1

CURS 1CURS 1CURS 1CURS 1 Generalitati privind materialele compozite

1.Generalitati Materialele compozite sunt materiale care reunesc într-un singur produs elemente care, de obicei, nu se asociază în mod natural. Aceste materiale sunt rezultatul incercarilor de obtinere a unor noi materiale superperformante care au condus la dezvoltarea unei noi clase de produsi. Prin definitie, conceptul de „compozit” este atribuit unui sistem complex, alcatuit din mai multe materiale de natura diferita. In aceasta categorie intra o clasa foarte vasta de produsi. Acest lucru este determinat de faptul ca posibilitatile de modificare a constituientilor de baza, a tehnicilor de „asamblare” si de fabricare, a nivelului de performanta si costului sunt infinite. Materialele compozite au fost realizate de om din cele mai vechi timpuri. Astfel, chirpiciul (material compozit pe baza de lut si paie) si betonul armat reprezinta cele mai simple exemple de materiale compozite. Dupa Larousse, un material compozit este facut din mai multe componente cu proprietati fizice si chimice diferite si materialul compozit obtinut are proprietati superioare raportat la componentii de baza. Aceasta structura de „material compozit” este caracteristica multor produse naturale, fapt ce explica rezistenta mecanica deosebita a acestora. Este suficient sa amintim lemnul, bambusul, oasele, muschii etc. Considerat de catre numerosi specialisti ca fiind epoca materialelor compozite, sfârsitul secolului XX a fost marcat în mare masura de schimbarile în conceptia tehnologica din productia industriala. Necesitatea elaborarii unor materiale noi si a unor tehnologii neconventionale a fost determinata nu numai de motive economice si sociale, dar si de faptul ca în conditiile dezvoltarii exponentiale a productiei, a aparut o criza foarte puternica de surse de materii prime si energetice, odata cu cresterea agresiunii oamenilor fata de mediul înconjurator. Aceste materiale cu proprietati programabile superioare materialelor traditionale au patruns în domeniile tehnicii de vârf, cum ar fi: tehnologiile aerospatiale, microelectronica, tehnica nucleara, tehnica de constructie medicala a implanturilor, în industria de automobile, de nave, industria chimica, a mobilei, în industria materialelor sportive, în constructii.

2

Realizarea de materiale compozite s-a impus pe baza a numeroase considerente tehnice si economice, între care amintim: - necesitatea realizarii unor materiale cu proprietati deosebite, imposibil de atins de materialele traditionale; - necesitatea cresterii sigurantei si a fiabilitatii în exploatare a diferitelor constructii si instalatii; - necesitatea reducerii consumurilor de materiale deficitare, scumpe sau pretioase; - posibilitatea reducerii consumurilor de manopera si a reducerii duratelor tehnologice de fabricatie. Materialele compozite sunt primele materiale a caror dispunere structurala interna o concepe omul, atât prin înlantuirea lor moleculara, cât si prin directii preferentiale, conferindu-le în acest fel rezistente favorabile, net superioare celor ale componentelor lor. Ca o definitie generala, materialele compozite sunt sisteme de doua sau mai multe componente, ale caror proprietati se completeaza reciproc, rezultând un material cu proprietati superioare celor specifice fiecarui component în parte. Din punct de vedere tehnic, notiunea de materiale compozite se refera la materialele care poseda urmatoarele proprietati: - sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente (sunt excluse compozitele naturale sau cele aparute fara intentia de a crea un compozit, cum ar fi lemnul, fonta cenusie etc.); - reprezinta o combinare a cel putin doua materiale deosebite din punct de vedere chimic, cu proprietati anizotrope între care exista o suprafata de separatie distincta, numita interfata; - prezinta proprietati pe care nici un component luat separat, nu le poate avea. Avantajul major, esential al compozitelor consta în posibilitatea modularii proprietatilor si obtinerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a caror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnica.

3

În cele mai multe cazuri, compozitul cuprinde un material de baza, matricea, în care se afla dispersat un material complementar sub forma de fibre sau particule, obtinându-se astfel proprietati îmbunatatite : - rezistenta la rupere; - rezistenta la uzura, - densitate, - rezistenta la temperaturi înalte, - duritatea superficiala, - stabilitatea dimensionala, - capacitatea de amortizare a vibratiilor etc. Componentele sunt alese astfel încât sa asigure proprietatile dorite, principalele probleme fiind legate de:

- compatibilitatea dintre materiale, - temperaturi de lucru, - caracterisiticile mecanice urmarite si - stabilitatea dimensionala obtinuta.

Relativa usurinta de fabricare a compozitelor permite determinarea prin calcul, cu aproximatie suficient de buna, a proprietatilor finale. Caracteristicile mecanice depind nu numai de proprietatile componentelor, dar si de legatura dintre ele.Pentru îmbunatatirea adeziunii interne se pot utliza diferiti produsi de adaos cu rol tensioactiv catalizator. 2. Materiale compozite in domeniul constructiilor rutiere Ca in toate celelalte domenii si in cazul constructiilor rutiere utilizarea materialelor compozite constituie un progres tehnic in continua desfasurare. In acest domeniu s-a pornit de la drumuri din pamant care au fost imbunatatite prin adaugarea diferitelor materiale cu scopul de a mari rezistenta si de a imbunatati proprietatile in exploatare. In prezent se ridica unele probleme pentru a caror solutionare se desfasoara ample programe de cercetare :

- disponibilitatea limitata de materii prime la nivelul teoretic impus - rezistenta si durabilitatea la un nivel superior impuse de extinderea

reteleor rutiere - necesitatea asigurarii unui confort in exploatare sporit - siguranta in exploatare, evitarea accidentelor

4

- masuri de protectie a mediului inconjuratorprin reducerea efectelor nocive provenite din : zgomot, emanatii de noxe

Aceste deziderate se solutioneaza prin dezvoltarea unor tehnologii noi bazate in principal pe utilizarea unor produsi noi cu proprietati specifice. Avantajul cunoasterii si utilizarii materialelor compozite consta in posibilitatea de a controla parmetrii finali si de a utiliza produsi specifici in functie de performantele dorite. 3. GeneralitaŃi privind alcatuirea sistemelor rutiere. Sistemele rutiere sunt structuri complexe alcatuite dintr-o suprapunere de straturi care impreuna conlucreaza in preluarea si transmiterea solicitarilor din trafic. Straturile din alcatuirea sistemelor rutiere sunt definite conform STAS 4032/1:

- fundatia drumului - stratul de baza - imbracamintea rutiera

Aceste straturi preiau si transmit terenului de fundare incarcarile din trafic. Suprafata de contact dintre sistemul rutier si terenul de fundare se numeste patul drumului. Fundatia drumului este alcatuita dintr-un strat sau doua de fundatie si eventual un substrat de fundatie. Stratul de fundatie preia si transmite la nivelul terenului de fundare solicitarile din trafic mentinand starea de solicitare in limite admisibile. Straturile de fundatie pot fi alcatuite conform STAS 6400 din :

- pamant stabilizat mecanic - balast - balast amestec optimal - blocaj din piatra bruta - piatra sparta mare - piatra sparta amestec optimal - agregate naturale stabilizate cu lianti hidraulici - agregate naturale stabilizate cu lianti puzzolanici - imbracamintea existenta in cazul modernizarilor

Substratul de fundatie este situat la partea inferioara a fundatiei drumului. Alcatuirea sa depinde de rolul indeplinit in structura care poate fi :

- strat drenant

5

- strat anticapilar - strat izolant Rolul substratului de fundatie poate fi asigurat de catre stratul inferior de fundatie daca materialele din alcatuirea acestuia indeplinesc rolul cerut.

Stratul de baza confera structurii rezistenta necesara preluarii solicitarilor din trafic si impreuna cu stratul de fundatie le repartizeaza la nivelul terenului de fundare. Acest strat este alcatuit conform STAS 6400 din :

- macadam - macadam semipenetrat si penetrat cu bitum - piatra sparta impanata cu split bitumat - agregate naturale stabilizate cu lianti hidraulici - agregate naturale stabilizate cu lianti puzzolanici - mixtura asfaltica

Imbracamintea rutiera este cea care asigura direct preluarea solicitarilor din trafic . Ea este alcatuita din : - Stratul de legatura asigura legatura dintre stratul de baza si stratul de uzura. Acesta poate lipsi in unele cazuri. - Stratul de uzura este stratul superior al structurii rutiere care preia direct solicitarile din trafic . Acesta are rolul de a asigura conditiile optime ale suprafetei de rulare. El este cel care intra direct in contact cu vehiculele si este supus actiunii directe a factorilor climatici : temperatura si umiditate. Aceste straturi sunt alcatuite in conformitate cu SR 174/1 din

- beton asfaltic - beton asfaltic rugos - beton asfaltic cu pietris concasat - mixtura asfaltica stabilizata cu fibre - beton asfaltic cu bitum modificat - mixtura asfaltica cu bitum modificat si stabilizata cu fibre

Tipul de îmbrăcăminte bituminoasă cilindrată la cald se stabileşte în funcŃie de clasa tehnică a drumului şi de categoria tehnică a străzii. Alegerea tipului de îmbrăcăminte bituminoasă se stabileşte prin proiectul de execuŃie, pe baza performanŃelor necesare mixturii asfaltice şi a studiului tehnico-economic.

6

4.Materiale utilizate in domeniul rutier. Calitatea sistemului rutier este determinata de calitatea fiecarui strat rutier in parte si implicit a materialelor din care este alcatuit. Straturile rutiere sunt in general alcatuite din materiale compozite . Materialele de baza din care se compun materialele compozite utilizate la lucrari rutiere sunt : - Agregate naturale care pot avea diferite origini : cariera, balastiera, si pot fi utilizate ca atare sau pot fi concasate. - Lianti hidraulici : ciment , ciment pentru drumuri si piste de aeroport - Lianti puzzolanici : zgura granulata , cenusa de termocentrala - Lianti hidrocarbonati : bitum pur, bitum modificat, bitum aditivat, emulsie bituminoasa - Filer de calcar - Var : var stins pulbere, var macinat, - Apa - Polimeri : elastomeri, plastomeri - aditivi : aditivi tensioactivi, fibre,

5. Reguli generale privind caracteristicile materialelor utilizate in

alcatuirea sistemelor rutiere. Materialele utilizate in alcatuirea sistemelor rutiere sunt reglementate prin stadarde care reglementeaza tipurile si caracteristicile materialelor de baza precum si a materialelor compozite. Caracteristicile acestor materiale se verifica in laborator cu ajutorul unor analize standardizate. Standardele europene privind caracteristicile materialelor cuprind clase de calitate in functie de valorile parametrilor caracteristici. In faza de proiectare este necesara prevederea acestor clase pentru fiecare lucrare. Se definesc astfel valori de referinta pentru parametrii verificati. Standardele romanesti prevad valori limita generale, diferentierea pe clase de calitate fiind mai restransa. Odata cu introducerea standardelor europene se va trece la evidentierea claselor de calitate pentru principalele produse . Acest lucru va permite utilizarea diferentiata a resurselor in functie de importanta constructiei si de cerintele specifice .