Test de tension des matériaux polymères renforcés de fibres

Structural Engineering

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Summary

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Matériaux polymères renforcés de fibres (PRF) sont des matériaux composites qui sont formés par longitudinal des fibres incorporé dans un polymère résine, créant ainsi une matrice de polymère avec des fibres alignées le long d’une ou plusieurs directions. Dans sa forme la plus simple, les fibres dans les matériaux de PRF sont alignées de façon ordonnée, en parallèle, conférant ainsi des caractéristiques matériaux orthotropes, ce qui signifie que le matériau se comporte différemment dans les deux sens. Parallèlement aux fibres, le matériel sera très forte et/ou raide, tandis que perpendiculairement aux fibres sera très faible, que la force peut uniquement être attribuée à la résine au lieu de la matrice entière.

Un exemple de cette configuration unidirectionnelle est le FRP disponible dans le commerce, ronds, qui miment les barres d’acier classiques utilisés dans la construction en béton armé. Matériaux en PRF sont utilisés tant en tant que structures autonomes tels que les passerelles et les escaliers et aussi comme matériaux pour renforcer et réparer les structures existantes. Les plaques minces et longues sont souvent époxy pour structures en béton pour ajouter de la force. Dans ce cas, les barres de PRF servent de renfort externe. Les plaques et barres de PRF sont plus légers et plus résistants à la corrosion, donc ils sont trouver des applications dans les tabliers de ponts et stationnements, lorsque les lamelles de dégivrage conduisent à une détérioration rapide des barres classiques.

Dans cet exercice de laboratoire, le comportement de résistance à la traction d’un spécimen unidirectionnel est étudié, en mettant l’accent sur sa résistance à la traction et la capacité de déformation. Le comportement de l’échantillon devrait être élastique jusqu'à la défaillance, qui devrait se produire de façon soudaine et explosive. Ce comportement doit être mis en contraste avec celles des aciers ductiles, qui présentent la capacité de déformation étendue et durcissement avant la défaillance de la souche.

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JoVE Science Education Database. Structural Engineering. Test de tension des matériaux polymères renforcés de fibres. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. Prendre des précautions de sécurité appropriées et de porter une protection oculaire, car l’échec explosif typique de ces spécimens envoie de nombreux tessons de petits, pointus battant.
  2. Obtenir quatre spécimens FRP. Deux seront d’une plaque de verre E FRP unidirectionnelle 0,5 pouce coupée en 1 "x 8" spécimens, un long de la direction des fibres et perpendiculaire aux fibres. Les spécimens de troisième sera un carbone de 0,25 pouce d’armature PRF, et le quatrième sera un rebar FRP E-verre 0.25. Les spécimens de barres d’armature doivent être d’environ 24 pouces de long.
  3. Fixez titulaires pour l’instrument en incorporant des extrémités des spécimens de 12 po en un peu plus ronde en acier et sections rectangulaires et remplissage les espaces vides avec de l’époxy de haute résistance. Laissez le traitement époxy selon les spécifications du fabricant. Ce type de connexion de fin est nécessaire car les dentelures des poignées de UTM conventionnelles détruira la résine et conduire à des échecs de fin prématurée.
  4. Procéder de la même manière que les autres tests de tension en tournant sur l’UTM et initialisation de son logiciel.
  5. Insérez les spécimens dans les poignées et les serrer.
  6. Charger les spécimens dans contrôle de déviation à un taux d’environ 0,2 pouces par minute.
  7. Si un extensomètre est utilisé pour mesurer le module de Young, veillez à démonter il à une souche de 0,01.
  8. Comme l’échantillon commence à faiblir, surgissent des sons et des petits éclats commencera à tomber le spécimen, suivi d’un échec d’explosif du matériau, qui se sépare en une structure fibreuse de la fleur.

Matériaux polymères renforcés de fibres, FRP, sont des matériaux composites qui sont formés en incorporant des fibres dans une résine polymère, création d’une matrice qui est très forte dans le sens des fibres.

Dans leur forme la plus simple, les fibres dans les matériaux en PRF sont alignées ordonnée dans un seul sens et enrobé dans la résine, causant le matériau se comporte orthotropically. Les propriétés mécaniques de ces matériaux sont très différentes dans le sens des fibres par rapport aux autres directions deux principales.

Un matériau FPR est très fort dans le sens des fibres en raison de la grande résistance de la fibre, se comporte élastiquement jusqu'à la rupture des fibres, et le matériel échoue de manière explosive. Toutefois, le matériel est très faible dans la direction perpendiculaire à cause de la très grande force inférieure de la résine.

Dans cette vidéo, le comportement de résistance à la traction d’un spécimen unidirectionnel est étudié, en mettant l’accent sur sa capacité de résistance et de déformation ultime.

La résistance des matériaux en matière plastique renforcée est directement liée à la résistance des fibres individuelles. Comme le pourcentage de fibres dans une augmentation importante, augmente la résistance du matériau. Matériaux typiques ont environ 50 % de fibres post-consommation en volume.

La force unidirectionnelle de FRP est souvent utilisée dans les barres d’armature, ou barres d’armature, mais peut être réalisée dans plus d’une direction du matériel en contrôlant la direction des fibres.

Fibres peuvent être places dans des directions aléatoires, ou seul plys de couches uniaxiales peut être place en alternant des directions, entraînant deux directions fortes et un sens faible. La fibre et la résine utilisée pour faire un FRP doivent être choisis pour être compatibles entre eux et répondre aux exigences de l’application.

La classe de la fibre utilisée, généralement en verre, aramide ou carbone, affecte les propriétés et le coût du produit final. En général, les fibres ont capacité de souche très faible, ce qui entraîne des défaillances soudaines sans aucune preuve de la ductilité.

La résine primaire agit pour transférer des stress et protéger les fibres de dommages mécaniques et environnementaux. Au cours de la fabrication, la pression est appliquée pour faire sortir autant résine possible d’augmenter la résistance du matériau. Il est important de noter que les propriétés des fibres individuelles ne sont pas les propriétés du composite. Au lieu de cela, selon la règle des mélanges, propriétés du composite sont le résultat du poids et moyenne des parties constituantes.

Dans la section suivante, nous effectuerons des tests de tension simple sur une Machine d’essai universelle pour comparer le comportement de contrainte/déformation de verre et carbone FRP, en prenant soin de bien préparer les échantillons pour obtenir des résultats similaires.

Obtenir quatre spécimens FRP. Deux seront d’une plaque FRP unidirectionnel 0,5 pouces E-verre découpés en un-par-huit spécimens de pouce : une long de la direction des fibres et une perpendiculaire aux fibres. Le troisième échantillon sera un contrôle rebar PRF carbone de 0,25 pouce, et le quatrième sera un contrôle rebar en matière plastique renforcée de verre 0.25. Les spécimens de barres d’armature doivent être d’environ 24 pouces de long.

Préparer à l’avance les spécimens de barres d’armature en matière plastique renforcée par l’incorporation de 12 pouces de l’extrémité en profilés ronds et rectangulaires légèrement plus grands et remplir les espaces vides avec de l’époxy de haute résistance. Prévoir plusieurs jours pour guérir, conformément aux prescriptions de l’époxy.

Ce type de connexion de fin est nécessaire car les dentelures des poignées de UTM conventionnelles détruira la résine et conduire à des échecs de fin prématurée. Procéder de la même manière que les autres tests de tension, en allumant l’UTM et initialisation de son logiciel. Ensuite, insérez un spécimen dans les poignées et verrouiller en place.

Charger l’échantillon dans le contrôle du déplacement à un taux d’environ 0,2 pouces par minute. Comme l’échantillon commence à faiblir, claquements sera entendue et petits éclats vont commencer à tomber en bas de l’échantillon. Suivie d’un échec d’explosif du matériau, qui se sépare en une structure fibreuse de la fleur.

Voici la courbe contrainte/déformation du spécimen de plaque de verre E FRP en cours de chargement dans le sens des fibres. D’après ce graphique, nous pouvons déterminer la force maximale, résistance à la traction et la souche et calculer le module d’élasticité. Ces résultats sont raisonnables pour un matériau spécifié au volume de fibres de verre E 50 % montrant essentiellement doublure de comportement.

Ce graphique présente le même matériau chargé perpendiculaire à la direction des fibres. Nous pouvons constater une diminution de la force maximale, résistance à la traction, la souche et le module d’élasticité. Notez qu’une quantité importante de la résistance mesurée dans ce spécimen particulier provient des fibres dans les couches protectrices de l’extérieur, dans lesquels les fibres sont orientés au hasard. La très grande différence entre les deux directions met l’accent sur la tailorability des propriétés du matériau. Dans ce cas, nous avons un matériau qui est fort dans une direction et faible dans l’autre.

Les surfaces de rupture en témoignent, avec celui pour les fibres alignés longitudinalement montrant de nombreuses fibres cassées, et celui avec les fibres alignés perpendiculairement montrant la surface typique d’un échec de la résine à une interface. En comparant le comportement de l’armature PRF, il y a une différence très significative dans la résistance et du module d’élasticité. Ces deux matériaux échoue immédiatement après leur charge maximale.

La différence entre la barre de PRF carbone solide et le plus doux, mais beaucoup plus ductile E-verre, est évident dans ce graphique linéaire. Cependant, il y a peu de ductilité, car ils ne parviennent pas à une fraction de la souche des métaux comme l’acier a36.

Matériaux en PRF sont utilisés dans une multitude d’applications de génie civil, y compris les applications de construction et de réparation originales. Regardons quelques utilisations courantes des PRF.

Barres, stratifiés et feuilles en matière plastique renforcée peuvent être imprégnés de résine et prémoulées destiné aux applications de terrain. Les plaques et barres de PRF sont légers et résistants à la corrosion, alors qu’ils sont trouver des applications dans les tabliers de ponts et stationnements, où dégivrage conduit à une détérioration rapide des barres classiques.

De nombreuses applications marines utilisent également matériaux en PRF pour leur résistance à la corrosion et de sel. FRP est largement utilisé dans l’industrie nautique, ainsi que pour les canalisations et structures navales.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à tension essais des matériaux polymères renforcés de fibres ou de PRF. Vous devez maintenant comprendre les composantes du PRF et standard de laboratoire essais pour déterminer leur résistance.

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