Νανοσύνθετα υλικά με βάση το τσιμέντο με ευφυή χαρακτηριστικά
Authors: Φαλάρα Μαρία 
Published: September 2021

Η παρακολούθηση και ο έλεγχος της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών αποτελεί σημαντικό επιστημονικό πεδίο με κύριο σκοπό την παροχή αξιόπιστων δεδομένων σχετικά με τη δομική κατάσταση των κατασκευών (ατέλειες, αστοχίες, ασυνέχειες και ανομοιογένειες) ώστε να εκτιμηθεί η διάρκεια ζωής της κατασκευής και να προσδιοριστούν οι πιθανές απαιτούμενες επεμβάσεις και ενισχύσεις. Η χρήση καινοτόμων “ευφυών” εφαρμογών για τον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας νέων κατασκευών αποκτά ακόμη μεγαλύτερη σημασία, καθώς η συλλογή αξιόπιστων δεδομένων για την κατάσταση και λειτουργία της κατασκευής οδηγεί στη μείωση του κόστους επισκευής και συντήρησης. Η χρήση ινών άνθρακα σε νανο και μικρο κλίμακα οι οποίοι παρουσιάζουν εξαιρετικά ηλεκτρομηχανικά χαρακτηριστικά σε συνδυασμό με τον υψηλό λόγο διάστασης τους καθιστούν ιδανικά υλικά ενίσχυσης των υλικών με βάση το τσιμέντο προσφέροντάς τους πιεζοαντιστατική απόκριση και “ευφυΐα” σε συνδυασμό με τις βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες.Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη καινοτόμων “ευφυών” πολυλειτουργικών δομικών υλικών με βάση το τσιμέντο ενισχυμένων με ίνες σε νανο και μικρο κλίμακα με ενισχυμένη ικανότητα αυτό-ανίχνευσης των μεταβολών της παραμορφωσιακής κατάστασης και της εμφάνισης ρηγματώσεων καθώς και επιλεκτικά αναβαθμισμένες μηχανικές ιδιότητες όπως το μέτρο ελαστικότητας και η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας παραμόρφωσης. Για την ενίσχυση σε νανοκλίμακα, χρησιμοποιήθηκαν νανοσωλήνες (Carbon nanotubes, CNTs) και νανοΐνες άνθρακα (Carbon nanofibers, CNFs) και σε μικροκλίμακα μικροΐνες άνθρακα (Carbon fibers, CFs) και πολυπροπυλενίου (Polypropylene fibers, PPs). Οι εξαιρετικές μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες και τα εντυπωσιακά ηλεκτρομηχανικά χαρακτηριστικά των νανοσωλήνων, νανοϊνών και μικροϊνών άνθρακα καθιστούν τα υλικά αυτά ιδανικά για την ανάπτυξη προηγμένων δομικών υλικών με βάση το τσιμέντο με ευφυή χαρακτηριστικά. Για να επωφεληθούμε τα πλεονεκτήματα τα οποία προσφέρουν οι ίνες άνθρακα σε νανο και μικρο κλίμακα θα πρέπει να ληφθούν υπόψιν οι διαφορές στα γεωμετρικά και φυσικά χαρακτηριστικά καθώς και στη δομή τους. Οι νανοσωλήνες και νανοΐνες άνθρακα έχουν υψηλό λόγο διάστασης, χαμηλή φαινόμενη πυκνότητα και αρκετά μεγάλη ειδική επιφάνεια. Η αποτελεσματική ενίσχυση της μήτρας για την ανάπτυξη ενός συνθέτου υλικού με αναβαθμισμένη μηχανική συμπεριφορά και ηλεκτρομηχανική απόκριση έγκειται στην επίτευξη ικανοποιητικής διασποράς των νανοσωλήνων, νανοϊνών και μικροϊνών άνθρακα στη μήτρα των υλικών με βάση το τσιμέντο. Η ερευνητική ομάδα του εργαστηρίου Τεχνικής Μηχανικής του Δ.Π.Θ. επικεντρώθηκε στην επίλυση του κρίσιμου ζητήματος της επιτυχούς προσθήκης των νανοσωλήνων και νανοϊνών άνθρακα στη μήτρα υλικών με βάση το τσιμέντο με την ανάπτυξη αξιόπιστης μεθόδου διασποράς και την παρασκευή αιωρημάτων νερού/CNTs ή CNFs υπό την εφαρμογή υψηλής ενέργειας υπερήχων και τη χρήση τασιενεργού ουσίας (υπερρευστοποιητής). Σε αρχικό στάδιο, παρασκευάστηκαν νανοσύνθετοι τσιμεντοπολτοί ενισχυμένοι με ίνες άνθρακα σε νανοκλίμακα, οι οποίοι είχαν υποστεί επαρκή διασπορά, επιδεικνύοντας πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες. Ωστόσο, η κρισιμότητα της επιτυχούς διασποράς του υλικού ενίσχυσης έγκειται στη μετάβαση της μελέτης της επίδρασης της προσθήκης των ινών άνθρακα στην πιεζοαντιστατική απόκριση και την ικανότητα ανίχνευσης παραμορφώσεων και ρωγμών στο εσωτερικό της δομής των κατεξοχήν κατασκευαστικών υλικών, όπως είναι τα τσιμεντοκονιάματα και σκυροδέματα. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί αυτή η πρόκληση, στην παρούσα διατριβή σχεδιάστηκε ένα εκτεταμένο πειραματικό πρόγραμμα για τη διερεύνηση των μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων καθώς και της πιεζοαντιστατικής απόκρισης συνθέτων τσιμεντοκονιαμάτων ενισχυμένων στη νανο και μικρο κλίμακα. Αρχικά, παρασκευάστηκαν υδατικά αιωρήματα τα οποία περιείχαν νανοσωλήνες άνθρακα σε ποσοστό 0.1% κ.β. τσιμέντου, διαφορετικών φυσικών και γεωμετρικών χαρακτηριστικών, μικροΐνες άνθρακα και πολυπροπυλενίου. Για την παρασκευή των νανοσυνθέτων μειγμάτων εφαρμόστηκε η βέλτιστη μέθοδος διασποράς των νανοσωλήνων/νανοϊνών άνθρακα με την επιβολή υψηλής ενέργειας υπερήχων στα 2800 kJ/l και τη χρήση υπερρευστοποιητή με λόγο κατά βάρος διαλύτη προς ίνες ίσο με 4.0. Στο πρώτο στάδιο της διατριβής διερευνήθηκε η επίδραση των διαφορετικών γεωμετρικών χαρακτηριστικών των νανοσωλήνων άνθρακα καθώς και η μηχανική ή χημική τους τροποποίηση στις μηχανικές ιδιότητες των κονιαμάτων. Το στάδιο αυτό χωρίστηκε σε δύο μέρη:1.Μελέτη της επίδρασης της μηχανικής τροποποίησης των νανοσωλήνων άνθρακα, η οποία συμβάλλει στη δημιουργία νανοσωλήνων με διαφορετικό λόγο διάστασης και φαινόμενη πυκνότητα, στη μηχανική συμπεριφορά των νανοσυνθέτων κονιαμάτων με τον προσδιορισμό της αντοχής σε κάμψη και θλίψη, του μέτρου Ελαστικότητας και της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας παραμόρφωσης μέσω πειραμάτων κάμψης τριών σημείων και μονοαξονικής θλίψης.2.Μελέτη της επίδρασης της χημικής τροποποίησης των νανοσωλήνων άνθρακα στη μηχανική συμπεριφορά των νανοσυνθέτων υλικών μέσω πειραμάτων κάμψης τριών σημείων και μονοαξονικής θλίψης.Στόχος ήταν η μελέτη της επίδρασης των διαφορετικών γεωμετρικών και φυσικών χαρακτηριστικών των νανοσωλήνων δεδομένα τα οποία οδηγούν σε διαφορετικό αριθμό μεμονωμένων νανοσωλήνων στην μονάδα όγκου του μείγματος υποθέτοντας τέλεια διασπορά. Προέκυψε ότι η μικρότερη φαινόμενη πυκνότητα η οποία οδηγεί σε μεγαλύτερο αριθμό μεμονωμένων νανοσωλήνων συντέλεσε στην αύξηση της αντοχής σε κάμψη, του μέτρου ελαστικότητας και σε αυξημένη ικανότητα απορρόφησης της ενέργειας σε σύγκριση με τις αντίστοιχες τιμές των κονιαμάτων χωρίς την ενίσχυση με ίνες σε νανοκλίμακα. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταδεικνύουν τη σημαντική συμβολή του είδους της νανοενίσχυσης στη συμπεριφορά του υλικού με αυξήσεις όλων των μηχανικών ιδιοτήτων που φτάνουν έως και το 100%, καθώς τα νανοσύνθετα παρουσίασαν σχεδόν διπλάσια αντοχή σε κάμψη, μέτρο Ελαστικότητας και ικανότητα απορρόφησης της ενέργειας, έναντι του συμβατικού υλικού.Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε θεωρητική προσέγγιση του μέτρο ελαστικότητας των νανοσυνθέτων υλικών που ενισχύθηκαν με διαφορετικούς τύπους νανοσωλήνων άνθρακα, ήτοι διαφορετικά γεωμετρικά και φυσικά χαρακτηριστικά, χρησιμοποιώντας γνωστά μοντέλα της βιβλιογραφίας όπως τα μοντέλα μικρομηχανικής των Benveniste (βασισμένο στη θεωρία του Mori-Tanaka) καθώς και των Voigt και Reuss που παρουσιάζουν το άνω και κάτω όριο του μέτρου ελαστικότητας, αντίστοιχα, για λόγους σύγκρισης. Απεδείχθη ότι οι πειραματικές τιμές του μέτρου ελαστικότητας των νανοσυνθέτων κονιαμάτων βρίσκονται εντός της περιοχής που ορίζεται από το άνω και κάτω όριο και είναι σε πλήρη συμφωνία με τις τιμές που υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας το μοντέλο Benveniste.Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διερευνήθηκε επιπλέον η ανάπτυξη ενός νέου τύπου συνθέτων κονιαμάτων με τη χρήση υβριδικού οπλισμού σε νανο και μικρο κλίμακα χρησιμοποιώντας νανοΐνες άνθρακα (CNFs), μικροΐνες άνθρακα (CFs) ή πολυπροπυλενίου (PPs). Η μελέτη περιλαμβάνει τη διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων και συγκεκριμένα της ελαστικής και μετελαστικής συμπεριφοράς το υλικού Η διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων πραγματοποιήθηκε μέσω: 1.Πειραμάτων κάμψης τριών σημείων σε πρισματικά δοκίμια 40 mm x 40 mm x 160 mm.2.Πειραμάτων Μηχανικής της Θραύσης σε δοκίμια 20 mm x 20 mm x 80 mm στα οποία εισήχθη αρχική εγκοπή μήκους 6 mm.Από τα αποτελέσματα παρουσιάστηκε η θετική επίδραση του συνδυασμού νανοϊνών και μικροϊνών άνθρακα ή ινών πολυπροπυλενίου στην ελαστική και μετελαστική συμπεριφορά των υβριδικά ενισχυμένων κονιαμάτων. Απεδείχθη ότι η προσθήκη υβριδικού δικτύου νανοϊνών άνθρακα και μικροϊνών πολυπροπυλενίου οδηγεί σε εξαιρετική ενίσχυση της ελαστικής συμπεριφοράς (pre-peak mechanical response) των υλικών και σε σημαντική βελτίωση της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας μετά το σχηματισμό “πρώτης ρηγμάτωσης” (post-cracking energy absorption capability) αυξάνοντας την πλαστιμότητά του.Το δεύτερο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας περιλαμβάνει τη διερεύνηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων και της πιεζοαντιστατικής απόκρισης των ενισχυμένων με ίνες σε νανο ή/και μικρο κλίμακα κονιαμάτων. Αρχικά μετρήθηκε η ηλεκτρική αντίσταση με την εφαρμογή συνεχούς ρεύματος DC και την επιβολή κυκλικής θλιπτικής φόρτισης στην ελαστική περιοχή και εν συνεχεία πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της ηλεκτρικής αντίστασης υπό την επιβολή μονοτονικής θλιπτικής φόρτισης έως την τελική αστοχία του δοκιμίου. Η προσθήκη μιας μικρής ποσότητας ινών άνθρακα σε νανοκλίμακα, οι οποίες έχουν υποστεί ικανοποιητική διασπορά στη μάζα του κονιάματος μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ηλεκτρική αγωγιμότητα των νανοσυνθέτων. Απεδείχθη ότι η προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα σε ποσοστό 0.2% κ.β. τσιμέντου προσδίδει στο νανοσύνθετο κονίαμα εντυπωσιακή πιεζοαντιστατική απόκριση με έως και 18% ή 74% μεταβολή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης υπό την επιβολή κυκλικής θλιπτικής φόρτισης στην ελαστική περιοχή ή μονοτονικής έως την αστοχία του δοκιμίου, αντίστοιχα. Περαιτέρω διερευνήθηκε η “ευφυΐα” και πολυλειτουργικότητα που δύναται να προσδώσει η προσθήκη (i) νανοϊνών άνθρακα (ii) μικροϊνών άνθρακα καθώς και (iii) υβριδικού οπλισμού με συνδυασμό νανοϊνών και μικροϊνών άνθρακα σε ενισχυμένα τσιμεντοκονιάματα μέσω της αυτό-ανίχνευσης των παραμορφώσεων στο εσωτερικό της δομής τους κατά τη διάρκεια μηχανικής καταπόνησης. Εξετάζεται η πιεζοαντιστατική απόκριση των νανοσυνθέτων υπό την επιβολή ημιτονοειδούς εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η προσθήκη τόσο των νανοϊνών και μικροϊνών άνθρακα όσο και του υβριδικού οπλισμού προσδίδει στα νανοσύνθετα υλικά μη γραμμική και αναστρέψιμη πιεζοαντιστατική απόκριση, η οποία εξαρτάται από το ρυθμό φόρτισης. Ο υβριδικός οπλισμός δημιουργεί ένα ισχυρό δίκτυο το οποίο είναι σε θέση να ενισχύσει αποτελεσματικά τη μήτρα κονιάματος προσδίδοντας εντυπωσιακή ικανότητα ανίχνευσης οποιασδήποτε αλλαγής στην παραμορφωσιακή του κατάσταση, από την ελαστική περιοχή μέχρι και την αστοχία, μέσω της μεταβολής της ειδικής ηλεκτρικής του αντίστασης.Τέλος, διεξήχθησαν πειράματα μέτρησης του (i) δυναμικoύ διάβρωσης (Ecorr), (ii) της πυκνότητας ρεύματος διάβρωσης (icorr) και (iii) της ηλεκτροχημικής απώλειας μάζας (electrochemical mass loss) σε νανοσύνθετα κονιάματα που ενισχύθηκαν με νανοσωλήνες και νανοΐνες άνθρακα στα οποία είχε εισαχθεί οπλισμός χάλυβα. Τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε επιταχυνόμενη διάβρωση. Από τα πειραματικά αποτελέσματα καταδεικνύεται ότι η προσθήκη νανοσωλήνων ή νανοϊνών άνθρακα σε ποσοστό 0.1% κ.β., οδηγεί σε καθυστέρηση του χρόνου έναρξης της διάβρωσης και σε σημαντική μείωση της ηλεκτροχημικής απώλειας μάζας. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε εγκιβωτισμός δοκιμίου τσιμεντοκονιάματος ενισχυμένου με νανοσωλήνες άνθρακα σε μήτρα οπλισμένου σκυροδέματος και εξετάστηκε η δυνατότητα παρακολούθησης της διάβρωσης του οπλισμού μέσω των μεταβολών της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης του αισθητήρα κονιάματος.