Analýza a modifikace přechodových zón mezi vláknitou výztuží a cementovou matricí

Abstract

Potenciál mechanických vlastností vláknocementových kompozitních materiálů je značně limitován mezifázovou interakcí na rozhraní vláknité výztuže a cementové matrice. Obecně se předpokládá, že tento jev má podstatný význam v případě vláknobetonů. Polymerová vlákna v nich používaná jsou charakteristická svým hladkým povrchem, který je navíc ve vztahu k cementovému tmelu inertní. Předkládaná práce se zabývá eliminací nedostatečné interakce mezi těmito dvěma materiály. Povrch testovaných vláken byl upraven pomoci nízkotlakého chladného indukovaného plazmatického výboje v kyslíkové atmosféře. Bylo vycházeno z předpokladu, že prostředí takového plazmatu povrch vláken chemicky aktivuje a zároveň ho zdrsní. Modifikovány byly dva typy makrovláken o průměru přibližně 0,3 mm z polypropylenu (PP) a polyethylentereftalátu (PET). Sledovány byly jejich jak povrchové, tak i objemové změny. Konkrétně se jednalo o smáčivost vodou, chemické složení povrchových vazeb, morfologii, pevnost a tuhost v tahu a soudržnost s cementovou matricí. Vývoj povrchových vlastností byl navíc sledován i v čase, aby se odhalila možná degradace provedených úprav. Provedené experimenty ukázaly, že se smáčivost povrchů vláken vodou výrazně zvětšuje již po 5 sekundách expozice plazmatu, a to až o trojnásobek. Totéž platí pro zvýšení koncentrace kyslíku v povrchových vazbách. Bylo ovšem zjištěno, že je tento jev velmi krátkodobý. Již po 24 hodinách efekt zlepšení smáčivosti degraduje k referenčním hodnotám. Rastrovací elektronová mikroskopie odhalila jemné zdrsnění povrchů jasně viditelné po 120 sekundách od expozice vláken plazmatu. Zkoušky mechanické odolnosti vyloučily, že by realizované úpravy mohly mít výrazný negativní dopad na jejich mechanické vlastnosti. Naopak testy soudržnosti s cementovou matricí jasně ukázaly, že provedené modifikace mají pozitivní vliv na zvýšení chemické a fyzikální vazby mezi těmito dvěma materiály. Numerické simulace tříbodového ohybu vláknobetonu navíc potvrdily, že provedené úpravy vláken měly pozitivní dopad na mechanické vlastnosti tohoto materiálu, avšak do menší míry, než bylo předpokládáno.

The potential of fiber-reinforced cementitious composites is often limited by a relatively weak interface between the reinforcing fibers and cementitious matrix. Generally, it is assumed that improving the interface could lead to a significant improvement of mechanical properties of the composites. Polymeric fibers are usually very smooth and chemically inert with respect to cementitious matrix. The presented thesis is focused on enhancement of the interfacial bonding. To that purpose a surface of tested fibers was treated by a low-pressure oxygen cold plasma. It was assumed that such a treatment will result in activation of chemical bonds as well as roughening the fiber surface. Two types of polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET) macro-fibers of approximately 0.3 mm in diameter were tested. Both, surface and matrix properties of the tested fibers were investigated with respect to the treatment. In particular, the study included a wettability test, investigation of chemical bonds at the surface, morphology, tensile strength and stiffness, and bonding with a cementitious matrix. Moreover, the development of the surface properties was monitored in time in order to reveal a possible treatment deterioration. The conducted experiments clearly demonstrated an improvement of fiber wettability after 5 seconds of plasma treatment up to three times and increase in the amount of activated oxygen bonds. However, it was found that the activation of chemical bonds is very unstable and the effect vanishes by 24 hours. The electron microscopy revealed a slight roughening of the fiber surface after 120 seconds of exposure to plasma. The mechanical tests ruled out the negative influence of plasma treatment on mechanical properties of fibers. On the contrary, the pull-out tests revealed that the plasma treatment improves bonding to a cementitious matrix. Numerical simulations confirmed the positive impact of the treatment on mechanical properties of plasma treated fiber-reinforced composites, however, the effect was smaller than expected.