Vlastnosti materiálů vhodných pro absorpci rázové energie a jejich aplikace
Zkoumané materiály, které přispívají ke zvýšení bezpečnosti obyvatelstva, patří do speciální oblasti pokročilých materiálů, jejichž výzkum a vývoj je v dnešní době nezbytný a žádaný. Výběr vhodných plniv a zkoušky základních vlastností materiálů z nich vyrobených určují nejvhodnější materiál pro dané použití.
Abstrakt:
Materiály pro absorpci rázové energie a energie výbuchové tlakové vlny tvoří významnou položku v oblasti zvýšení bezpečnosti. Jejich výzkum a vývoj, včetně zkoušení vlastností, vede ke zdokonalení cílových materiálů a ochranných konstrukcí.
Pro dílčí experimenty byla vybrána dvě plniva (keramické kamenivo a granulát z expandovaného skla) různých frakcí a dvousložkové polyuretanové pojivo. Byla vyrobena zkušební tělesa, na nichž byly stanoveny základní fyzikálně-mechanické charakteristiky – objemová hmotnost, pevnost v ohybu, tlaku a rázu.Při tlakovém zatěžování byly snímány deformační křivky, které charakterizují chování jednotlivých materiálů při kvazi-statickém zatěžování a je možné z nich predikovat míru a způsob absorpce energie.
Vlastnosti navržených materiálů zakomponovaných ve vybranýchprotivýbuchových systémech byly následně ověřovány numerickými simulacemi i reálnými výbuchovými testy.
Úvod
Absorpce rázové energie a materiály, které ji umožňují nebo se na ní spolupodílejí, jsou vysoce důležité zejména při vzniku neplánovaných rázových zatížení, jež vyvolá např. náraz auta nebo exploze. Tyto nebezpečné jevy jsou bohužel běžnou součástí našeho života a mohou vést k majetkovým škodám, zraněním, ale také nenahraditelným ztrátám na životě. Proto je výzkum a vývoj materiálů, které umožňují aktivně absorbovat část vznikající rázové energie, stěžejní pro zvýšení bezpečnosti v mnoha oblastech a technologiích. Detailní pochopení problematiky chování materiálů zatížených vysokorychlostním namáháním je nezbytné pro sofistikované navrhování ochranných konstrukcí a materiálů, z nichž jsou vyrobeny.
V rámci výzkumu a vývoje v oblasti absorpčních materiálů byly prozatím navrženy pokročilé konstrukce pro absorpci rázové energie a materiály, jež se budou na absorpci především podílet. Jedná se o speciální kompozitní materiály tvořené polyuretanovým pojivem a plnivem, které je reprezentováno dvěma zástupci – keramickým kamenivem nebo granulátem z expandovaného skla. Prvotním cílem bylo zjistit základní vlastnosti vyrobených zkušebních těles, zejména pevnost v tahu za ohybu, pevnost v tlaku a rázovou pevnost a porovnat vlastnosti jednotlivých těles s obsahem různých druhů a velikostních frakcí plniva mezi sebou. Obzvlášť zajímavé pro určení stěžejních očekávaných vlastností je také porovnání jednotlivých deformačních křivek, na nichž je patrné chování různých vzorků kompozitů při kvazi-statickém zatěžování. Z toho je pak možné přibližně odvodit způsob a míru absorpce energie.
Navržené materiály byly následně použity v navrhovaných protiteroristických systémech určených pro ochranu obyvatelstva. Pomocí numerických výpočtů byla verifikována schopnost materiálu absorbovat vysokorychlostní tlakovou vlnu, a tak přispět významnou měrou k odolnosti navrhovaných konstrukcí vůči výbuchu. Funkčnost navržených elementů byla následně ověřena reálnými výbuchovými testy.
Charakterizace materiálu a výroba vzorků
Pro dílčí experimenty byly po nezbytném počátečním odzkoušení několika možných surovin zvoleny dva silikátové materiály – keramické kamenivo a granulát z expandovaného skla. Oba tyto materiály mají podobné vlastnosti, především dobrou chemickou odolnost, výborné tepelněizolační vlastnosti, reakci na oheň třídy A1 (nejvyšší třída, v podstatě nehořlavý výrobek), tvarovou stálost při vyšších teplotách i dobré mechanické vlastnosti. Granulometrie byla volena v rámci možností podobná, u keramického kameniva byly použity frakce 0,5–1 a 1–2 mm, u granulátu pak nejprve tříděné frakce 0,1–0,25; 0,25–0,5; 0,5–1; 1–2 mm a následně byla vyrobena takéněkolikavrstvá tělesa tvořená kombinacívíce frakcí v rozsahu 0,1–1 a 0,25–2 mm v rámci tohoto druhu plniva.
Jako pojivo byl zvolen dvousložkový bezrozpouštědlový polyuretanový systém, přičemž jako nejefektivnější množství pojiva ve směsi se po několika zkouškách s keramickým kamenivem ukázala dávka15 %. Při ní bylo dosaženo rovnoměrné potažení zrn plniva vrstvou pojiva a propojení kompozitu se zachováním porézní struktury v celém objemu. Vyšší dávka již vykazovala přebytek pojiva ve směsi, jeho stékání ke dnu formy a zaplňování pórů u dna formy, čímž vznikla nehomogenní struktura materiálu, která byla patrná především v příčném řezu vzorků. Nižší dávka pojiva pak nevedla k dokonalému propojení všech zrn plniva.
Vzhledem k tomu, že je keramické kamenivo přibližně dvakrát těžší, než granulát z expandovaného skla, bylo složení jednotlivých směsí voleno tak, aby objemový podíl pojiva a kameniva zůstal v obou případech stejný. V našem případě to znamená, že zatímco u keramického kameniva byl optimální poměr pojiva k plnivu stanoven na 15:85, tak u granulátu z expandovaného skla byl tento poměr 27:73.
Výroba vzorků probíhala v laboratorních podmínkách. K naváženému plnivu se přidalo připravené dvousložkové pojivo a vše bylo důkladně promícháno. Vzniklá směs se dávkovala do nachystaných forem ošetřených separačním prostředkem. Vzorky (obr. 1) se vždy nechaly zatuhnout do následujícího dne, kdy byly vyjmuty z forem a uloženy.
Obr. 1 Vzorky absorpčních materiálů – trámce různých frakcí i druhů plniva a sendvičový prvekPro zkoušky pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku byly vyrobeny vzorky o rozměrech 40×40×160 mm; pro zkoušky rázové pevnosti pak vzorky o rozměrech 40×20×100 mm. Sledované parametry byly zkoušeny po 72 hodinách od výroby vzorků; zjištěné hodnoty jsou uvedeny níže v tab. 1. Výsledky zkoušek vlastností jsou průměrem vždy minimálně deseti vzorků od příslušné receptury.
| Druh plniva | Frakce plniva | Množství pojiva [%] | Objemová hmotnost [kg.m−3] | Pevnost v tahu za ohybu [MPa] | Pevnost v tlaku [MPa] | Pevnost v rázu [kJ.m−2] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Keramické kamenivo | 0,5–1 | 15 | 752 | 4,1 | 6,2 | 1,6 |
| 1–2 | 15 | 644 | 2,6 | 4,7 | 2,7 | |
| Granulát z expandovaného skla | 0,1–0,25 | 27 | 653 | 2,8 | 5,4 | 1,5 |
| 0,25–0,5 | 27 | 381 | 1,8 | 3,0 | 1,9 | |
| 0,5–1 | 27 | 343 | 1,4 | 2,1 | 2,5 | |
| 1–2 | 27 | 334 | 0,6 | 1,6 | 2,6 | |
| 0,1–1* | 27 | 466 | 2,3 | 3,8 | 1,6 | |
| 0,25–2** | 27 | 351 | 1,5 | 1,8 | 2,3 | |
| * tři vrstvy 0,1–0,25; 0,25–0,5;0,5–1,0 mm ** tři vrstvy 0,25–0,5; 0,5–1,0;1,0–2,0 mm | ||||||
Obr. 2 Fyzikálně mechanické parametry vzorků materiálů pro absorpci rázové energieZ výsledků stanovení jednotlivých vlastností uvedených v tabulce 1 a pro ilustraci zobrazených také na obr. 2 vyplývá, že se zvyšující se velikostí frakce plniva se snižují dosahované hodnoty uvedených vlastností. Pokles hodnot směrem k vyšší frakci plniva má zřejmou souvislost s poklesem objemové hmotnosti materiálu. Výše uvedené závěry však neplatí pro pevnost v rázu, kde je závislost na frakci plniva přesně opačná, tedy se zvyšující se velikostí frakce plniva se zvyšuje hodnota pevnosti v rázu.
Obr. 3 Deformační křivky materiálů pro absorpci energieZ deformačních křivek obou použitých plniv znázorněných na obr. 3 je patrné, že mají pro jednotlivá plniva poněkud odlišný průběh. V rámci stejného plniva je pak průběh postupné deformace materiálu podobný, samozřejmě s přihlédnutím k rozdílné dosažené hodnoty maxima křivky. Je patrný nárůst schopnosti absorpce materiálu se zvyšující se jemností použitého plniva.
Numerické simulace systému s navrženou absorpční hmotou
Absorpční materiál s vybranou frakcí granulátu z expandovaného skla, vyhodnocený jako optimální z hlediska vysokého potenciálu absorpce energie s přihlédnutím k ekonomickým parametrům, byl použit jako součást protektivních systémů reprezentovaných bezpečnostními odpadkovými koši pro různé hladiny zatížení trhavinou. Vnitřní prostory konstrukce koše byly maximálně vyplněny navrženou absorpční hmotou pro dosažení nejlepších možných výsledků.
Pro navrženou geometrii bezpečnostního odpadkového koše byl vytvořen konečnoprvkový 3D model; pro výpočty byl použit explicitní výpočtový program LS-Dyna. Materiál byl modelován pomocí SPH elementů se zadanými elastickými vlastnostmi. U SPH elementů nebylo zapotřebí zadávat porušení, do numerického modelu vstupoval pouze parametr modul pružnosti. Obr. 4 zobrazuje průběh tlakové vlny šířící se uvnitř nádoby těsně po explozi.
Obr. 4 Šíření tlakové vlny po explozi trhaviny v bezpečnostním košiPři dané geometrii koše s výplní tvořenou navrženým absorpčním materiálem došlo při simulaci exploze k porušení vnitřní přepážky. Vnější obal byl však pouze tvarově deformován, bez známek porušení pláště (viz obr. 5).
Při simulaci konstrukčního řešení bezpečnostního odpadkového koše bez výplně dochází k porušení jak vnitřního, tak vnějšího pláště, což potvrzuje nutnost a také efektivitu použití navrženého absorpčního materiálu.
Skutečná odolnost definované konstrukce koše vůči zatížení trhavinou byla verifikována reálnými výbuchovými testy, při kterých byla zjišťována odolnost vůči konkrétním požadovaným hladinám zatížení.
Obr. 5 Porušení ocelového koše s absorpční hmotou – pohled z vnitřní a vnější stranyZávěr
Článek sumarizuje poznatky z testování vlivu druhu a velikostních parametrů použitého plniva na vlastnosti materiálů schopných absorbovat rázovou energii, a tím např. utlumit výbuchovou tlakovou vlnu. V první fázi byly sledovány především pevnostní charakteristiky vzorků vyvíjených materiálů. Chování navržených materiálů bylo monitorováno jak při kvazi-statickém zatěžování, tak i při vysokorychlostním namáhání metodou výpočtů FEM. Numerické simulace reálných elementů potvrdily vhodnost navržených hmot při užití v protivýbuchových prvcích určených pro zvýšení ochrany obyvatelstva. Účinnost materiálu byla následně prokázána také reálnými výbuchovými testy.
Poděkování
Publikace vznikla díky finanční podpoře GAČR v rámci řešení projektu č. 13-22945S Výzkum pokročilých konstrukcí pro absorpci rázové energie a jejich chování při vysokých rychlostech deformace.
Literatura
- [1] DRDLOVÁ, M., FRANK, M. a PRACHAŘ, V. Výzkumná zpráva 13-22945S za rok 2013.Brno: Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s. 2013.
- [2] ŘÍDKÝ, R. a POPOVIČ, J. Výpočtová zpráva ZAK 12004. Brno: SVS FEM, s.r.o. 2013.
Unplanned impact loads such as explosions or car crashes in urban areas are a tragic consequence of nowadays life. These events can lead to loss of life, injury, and damage to property. Deep understanding of blast wave absorptive materials´ behavior subjected to loading is necessary for design of protective structures.
For the initial experiments different fractions of two filler (ceramic aggregate and expanded glass granulate) and two-component polyurethane binder were chosen. The physical-mechanical characteristics were determined on prepared test specimens – bulk density, flexural strength, compressive and impact strength. Load-displacement curves were captured as an important characteristic of materials´ behavior under quasi-static load.
The properties of designed materials incorporated in selected blast resistant systems were subsequently verified by both numerical simulations and real blast tests.