The aim of the experimental program is to verify the possibility of using a three-point bending test to evaluate the resin quality and resin/fibre interface. The study focuses on influence of distance between support on calculated interlaminar shear strength. The properties of the resin are influenced by the alkaline environment. Resistance of the resin and resin/fibre interface exposed to this environment was determined by the test. An influence of the alkaline environment on interlaminar shear strength of FRP members was observed on both types of tested FRP bars.