PS 10 2016 WWW.pdf 35PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Nieniszczące badania płyt włóknisto-cementowych  z wykorzystaniem emisji akustycznej Non-destructive testing of fiber-cement board using acoustic emission method Dr inż. Tomasz Gorzelańczyk, dr hab. inż. Krzysztof Schabowicz, mgr inż. Mateusz Szymków – Politechnika Wrocławska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: k.schabowicz@pwr.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiono propozycję zastosowania do badania płyt włóknisto-cementowych nieniszczącą me- todę emisji akustycznej. Badaniom poddano łącznie 4 serie materiałów włóknisto-cementowych oznaczonych literami A, AW, B i BW. Dwie serie A i B stanowiły losowo wybrane płyty dostępne na rynku budowlanym, które następnie pod- dano procesowi wypalenia w temperaturze 230 °C – seria AW i BW. Uzyskano ciekawe rezultaty badań, które pozwoliły odróżnić proces niszczenia zawartych w materiale włókien od procesu niszczenia samej matrycy. Słowa kluczowe: badania nieniszczące; płyty włóknisto-ce- mentowe; emisja akustyczna Abstract This article show proposition of using acoustic emis- sion as a non-destructive method for testing fiber-cement board. For testing was used four series of fiber-cement board marked A, AW, B, BW. Two series A and B was ran- domly selected from available board in market, which then were subjected to burn-out at 230 °C – a series of AW and BW. Obtained interesting results of research which helps describe destruction process of fibers and cement matrix. Keywords:  non-destructive testing; fiber-cement board; acoustic emission Wstęp Płyty włóknisto-cementowe najczęściej stosowane są jako okładziny elewacji wentylowanych montowane na pod- konstrukcji [1,2]. Widok przykładowych elewacji z wykorzy- staniem takich płyt pokazano na rysunku 1. Okładziny ele- wacyjne narażone są na duże obciążenia w wyniku parcia i ssania wiatru, ale również na bardzo zmienne warunki kli- matyczne. Stąd też materiał ten musi być dokładnie spraw- dzony przed wbudowaniem, a przede wszystkim w trakcie jego wytwarzania. Istotnym jest wówczas sprawdzenie skła- du mieszanki oraz ilości i sposobu rozłożenia włókien celu- lozowych i PVA. Nieprawidłowo rozłożone włókna nie two- rzą przestrzennej siatki zbrojeniowej, co sprawia, że płyta nie posiada wymaganych parametrów wytrzymałościowych i przede wszystkim trwałości. Kontrola prawidłowości rozłożenia włókien wewnątrz płyty jest bardzo trudna. Jedną z metod kontroli płyt jest normowe badanie wytrzymałości na zginanie dla wybranych partii, na podstawie pobranych z nich próbek o wymiarach 250x250 mm [3]. Jest to metoda zgrubna i obarczona dużym błędem, a duża zmienność w wytrzymałości tych próbek świadczyć może zarówno o nierównomiernym rozłożeniu w nich włókien, ale także o niejednorodności samej matrycy cementowej. Potrzebna byłaby zatem dokładniejsza meto- da, która pozwoliłaby na obserwację, jak „zachowuje się” płyta włóknisto-cementowa z włóknami z różną ich zawarto- ścią lub wręcz w przypadku ich braku. W literaturze opisano różne metody badania płyt włóknisto-cementowych [4÷9], ale zauważa się brak metody, która pozwoliłaby odróżnić proces niszczenia zawartych w materiale włókien od proce- su niszczenia samej matrycy cementowej i tym samym sza- cować zawartość włókien. Autorzy niniejszej pracy zapro- ponowali zastosowanie do takiej obserwacji metodę emisji akustycznej, którą wykorzystali do badania wybranych płyt dostępnych na rynku budowlanym. Opis badań Badaniom poddano 4 serie materiałów włóknisto-ce- mentowych oznaczonych literami A, AW, B i BW, których Tomasz Gorzelańczyk, Krzysztof Schabowicz, Mateusz Szymków przeglad Welding Technology Review 36 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 podstawowe parametry zamieszczono w tablicy I. Badane próbki zostały wycięte z większych fragmentów płyt włókni- sto-cementowych i miały wymiary 8x20x100 mm. Z każdej serii przebadano po 6 próbek. Próbki oznaczone przez AW i BW różniły się od próbek oznaczonych literami A i B obrób- ką cieplną. Obróbki cieplnej tych próbek dokonano w piecu laboratoryjnym w temperaturze 230 °C przez ok. 2 godzi- ny. Obróbka cieplna miała na celu zniszczenie (wypalenie) włókien celulozowych oraz włókien PVA znajdujących się w składzie badanych płyt. Badania procesu niszczenia płyt włóknisto-cementowych podczas trójpunktowego zginania, przeprowadzono z wyko- rzystaniem mikroprasy Pascal (3 kN) oraz jednoczujniko- wego zestawu do badań metodą emisji akustycznej. Widok zestawu aparatury do badań metodą emisji akustycznej po- kazano przykładowo na rysunku 2. Rys. 1. Przykładowe elewacje wentylowane z wykorzystaniem płyt włóknisto-cementowych na budynku mieszkalnym i użyteczności publicznej Fig. 1. Ventilated façade with fiber-cement boards, examples of implementation housing and civil building L.p. 1 2 3 4 Oznaczenie próbki A AW B BW Szerokość próbki [mm] 20 20 20 20 Grubość płyty [mm] 8 8 8 8 Rodzaj płyty włóknisto- -cementowa barwiona w masie włóknisto- -cementowa barwiona w masie włóknisto- -cementowa malowana włóknisto- -cementowa malowana Obróbka cieplna   w temperaturze 230 °C nie tak nie tak Wytrzymałość na zginanie  badanych próbek [MPa] wyzna- czona wg wzoru podanego   w p. 7.3.2.4.1 normy [3] 32,18 13,20 36,40 7,18 Gęstość objętościowa [kg/m3] 1550 nie określano 1600 nie określano Widok płyty Tablica I. Podstawowe parametry badanych próbek płyt włóknisto-cementowych Table I. Basic parameters of the tested fiber-cement boards samples Rys. 2. Zestaw aparatury do badań metodą emisji akustycznej Fig. 2. Test equipment of acoustic emission method 37PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 W trakcie trójpunktowego zginania próbek włóknisto- cementowych rejestrowanymi deskryptorami emisji aku- stycznej w funkcji czasu były liczba zliczeń EA oraz ener- gia zdarzeń EA. Proces zginania był prowadzony ze stałym przyrostem przemieszczenia trawersy maszyny wytrzyma- łościowej wynoszącym 0,1 mm/m. Wyniki badań i ich analiza Na rysunkach 3÷6 pokazano przykładowy zapis licz- by zliczeń emisji akustycznej w funkcji czasu oraz zapis energii zdarzeń emisji akustycznej w funkcji czasu wraz z naniesionym wykresem przyrostu siły, odpowiednio dla badanych serii próbek A, AW, B i BW. Na podstawie analizy rysunków 3 i 4 widać istotną róż- nicę w procesie niszczenia badanych próbek serii A i AW. Jak widać z tych rysunków, obróbka cieplna istotnie wpły- wa na charakter zapisu liczby zliczeń EA i energię zdarzeń EA. W przypadku próbek serii A obserwuje się niewielką aktywność akustyczną w prawie całym procesie. Dopiero tuż przed momentem zniszczenia próbki (przy poziomie 98% siły niszczącej) następuje bardzo znaczący wzrost zarówno liczby zliczeń jak i energii zdarzeń emisji aku- stycznej. W przypadku próbek serii AW nie obserwuje się Rys. 3. Zapis dla próbki serii A: a) liczby zliczeń emisji akustycznej, b) energii zdarzeń emisji akustycznej wraz z naniesionym wykresem przyrostu siły Fig. 3. Recording for the sample series A: a) the number of acoustic emission counts, b) the energy of acoustic emission events and graph of strength increase żadnej aktywności akustycznej do momentu zniszczenia. W momencie zniszczenia występuje jeden gwałtowny wzrost rejestrowanych deskryptorów. Jeżeli chodzi o prób- ki serii B i BW, to analizując rysunki 5 i 6 widać, że proces ich niszczenia jest analogiczny do próbek serii A i AW. Z tym, że w przypadku próbek serii B (rys. 5a) widać więk- szą aktywność akustyczną i wyższą wartość zarejestro- wanej energii zdarzeń emisji akustycznej znacznie wcze- śniej przed osiągnięciem zniszczenia próbki, bo już przy poziomie około 88% siły niszczącej. Również zarejestro- wana wartość energii zdarzeń EA jest znacznie wyższa niż w przypadku próbek serii A. Zdaniem autorów różnica ta może świadczyć o większej ilości włókien zarówno ce- lulozowych jak również PVA w składzie płyt włóknisto-ce- mentowych serii B lub też ich wyższej wytrzymałości. Fakt ten może mieć również związek ze sposobem rozmiesz- czenia włókien w strukturze badanego materiału. Z kolei wykorzystywane w pracy próbki serii AW i BW (po obróbce cieplnej) miały na celu pomóc odróżnić proces niszcze- nia zawartych w materiale włókien od procesu niszczenia samej matrycy. Autorzy mają pewne sugestie dotyczące tego faktu, jednak zagadnienie to okazuje się być bardziej złożone, stąd też wymaga jeszcze przeprowadzenia dodat- kowych analiz, których rezultaty na pewno będą przedmio- tem kolejnych publikacji. Rys. 4. Zapis dla próbki serii AW: a) liczby zliczeń emisji akustycznej, b) energii zdarzeń emisji akustycznej wraz z naniesionym wykresem przyrostu siły Fig. 4. Recording for the sample series AW: a) the number of acoustic emission counts, b) the energy of acoustic emission events and graph of strength increase a) b) a) b) 38 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Rys. 5. Zapis dla próbki serii B: a) liczby zliczeń emisji akustycznej, b) energii zdarzeń emisji akustycznej wraz z naniesionym wykresem przyrostu siły Fig. 5. Recording for the sample series B: a) the number of acoustic emission counts, b) the energy of acoustic emission events and graph of strength increase Rys. 6. Zapis dla próbki serii BW: a) liczby zliczeń emisji akustycznej, b) energii zdarzeń emisji akustycznej wraz z naniesionym wykresem przyrostu siły Fig. 6. Recording for the sample series BW: a) the number of acoustic emission counts, b) the energy of acoustic emission events and graph of strength increase a) b) a) b) Podsumowanie W artykule przedstawiono propozycję zastosowania do badania płyt włóknisto-cementowych metodę emisji akustycznej. Badaniom poddano łącznie 4 serie materiałów włóknisto-cementowych oznaczonych literami A, AW, B i BW. Dwie serie A i B stanowiły losowo wybrane płyty dostępne na rynku budowlanym, które następnie poddano procesowi obróbki cieplnej w temperaturze 230 °C – seria AW i BW. Uzyskano ciekawe rezultaty badań, które pozwoliły odróżnić proces niszczenia za- wartych w materiale włókien od procesu niszczenia samej matrycy. Ponieważ autorzy nie spotkali się dotychczas z podobnymi badaniami w literaturze, należy sądzić, że znajomość przed- miotowego procesu niszczenia oraz opracowanie własnej metodyki badań, pozwoli w przyszłości oceniać jakość badanych materiałów włóknisto-cementowych zarówno pod kątem jakości samej matrycy cementowej, ale przede wszystkim ilości, wytrzymałości i sposobu rozmieszczenia włókien w badanym materiale. Literatura [1] Informacje ze strony internetowej: http://www.euronit.de/ [2] Informacje ze strony internetowej: http://www.cembrit.com/ [3] PN-EN 12467:2013-03E - Płyty płaskie włóknisto-cementowe. Charakte- rystyka wyrobu i metody badań. [4] R. Drelich, T. Gorzelańczyk, M. Pakuła, K. Schabowicz: Automated Control of Cellulose Fibre Cement Boards with a Non-Contact Ultrasound Scan- ner, Automation in Construction, 57, s. 55-63, 2015. [5] T. Gorzelańczyk, K. Schabowicz: Non-Destructive Testing of Moisture in Cellulose Fiber Cement Boards, 11th European Conference on Non-De- structive Testing (ECNDT), Prague, 2014. [6] T. Gorzelańczyk, K. Schabowicz: Badania płyt włóknisto-cementowych zawierających materiały z recyklingu, Materiały Budowlane, nr 10, s. 27-29, 2015. [7] T. Gorzelańczyk, K. Schabowicz: Rewitalizacja elewacji budynków z za- stosowaniem płyt włóknisto-cementowych, Materiały Budowlane, nr 11, s. 163-165, 2015. [8] Z. Ranachowski, D. Jóźwiak-Niedźwiedzka, A.M. Brandt, T. Dębowski: Applica- tion of Acoustic Emission Method to Determine Critical Stress in Fibre Rein- forced Mortar Beams, Archives of Acoustics, Vol.37, Nr 3, s. 261-268, 2012. [9] K. Schabowicz, Z. Ranachowski, D. Jóźwiak-Niedźwiedzka, Ł. Radzik, Jr. S. Kudela, T. Dvorak: Application of X-ray microtomography to quality assessment of fibre cement boards, Construction and Building Materials, Vol. 110, s. 182-188, 2016. [10] Tomasz Gorzelańczyk, Krzysztof Schabowicz: Nieniszczące badania wil- gotności płyt włóknisto-cementowych metodą dielektryczną, Przegląd Spawalnictwa, Vol 86, No 11 (2014).