Testimenetelmä puurakenneliiman lämmönkeston tutkimiseen
Saaristo, Saana-Maija (2023)
2023
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Materials Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-02-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202302072094
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202302072094
Tiivistelmä
Uudenlaisten rakennepuutuotteiden tulo markkinoille on uudistanut puurakentamista merkittävästi. Liimaamalla valmistetut rakennepuutuotteet, kuten esimerkiksi ristilaminoitu massiivipuu (CLT, engl. Cross Laminated Timber) tai liimapuu mahdollistavat puun käytön kantavina lattia- ja seinärakenteina. Massiivisten puuelementtien, kuten CLT:n valmistuk-sessa, yleistyy 1-komponenttisen polyuretaaniliiman (1K-PUR) käyttö. 1K-PUR -liiman etuna on reaktiivisuus huoneenlämpötilassa sekä liiman isosyanaattien reaktiivisuus puun kosteuden kanssa, mutta palotilanteessa PUR-liimojen lämmönkesto saattaa olla riittämätön. Palotilanteessa rakennepuutuotteella liimasaumaan kohdistuu korkea lämpökuorma, joka voi johtaa puutuotteen rakennevaurioon. Euroopassa puurakentamisen rakennesuunnittelua sekä palomitoitusta ohjaa standardikokoelma Eurokoodi 5. Kantavat puurakenteet yleistyvät ja vastatakseen tämän ajan puurakentamisen käytäntöä, Eurokoodi 5 on uudistuksen alla. Yksi uudistuksen osa on palosuunnittelun standardin päivittäminen rakennepuutuotteiden palonkestovaatimusten ja palotestauksen osalta.
Tämän työn tavoitteena oli selvittää rakenneliiman lämmönkeston tutkimiseen soveltuva testi, joka antaisi viitteitä liiman ja liimatun puurakenteen suoriutumisesta palotilannetta vastaavissa korkeissa lämpötiloissa. Työssä tutkittiin 1K-PUR -liiman lämmönkestoa ja mittausmenetelmiksi valikoitui termisiä analyysimenetelmiä, joilla voidaan tutkia liimapolymeerin fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia lämpötilan funktiona. Työn analyysimenetelmät olivat: termogravimetrinen analyysi (TGA), differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC, engl. Differential Scanning Calorimetry) ja dynaamis-mekaaninen analyysi (DMA). Termisten analyysimenetelmien lisäksi työssä testattiin liimasauman leikkauslujuutta korkeissa lämpötiloissa.
Vertaamalla termisten analyysimenetelmien ja vetokokeen tuloksia, pyrittiin löytämään yhteys fysikaalisten (ja kemiallisten) muutosten ja lujuuskehityksen välillä, eli korrelaatio polymeerin termisen analyysin ja liimatun kappaleen mekaanisen testauksen välillä. Vetokokeessa, DSC:ssä ja TGA:ssa havaittiin näytteiden välillä eroja, mutta myös yhtenäinen trendi mittausmenetelmien välillä. Vetokokeen tulosten perusteella leikkauslujuudeltaan suuremmat näytteet ilmensivät DSC:llä enemmän endotermisiä alueita verrattuna lujuudeltaan heikompiin näytteisiin. DSC ei kuitenkaan korreloinut kovin tarkasti lujuuskehityksen kanssa. Vetokokeessa näytteiden lujuus heikkeni matalammissa lämpötiloissa ennen TGA:n osoittamaa suurinta massanmuutosta. Lisäksi korkeissa lämpötiloissa suuremman lujuuden näytteet osoittivat TGA:lla suurempaa massanmuutosta verrattuna lujuudeltaan heikompiin näytteisiin. Massanmuutos voi johtaa rakennemuutosten kautta polymeerin heikentymiseen tai hetkelliseen lujittumiseen ja siten pelkän TGA:n perusteella on vaikea päätellä liimasauman kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa. DMA:lla yhden näytteen perusteella saatu tulos oli linjassa vetokokeen tuloksen kanssa; DMA osoitti varastomoduulin jyrkän laskun lämpötila-alueella, jossa näytteen lujuus heikkeni hyvin nopeasti ja murtuma tapahtui liimasauman sisäisen lujuuden pettäessä. DMA:n soveltuvuutta tulisi tutkia myös muiden näytteiden osalta, mutta tämän tutkimuksen perustella DMA näyttää korreloivan hyvin leikkauslujuuskehityksen kanssa.
Tämän työn tavoitteena oli selvittää rakenneliiman lämmönkeston tutkimiseen soveltuva testi, joka antaisi viitteitä liiman ja liimatun puurakenteen suoriutumisesta palotilannetta vastaavissa korkeissa lämpötiloissa. Työssä tutkittiin 1K-PUR -liiman lämmönkestoa ja mittausmenetelmiksi valikoitui termisiä analyysimenetelmiä, joilla voidaan tutkia liimapolymeerin fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia lämpötilan funktiona. Työn analyysimenetelmät olivat: termogravimetrinen analyysi (TGA), differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC, engl. Differential Scanning Calorimetry) ja dynaamis-mekaaninen analyysi (DMA). Termisten analyysimenetelmien lisäksi työssä testattiin liimasauman leikkauslujuutta korkeissa lämpötiloissa.
Vertaamalla termisten analyysimenetelmien ja vetokokeen tuloksia, pyrittiin löytämään yhteys fysikaalisten (ja kemiallisten) muutosten ja lujuuskehityksen välillä, eli korrelaatio polymeerin termisen analyysin ja liimatun kappaleen mekaanisen testauksen välillä. Vetokokeessa, DSC:ssä ja TGA:ssa havaittiin näytteiden välillä eroja, mutta myös yhtenäinen trendi mittausmenetelmien välillä. Vetokokeen tulosten perusteella leikkauslujuudeltaan suuremmat näytteet ilmensivät DSC:llä enemmän endotermisiä alueita verrattuna lujuudeltaan heikompiin näytteisiin. DSC ei kuitenkaan korreloinut kovin tarkasti lujuuskehityksen kanssa. Vetokokeessa näytteiden lujuus heikkeni matalammissa lämpötiloissa ennen TGA:n osoittamaa suurinta massanmuutosta. Lisäksi korkeissa lämpötiloissa suuremman lujuuden näytteet osoittivat TGA:lla suurempaa massanmuutosta verrattuna lujuudeltaan heikompiin näytteisiin. Massanmuutos voi johtaa rakennemuutosten kautta polymeerin heikentymiseen tai hetkelliseen lujittumiseen ja siten pelkän TGA:n perusteella on vaikea päätellä liimasauman kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa. DMA:lla yhden näytteen perusteella saatu tulos oli linjassa vetokokeen tuloksen kanssa; DMA osoitti varastomoduulin jyrkän laskun lämpötila-alueella, jossa näytteen lujuus heikkeni hyvin nopeasti ja murtuma tapahtui liimasauman sisäisen lujuuden pettäessä. DMA:n soveltuvuutta tulisi tutkia myös muiden näytteiden osalta, mutta tämän tutkimuksen perustella DMA näyttää korreloivan hyvin leikkauslujuuskehityksen kanssa.