Composite nano-reinforced lime-based binders with piezoresistive properties for restoration applications
Authors: Δήμου Αγγελική-Ειρήνη 
Published: January 2023

Η δομική ακεραιότητα είναι από τα σημαντικότερα κριτήρια που υπαγορεύουν τον σχεδιασμό των επεμβάσεων αποκατάστασης παραδοσιακών κτιρίων και την επιλογή των υλικών. Μετά τις εν λόγω επεμβάσεις είναι πολύ σημαντική η συνεχής παρακολούθηση των βλαβών. Προς αυτή την κατεύθυνση, η κλασική προσέγγιση βασίζεται στη χρήση κατάλληλων αισθητήρων, προσαρτημένων σε ορισμένα σημεία των δομικών στοιχείων. Μια εναλλακτική προσέγγιση έγκειται στη χρήση υλικών αποκατάστασης που παρουσιάζουν πιεζοαγώγιμα χαρακτηριστικά, δηλαδή η ηλεκτρική τους αντίσταση μεταβάλλεται με την εφαρμογή μηχανικού φορτίου. Στο πλαίσιο αυτό, στόχος της παρούσας έρευνας είναι η ενσωμάτωση νανοϋλικών με βάση τον άνθρακα σε υλικά αποκατάστασης ώστε να παραχθούν σύνθετα υλικά με πιεζοαγώγιμες ιδιότητες.Τα δομικά υλικά με βάση τον ασβέστη χρησιμοποιούνται σε επεμβάσεις αποκατάστασης, καθώς πληρούν τα απαραίτητα κριτήρια συμβατότητας. Ο ασβέστης χρησιμοποιείται συνήθως σε συνδυασμό με ποζολανικά πρόσμικτα ή τσιμέντο, για να συμμορφώνεται και με τα κριτήρια χημικής/ορυκτολογικής και μηχανικής συμβατότητας της εκάστοτε αποκατάστασης. Το πρώτο βήμα της παρούσας έρευνας είναι η παραγωγή συνδετικών υλικών με προσαρμοσμένες μηχανικές ιδιότητες σύμφωνα με κριτήρια συμβατότητας. Οι μηχανικές ιδιότητες συνδετικών υλικών ασβέστη/μετακαολίνης και ασβέστη/τσιμέντου συλλέχθηκαν από τη βιβλιογραφία με σκοπό να καθοριστούν προσεγγίσεις που συσχετίζουν τη σύνθεση του συνδετικού υλικού με τις μηχανικές ιδιότητες. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κατευθυντήριες γραμμές για τη διευκόλυνση του σχεδιασμού μιας επέμβασης αποκατάστασης με βάση τις παραμέτρους μηχανικής συμβατότητας και σύνθεσης συνδετικού υλικού.Πρέπει να σημειωθεί ότι η σύνθεση του συνδετικού υλικού αποκατάστασης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις απαιτήσεις κάθε έργου. Ωστόσο, ανεξάρτητα από τη σύνθεση του συνδετικού υλικού, τα υλικά αποκατάστασης δε διαθέτουν ιδιότητες αυτο-αίσθησης ( self −sensing ) που θα επέτρεπαν την επιτόπια παρακολούθηση μικρορωγμών ή οποιασδήποτε άλλης μορφής βλάβης. Για αυτό, η παραγωγή ενός σύνθετου υλικού με ιδιότητες αυτο-αίσθησης είναι μια αναγκαιότητα και αξίζει να διερευνηθεί το κατάλληλο υλικό που πρέπει να προστεθεί στη μήτρα συνδετικού υλικού. Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα μπορούν να θεωρηθούν ως ενδεδειγμένα για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος λόγω προηγμένων ηλεκτρικών ιδιοτήτων.Μια αποδοτική στρατηγική για την ενσωμάτωση των νανοδομών με βάση τον άνθρακα στη μήτρα δομικών υλικών είναι η πρότερη διασπορά τους στο νερό της μίξης. Αυτό το πρόβλημα ήταν δύσκολο να ξεπεραστεί μέχρι στιγμής, όχι μόνο στην περίπτωση των σύνθετων υλικών με βάση το τσιμέντο αλλά και σε όλες τις εφαρμογές, καθώς τα νανοσωματίδια τείνουν να συσσωματώνονται λόγω ισχυρών διαμοριακών δυνάμεων. Η επιβολή ενέργειας υπερήχων είναι μια μέθοδος που εφαρμόζεται για την ενίσχυση της διασποράς, ενώ η χημική τροποποίηση είναι ένας άλλος τρόπος για την αποφυγή δημιουργίας συσσωματωμάτων.Το επόμενο βήμα της παρούσας έρευνας επικεντρώνεται στη διερεύνηση των υδατικών διασπορών νανοϋλικών με βάση τον άνθρακα, ως το πρώτο βήμα για την παραγωγή νανοσύνθετων υλικών. Μελετώνται πέντε διαφορετικές τροποποιημένες νανοδομές, συμπεριλαμβανομένων τριών τροποποιημένων δομών γραφενίου και δύο τροποποιημένων νανοσωλήνων άνθρακα. Στόχος είναι η ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου για γρήγορη αξιολόγηση και ποσοτικοποίηση των διασπορών. Οι διασπορές μελετώνται μέσω φασματοσκοπίας ηλεκτρικής εμπέδηση (EIS) με τη χρήση διηλεκτρικού αισθητήρα. Η καινοτομία έγκειται στην εκμετάλλευση ενός μικρού αισθητήρα για επιτόπιες άμεσες μετρήσεις με την εφαρμογή εναλλασσόμενου ρεύματος.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι χαμηλές συγκεντρώσεις νανοδομών οδηγούν σε υψηλές τιμές σύνθετης αντίστασης, καθώς δεν έχει διαμορφωθεί το αγώγιμο δίκτυο νανοδομών. Βρέθηκαν δυο μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα κατά την επιβολή ενέργειας υπερήχων: θραύση των συσσωματωμάτων που διευκολύνει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος λόγω του σχηματισμού ενός καλύτερα διασκορπισμένου δικτύου, αλλά ταυτόχρονα καταστρέφεται η επιφανειακή υδρόφιλη δομή του των τροποποιημένων νανοδομών. Προτείνεται επομένως η παρασκευή διασπορών σε μια ενδιάμεση συγκέντρωση νανοδομών (περίπου 0,15 % κ.β. των συνδετικών υλικών), με επιβολή ενέργειας υπερήχων 30 έως 65 kJ.Μετά τον προσδιορισμό του κατάλληλου συνδυασμού συγκέντρωσης και ενέργειας υπερήχων, οι πέντε νανοδομές ενσωματώνονται σε δύο διαφορετικές πάστες με βάση τον ασβέστη, με στόχο την ανάπτυξη των τελικών σύνθετων υλικών με ικανότητες αυτο-αίσθησης. Η πρώτη μήτρα δομικών υλικών αποτελείται από φυσική υδραυλική άσβεστο και μετακαολίνη (ποζολανικό υλικό), ενώ το δεύτερο αποτελείται από αερικό ασβέστη, μετακαολίνη και τσιμέντο. Οι μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των νανοσύνθετων υλικών που αναπτύχθηκαν εξετάστηκαν και συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες ιδιότητες των υλικών αναφοράς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ενσωμάτωση όλων των τύπων νανοϋλικών οδηγεί σε σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων. Σχετικά με την πιεζοαγώγιμη απόκριση, η υψηλότερη απόκριση σημειώθηκε κατά την ενσωμάτωση καρβοξυλιωμένου γραφενίου στη σύνθεση ασβέστη-ποζολάνης-τσιμέντου. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε 70% μείωση στην ηλεκτρική αντίσταση στη διάρκεια φορτίσεων/αποφορτίσεων στο 50% της θλιπτικής αντοχής.Εξετάστηκε επίσης η βιωσιμότητα της παραγωγής νανοδομών άνθρακα. Εξετάστηκαν παράμετροι όπως το κόστος παρασκευής, το περιβαλλοντικό αποτύπωμα και οι μηχανικές ιδιότητες, ώστε να επιλεχθεί μιας βιώσιμη νανοδομή άνθρακα για την ενίσχυση των υλικών με βάση τον ασβέστη (απόφαση με πολλαπλά κριτήρια). Υιοθετήθηκε μια μεθοδολογία εκτίμησης κόστους και περιβαλλοντικού αποτυπώματος για τις πέντε διαδικασίες επιφανειακής χημικής τροποποίησης των νανοδομών άνθρακα σε εργαστηριακή κλίμακα και τα αποτελέσματα ερμηνεύτηκαν λαμβάνοντας υπόψη την αντίστοιχη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων.