Композитная арматура для фундамента: виды (стальная, стеклопластиковая, композиционная), расчет и как вязать при армировании, отзывы специалистов

Способы производства, влияющие на некоторые механические свойства

Сэндвич-панели — это композиты, которые состоят из двух тонких внешних слоев ламината и легкого (например,г., соты) с толстой сердцевиной. Такие композиты благодаря структуре ядра отличаются жесткостью. Несмотря на толщину сердцевины, сэндвич-композиты легкие и обладают относительно высокой прочностью на изгиб. Эти композиты имеют пространственную структуру, которая влияет на хорошие теплоизолирующие свойства. Сэндвич-панели используются в авиастроении, дорожном транспорте, кораблях и гражданском строительстве. Механические свойства этих композитов напрямую зависят от свойств сэндвич-компонентов и способа изготовления.В статье представлены некоторые аспекты технологии и ее влияние на механические свойства полимерных композитов с многослойной структурой. Сэндвичи, описанные в статье, были изготовлены тремя различными методами: ручным способом, методом прессования и использованием автоклава. Образцы бутербродов испытывались на отказ от ударной нагрузки. Приготовленные таким же образом сэндвичи были использованы для структурного анализа клеевого слоя между панелями и сердечником. Результаты исследований показали, что способ изготовления, а точнее давление при формовании сэндвич-панелей, влияет на некоторые механические свойства полимерных композитов с сэндвич-структурой, такие как прочность на изгиб, ударная вязкость и прочность на сжатие.

1. Введение

В случае современных инженерных материалов, входящих в состав авиационных материалов, помимо прочностных свойств, важным аспектом является небольшой вес конечного элемента. Такие свойства напрямую связаны с повышением эксплуатационных свойств данной конструкции [1–3]. Наиболее частая цель изготовления многослойных конструкций [4] — получение максимальной жесткости при минимальной общей плотности (средней). Все указанные параметры могут иметь удовлетворительные значения при соблюдении следующих условий: получаемые конструкции будут отличаться низким количеством (плотностью) дефектов и меньшим количеством смолы в материале.Улучшение этих условий производства — это научная цель разработки более эффективных и передовых методов производства. Непрерывность многослойной конструкции особенно важна в аэронавтике, где структурный дефект может привести к выходу из строя летающего объекта в результате последующих событий.

Значения отличительных параметров инженерного материала влияют на возможности его дальнейшего использования. Правильное знание характеристик материала позволяет создавать элемент желаемых свойств с использованием определенных ресурсов в зависимости от применяемой технологии и цели использования в конкретной рабочей среде.Существенными характеристиками конструкционного материала являются его физико-механические свойства. Знание этих характеристик позволяет оценить реакцию материала на механические нагрузки, возникающие при его последующем использовании в конкретной среде. Кроме того, обеспечивается надлежащая долговечность использования [5–8].

Сэндвич-конструкции — это легкие материалы, которые обладают значительной жесткостью и высоким соотношением прочности по отношению к весу. Основная идея сэндвич-панели заключается в том, что внешние поверхности переносят нагрузки, вызванные изгибом (изгибная нагрузка и сжатие), в то время как сердцевина передает нагрузку, вызванную сдвигом.Соответственно, макроскопически описываемый режим работы сэндвич-панели по праву можно сравнить с задачами, выполняемыми двутавровой балкой [9–11].

Сэндвич-композитные материалы относятся к группе анизотропных материалов. Это означает, что их прочностные характеристики меняются в зависимости от приложенной нагрузки. Использование знаний об этой анизотропии позволяет производить композитные материалы, которые проявляют определенные свойства в желаемых направлениях, в зависимости от потребностей. Они разрабатываются в зависимости от требований, предъявляемых к данному композиту.Более того, эти требования напрямую связаны с применением данной конструкции. Наиболее существенные требования: жесткость, прочность, удельный объем, термоизоляционная способность, акустическое сопротивление, способность поглощать энергию и гидростатическое взвешивание [1, 12–15].

Эффект от инновационных исследований, проведенных в области многослойных композитных конструкций, можно проиллюстрировать разработкой материалов, используемых в аэронавтике. Изначально использовались наполнители в виде бальзы (военный самолет «de Havilland Mosquito»).Далее использовались пены из ацетата целлюлозы, а затем сотовые наполнители [11, 16]. Они используются в военных целях из-за своих немагнитных свойств [11, 16, 17]. Покрытия обычно изготавливаются из стандартных материалов, используемых для конструкционных ламинатов на основе термореактивных смол и армирования стекловолокном или углеродом. Покрытия также могут быть изготовлены из тонких пластин из термопластических материалов, обладающих высокой ударопрочностью, но при низкой температуре использования [18], или металлических материалов [19]. Для изготовления сердечника выбираются так называемые прокладочные материалы с низкой плотностью, плотность которых намного ниже плотности воды.Чаще всего это полимерные и керамические пены, древесина и «соты», которые представляют собой материалы, состоящие из удлиненных ячеек шестиугольной или другой формы.

Многослойная структура наиболее широко используется в приложениях, в которых жесткость элемента особенно важна. Увеличение толщины сердцевины вдвое (таблица 1 и рисунок 10) влияет на жесткость сэндвич-панели более чем в семь раз при увеличении веса продукта всего на 4%. Увеличение толщины сердцевины панели в четыре раза увеличивает ее жесткость более чем в 37 раз при увеличении веса всего на 6%.Кроме того, повышается прочность на изгиб. Однако его изменение меньше, чем в случае сравнения изменений жесткости элемента [9].

механические свойства композитов, измеряемых наиболее часто, — это механические свойства сэндвичей, измеряемые 11 20], испытание на трехточечный изгиб [5, 21–23] и ударные испытания панели [7, 24]. В случае материалов, используемых в военной технике, дополнительно проводятся баллистические испытания [25].Обнаружение значений этих свойств, измеренных в смоделированных условиях работы элемента, дает возможность соотнести их с реальными условиями эксплуатации и однозначно определить полезность данного материала. Следует помнить, что свойства материала, определяемые в ходе механических испытаний, зависят от условий, в которых они были определены. На полученные результаты существенное влияние оказывают следующие факторы: применяемые образцы (их форма и размеры), применяемая прочностная машина (крепления для установленных на ней образцов, а также жесткость измерительной системы) и скорость изменения нагрузки.Указанные причины позволяют сделать вывод, что значения, определенные в результате механических испытаний, не являются характеристическими константами (коэффициентами) материала, такими как плотность [26]. Механические свойства сэндвич-композита зависят от частных свойств компонентов, из которых этот композит был построен. Механические свойства пенопласта и дерева во многом зависят от плотности этих материалов, скорости деформации, температуры и влажности [27, 28]. Повышенная температура использования и присутствие пара отрицательно сказываются на механических свойствах сэндвич-полимерных композитов.В случае влажности в материале происходит водопоглощение. Если композит армирован волокном, поглощение происходит в виде диффузии на границе раздела между волокном и матрицей (на границе раздела). Длительное воздействие влаги на материал может вызвать его деградацию, в том числе растрескивание матрицы и отделение от нее волокон [29].

Испытание сэндвич-панелей на изгиб может проводиться на основе стандартов ASTM C 393-00 или PN-EN ISO 14125: 2001. В этих документах указываются следующие факторы: форма и размеры образцов, способ проведения измерений и методология анализа результатов.Испытание на изгиб можно проводить с помощью трех- или четырехточечного метода. Испытание на четырехточечный изгиб применяется реже, несмотря на его преимущество — отсутствие разрушающего воздействия штампа давления на верхнюю часть испытываемого композита. Это отрицательное влияние происходит во время испытания, проводимого с помощью наиболее часто используемого метода трехточечного изгиба [21]. Следовательно, образцы, подвергнутые испытанию на четырехточечный изгиб, демонстрируют повышенную прочность на изгиб сэндвич-панели [30]. Разрушение сэндвич-панелей при испытании на изгиб происходит в основном в сердцевине материала.Это скользящая трещина в сердечнике, вызванная срезающими силами. Предел прочности на сдвиг увеличивается пропорционально плотности используемой вспененной сердцевины и при уменьшении уровня пористости. Увеличение толщины пены не улучшает эту характеристику.

Повышение прочности сэндвич-панели на изгиб может быть достигнуто за счет использования оболочки из материала, который имеет большую жесткость, или увеличения ее толщины [27]. Если сердцевина из пенопласта имеет низкую прочность на сдвиг или хрупкая, ее повреждение может составить

Frontiers | Механические свойства бамбука путем измерения физических свойств пломбы для изготовления композитных материалов для армирования конструкционного бетона

Введение

Спрос на строительные материалы во всем мире растет по мере роста населения и его стремлений.Развивающиеся страны Африки и Азии изо всех сил пытаются удовлетворить этот спрос из-за отсутствия инфраструктуры и отраслей. Чтобы удовлетворить потребности в жилье и инфраструктуре растущего населения в новых городах, такие страны, как Индонезия, Таиланд, Вьетнам и Мьянма, должны полагаться в основном на импортные строительные материалы, например песок, цемент, сталь, а также древесину для строительства. Однако в долгосрочной перспективе это может быть проблематичным, поскольку эти строительные материалы либо ограничены для местных поставок (песок или древесина), либо доступны только за счет импорта (медь, железная руда, сталь или другие металлы).Без альтернатив многие страны больше не смогут удовлетворить растущий спрос на строительные материалы. К счастью, появляются предложения о замене древесины и стали возобновляемыми, дешевыми и экологически безопасными формами строительных материалов, которые можно найти на местном уровне в развивающихся регионах.

Армированные волокном композитные материалы сделали возможным множество промышленных инноваций. В настоящее время композиты, армированные стекловолокном и углеродными волокнами, широко используются для многих структурных приложений.Однако есть экономические и экологические проблемы. Большинство синтетических волокон трудно перерабатывать, и они производятся из химикатов из очищенной нефти. Кроме того, их изготовление требует больших затрат энергии. Таким образом, композиционные материалы на основе синтетических неорганических волокон являются дорогими и экологически непригодными. Перспективной альтернативой является использование натуральных волокон вместо синтетических неорганических волокон. Преимуществами по сравнению с синтетическими волокнами являются их обилие, возобновляемость, биоразлагаемость и более низкая стоимость.Среди различных натуральных волокон бамбук оказался устойчивой, но доступной альтернативой.

Бамбук — один из местных натуральных материалов, который в последние годы привлек внимание при создании новой категории устойчивых композитных материалов, армированных бамбуковыми волокнами. Бамбук — это быстрорастущий, недорогой и доступный природный ресурс в большинстве развивающихся стран, обладающий выдающимися качествами материала. Выращивание и промышленная обработка бамбука открывает огромный потенциал для нового поколения строительных материалов, производимых путем встраивания натуральных бамбуковых волокон в матрицу из смолы для применения в архитектуре и строительстве (Faruk et al., 2014; Hebel et al., 2014; Ю. и др., 2014; Джавадиан и др., 2016; Джавадиан, 2017; Рахман и др., 2017; Archila et al., 2018).

Бамбук — это естественный ячеистый материал с иерархической структурой, который обладает хорошими механическими свойствами, включая прочность на растяжение и изгиб вдоль направления волокон. Поскольку бамбук представляет собой функционально различающийся природный композит, границы раздела между его различными ингредиентами, включая волокна, клетки паренхимы и лигниновую матрицу, могут оказывать значительное влияние на его механические свойства (Wegst and Ashby, 2004).Иерархическая микроструктура бамбука возникает из-за того, что сосудистые пучки в матриксе паренхимы окружены поддерживающими волокнами целлюлозы. Эти волокна обеспечивают основные механические свойства бамбука. Кроме того, волокна целлюлозы действуют как армирующие элементы для усиления лигниновой матрицы, подобно композитам с полимерной матрицей, армированным волокном. Эта структура создает кристаллические и аморфные области в микроструктуре бамбука, где линейные цепи глюкозы с водородными связями образуют кристаллические области, а нерегулярные водородные связи создают аморфные области (Gibson, 2012; Youssefian and Rahbar, 2015).

Бамбук имеет более высокие механические свойства вдоль направления волокон, чем поперек. Уникальные микроструктурные свойства натурального бамбука в отношении его механических свойств делают его подходящим возобновляемым материалом для композитов с высокими эксплуатационными характеристиками.

Обычно плотность бамбука выше на внешней поверхности и уменьшается к внутренним слоям поперечного сечения стены (Lakkad and Patel, 1981; Murphy, Alvin, 1992; Ray et al., 2004; Zou et al., 2009). ; Wahab et al., 2010; Каур и др., 2016). Следовательно, предполагается, что внешние слои бамбуковых стеблей обладают лучшими механическими свойствами (Liese, 1985; Lo et al., 2008; Yu et al., 2008). Однако на сегодняшний день никаких всеобъемлющих и систематических исследований свойств бамбука с точки зрения плотности и геометрии стебля, включая толщину стенки, диаметр и высоту стебля, не проводилось. Идентификация участков с более высокой плотностью волокон и, следовательно, с возможным превосходным качеством с точки зрения физических и механических свойств, может оказать значительное влияние на характеристики изготовленных композитных материалов.

Предыдущие исследования бамбука Guadua angustifolia из Колумбии показали, что верхняя часть стебля имеет наивысшую прочность и модуль упругости по сравнению с более низкими частями, поскольку верхняя часть стебля имеет более высокую плотность (Correal et al., 2010) . Тем не менее, это исследование не включало верхние срезы стеблей, и, таким образом, корреляция положения стебля с механическими и физическими свойствами не изучалась.

Подобные исследования были проведены в Бангладеш по механическим свойствам, содержанию влаги и плотности четырех местных видов бамбука в зависимости от соответствующей высоты стебля (Kamruzzaman et al., 2008). В этом исследовании были протестированы Bambusa balcooa, Bambusa tulda, Bambusa salarkhanii и Melocanna baccifera для определения модуля упругости и модуля разрыва. Однако корреляции между высотой стебля и механическими свойствами обнаружено не было.

Бамбук Gigantochloa levis (buluh beting) из Малайзии был изучен на предмет изменения плотности, модуля разрыва и модуля упругости в зависимости от высоты и возраста стебля (Nordahlia et al., 2012). Исследование показало, что, хотя модуль разрыва существенно не изменялся с высотой стебля, модуль упругости увеличивался с увеличением высоты стебля. Однако не было предоставлено никакой информации о значениях прочности на разрыв и модуля упругости при изгибе, а также их влиянии на толщину стенки или высоту стебля.

Вакчауре и Куте изучали содержание влаги, удельный вес, водопоглощение, размерные изменения, прочность на растяжение и сжатие бамбука Dendrocalamus strictus из Индии на нескольких высотах (Wakchaure and Kute, 2012).Они не обнаружили значительной разницы между нижней и средней частями в отношении прочности на растяжение, сжатие и модуля упругости. Влагосодержание снизилось от нижней части к верхней, а удельная плотность увеличилась. К сожалению, влияние толщины стенки и диаметра стебля на физико-механические свойства не изучалось.

Содержание влаги (MC) — важное свойство необработанного бамбука, особенно в строительстве, а также для изготовления композитов.MC может отрицательно влиять на прочность сцепления бамбуковых волокон в композитных изделиях и бамбуковых ламинатах, как было показано в исследованиях, проведенных Okubo et al. (2004), Chen et al. (2009), Кушваха и Кумар (2009). Таким образом, ожидается, что MC будет иметь большое влияние на характеристики и срок службы новых бамбуковых композитных материалов.

Помимо влияния MC на механические свойства необработанного бамбука, такие как прочность на разрыв и прочность на изгиб, он также влияет на геометрические свойства необработанного бамбука, такие как стабильность размеров.Хотя несколько исследований включали влияние водопоглощения на стабильность размеров сырых бамбуковых и бамбуковых композитных образцов, они не изучали корреляцию между водопоглощением зеленого бамбука и его механическими свойствами (Rowel and Norimoto, 1988; Nugroho and Ando, ​​2000, стр. 2001). Быстрые изменения влажности могут привести к сильной усадке или расширению слоев бамбука, что может, особенно в ламинатах или композитах, привести к нарушению сцепления слоев (Lee et al., 1996; Zaidon et al., 2004; Маланит и др., 2011). Следовательно, важно определить MC различных секций необработанного бамбука и классифицировать MC в соответствии с расположением в пределах длины стебля перед переработкой сырых бамбуковых волокон в композиты или ламинаты.

Удельная плотность (SD) — это сухой вес данного объема сырого бамбука, деленный на вес равного объема воды. Значения SD тесно связаны со значениями MC. Стандартный метод измерения SD и MC необходим для обеспечения сопоставимости результатов с другими исследованиями.SD необработанного бамбука является потенциальным индикатором свойств продуктов на основе бамбука, таких как ламинат и бамбуковые композитные материалы, и поэтому важно измерять значения SD и MC и соотносить их с механическими свойствами необработанного бамбука.

Поскольку плотность волокна изменяется по толщине стенки, значения SD будут отличаться от внешнего к внутреннему сечению поперечного сечения стенки. Поэтому для любого применения необработанного бамбука важно знать, какая часть поперечного сечения стены обрабатывается и каковы соответствующие MC и SD этой части.Измерение значений MC и SD для их корреляции со значениями толщины стенок и механических свойств обеспечивает доступный и ценный метод выбора лучших бамбуковых секций для производства изделий из бамбука с заранее заданными качествами.

Исследование механических свойств иерархических структур сырого бамбука должно привести к лучшему контролю производства и качества новых композитов на основе бамбука. Поскольку бамбук представляет собой траву, которая достигает своей полной высоты 20–30 м за чрезвычайно короткий период, всего несколько месяцев, механические свойства по длине стебля могут существенно различаться (Liese, 1998).

Подобные вариации свойств можно встретить во всех трех основных направлениях, например, в продольном, радиальном и тангенциальном (Liese, 1987). Были проведены исследования различных видов бамбука с целью изучения различий в механических свойствах (Limaye, 1952; Liese and Jackson, 1985; Rao et al., 1988; Hidalgo-Lopez, 2003; Janssen, 2012). Однако ни влияние толщины стенок, ни геометрии стебля на механические свойства не исследовалось и не соотносилось с естественной иерархической структурой бамбука.

, где A — исходный вес в граммах, а B — сухой вес в граммах.

Удельная плотность

Образцы для измерения SD были приготовлены в соответствии со стандартным методом испытаний ASTM D2395-14 для определения плотности и удельного веса древесины и древесных материалов (ASTM International, 2014a).Из каждого подраздела случайным образом были приготовлены 10 образцов. Для каждого образца определялись ширина, длина и толщина для расчета объема ( V ). Начальная масса ( м, ) каждого образца измерялась весами Shimadzu BL320H с точностью до 0,001 г. Плотность (ρ) и SD рассчитывались по формулам:

, где K = 1000 мм ³ / г, ( м ) в граммах и ( V ) в мм ³ .

Предел прочности при растяжении вдоль волокна

Предел прочности образцов был измерен в соответствии со стандартным методом испытаний ASTM D143-09 для небольших прозрачных деревянных образцов с использованием испытательной машины на растяжение Shimadzu AG-IC 100 кН (ASTM International, 2014b). Образцы были вырезаны из 1-метровых секций бамбуковых стеблей и были выбраны из различных радиальных местоположений вдоль секций, а затем приготовлены в форме собачьей кости. Средняя ширина и длина захвата образцов составляли 25 и 50 мм соответственно.Средняя колея 130 мм.

Образцы, приготовленные из толстых стеблей, сначала разбивали на секции одинаковой толщины по длине. Впоследствии каждый участок был оклеен обоями согласно ASTM D143-09 в форме собачьей кости и испытан.

Затем для анализа и оценки были использованы средние значения испытаний на растяжение двух секций. Пять образцов были взяты из междоузлий 1-метровой подсекции. Скорость нагружения была установлена ​​на 1 мм / мин. Все испытания проводились при комнатной температуре и относительной влажности 65%.Предел прочности на разрыв (σ _t ) был рассчитан путем измерения предельной нагрузки при отказе в испытании ( F _ult ) и последующего деления его на поперечное сечение образца по измерительной длине ( А ). Следующая формула была использована для определения прочности на разрыв.

Модуль упругости при растяжении (E _t )

Модуль упругости при растяжении был измерен с использованием машины Shimadzu AG-IC 100 кН в соответствии со стандартным методом испытаний ASTM D143-09 для небольших прозрачных образцов древесины (ASTM International, 2014b).Для этого испытания использовали образцы прочности на разрыв в форме собачьей кости. Длину калибра отрегулировали для модуля упругости при испытании на 80 мм, а ширина и длина захвата остались неизменными. Осевой экстензометр Epsilon с измерительной длиной 80 мм использовался для измерения деформации образца во время испытания. Скорость нагружения была установлена ​​на 1 мм / мин. Кривые нагрузки-деформации были получены из каждого испытания для измерения модуля упругости при растяжении. Модуль упругости был рассчитан по наклону начального линейного участка кривой напряжения-деформации, полученного из кривых нагрузки-деформации.

Модуль упругости при разрыве (MOR)

MOR или прочность на изгиб был измерен в соответствии со стандартным методом испытаний ASTM D3043-00 (2011) для структурных панелей на изгиб (ASTM International, 2011). В этом исследовании был проведен двухточечный изгиб. Преимущество испытания на двухточечный изгиб по сравнению с испытанием на изгиб в центральной точке состоит в том, что большая площадь образца подвергается пиковому напряжению — в отличие от испытания на изгиб в центральной точке, где пиковое напряжение прикладывается к изолированному месту. Следовательно, вероятность того, что между двумя опорами для нагружения существует какая-либо трещина или дефект, будет выше, а результаты будут более надежными при испытании на двухточечный изгиб.Пять образцов без узлов были приготовлены из 1 м частей каждого стебля. Скорость нагружения рассчитывалась согласно ASTM D3043 в зависимости от толщины и ширины образца.

Модуль упругости при изгибе (E _f )

Модуль упругости при изгибе был измерен путем получения кривой нагрузка-деформация при испытании на прочность при изгибе. Экстензометр Epsilon с шагомером 25 мм использовался для измерения прогиба образцов в середине пролета во время испытания прочности на изгиб.Измерение и расчет модуля упругости проводились согласно ASTM D3043-00 (2011) при комнатной температуре и относительной влажности 65%. В этом исследовании были проведены множественные сравнения между несколькими толщинами стенок и диаметрами стеблей.

Статистический анализ

Статистический анализ данных, полученных в этом исследовании, был проведен с использованием SPSS версии 22 (SPSS Inc., Чикаго, Иллинойс). Коэффициенты корреляции Пирсона ( r ) были рассчитаны, чтобы найти взаимосвязь между геометрией стебля, SD, MC и механическими свойствами бамбука.Были определены три уровня корреляции (т.е. сильный, r > 0,5; умеренно сильный, 0,3 < r <0,5; и слабый, r <0,3). Для дальнейшего изучения взаимосвязи между геометрией стебля и механическими свойствами иерархической структуры натурального бамбука были выполнены пошаговые множественные линейные регрессии. Эффективность модели оценивалась с помощью скорректированного значения r ² , которое представляет собой процент вариаций, описываемых независимыми переменными. r ² в целом является статистическим параметром, демонстрирующим, что результаты исследования близки к модели, полученной с помощью множественного регрессионного анализа. Значения r ² обычно находятся между 0 и 1; однако, если значения r ² ближе к 1, это означает, что полученная модель может представлять больше точек данных.

Результаты и обсуждение

Содержание влаги (MC)

Содержание влаги было измерено при двух условиях относительной влажности: при 20 ° C и относительной влажности 65% и при 45 ° C при относительной влажности 80%.Результаты для образцов из различных категорий бамбука Dendrocalamus asper показаны в таблице 2.

Таблица 2 . Содержание влаги в бамбуковом петунге при двух условиях относительной влажности для разных классов.

При относительной влажности 80% MC увеличивается для всех классов одинаково. Это условие достигается через 6 дней при толщине стенки более 13 мм и всего через 3 дня при толщине стенки менее 13 мм. Прирост MC по всем классам находится в пределах 25–35%.Изменение MC для классов 4–7 незначительно при относительной влажности 80%. На рисунке 1 показано сравнение средних значений MC вместе с планками ошибок для каждого класса.

Рисунок 1 . Сравнение среднего MC для всех классов бамбукового петунга при двух условиях относительной влажности с планками погрешностей при двух стандартных отклонениях.

Хотя средний MC в обоих условиях относительной влажности для классов 4–7 существенно не меняется, для классов 1–3 MC увеличивается с увеличением диаметра стебля.Стебли диаметром 100 мм или меньше и с более тонкими стенками имеют более низкий процент лигниновой матрицы и большее присутствие целлюлозных волокон по сравнению со стеблями диаметром более 100 мм, как показано в других исследованиях (Alvin and Murphy, 1988; Murphy and Alvin , 1992; Mohmod et al., 1993).

Поскольку бамбук имеет иерархическую структуру, его лигниновая матрица устанавливает водородные связи с водой, поэтому крупные стебли более устойчивы при изменении относительной влажности по сравнению с мелкими стеблями с более тонкими стенками.Секция с более тонкими стенками в стеблях меньшего диаметра имеет более высокую плотность волокон и, следовательно, более низкий процент лигниновой матрицы по сравнению с крупными стеблями (Zou et al., 2009). В результате изменение относительной влажности будет иметь большее влияние на MC небольших стеблей с тонкостенными секциями по сравнению с большими стеблями с толстостенными секциями. Несмотря на наблюдаемую тенденцию изменения MC в зависимости от диаметра стебля и толщины стенки стебля, различия в значениях MC для различных классов бамбукового петунга для каждого условия относительной влажности несущественны.

Для переработки сырых бамбуковых стеблей в секции, пригодные для изготовления композитных материалов на основе бамбука, необходимо было тщательно проанализировать иерархическую структуру натурального бамбука в отношении изменения MC при различных диаметрах стеблей и толщине стенок. Средняя MC необработанных бамбуковых стеблей, выбранных для обработки, должна быть ниже 10%, чтобы уменьшить эффект чрезмерного расслоения или долгосрочного воздействия на окружающую среду из-за разложения конечного композитного продукта.Путем измерения содержания влаги в выбранных бамбуковых стеблях для производства композитов стала возможной предварительная оценка времени, необходимого для достижения определенного процентного содержания MC, подходящего для обработки необработанного бамбука и изготовления композитов.

Удельная плотность (SD)

Результаты измерения SD представлены в таблице 3 для различных классов бамбуковых стеблей.

Таблица 3 . SD для сушки в духовке для бамбукового петунга различного диаметра и толщины стенок.

Односторонний тест ANOVA (дисперсионный анализ) показывает, что нет значительной разницы между значениями SD для толщины стенок в пределах класса 1-3. SD для классов 5–7 уменьшается с увеличением диаметра стебля. Общая категория толщины стенок между классами 5, 6 и 7 составляет 11–12 мм. SD для этой категории толщины стенки и для классов 5, 6 и 7 составляло 0,741, 0,738 и 0,735 соответственно. Для стеблей диаметром 120–150 мм с увеличением диаметра стебля SD уменьшается.

Уменьшение SD более крупных стеблей связано с характеристиками плотности волокна.Лемя большего диаметра с более толстыми стенками обычно находится на дне стебля, где плотность волокон ниже. Как правило, бамбуковые стебли имеют более высокую плотность волокон в верхних частях, где волокна плотно упакованы, как показали другие исследования микроструктуры бамбуковых стеблей различных видов (Alvin and Murphy, 1988; Ray et al., 2004). В результате SD будет ниже в нижних частях, где диаметр стебля и толщина стенки намного больше, чем в средней и верхней частях.

Предел прочности при растяжении вдоль волокна

Результаты испытаний образцов бамбукового петунга на разрыв вдоль направления волокон представлены в таблице 4. Максимальный предел прочности на разрыв для образцов класса 1 составляет 295 МПа для толщины стенки 7–8 мм. Категории толщины стенок 6–7 мм и 8–9 мм того же класса имеют одинаковую прочность на разрыв. Во втором классе образцы с толщиной стенки 7–8 мм имеют наибольшую прочность на разрыв 298 МПа. Другие категории толщины стенки имеют аналогичные свойства при растяжении, и между значениями нет значительной разницы.

Таблица 4 . Прочность на растяжение бамбукового петунга для различных диаметров стеблей и толщины стенок.

Как показано на Рисунке 2, нет существенной разницы между средней прочностью на разрыв для образцов класса 1–3. Однако средняя прочность на разрыв для классов 4–7 уменьшается с увеличением диаметра стебля. Связь между диаметром стебля, удельной плотностью и пределом прочности выявляется при сравнении результатов измерения SD и прочности на разрыв.Для классов 1–3 не наблюдается значительного изменения SD и прочности на разрыв при увеличении диаметра стебля. Для классов 4–7 при увеличении диаметра стебля уменьшается как предел прочности, так и SD.

Рисунок 2 . Средняя прочность на разрыв бамбукового петунга с погрешностями в два стандартных отклонения.

Для стеблей диаметром более 110 мм на прочность на разрыв влияет плотность волокна бамбука. Более крупные стебли, вероятно, будут иметь меньшее количество целлюлозных волокон и более высокое содержание лигнина.Следовательно, прочность на разрыв необработанного бамбука, которая в основном зависит от прочности на разрыв целлюлозных волокон, значительно снижается. Это соответствует тенденции, наблюдаемой для SD бамбукового Петунга. Как упоминалось ранее, SD в основном зависит от плотности волокна, поэтому уменьшение плотности волокна приводит к более низкому SD, как показано также в предыдущем исследовании (Ray et al., 2004). Корреляция между SD, прочностью на разрыв и плотностью волокна важна при выборе бамбуковых стеблей для обработки композитов.Возможность различать стебли с различной прочностью на разрыв путем измерения только их стандартного отклонения является ценным методом выбора наиболее подходящих стеблей для бамбуковых композитных материалов.

Модуль упругости при растяжении (E _t )

Модуль упругости при растяжении бамбукового петунга был измерен для различных классов бамбукового петунга с различными диаметрами стеблей и толщиной стенок в соответствии с ASTM D143-14. Результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5 .Модуль упругости при растяжении бамбукового петунга для различных диаметров стеблей и толщины стенок.

Модуль упругости бамбука является мерой жесткости бамбуковой матрицы и ее устойчивости к упругой деформации. Наивысший модуль упругости наблюдается для образцов класса 4 с толщиной стенки от 9 мм до 10 мм при давлении 28 230 МПа, а самый низкий модуль упругости обнаружен для образцов класса 7 с толщиной стенки от 19 мм до 20 мм при давлении 18 140 МПа.

Односторонний тест ANOVA не показал значительной разницы между модулями упругости стенок различной толщины в образцах класса 1.Модуль упругости образцов класса 4 увеличился по сравнению с образцами класса 1, 2 и 3. В классе 4 модуль упругости увеличивается с увеличением толщины стенки.

Среди семи классов бамбука петунг класс 4 показывает самый высокий средний модуль упругости. В классах от 5 до 7 модуль упругости уменьшается с увеличением толщины стенки. Аналогичные тенденции наблюдаются для образцов 6 и 7 классов. Это соответствует тенденции, наблюдаемой в отношении прочности на растяжение образцов от класса 5 до класса 7, где увеличение толщины стенки снижает предел прочности на разрыв.Сравнение таблицы 5 с таблицей 4 показывает, что для классов 5, 6 и 7 как предел прочности на разрыв, так и модуль упругости уменьшаются с увеличением толщины стенки.

Как упоминалось ранее, высокая прочность на разрыв бамбука в значительной степени зависит от прочности на разрыв целлюлозных волокон в естественной иерархической структуре бамбука. Это также верно для модуля упругости бамбука. Модуль упругости можно оценить путем суммирования модуля целлюлозных волокон и модуля лигниновой матрицы, взвешенных по их объемным долям.Дуги диаметром <110 мм имеют почти одинаковые объемные соотношения целлюлозных волокон и лигнина, поэтому они показали одинаковый модуль упругости во всех категориях толщины стенок.

При увеличении диаметра стебля увеличивается и толщина стенки. С увеличением толщины стенок более крупных стеблей объемное отношение целлюлозных волокон к лигнину также уменьшается, как это наблюдалось в других исследованиях (Alvin and Murphy, 1988; Murphy and Alvin, 1992). В результате ожидается, что в секциях с более толстыми стенками будет более высокий процент лигнина по сравнению с целлюлозными волокнами.Это приводит к более низкому модулю упругости более крупных бамбуковых стеблей по сравнению с более мелкими стеблями, в которых объемное отношение целлюлозных волокон к лигнину выше.

Модуль упругости при разрыве (MOR)

Таблица 6 суммирует результаты испытаний MOR для различной толщины стенок и диаметров стеблей бамбукового петунга. Образцы класса 1 имеют самую высокую MOR — 209 МПа, а образцы класса 7 — самую низкую MOR — 121 МПа. Для образцов класса 1 увеличение толщины стенки с 6 до 9 мм приводит к снижению MOR с 209 до 198 МПа.Для образцов классов 2 и 3 не обнаружено существенной зависимости между толщиной стенки и MOR. В образцах класса 4 увеличение толщины стенки с 6 до 10 мм снижает MOR со 166 до 155 МПа, что соответствует снижению на 6,7%. Для класса 5 MOR для толщины стенки 10–11 мм является самым низким и составляет 149 МПа. MOR в классе 5 находится в том же диапазоне, что и для толщины стенки 9–12 мм со стандартным отклонением 5%. Для образцов класса 6 наблюдается аналогичная тенденция по сравнению с классами 1, 4 и 5 бамбука Петунг.

Таблица 6 . MOR бамбукового петунга для семи классов.

Стандартное отклонение этих образцов в классе 6 было <4%. MOR для образцов класса 7 снижается с увеличением толщины стенки. Толщина стенки от 19 до 20 мм имела самый низкий MOR 121 МПа. На рисунке 3 показаны средние значения MOR для семи классов бамбуковых петунг.

Рисунок 3 . Средняя СОХ бамбукового Петунга.

Лопаты большего диаметра имеют более толстые стенки, особенно в нижних частях.Более толстая толщина стенки приводит к более высокому процентному содержанию лигнина и меньшей доле целлюлозных волокон. Как отмечалось ранее в отношении прочности на разрыв и ее взаимосвязи с плотностью волокна, аналогичные выводы можно сделать в отношении MOR. Волокна целлюлозы плотно упакованы в верхних частях иерархической структуры бамбуковых стеблей, где преобладает меньший диаметр. MOR увеличивается с уменьшением диаметра стебля. За исключением образцов класса 2, MOR уменьшается с увеличением толщины стенки в пределах класса.Это подчеркивает важность плотности волокна для механических свойств сырого бамбука. Волокна целлюлозы способствуют высоким механическим свойствам натурального бамбука. Плотность целлюлозного волокна выше в наружном слое секций стенки и в верхних частях стеблей. Следовательно, MOR увеличивается с увеличением содержания волокна и уменьшением содержания лигнина в окружении волокон.

Модуль упругости при изгибе (E _f )

Модуль упругости при изгибе берется из кривой прогиба под нагрузкой, полученной с помощью экстензометра.Влияние толщины стенки и диаметра стебля на модуль упругости при изгибе изучено для всех семи классов бамбуковых петунг.

В таблице 7 представлены результаты этого испытания для диапазона толщин стенок и диаметров стебля, которые были испытаны в соответствии с ASTM D3043-00 (2011).

Таблица 7 . Модуль упругости при изгибе бамбука Петунг.

Наибольший модуль упругости 14 279 МПа наблюдался для образцов класса 2 с толщиной стенки в диапазоне 9–10 мм.Самый низкий модуль упругости 9375 МПа наблюдался у образцов класса 7 с толщиной стенки от 19 до 20 мм. Этот результат сопоставим с результатами испытаний MOR, где образцы класса 7 показывают самый низкий MOR из всех образцов. При сравнении результатов для различной толщины стенки наблюдались случайные изменения модуля упругости с увеличением толщины стенки. Однако, как показано в Таблице 7, бамбук Петунг показывает снижение среднего модуля упругости при изгибе с увеличением диаметра стебля с 80 до 150 мм.Образцы с диаметром стебля <120 мм показывают менее значительные изменения модуля упругости при изменении диаметра стебля. Тем не менее, для образцов с диаметром стебля 120 мм и более модуль упругости падает с увеличением диаметра стебля.

Влияние диаметра стебля на модуль упругости при изгибе аналогично MOR. С увеличением диаметра стебля средний модуль упругости уменьшается. Это наблюдение можно отнести к иерархической микроструктуре кульминации.С увеличением диаметра стебля, в основном в нижней и средней частях бамбука, плотность волокна уменьшается из-за более высокого содержания лигнина по сравнению с содержанием волокна.

Как описано ранее, верхние секции стебля имеют более высокую плотность волокон по сравнению с нижними секциями. Такая высокая плотность волокон является причиной сильных механических свойств бамбуковой стебли, особенно модуля упругости, MOR и прочности на разрыв.

В пределах одного класса бамбука изменение модуля упругости при различной толщине стенки не является линейным для всех образцов.Это происходит из-за пространственно изменяющейся микроструктуры стенок бамбуковой стебли. Образцы, протестированные в этом исследовании, были собраны случайным образом в разных поперечных сечениях и на разной высоте. Таким образом, изменение модуля упругости в зависимости от толщины стенки ожидалось от корки к соломе.

Сравнение механических свойств бамбука Петунг с доступными местными породами древесины, которые обычно используются в строительстве в Индонезии, демонстрирует превосходные свойства, которые предлагает бамбук Петунг по сравнению с древесиной.В таблице 8 представлен диапазон удельной плотности, прочности на растяжение вдоль волокна, модуля упругости при растяжении и MOR древесных пород, обычно используемых в строительных конструкциях, а также в композитных изделиях (Green et al., 1999). Обычно в Индонезии используются такие породы древесины, как балау, суматранская сосна и индонезийский палисандр.

Таблица 8 . Сравнение свойств обычных пород древесины в Индонезии и бамбука Петунг (Green et al., 1999).

Средняя прочность на разрыв бамбука петунг выше, чем у балау, суматранской сосны и индонезийского розового дерева.С точки зрения модуля упругости бамбук Петунг жестче, чем все породы древесины, указанные в Таблице 8, за исключением верхнего диапазона Балау, который по модулю упругости близок к модулю упругости бамбукового Петунга. Индонезийский палисандр имеет низкий модуль упругости по сравнению с бамбуком петунг и другими распространенными в Индонезии породами древесины. У Балау самый высокий диапазон MOR среди обычных древесных пород. Однако бамбук Петунг имеет более высокие значения MOR по сравнению со всеми породами древесины. Секции бамбукового петунга с самыми низкими механическими свойствами по-прежнему превосходят некоторые из наиболее распространенных структурных пород древесины, встречающихся в Индонезии, как показано в таблице 8.

Корреляционные исследования и статистическое моделирование физико-механических свойств

Для измерения силы любой возможной взаимосвязи между механическими свойствами, диаметром стебля, толщиной стенки, удельной плотностью и влагосодержанием рассчитываются коэффициенты корреляции Пирсона ( r ). В таблице 9 приведены коэффициенты корреляции только для статистически значимых корреляций со значением p <0,05 по двустороннему тесту t между механическими и физическими свойствами, измеренными в этом исследовании.Как показано в Таблице 9, толщина стенок стеблей и удельная плотность (SD) имеют умеренную или сильную отрицательную и положительную корреляцию со всеми механическими свойствами, соответственно. Диаметр кульминации показывает сильную отрицательную корреляцию со всеми механическими свойствами, кроме модуля упругости при растяжении (E _t ). Этот результат согласуется с результатами испытаний модуля упругости, представленными в Таблице 5. Содержание влаги (MC) имеет только умеренно отрицательную корреляцию с модулем разрыва (MOR) в этом исследовании.Следовательно, невозможно оценить механические свойства, включая прочность на разрыв и модуль упругости, только путем измерения MC секций бамбуковой стебли. Самый высокий коэффициент корреляции Пирсона наблюдается между пределом прочности при растяжении и толщиной стенки ( r = -0,742) бамбука Dendrocalamus asper . Следовательно, больший диаметр стебля показал бы меньшую прочность на разрыв.

Таблица 9 . Корреляция Пирсона между механическими и физическими свойствами.

Среди всех механических свойств, измеренных в этом исследовании, только модуль разрыва (MOR) показал сильную корреляцию с изучаемыми физическими свойствами [геометрия стебля, содержание влаги (MC) и удельная плотность (SD)]. Коэффициенты корреляции Пирсона показывают, что при увеличении диаметра стебля, толщины стенки и MC MOR уменьшается, а увеличение удельной плотности (SD) будет иметь положительное влияние на MOR. Как и ожидалось, удельная плотность (SD) положительно коррелирует со всеми механическими свойствами.Это согласуется с предыдущими исследованиями, проведенными на других видах бамбука в отношении влияния плотности на механические свойства (Lakkad and Patel, 1981; Lo et al., 2004). SD представляет собой плотность волокон в поперечных сечениях стебля. Следовательно, чем выше плотность волокон в поперечных сечениях бамбука, тем больше SD и, как следствие, эти сечения демонстрируют лучшие механические свойства. Кроме того, были предложены математические модели и уравнения для оценки механических свойств бамбукового петунга путем измерения только диаметра стебля и толщины стенки.В таблице 10 показаны значения параметров линейной модели, созданные на основе данных, полученных в этом исследовании. В таблице 14 все механические свойства указаны в МПа, в то время как D и t указаны в мм, а MC — в процентах. Здесь разработаны и обобщены эмпирические зависимости между MOR, Ef, Et, CS, TS и физическими свойствами соломы. Эти уравнения следует рассматривать как предварительную оценку механических свойств бамбука Dendrocalamus asper. Для других видов бамбука и бамбука из других регионов мира коэффициенты и константы модели могут отличаться.

Таблица 10 . Модели множественной линейной регрессии для механических свойств бамбука Dendrocalamus asper (bamboo Petung).

Кроме того, стандартное отклонение бамбуковых стеблей также можно оценить путем измерения только диаметра стеблей и толщины стенок с помощью уравнения 9.

Применение бамбука для изготовления композитов для железобетона

Бетон в настоящее время широко используется во всем мире для крупных проектов в строительстве.Однако у бетона есть серьезный недостаток; имеет низкую прочность на разрыв. Следовательно, когда он используется в приложениях, где он должен выдерживать растягивающие усилия, большие трещины и преждевременный выход из строя неизбежны.

Чтобы преодолеть это ограничение, в конструкционном бетоне используются арматурные стержни с высокой прочностью на разрыв. В настоящее время стальная арматура используется в широком спектре бетонных зданий и объектов инфраструктуры. Однако проблема, связанная с использованием стальной арматуры в бетоне, — это коррозия и связанное с ней разрушение железобетонного элемента.Коррозия стальной арматуры в бетоне вызывается карбонизацией бетона или воздействием на бетонный элемент хлорид-ионов, как это обсуждается в различных работах (Slater, 1983; Macias and Andrade, 1987). Следовательно, в присутствии кислорода и влаги коррозия арматуры приводит к растворению железа в форме гидроксида железа [Fe (OH ₂ )], который впоследствии образует слой ржавчины, окружающий арматурный стержень. В результате того, что ржавчина занимает объем больше, чем арматурный стержень, в бетоне возникают большие растягивающие усилия в виде растягивающего напряжения.Силы растяжения вызывают растрескивание бетонных слоев вокруг стальных стержней в виде отслоения бетона или отслоения арматурных стержней от бетона (Bertolini et al., 2013).

Альтернативные армирующие материалы, включая армированные волокном полимеры (FRP), которые не подвержены коррозии, поскольку полимерная матрица защищает волокна. Они имеют механические свойства, сопоставимые со стальной арматурой. Большой интерес вызывает применение натуральных волокон в производстве композитов из стеклопластика для замены синтетических волокон, таких как стеклянные и углеродные волокна.Натуральные волокна широко доступны в природе, поэтому для их производства требуется относительно мало энергии. Когда натуральные волокна используются в производстве композитов из стеклопластика, они могут привести к получению композитов с высокими эксплуатационными характеристиками, которые потенциально могут заменить все, если не многие, синтетические композитные материалы по более низким ценам для применений в строительстве и строительном секторе, где снижение веса имеет значительную влияние на снижение энергопотребления и общей стоимости здания или инфраструктуры.

Применение полимерных композитов, армированных натуральным волокном, в строительстве в последние годы было успешным, но в основном в качестве неструктурных элементов, применяемых в качестве изоляционного элемента для конструктивных элементов, для покрытия полов и стен, в дверных и оконных рамах, для установки элементов, таких как дверные и оконные ручки, а также для ограждений.Среди различных высокопрочных природных материалов бамбук считается одним из старейших природных строительных материалов, используемых в зданиях, особенно в Южной Америке, Африке и, в частности, в Юго-Восточной Азии.

Различия в свойствах бамбуковых композитов FRP, производимых различными группами по всему миру, в основном связаны с видами бамбука, длиной бамбукового волокна, используемого при изготовлении, ориентацией волокна, типом используемой эпоксидной смолы / смолы и типом обработки. осуществляется на сырых бамбуковых волокнах (Ichhaporia, 2008).До сих пор не проводилось исследований по использованию бамбука для изготовления композитов из стеклопластика для конструкционных и несущих элементов в строительстве и строительстве. Большая часть работ по композитам из бамбукового FRP посвящена ненесущим элементам, например, ограждениям или полам в зданиях, где структурные свойства и механические характеристики намного ниже, чем у любого элемента конструкции, такого как балки и колонны (Jindal, 1986 ; Nugroho, Ando, ​​2000; Okubo et al., 2004). Это исследование направлено на восполнение этого пробела, предлагая новый подход к улучшению свойств бамбуковых композитов из стеклопластика с помощью новых технологий обработки и изготовления композитов из бамбукового стеклопластика, а затем за счет использования нового материала в качестве армирования для структурно-бетонных элементов.

Изготовление бамбукового композитного материала с использованием корреляционных отношений материалов

В этом исследовании бамбук Dendrocalamus asper или бамбук Петунг использовался для изготовления высокоэффективного полимерного композита, армированного бамбуковыми волокнами. В ходе подробного исследования, проведенного недавно исследовательской группой, были разработаны запатентованные инструменты для обработки бамбуковых стеблей в пучки бамбуковых волокон различной толщины, ширины и длины (Hebel et al., 2014; Hebel and Heisel, 2016; Javadian et al., 2016; Джавадиан, 2017).

Обработанные бамбуковые волокна сначала сушили в печи с циркуляцией воздуха при 80 ° C до тех пор, пока содержание влаги не стало <10%. Содержание влаги измеряли согласно стандартному методу испытаний ASTM D4442-07. Впоследствии обработанные бамбуковые волокна были отсортированы по толщине. Пучки сырых бамбуковых волокон, использованные в исследовании, представляли собой среднюю коллекцию волокон из верхней, средней и нижней частей бамбуковой стебли в почти равных соотношениях.

Перед переработкой бамбуковых стеблей в пучки волокон свойства сырья при растяжении и изгибе оценивались только на основе корреляционных соотношений, установленных в разделе «Корреляционные исследования и статистическое моделирование физических и механических свойств», при условии отсутствия испытательных устройств.Средний диаметр стебля и толщина стенки бамбука, использованного в этом исследовании, составляли 90 и 8 мм соответственно. Используя соотношение свойств материала, можно найти соответствующие механические свойства бамбуковых стеблей, как показано ниже;

Эти значения были использованы в качестве основы для изготовления полимерного композита, армированного бамбуковым волокном, в данном исследовании.