Μηχανική συμπεριφορά και ανθεκτικότητα νέων προηγμένων νανοσύνθετων υλικών με βάση το τσιμέντο
Authors: Μεταξά Ζωή 
Published: August 2021

Χαρακτηριστικό των υλικών με βάση το τσιμέντο είναι η χαμηλή τους εφελκυστική αντοχή που τα καθιστά ευάλωτα στη ρηγμάτωση. Το τελευταίο είναι γνωστό πως οδηγεί στη μείωση της ανθεκτικότητας και της ασφάλειας των κατασκευών στο χρόνο. Οι ίνες μέσω της αλληλεπίδρασής τους με τη μήτρα ελέγχουν την ρηγμάτωση και συμβάλουν στην αύξηση της πλαστικότητας και της αντίστασης σε θραύση του υλικού. Το μέγεθος των ινών καθορίζει τη χρονική περίοδο κατά την οποία οι ίνες ενεργούν και ενισχύουν το υλικό καθυστερώντας τη συνένωση των ρωγμών. Η συμβατική ενίσχυση πραγματοποιείται σε κλίμακα χιλιοστού η/και στη μικροκλίμακα χρησιμοποιώντας μακροΐνες και μικροΐνες αντίστοιχα. Μολονότι οι ίνες σε μικροκλίμακα καθυστερούν τη διάδοση των μικρορωγμών δεν αποτρέπουν την εμφάνιση τους. Η ρηγμάτωση των υλικών με βάση το τσιμέντο ξεκινά από το επίπεδο της νανοκλίμακας όπου οι υπάρχουσες μέθοδοι ενίσχυσης δεν είναι αποτελεσματικές. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων προηγμένων νανοσύνθετων υλικών με βάση το τσιμέντο υψηλής αντοχής ακαμψίας και ανθεκτικότητας. Για την επίτευξη αυτού του στόχου χρησιμοποιήθηκε ενίσχυση τόσο σε νανοκλίμακα με την προσθήκη νανοσωλήνων και νανοϊνών άνθρακα όσο και σε μικροκλίμακα με την προσθήκη μικροϊνών πολυβινυλικής αλκοόλης. Σκοπός είναι η δημιουργία μιας νέας γενιάς μη ρηγματωμένων υλικών (crack free material) που οι ιδιότητές τους να ρυθμίζονται επιλεκτικά με την επιδιωκόμενη λειτουργία. Οι εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες των νανοσωλήνων και νανοϊνών άνθρακα καθιστούν τα υλικά αυτά ιδανικά για την ανάπτυξη νέων προηγμένων υλικών με βάση το τσιμέντο. Ωστόσο η κρισιμότητα της επιτυχούς ενίσχυσης της μήτρας έγκειται στην επίτευξη ικανοποιητικής διασποράς των νανοσωλήνων και νανοϊνών άνθρακα. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί αυτή η πρόκληση το πρώτο στάδιο της διατριβής επικεντρώθηκε στην έρευνα για την επίτευξη ικανοποιητικής διασποράς τόσο των νανοσωλήνων όσο και των νανοϊνών άνθρακα στο υλικό. Για την αποτελεσματική διασπορά τους στο νερό της μίξης χρησιμοποιήθηκε διαλυτής και εφαρμόστηκε υψηλή ενέργεια υπερήχων. Αρχικά, διερευνήθηκε η αναγκαιότητα επιβολής υψηλής ενέργειας υπερήχων. Στη συνέχεια εξετάστηκε η επίδραση διαφορετικών διαλυτών στον βαθμό διασποράς. Τέλος η μέθοδος της διασποράς βελτιστοποιήθηκε εξετάζοντας δυο κρίσιμες παραμέτρους την επίδραση της ενέργειας υπερήχων και την επίδραση του λόγου κατά βάρος διαλύτη προς ίνες σε νανοκλίμακα. Από την συσχέτιση των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι για την επίτευξη αποτελεσματικής διασποράς υφίσταται ένας βέλτιστος λόγος κατά βάρος διαλύτη προς ίνες σε νανοκλίμακα, κοντά στο 4.0 και βέλτιστη ενέργεια υπερήχων περίπου στα 2800 kJ/Ι για τα οποία τα νανοσύνθετα υλικά εμφανίζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Ακόμα, αποδείχθηκε ότι η μέθοδος διασποράς που αναπτύχθηκε μπορεί να εφαρμοστεί επιτυχώς για τη διασπορά τόσο των νανοσωλήνων όσο και των νανοϊνών άνθρακα. Χρησιμοποιώντας την παραπάνω μέθοδο για την διασπορά των ινών άνθρακα σε νανοκλίμακα, παρασκευάστηκαν νανοσύνθετα υλικά συμβατικής και υψηλής αντοχής. Ερευνήθηκε ενδελεχώς η επίδραση της περιεκτικότητας των νανοσωλήνων και νανοϊνών άνθρακα στη νανοδομή καθώς και στις νάνο και μακρό μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Ακολούθως χρησιμοποιώντας την ίδια πειραματική διαδικασία, εξετάστηκε η ικανότητα ενίσχυσης διαφορετικών τύπων νανοσωλήνων και νανοϊνών άνθρακα. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης έδειξε ότι τόσο οι νανοσωλήνες όσο και οι νανοΐνες άνθρακα ενισχύουν τα υλικά με βάση το τσιμέντο γεφυρώνοντας τις νανορωγμές και τους πόρους σε νανοκλίμακα. Η ικανή διασπορά μιας μικρής περιεκτικότητας ινών άνθρακα σε νανοκλίμακα έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία νανοσύνθετων υλικών με εξαιρετικά βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματα της νανοδιείσδυσης έδειξαν ότι η προσθήκη των νανοσωλήνων και νανοϊνών άνθρακα αυξάνει την ποσότητα των ένυδρων C-S-Η υψηλής ακαμψίας και μειώνει το πορώδες της μήτρας. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας γνωστά μοντέλα της βιβλιογραφίας υπολογίστηκε θεωρητικά το μέτρο ελαστικότητας των νανοσύνθετων υλικών. Αποδείχθηκε ότι τα αποτελέσματα των μοντέλων είναι σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη του μέτρου ελαστικότητας των νανοσύνθετων υλικών με βάση το τσιμέντο. Στο πλαίσιο ελέγχου των νέων νανοσύνθετων υλικών για χρήση στις κατασκευές εξετάστηκε η αυτογενής συρρίκνωση νανοσύνθετων υλικών υψηλής αντοχής. Παρουσιάζεται ανάλυση του φαινομένου της αυτογενούς συρρίκνωσης και διερευνάται η επίδραση των νανοσωλήνων και νανοϊνών άνθρακα. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οι νανοσωλήνες και οι νανοΐνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για τη μείωση της αυτογενούς συρρίκνωσης του υλικού σε πρώιμη ηλικία. Βασική επιδίωξη της επιστημονικής κοινότητας στον τομέα της τεχνολογίας των υλικών με βάση το τσιμέντο είναι η ανάπτυξη προηγμένων υλικών υψηλής απόδοσης. Ένας από τους στόχους της διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός νέου υλικού με υβριδικό οπλισμό σε νάνο και μικρό κλίμακα χρησιμοποιώντας νανοΐνες άνθρακα και μικροΐνες πολυβινυλικής αλκοόλης (PVA). Παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα μηχανικών δοκιμών κάμψης τριών σημείων σε πρισματικά δοκίμια με τεχνητή αρχική εγκοπή και εξετάζεται η μορφολογία του υβριδικού υλικού χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης. Τα αποτελέσματα του υβριδικού υλικού συγκρίνονται με αυτά του νανοσύνθετου υλικού ενισχυμένου με νανοΐνες του ινοπλισμένου υλικού ενισχυμένου με PVA μικροΐνες και του άοπλου υλικού. Η προσθήκη υβριδικού οπλισμού είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της αντοχής σε κάμψη του μέτρου ελαστικότητας και της πλαστιμότητας του υλικού. Το υβριδικό υλικό παρουσιάζει βελτιωμένη μηχανική συμπεριφορά συγκρινόμενο με τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ένα μόνο τύπο ίνας. Τέλος για την εύκολη χρήση και μεταφορά του αιωρήματος των νανοσωλήνων άνθρακα στο πεδίο εφαρμογής αναπτύχθηκε κατάλληλη μεθοδολογία αύξησης της συγκέντρωσης των νανοσωλήνων στο αιώρημα. Αυτό πραγματοποιήθηκε μέσω της μείωσης του νερού στο αιώρημα με αποτέλεσμα τη μείωση του όγκου του αιωρήματος που απαιτείται για την ενίσχυση των υλικών με βάση το τσιμέντο. Η αύξηση της συγκέντρωσης των νανοσωλήνων άνθρακα στο αιώρημα επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας μεθόδους που ήδη χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία όπως η μέθοδος της φυγοκέντρησης με χρήση δυο διαφορετικών στροφείων/κεφαλών. Η συγκέντρωση των νανοσωλήνων στο διάλυμα εξετάστηκε ερευνώντας το φάσμα απορρόφησης υπεριώδους ορατού των αιωρημάτων. Ακόμα εξετάστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες των νανοσύνθετων υλικών ενισχυμένων με τα αιωρήματα υψηλής συγκέντρωσης και συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα μείγματα παρασκευασμένα με τα αρχικά αιωρήματα. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η μέθοδος της φυγοκέντρησης διατηρεί τη διαλυτότητα του αιωρήματος των νανοσωλήνων άνθρακα δίχως να επηρεάζει την ικανότητα του αιωρήματος υψηλής συγκέντρωσης να ενισχύσει αποτελεσματικά τη μήτρα.