A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.5
Polimerbetonok mechanikai tartósságának vizsgálata Vickers keménységmérő felhasználásával Tárgyszavak: építőanyag; polimerbeton; hajlítószilárdság; rugalmassági modulus; keménység; szívósság; repedés.
Az építőipari anyagok egyik fontos tulajdonsága a tartósság. A mechanikai tartósság azt jelenti, hogy a kérdéses anyagból készített elem egy külső hatás okozta mechanikai sérülés után is megőrzi fizikaikémiai tulajdonságait. Olaszországi kutatók polimerbetonok, porcelán (kerámia) és természetes kőzetek hajlítószilárdságának változását vizsgálták, miután Vickers keménységmérő piramis alakú mérőtestjét különböző terheléssel a vizsgált anyag felületébe nyomták. A polimerbetonok kötőanyaga ortoftálsavalapú telítetlen poliésztergyanta (7,8%) volt, és az egyik típus szilikát (SiO2), a másik típus karbonát (CaCO3) töltőanyagot (92%) tartalmazott. A szilikáttartalmú polimerbetont (PBsz) 0,16% terc.-butil-perbenzoát-peroxiddal, 80 °C-on, a karbonáttartalmú polimerbetont (PBk) 0,16% metil-etil-keton- és acetilaceton-peroxiddal, 40 °C-on térhálósították. Mindkét esetben 0,016% kobalttartalmú gyorsítót adtak a reakcióelegyhez. A vizsgálatokhoz előkészített lapok térhálósításakor rázógépen vákuum alatt tömörítették a keveréket, hogy elkerüljék a pórusosságot. A térhálósodást differenciál pásztázó kaloriméterrel (DSC) ellenőrizték. A lapokból 200x50x8 mm-es próbatesteket vágtak ki. Ezek hajlítószilárdságát négypontos alátámasztással, 1 mm/min deformációs sebességgel mérték. A Vickers készülék piramis alakú mérőtestjét különböző terheléssel nyomták a próbatest felületébe. A maximális terhelés 140 kg volt, ezt 15 s alatt érték el, majd 20 s-ig terhelés alatt tartották. A piramis helyzetét úgy határozták meg, hogy az általa okozott négyzet alakú benyomódás sarkaiból esetleg kiinduló sugárirányú repedések párhuzamosak (vagy
merőlegesek) legyenek a próbatest szélével. Egy-egy próbatesten legalább 3 benyomódást hoztak létre. Ezekkel a benyomódásokkal modellezték a beton felületét érő esetleges ütéseket és sérüléseket. A benyomódásokat optikai és elektronmikroszkóp alatt is vizsgálták. Összehasonlításként porceláncsempét és természetes köveket (márvány, mészkő, leukogránit, fekete gránit) is hasonló vizsgálatoknak vetettek alá.
A hajlítószilárdság változása a nyomófej terhelésének függvényében A hajlítószilárdság változását a nyomófej terhelésének (P) függvényében az 1. ábra mutatja; a feszültség–nyúlás görbékből számított rugalmassági modulusokat (E) az 1. táblázat tartalmazza.
maradó hajlítószilárdság, %
100 90 80
1. ábra A vizsgált anyagok maradó hajlítószilárdsága a nyomófej terhelésének függvényében
porcelán PBsz PBk, kőzetek
70 60 50 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
terhelés, N
1. táblázat A vizsgált anyagok jellemzői Anyagok
Polimerbeton+szilikát Polimerbeton+karbonát Porcelán Márvány Mészkő Leukogránit Fekete gránit
Hajlítószilárdság, MPa
E-modulus, GPa
59 33 66 12 12 12 26
42 40 77 36 57 34 62
Vickers keménység, GPa 6,9 0,8 8,5 1,3 2,8 4,0 12,3
Látható, hogy a rideg, merev kerámia (porcelán) mechanikai tartóssága gyenge, eredeti hajlítószilárdságát legfeljebb 5 kg-os terhelés okozta sérülésig őrzi meg, a 140 kg-os terhelés okozta sérüléskor eredeti hajlítószilárdságának 40%-át veszti el. A szilikát töltőanyagot tartalmazó polimerbeton hajlítószilárdsága csak 60 kg terheléssel okozott sérülés hatására kezd csökkenni, és a 140 kg-os terheléssel kiváltott „sebhely” is csak 15%-os csökkenést eredményez. A karbonáttal töltött polimerbeton és a természetes kőzetek a sérülések után is megőrzik eredeti szilárdságukat.
Mikroszkópos megfigyelések és különféle jellemzők számítása A sérülés sarkaiból kiinduló repedések észlelhetők voltak optikai mikroszkóppal (25x-ös nagyítással) a porcelán próbatesteken 5 kg-nál nagyobb terhelés után, a szilikáttal töltött polimerbetonon pedig 100 kgos terhelés után. Ilyen repedések a karbonáttal töltött polimerbetonon és a természetes kőzeteken 140 kg-os terhelés után sem képződtek. Elektronmikroszkóp alatt 5 kg-os terhelésnél a porcelánon repedés még nem, de kagylós kitörések voltak láthatók (500x-os nagyítás). A karbonáttal töltött polimerbetonon 50x-es nagyítás mellett sem láttak repedést. Az optikai mikroszóppal mérhető volt a nyomófej által okozott négyzet alakú benyomódás élhossza (a), amelyből kiszámítható a Vickers keménység, H értéke: H = P/α · a2,
(1)
ahol α konstans, értéke 1,8544. A vizsgált minták Vickers keménységét az 1. táblázat tartalmazza. Ugyancsak az optikai mikroszkóp alatt mérték meg a benyomódás okozta repedések hosszát is (c) a porcelán és a szilikáttal töltött polimerbeton-mintákon. Ebből ki lehet számítani az ún. törési szívósságot kétféle módon is, „direkt módszer”-rel a következő egyenlet segítségével: K ICdirekt = η d (E / H )
1/ 2
ahol ηd konstans, értéke 0,016+0,004.
P / c3/ 2
(2)
A (2) egyenlet helyességének ellenőrzésére felrajzolták a nyomóterhelést c2/3 függvényében, ahol jó korrelációval egyeneseket kaptak (2. ábra).
a nyomófej terhelése, P, N
1600 porcelán PBsz
1400 1200
2. ábra A vizsgált anyagokon alkalmazott terhelés a repedési hossz 2/3-os hatványának függvényében
1000 800 600 400 200 0 0
5
10
15
20
25
30
a repedés hossza
Az „indirekt módszer” szerinti hajlítószilárdságot (σp) értékét is:
számításhoz
K ICindirekt = η i (E / H )
1/ 8
(σ
felhasználják
P1 / 3 )
3/4
p
a (3)
ahol ηi ugyancsak konstans, értéke 0,59+0,12. A szilikáttal töltött polimerbeton „direkt”, ill. „indirekt” módszerrel kiszámított törési szívóssága 2,5, ill. 2,6, a porceláné mindkét módszerrel 1,7 MPa · m1/2, azaz a kétféle módszerrel nagyon hasonló értéket kaptak. A törési szívósságból meghatározható a rideg anyagba bevitt repedés terjedéséhez szükséges energia, Gc, amely fordítottan arányos a rugalmassági modulussal: G c = K IC2 / E .
(4)
Különféle anyagok Gc értékei a 2. táblázatban találhatók.
Összefoglalás A vizsgálatok alapján bebizonyosodott, hogy a Vickers-féle keménységmérő segítségével sokféle adatot lehet meghatározni, amelyekből
következtetni lehet az építőanyagok „mechanikai tartósság”-ára. Kiderült, hogy a kerámiákkal szemben a polimerbetonok jobban ellenállnak a külső hatások okozta sérüléseknek, mint pl. a szokásos kerámiák. 2. táblázat Különböző anyagok Gc értéke Anyag
Gc, kJ/m2
Üveg
0,01
Porcelán
0,04
Beton
0,08
Polimerbeton+szilikát
0,16
Polipropilén
8
Fa Acél
10 100 Összeállította: Pál Károlyné
Soraru, G. D.; Tassone, P.: Mechanical durability of a polymer concrete: a Vickers indentation study of the strength degradation process. = Construction and Building Materials, 18. k. 8. sz. 2004. okt. p. 561–566. Buynak, C. F.; Golis, M.: Reducing the burden of NDT. = Materials Evaluation, 62. k. 12. sz. 2004. p. 1190–1194.
