Contribution on new developments of composites materials manufactured by infusion process for their implementation in civil works

Abstract

There are still many unknowns regarding the behavior of composite materials in the long term and in-service conditions; in particular those related to their behavior to cyclic loads, with the loss of resistance they experience over time and with their fire protection. Composite materials result from the combination of two or more materials which, when used separately, they may not present adequate properties to be used as construction materials but, when they are well combined resulting in a material which maintain an identifiable interface surface, they constitute a new material that symbiotically merges the best properties of the original materials. The composite materials studied in this work are constituted by two phases called fiber reinforcement and thermoset matrix. The fiber reinforcement is responsible for the mechanical performance material, providing most of its strength and stiffness. The polymeric of thermoset matrix acts as the glue of the composite material, guaranteeing the load transfer between the fibers and also between the applied loads and the composite itself. In addition to the resin, the polymeric resin often incorporates fillers and additives that may reduce production costs, improve the manufacturing process itself and improve specific properties of the final product. A clear example of it widely used in construction is the incorporation of alumina trihydrate to enhance the fireproof properties of the composite. Today a large number of fibers and polymeric matrices presenting different characteristics are commercially available. The judicious combination of the constituent’s materials has enabled the development of a wide range of products that have been used in very different structural applications, featuring several advantages when compared with traditional materials. A general overview of the potential materials having potential uses and applications in construction will be recorded in this work to discuss the general advantages and limitations over traditional materials such as wood, steel and concrete. Unlike other materials, the manufacturing processes used to produce composites will determine their final mechanical properties because among other aspects will determine the ratio fiber to resin as well as the polymerization degree of the polymeric resin. In this way, one of the most used and potential manufacturing processes used in construction is the so-called vacuum-assisted resin transfer moulding (VARTM). One of the distinct advantages of VARTM processes is the ability to build very large parts on relatively inexpensive tooling, aspects which are of high interest in construction. In this thesis work, analysis will be focused in VARTM technology discussing their implementation for to structural components of high interest in construction. The first component is a closed structure with a monolithic laminate combination of glass and carbon fibers. As model of closed structure, a tub was been selected. The second selected component is a structural slab with a sandwich glass composite. VARTM process will be optimized in terms of cost to produce a 1:1 scale prototype. The properties of individual laminates will be tested to model and calculate using finite element theory the properties of the all laminate and the properties of the scale components in terms strength and stiffness. This study will be developed taking into account the technical code of construction as well as the main international guidelines and regulations for the application of composites in construction. Some remarks about the construction products regulation and the CE marking will be also included. It is clear that composite offer numerous advantages over conventional structural systems in the form of higher specific stiffness and strengths but, its advantages is also lower life-cycle costs with additional benefits, such as easier installation and improved safety. For that, due its importance, the environmental impact and live cycle evaluation of the composite materials will be discussed.

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Ainda há muitas incógnitas sobre o comportamento de materiais compósitos a longo prazo e em condições de serviço; em particular, aqueles relacionados ao seu comportamento às cargas cíclicas, com a perda de resistência que experimentam ao longo do tempo e com a sua proteção contra incêndio. Os materiais compósitos resultam da combinação de dois ou mais materiais que, quando usados separadamente, podem não apresentar propriedades adequadas para serem usados como materiais de construção, mas quando combinados resultam em um material que mantém uma superfície de interface identificável. material que mescla simbioticamente as melhores propriedades dos materiais originais. Os materiais compósitos estudados neste trabalho são constituídos por duas fases denominadas de reforço de fibra e matriz termoendurecível. O reforço de fibra é responsável pelo material de desempenho mecânico, fornecendo a maior parte de sua resistência e rigidez. A matriz polimérica de termofixa atua como cola do material compósito, garantindo a transferência de carga entre as fibras e também entre as cargas aplicadas e o próprio compósito. Além da resina, a resina polimérica geralmente incorpora cargas e aditivos que podem reduzir os custos de produção, melhorar o processo de fabricação e melhorar as propriedades específicas do produto final. Um exemplo claro disso amplamente utilizado na construção é a incorporação de tri-hidrato de alumina para melhorar as propriedades à prova de fogo do compósito. Atualmente, um grande número de fibras e matrizes poliméricas apresentando características diferentes estão comercialmente disponíveis. A combinação criteriosa dos materiais constituintes permitiu o desenvolvimento de uma ampla gama de produtos que foram utilizados em aplicações estruturais muito diferentes, apresentando várias vantagens quando comparados com materiais tradicionais. Uma visão geral dos materiais potenciais com potenciais usos e aplicações em construção será registrada neste trabalho para discutir as vantagens e limitações gerais sobre materiais tradicionais como madeira, aço e concreto. Ao contrário de outros materiais, os processos de fabricação usados para produzir compósitos determinarão suas propriedades mecânicas finais, porque entre outros aspectos, será determinada a relação fibra / resina, bem como o grau de polimerização da resina polimérica. Deste modo, um dos processos de fabrico mais utilizados e potenciais utilizados na construção é o denominado mouldador de transferência de resina assistida por vácuo (VARTM). Uma das vantagens distintas dos processos VARTM é a capacidade de construir peças muito grandes em ferramentas relativamente baratas, aspectos que são de grande interesse na construção. Neste trabalho de tese, a análise será focada na tecnologia VARTM discutindo sua implementação para componentes estruturais de alto interesse em construção. O primeiro componente é uma estrutura fechada com uma combinação de laminado monolítico de fibra de vidro e carbono. Como modelo de estrutura fechada foi selecionada uma banheira. O segundo componente selecionado é uma laje estrutural com um composto de vidro tipo sanduíche. O processo VARTM será otimizado em termos de custo para produzir um protótipo de escala 1: 1. As propriedades dos laminados individuais serão testadas para modelar e calcular usando a teoria dos elementos finitos as propriedades de todo o laminado e as propriedades dos componentes da escala em termos de resistência e rigidez. Este estudo será desenvolvido tendo em conta o código técnico de construção, bem como as principais diretrizes e regulamentos internacionais para a aplicação de compósitos em construção. Algumas observações sobre o regulamento de produtos de construção e a marcação CE também serão incluídas. É claro que o composto oferece inúmeras vantagens sobre os sistemas estruturais convencionais na forma de rigidez e resistência específicas mais altas, mas suas vantagens também são menores custos de ciclo de vida com benefícios adicionais, como instalação mais fácil e segurança aprimorada. Para isso, devido à sua importância, o impacto ambiental e a avaliação do ciclo vivo dos materiais compósitos serão discutidos.