Durability and fatigue performance of a typical cold-curing structural adhesive in bridge construction
Authors: Σαββιλωτίδου Μαρία 
Published: December 2021

Η επιστήμη των συγκολλητικών μέσων και της πρόσφυσης σε συνδέσεις δομικών στοιχείων έχει αναπτυχθεί σημαντικά κι επιτυχώς τις τελευταίες δεκαετίες, με εφαρμογές σε ευρύ φάσμα βιομηχανιών. Εφαρμογές συγκόλλησης δομικών στοιχείων έχουν υιοθετηθεί πρόσφατα και στον κατασκευαστικό τομέα. Ειδικότερα στη γεφυροποιία οι εφαρμογές αφορούν τόσο στην αποκατάσταση κι ενίσχυση υφιστάμενων όσο και σε νέες κατασκευές. Στο συγκεκριμένο κλάδο σε αντίθεση με άλλους, όπως η αεροδιαστημική κι η αυτοκινητοβιομηχανία, υπάρχουν πολλά περιθώρια εμπλουτισμού του ερευνητικού έργου καθώς οι συνθήκες πεδίου απαιτούν τον έλεγχο κατασκευής μεγάλων επιφανειών συγκόλλησης και τη χρήση συγκολλητικών ψυχρής εφαρμογής, κυρίως εποξειδικής σύστασης, κάτω από ανεξέλεγκτες καιρικές συνθήκες. Διάφοροι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορεί να επηρεάσουν την ανθεκτικότητα μιας συγκολλητής σύνδεσης σε γέφυρα κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής της, με ταυτόχρονες επιδράσεις στην ανάπτυξη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων της κόλλας, επηρεάζοντας την κατασκευαστική αρτιότητα της σύνδεσης. Παράλληλα, ο βαθμός σκλήρυνσης των κολλών ψυχρής εφαρμογής, ο οποίος δεν είναι πλήρως ανεπτυγμένος ιδιαίτερα στην πρώιμη ηλικία, συνεχίζει να διέπει τόσο τη φυσική όσο και τη μηχανική απόκριση της κόλλας. Παρά την πρόσφατη έρευνα που έχει διεξαχθεί στη διεθνή βιβλιογραφία, ο μακροπρόθεσμος προσδιορισμός των ιδιοτήτων των συγκολλητικών ψυχρής εφαρμογής επιδέχεται βελτίωσης. Η αξιοπιστία των υλικών αυτών στη διάρκεια του κύκλου ζωής μιας γέφυρας (100 έτη), πρέπει να ενισχυθεί ώστε να ενθαρρυνθεί η ευρύτερη χρήση τους από τους μηχανικούς των γεφυρών. Ο στόχος αυτής της εργασίας, που βασίστηκε σε εκτεταμένα πειράματα, αναλυτικές κι αριθμητικές προσεγγίσεις, ήταν η διερεύνηση των μακροπρόθεσμων επιδράσεων της σκλήρυνσης και γήρανσης στην ανάπτυξη των ιδιοτήτων μιας εν ψυχρώ εποξειδικής κόλλας που υποβλήθηκε σε περιβαλλοντικές και κυκλικές μηχανικές φορτίσεις, όπως εκείνες που συναντώνται συνήθως στη γέφυρα. Η συμπεριφορά της κόλλας εξετάστηκε σε ξηρές συνθήκες, που αντιστοιχούν σε υδατοστεγανές συνδέσεις γέφυρας, και σε υγρές συνθήκες, που αντιστοιχούν σε περιπτώσεις που η μόνωση έχει προσβληθεί, οι προσκολλήσεις είναι διαπερατές ή το περιβάλλον είναι αλκαλικό (η κόλλα είναι σε επαφή με τσιμεντοειδή υποστρώματα). Σε ξηρό περιβάλλον η φυσική γήρανση (πύκνωση) στην πρώιμη ηλικία κι η συνέχιση της σκλήρυνσης στη μετέπειτα ηλικία παίζουν καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων, ενώ σε υγρό περιβάλλον η διαδικασία της σκλήρυνσης αντισταθμίζεται από την πλαστικοποίηση σε μεταγενέστερη ηλικία. Το μέτρο ελαστικότητας E αναπτύχθηκε σχεδόν ανεξάρτητα από το βαθμό σκλήρυνσης της κόλλας, τόσο σε ξηρό όσο και σε υγρό περιβάλλον, σε αντίθεση με την αντοχή σε εφελκυσμό, η οποία ωστόσο συνέκλινε σε παρόμοιες τιμές εντός των χρόνων διερεύνησης παρά τις διαφορές στη θερμοκρασία υαλώδους μεταπτώσεως. Σε συνθήκες εμβάπτισης προβλέφθηκε μείωση 30% του μέτρου ελαστικότητας Ε και της αντοχής για κύκλο ζωής 100 ετών, η οποία ήταν πλήρως αναστρέψιμη κατά την ξήρανση. Η έκθεση της κόλλας σε αλκαλικά διαλύματα δεν είχε καμία επιβλαβή επίδραση. Τα δοκίμια της εποξειδικής κόλλας που συντηρήθηκαν σε προσομοιωμένο φυσικό περιβάλλον γέφυρας με επιταχυνόμενες εργαστηριακά συνθήκες μέχρι και τα 100 έτη, στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε 10 εκατομμύρια κύκλους φόρτισης, όσους αναμένεται να λάβουν χώρα στη διάρκεια ζωής της γέφυρας. Δεν εμφανίστηκε αστοχία σε μέγιστα επίπεδα κυκλικής φόρτισης μεγαλύτερα από 5 MPa. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης εφαρμόστηκαν σε αντιπροσωπευτικά σενάρια σχεδιασμού συνδέσεων γεφυρών και συστήνονται καλές πρακτικές. Προτείνεται δειγματοληπτική προφόρτιση της κόλλας για να εκτιμηθεί η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας κατά τον πρώτο χρόνο λειτουργίας. Προσομοιώθηκε αριθμητικά η διείσδυση υγρασίας στο συγκολλητικό στρώμα δύο τυπικών συνδέσεων στοιχείων γέφυρας και υπολογίστηκε η αντίστοιχη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων της. Ανάλογα με τον τύπο της σύνδεσης το αποτέλεσμα μπορεί να είναι κρίσιμο, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση ενίσχυσης στοιχείων με λεπτές λωρίδες CFRP.