Mechanické vlastnosti kompozitních desek na bázi geopolymeru vyztužené textilními sítěmi

Ing. Hiep Le Chi

Doctoral thesis

Mechanical Properties of Geopolymer Based Composite Thin-plate Reinforced with Textile Meshes

Abstract:

It is well-known that Portland cement is a construction building material with admirable mechanical properties which are proven. However, the Portland cement production process requires high energy consumption and it involves a large amount of CO2 emission. This binder is attributed to one of the major causes behind global warming. For this reason, the construction industry is increasingly turning to the use of environmentally friendly materials in order to meet sustainability goals needed for modern infrastructures. Geopolymers are a new class of construction materials developed primarily as an eco-friendly and sustainable alternative to conventional cement-based construction materials. Due to the increasing interest in the area of composite materials made by geopolymer matrix and textile reinforcements. This dissertation reports on the experimental investigation of the flexural behavior of geopolymer composite thin-plates made of geopolymer mortar and fiber reinforcements that keeping in mind for their possible use for future buildings. Geopolymer mortar is firstly optimized based on a combination of geopolymer binder with various fillers that is mixed in various mixing ratios to achieve the final product with the desired mechanical strength. Geopolymer mortar is then selected to use as a matrix considering varying addition of chopped basalt fibers for producing textile reinforced geopolymer composite. Several parameters such as textile types, reinforcement ratio, mortar type, and different fiber lengths of chopped basalt fibers inclusion dosage were studied to investigate their effect on the flexural properties of the composite thin-plates. The four-point bending test and impact Charpy test were performed; and the experimental results were presented. For basalt textile reinforced geopolymer composites, the results reveal that the multi-layer and small net size type of basalt textile should be used to reinforce the specimens in order to achieve high reinforcement effectiveness. In contrast, the use of carbon textiles in the production of high-strength geopolymer matrix composites makes it possible for them to achieve a relatively high mechanical strength. The value of the flexural strength and flexural toughness is strongly influenced by the reinforcement ratio and the mechanical properties of the fiber yarn of the carbon textile. Besides, the addition of the chopped basalt fiber (BF) plays an important role in both the improved mechanical strength and the failure mode of the geopolymer textile composites. The experimental results from the Charpy impact test also showed that using both chopped basalt fiber and textile fiber has improved the energy absorption capacity of the resulting samples.

Abstract:

Je známo, že portlandský cement je stavebním stavebním materiálem, který má prokazatelně velmi dobré mechanické vlastnosti. Proces výroby Portlanského cenmentu však vyžaduje vysokou spotřebu energie a vyvolavá velké množství emisí CO2. Tato vlastnost je považována jako jedna z hlavních příčin globálního oteplování. Z tohoto důvodu se stavební průmysl stále více obrací na používání materiálů šetrných k životnímu prostředí, aby splnil cíle udržitelnosti potřebné pro moderní infrastruktury. Geopolymery jsou novou třídou stavebních materiálů vyvinutých primárně jako ekologická a udržitelná alternativa ke konvenčním stavebním materiálům na bázi cementu. Vzrůstající zájem o oblast kompozitních materiálů vyrobených geopolymerní matricí a textilními výztuhami. Tato disertační práce popisuje experimentální zkoumání ohybového chování tenkovrstvých kompozitů z geopolymerní malty a textilních výztuží, o který lze uvažovat s ohledem na jejich možné využití v budoucích budovách. Geopolymerová malta se nejprve optimalizuje na základě kombinace geopolymerního pojiva a různých plniv s přiměřeným mísícím poměrem, aby se dosáhlo konečného produktu s požadovanou mechanickou pevností. Poté jsou vybrány dva typy malty pro použití jako matrice s proměnlivým přidáním nasekaných čedičových vláken pro textilem vyztužený geopolymerní kompozit. Bylo zkoumáno několik parametrů, jako jsou textilní typy, míra vyztužení, druh malty, dávkování a délka nasekaných čedičových vláken, aby se zjistil jejich vliv na ohybové vlastnosti kompozitů na tenké desce. Byly provedeny zkoušky čtyřbodovým ohybem a rázovou zkouškou Charpyho kladivem a byly prezentovány experimentální výsledky. U kompozitů geopolymeru vyztuženého čedičovou textilií výsledky ukazují, že k vyztužení vzorků by mělo být použito vícevrstvého a malosíťového typu čedičové textilie, aby bylo dosaženo vysoké účinnosti zpevnění. Naproti tomu použití uhlíkových textilií při výrobě kompozitů s geopolymerní matricí s vysokou pevností jim umožňuje dosáhnout relativně vysoké mechanické pevnosti. Hodnota pevnosti v ohybu a houževnatosti v ohybu je silně ovlivněna mírou vyztužení a mechanickými vlastnostmi vláknité příze uhlíkové textilie. Navíc přídavek nasekaného čedičového vlákna (BF) hraje důležitou roli jak ve zlepšené mechanické pevnosti, tak v režimu porušení geopolymerních textilních kompozitů. Experimentální výsledky z nárazového testu Charpyho také ukázaly, že použití jak nasekaných čedičových vláken, tak textilních vláken zlepšilo absorpční kapacitu energie výsledných vzorků.

Keywords

geopolymerová malta, geopolymer vyztužený textilem, čtyřbodový ohybový test, režim porušení, sekané čedičové vlákno, uhlíkový textil, čedičový textil, mechanická pevnost, rázová pevnost.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 5. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Petr Louda, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Materials engineering