ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ ΜΕ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΑΠΟ ΦΥΚΙΑ POSIDONIA OCEANICA

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ ΜΕ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΑΠΟ ΦΥΚΙΑ POSIDONIA OCEANICA ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΝΑ-ΜΑΡΙΑ ΣΙΓΟΥΝH ΕΠΙΒΛΕΠOΥΣΑ: ΜΑΡΙΑ ΣΤΕΦΑΝΙΔΟΥ-ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΡΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2018

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 4 ABSTRACT ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ ΚΟΝΙΑΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΤΥΠΟΙ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΑΔΡΑΝΗ ΝΕΡΟ ΠΡΟΣΜΙΚΤΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕ ΙΝΕΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΝΑΦΕΙΑ ΜΗΤΡΑΣ-ΙΝΑΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Η ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Η ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Η ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΦΥΚΙΑ-POSIDONIA OCEANICA ΩΣ ΥΛΙΚΟ ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗΣ ΩΣ ΠΡΟΣΜΙΚΤΟ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΦΛΕΚΤΩΝ ΤΟΥΒΛΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣΜΙΚΤΟ ΣΕ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΝΑΝΟΠΥΡΙΤΙΟ (NANOSILICA) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΥΝΘΕΣΕΩΝ ΠΟΡΕΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΕΛΕΓΧΩΝ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΥΡΡΙΚΝΩΣΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΟΧΩΝ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΡΩΔΟΥΣ

3 2.7 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΧΟΕΙΔΟΥΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΘΡΑΥΣΗΣ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΣΕ ΣΤΕΡΕΟΣΚΟΠΙΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Κα. Μαρία Στεφανίδου, επιβλέπουσα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, για την ανάθεση του θέματος, την καθοδήγηση και την άμεση και ουσιαστική βοήθεια που μου παρείχε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της διπλωματικής εργασίας. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θέλω να απευθύνω στην υποψήφιο Διδάκτορα κα. Φωτεινή Κεσικίδου για την συνεχή βοήθεια της κατά την διαδικασία των πειραματικών ελέγχων καθώς και για τις ουσιαστικές παρατηρήσεις και την καθοδήγηση στην ανάλυση και στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όλα τα μέλη του εργαστηρίου Δομικών Υλικών ΑΠΘ για τη πολύτιμη βοήθειά τους και συμβολή τους στην περάτωση της πειραματικής διαδικασίας. 3

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για φιλικά προς το περιβάλλον βιώσιμα δομικά υλικά έχει φέρει πίσω στο προσκήνιο την χρήση βιοϊνών ως ενίσχυση υλικών με βάση το τσιμέντο. Με την χρήση φυσικών ινών όμως εμφανίζονται δυσκολίες όπως χαμηλό ελαστικό μέτρο, υψηλές τιμές απορρόφησης νερού, ευαισθησία σε βιολογική φθορά και μεταβλητότητα των ιδιοτήτων μεταξύ ινών του ίδιου τύπου. Στην παρούσα διπλωματική εξετάζεται η ενίσχυση τσιμεντοκονιαμάτων με ίνες από φύκια του γένους Posidonia Oceanica σε 3 διαφορετικά μήκη (1, 2, 4cm) καθώς και η προσθήκη νανοπυριτίου (nanosilica) ως πρόσμικτο για βελτίωση της συμπεριφοράς των ινοπλισμένων δοκιμίων και κυρίως για να ελεγχθεί η πρόσφυση των ινών λόγω αύξησης της νάνο-τραχύτητάς τους. Η διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Δομικών Υλικών του ΑΠΘ. Από τα παραγόμενα δείγματα μετρήθηκαν οι αντοχές τους σε κάμψη και θλίψη καθώς και το πορώδες στις 28 και 90 ημέρες από την σύνθεση των κονιαμάτων. Επιπρόσθετα υπολογίστηκε η συρρίκνωση, τριχοειδής απορρόφηση, το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας καθώς και η ενέργεια θραύσης των δοκιμίων. Τέλος πραγματοποιήθηκε μικροσκοπική παρατήρηση των δοκιμίων με στερεοσκόπιο. Με βάση τα αποτελέσματα φαίνεται ότι η χρήση ινών Posidonia Oceanica δίνει υποσχόμενα αποτελέσματα, βελτιώνοντας σημαντικά την αντοχή των δοκιμίων σε κάμψη και αυξάνει κατά περίπου +300% η ενέργεια θραύσης τους. Το μήκος της ίνας αποτελεί σημαντική παράμετρο στην συμπεριφορά των κονιαμάτων με τα πιο σημαντικά συμπεράσματα να είναι η αντιστρόφως ανάλογη σχέση μήκους ίνας με το τριχοειδές φαινόμενο και την ενέργεια θραύσης. Η προσθήκη nanosilica στο μείγμα στους ελέγχους των 28 ημερών στις μηχανικές ιδιότητες φαίνεται να έχει αρνητική δράση αλλά με την πάροδο του χρόνου βελτιώνει τις αντοχές των δοκιμίων ενώ αυξάνει και την ενέργεια θραύσης. 4

6 ABSTRACT The growing interest in environmentally friendly building materials has brought back to the spotlight the use of natural fibers as a reinforcing agent in cement based materials. However, with the use of natural fibers, difficulties such as low elasticity, high water absorption, sensitivity to biological deterioration, and variability of properties between fibers of the same type occur. In this thesis the use of Posidonia Oceanica fibers is examined as a reinforcing agent in cement based mortars. Three different fiber lengths (1, 2, 4cm) are examined, as well as the addition of nanosilica as an additive in an attempt of improving the behavior of fiber reinforced specimens and mainly to control the adhesion of the fibers due to an increase in their nano-roughness. The experimental process was carried out in the Laboratory of Building Materials of AUTh. From the reinforced specimens their bending and compressive strength were measured as well as the porosity at 28 and 90 days from the mortar composition. In addition, shrinkage, capillary absorption, dynamic modulus of elasticity as well as the fracture energy of the specimens were calculated. Finally, microscopic observation of the specimens was performed. Based on the results, it appears that the use of Posidonia Oceanica fibers gives promising results, greatly improving the strength of the specimens in bending and increasing their fracture energy by about + 300%. The length of the fiber is an important parameter in the behavior of the mortars, with the most important conclusions being the inversely proportional length of the fiber with the capillary phenomenon and the fracture energy. The addition of nanosilica to the mixture in the 28-day mechanical properties tests seems to have a negative effect but over time improves the strength of the specimens while also increasing the fracture energy. 5

7 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1 ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ Τις τελευταίες δεκαετίες έχει σημειωθεί μια γενική αύξηση των προτύπων κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας στους τέσσερις βασικούς τομείς τελικής χρήσης, συμπεριλαμβανομένων των οικιστικών, εμπορικών, μεταφορικών και βιομηχανικών. Η εκατοστιαία συνεισφορά των διαφόρων τομέων στη συνολική κατανάλωση έχει αλλάξει σημαντικά. Για παράδειγμα, η βιομηχανία συνέβαλε κατά περίπου 48% στη συνολική κατανάλωση ενέργειας τη δεκαετία του 1950, ενώ η συμβολή της μειώθηκε στο 31% στις αρχές του 2010, παρά τη σημαντική ανάπτυξη της οικονομίας. Από την άλλη πλευρά, ο τομέας των εμπορικών κτιρίων παρουσίασε αύξηση της συμβολής στη συνολική κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας από 11% το 1949 σε 19% το Ενώ η εξέλιξη της γνώσης και της τεχνολογίας έχει βελτιώσει τον τρόπο κατασκευής των κτιρίων, ο ρυθμός βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης στον τομέα αυτό εξακολουθεί να είναι αργός σε σύγκριση με τη βιομηχανία και δεν ανταποκρίνεται στις ανάγκες για αλλαγή.[2] Τα κτίρια αντιπροσωπεύουν το 40% της κατανάλωσης ενέργειας στην Ευρώπη και το ένα τρίτο των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Σε ακαδημαϊκούς και επαγγελματικούς χώρους, ωστόσο, ο όρος «ενέργεια» χρησιμοποιείται συχνά ως όρος για την «λειτουργική ενέργεια» (ΛΕ) και η ενσωματωμένη ενέργεια (ΕΕ), η άλλη συνιστώσα της χρήσης ενέργειας από τον κύκλο ζωής, έχει αγνοηθεί σε μεγάλο βαθμό.[2] Με τον όρο ενσωματωμένη ενέργεια νοείται το άθροισμα όλης της ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή οποιωνδήποτε αγαθών ή υπηρεσιών, θεωρείται ότι η εν λόγω ενέργεια είναι ενσωματωμένη στο ίδιο το προϊόν. Στην περίπτωση των κτιρίων την ενσωματωμένη ενέργεια αποτελεί η συνολική ενέργεια που χρησιμοποιείται για την κατασκευή, συντήρηση και οριστική κατεδάφιση ενός κτιρίου. Ο ορισμός αυτός θεωρεί όλες τις ροές ενέργειας του ενεργειακού κύκλου ενός κτιρίου εκτός από την ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία του κτιρίου. Η αρχική ΕΕ είναι όλη η ενέργεια που χρησιμοποιείται πριν από την κατοχή του κτιρίου. δηλ. σε φάση προ-χρήσης του κύκλου ζωής του κτιρίου. Η επαναλαμβανόμενη ΕΕ είναι η ενέργεια για τη συντήρηση του κτιρίου όταν το κτίριο χρησιμοποιείται δηλαδή στην επισκευή ή την αντικατάσταση υλικών και εξαρτημάτων που είναι κατεστραμμένα. Τέλος, η τελική ΕΕ είναι η ενέργεια που καταναλώνεται για την κατεδάφιση του κτιρίου.[2] Εικόνα 1 Γραφική απεικόνιση σχέσης ΕΕ, ΛΕ και της Συνολικής Ενέργειας [2] Με την αύξηση του αριθμού των κτιρίων χαμηλής λειτουργικής ενέργειας, η ενσωματωμένη ενέργεια των κτιρίων έχει αποκτήσει μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Η ενσωματωμένη ενέργεια είναι ιδιαίτερα σημαντική κυρίως επειδή οι περισσότερες 6

8 επιχειρησιακές στρατηγικές ενεργειακής απόδοσης επιτυγχάνουν τα πλεονεκτήματα σε σύγχρονα κτίρια υψηλής απόδοσης χρησιμοποιώντας στρατηγικές όπως προεξοχές από μέταλλο ή σκυρόδεμα που συνδέονται με τη νότια πρόσοψη των κτιρίων για τη μείωση της θερμικής απόδοσης, εκτεταμένη χρήση της θερμομόνωσης για τη μείωση της μεταφοράς θερμότητας, ενεργειακά αποδοτικά συστήματα παραθύρων σε βάρος της αύξησης της ενσωματωμένης ενέργειας.[2] Παρόλο που η μεγαλύτερη έμφαση για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων έχει δοθεί στις λειτουργικές εκπομπές τους, εκτιμάται ότι περίπου το 30% της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται καθ 'όλη τη διάρκεια ζωής ενός κτιρίου αποτελείται από την ενσωματωμένη ενέργεια (το ποσοστό αυτό ποικίλλει ανάλογα με παράγοντες όπως την ηλικία του κτιρίου, το κλίμα και τα υλικά). Στο παρελθόν, το ποσοστό αυτό ήταν πολύ χαμηλότερο, αλλά όσο οι λειτουργικές εκπομπές (όπως βελτιώσεις της απόδοσης στα συστήματα θέρμανσης και ψύξης) τείνουν να μειωθούν, τόσο η ενσωματωμένη ενεργειακή κατανάλωση αποτελεί σημαντικότερο ποσοστό στο συνολικό άθροισμα της ενέργειας που απαιτείται για τον κύκλο ζωής ενός κτιρίου. Εάν τα κτίρια μηδενικού άνθρακα γίνουν πραγματικότητα, όλη η προσοχή θα επικεντρωθεί στην ενσωματωμένη ενέργεια.[2] Εικόνα 2 Γραφική απεικόνιση του ποσοστού της ΕΕ στο σύνολο της απαιτούμενης ενέργειας [2] Ενώ η εξοικονόμηση λειτουργικής ενέργειας συχνά υπόκειται σε αβεβαιότητες φάσης κατοχής λόγω της συμπεριφοράς των εκάστοτε χρηστών, των κλιματικών μεταβολών και των λειτουργιών εγκατάστασης, η μείωση της ενσωματωμένης ενέργειας καθορίζεται κατά την κατασκευή του κτιρίου και ως εκ τούτου μπορεί να θεωρηθεί αξιόπιστη βραχυπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα, εξοικονόμηση ενέργειας. [2] Ο σκελετός του κτιρίου είναι ένας σημαντικός παράγοντας που συμβάλλει τόσο στην ενσωματωμένη ενεργειακή κατανάλωση όσο και στη λειτουργική χρήση της ενέργειας στα κτίρια. Όπως δείχνει η Εικόνα 3 με βάση τα στοιχεία που παρέχονται από τους Mithraratne και Vale, το κέλυφος του κτιρίου (δάπεδα, τοίχοι, στέγες και τελειώματα) συμβάλλει 7

9 περίπου 48-50% στην ενσωματωμένη ενέργεια ενός τυποποιημένου σπιτιού. Εικόνα 3 Συμβολή των τμημάτων ενός κτιρίου στην ενεργειακή απαίτηση [2] Με τη διαθέσιμη τεχνολογία καθώς και με τις προόδους στη γνώση σχεδιασμού, ο στόχος των κτιρίων μηδενικού αντίκτυπου είναι πλέον πιο προσιτός από ποτέ. [2] Για να επιτευχθούν κτίρια χαμηλής ενεργειακής απόδοσης, πρέπει να ενθαρρυνθεί η χρήση βιώσιμων υλικών. Από την άποψη της ενεργειακής απόδοσης, τα κύρια κριτήρια που πρέπει να ληφθούν υπόψη για την επιλογή των δομικών υλικών θα πρέπει να περιλαμβάνουν: την τοπική διαθεσιμότητα, την ενεργειακή ένταση κατασκευής, το δυναμικό ανακύκλωσης, το ανακυκλωμένο περιεχόμενο, το δυναμικό ανανεώσιμης ενέργειας, τη δυνατότητα περιορισμού των κατασκευαστικών αποβλήτων, τη διάρκεια ζωής και την ανθεκτικότητα.[2] Εκτός από τα πλεονεκτήματά τους στην αγορά, η χρήση τοπικά διαθέσιμων και παραγόμενων υλικών στην κατασκευή μειώνει τις αποστάσεις μεταφοράς και την κατανάλωση καυσίμων και ως εκ τούτου μειώνει την EE που προκαλείται από τις μεταφορές. Επίσης, η χρήση υλικών που παράγονται με διαδικασίες παραγωγής χαμηλής ενέργειας είναι κρίσιμης σημασίας για την μείωση της ενσωματωμένης ενέργειας.[2] Αναφέρεται από έρευνα που διεξήχθη από τους Εscamilla et al. ότι με αντικατάσταση του χάλυβα με μπαμπού ως υλικό ενίσχυσης επιτυγχάνεται σημαντική εξοικονόμηση περιβάλλοντος. Η εξοικονόμηση αυτή είναι άμεσα συνδεδεμένη με την ανάγκη για μεταφορά του υλικού. Παρόλο που το μπαμπού αντιπροσώπευε μόνο το 3% περίπου του συνολικού όγκου, μπορεί να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση περιβάλλοντος, περίπου 48%, σε σύγκριση με το οπλισμένο σκυρόδεμα.[3] Εικόνα 4 Σύγκριση περιβαλλοντικής εξοικονόμησης σκυροδέματος ενισχυμένου με μπαμπού και με χάλυβα [3] 8

10 1.2 ΚΟΝΙΑΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΑ Κονίαμα ονομάζεται το μείγμα κονίας, νερού και αδρανών που χρησιμοποιείται ως συνδετικό υλικό σε νέες κατασκευές και στην αποκατάσταση ιστορικών δομών. Η χρήση τους καλύπτει ένα αρκετά μεγάλο φάσμα, το οποίο περιλαμβάνει αρμούς τοιχοποιιών (φερουσών και μη), επικαλύψεις οπλισμών σε φέροντα δομικά στοιχεία, για καθορισμό των ρύσεων σε δώματα, επιχρίσεις και ως αρμός σε πλακίδια και φυσικούς λίθους. Ακόμη πέραν των συμβατικών χρήσεων των κονιαμάτων πιο εξειδικευμένες χρήσεις αυτών αρχίζουν να λαμβάνουν έδαφος. Τα μονωτικά κονιάματα είναι ελαφριά κονιάματα με υψηλό πορώδες και χαμηλό δείκτη θερμικής αγωγιμότητας τα οποία χρησιμοποιούνται ως θερμομονωτικό υλικό. Στην ίδια φιλοσοφία με τα παραπάνω τα ηχοαπορροφητικά κονιάματα χρησιμοποιούνται για τον συγκεκριμένο σκοπό ως επικαλύψεις σε εσωτερικούς χώρους. Τέλος εφαρμογή στην προστασία από ραδιενέργεια βρίσκουν κονιάματα ειδικής σύνθεσης τσιμεντοκονίας και βορικού οξέος.[1] ΤΥΠΟΙ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ Οι κονίες κατηγοριοποιούνται ανάλογα με την προέλευση τους σε φυσικές και τεχνητές, ανάλογα με την φύση τους σε οργανικές και ανόργανες, και ανάλογα με τον τρόπο πήξης και σκλήρυνσης σε αερικές και υδραυλικές. Φυσικές κονίες Φυσικές ονομάζονται οι κονίες που υπάρχουν ελεύθερες στην φύση και χρησιμοποιούνται αυτούσιες στην κατασκευή κονιαμάτων. Παραδείγματα φυσικών κονιών είναι η θηραϊκή γη και άλλες. Τεχνητές κονίες Τεχνητές ονομάζονται οι κονίες οι οποίες προέρχονται από ειδικές επεξεργασίες φυσικών πρώτων υλών. Τέτοιες είναι η άσβεστος, η άσφαλτος και άλλες. Οργανικές κονίες Οργανικές ονομάζονται οι κονίες που περιέχουν ενώσεις του άνθρακα στην σύνθεση τους και παραδείγματα τέτοιων κονιών είναι η άσφαλτος, οι ρητίνες και άλλες. Ανόργανες κονίες Σε αντίθεση με τις οργανικές, οι ανόργανες κονίες δεν περιέχουν ενώσεις του άνθρακα στην σύνθεση τους και τέτοιες κονίες είναι η άσβεστος, ο γύψος, το τσιμέντο και άλλες. Αερικές κονίες Αερικές ονομάζονται οι κονίες, οι οποίες πήζουν και σκληρύνονται στον ατμοσφαιρικό αέρα αποδίδοντας νερό και συντηρούνται μόνο σε ξηρό περιβάλλον. Τέτοιου είδους κονίες διαλύονται στο νερό ή ακόμα και σε περιβάλλον με αυξημένη υγρασία. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο αερικός ασβέστης. 9

11 Υδραυλικές κονίες Υδραυλικές ονομάζονται οι κονίες οι οποίες πήζουν και σκληραίνουν τόσο στον αέρα, όσο και σε υγρό περιβάλλον ή ακόμα και μέσα στο νερό. Δεν διαλύονται στο νερό και χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν η υδραυλική άσβεστος, η οποία αρχικά σκληραίνει 9 στον αέρα και μετά μπορεί να συνεχίσει και στο νερό, και το τσιμέντο, το οποίο μετά την ανάμιξη με νερό σκληραίνει είτε στον αέρα είτε στο νερό. [10] Οι κονίες μαζί με τα αδρανή προσδίδουν τις βασικές χαρακτηριστικές φυσικοχημικές ιδιότητες στα κονιάματα, ενώ συχνά γίνεται και προσθήκη ποζολανικών κονιών σε αυτά. Οι ποζολάνες αποτελούν ενώσεις οι οποίες αντιδρούν με το Ca(OH) 2 και δίνουν προϊόντα με αυξημένες υδραυλικές ιδιότητες. Τα κονιάματα χρησιμοποιήθηκαν για αιώνες στις κατασκευές με διαφορετική σύσταση, πάχος και λειτουργικότητα. Η ευρεία εφαρμογή των κονιαμάτων στις κατασκευές λόγω της φύσης τους (ευμετάβλητη δομή, χρωματική προσαρμογή, ποικίλη λειτουργικότητα) καθιστά τα κονιάματα ένα από τα κύρια υλικά δόμησης. Η δομή τους μπορεί να είναι εξαιρετικά πορώδης μέχρι συμπαγής έως αδιαπέραστη και το χώμα ποικίλο, προσαρμοσμένο στις αισθητικές ανάγκες της κατασκευής. [12] Σήμερα τα κονιάματα που χρησιμοποιούνται στη δόμηση έχουν ως κονία το τσιμέντο. Χαρακτηρίζονται από υψηλές αντοχές σε σχέση με άλλου είδους κονιάματα και μικρό πορώδες. [12] Το τσιμεντοκονίαμα παρουσιάζει μέτρια αντοχή συμπίεσης σε σύγκριση με άλλα υλικά με βάση το τσιμέντο, όπως το σκυρόδεμα, ενώ η κάμψη του είναι ομοιόμορφα εύθραυστη. Μπορεί να υποστεί ρωγμές συρρίκνωσης και να αντιμετωπίσει προβλήματα αντοχής μακροπρόθεσμα, ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες. [9] ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΓΕΝΙΚΑ Το τσιμέντο σε ανάμειξη με το νερό (τσιμεντόπαστα) είναι το συνδετικό υλικό, που χρησιμοποιείται στην παραγωγή του σκυροδέματος. Υπάρχουν πολλών ειδών (τύποι) τσιμέντα, με συνηθέστερο αυτό που καλείται κοινό τσιμέντο Portland (Ordinary Portland Cement ή OPC). Το κοινό τσιμέντο είναι ένα γκρίζο λεπτομερές υλικό, που προκύπτει από τη άλεση του κλίνκερ (clinker) τσιμέντου. Η σημαντικότερη πρώτη ύλη για την παραγωγή του κλίνκερ τσιμέντου είναι τα ασβεστολιθικά πετρώματα, που εξορύσσονται επιφανειακά κοντά στη μονάδα παραγωγής του τσιμέντου. Το μείγμα των πρώτων υλών (θραυσμένος ασβεστόλιθος, αργιλικά πετρώματα, χαλαζιακά πετρώματα, σιδηρομετάλλευμα, βωξίτης, κ.α.) αναμειγνύονται σε κατάλληλη αναλογία και αλέθονται. Το αλεσμένο μείγμα («φαρίνα») υφίσταται πυροσυσσωμάτωση μέσα σε περιστροφική κάμινο (rotary kiln). Στην περιστροφική κάμινο οι αλεσμένες πρώτες ύλες, με χρήση καυσίμων (φυσικό αέριο, πετρέλαιο, γαιάνθρακες ή και εναλλακτικά καύσιμα) θερμαίνονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Έτσι, με φυσικοχημικές διεργασίες, μετατρέπονται σε ένα υλικό γκριζοπράσινου χρώματος μορφής σφαιριδίων διαμέτρου mm, το οποίο ονομάζεται κλίνκερ τσιμέντου. [8] 10

12 ΤΥΠΟΙ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Οι τύποι των τσιμέντων που παρασκευάζονται σε κάθε χώρα της Ευρωπαϊκής Ένωσης εξαρτώνται από τις διαθέσιμες πρώτες ύλες, όπως επίσης από τη ζήτηση κάθε τύπου τσιμέντου. Έτσι, ανάλογα με τις διαθέσιμες και χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες, δημιουργήθηκαν οι διάφοροι τύποι τσιμέντων που μπορούν να παραχθούν. Οι τύποι αυτοί είναι το κοινό τσιμέντο Portland, τα τσιμέντα με ποζολάνη, ιπτάμενη τέφρα (πυριτική ή ασβεστιτική), τσιμέντα με σκωρία υψικαμίνου, τσιμέντα με πυριτική παιπάλη, με ασβεστόλιθο κλπ. Γι' αυτό το λόγο, το πρότυπο προβλέπει μεγάλο αριθμό προϊόντων τσιμέντου τα οποία, για προφανείς λόγους, όμως δεν κυκλοφορούν κατ' ανάγκη όλα σε κάθε χώρα μέλος. Το πρότυπο ΕΝ προδιαγράφει σε γενική μορφή τους εξής πέντε τύπους τσιμέντου. [8] Εικόνα 5 Τύποι τσιμέντου σύμφωνα με το ΕΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Το νέο πρότυπο προδιαγράφει και 6 κατηγορίες αντοχών, στις οποίες τα τσιμέντα κατατάσσονται ανάλογα με την αντοχή σε θλίψη κονιάματος πρότυπης σύνθεσης και τρόπου παρασκευής, σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ Κάθε κατηγορία αντοχής ορίζεται από ένα κατώτερο και ένα ανώτερο όριο αντοχής. Το κατώτερο όριο αντοχής σε θλίψη (28 ημερών) χαρακτηρίζει τη συγκεκριμένη κατηγορία. Κάθε μία από τις παραπάνω κατηγορίες περιλαμβάνει δύο υποκατηγορίες πρώιμης αντοχής N και R [8] Εικόνα 6 Κατηγορίες αντοχής τσιμέντου σύμφωνα με το ΕΛΟΤ ΕΝ Η συμμόρφωση των τσιμέντων ως προς τα όρια αντοχών είναι στατιστική και περιγράφεται στο πρότυπο. Ο συμβολισμός των διαφόρων τσιμέντων, σύμφωνα με το πρότυπο EN 197-1, άρα και με το ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1, καθορίζεται από: τον κύριο τύπο τσιμέντου το ποσοστό κλίνκερ που περιέχεται στο τσιμέντο τον τύπο του δεύτερου κύριου συστατικού την κατηγορία αντοχής το επίπεδο της πρώιμης αντοχής [8] 11

13 Εικόνα 7 Επεξήγηση ονομασίας τσιμέντου [8] ΑΔΡΑΝΗ Τα αδρανή υλικά είναι σχετικά φθηνά υλικά και δε συμμετέχουν σε σύνθετες χημικές αντιδράσεις με το νερό, επομένως έχει επικρατήσει να αντιμετωπίζονται ως συμπληρωματικό υλικό στο σκυρόδεμα. [8] Τα χαρακτηριστικά των αδρανών που είναι σημαντικά για την παραγωγή σκυροδέματος περιλαμβάνουν το πορώδες, την κοκκομετρία ή κατανομή κόκκων, την υδαταπορροφητικότητα, το σχήμα και την τραχύτητα επιφάνειας, την αντοχή σε θραύση, το μέτρο ελαστικότητας και την παρουσία τυχόν επιβλαβών συστατικών. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά καθορίζονται από την ορυκτολογική σύσταση του μητρικού πετρώματος, τις περιβαλλοντικές συνθήκες στις οποίες είχε εκτεθεί το πέτρωμα πριν την εξόρυξη του και το είδος του εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή του αδρανούς υλικού. [8] Οι κόκκοι μπορεί να είναι στρογγυλοί, κυβόμορφοι, γωνιώδεις, πλακόμορφοι ή επιμήκεις. Από πλευράς εργασιμότητας καλύτεροι είναι οι στρογγυλοί ή κυβόμορφοι κόκκοι ενώ από πλευράς μηχανικής αντοχής του σκυροδέματος, οι κόκκοι με ανώμαλη επιφάνεια. [8] Τα αδρανή που χρησιμοποιούνται στην παρασκευή σκυροδεμάτων κατατάσσονται σε τρεις κύριες ομάδες μεγεθών τεμαχίων: 1. Χονδρομερή αδρανή με τεμάχια μεγαλύτερα από 9.5 mm 2. Ενδιάμεσου μεγέθους αδρανή με τεμάχια από mm 3. Λεπτομερή αδρανή με τεμάχια μικρότερα από 2.36 mm [8] Για την παρασκευή τσιμεντοκονιαμάτων χρησιμοποιείται άμμος < 4mm 12

14 1.2.5 ΝΕΡΟ Το νερό έχει σημαντικό ρόλο στην παραγωγή σκυροδέματος, για την εργασιμότητα του αλλά και στη συνέχεια κατά την ενυδάτωση του. Αν και η ενυδάτωση απαιτεί λόγο νερού/τσιμέντο (w/c) της τάξης του 0,3 στην πράξη χρησιμοποιείται λόγος w/c της τάξης του 0,5. Ο λόγος του βάρους του νερού προς το βάρος του τσιμέντου (w/c) έχει μεγάλη σημασία για την τελική ποιότητα του τσιμέντου. Για την παραγωγή σκυροδέματος πολύ καλής ποιότητας, ο ρόλος του νερού, που μετριέται μέσω του λόγου νερού προς τσιμέντο (w/c), είναι πολύ σημαντικός. Μεγάλος λόγος w/c μπορεί να σημαίνει δημιουργία κενών μέσα στη μάζα του σκυροδέματος λόγω περίσσειας νερού ή παγιδευμένου αέρα και άρα μειωμένη αντοχή. Μικρός λόγος w/c σημαίνει αυξημένη αντοχή αλλά και μειωμένη εργασιμότητα. W/C, Water-Cement ratio = Μάζα νερού / Μάζα τσιμέντου Το νερό προκαλεί μέσω της αντίδρασης ενυδάτωσης (hydration) πήξη και σκλήρυνση του σκυροδέματος. Η πήξη και σκλήρυνση του σκυροδέματος διατηρεί τα αδρανή υλικά συγκολλημένα μεταξύ τους. Το νερό πρέπει να είναι καθαρό για να μη γίνονται εκτός της ενυδάτωσης και άλλες αντιδράσεις που παράγουν τελικά ασθενές (χαμηλής αντοχής) σκυρόδεμα. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο (w/c) καθορίζεται από διάφορους παράγοντες που εξαρτώνται από την απαιτούμενη αντοχή του σκυροδέματος, από το είδος του σκυροδέματος που σχεδιάζεται να παραχθεί και από τις συνθήκες του περιβάλλοντος οι οποίες αναμένεται να επικρατήσουν μετά τη διάστρωση του. Μεγάλος λόγος (w/c), δηλαδή περίσσεια νερού, προκαλεί παραγωγή ασθενούς σκυροδέματος, ενώ μικρός λόγος κάνει το σκυρόδεμα μη εργάσιμο, δηλαδή δεν «δουλεύεται» ικανοποιητικά (έχει πολύ μεγάλο ιξώδες). Ο μεγάλος λόγος (w/c) επιτρέπει στα αδρανή να κατακάθονται μέσα στο αραιό μείγμα και έτσι στην επιφάνεια της κατασκευής απομένει τσιμεντόπαστα (μείγμα νερού και τσιμέντου).[8] ΠΡΟΣΜΙΚΤΑ Τα πρόσμικτα αποτελούν φυσικής προέλευσης ή χημικά προϊόντα τα οποία συμβάλλουν στην τροποποίηση των χαρακτηριστικών των υλικών με βάση το τσιμέντο. Σε μερικές χώρες δεν είναι ασυνήθιστο ότι το 70 με 80 τοις εκατό του όλου ή παραγόμενου σκυροδέματος να περιέχει ένα ή περισσότερα πρόσμικτα. Τα πρόσμικτα ποικίλλουν ευρέως στην σύσταση, από τασιενεργές ενώσεις και διαλυτά άλατα έως πολυμερή και αδιάλυτα ορυκτά. Γενικά τα πρόσμικτα χρησιμοποιούνται στο σκυρόδεμα αι τα υλικά με βάση το τσιμέντο για να βελτιώσουν την εργασιμότητα, να επιταχύνουν ή να επιβραδύνουν τον χρόνο πήξης, να ελέγξουν την ανάπτυξη της αντοχής, να ενισχύσουν την ανθεκτικότητα στο παγετό κ.α. [20] Τα χημικά πρόσμικτα μπορούν να διαιρεθούν σε δύο τύπους. Ορισμένα δρουν ακαριαία στο σύστημα νερού-τσιμέντου επηρεάζοντας την επιφανειακή τάση του νερού, καθώς προσροφούνται στην επιφάνεια των σωματιδίων του τσιμέντου, ενώ άλλα 13

15 διασπώνται στα ιόντα τους και επηρεάζουν τις χημικές αντιδράσεις μεταξύ των ενώσεων τα τσιμέντου και του νερού, από μερικά λεπτά έως κα μερικές ώρες μετά την προσθήκη τους. [20] Στην ανά χείρας διπλωματική γίνεται χρήση ρευστοποιητή κατά την πραγματοποίηση της πειραματικής διαδικασίας. Ο ρευστοποιητής ή αλλιώς μειωτής νερού κατατάσσεται στην κατηγορία των τασιενεργών ενώσεων. Με την προσθήκη ρευστοποιητή όπως γίνεται φανερό από την ονομασία του, το μείγμα γίνεται πιο ρευστό με αποτέλεσμα την βελτίωση της εργασιμότητας, χωρίς επιπλέον προσθήκη νερού και αύξησης του λόγου Ν/Τ. 1.3 ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕ ΙΝΕΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Το σκυρόδεμα είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο κατασκευαστικό υλικό για μόνιμες κατασκευές σε όλο τον κόσμο και το δεύτερο μεγαλύτερο αναλώσιμο υλικό μετά το νερό. Ωστόσο, τα σύνθετα υλικά με βάση το τσιμέντο υποφέρουν από ορισμένες εγγενείς ανεπάρκειες, όπως το μέτρο ελαστικότητας, την περιορισμένη ολκιμότητα και τη μικρή αντοχή στη διάσπαση. Η ενίσχυση με ίνες είναι μια κοινή στρατηγική για την αύξηση της μηχανικής ικανότητας του σκυροδέματος και των κονιαμάτων. Η προσθήκη ινών, είναι ικανή να βελτιώσει κάποια από τα μειονεκτήματα του άοπλου σκυροδέματος και του τυπικού τσιμεντοκονιάματος όπως είναι η χαμηλή εφελκυστική αντοχή, η ψαθυρότητα, η συστολή ξήρανσης και η διαπερατότητα. Οι ίνες σε τρισδιάστατη διασπορά μέσα στην μάζα του σκυροδέματος σταματούν την εξέλιξη των ήδη δημιουργημένων ρωγμών επιτρέποντας ταυτόχρονα να μεταδίδονται εφελκυστικές τάσεις από επιφάνεια σε επιφάνεια της ρωγμής, δρώντας έτσι ως γέφυρες «συρραφής». Έτσι οι ρωγμές εμποδίζονται σημαντικά στη διάδοση τους μέχρι τη μέγιστη τάση οπότε προκύπτει η αστοχία είτε από τη σύγχρονη διαρροή των ινών και του υλικού είτε από αστοχία του δεσμού στην διεπιφάνεια ίναςυλικού. Μειονεκτήματα της χρήσης των ινών είναι η πιθανή ανομοιόμορφη κατανομή των ινών στο μείγμα κατά την διάρκεια της παραγωγής με αποτέλεσμα συχνά να παρατηρείται συσσωμάτωση ινών που μειώνει την αποτελεσματικότητα καθώς και η μείωση της εργασιμότητας του νωπού υλικού. [11] Ωστόσο ο τύπος της ίνας, το μήκος τους, το ποσοστό όγκου και ο δεσμός με την τσιμεντόπαστα έχουν σημαντική επιρροή στην απόκριση του μείγματος. Εικόνα 8 Θραύση σκυροδέματος χωρίς και με ίνες [20] 14

16 Χρησιμοποιούνται ίνες διαφόρων μορφών και μεγεθών που παράγονται από χάλυβα, πλαστικό, γυαλί και φυσικά υλικά. Οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες σήμερα είναι οι ίνες χάλυβα και πολυπροπυλενίου. Τυπικές καμπύλες φορτίου παραμόρφωσης (δοκού σε κάμψη) για το κανονικό σκυρόδεμα και το ινοπλισμένο σκυρόδεμα παρουσιάζονται στην Εικόνα 9. Το κανονικό σκυρόδεμα αστοχεί ξαφνικά μόλις ξεπεραστεί η βύθιση που αντιστοιχεί την τελική καμπτική αντοχή. Από την άλλη το ινοπλισμένο σκυρόδεμα συνεχίζει να αντέχει σημαντικά φορτία ακόμα και για βυθίσεις αρκετά παραπάνω από την βύθιση αστοχίας του κανονικού σκυροδέματος.[20] Εικόνα 9 Τυπική καμπύλη Φορτίου-Παραμόρφωσης σε άοπλο και ινοπλισμένο σκυρόδεμα [11] ΣΥΝΑΦΕΙΑ ΜΗΤΡΑΣ-ΙΝΑΣ Είναι σημαντικό και να ληφθεί υπόψη ο δεσμός μεταξύ των ινών-μήτρας προκειμένου να κατανοηθεί η συμπεριφορά οποιουδήποτε σύνθετου υλικού που παράγεται με ίνες. Από άποψη υλικού και δομής, υπάρχει μια λεπτή ισορροπία στην βελτιστοποίηση της συνάφειας μεταξύ της ίνας και της τσιμεντόπαστας. Εάν οι ίνες έχουν έναν ασθενή δεσμό με την τσιμεντόπαστα, μπορούν να ολισθήσουν με μικρά σχετικά φορτία και δεν συμβάλλουν πάρα πολύ στο γεφύρωμα τω ρωγμών. Αντίθετα αν ο δεσμός με την τσιμεντόπαστα είναι πολύ ισχυρός, πολλές από τις ίνες μπορεί να σπάσουν προτού να απελευθερώσουν την ενέργεια μέσω εξόλκευσης. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ίνες συμπεριφέρονται ως μη ενεργά εγκλείσματα που οδηγούν μόνο σε περιθωριακή βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων. [20] 1.4 ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Η ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Η τεχνική της χρήσης ινών φυσικής προέλευσης(άχυρα, ξύλινες ίνες) σε επιχρίσματα και κονιάματα δόμησης, τα οποία αναπτύσσουν χαμηλές αντοχές και παρουσιάζον έντονη μικρορηγμάτωση είναι γνωστή από τα αρχαία χρόνια. Κονιάματα βασισμένα στον πηλό 15

17 ενισχύονταν με ίνες άχυρου ενώ ξύλινες ίνες εμπεριέχονται συχνά σε ασβεστοκονιάματα. Βασισμένοι σε εμπειρικά κριτήρια οι παλαιοί μάστορες αναμιγνύουν διάφορα πρόσμικτα σε ινώδη μορφή (φυτικής ή ζωικής προέλευσης) και φροντίζουν να συμπυκνώνουν πολύ καλά τα κονιάματα. Συνήθως το μήκος είναι 0.5-5cmκαι το πλάτος 0.2-1mmενώ το ποσοστό στη δομή των επιχρισμάτων είναι 2-5% κ.β. και των κονιαμάτων δόμησης 1-3% κ.β. [13] Η εμφάνιση πολυμερών στις αρχές του 19ου αιώνα δημιούργησε μια νέα εποχή έρευνας. Το ενδιαφέρον για τις συνθετικές ίνες, λόγω των υψηλών μηχανικών χαρακτηριστικών τους και άλλων ιδιοτήτων, κέρδισε δημοτικότητα και αργά αντικατέστησε τις φυσικές ίνες στην πλειονότητα των εφαρμογών. Ωστόσο, η αλλαγή της πρώτης ύλης και η παραγωγή συνθετικών υλικών απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας και έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ρύπανση του περιβάλλοντος.[4] Έτσι τα τελευταία χρόνια, ενισχυμένα με φυσικές ίνες σύνθετα υλικά έχουν λάβει μεγάλη προσοχή και πάλι, λόγω του μικρού βάρους τους, την μη διαβρωτικότητα, την μη τοξικότητα, το χαμηλό κόστος την άμεσης διαθεσιμότητα και τις βιοδιασπώμενες ιδιότητες τους. Πολλή έρευνα έχει γίνει σε όλο τον κόσμο σχετικά με τη χρήση των φυσικών ινών ως ενισχυτικό υλικό για την παρασκευή διαφόρων τύπων σύνθετων υλικών. Ωστόσο ενώ οι φυσικές οργανικές ίνες έχουν πλεονεκτήματα ιδιαίτερα σε πολλές αναπτυσσόμενες χώρες, η χρήση τους για την ενίσχυση υλικών με βάση το τσιμέντο περιπλέκεται από το σχετικά χαμηλό ελαστικό μέτρο, τις ιδιότητες απορρόφησης νερού, την ευαισθησία σε επιθέσεις εντόμων και τη μεταβλητότητα των ιδιοτήτων μεταξύ ινών του ίδιου τύπου.[4]οι ιδιότητες και η δομή των ινών επηρεάζονται από διάφορες συνθήκες και ποικίλλουν ανάλογα με την περιοχή την ανάπτυξη, το κλίμα και την ηλικία του φυτού.[4] Η χημική σύσταση των ινών, κυρίως η περιεκτικότητα σε κυτταρίνη (cellulose) μεταβάλλεται ανάλογα με την τοποθεσία καλλιέργειας ενώ η αντοχή τους παρουσιάζει πτώση κατά 15% έπειτα από τις πέντε μέρες μετά την συγκομιδή [1]. Ακόμη ο τρόπος συγκομιδής επηρεάζει ως και 20% την αντοχή των ινών αναλόγως αν γίνει χειροκίνητα ή με μηχανικά μέσα, με δυσμενέστερο τον τελευταίο [1] Με την προεπεξεργασία της φυσικής ίνας καθαρίζοντας και τροποποιώντας χημικά την επιφάνεια μπορεί να επιτευχθεί βελτίωση στην μείωση της απορρόφησης της υγρασίας καθώς και αύξηση της τραχύτητας της επιφάνειας και βελτίωση άλλων χαρακτηριστικών.[4] Η ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Ο κύριος διαχωρισμός των φυσικών ινών γίνεται με βάση την οργανική η ανόργανη σύνθεση τους. Στις ανόργανες ίνες κατατάσσονται κυρίως οι ορυκτές, οι οποίες συνδέονται με περιστατικά ανάπτυξης καρκίνου (αμίαντος) και γρήγορα εγκαταλείφθηκε η χρήση τους. Στις οργανικές ίνες ανήκουν οι φυτικές και οι ζωικές. Οι ίνες που προέρχονται από φυτά, γενικά έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες συγκριτικά με αυτές ζωικής προέλευσης. Αυτό κάνει τις συγκεκριμένες ίνες καταλληλότερες για χρήση σε ενίσχυση των τσιμεντοκονιαμάτων. Γενικά παρουσιάζουν μικρή πυκνότητα αλλά μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό. Η αντοχή είναι σε απόλυτη συνάρτηση με την περιεκτικότητα σε κυτταρίνη. [1] Οι φυσικές φυτικές ίνες αποτελούνται από ίνες κυτταρίνης, που συντίθενται από ελικοειδώς περιελιγμένες μίκρο-ίνες κυτταρίνης, οι οποίες συνδέονται μαζί με ένα άμορφο 16

18 πλέγμα λιγνίνης. Η λιγνίνη διατηρεί το νερό στις ίνες, και λειτουργεί ως προστασία έναντι βιολογικών επιθέσεων και ως ενισχυτικό για να δώσει αντίσταση στο στέλεχος του φυτού έναντι στις δυνάμεις βαρύτητας και τον άνεμο.[4] Εικόνα 10 Τυπική σύσταση των φυσικών ινών [4] Η ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΣ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ Η αντοχή των φυσικών ινών εξαρτάται και από το μήκος του δείγματος, το οποίο έχει ιδιαίτερη σημασία για την αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης. [4] Στην εργασία του για την επιρροή των μικροϊνών σε κονιάματα ο Betterman (1994) εξέτασε την επιρροή του μήκους στην εφελκυστική αντοχή και την παραμόρφωση των τσιμεντοκονιαμάτων. Κατά την εμφάνιση μικρορωγμών όπως συμβαίνει σε ψαθυρά υλικά οι μικροίνες παραλαμβάνουν της εφελκυστικές τάσεις που τις προκαλούν. Προϋπόθεση για αυτό είναι να υπάρχουν σε επαρκή συγκέντρωση. Στη συνέχεια, κατά την εξέλιξη της ρηγμάτωσης και όταν τα ρήγματα γίνουν μεγαλύτερα, οι μεγαλύτερες ίνες προλαμβάνουν την διάδοσή της. Σημαντικό παράγοντας για την παραλαβή του εφελκυστικού αυτού φορτίου είναι το μέγεθος του διεπιφανειακού δεσμού μεταξύ των ινών και του τσιμεντοκονιάματος και οφείλεται κυρίως σε τάσεις συνάφειας. [19] Εικόνα 11 Γραφική απεικόνιση τρόπου λειτουργίας των ινών με βάση το μήκος τους [19] 17

19 Οι Branston et al. διαπίστωσαν ότι η βελτίωση της αντοχής του σκυροδέματος ήταν καλύτερη όταν χρησιμοποιήθηκαν μεγαλύτερες ίνες βασάλτη. Οι Mastali et al. έδειξαν ότι καθώς αυξάνεται το μήκος των ινών άνθρακα αυξάνεται επίσης η αντοχή στην κρούση και κάποιες άλλες μηχανικές ιδιότητες. Οι Maluk et al. έδειξαν ότι στο σκυρόδεμα με προσθήκη μακρύτερης ίνας πολυπροπυλενίου βελτιώθηκε η απόδοση του υλικού σε αντίσταση στην πυρκαγιά. [14] Εκτός από τις επιδράσεις στις σκληρυνθείσες ιδιότητες, το μήκος της ίνας έχει επίσης σημαντικές επιδράσεις στις ιδιότητες του νωπού μίγματος. Το 2006, οι Banfill et al. μελέτησαν τη ρεολογία του τσιμεντοκονιάματος ενισχυμένου με ίνες άνθρακα και διαπίστωσαν ότι η αύξηση του μήκους των ινών θα αυξήσει τόσο την τάση απόδοσης όσο και το πλαστικό ιξώδες. Το 2012, οι El-Dieb και Taha προσέθεσαν ίνες χάλυβα με διαφορετικά μήκη σε αυτοσυμπυκνούμενο σκυρόδεμα (SCC) για να ερευνήσουν τα αποτελέσματά τους στα χαρακτηριστικά ροής του SCC και τα προτεινόμενα κριτήρια αποδοχής για οπτικά ενισχυμένο SCC. Το 2015, οι Ghernouti et al. χρησιμοποίησαν ίνες από απορρίμματα από πλαστικές σακούλες με μεταβαλλόμενα μήκη 2, 4 και 6 cm για να παράγουν SCC ενισχυμένο με ίνες και διαπίστωσαν ότι καθώς το μήκος των ινών αυξήθηκε, η ικανότητα διέλευσης μειώθηκε σημαντικά υποδηλώνοντας ότι το μήκος της ίνας είναι μια σημαντική παράμετρος να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό αυτοσυμπυκνούμενων σκυροδεμάτων ενισχυμένων με ίνες. [14] Οι Li et al. μετά από πειράματα κατέληξαν ότι το μήκος της ίνας έχει σημαντικές επιδράσεις στην πυκνότητα του κονιάματος καθώς και άμεσες επιπτώσεις στις ιδιότητες του νωπού κονιάματος. [14] 1.5 ΦΥΚΙΑ-POSIDONIA OCEANICA Τα φύκη ή φύκια αποτελούν μεγάλο μέρος της θαλάσσιας χλωρίδας. Δεν κατατάσσονται στο βασίλειο των φυτών αλλά σε εκείνο των πρώτιστων. Στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται ως «Algae». Είναι εξελικτικά κατώτερα φυτά που δεν έχουν ρίζες, βλαστούς και φύλλα, άνθη, καρπούς. Στην Ελλάδα υπολογίζεται ότι υπάρχουν περίπου 600 είδη φυκών. Οι γνωστές «καφέ κορδέλες» που συναντιούνται συχνά στις παραλίες, το γένος Posidonia Oceanica (ΡΟ), δεν είναι φύκη όπως πολλοί λανθασμένα το αναφέρουν αλλά ανήκει στην κατηγορία των θαλάσσιων φυτών ή θαλάσσιο γρασίδι (seagrass) έχει δηλαδή ρίζες, βλαστούς, φύλλα. Υπολογίζεται ότι τα λιβάδια Ποσειδωνίας που σχηματίζονται στις παράκτιες ζώνες της Μεσογείου καλύπτουν μια έκταση μεταξύ και km 2 (το 2% του υποθαλάσσιου βυθού της). Κατά τους φθινοπωρινούς μήνες και όταν η θάλασσα επηρεάζεται από τις κακές καιρικές συνθήκες και λόγω της αύξησης του CO 2 στο περιβάλλον, αυξάνεται η ποσότητα των φύλλων του PΟ καθώς και κομματιών των ριζωμάτων του τα οποία αποσπώνται και μαζεύονται στις παράκτιες περιοχές. Η παρουσία μεγάλης ποσότητας υπολειμμάτων PΟ, έχει προκαλέσει σημαντικά περιβαλλοντικά, κοινωνικά και οικονομικά προβλήματα σε όλες τις παράκτιες ζώνες της Μεσογείου. Η περισυλλογή και μεταφορά των ξηρών υπολειμμάτων του PΟ σε χώρους υγειονομικής ταφής, απαιτεί υψηλό κόστος. Έτσι, είναι σημαντικό να ερευνηθούν κι άλλες ποικίλες μέθοδοι διαχείρισης αυτής της βιομάζας 18

20 γεγονός που φέρνει στην προσοχή τα οφέλη από τη χρήση του ως βιώσιμου υλικού σχεδιασμού. Οι Khiari et al. παρουσίασαν χημικό χαρακτηρισμό της πρώτης ύλης. Έδειξαν ότι το θαλάσσιο αυτό φυτό αποτελείται κυρίως από κυτταρινικό υλικό (κυτταρίνη και ημικυτταρίνη) με ποσοστό 61,8% και σχετικά υψηλή ποσότητα λιγνίνης (29,8%).[18] Εικόνα 12 Χημική σύσταση του φυτού PO [18] Στην κατασκευαστική βιομηχανία τα φύκη καθώς και συγκεκριμένα το γένος ΡΟ έχουν βρει αρκετές εφαρμογές. Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα φύκια είναι μια καλή επιλογή υλικών όταν συλλέγεται φυσικά, δηλαδή συλλέγεται στην παραλία, ξηραίνεται φυσικά(όχι σε φούρνους) και μεταφέρεται μόνο σε μικρές αποστάσεις ΩΣ ΥΛΙΚΟ ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗΣ Από πολλές δεκαετίες πριν τα φύκια χρησιμοποιούνταν συχνά για τη μόνωση των τοίχων και στεγών ως παραδοσιακό υλικό (Δανία, Κίνα κ.α.). Σε αντίθεση με ορισμένα συμβατικά οικοδομικά υλικά, τα φύκια είναι μη τοξικά και διαθέτουν αντιβακτηριδιακές ενώσεις Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μονωτικό υλικό χωρίς την ανάγκη για χημικά πρόσθετα και μπορούν να εφαρμοστούν μεταξύ των δοκών των κεκλιμένων οροφών και των εσωτερικών τοίχων. Τα φύκια καλύπτονται με το αλάτι της θάλασσας και έτσι 19

21 προστατεύονται φυσικά ενάντια σε βακτήρια ή έντομα που θα μπορούσαν να καταστρέψουν τη δομή τους. Το γεγονός ότι το προϊόν είναι απολύτως φυσικό σημαίνει ότι είναι λιπασματοποιήσιμο και ότι στο τέλος της ζωής του μπορεί να απορριφθεί εύκολα. Οι ίνες φυκιών λειτουργούν ως ρυθμιστής, απορροφώντας τους υδρατμούς και απελευθερώνοντάς τους πάλι χωρίς να βλάπτουν τη δική τους ικανότητα να διατηρούν το κτίριο μονωμένο. Είναι επίσης πυρίμαχα. Τα φύκια καλύπτονται με το αλάτι της θάλασσας και έτσι προστατεύονται φυσικά ενάντια σε βακτήρια ή έντομα που θα μπορούσαν να καταστρέψουν τη δομή τους. Η μεγαλύτερη δυσκολία μετατροπής του υλικού αυτού σε θερμομόνωση βρίσκεται στο να αφαιρεθεί η προσκολλημένη άμμος από αυτά. Νέες μέθοδοι μετατροπής των φυκιών σε βιώσιμο μονωτικό υλικό έχουν αναπτυχθεί από την Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT σε συνεργασία με άλλους βιομηχανικούς συνεταίρους. Στόχος του έργου ήταν να παράγουν ένα μονωτικό υλικό που να μπορεί να διοχετεύεται στον απαιτούμενο χώρο χωρίς δυσκολία. Η ανακίνηση των φυκιών αποδείχθηκε ο καλύτερος τρόπος να διασφαλιστεί ότι θα έχουμε ίνες όσο το δυνατόν μακρύτερες και χωρίς άμμο. Μόλις αφαιρεθεί όλη η άμμος από τις ίνες ένας μεταφορικός ιμάντας τις μεταφέρει στους κοπτήρες, από όπου ίνες 1,5 έως 2 εκατοστών εμφανίζονται χωρίς φθορές και πέφτουν σε πλαστικές σακούλες. όλη η διαδικασία παραγωγής απαιτεί πολύ λίγη ενέργεια. Σε πρόσφατη έρευνα οι Hamdaoui et al. βρήκαν ότι σε σύγκριση με το πετροβάμβακα και το γυάλινο μαλλί, οι ίνες PO παρουσιάζουν 25% υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και διπλάσια θερμική χωρητικότητα. Σε σύγκριση με την εξηλασμένη και διογκωμένη πολυστερίνη, οι ίνες PO έχουν 23% υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και 38% υψηλότερη θερμική χωρητικότητα, ενώ σε σύγκριση με το ξύλόμαλλο, οι ίνες PO έχουν χαμηλότερες θερμικές αγωγιμότητες και συγκρίσιμη θερμική χωρητικότητα. [17] ΩΣ ΠΡΟΣΜΙΚΤΟ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΦΛΕΚΤΩΝ ΤΟΥΒΛΩΝ Τα άφλεκτα τούβλα είναι μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση στα συμβατικά υλικά τοιχοποιίας, αλλά η χρήση τους περιορίζεται σήμερα από τις σχετικά κακές μηχανικές και ανθεκτικές ιδιότητες τους. Ερευνητές από την Ισπανία και τη Σκωτία, προσπαθώντας να βελτιώσουν τα παραδοσιακά πήλινα τούβλα, διαπίστωσαν ότι με την προσθήκη μαλλιού και εκχυλίσματος φυκιών στο μείγμα θα μπορούσαν να κάνουν ένα ισχυρότερο, μη τοξικό και πιο βιώσιμο οικοδομικό προϊόν. Ένα φυσικό πολυμερές που βρίσκεται στα κυτταρικά τοιχώματα των φυκιών,(αλγινικό συσσωμάτωμα), προστέθηκε στο μίγμα αργίλου και μαλλιού. Αυτές οι ίνες βελτιώνουν την αντοχή των τούβλων σε θλίψη απο2.23 σε 3.77 MPa, μειώνουν το σχηματισμό των ρωγμών και παραμορφώσεων λόγω συστολής, μειώνουν το χρόνο στεγνώματος και αυξάνουν την αντίσταση των τούβλων στην κάμψη. [21] Οι βελτιώσεις στη μηχανική αντοχή εξαρτώνται από τον τύπο του χρησιμοποιούμενου αλγινικού άλατος και τη σύνθεση του εδάφους. Η μεγαλύτερη αύξηση της αντοχής σε θλίψη επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα αλγινικό άλας που προέρχεται από τα φύκια 20

22 Laminaria Hyperborea. Αυξήσεις της δοσολογίας του αλγινικού δεν οδηγούν αναγκαστικά σε αύξηση της αντοχής που υποδηλώνει ότι υπάρχει μια βέλτιστη συγκέντρωση στην οποία η βελτίωση της αντοχής είναι μέγιστη. Το νέο μίγμα δεν απαιτεί ψήσιμο, γεγονός που αποτελεί μια τεράστια εξοικονόμηση ενέργειας σε σύγκριση με τυποποιημένα τούβλα ενώ είναι και βιοδιασπώμενα. [21] ΩΣ ΠΡΟΣΜΙΚΤΟ ΣΕ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ Οι Nurul Islam Siddique et al. ανέπτυξαν τροποποιημένου βιώσιμου σκυρόδεμα με προσθήκη φυσικού πολυμερούς από φύκια Eucheuma Cottonii (πήκτωμα) και Gracilaria Sp. (σκόνη). Το παραγόμενο σκυρόδεμα εμφάνισε εξαιρετική πρόσφυση με τα αδρανή. Επιτεύχθηκε αύξηση κατά 16% σε θλίψη συγκριτικά με την σύνθεση ελέγχου καθώς και αύξηση 150% αντοχής σε κάμψη.[15] Οι Allegue et al. ενισχύουν τσιμεντοκονίαμα με ίνες από κομμάτια των ριζωμάτων του PosidoniaOceanicaμε διάφορους λόγους Ν/Τ και διάφορες περιεκτικότητες σε ίνες από 5 έως 20% κατ όγκο. Βέλτιστη απόδοση σε κάμψη επιτυγχάνεται με Ν/Τ=0.5 και αναλογία ινών 10% με 36% μεγαλύτερη αντοχή σε σύγκριση με την σύνθεση ελέγχου. Η περιεκτικότητα της σύνθεσης σε 5% ίνες δίνει αυξημένη θλιπτική αντοχή κατά 57%.Η προσθήκη των ινών στο τσιμέντο βελτιώνει σημαντικά και την πλαστιμότητα των δειγμάτων. [16] 1.6 ΝΑΝΟΠΥΡΙΤΙΟ (NANOSILICA) Η νανοτεχνολογία αποτελεί μια αναδυόμενη οδό έρευνα με δυνητικό αντίκτυπο σε όλους τους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας. Η εισαγωγή νανοσωματιδίων σε υλικά με βάση το τσιμέντο έχει κερδίσει δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια και οφείλεται στις εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες τους και τη δυνατότητα εφαρμογής τους. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας έχουν εξερευνηθεί πολλά νανοϋλικά όπως το νανοπυρίτιο(nanosilica), το νανοτιτάνιο και οι νανοσωλήνες άνθρακα. Μεταξύ όλων των νανοϋλικών, το nanosilica είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό στο τσιμέντο και το σκυρόδεμα για να βελτιώσει την απόδοση, μέσω της ποζολανικής αντίδρασής του καθώς και με την επίδραση πλήρωσης των πόρων. [6] Εικόνα 13 Επιρροή της χρήσης νανοϋλικών στο σκυρόδεμα [6] 21

23 Ο στόχος της εφαρμογής εξαιρετικά λεπτών προσθέτων όπως το nanosilica στα υλικά με βάση το τσιμέντο είναι η βελτίωση των χαρακτηριστικών του νωπού και σκληρυμένου υλικού. Τα σωματίδια πυριτίου με μίκρο-και νάνο-κλιμάκωση επιφέρουν ένα αποτέλεσμα πλήρωσης γεμίζοντας τα κενά μεταξύ των κόκκων τσιμέντου. Περαιτέρω, η ποζολανική αντίδραση nanosilica με Ca (OH) 2, η οποία σχηματίζεται κατά τη διάρκεια της ενυδάτωσης του τσιμέντου, παράγει επιπλέον ένυδρες ασβεστοπυριτικές ενώσεις (C-S-H), που είναι το κύριο συστατικό για την αντοχή και την πυκνότητα στο σκληρυμένο τσιμεντοειδές υλικό. Ταυτόχρονα καταναλώνεται υδροξείδιο του ασβεστίου(ca (OH) 2,) το οποίο δεν βοηθάει στην ανάπτυξη της αντοχής [6] Εικόνα 14 Επιρροή της χρήσης nanosilica στην μικροδομή του τσιμέντου [6] Η ενυδάτωση του τσιμέντου μπορεί να επιταχυνθεί με την προσθήκη nanosilica. Όταν το nanosilica προστίθεται σε κόκκους τσιμέντου, αντιδρά με το διαθέσιμο Ca2 + το οποίο σχηματίζει επιπλέον C-S-H του οποίου τα σωματίδια εξαπλώνονται στο νερό μεταξύ των κόκκων τσιμέντου και επιφέρουν τον σχηματισμό μίας πιο συμπαγούς φάσης C-S-H. Ο σχηματισμός της φάσης C-S-H δεν περιορίζεται πλέον μόνο στην επιφάνεια των κόκκων, όπως στο καθαρό πυριτικό τριασβέστιο C 3S, αλλά επίσης λαμβάνει χώρα στο χώρο των πόρων. Το φαινόμενο αυτό προκαλεί επιτάχυνση της πρώιμης ενυδάτωσης τσιμέντου.[6] Εικόνα 15 Χημική αντίδραση ενυδάτωσης του τσιμέντου με προσθήκη nanosilica [6] 22

24 Εικόνα 16 Αύξηση της θερμοκρασίας κατά την ενυδάτωση με και χωρίς την προσθήκη nanosilica Η προσθήκη nanosilica σε κονίαμα τσιμέντου παρατηρήθηκε ότι απαιτεί περισσότερο νερό για να διατηρηθεί η εργασιμότητα του.[6] Σημαντική παράμετρος στην αντοχή τσιμέντου ενισχυμένου με nanosilica είναι η ομοιόμορφη κατανομή των νανοσωματιδίων στην μάζα του αυτού. Τσιμεντοκονίαμα με καλά διεσπαρμένα νανοσωματίδια έχει πυκνή μικροδομή ακόμη και αν τα νανοσωματίδια προστεθούν σε μικρή ποσότητα, αλλά αν δεν διασκορπιστούν σωστά, μπορεί να προκύψουν σχηματισμοί κενών και αδύναμων ζωνών. Μια μέθοδος διαχωρισμού των νανοσωματιδίων είναι με χρήση υπερήχων.[6] Με τη σωστή σύνθεση η προσθήκη nanosilicaτροποποιεί το πορώδες της πάστας τσιμέντου και έχει ως αποτέλεσμα πυκνότερη και συμπαγή μικροδομή, και συμβάλλει επίσης στη βελτίωση της αντοχής λόγω του μειωμένου τριχοειδούς πορώδους. Από πειράματα έχει αναφερθεί ότι η προσθήκη nanosilicaαυξάνει την αντοχή σε θλίψη της πάστας τσιμέντου σε εύρος 20-25% με προσθήκη 0.5-2% κατά βάρος τσιμέντου. Με προσθήκη μεγαλύτερης ποσότητας παρατηρείται μείωση των αντοχών. Μια αύξηση στην αντοχή σε εφελκυσμό και στην αντοχή σε κάμψη αναφέρεται επίσης.[6] Οι έρευνες για το σκυρόδεμα με nanosilica για τα χαρακτηριστικά της διαπερατότητας έδειξαν ότι η προσθήκη nanosilica είχε ως αποτέλεσμα, την μείωση συνολική μείωση της απορρόφησης του νερού, της τριχοειδούς απορρόφησης, του ρυθμού απορρόφησης και της διαπερατότητας νερού σε σύγκριση με το συμβατικό σκυρόδεμα. Αναφέρεται επίσης ότι η προσθήκη νανοσωματιδίων μείωσε σημαντικά τη διείσδυση των χλωριούχων ιόντων. Η αντοχή στη διείσδυση ιόντων χλωριόντων αυξάνεται θετικά με την αντοχή σε θλίψη.[6] Οι εφαρμογές της νανοτεχνολογίας έχουν τη δυνατότητα να επιτύχουν σημαντική πρόοδο στην τεχνολογία των υλικών. Η εφαρμογή nanosilica στο σκυρόδεμα είναι ένας καλός τρόπος βελτίωσης των ιδιοτήτων του σκυροδέματος. Η απόδοση της nanosilica στα τσιμεντοειδή υλικά εξαρτάται σημαντικά από τη μορφολογία, τη μέθοδο παρασκευής και πολλούς άλλους παράγοντες.[6] Η ανάπτυξη του σκυροδέματος υψηλής απόδοσης που βασίζεται σε nanosilica θα βοηθήσει ενδεχομένως την παγκόσμια κοινότητα με τους εξής τρόπους Μειώνοντας την κατανάλωση τσιμέντου για συγκεκριμένο βαθμό σκυροδέματος συμβάλλοντας στην προστασία του περιβάλλοντος σε μεγάλο βαθμό. 23

25 Το σκυρόδεμα υψηλής αντοχής σε θλίψη φέρει φορτία πιο αποτελεσματικά από το σκυρόδεμα κανονικής αντοχής, το οποίο επίσης μειώνει τη συνολική ποσότητα υλικού που τοποθετείται και μειώνει το συνολικό κόστος της κατασκευής. Η υψηλή αρχική αντοχή του σκυροδέματος διευκολύνει την ταχεία κατασκευή με αποτέλεσμα εξοικονόμηση πόρων. Λόγω της μεγαλύτερης διάρκειας ζωής, η χρήση σκυροδέματος υψηλής απόδοσης μειώνει το κόστος επισκευής και συντήρησης σε μεγάλο βαθμό.[6] Με την προσθήκη nanosilica στο ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα με φυσικές ίνες (ΡΟ) επιδιώκεται η βελτίωση της συνάφειας κονιάματος-ινών για μείωση του φαινόμενου εξαγωγής των ινών. Με την εφαρμογή μικροδομικής μελέτης έχει παρατηρηθεί ότι η διεπιφάνεια κονιάματος-ινών σε ώριμα τσιμεντοειδή σύνθετα υλικά είναι αρκετά πορώδης.[7] Με την προσθήκη nanosilica και την δημιουργία επιπλέον C-H-S ευελπιστείτε η συμπλήρωση των πόρων αυτών και η παραγωγή ενός πυκνού υλικού. Από την διεθνή βιβλιογραφία η χρήση φυκιών για ενίσχυση υλικών με βάση το τσιμέντο φαίνεται να δίνει υποσχόμενα αποτελέσματα. Κρίθηκε λοιπόν σκόπιμο να διερευνηθεί η ενίσχυση τσιμεντοκονιαμάτων με ίνες από τα φύλλα του θαλάσσιου φυτού Posidonia Oceanica και ενίσχυση αυτών με προσθήκη nanosilica. Ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας που ακολουθήθηκε καθώς και παράθεση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν. 24

26 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται αναλυτικά όλες οι τεχνικές των εργαστηριακών δοκιμών και μετρήσεων στις οποίες υποβλήθηκαν τα υλικά κατά τη διάρκεια της σύνθεσής τους αλλά και μετά καθώς και τα δοκίμια μετά την δημιουργία τους για την εκτίμηση των μηχανικών και φυσικών χαρακτηριστικών τους. Κατά τον σχεδιασμό και τον ποιοτικό έλεγχο των τσιμεντοκονιαμάτων, όπως ακριβώς και στα σκυροδέματα, η ιδιότητα που γενικά προδιαγράφεται είναι η αντοχή. Πιο αναλυτικά, στο παρόν κεφάλαιο εξετάζεται πειραματικά η επιρροή των ινών που προστέθηκαν στη μάζα των τσιμεντοκονιαμάτων τόσο στις μηχανικές αντοχές όσο και στις ιδιότητες του σύνθετου μίγματος. 2.1 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΥΝΘΕΣΕΩΝ ΥΛΙΚΑ Οι ίνες που εξετάζονται στην παρούσα διπλωματική είναι φυσικές ίνες από Posidonia Oceanica (PO). Οι ίνες κόβονται σε 3 διαφορετικά μήκη και διερευνάτε η απόδοση τους σε ακατέργαστη μορφή καθώς και μετά από χημική επεξεργασία με προσθήκη nanosilica. Προστίθεται στο κονίαμα ποσότητα 1,5% κ.ό. του μίγματος Το τσιμέντο που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του κονιάματος είναι τύπου Portland CEM II 32,5 Φυσική, πυριτική άμμος που αποτελείται κατά βάση από στρογγυλεμένα σωματίδια. Nanosilica (O 2Si) σε μορφή σκόνης Ρευστοποιητής 25

27 Εικόνα 17 Βύθιση των ινών σε νερό 24 ώρες πριν την παραγωγή του τσιμεντοκονιάματος ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΥΛΙΚΩΝ Οι ίνες προστίθενται στο κονίαμα σε ποσότητα 1,5% κ.ό. Για την αποφυγή ρηγμάτωσης του τσιμεντοκονιάματος λόγω απορρόφησης υγρασίας από τις ίνες, οι ίνες τοποθετούνται στο νερό 24hπριν την παραγωγή του μείγματος. Αντίστοιχα οι νανοτροποποιημένες ίνες τοποθετούνται σε ένα μείγμα που αποτελείται από νερό και nanosilica 1% κ.β. αφού πριν αυτό έχει αναδευτεί με υπερήχους για 30 min. H άμμος πλένεται και ξηραίνεται στον φούρνο για αφαίρεση της πρόσθετης υγρασίας. Εικόνα 18 Ανάδευση νερού και nanosilicaμε χρήση υπερύθρων για 30min Εικόνα 19 Ίνες Posidonia Oceanica βυθισμένες σε νερό. 26

28 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΑΜΕΙΞΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Λόγω της άγνωστης συμπεριφοράς των ινών σε απορροφητικότητα ο λόγος νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) επιδιώκεται να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα και χρησιμοποιείται ποσότητα ρευστοποιητή σε ποσοστό ως 1% κατά βάρος της κονίας σε όποιες συνθέσεις κρίνεται απαραίτητο. Εικόνα 20 Το τσιμέντο και η άμμος που χρησιμοποιήθηκαν Η παραγωγή των συνθέσεων πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ Για την ανάδευση του μείγματος χρησιμοποιήθηκε αναμεικτήρας χωρητικότητας πέντε λίτρων και λεπίδα τυποποιημένων διαστάσεων η οποία μπορεί να αναπτύξει χαμηλή και υψηλή ταχύτητα της τάξης των 140±5-285±10 rpm. Η λεπίδα περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της καθώς οδηγείται σε κυκλική κίνηση γύρω από τον άξονα του μπολ με ηλεκτρικό κινητήρα. Η διαδικασία ανάμειξης των υλικών για την παραγωγή της κονίας πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με το πρότυπο EN Αρχικά τοποθετείται στο μπολ το νερό με τις ίνες και το τσιμέντο, και ενεργοποιείται ο αναμεικτήρας στην χαμηλή ταχύτητα για 30 sec. Προστίθεται η άμμος σταθερά κατά τη διάρκεια των επόμενων 30 secκαι συνεχίζεται η ανάμειξη στην υψηλή ταχύτητα για επιπλέον 30sec. Toμείγμα για 1:30 min παραμένει αδρανές ενώ ξύνεται το υλικό απ τα τοιχώματα του μπολ. Συνεχίζεται η ανάμειξη με υψηλή ταχύτητα για 60 sec. Εικόνα 21 Αναμεικτήρας χωρητικότητας πέντε λίτρων και λεπίδα τυποποιημένων διαστάσεων Εικόνα 22 Αναμεικτήρας χωρητικότητας πέντε λίτρων και λεπίδα τυποποιημένων διαστάσεων 27

29 Για την αποδοχή ή απόρριψη της κάθε σύνθεσης τίθεται το κριτήριο της εξάπλωσης η οποία μετριέται κατά ΕΝ και δεν πρέπει να ξεπερνά τα 15±1 cm. Εξάπλωση είναι ένα μέτρο υπολογισμού της εργασιμότητας. Ως εργασιμότητα (workability) ορίζεται η ιδιότητα που καθορίζει την προσπάθεια που απαιτείται για τον χειρισμό νωπού αναμίγματος σκυροδέματος ή κονιάματος με την ελάχιστη απώλεια ομοιογένειας του μίγματος. [20]. Ο έλεγχος εξάπλωσης πραγματοποιείται για το νωπό μείγμα αμέσως μετά την ανάδευση. Η συσκευή μέτρησης της εξάπλωσης αποτελείται από μεταλλική επιφάνεια, η οποία δύναται να ανυψώνεται κατάλληλα κατά τη μέτρηση, και από κουλουροκωνικό δοχείο ανοικτό και από τις δύο πλευρές, το οποίο τοποθετείται επάνω στη τράπεζα, με βάση τη πλευρά που φέρει το άνοιγμα με τη μεγαλύτερη διάμετρο. Το δοχείο πληρώνεται με το τσιμεντοκονίαμα. Τέλος, αφαιρείται το δοχείο, και ανυψώνεται η τράπεζα, είτε μέσω χειρολαβής είτε μηχανικά και αφήνεται να πέσει ελεύθερα 15 φορές. Αν ικανοποιούνται τα όρια που έχουν τεθεί παραπάνω, το μείγμα διαστρώνεται στις μήτρες. Εικόνα 23 Στιγμιότυπα από διαδικασία μέτρησης εξάπλωσης. 28

30 Εικόνα 24 Μήτρες πρισματικών δοκιμίων διαστάσεων 40x40x160mm Στις μήτρες στις οποίες γίνεται διάστρωση απλώνεται λάδι για διευκόλυνση του ξεκαλουπώματος των δοκιμίων. Αφού πραγματοποιείται η διάστρωση ακολουθεί η διαδικασία της συμπύκνωσης σε τράπεζα δόνησης με προσοχή για αποφυγή απόμιξης του μείγματος. Μετά το πέρας της διαδικασίας τα δοκίμια σκεπάζονται μέχρι την πήξη τους και στη συνέχεια αποθηκεύονται για συντήρηση Η εισαγωγή στον θάλαμο συντήρησης (θερμοκρασία 20 ± 1 C) αποσκοπεί στο να δημιουργηθούν οι συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας που θα επιτρέψουν να ενυδατωθεί το μεγαλύτερο ποσοστό τσιμέντου του μίγματος Τα εν λόγω δοκίμια συντηρήθηκαν σε υγρό περιβάλλον (RH 95±5%) για 28 είτε 90 μέρες. Συνοπτικά αναφέρεται ότι παρήχθησαν συνολικά για κάθε σύνθεση 9 πρισματικά δοκίμια διαστάσεων mm. ΟΡΟΛΟΓΙΑ Στο κείμενο που ακολουθεί χρησιμοποιείται η εξής ονοματολογία για τις βιοΐνες νανοτροποποιημένες ή μη, συνοδευόμενη από τον αριθμό 1, 2, ή 3 που αναφέρεται στο μήκος της ίνας στο εκάστοτε κονίαμα. Στις συνθέσεις οι οποίες παρέμειναν στην συντήρηση για 90 ημέρες προστίθεται ο αριθμός 90 : 1. R: Δοκίμιο μάρτυρα (χωρίς προσθήκη ινών) 2. P1 : Ακατέργαστες ίνες μήκους 1-1,5 cm 3. P2 : Ακατέργαστες ίνες μήκους 2-2,5 cm 4. P3 : Ακατέργαστες ίνες μήκους 4cm 5. N1: Νανοτροποποιημένες ίνες μήκους 1-1,5 cm 6. N2: Νανοτροποποιημένες ίνες μήκους 2-2,5 cm 7. N3: Νανοτροποποιημένες ίνες μήκους 4 cm 29

31 ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟ (gr) ΑΜΜΟΣ (gr) ΝΕΡΟ (ml) ΙΝΕΣ (cm) ΡΕΥΣΤΟΠ. %Κ.Β. Ν/Τ ΕΡΓΑΣ. (cm) R P ,5 1% P ,5 1% P ,5 1% P ,5 1% P , P , P P P N ,5 1% N ,5 1% N ,5 1% N , N , N , N N N Πίνακας 1 Αναλυτική καταγραφή των ποσοτήτων των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για τα κονιάματα του μάρτυρα και των δοκιμίων ενισχυμένων με ίνες καθώς και της εξάπλωσης τους. Αμέσως παρατηρείται ότι οι συνθέσεις με το μικρότερο μήκος ίνας είναι οι μόνες στις οποίες απαιτήθηκε χρήση ρευστοποιητή καθώς η χρήση ρευστοποιητή στα άλλα μήκη έκανε το μείγμα πολύ ρευστό με αποτέλεσμα να μην ικανοποιείται ο έλεγχος της εργασιμότητας. 30

32 Ν/Τ ΛΟΓΟΣ Ν/Τ 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,53 0,60 0,64 0,62 0,64 0,67 0,66 R P1 P2 P3 N1 N2 N3 Συνθέσεις Γράφημα 1 Γραφική απεικόνιση λόγου Ν/Τ σε όλες τις συνθέσεις Από το γράφημα φαίνεται πως οι συνθέσεις που περιέχουν τις νανοτροποποιημένες ίνες έχουν ελαφρώς μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε νερό καθώς και ότι συγκρίνοντας τα 3 μήκη μεταξύ τους η σύνθεση με το μικρότερο μήκος έχει τον μικρότερο λόγο Ν/Τ. Ο μάρτυρας φαίνεται πως περιέχει την μικρότερη ποσότητα νερού. 2.2 ΠΟΡΕΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΕΛΕΓΧΩΝ Από την κάθε σύνθεση παρήχθησαν συνολικά 9 δοκίμια πρισματικά διαστάσεων 40x40x160. Από τα 9 συνολικά δοκίμια τα 3 αποθηκεύθηκαν σε ειδικό δωμάτιο θερμοκρασίας 20±1 o C και πραγματοποιούνταν μέτρηση των διαστάσεων τους με ηλεκτρονικό παχύμετρο σε καθημερινή βάση για 28 ημέρες. Στην συνέχεια μετά το πέρας των 28 ημερών χρησιμοποιήθηκαν τα 4 στα οποία αμέσως μετά την 24ωρη παραμονή τους στο φούρνο έγιναν οι έλεγχοι της αντοχής σε κάμψη και θλίψη, της τριχοειδούς, του πορώδους καθώς και της αλληλεπίδρασης τάσης-παραμόρφωσης. Τα τελευταία 2 δοκίμια, παρέμειναν στην συντήρηση για 90 ημέρες και στην συνέχεια πραγματοποιήθηκαν οι απαραίτητοι έλεγχοι. Λεπτομερέστερη περιγραφή του κάθε ελέγχου δίνεται παρακάτω, συνοδευόμενη με τα αποτελέσματα του. 2.3 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΥΡΡΙΚΝΩΣΗΣ Η συστολή ξήρανσης του τσιμεντοκονιάματος είναι ένα φυσικό φαινόμενο το οποίο συμβαίνει κατά την εξάτμιση του νερού από τον κορεσμένο τσιμεντοπολτό. Όταν η κορεσμένη τσιμεντόπαστα εκτεθεί σε περιβάλλον υγρασίας κάτω της υγρασίας κορεσμού η απώλεια του φυσικά προσροφημένου νερού έχει ως αποτέλεσμα παραμόρφωση από συστολή. Οι κόκκοι των στερεών συστατικών του μείγματος τείνουν να πλησιάσουν μεταξύ τους οδηγώντας σε μεταβολή του όγκου και πιθανόν και σε μικρορηγματώσεις. Γενικά η αυξημένη περιεκτικότητα σε τσιμέντο στο κονίαμα οδηγεί σε αυξημένη συστολή.[mehta] 31

33 Από τα παραπάνω τονίζεται η σκοπιμότητα μέτρησης του φαινομένου της συρρίκνωσης. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται με τον καθορισμό της ποσοστιαίας μεταβολής της συρρίκνωσης που ορίζεται ως ο λόγος της ογκομετρικής διαφοράς για όλες τις μέρες μέτρησης προς τον αρχικό όγκο του δοκιμίου. Για κάθε σύνθεση ένα από τα πρισματικά δοκίμια συντηρείται σε σταθερές συνθήκες υγρασίες χαμηλότερες του βαθμού κορεσμού της τσιμεντόπαστας, της τάξεως του 60%, καθώς και σε σταθερή θερμοκρασία 20 o C. Η μεταβολή των διαστάσεων, και επομένως του όγκου, του κάθε δοκιμίου πραγματοποιούταν καθημερινά για 28 ημέρες με ηλεκτρονικό παχύμετρο μεγάλης ακρίβειας. Μετά τον υπολογισμό του δοκιμίου για κάθε ημέρα μέτρησης υπολογίζεται η ποσοστιαία διαφορά του όγκου του δοκιμίου προς τον όγκο αναφοράς. Ποσοστιαία μεταβολή συρρίκνωσης = ΔV 100% = V i V 0 100%, όπου: V 0 V 0 V i, ο όγκος του δοκιμίου την i ημέρα V 0, ο όγκος του δοκιμίου την πρώτη ημέρα μέτρησης Εικόνα 25 Μέτρηση διαστάσεων των δοκιμίων με ηλεκτρονικό παχύμετρο Παρακάτω δίδονται τα γραφήματα για την κάθε σύνθεση ξεχωριστά. Ο άξονας των τετμημένων αντιστοιχεί στην ημέρα μέτρησης ενώ των τεταγμένων στην ποσοστιαία μεταβολή της συρρίκνωσης. Τα αποτελέσματα αξιολογούνται και παραθέτονται στην τελευταία ενότητα. 32

34 Ποσοστιαία Μεταβολή Όγκου ΔV/V (%) ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΡΡΙΚΝΩΣΗΣ Ημέρες Ρ1 Ρ2 Ρ3 Ν1 Ν2 Ν3 R Γράφημα 2Διαγραμματική απεικόνιση της συρρίκνωσης των πρισματικών δοκιμίων με όλα τα μήκη ινών σε σχέση με το δοκίμιο R (μάρτυρας). Στο γράφημα παρατηρείται ότι στα δοκίμια που περιέχουν τις νανοτροποποιημένες ίνες υπάρχει εντονότερη τάση συρρίκνωσης συγκριτικά με αυτά που περιέχουν τις ακατέργαστες ίνες και με τον μάρτυρα, τα οποία έχουν μία πιο σταθερή συμπεριφορά. 33

35 2.4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΝΤΟΧΩΝ Η θλιπτική αντοχή είναι η πιο σπουδαία ιδιότητα του τσιμεντοκονιάματος και του σκυροδέματος. Αποτελεί γενικό δείκτη της ποιότητας τους αφού είναι άμεσα συνδεδεμένη με την εσωτερική δομή (αδρανή-τσιμεντοπολτός) και αποτελεί βασικό στοιχείο για την διαστασιολόγηση των κατασκευών από τα υλικά αυτά. Η εφελκυστική αντοχή των τσιμεντοκονιαμάτων είναι μαζί με την θλιπτική στενά συνδεδεμένα χαρακτηριστικά. Η ύπαρξη των ινών μέσα στα τσιμεντοκονιάματα αναμένεται να επιδράσει θετικά στην αύξηση της εφελκυστικής αντοχής. Σημειώνεται ότι η αύξηση της θλιπτικής αντοχής συνοδεύεται από μια μη αναλογική αύξηση της εφελκυστικής. Παρακάτω διερευνάται αν η προσθήκη ινών επιδρά στην βελτίωση της εφελκυστικής συμπεριφοράς αλλά και της θλιπτικής αντοχής. [1] Επειδή η ενυδάτωση του τσιμέντου συνεχίζεται για πάρα πολλά χρόνια μετά τη σκυροδέτηση, η αντοχή γενικώς αυξάνεται με το χρόνο συνεπώς κρίθηκε σκόπιμο να υπολογιστούν οι αντοχές των δοκιμίων σε ηλικία 28 και 90 ημερών. Αρχικά όλα τα εξεταζόμενα δοκίμια ζυγίζονται, σημειώνονται οι διαστάσεις τους, και εκτελείται σονομέτρηση. Η σονομέτρηση είναι μία διαδικασία η οποία προσδιορίζει το χρόνο διέλευσης του ήχου από τη μία πλευρά του δοκιμίου ως την άλλη. Η τάξη μεγέθους του χρόνου αυτού κυμαίνεται συνήθως από 20 έως 90 μsec. Προκειμένου η παραπάνω διαδικασία να δώσει αποτελέσματα άξια εμπιστοσύνης οι δύο πλευρές των δοκιμίων καθώς και οι πομποί του ηχομέτρου αλείφονται με γράσο ώστε να επιτευχθεί όσο το δυνατόν καλύτερη επαφή μεταξύ του οργάνου και του δοκιμίου και να αποφευχθούν πιθανές αποκλίσεις στις μετρήσεις που οφείλονται στην ύπαρξη κενών μεταξύ της διεπιφάνειας αυτής. [1] Ο προσδιορισμός της εφελκυστικής αντοχής πραγματοποιήθηκε με την δοκιμή τριών σημείων (3 point bending test).στο σχήμα απεικονίζεται η δοκιμή της κάμψης τριών σημείων), κατά την οποία η δοκός στηρίζεται αμφιέρειστα ή ως αμφιπροέχουσα και φέρει στο μέσον της σημειακό φορτίο P. Εικόνα 26 Δοκιμή κάμψης 3 σημείων (3 point bending test) Πηγή σκίτσου: ΕΝ Τα δοκίμια τοποθετήθηκαν στη διάταξη με την λεία τους πλευρά και επιλέχθηκε βήμα 0,125kΝ/s. Στο τέλος της δοκιμής καταγράφεται το οριακό φορτίο και υπολογίζεται η τάση αστοχίας. 34

36 σ K = 1.50 P K l b h 2 Όπου: σ κ : η τάση αντοχής σε κάμψη του δοκιμίου (MPa) P κ : το φορτίο θραύσης που ασκείται στο μέσο του πρίσματος (N) l: η απόσταση μεταξύ των στηρίξεων του μηχανήματος κατά τον έλεγχο με l= 100 mm b,h : οι διαστάσεις των πλευρών της διατομής του πρίσματος (mm) Ακολούθως πραγματοποιείται η δοκιμή θλίψης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται τα δύο κομμάτια στα οποία χωρίστηκε το αρχικό δοκίμιο έπειτα από την δοκιμή κάμψης. Η διάταξη αποτελείται από πρέσα μονοαξονικής θλίψης όπως φαίνεται στο στην Εικόνα 27. Εικόνα 27 Δοκιμή Θλίψης. Υποδομές εργαστηρίου δομικών υλικών ΑΠΘ. Τα δοκίμια μετρούνται και τοποθετούνται στην πρέσα με βήμα 0,35kΝ/s. Καταγράφεται το οριακό φορτίο και υπολογίζεται η τάση αστοχίας με τον παρακάτω τύπο: Όπου: σ Θ = P Θ b l σ θ : η τάση αντοχής σε θλίψη 35

37 P θ:το φορτίο θραύσης (Ν) b l : το εμβαδόν σε mm 2 της επιφάνειας που δέχεται τη φόρτιση Στη συνέχεια παρατίθενται αναλυτικά τα αποτελέσματα των δύο παραπάνω ελέγχων σε μορφή πίνακα. Επίσης παρατίθενται γραφικές απεικονίσεις συγκρίνοντας τις αντοχές που έχουν αναπτύξει τα δοκίμια σε σχέση με, την ηλικία τους, την χημική τους επεξεργασία, και το μήκος τους. ΔΕΙΓΜΑ (σύνθεση) ΗΛΙΚΙΑ (ημέρες) b (mm) h (mm) l (mm) t (μsec) B (gr) P K (kn) σ κ (Mpa) σ κmo (Mpa) P Θ (kn) σ Θ (Mpa) σ ΘΜΟ (Mpa ) R R P P P P P P N Ν Ν Ν Ν Ν R R R P P P P P P N N N N N N Πίνακας 2 : Συγκεντρωτικά αποτελέσματα αντοχών κάμψης και θλίψης όλων των δοκιμίων 36

38 Τάση (MPa) Τάση (MPa) Τάση (MPa) ΑΝΤΟΧH ΣΕ ΚAΜΨΗ - σ κ (28d) 8,70 6,37 6,13 4,905 3,47 3,46 3,53 0 R P1 N1 P2 N2 P3 N3 Συνθέσεις -Ηλικία 28 ημερών Γράφημα 3 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε κάμψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων ηλικίας 28 ημερών σε σύγκριση με τον μάρτυρα ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΘΛΙΨΗ - σ Θ (28d) ,35 17,97 17,92 12,34 23,05 14,12 0 R P1 N1 P2 N2 P3 N3 Συνθέσεις - Ηλικία 28 ημερών Γράφημα 4 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε θλίψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων ηλικίας 28 μερών σε σύγκριση με το μάρτυρα. 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΚΑΜΨΗ - σ κ (90d) 4,01 3,54 5,13 Γράφημα 5 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε κάμψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων ηλικίας 90 ημερών σε σύγκριση με το μάρτυρα 3,19 4,84 Συνθέσεις - Ηλικία 90 ημερών 4,27 5,23 R P1 N1 P2 N2 P3 N3 37

39 Τάση (MPa) Τάση (MPa) Τάση (MPa) 50,00 40,00 44,22 ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΘΛΙΨΗ - σ Θ (90d) 30,00 20,00 10,00 9,36 18,09 8,38 19,00 14,13 17,82 0,00 R P1 N1 P2 N2 P3 N3 Συνθέσεις - Ηλικία 90 ημερών Γράφημα 6 Γραφική απεικόνιση των αντοχής σε θλίψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων ηλικίας 90 ημερών σε σύγκριση με τον μάρτυρα. 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΚΑΜΨΗ - σ κ (απλές ίνες) 4,91 4,01 8,70 3,54 6,37 3,19 6,13 4,27 0,00 R R-90 P1 P1-90 P2 P2-90 P3 P3-90 Συνθέσεις - Ακατέργαστες Ίνες Γράφημα 7 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε κάμψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων με χρήση ακατέργαστων ινών σε σύγκριση με το μάρτυρα. 50,00 40,00 ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΘΛΙΨΗ - σ θ (απλές ίνες) 46,00 44,22 30,00 20,00 10,00 17,35 9,36 17,92 8,38 23,05 14,13 0,00 R R-90 P1 P1-90 P2 P2-90 P3 P3-90 Συνθέσεις - Ακατέργαστες Ίνες Γράφημα 8 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε θλίψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων με χρήση ακατέργαστων ινών σε σύγκριση με το μάρτυρα. 38

40 Τάση (MPa) Τάση (MPa) 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΚΑΜΨΗ σ κ - (nano ίνες) 4,91 5,13 5,23 4,01 3,47 3,53 3,46 4,84 0,00 R R-90 Ν1 Ν1-90 Ν3 Ν3-90 Ν2 Ν2-90 Συνθέσεις - Νανοτροποποιημένες Ίνες Γράφημα 9 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε κάμψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων με χρήση νανοτροποποιημένων ινών σε σύγκριση με το μάρτυρα. 50,00 ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΘΛΙΨΗ - σ Θ (nano ίνες) 46,00 44,22 40,00 30,00 20,00 10,00 17,97 18,09 12,34 19,00 14,12 17,82 0,00 R R-90 Ν1 Ν1-90 Ν2 Ν2-90 Ν3 Ν3-90 Συνθέσεις - Νανοτροποποιημένες Ίνες Γράφημα 10 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε θλίψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων με χρήση νανοτροποποιημένων ινών σε σύγκριση με το μάρτυρα. 39

41 Τάση (MPa) Τάση (MPa) Τάση (MPa) 10 8,70 ΑΝΤΟΧH ΣΕ ΚAΜΨΗ - σ κ ,905 4,01 3,54 6,37 6,13 4,27 3,19 5,13 5,23 4,84 3,47 3,46 3,53 28 ημερών 90 ημερών 2 0 R P1 P2 P3 N1 N2 N3 Συνθέσεις Γράφημα 11 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε κάμψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων σε σύγκριση με το μάρτυρα για δοκίμια ηλικίας 28 και 90 ημερών. 50,00 40,00 46,00 44,22 ΑΝΤΟΧH ΣΕ ΘΛΙΨΗ- σ Θ 30,00 20,00 10,00 17,35 17,92 9,36 8,38 23,05 14,13 18,09 19,00 17,97 17,82 12,34 14,12 28 ημερών 90 ημερών 0,00 R P1 P2 P3 N1 N2 N3 Συνθέσεις Γράφημα 12 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε θλίψη εκφρασμένη σε τάσεις των δοκιμίων σε σύγκριση με το μάρτυρα για δοκίμια ηλικίας 28 κα 90 ημερών. 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 ΑΝΤΟΧH ΣΕ ΚAΜΨΗ - σ κ 8,70 6,37 6,13 5,13 4,84 3,47 3,46 3,53 3,54 3,19 5,23 4,27 0,00 1cm 2cm 4cm 1cm (90d) 2cm (90d) 4cm (90d) ακατέργαστες ίνες νανοτροποοιημένες ίνες Συνθέσεις Γράφημα 13 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε κάμψη εκφρασμένη σε τάσεις δοκιμίων συγκρίνοντας την επίδραση της νανοτροποποίησης των ινών. 40

42 Ταχύτητα u (km/sec) Ταχύτητα u (km/sec) Τάση (MPa) ΑΝΤΟΧH ΣΕ ΘΛΙΨΗ- σ Θ 25,00 23,05 20,00 15,00 10,00 17,97 17,35 17,92 12,34 14,12 18,09 9,36 8,38 19,00 17,82 14,13 5,00 0,00 1cm 2cm 4cm 1cm (90d) 2cm (90d) 4cm (90d) ακατέργαστες ίνες νανοτροποοιημένες ίνες Συνθέσεις Γράφημα 14 Γραφική απεικόνιση της αντοχής σε θλίψη εκφρασμένη σε τάσεις δοκιμίων συγκρίνοντας την επίδραση της νανοτροποποίησης των ινών. 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 4,36 4,24 3,73 3,57 3,48 3,46 3,66 3,60 3,66 3,68 3,74 3,65 Γράφημα 15 Γραφική απεικόνιση της ταχύτητας διάδοσης ηχητικών κυμάτων μέσω των δοκιμίων. 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΟΝΟΜΕΤΡΟΥ - u Γράφημα 16 Γραφική απεικόνιση της ταχύτητας διάδοσης ηχητικών κυμάτων μέσω των δοκιμίων. 4,70 4,45 R P1 P2 P3 N1 N2 N3 4,70 3,57 3,48 4,45 Συνθέσεις 3,66 3,65 3,73 3,66 3,68 3,74 3,46 3,60 1cm 2cm 4cm 1cm (90d) 2cm (90d) 4cm (90d) ακατέργαστες ίνες νανοτροποποιημές ίνες ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΟΝΟΜΕΤΡΟΥ - u Συνθέσεις 28 ημερών 90 ημερών 41

43 Εδυν (GPa) Εδυν (GPa) 2.5 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Λόγω της μη γραμμικότητας στην σχέση τάσεων παραμορφώσεων στα τσιμεντοκονιάματα όπως και στο σκυρόδεμα υπάρχουν τρείς τύποι μέτρου ελαστικότητας. Το εφαπτομενικό, το μέτρο που αντιστοιχεί στο αρχικό 40% της τάσης και το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας το οποίο αντιστοιχεί στην πολύ μικρή στιγμιαία μετατόπιση. Στην παρούσα διπλωματική υπολογίζεται μόνο το δυναμικό. Το δυναμικό υπολογίζεται με σονομέτρηση. Η σονομέτρηση των δοκιμίων έχει πραγματοποιηθεί σε προηγούμενο χρόνο κατά τον υπολογισμό της καμπτικής και θλιπτικής αντοχής τους. Κατόπιν υπολογίζεται το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας χρησιμοποιώντας τον εξής τύπο: Ε δυν=0, ρ u 2 Όπου: Εδυν, δυναμικό μέτρο ελαστικότητας (GPa) ρ, πυκνότητα δοκιμίου (kg/m 3 ) υ, η ταχύτητα διέλευσης του ήχου από τη μία πλευρά του δοκιμίου ως την άλλη η οποία προκύπτει από τη διαίρεση του μήκους του προς το χρόνο διέλευσης (m/sec). 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ - Ε ΔΥΝ 37,93 35,92 25,58 25,90 23,37 21,91 23,36 24,30 20,46 Γράφημα 17 Γραφική απεικόνιση του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας 39,73 35,54 25,82 26,82 24,75 R P1 P2 P3 N1 N2 N3 Συνθέσεις 28 ημερών 90 ημερών 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ - Ε ΔΥΝ 39,73 35,54 23,37 21,91 25,90 25,58 26,82 24,75 25,82 24,30 23,36 20,46 1cm 2cm 4cm 1cm (90d) 2cm (90d) 4cm (90d) ακατέργαστες ίνες νανοτροποποιημές ίνες Συνθέσεις Γράφημα 18 Γραφική απεικόνιση του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας. 42

44 2.6 ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΡΩΔΟΥΣ Με τον όρο πορώδες νοείται το ποσοστό του κενού χώρου που περιέχεται σε ένα υλικό, εκφραζόμενο ως ποσοστό του συνολικού του όγκου. Είναι γνωστό ότι στα στερεά υλικά υπάρχει αντιστρόφως ανάλογη σχέση μεταξύ του πορώδους και της αντοχής. Η αντοχή οφείλεται στο στερεό τμήμα ενός υλικού επομένως τα κενά μειώνουν την αντοχή αυτού. Ο όγκος των κενών που υπάρχουν στα τσιμεντοκονιάματα εξαρτάται κατά κύριο λόγο από την ποσότητα νερού που αναμείχθηκε με το τσιμέντο και τα αδρανή στην αρχή της ενυδάτωσης, τον βαθμό ενυδάτωσης του τσιμέντου καθώς και από την συμπύκνωση του κονιάματος. Η ενυδατωμένη πάστα τσιμέντου είναι αλκαλική επομένως η έκθεση σε όξινο περιβάλλον είναι επιβλαβής για το υλικό. Κάτω από τέτοιες συνθήκες βασική παράμετρος καθορισμού της ανθεκτικότητας του τσιμεντοκονιάματος είναι η διαπερατότητα. Ως διαπερατότητα ορίζεται η ευκολία με την οποία ένα ρευστό υπό πίεση ρέει μέσα σε ένα στερεό. Οι έννοιες του πορώδους και της διαπερατότητας είναι άμεσα συνδεδεμένες καθώς το μέγεθος και η συνέχεια των πόρων στην μικροδομή του στερεού ορίζουν την διαπερατότητα του[mehta]. Συνεπώς κρίνεται απαραίτητο το πορώδες σε τσιμεντοκονιάματα που προορίζονται για επικαλύψεις ή επιστρώσεις να παραμένει σε χαμηλά επίπεδα. Ενώ στα σκυροδέματα, ο τύπος των αδρανών αλλά κυρίως ο μέγιστος κόκκος και η διαβάθμισή τους είναι γνωστό ότι επηρεάζει άμεσα την αντοχή και το πορώδες, στα τσιμεντοκονιάματα η επιρροή αυτή δεν είναι σημαντική διότι χρησιμοποιείται λεπτόκοκκη άμμος. Τα λεπτόκοκκα αδρανή τείνουν να αυξάνουν την απαίτηση σε νερό αλλά δημιουργούν ισχυρότερη διεπιφανειακή ζώνη με λιγότερες μικρορωγμές.[1] Για τον πειραματικό προσδιορισμό του πορώδους, του ειδικού βάρους και της απορροφητικότητας στα παραχθέντα δοκίμια επιδιώχθηκε ο προσδιορισμός του όγκου των κενών μέσω του κορεσμένου σε νερό και βυθισμένου βάρους των δοκιμίων με χρήση των παρακάτω σχέσεων: A = B SSD B ξηρό Β ξηρό 100% P = B SSD B ξηρό B SSD B H2 O 100% S. G. = B ξηρό B SSD B H 2O, όπου Α : η απορροφητικότητα εκφρασμένη ως ποσοστό επί τοις εκατό (%) P:το πορώδες εκφρασμένο ως ποσοστό επί τοις εκατό (%) του συνολικού όγκου του δοκιμίου S.G. : το ειδικό βάρος του δοκιμίου εκφρασμένο σε N/mm3 (ή ισοδύναμα KN/m3) B ξηρό: το βάρος του ξηραμένου δοκιμίου B SSD : το βάρος του κορεσμένου δοκιμίου B H2O : το βάρος άνωσης του δοκιμίου στο υγρό Για την πραγματοποίηση του υπολογισμού των παραπάνω μεγεθών ακολουθείται πειραματική διαδικασία σύμφωνα με το κανονισμό RILEMCPC

45 Από τα δοκίμια τα οποία είχαν υποβληθεί στην δοκιμή κάμψης κρατείται ένα απ τα κομμάτια από κάθε σύνθεση για τον υπολογισμό του πορώδους. Τα δοκίμια τοποθετούνται στον φούρνο για απομάκρυνση της υγρασίας και στην συνέχεια μετρούνται οι διαστάσεις τους και ζυγίζονται για προσδιορισμό του ξηρού βάρους (Β ξηρό). Κατόπιν τοποθετούνται σε δοχείο το οποίο γεμίζεται με νερό ώστε να υπερκαλύπτει όλα τα δοκίμια. Στη συνέχεια σφραγίζονται αεροστεγώς και εφαρμόζεται υποπίεση 1atm. Σκοπός της υποπίεσης είναι η διευκόλυνση εισόδου στο εσωτερικό των πόρων. Μετά το πέρας 24 ωρών τα δοκίμια αφαιρούνται και ζυγίζονται όπως είναι υγρά ώστε να προκύψει το κορεσμένο σε νερό βάρος των δοκιμίων (Β SSD). Για τον υπολογισμό του βυθισμένου βάρους (Β H2O) χρησιμοποιείται ένα διάτρητο δοχείο κρεμασμένο κάτω από την ζυγαριά εντός δοχείου πληρωμένου με νερό. Το δοκίμιο τοποθετείται εντός του διάτρητου δοχείου και καταγράφεται η ένδειξη της ζυγαριάς. Εικόνα 28 Ζύγισμα δοκιμίου σε ηλεκτρονική ζυγαριά. Εικόνα 29 Βύθιση δοκιμίων σε νερό Εικόνα 30 Εφαρμογή υποπίεσης 1atm Εικόνα 29 Μέτρηση του Β H2O. Υποδομές εργαστηρίου δομικών υλικών ΑΠΘ 44

46 Πορώδες (%) Τα αποτελέσματα της παραπάνω διαδικασίας αναγράφονται στον ακόλουθο πίνακα συνοδευόμενο από διαγραμματικές απεικονίσεις για διευκόλυνση της σύγκρισης και αξιολόγησης των αποτελεσμάτων. ΔΕΙΓΜΑ (σύνθεση) ΗΛΙΚΙΑ (μέρες) Β ξηρό (gr) Β SSD (gr) B H2O (gr) ΠΟΡΩΔΕΣ (%) ΕΙΔΙΚΟ ΒΑΡΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΤΗΤΑ (%) R P P P Ν N N R P P P N N N Πίνακας 3 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα για το πορώδες, το ειδικό βάρος και την απορροφητικότητα όλων των δοκιμίων σε ηλικία 28 και 90 ημερών ΠΟΡΩΔΕΣ - P (28d) 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 8,48 17,44 14,89 14,31 11,17 10,23 9,17 R Ρ1 Ρ2 Ρ3 Ν1 Ν2 Ν3 Συνθέσεις - Ηλικία 28 ημερών Γράφημα 19 Γραφική απεικόνιση του πορώδους των δοκιμίων ηλικίας 28 ημερών 45

47 Πορώδες (%) Πορώδες (%) Πορώδες (%) ΠΟΡΩΔΕΣ - P (90d) 15,00 10,00 10,23 11,17 9,17 13,99 10,14 10,60 5,00 5,13 0,00 R Ρ1 Ρ2 Ρ3 Ν1 Ν2 Ν3 Συνθέσεις - Ηλικία 90 ημερών Γράφημα 20 Γραφική απεικόνιση του πορώδους των δοκιμίων ηλικίας 90 ημερών ΠΟΡΩΔΕΣ - Ρ (απλές ίνες) 20,00 17,44 14,89 15,00 10,23 11,17 10,00 8,48 5,13 5,00 0,00 14,31 9,17 R R-90 Ρ1 Ρ1-90 Ρ2 Ρ2-90 Ρ3 Ρ3-90 Συνθέσεις - Απλές Ίνες Γράφημα 21 Γραφική απεικόνιση του πορώδους των δοκιμίων με χρήση ακατέργαστων ινών σε σύγκριση με τον μάρτυρα ΠΟΡΩΔΕΣ - Ρ (nano ίνες) 15,00 13,99 11,17 10,23 10,14 10,60 10,00 9,17 8,48 5,00 5,13 0,00 R R-90 N1 N1-90 N2 N2-90 N3 N3-90 Συνθέσεις - Νανοτροποποιημένες Ίνες Γράφημα 22 Γραφική απεικόνιση του πορώδους των δοκιμίων με χρήση νανοτροποποιημένων ινών σε σύγκριση με τον μάρτυρα 46

48 Πορώδες (%) Πορώδες (%) 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 ΠΟΡΩΔΕΣ - P 17,44 14,89 14,31 13,99 11,17 11,17 10,23 10,23 10,14 10,60 9,17 8,48 9,17 5,13 R P1 P2 P3 Ν1 N2 N3 28 ημερών 90 ημερών Συνθέσεις Γράφημα 23 Γραφική απεικόνιση του πορώδους των δοκιμίων ηλικίας 28 και 90 ημερών σε σύγκριση με τον μάρτυρα 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 ΠΟΡΩΔΕΣ - P 17,44 14,89 14,31 13,99 10,23 11,17 11,17 10,23 10,14 10,60 9,17 9,17 1cm 2cm 4cm 1cm(90) 2cm(90) 4cm(90) ακατέργαστες ίνες νανοτροποποιημένες ίνες Συνθέσεις Γράφημα 24 Γραφική απεικόνιση του πορώδους των δοκιμίων συγκρίνοντας την επίδραση της χημικής επεξεργασίας των ινών 47

49 2.7 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΡΙΧΟΕΙΔΟΥΣ Ο μεγάλος χρόνος ζωής μίας κατασκευής θεωρείται συνώνυμο της ανθεκτικότητας. Ως ανθεκτικότητα του σκυροδέματος και των τσιμεντοκονιαμάτων ορίζεται η δυνατότητά τους να ανθίστανται στη φθοροποιό δράση, στη χημική προσβολή ή σε οποιαδήποτε άλλη διαδικασία φθοράς. Βασική παράμετρος του καθορισμού της ανθεκτικότητας όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως είναι η διαπερατότητα. Το σύνολο των τριχοειδών κενών στα τσιμεντοκονιάματα και στο σκυρόδεμα παίζει πρωταρχικό ρόλο στον καθορισμό της διαπερατότητας. Γενικά όταν ο λόγος Ν/Τα είναι υψηλός και ο βαθμός ενυδάτωσης είναι χαμηλός τότε η τσιμεντόπαστα θα έχει υψηλό τριχοειδές πορώδες. Θεωρητικά η εισαγωγή αδρανών χαμηλής διαπερατότητας στο τσιμεντοκονίαμα αναμένεται να μειώσει την διαπερατότητα του συστήματος. Στην πράξη αυτό δεν συμβαίνει πάντα καθώς με την εισαγωγή αδρανών στην τσιμεντόπαστα δημιουργούνται μικρορωγμές στην ενδοεπιφανειακή ζώνη μεταξύ αδρανών και τσιμεντόπαστας. [20] Σύνηθες φαινόμενο είναι οι φυσικές ίνες να έχουν μεγάλη απορροφητικότητα, φαινόμενο το οποίο θα έχει αρνητική επίδραση στην απορροφητικότητα του κονιάματος. Το μήκος της ίνας είναι επίσης μία σημαντική παράμετρος που θα μπορούσε να επηρεάσει το τριχοειδές πορώδες. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιείται σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ Στον πυθμένα λεκάνης, ανοιχτής ώστε να επικρατεί ατμοσφαιρική πίεση, τοποθετείται απορροφητικό χαρτί και στη συνέχεια γεμίζεται με νερό στάθμης 5 έως 10 χιλιοστών. Στη συνέχεια τα πρισματικά δοκίμια από κάθε σύνθεση, απαλλαγμένα από κάθε υγρασία, αφού ζυγιστούν και μετρηθεί το εμβαδόν της βάσης τους, τοποθετούνται διαδοχικά εντός της λεκάνης σε κατακόρυφη διάταξη και ξεκινάει η χρονομέτρηση. Ανά προκαθορισμένα από τον κανονισμό χρονικά διαστήματα μετράται το βάρος των δοκιμίων. Οι χρόνοι είναι εκφρασμένοι σε λεπτά και αντιστοιχούν στην παραμονή των δοκιμίων εντός της λεκάνης. Μετά το πέρας χρόνου i μετράται το βάρος Β i. Στο i=0 αντιστοιχεί το ξηρό βάρος. i = 0, 5, 10, 15, 30, 60, 90, 120, 1440 minutes Οι χρόνοι είναι εκφρασμένοι σε λεπτά και αντιστοιχούν στην παραμονή των δοκιμίων εντός της λεκάνης. Μετά την καταγραφή όλων των απαραίτητων δεδομένων σχεδιάζονται τα διαγράμματα της τριχοειδούς, στα οποία στον άξονα των τετμημένων (οριζόντιος άξονας) τοποθετείται η τετραγωνική ρίζα του χρόνου και στον άξονα των τεταγμένων (κατακόρυφος άξονας) τοποθετείται η παρακάτω ποσότητα : Όπου: Y i = Bi Bo A B i, το βάρος σε χρόνο i μετά την αρχική τοποθέτηση του δοκιμίου σε γραμμάρια (gr) B 0, το ξηρό βάρος του δοκιμίου σε γραμμάρια (gr) Α, η επιφάνεια επαφής του δοκιμίου με την κάτω επιφάνεια του δοχείου σε mm 2 [1] 48

50 Εικόνα 30 Τοποθετημένα δοκίμια σε πυθμένα λεκάνης γεμισμένη με νερό στάθμης 5 έως 10 χιλιοστών για μέτρηση της τριχοειδούς απορρόφησης. Ακολουθούν συγκεντρωτικοί πίνακες με τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας καθώς και διαγραμματική απεικόνιση. ΔΕΙΓΜΑ (σύνθεση) ΗΛΙΚΙΑ (μέρες) Α (εμβαδόν) (mm 2 ) B 0 (gr) B 5 (gr) B 10 (gr) R ,95 546,28 546,42 546,52 546,79 546,91 547,2 547,34 549,17 P P P N N N Πίνακας 4 Συγκεντρωτικά δεδομένα των εμβαδών επαφής και των βαρών για τον έλεγχο της τριχοειδούς για τα δοκίμια B 15 (gr) B 30 (gr) B 60 (gr) B 90 (gr) B 120 (gr) B 1440 (gr) ΔΕΙΓΜΑ (σύνθεση) ΗΛΙΚΙΑ (μέρες) y 0 y 5 y 10 y 15 y 30 y 60 y 90 y 120 y 1440 R P P P N N N Πίνακας 5 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα για τις τετμημένες και τις τεταγμένες των διαγραμμάτων της τριχοειδούς για τα ινοπλισμένα δοκίμια και τον μάρτυρα. 49

51 Y i = (Bi-Bo)/A ΤΡΙΧΟΕΙΔΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 R Ρ1 Ρ2 Ρ3 Ν1 Ν2 Ν Χρόνος - t Πίνακας 6 Διαγραμματική απεικόνιση της τριχοειδούς απορρόφησης όλων των δοκιμίων 2.8 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΘΡΑΥΣΗΣ Ένα σημαντικό επιθυμητό χαρακτηριστικό του ινοπλισμένου σκυροδέματος, και τσιμεντοκονιάματος είναι η ικανότητα των ινών να αυξάνουν το έργο παραμόρφωσης και ύπαρξη όσο το δυνατόν πιο παραμορφωμένης επιφάνειας. Με αυτό τον τρόπο βελτιώνεται η συνάφεια τους με το σκυρόδεμα και αυξάνεται το φορτίο που απαιτείται για την αποκόλληση και εξόλκευση τους. Η αποτίμηση των μηχανικών χαρακτηριστικών του ινοπλισμένου σκυροδέματος ή τσιμεντοκονιάματος γίνεται με τη βοήθεια διαγράμματος φορτίου-μετατόπισης πρότυπου δοκιμίου. Εικόνα 31 Τυπικό διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης ινοπλισμένου και άοπλου δοκιμίου.[5] 50

52 Αντίθετα από το συμβατικά οπλισμένο σκυρόδεμα, η αστοχία προκαλείται κατά κανόνα από την εξόλκευση και όχι από τη διαρροή των ινών, η τάση των οποίων υπό το μέγιστο φορτίο είναι συνήθως πολύ χαμηλότερη από την τάση διαρροής τους. Ενώ, όμως τις περισσότερες φορές η εξόλκευση είναι φαινόμενο ψαθυρού χαρακτήρα, η συνεχείς άνοδος του ρήγματος σε καμπτόμενα στοιχεία και η συνακόλουθη ενεργοποίηση και εξόλκευση νέων ινών οδηγούν σε σταδιακή (και όχι απότομη) πτώση αντοχής με την αύξηση των μετατοπίσεων, φαινόμενο δηλαδή που εμπεριέχει πλαστικά χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικά αυτά συνήθως αποτιμώνται ποσοτικά με την ενέργεια που απορροφάται μέχρι μια συγκεκριμένη τιμή μετατόπισης, δηλαδή με το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη φορτίου-μετατόπισης μέχρι την υπόψη μετατόπιση. Πειραματικά στοιχεία αποδεικνύουν ότι η ενέργεια που απορροφάται μέχρι την πλήρη αποδιοργάνωση του δοκιμίου είναι φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του άοπλου δοκιμίου. Η ιδιότητα αυτή του ινοπλισμένου σκυροδέματος να απορροφά σημαντική ενέργεια αποτελεί τον κύριο λόγο ανάπτυξης και χρήσης του σε περιπτώσεις όπου το άοπλο σκυρόδεμα θεωρείται ανεπαρκές λόγω αδυναμίας να προσφέρει έστω και στοιχειώδη πλαστιμότητα, ενώ το συμβατικά οπλισμένο σκυρόδεμα, που διαθέτει βέβαια επαρκή πλαστιμότητα, είναι δύσκολο η δαπανηρό να εφαρμοστεί. [5] Εικόνα 32 Απεικόνιση δοκιμίων χαραγμένων για υπολογισμό της ενέργειας θραύσης Τα δοκίμια όπως και για τον υπολογισμό της εφελκυστικής αντοχής υποβάλλονται σε δοκιμή κάμψης 3 σημείων ενώ έχει προηγηθεί χάραξη αυλακιού στην επιφάνεια εφαρμογής του φορτίου. Η ενέργεια αυτή εξασφαλίζει ότι η αστοχία του δοκιμίου θα επέλθει σε αυτό το σημείο αφού υφίσταται τοπική μείωση της ροπής αδράνειάς του. Αυτό επιζητείται για να ελεγχθεί η παραμόρφωση μίας ιδανικής αστοχίας. Τα δοκίμια συνδέονται με μηκυνσιόμετρο το οποίο είναι συνδεδεμένο με ηλεκτρονικό υπολογιστή και καταγράφει σε πραγματικό χρόνο την παραμόρφωση του δοκιμίου για το αντίστοιχο ασκούμενο φορτίο έτσι ώστε να υπολογισθεί η καμπύλη φορτίουμετακίνησης. 51

53 Εικόνα 33Δοκιμή κάμψης 3 σημείων με συνδεδεμένο μηκυνσιόμετρο Η αντοχή τους σε κάμψη (MPa) δίνεται από τον παρακάτω τύπο: f ctm= 3 xfxl 2 xbxh s 2, όπου F, το μέγιστο φορτίο κάμψης (Ν) L, απόσταση μεταξύ των στηρίξεων σταθερή και ίση με 120 για τον έλεγχο κάμψης (mm) h s, το καθαρό ύψος δοκιμίου, δηλαδή το αρχικό ύψος μείον το βάθος της ρωγμής (mm) b, πλάτος δοκιμίου (mm) Στη συνέχεια σχεδιάζονται τα διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης όπου μέσω του AutoCAD υπολογίζεται το εμβαδό κάτω από την καμπύλη φορτίου-cmodμέχρι τη θραύση του δοκιμίου. Η ενέργεια θραύσης υπολογίζεται σύμφωνα με το Ιαπωνικό κανονισμό JCI-S με τους τύπους : G F= 0,75Wo+W1 Alig W 1 = 0,75( S m1 + 2m2)g * CMODc, όπου L G F, ενέργεια θραύσης (N/mm 2 ) 52

54 W 0, εμβαδό κάτω από την καμπύλη φορτίου-cmodμέχρι τη θραύση του δοκιμίου (N*mm) W 1, έργο λόγω του ίδιου βάρους του δοκιμίου και του εξοπλισμού που βρίσκεται πάνω σε αυτό (N*mm) A lig, ενεργός διατομή στο σημείο εγκοπής (mm 2 ) m 1, βάρος δοκιμίου (kg) S, απόσταση μεταξύ των στηρίξεων (mm) L, συνολικό μήκος δοκιμίου (mm) m 2, βάρος του εξοπλισμού που βρίσκεται πάνω στο δοκίμιο (kg) g, επιτάχυνση της βαρύτητας (9,807 m/s 2 ) CMOD c, άνοιγμα εγκοπής κατά την τελική θραύση του δοκιμίου (mm) ΔΕΙΓΜΑ (σύνθεση) b (mm) Ακολουθούν τα αποτελέσματα της παραπάνω διαδικασίας. h (mm) l (mm) t (mm) h s (mm) B (gr) F max (kn) f ctm (Mpa) CMOD (mm) W 0 (N*mm) W1 (N*mm) Gf (N/mm 2 ) R E P E P E P E N E N E N E Πίνακας 7 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα διαδικασίας υπολογισμού ενέργειας θραύσης ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗΣ 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, , R Διάγραμμα 1 Διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης του αόπλου δοκιμίου 53

55 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗΣ (Ρ1) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 P1 0, , Διάγραμμα 2 Διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης του Ρ1 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗΣ (Ρ2) 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, , P2 Διάγραμμα 3 Διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης του Ρ2 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗΣ (Ν1) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, , N1 Διάγραμμα 4 Διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης του Ν1 54

56 Gf (N/mm 2 ) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗΣ (Ν2) N2 Διάγραμμα 5 Διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης του Ν2 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΦΟΡΙΟΥ-ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗΣ (Ν3) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, , N3 Διάγραμμα 6 Διάγραμμα φορτίου-μετακίνησης του Ν3 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΘΡΑΥΣΗΣ - GF 0,60 0,51 0,50 0,40 0,34 0,31 0,30 0,20 0,19 0,20 0,23 0,10 0,07 0,00 R Ρ1 Ρ2 Ρ3 Ν1 Ν2 Ν3 Συνθέσεις Γράφημα 25 Γραφική απεικόνιση της ενέργειας θραύσης των δοκιμίων σε σύγκριση με τον μάρτυρα 55

57 2.9 ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΣΕ ΣΤΕΡΕΟΣΚΟΠΙΟ Εικόνα 34 Μικροσκοπική δομή δοκιμίου ενισχυμένου με ακατέργαστες ίνες μήκους 1-1,5cm (P1). Παρατηρείται ισχυρή πρόσφυση, καλή κατανομή και πολλοί πόροι. Εικόνα 35Μικροσκοπική δομή δοκιμίου ενισχυμένου με ακατέργαστες ίνες μήκους 2-2,5cm(P2). Παρατηρείται ισχυρή πρόσφυση, καλή κατανομή, πολλοί πόροι και αρκετές ίνες σπασμένες. 56

58 Εικόνα 36 Μικροσκοπική δομή δοκιμίου ενισχυμένου με ακατέργαστες ίνες μήκους 4cm (P3-α). Παρατηρείται ισχυρή πρόσφυση, καλή κατανομή καθώς και σχημοειδείς σχηματισμοί σαν ανοίγματα στη δομή. Εικόνα 37 Μικροσκοπική δομή δοκιμίου ενισχυμένου με ακατέργαστες ίνες μήκους 4cm (P3-β). Παρατηρείται ισχυρή πρόσφυση, καλή κατανομή, πολλοί πόροι <300μm. 57

59 Εικόνα 38 Μικροσκοπική δομή δοκιμίου ενισχυμένου με νανοτροποποιημένες ίνες μήκους 1-1,5cm (Ν1). Παρατηρείται μέτρια πρόσφυση, καλή κατανομή. Εικόνα 39 Μικροσκοπική δομή δοκιμίου ενισχυμένου με νανοτροποποιημένες ίνες μήκους 2-2,5cm (Ν2). Παρατηρείται μέτρια πρόσφυση, καλή κατανομή. 58

60 Εικόνα 40 Μικροσκοπική δομή δοκιμίου ενισχυμένου με νανοτροποποιημένες ίνες μήκους 4cm (Ν3-α). Παρατηρείται ισχυρή πρόσφυση, καλή κατανομή. Εικόνα 41 Μικροσκοπική δομή δοκιμίου ενισχυμένου με νανοτροποποιημένες ίνες μήκους 4cm (Ν3-β). Παρατηρούνται πολλοί πόροι μm. 59