ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΛΑΒΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΟ ΙΝΟΠΛΕΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ ΜΕΣΩ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΛΑΒΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΟ ΙΝΟΠΛΕΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ ΜΕΣΩ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΠΛΑΜΑΝΤΟΥΡΑ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Πολιτικού Μηχανικού ΠΑΤΡΑ 2015

2 i

3 i ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα Διατριβή Διπλώματος Ειδίκευσης αφορά στο χαρακτηρισμό βλάβης σε ινοπλέγματα ανόργανης μήτρας μέσω διηλεκτρικών μετρήσεων. Η διατριβή εκπονήθηκε στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, στην κατεύθυνση του Αντισεισμικού Σχεδιασμού των Κατασκευών. Επιβλέπων της διετέλεσε η Επίκουρη Καθηγήτρια κ.α. Παπανικολάου Γ. Αικατερίνη, την οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε με την ανάθεση αυτής της ενδιαφέρουσας έρευνας, καθώς και για την πολύτιμη καθοδήγησή της, τις εύστοχες συμβουλές της και την έμπρακτη βοήθειά της, τόσο κατά τη διάρκεια των πειραματικών δοκιμών όσο και κατά τη συγγραφή της εν λόγω διατριβής. Ακόμα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Αθανάσιο Χ. Τριανταφύλλου καθώς και τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Μπούσια Ν. Ευστάθιο, για την απλόχερη βοήθεια που μου προσέφεραν και για το χρόνο που αφιέρωσαν για τη μελέτη και εξέταση της παρούσας διατριβής ως μέλη της τριμελούς επιτροπής εξέτασης. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ.α.κουραβέλου Αικατερίνη, R&D Manager της Nanothinx S.A καθώς και τον κ.καραχάλιο Θεόδωρο, Production Manager της Nanothinx S.A, για την άψογη συνεργασία μας. Για τη συνεργασία και την πολύτιμη βοήθειά της σε κάθε επίπεδο, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Κόλλια Αικατερίνη, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών αλλά και την την κ. Ασκούνη Παρασκευή, υποψήφια διδάκτορα του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών. Ευχαριστώ, επίσης τον κ. Μαμαλάκη Μιχάλη, για τη βοήθεια και τις γνώσεις που μου προσέφερε καθ όλη τη διάρκεια διεξαγωγής των πειραμάτων. Δε θα μπορούσε να παραληφθεί ο κ. Δέμης Σωτήρης, ο οποίος μου πρόσφερε απλόχερα τη βοήθεια του. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συνάδελφους, κ. Καραεωργόπουλο Ευάγγελο και Γραμματικού Σοφία για τη ψυχολογική στήριξη καθόλη τη διάρκεια του Μεταπτυχιακού αλλά και τη προπτυχιακή φοιτήτρια Βρεττού Μαρία για την ευχάριστη συνεργασία σε όλη τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Πλαμαντούρας Βασίλειος Πάτρα, Μάρτιος 2015

4 ii ΠΕΡΙΛΗΨΗ Παρατηρείται ότι, το ΙΑΜ έχει ήδη εδρεώσει τη θέση του ανάμεσα στα δομικά υλικά. Όμως για να μπορεί να χαρακτηριστεί ως πολυλειτουργικό υλικό, θα πρέπει να παρέχει και άλλες λειτουργίες μη δομικής φύσεως. Η διατριβή αυτή, επικεντρώθηκε στην ανίχνευση βλάβης σε στοιχεία ΙΑΜ μέσω διηλεκτρικών μετρήσεων και πιο συγκεκριμένα μέσω της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης στα στοιχεία αυτά. Τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών θα χρησιμοποιηθούν ώστε να θέσουν τις βάσεις για κατάλληλους συντελεστές συσχέτισης μεταξύ της εξέλιξης της βλάβης και της πιεζοαντίστασης σε στοιχεία ΙΑΜ. Η δομή της παρούσας Διατριβής, περιλαμβάνει έξι Κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 με τίτλο «Εισαγωγή», γίνεται μια σύντομη αναφορά στον ορισμό του ΙΑΜ αλλά και στις εφαρμογές του ΙΑΜ ως σύγχρονο δομικό υλικό. Στη συνέχεια, επιχειρείται να δοθεί ενας ορισμός στα πολυλειτουργικά υλικά (multifunctional materials) και να γίνει αντιληπτή η σύνδεση τους με τον έλεγχο δομικής ακραιότητας των κατασκευών (Structural Health Monitoring). Στο Κεφάλαιο 2 με τίτλο «Πιεζοαντίσταση ως μηχανισμός ανίχνευσης σε υλικά με βάση το τσιμέντο», γίνεται αναφορά στην έννοια της πιεζοαντίστασης και πως κάνοντας χρήση της ιδιότητας αυτής, τα υλικά με βάση το τσιμέντο αποκτούν την ικανότητα της αυτόανίχνευσης. Στο Κεφάλαιο 3 με τίτλο «Πειραματική διαδικασία», παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία της παρούσας Διατριβής. Αρχικά, περιγράφεται η γεωμετρία των δοκιμίων, ενώ στη συνέχεια παρατίθενται αναλυτικά τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν και ο τρόπος παρασκευής των δοκιμίων. Στο τέλος του κεφαλαίου, γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση των δοκιμών, τόσο του μονοτονικού εφελκυσμού όσο και της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης. Στο Κεφάλαιο 4 με τίτλο «Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων», παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών για κάθε μία από τις έξι ομάδες δοκιμίων.

5 iii Στο Κεφάλαιο 5 «Συμπεράσματα-Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα», παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την παρούσα διατριβή αλλά και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.

6 i ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΙΝΟΠΛΕΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ Εφαρμογές ΙΑΜ Στοιχεία κάλυψης επιφανειών Κατασκευές και δομικά στοιχεία από ΙΑΜ σε έργα για την προστασία του περιβάλλοντος Κατασκευές και στοιχεία ΙΑΜ για παραλαβή φορτίων Ενίσχυση στοιχείων και κατασκευών από ΙΑΜ ΠΟΛΥΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (Multifunctional Materials) Εισαγωγή Ορισμός Πολυλειτουργικά Υλικά-Έλεγχος δομικής ακεραιότητας των κατασκευών (SHM) ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΣΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟ Νόμος του Omh Ειδική αντίσταση Φαινόμενο πόλωσης (polarization) ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΠΙΕΖΟΑΝΤΙΣΤΑΣΗ (PIEZORESISTIVITY) ΩΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΣΕ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΟΡΙΣΜΟΣ ΠΙΕΖΟΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΧΥΔΗΝ ΙΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Ανίχνευση Παραμόρφωσης Ανίχνευση Βλάβης... 18

7 ii 2.3 ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΣΥΝΕΧΕΙΣ ΙΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Ανίχνευση βλάβης ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Εισαγωγή Ανίχνευση παραμόρφωσης και βλάβης ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΙΑΜ ΣΕ ΜΟΝΟΑΞΟΝΙΚΟ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ Γενικά Συμπεριφορά ΙΑΜ σε μονοαξονικό εφελκυσμό ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΔΟΚΙΜΙΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ Μήτρες Μήτρα Μ Νανοδομημένη μήτρα Μ1+ΜWCNTs Ινοπλέγματα Διηλεκτρικές επαφές ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Γενικά Διαδικασία παρασκευής δοκιμίων Δοκίμια 1L, 2L, 3L Δοκίμια Nano_1L, Nano _2L, Nano_3L Προετοιμασία δοκιμίων για μέτρηση της ηλεκτρικής τους αντίστασης ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ... 59

8 iii Γενικά Πειραματική διάταξη για τη μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης Πειραματική δοκιμή μονοαξονικού εφελκυσμού Συγχρονισμός των δυο παραπάνω δοκιμών ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΚΑΙ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΓΕΝΙΚΑ Υπολογισμός τάσης μέσης διατομής, παραμόρφωσης κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης και του συντελεστή συσχέτισης AΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα δοκιμίων Ομάδας 1 (1L) Αποτελέσματα δοκιμίων Ομάδας 2 ( 2L ) Αποτελέσματα Ομάδας 3 ( 3L ) Αποτελέσματα Ομάδας 4 Nano_1L Αποτελέσματα Ομάδας 5 Nano_2L Αποτελέσματα ομάδας 6 Nano_3L ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Ομάδα 1L Ομάδα 2L Ομάδα 3L Ομάδα Nano_1L Ομάδα Nano_2L Ομάδα Nano_3L ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

9 iv 5.3 ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 v ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1: Άρθρα σχετιζόμενα με πολυλειτουργικά υλικά συναρτήσει του χρόνου Σχήμα 1.2: Φαινόμενο πόλωσης σε υλικά με βάση το τσιμέντο όταν εφαρμόζεται σε αυτά ένταση συνεχούς ρεύματος DC Σχήμα 2.1: Κλασματική μεταβολή (α) της διαμήκους ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο (συνεχής καμπύλη) και της παραμόρφωσης με το χρόνο (διακεκομμένη καμπύλη) σε επαναλαμβανόμενο μονοαξονικό εφελκυσμό για αυξανόμενες τιμές παραμόρφωσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτό που περιέχει ίνες άνθρακα και πυριτική παιπάλη. (β) της εγκάρσιας ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο (συνεχής καμπύλη) και της παραμόρφωσης με το χρόνο (διακεκομμένη καμπύλη) σε επαναλαμβανόμενο μονοαξονικό εφελκυσμό για αυξανόμενες τιμές τάσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτό που περιέχει ίνες άνθρακα και πυριτική παιπάλη Σχήμα 2.2:Κλασματική αλλαγή (α) της διαμήκους ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο (συνεχής καμπύλη) και της παραμόρφωσης με το χρόνο (διακεκομμένη καμπύλη) σε επαναλαμβανόμενο μονοαξονικό εφελκυσμό για αυξανόμενες τιμές τάσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτό με πυριτική παιπάλη. (β) της εγκάρσιας ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης με το χρόνο (συνεχής καμπύλη) και της παραμόρφωσης με το χρόνο (διακεκομμένη καμπύλη) σε δυναμικό μονοαξονικό εφελκυσμό για αυξανόμενες τιμές τάσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτού και πυριτική παιπάλη Σχήμα 2.3: (α) Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης με το χρόνο και της τάσης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με τον χρόνο για επαναλαμβανόμενη θλιπτική φόρτιση σε αυξανόμενες τιμές τάσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτό με πυριτική παϊπάλη ηλικίας 28 ημερών (Chung and Wen, 2002) Σχήμα 2.4: (α) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με το χρόνο σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης. (β) Μεταβολή της τάσης με το χρόνο για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης (Chung and Wen, 2002) Σχήμα 2.5: (α) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με το χρόνο σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης. (β) Μεταβολή της τάσης με το χρόνο για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης (Chung and Wen, 2002)

11 vi Σχήμα 2.6(α) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με το χρόνο σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης με μέγιστη τιμή = 40% της θλιπτικής αντοχής. (β) Μεταβολή της τάσης με το χρόνο για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσεων, μέγιστη τιμή = 40% της θλιπτικής αντοχής. (Vossoughi, 2004) Σχήμα 2.7: (α) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με το χρόνο σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης με μέγιστη τιμή = 90% της θλιπτικής αντοχής. (β) Μεταβολή της τάσης με το χρόνο για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσεων, μέγιστη τιμή = 90% της θλιπτικής αντοχής. (Vossoughi, 2004) Σχήμα 2.8: (α) Σχέση τάσης και παραμόρφωσης και σχέση κλασματικής μεταβολής αντίστασης (ΔR/R 0 ) και παραμόρφωσης σε μονοτονικό εφελκυσμό μέχρι την αστοχία τσιμεντένιας μήτρας με 2.60% κ.ό ίνες άνθρακα. (β) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης (ΔR/R 0 ) σε φόρτιση κι αποφόρτιση για διάφορες τιμές τάσεων εντός της γραμμικής περιοχής της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης για τσιμεντένια μήτρα με 2.60% κ.ό. ίνες άνθρακα Σχήμα 2.9: (α) Σχέση φορτίου με την παραμόρφωση και κλασματικής αλλαγής της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση σε μονοτονικό εφελκυσμό (Saafi 2009). (β) Σχέση φορτίου με το χρόνο και κλασματικής αλλαγής της ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο σε κυκλικό εφελκυσμό στην ελαστική περιοχή (Saafi 2009) Σχήμα 2.10: Σχέση θλιπτικής τάσης με το χρόνο και μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο για τσιμέντο ενισχυμένο με 0.1% κ.ο. MWCNTs (αριστερά) και για κονίαμα με 0.4% κ.ο. MWCNTs (δεξιά) Σχήμα 2.11: Στάδια συμπεριφοράς για το λεπτότοιχο στοιχείο ΙΑΜ σε εντατική κατάσταση μονοαξονικού εφελκυσμού Σχήμα 3.1: Γεωμετρία μεταλλότυπου για παρασκευή δοκιμίων εφελκυσμού (διαστάσεις σε mm) Σχήμα 3.2: Πλάγια τομή δοκιμίων 1L και Nano_1L Σχήμα 3.3: Πλάγια τομή δοκιμίων 2L και Nano_2L... 35

12 vii Σχήμα 3.4: Πλάγια τομή δοκιμίων 3L και Nano_3L Σχήμα 3.5: Υπολογισμός Ηλεκτρικής Αντίστασης με χρήση (α) τεσσάρων ηλεκτροδίων (β) δύο ηλεκτροδίων όπως αποτυπώνεται στο εγχειρίδιο του πολύμετρου Keithley 2001 multimeter Σχήμα 3.6: Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο πριν την έναρξη της δοκιμής μονοτονικού εφελκυσμού για το Μ1_2L Σχήμα 4.1: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας 1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας 1L Σχήμα 4.2: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας 1L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.3: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας 1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1της ομάδας 1L Σχήμα 4.4: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας 1L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.5: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας 1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας 1L Σχήμα 4.6: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας 1L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.7: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας 2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας 2L Σχήμα 4.8: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας 2L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.9: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας 2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ2 της ομάδας 2L Σχήμα 4.10: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας 2L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης... 78

13 viii Σχήμα 4.11: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας 2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας 2L Σχήμα 4.12: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας 2L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.13: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ4 της ομάδας 2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ4 της ομάδας 2L Σχήμα 4.14: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ4 της ομάδας 2L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.15: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας 3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας 3L Σχήμα 4.16: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας 3L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.17: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας 3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ2 της ομάδας 3L Σχήμα 4.18: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας 3L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.19: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας 3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας 3L Σχήμα 4.20: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας 3L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Σχήμα 4.21: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας Nano_1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας Nano_1L Σχήμα 4.22: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας Nano_1L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης... 91

14 ix Σχήμα 4.23: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας Nano_1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου Σχήμα 4.24: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας Nano_1L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Σχήμα 4.25: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας Nano_1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας Nano_1L Σχήμα 4.26: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας Nano_1L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Σχήμα 4.27: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας Nano_2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας Nano_2L Σχήμα 4.28: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας Nano_2L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Σχήμα 4.29: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας Nano_2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου Σχήμα 4.30: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας Nano_2L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Σχήμα 4.31: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας Nano_2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας Nano_2L Σχήμα 4.32: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας Nano_2L, διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Σχήμα 4.33: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας Nano_3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου Σχήμα 4.34: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας Nano_3L, διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης

15 x Σχήμα 4.35: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας 6 Nano_3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου Σχήμα 4.36: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας Nano_3L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Σχήμα 4.37: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της της ομάδας Nano_3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου Σχήμα 4.38: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας Nano_3L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Σχήμα 4.39: Καμπύλη τάση παραμόρφωσης για το Δ4 της ομάδας 2L (μάυρο χρώμα), ευθεία που υποδηλώνει το σταδιο ΙΙα (πράσινο χρώμα) και ευθεία που υποδηλώνει το στάδιο ΙΙβ (κοκκινο χρώμα) Σχήμα 4.40: Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση (πάνω) και τάση με την παραμόρφωση (κάτω) για τα δοκίμια της ομάδας 1L Σχήμα 4.41: Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση (πάνω) και τάση με την παραμόρφωση (κάτω) για τα δοκίμια της ομάδας 2L Σχήμα 4.42: Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση (πάνω) και τάση με την παραμόρφωση (κάτω) για τα δοκίμια της ομάδας 3L Σχήμα 4.43: Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση (πάνω) και τάση με την παραμόρφωση (κάτω) για τα δοκίμια της ομάδας Nano_1L Σχήμα 4.44: Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση (πάνω) και τάση με την παραμόρφωση (κάτω) για τα δοκίμια της ομάδας Nano_2L Σχήμα 4.45: Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση (πάνω) και τάση με την παραμόρφωση (κάτω) για τα δοκίμια της ομάδας Nano_3L Σχήμα 5.1: Συντελεστής συσχέτισης σταδίου ΙΙα (αριστερά) και ΙΙβ (δεξιά) συναρτήσει του ογκομετρικού ποσοστού (V f ) για τις ομάδες χωρίς προσθήκη νανοσωλήνων Σχήμα 5.2: Συντελεστής συσχέτισης σταδίου ΙΙα (αριστερά) και ΙΙβ (δεξιά) συναρτήσει του ογκομετρικού ποσοστού (V f ) για τις ομάδες με προσθήκη νανοσωλήνων

16 xi ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1: Μηχανική εμπλοκή μεταξύ πλέγματος και κονιάματος Εικόνα 1.2: Εφαρμογή στοιχείων όψεως από ΙΑΜ στο κτίριο επέκτασης του Πολυτεχνείου του Aachen [RWTH Aachen University] Εικόνα 1.3: Δεξαμενή υγρών αποβλήτων Τελική εικόνα της δεξαμενής [RWTH Aachen University] Εικόνα 1.4: Ανακλαστήρες σε οδικό δίκτυο στην Ολλανδία... 4 Εικόνα 1.5: Διατομή υπόγειου επενδεδυμένου με στοιχεία ΙΑΜ Εικόνα 1.6: α) Διάταξη πειραματικής διερεύνησης, β) Τελική μορφή γέφυρας [Technical University Dresden] Εικόνα 1.7:Τομή αγωγού από ΙΑΜ [Technical University Dresden] Εικόνα 2.1: Γραφιτικό επίπεδο τύλιγμα SWCNT MWCNT Εικόνα 2.2: Μορφολογία των νανοσωλήνων μέσα στην τσιμεντοειδή μήτρα (Han et al) Εικόνα 3.1: Μήτρα Μ1 που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία Εικόνα 3.2: Nανοσωλήνες άνθρακα σε μορφή πούδρας Nanothinx S.A Εικόνα 3.3: Νανοσωλήνες άνθρακα σε μορφή διαλύματος Εικόνα 3.4: α) Ζύγιση νερού β) Ζύγιση νανοσωλήνων (Nanothinx S.A) Εικόνα 3.5: α) Επιφανειοδραστικό που χρησιμοποιήθηκε β) Ανάδευση νερού με το επιφανειοδραστικό Εικόνα 3.6: α) Τοποθέτηση των νανοσωλήνων στο διάλυμα νερού με επιφανειοδραστικό β) Τοποθέτηση του δοχείου στην συσκευή υπερήχων με ράβδο (Nanothinx S.A) Εικόνα 3.7: Έναρξη της ανάδευσης με τη χρήση της συσκευής υπερήχων με ράβδο (Nanothinx S.A) Εικόνα 3.8: Πλέγμα ινών Άνθρακα Εικόνα 3.9: Απογυμνωμένο χάλκινο καλώδιο Εικόνα 3.10: Αγώγιμη βαφή από άργυρο Εικόνα 3.11: Καλώδιο συγκόλλησης και πάστα συγκόλλησης Εικόνα 3.12: (α) Μεταλλότυπος στον οποίο διακρίνονται τα αποσπώμενα τμήματα μεταλλικά ελάσματα. (β) Τελική εικόνα καλουπιού μετά τη συναρμολόγηση και την τοποθέτηση ελασμάτων στα άκρα

17 xii Εικόνα 3.13: (α) Επάλειψη με λάδι του μεταλλικού (β) Τοποθέτηση της λάμας αλουμινίου στο ενδιάμεσο του καλουπιού για επίτευξη μείωσης πάχους στο μέσο Εικόνα 3.14: α) Ζύγιση ανόργανης μήτρας β) Ζύγιση νερού γ) Μηχανή ανάμιξης δ) Τελικό μίγμα έτοιμο προς χρήση Εικόνα 3.15: α) Πρώτη στρώση ανόργανης μήτρας β) Επιπέδωση και τοποθέτηση πρώτης στρώσης πλέγματος Εικόνα 3.16: α) Τοποθέτηση της λάμας αλουμινίου β) Τελική όψη δοκιμίου μέσα στο μεταλλότυπο Εικόνα 3.17: Ένα δοκίμιο που μόλις έχει ξεκαλουπωθεί Εικόνα 3.18: Αριστερά το δοχείο που περιέχει το διάλυμα και δεξιά η μήτρα Μ Εικόνα 3.19: Προσθήκη του διαλύματος στο δοχείο που θα γίνει η ανάμιξη Εικόνα 3.20: Ξέπλυμα του δοχείου με τη βοήθεια σύριγγας. Αριστερά ξέπλυμα των τοιχωμάτων του δοχείου και δεξιά ξέπλυμα του πώματος του δοχείου Εικόνα 3.21: α,β) Τοποθέτηση της κονίας μέσα στο διάλυμα γ) Τελική εικόνα του μίγματος πριν αναδευτεί Εικόνα 3.22: Περισυλλογή του μίγματος από τα τοιχώματα Εικόνα 3.23: Σημάδεμα των περιοχών στις οποίες έγιναν οι εγκοπές Εικόνα 3.24: Δημιουργία εγκοπών με χρήση δίσκου κοπής Εικόνα 3.25: Εφαρμογή της αγώγιμης βαφής από άργυρο στις εγκοπές Εικόνα 3.26: Τοποθέτηση του δοκιμίου στο φούρνο στους 125 ο C Εικόνα 3.27: Τοποθέτηση των ηλεκτροδίων (των χάλκινων καλωδίων) στις εγκοπές Εικόνα 3.28: α,β) Εφαρμογή της πάστας για κόλληση στις εγκοπές γ) Πιστόλι, καλώδιο, πάστα για την κόλληση δ) Σταθεροποίηση των ηλεκτροδίων στις εγκοπές με κόλληση. 58 Εικόνα 3.29: Δοκίμιο έτοιμο προς δοκιμή Εικόνα 3.30: Πολύμετρο που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των δοκιμών (μπρος και πίσω όψη) Εικόνα 3.31: Σχηματική απεικόνιση της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης Εικόνα 3.32: Μηχανή διεξαγωγής πειραματικών δοκιμών MTS Εικόνα 3.33: Πλήρης διάταξη πειραματικής δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού

18 xiii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 3.1: Χαρακτηριστικά ομάδων δοκιμίων Πίνακας 3.2: Χαρακτηριστικά κονιάματος Tyfo C-Matrix (Μ1) Πίνακας 3.3: Ιδιότητες Νανοσωλήνων Άνθρακα Πίνακας 3.4: Αναλογία διαλυμάτων Πίνακας 3.5: Ιδιότητες ινών Άνθρακα Πίνακας 3.6: Ισοδύναμο πάχος ινών, επιφάνεια διατομής και ογκομετρικό ποσοστό για τα εξεταζόμενα δοκίμια Πίνακας 4.1: Ομάδες Δοκιμίων Πίνακας 4.2: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το Δ1 της ομάδας 1L Πίνακας 4.3: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το Δ2 της ομάδας 1L Πίνακας 4.4: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας 1L Πίνακας 4.5: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας 2L Πίνακας 4.6: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ2 της ομάδας 2L Πίνακας 4.7: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας 2L Πίνακας 4.8: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ4 της ομάδας 2L Πίνακας 4.9: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας 3L Πίνακας 4.10: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ2 της ομάδας 3L Πίνακας 4.11: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας 3L Πίνακας 4.12: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας Nano_1L Πίνακας 4.13: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ2 της ομάδας Nano_1L Πίνακας 4.14: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας Nano_1L Πίνακας 4.15: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας Nano_2L Πίνακας 4.16: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ2 της ομάδας Nano_2L Πίνακας 4.17: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας Nano_2L. 101 Πίνακας 4.18: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας Nano_3L. 103 Πίνακας 4.19: Συμπεριφορά του δοκιμίου Δ2 της ομάδας Nano_3L Πίνακας 4.20: Συμπεριφορά του δοκιμίου Δ3 της ομάδας Nano_3L Πίνακας 4.21: Πίνακας αποτελεσμάτων της ομάδας 1L Πίνακας 4.22: Συντελεστές Συσχέτισης για τα στάδια ΙΙα και ΙΙβ, για την ομάδα 1L Πίνακας 4.23: Πίνακας αποτελεσμάτων της ομάδας 2L

19 xiv Πίνακας 4.24: Συντελεστές Συσχέτισης για τα στάδια ΙΙα και ΙΙβ, για την ομάδα 2L Πίνακας 4.25: Πίνακας αποτελεσμάτων της ομάδας 3L Πίνακας 4.26: Συντελεστές Συσχέτισης για τα στάδια ΙΙα και ΙΙβ, για την ομάδα 3L Πίνακας 4.27: Πίνακας αποτελεσμάτων της ομάδας Nano_1L Πίνακας 4.28: Συντελεστές Συσχέτισης για τα στάδια ΙΙα και ΙΙβ, για την ομάδα Nano_1L Πίνακας 4.29: Πίνακας αποτελεσμάτων της ομάδας Nano_2L Πίνακας 4.30: Συντελεστές Συσχέτισης για τα στάδια ΙΙα και ΙΙβ, για την ομάδα Nano_2L Πίνακας 4.31: Πίνακας αποτελεσμάτων της ομάδας Nano_3L Πίνακας 4.32: Συντελεστές Συσχέτισης για τα στάδια ΙΙα και ΙΙβ, για την ομάδα Nano_3L

20 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΙΝΟΠΛΕΓΜΑΤΑ ΣΕ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΜΗΤΡΑ Τα τελευταία χρόνια έχει εκδηλωθεί έντονα το επιστημονικό ενδιαφέρον γύρω από την διερεύνηση ενός σύνθετου υλικού (ο όρος``σύνθετα υλικά αναφέρεται σε υλικά που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα διακριτά μέρη) το οποίο έχει ως φορέα ανάληψης των εφελκυστικών δυνάμεων πλέγματα ινών. Τα πλέγματα αυτά κατασκευάζονται από δέσμες ινών ανά αποστάσεις σε δύο ή περισσότερες διευθύνσεις, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η καλή συνεργασία ινών μητρικού υλικού (δηλαδή κονιάματος) κυρίως μέσω μηχανικής εμπλοκής του κονιάματος που διέρχεται διάμεσου των βροχίδων και του πλέγματος. Εικόνα 1.1: Μηχανική εμπλοκή μεταξύ πλέγματος και κονιάματος. Όσον αφορά στη μήτρα, πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο σκυρόδεμα ή κονίαμα με μέγιστο κόκκο αδρανών τα 2mm. Αυτό επιτρέπει την κατασκευή πολύ λεπτών στοιχείων σκυροδέματος με υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό. Η μήτρα που περιβάλλει τις ίνες αποτελεί την συγκολλητική ύλη μεταξύ των ινών και είναι υπεύθυνη για την μεταφορά των δυνάμεων σε αυτές. Το νέο σύνθετο υλικό αποδίδεται στη διεθνή βιβλιογραφία με τον όρο Textile Reinforced Concrete (TRC), ενώ ο όρος που έχει προταθεί από τους Triantafillou et al.

21 2 (2006) στη διεθνή βιβλιογραφία για τα σύνθετα αυτά υλικά είναι Textile Reinforced Mortars (TRM), ενώ στην Ελληνική γλώσσα έχει αποδοθεί ως Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ). Στην παρούσα διατριβή θα χρησιμοποιείται ο όρος ΙΑΜ Εφαρμογές ΙΑΜ Τα ινοπλέγματα ανόργανης μήτρας παρουσιάζουν πλεονεκτήματα σε συγκεκριμένες κατασκευές έναντι του συμβατικά οπλισμένου σκυροδέματος, με αποτέλεσμα την ολοένα και αυξανόμενη χρήση τους στην κατασκευή. Τα πλεονεκτήματα αυτά είναι κυρίως η μείωση του βάρους των στοιχείων, η απουσία χαλύβδινου οπλισμού οπότε δεν υπάρχει πρόβλημα διάβρωσης, η μείωση πάχους των στοιχείων, και τέλος η μείωση κόστους. Στα ΙΑΜ υπάρχει η δυνατότητα τοποθέτησης των πλεγμάτων οπλισμού υπό οποιαδήποτε διεύθυνση, αναλαμβάνοντας τις αντίστοιχες τάσεις και διευρύνοντας το πεδίο εφαρμογής τους σε νέους τομείς. Η ενίσχυση των κατασκευών, η προκατασκευή αλλά και η εφαρμογή των ΙΑΜ για καθαρά αρχιτεκτονικούς λόγους είναι μερικά μόνο από τα πεδία ανάπτυξης και εφαρμογής των ΙΑΜ Στοιχεία κάλυψης επιφανειών Στοιχεία από ΙΑΜ χρησιμοποιούνται για κάλυψη προσόψεων σε κτίρια, για αρχιτεκτονικούς σκοπούς. Σε αυτή την περίπτωση τα στοιχεία από ΙΑΜ καλούνται να παραλάβουν φόρτια ανεμοπίεσης. Εικόνα 1.2: Εφαρμογή στοιχείων όψεως από ΙΑΜ στο κτίριο επέκτασης του Πολυτεχνείου του Aachen [RWTH Aachen University].

22 Κατασκευές και δομικά στοιχεία από ΙΑΜ σε έργα για την προστασία του περιβάλλοντος Δεξαμενές επεξεργασίας υγρών λυμάτων Δεξαμενές από ΙΑΜ για υγρά απόβλητα ενδείκνυνται, διότι τα απόβλητα που βρίσκονται μέσα στην δεξαμενή μετά από κάποιο διάστημα αντιδρούν και παράγουν ουσίες επιβλαβείς για τον συμβατικό οπλισμό. Έτσι, χρησιμοποιώντας πλέγματα από ίνες σαν οπλισμό για το στοιχείο, αποφεύγονται τέτοια προβλήματα. Εικόνα 1.3: Δεξαμενή υγρών αποβλήτων Τελική εικόνα της δεξαμενής [RWTH Aachen University]. Ηχοπετάσματα από ΙΑΜ Όπως προαναφέρθηκε τα στοιχεία ΙΑΜ είναι πολύ ευέλικτα λόγω του μικρού τους βάρους και πάχους. Έτσι, μια έξυπνη εφαρμογή είναι να χρησιμοποιηθούν ως ηχοπετάσματα σε κατοικημένες περιοχές πλησίον μεγάλων αυτοκινητοδρόμων. Και αναλόγως της κατασκευής τους, έχουν την δυνατότητα να ανακλούν τον ήχο, ενώ αν είναι τύπου σάντουιτς να απορροφάνε και μέρος αυτού.

23 4 Εικόνα 1.4: Ανακλαστήρες σε οδικό δίκτυο στην Ολλανδία Χρήση στοιχείων ΙΑΜ για την προστασία κατασκευών από υπόγεια ύδατα Πολλές φορές την χειμερινή περίοδο, λόγω βροχοπτώσεων, ο υδροφόρος ορίζοντας ανεβαίνει, οπότε είναι υπαρκτός ο κίνδυνος να εισχωρήσει υγρασία στις κατασκευές. Μια μέθοδος για να αντιμετωπιστεί το συγκεκριμένο πρόβλημα είναι να επενδυθεί εσωτερικά η κατασκευή με στοιχεία από ΙΑΜ, έτσι ώστε να παρεμποδίζεται η είσοδος της υγρασίας στην κατασκευή. Η επένδυση αυτή γίνεται στο υπόγειο της κατασκευής. Εικόνα 1.5: Διατομή υπόγειου επενδεδυμένου με στοιχεία ΙΑΜ Κατασκευές και στοιχεία ΙΑΜ για παραλαβή φορτίων. Περεταίρω υπάρχουν κατασκευές που τα στοιχεία από ΙΑΜ είναι και ο φέρων οργανισμός. Τέτοιες περιπτώσεις είναι οι εξής:

24 5 Παραμένοντες τσιμεντότυποι για την κατασκευή δομικών στοιχείων σκυροδέματος Αντί συμβατικών ξυλοτύπων, στοιχεία από ΙΑΜ μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν τσιμεντότυποι, και μάλιστα μετά την σκυροδέτηση αποτελούν τμήμα της κατασκευής και συμμετάσχουν στην παραλαβή φορτίων.(παπαντωνίου, 2007) Γέφυρα κατασκευασμένη από στοιχεία ΙΑΜ Στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης κατασκευάστηκε μια πεζογέφυρα με χρήση στοιχείων ΙΑΜ. Η γέφυρα είχε μήκος 9 μέτρα, και αποτελούταν από δέκα ξεχωριστά τμήματα. Αξίζει να σημειωθεί ότι το τελικό βάρος της κατασκευής ήταν περίπου πέντε φορές μικρότερο σε σχέση με το αν κατασκευαζόταν από οπλισμένο σκυρόδεμα με χάλυβα. Εικόνα 1.6: α) Διάταξη πειραματικής διερεύνησης, β) Τελική μορφή γέφυρας [Technical University Dresden]. Αγωγοί από στοιχεία ΙΑΜ Στο πολυτεχνείο της Δρέσδης κατασκευάστηκε αγωγός ο όποιος στο εσωτερικό του είναι από PVC και εξωτερικά είναι επενδεδυμένος από ΙΑΜ. Η πειραματική διερεύνηση έδειξε ότι η αντοχή του σωλήνα σε εσωτερικές πιέσεις και σε εξωτερικά φορτία είναι ικανοποιητική.

25 6 Εικόνα 1.7:Τομή αγωγού από ΙΑΜ [Technical University Dresden] Ενίσχυση στοιχείων και κατασκευών από ΙΑΜ Στοιχεία ΙΑΜ μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σαν ενίσχυση για υπάρχοντα φέροντα μέλη μιας κατασκευής. Στα θετικά μιας τέτοιας μεθόδου ενίσχυσης συγκαταλέγονται η υψηλή δυνατότητα ανάληψης φορτίων, το μικρό πάχος, το μικρό βάρος, και το γεγονός ότι τα στοιχεία ΙΑΜ δεν έχουν προβλήματα διάβρωσης. Χρησιμοποιούνται λοιπόν για ενίσχυση υποστυλωμάτων, δοκών, πλακών αλλά και σε τοιχοποιίες. 1.2 ΠΟΛΥΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (Multifunctional Materials) Εισαγωγή Η ανάγκη για επίτευξη ολοένα και περισσότερων απαιτήσεων για την κατασκευή τεχνικών έργων έχει στρέψει την ερευνητική διαδικασία στην έννοια των πολυλειτουργικών υλικών και κατασκευών. Τα πολυλειτουργικά υλικά είναι αυτά που θα επηρεάσουν το χώρο του σχεδιασμού, μειώνοντας το μέγεθος, το βάρος, το κόστος των κατασκευών, την κατανάλωση ενέργειας και παράλληλα θα συμβάλλουν στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της ασφάλειας. Αυτός είναι ο λόγος που έχουν λάβει τόση προσοχή τα τελευταία χρόνια και αυτό αποδεικνύεται από τον αυξανόμενο αριθμό των αναφορών βιβλιογραφίας στον τομέα των πολυλειτουργικών υλικών όπως φαίνεται στην παρακάτω σχήμα.

26 7 Σχήμα 1.1: Άρθρα σχετιζόμενα με πολυλειτουργικά υλικά συναρτήσει του χρόνου Ορισμός Οι Christodoulou et al (2003) προτείνουν ότι ένα σύνθετο πολυλειτουργικό υλικό ορίζεται σαν ένα δομικό υλικό (ένα υλικό το οποίο πρέπει από τη φύση της εφαρμογής του να φέρει φορτία και να ανθίσταται στις επιβαλλόμενες τάσεις) που παρουσιάζει επιπλέον μία πρόσθετη λειτουργία μη δομικής φύσεως. Στο ίδιο μήκος κύματος κινείται και η D.D.L Chung αναφέροντας ότι, μια σχετικά νέα τάση που έχει εκδηλωθεί για τα δομικά υλικά, είναι να μπορούν να χρησιμοποιούνται για λειτουργίες, άλλες εκτός της δομικής τους εφαρμογής. Με αυτόν τον τρόπο το υλικό γίνεται αυτομάτως πολυλειτουργικό ή αλλιώς εν γένει έξυπνο (smart material). Ένα παράδειγμα μίας μη δομικής λειτουργίας ενός υλικού είναι η ικανότητα ανίχνευσης βλάβης (sensing of damage) μέσω εκμετάλλευσης των ιδιοτήτων του ίδιου του υλικού. Το παράδειγμα αυτό εισάγει την έννοια της δομικής παρακολούθησης των κατασκευών (Structural Health Monitoring, SHM) η οποία είναι πολύτιμη για την παροχή δεδομένων σχετικά με τη δομική κατάσταση της κατασκευής, ώστε να προσδιοριστεί εάν αυτή χρήζει συντήρησης, επισκευής ή ενίσχυσης. Η λειτουργία της ανίχνευσης μπορεί να επιτευχθεί με ενσωματωμένους αισθητήρες (όπως οπτικές ίνες) στις κατασκευές. Όμως, η ενσωμάτωση συνήθως προκαλεί υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων και οι ενσωματωμένες συσκευές είναι κοστοβόρες και πτωχές σε διάρκεια ζωής, συγκρινόμενες με τα δομικά υλικά.

27 8 Ένας άλλος τρόπος να πετύχει κανείς τη λειτουργία της ανίχνευσης είναι να εξετάσει την αλλαγή μιας ιδιότητας (π.χ. της ηλεκτρικής αντίστασης) στο ίδιο το δομικό υλικό, λόγω βλάβης. Με αυτόν τον τρόπο, το ίδιο το υλικό χρησιμεύει ως υλικό με ικανότητα αυτοανίχνευσης (βλάβης ή της παραμορφωσιακής του κατάστασης) Πολυλειτουργικά Υλικά-Έλεγχος δομικής ακεραιότητας των κατασκευών (SHM) Όπως προκύπτει κι από τον ορισμό των πολυλειτουργικών υλικών είναι άμεση η σχέση τους με τον έλεγχο δομικής ακεραιότητας. Γέφυρες, κτίρια και πολλές άλλες κατασκευές υπόκεινται σε φθορές εξαιτίας διαφόρων εντατικών και περιβαλλοντικών καταστάσεων όπως διάβρωση, γήρανση των υλικών, κόπωση κ.α. Αυτές οι κατασκευές αφού υποστούν βλάβες δεν ανταποκρίνονται στους απαιτούμενους κανονισμούς και χρειάζονται ενίσχυση. Αυτή η διαδικασία μπορεί να είναι χρονοβόρα και κοστοβόρα, εάν η βλάβη ή η φθορά δεν ανιχνεύεται αμέσως μετά την εμφάνιση της. To να μπορεί ο μηχανικός να ανιχνεύσει σε πρώιμο στάδιο τη βλάβη κι έτσι να προλάβει την εξάπλωση της, ώστε να μην υπάρξει πιθανή απώλεια φέρουσας ικανότητας, αποτελεί κυρίαρχη παράμετρο σε όλα τα επιστημονικά πεδία της εφαρμοσμένης μηχανικής. Έτσι, συνεχώς νέες μέθοδοι ελέγχου αναπτύσσονται συστηματικά και παράλληλα με τη βελτίωση και εξέλιξη νέων υλικών και τεχνολογιών. Σήμερα, έχουν αναπτυχθεί και εφαρμόζονται πολλές τεχνικές εντοπισμού βλαβών στις κατασκευές οι οποίες αποτελούν τις μεθόδους έλεγχου δομικής ακεραιότητας (Structural Health Monitoring, SHM). Έλεγχος δομικής ακεραιότητας (SHM) είναι η διαδικασία της εφαρμογής μιας ολοκληρωμένης τεχνικής προσδιορισμού βλαβών στις κατασκευές η οποία θα πρέπει: να μπορεί να αναγνωρίσει τη βλάβη που εμφανίστηκε σε πρώιμο στάδιο να εντοπίσει τη γενική και τοπική βλάβη με τη χρήση συστήματος αισθητήρων να παρέχει κάποια εκτίμηση της σοβαρότητας της βλάβης να προβλέπει την εναπομένουσα διάρκεια ζωής της κατασκευής (Doebling et al 1996).

28 9 Συνοπτικά ένα ολοκληρωμένο σύστημα διάταξης SHM πρέπει να αποτελείται από τα εξής: Σύστημα αισθητήρων Σύστημα απόκτησης δεδομένων (Data Acquisition System, DAQ) Σύστημα επεξεργασίας δεδομένων Σύστημα επικοινωνίας Σύστημα ανίχνευσης και μοντελοποίησης της βλάβης (Azhari 2008). Όπως είναι φανερό, για να υπάρξει μια ολοκληρωμένη διάταξη SHM είναι επιβεβλημένη η συνεργασία διεπιστημονικών τομέων όπως αυτών των υλικών, του πολιτικού μηχανικού, των αισθητήρων και της επεξεργασίας σήματος. Ένας άλλος λόγος είναι ότι το SHM μπορεί να βρει εφαρμογή σε κάθε είδους κατασκευή από κτίρια, γέφυρες, συστήματα οδικής κυκλοφορίας, σήραγγες σταθμούς παράγωγης ηλεκτρικής ενεργείας, φράγματα, μέχρι σε διαφορές δομές αεροσκαφών. Το σύστημα αισθητήρων είναι το πιο σημαντικό συστατικό για ένα αξιόπιστο σύστημα SHM διότι είναι εκείνο που μετρά παραμέτρους που παίζουν κυρίαρχο ρόλο στις κατασκευές όπως είναι ο χρόνος, η μετατόπιση, η παραμόρφωση, η επιτάχυνση, η θερμοκρασία, η υγρασία κλπ. Ένα διανεμημένο δίκτυο αισθητήρων εγκαθίστανται συνήθως σε επιλεγμένες περιοχές μιας κατασκευής για την παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητάς του, όταν είναι σε λειτουργία. Η αποτελεσματικότητα και η αξιοπιστία του συστήματος αυτού SHM εξαρτάται από το αν οι αισθητήρες μπορούν να ενσωματωθούν με ασφάλεια εντός της κατασκευής και από το αν οι αλλαγές στις μετρήσεις αισθητήρων μπορούν να συσχετιστούν αξιόπιστα με τις φυσικές μεταβολές της κατασκευής (Wang et al., 2001). Ένας νέος τύπος αισθητήρα έχει κάνει την εμφάνιση του γνωστός ως cement-based sensor (Azhari 2008) ο όποιος εντάσσεται στην κατηγορία των πολυλειτουργικών υλικών που έχουν ως βάση το τσιμέντο (multifunctional cement based materials). Αυτοί οι αισθητήρες καλούνται συχνά και έξυπνα δομικά υλικά διότι μπορούν όπως έχει ήδη αναφερθεί μπορούν να προσδώσουν στην κατασκευή διττή λειτουργία και ως δομικού υλικού αλλά και ως αισθητήρα.

29 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΣΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟ Νόμος του Omh Το πόσο ανθίσταται ένα υλικό στην ροή ηλεκτρικού ρεύματος διάμεσου αυτού, ορίζεται από την ηλεκτρική αντίσταση. Σύμφωνα με το νόμο του Omh, σε σταθερή θερμοκρασία, η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού ισούται με την εφαρμοζόμενη τάση προς το ρεύμα που διέρχεται διαμέσου αυτού. Η μαθηματική σχέση είναι η εξής και ισχύει για κυκλώματα που διαρρέονται από συνεχές ρεύμα (DC) : Όπου, R: ηλεκτρική αντίσταση σε ohms (Ω) V: δυναμικό σε volts (V) I: ένταση ηλεκτρικού ρεύματος σε Amperes (A) Ειδική αντίσταση Οι τιμές της ηλεκτρικής αντίστασης δεν εξαρτώνται μόνο από το υλικό, αλλά και από τη γεωμετρία. Για να απαλοιφθεί ο γεωμετρικός παράγοντας, μια άλλη ποσότητα εισάγεται και καλείται ειδική αντίσταση. Η ειδική αντίσταση αντιπροσωπεύει την ικανότητα του υλικού να ανθίσταται στη ροή ηλεκτρικού ρεύματος ανεξάρτητα από τη γεωμετρία του. Είναι μια εγγενής ιδιότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση διαφορετικών υλικών με βάση την ικανότητά τους να άγουν τον ηλεκτρισμό. Όσο υψηλότερες είναι οι τιμές της ειδικής αντίστασης τόσο πιο ανθεκτικά τα υλικά είναι στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ όσο χαμηλότερες είναι οι τιμές της ειδικής αντίστασης τόσο πιο εύκολα το υλικό άγεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Η μαθηματική σχέση που δίνει την ειδική αντίσταση (ρ) ενός υλικού με ομοιόμορφη διατομή είναι η εξής:

30 11 Όπου, ρ: ειδική αντίσταση σε ohms-meters (Ω-m) R: ηλεκτρική αντίσταση σε ohms (Ω) A: διατομή του δοκιμίου σε τετραγωνικά μέτρα (m 2 ) l: μήκος δοκιμίου σε μέτρα (m) Για να έχουμε μια εικόνα μιας τάξης μεγέθους ειδικής αντίστασης παρατίθεται μια λίστα από υλικά με τις ειδικές αντιστάσεις σε θερμοκρασία 20 ο C (Αzhari, 2008) : Άργυρος (silver): 1.59*10-8 Ω-m Χαλκός (copper): 1.7*10-8 Ω-m Άνθρακας (carbon): 3.5*10-5 Ω-m Γυαλί (glass): έως Ω-m Σκυρόδεμα (concrete): 5 έως 15 Ω-m Φαινόμενο πόλωσης (polarization) Το φαινόμενο, στο οποίο τα κέντρα των θετικών και αρνητικών φορτίων δεν συμπίπτουν, εκφράζεται με τον όρο ηλεκτρική πόλωση και γενικά εμφανίζεται σε διηλεκτρικά υλικά τα οποία εκτίθενται σε ηλεκτρικό πεδίο (Wen and Chung 2001). Με απλούστερα λόγια, υπάρχουν πολλά θετικά και αρνητικά ιόντα (όπως ως Na +, Ca +, ΟΗ -, κλπ) σε σύνθετα υλικά τσιμεντοειδούς βάσης ενισχυμένα με ίνες άνθρακα. Κατά την εφαρμογή μίας διαφοράς δυναμικού, μέσω ηλεκτροδίων που συνδέονται με το υλικό, τα αρνητικά ιόντα κινούνται προς το θετικό ηλεκτρόδιο και τα θετικά ιόντα κινούνται προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο, με αποτέλεσμα να παράγεται ένα δυναμικό αντίθετο του εφαρμοζόμενου. Αυτό το δυναμικό αναφέρεται ως το δυναμικό πόλωσης. Εάν το φαινόμενο της πόλωσης είναι υπαρκτό κατά τη διάρκεια των μετρήσεων ηλεκτρικής αντίστασης, οι μετρούμενες τιμές αντίστασης θα αυξάνονται με το χρόνο, με αποτέλεσμα να περιπλέκεται η διαδικασία και να προκαλούνται δυσκολίες στην συσχέτιση των αλλαγών στην αντίσταση με την παραμόρφωση ή άλλων παραμέτρων. Η απλούστερη μέθοδος για τη μέτρηση της αντίστασης είναι να χρησιμοποιηθεί συνεχές ρεύμα (DC). Ωστόσο, η μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης έχει αποδειχθεί να είναι

31 12 τεχνικά δύσκολη λόγω της επίδρασης της πόλωσης, προκαλώντας αύξηση στη μετρούμενη αντίσταση με το χρόνο. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για την αντιμετώπιση αυτού του ανεπιθύμητου φαινομένου από το να συμβεί, ένας εκ των οποίων είναι να καταστήσει κανείς το υλικό που εξετάζει περισσότερο αγώγιμο. Η τάση του υλικού να πολώνεται είναι πτωτική όταν το υλικό είναι περισσότερο αγώγιμο, έτσι η προσθήκη ινών άνθρακα στο τσιμεντοπολτό μειώνει την πόλωση (Wen και Chung 2001). Μία άλλη μέθοδος, για να ακυρώσει κανείς το φαινόμενο πολώσεως κατά τη μέτρηση αντίστασης σε ένα υλικό χρησιμοποιώντας συνεχές ρεύμα DC, είναι να εφαρμόσει μία διαφορά δυναμικού, λόγω συνεχούς ρεύματος, πριν τη φόρτιση του υλικού (πριν ξεκινήσει δηλαδή η δοκιμή), ώστε η ηλεκτρική αντίσταση να φθάσει σε ένα πλατό λόγω πλήρους πόλωσης του υλικού (Αzari 2008). Σχήμα 1.2: Φαινόμενο πόλωσης σε υλικά με βάση το τσιμέντο όταν εφαρμόζεται σε αυτά ένταση συνεχούς ρεύματος DC. 1.4 ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Παρατηρείται ότι, το ΙΑΜ έχει ήδη καταλάβει μια θέση ανάμεσα στα δομικά υλικά, όπως έγινε φανερό και από τις εφαρμογές ΙΑΜ που αναφέρθηκαν σε προηγούμενη ενότητα. Για να μπορεί να χαρακτηριστεί όμως, ως πολυλειτουργικό υλικό, θα πρέπει να παρέχει

32 13 και άλλες λειτουργίες μη δομικής φύσεως. Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στην ανίχνευση βλάβης σε στοιχεία ΙΑΜ μέσω διηλεκτρικών μετρήσεων και πιο συγκεκριμένα μέσω της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης στα στοιχεία αυτά. Τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών θα χρησιμοποιηθούν ώστε να θέσουν τις βάσεις για κατάλληλους συντελεστές συσχέτισης μεταξύ της εξέλιξης της βλάβης και της πιεζοαντίστασης σε στοιχεία ΙΑΜ. Τα στοιχεία αυτά, περιέχουν ινοπλέγματα από άνθρακα (αγώγιμο υλικό) σε διάφορα ογκομετρικά ποσοστά και ελέγχεται εάν σε μονοτονικό εφελκυσμό αυτών, παρατηρείται μεταβολή στην ηλεκτρική αντίσταση (piezoresistivity). Ακόμη, διερευνάται εάν η προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα στην ανόργανη μήτρα, λειτουργεί θετικά στην κατεύθυνση της πιεζοαντίστασης. Οι ομάδες δοκιμίων που παρασκευάστηκαν, εξεταστήκαν σε μονοτονικό εφελκυσμό ώστε να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητά τους στην παρακολούθηση της παραμόρφωσης (monitoring strain) και της ανίχνευσης βλάβης. Η πιεζοαντίσταση σε ένα δομικό υλικό, όπως είναι το ΙΑΜ, είναι ιδιαιτέρως ελκυστική, εφόσον το υλικό γίνεται εγγενώς έξυπνο υλικό το οποίο αντιλαμβάνεται μόνο του την παραμόρφωση του χωρίς να χρειάζεται ενσωματωμένους ή προσκολλημένους αισθητήρες. Πλεονεκτήματα των εγγενών έξυπνων δομικών υλικών σε σύγκριση με αυτά με τους ενσωματωμένους ή συνδεδεμένους αισθητήρες είναι: 1) χαμηλό κόστος, 2) βελτιωμένα χαρακτηριστικά ανθεκτικότητας, 3) αυξημένη ικανότητα ανίχνευσης έντασης και 4) απουσία υποβάθμισης μηχανικών ιδιοτήτων λόγω των ενσωματωμένων αισθητήρων.

33 14 2. ΠΙΕΖΟΑΝΤΙΣΤΑΣΗ (PIEZORESISTIVITY) ΩΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΣΕ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ 2.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΠΙΕΖΟΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ Πιεζοαντίσταση (piezoresistivity) είναι το φαινόμενο κατά το οποίο η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού αλλάζει με την επιβολή σε αυτό παραμόρφωσης, η οποία σχετίζεται με την τάση. Αυτό το φαινόμενο επιτρέπει σε ένα υλικό να χρησιμεύει ως αισθητήρας παραμόρφωσης (strain sensor) και να εντάσσεται στην κατηγορία των υλικών με ικανότητα αυτό-ανίχνευσης (self- sensing). Έτσι το υλικό είναι ικανό να ανιχνεύει τη δική του παραμόρφωση και βλάβη μέσω των αποτελεσμάτων της ηλεκτρικής του αντίστασης. Αυτή η ικανότητα της ανίχνευσης είναι χρήσιμη για τον έλεγχο και της δομικής ακεραιότητας του υλικού. Οι αισθητήρες με βάση το τσιμέντο έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με βάση την αρχή της πιεζοαντίστασης. Ακόμη και μια μικρή αλλαγή στο υλικό θα άλλαζε την ηλεκτρική αντίσταση ανάλογα. Προκειμένου ένα τσιμεντοειδές υλικό να έχει τη λειτουργία της πιεζοαντίστασης, ένας αγώγιμος δρόμος πρέπει να συμπεριληφθεί στον τσιμεντοπολτό ή στο τσιμεντοκονίαμα. Το αγώγιμο υλικό μπορεί να είναι ίνες άνθρακα, νανοσωλήνες άνθρακα ή ένας συνδυασμός αυτών. 2.2 ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΧΥΔΗΝ ΙΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Το σκυρόδεμα είναι ένα ψαθυρό υλικό με χαμηλή εφελκυστική αντοχή και μικρή ικανότητα παραμόρφωσης. Η ενίσχυσή του με ίνες βελτιώνει την εφελκυστική αντοχή του, αυξάνει τη δυσθραυστότητά του (κατά περιπτώσεις) και την αντοχή του σε κρούση. Η προσθήκη ινών μπορεί να έχει επίσης ισχυρή επίδραση στις ηλεκτρικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού (DC αγωγιμότητα και AC επαγωγική αντίσταση), αλλά μόνον όταν οι ίνες είναι αρκετά πιο αγώγιμες από την μήτρα.

34 15 Το σκυρόδεμα που περιέχει αγώγιμες ίνες, όπως ίνες άνθρακα, έχει πολλές δομικές και μη δομικές εφαρμογές καθώς δύναται χρησιμοποιηθεί ως ανιχνευτής τάσης/παραμόρφωσης για την εκτίμηση βλαβών, λόγω της επίδρασης της παραμόρφωσης στην ειδική ηλεκτρική αντίσταση. Σύμφωνα με την D.D.L Chung, η ειδική αντίσταση τόσο στη διεύθυνση της τάσης, όσο και στην εγκάρσια διεύθυνση αυξάνεται κατά τον εφελκυσμό, λόγω της ελαφράς εξόλκευσης των ινών που συνοδεύει το άνοιγμα των ρωγμών και μειώνεται σε θλίψη, λόγω της επανάταξης των ινών κατά το κλείσιμο των ρωγμών. Αυτό το ηλεκτρομηχανικό φαινόμενο καλείται πιεζοαντίσταση (piezoresistivity) και μέσω της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης (DC ή AC) επιτρέπει την παρακολούθηση της παραμόρφωσης του τσιμεντοειδούς υλικού Ανίχνευση Παραμόρφωσης Η ηλεκτρική αντίσταση ενός τσιμεντοπολτού οπλισμένου με ίνες άνθρακα αλλάζει αναστρέψιμα με την παραμόρφωση έτσι ώστε ο συντελεστή συσχέτισης, που είναι η κλασματική μεταβολή της αντίστασης ανά μονάδα παραμόρφωσης, να είναι έως και 700 σε θλίψη ή εφελκυσμό. Η ηλεκτρική αντίσταση, μέσω μετρήσεων συνεχούς ρεύματος DC, αυξάνει αναστρέψιμα σε εφελκυσμό και μειώνονται αναστρέψιμα σε θλίψη, λόγω της εξόλκευσης των ινών στα ανοίγματα μικρορωγμών αυξάνοντας έτσι η ειδική αντίσταση επαφής ινών-μήτρας. Το σκυρόδεμα, ακόμα κι αν περιέχει χαμηλό ποσοστό κοντών ινών άνθρακα (0.2% κ.ό), διατηρεί κάποια ικανότητα αυτό-ανίχνευσης (sensingability). (Chung and Wen, 2001) Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφερθεί ότι η ικανότητα αυτό-ανίχνευσης μπορεί να παρατηρηθεί όχι μόνο στο σκυρόδεμα αλλά και σε τσιμεντοπολτούς και τσιμεντοκονιάματα. Μάλιστα, επειδή οι ίνες είναι λιγότερο αποτελεσματικές στον έλεγχο της ρωγμής όταν ένα μεγάλο αδρανές είναι παρόν, όπως συμβαίνει στο σκυρόδεμα, οι μεταβολές στην ηλεκτρική αντίσταση είναι κατά πολύ μεγαλύτερες για τσιμεντοκονιάματα και τσιμεντοπολτούς σε σχέση με το σκυρόδεμα

35 16 Τα Σχ. 2.1 (α),(β) (Chung and Wen, 2002) απεικονίζουν τις μεταβολές στις διαμήκεις και τις εγκάρσιες ειδικές αντιστάσεις τσιμεντοπολτού ηλικίας 28 ημερών με ίνες άνθρακα υπό επαναλαμβανόμενο μονοαξονικό εφελκυσμό με αυξανόμενες τιμές παραμόρφωσης. Σε αυτό το σημείο πρέπει να αναφερθεί ότι, πρόκειται για εξαιρετικά μικρές τιμές μέγιστης τελικής παραμόρφωσης (<16 με) που σημαίνει ότι ο τσιμεντοπολτός συμπεριφέρεται γραμμικά ελαστικά, δηλαδή δεν είναι ρηγματωμένος. Η παραμόρφωση επιστρέφει στο μηδέν στο τέλος κάθε κύκλου υποδεικνύοντας, έτσι, ελαστική παραμόρφωση. Η διαμήκης παραμόρφωση είναι προφανώς θετική, ενώ η εγκάρσια παραμόρφωση είναι αρνητική (βράχυνση λόγω του φαινομένου Poisson). Τόσο οι διαμήκεις όσο και οι εγκάρσιες ειδικές αντιστάσεις αυξάνονται αναστρέψιμα υπό μονοαξονικό εφελκυσμό. Η αναστρεψιμότητα της παραμόρφωσης και της ειδικής αντίστασης είναι εντονότερη στη διαμήκη διεύθυνση παρά στην εγκάρσια. Ο συντελεστής συσχέτισης είναι 89 και -59 για διαμήκεις κι εγκάρσιες αντιστάσεις αντίστοιχα. (α) (β) Σχήμα 2.1: Κλασματική μεταβολή (α) της διαμήκους ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο (συνεχής καμπύλη) και της παραμόρφωσης με το χρόνο (διακεκομμένη καμπύλη) σε επαναλαμβανόμενο μονοαξονικό εφελκυσμό για αυξανόμενες τιμές παραμόρφωσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτό που περιέχει ίνες άνθρακα και πυριτική παιπάλη. (β) της εγκάρσιας ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο (συνεχής καμπύλη) και της παραμόρφωσης με το χρόνο (διακεκομμένη καμπύλη) σε επαναλαμβανόμενο μονοαξονικό εφελκυσμό για αυξανόμενες τιμές τάσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτό που περιέχει ίνες άνθρακα και πυριτική παιπάλη.

36 17 Στο Σχ. 2.2 (α),(β) παρουσιάζονται αντίστοιχα αποτελέσματα τσιμεντοπολτό που με πυριτική παιπάλη δίχως ίνες άνθρακα. Η παραμόρφωση είναι ουσιαστικά εντελώς αναστρέψιμη και στη διαμήκη και στην εγκάρσια διεύθυνση, αλλά η ειδική αντίσταση είναι μόνο μερικώς αντιστρεπτή και στις δύο διευθύνσεις, σε αντίθεση με την αντιστρεψιμότητα της ειδικής αντίστασης όταν υπάρχουν ίνες (Σχ ). (α) (β) Σχήμα 2.2:Κλασματική αλλαγή (α) της διαμήκους ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο (συνεχής καμπύλη) και της παραμόρφωσης με το χρόνο (διακεκομμένη καμπύλη) σε επαναλαμβανόμενο μονοαξονικό εφελκυσμό για αυξανόμενες τιμές τάσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτό με πυριτική παιπάλη. (β) της εγκάρσιας ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης με το χρόνο (συνεχής καμπύλη) και της παραμόρφωσης με το χρόνο (διακεκομμένη καμπύλη) σε δυναμικό μονοαξονικό εφελκυσμό για αυξανόμενες τιμές τάσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτού και πυριτική παιπάλη. Στην περίπτωση άοπλου τσιμεντοπολτού, τόσο η διαμήκης όσο κι η εγκάρσια ειδική ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται σε μονοαξονικό εφελκυσμό. Ωστόσο, ο συντελεστής συσχέτισης είναι μόνο 7.2 και -7.1 για τα Σχ. 2.2 (α) και (β) αντίστοιχα. Σύγκριση των Σχ. 2.1(α),(β) με ίνες με τα Σχ. 2.2 (α),(β) δίχως ίνες δείχνει ότι οι ίνες ενισχύουν σε μεγάλο βαθμό το μέγεθος και την αναστρεψιμότητα της ειδικής αντίστασης. Οι συντελεστές συσχέτισης είναι πολύ μικρότεροι σε μέγεθος απουσία ινών, διότι οι ίνες γεφυρώνουν τις μικρορωγμές που δημιουργούνται λόγω εφελκυσμού, προκαλώντας μεγαλύτερη αναστρεψιμότητα στη μεταβολή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Οι ίνες

37 18 είναι πιο αγώγιμες σε σχέση με την τσιμεντοειδή μήτρα και η παρουσία τους δημιουργεί διεπαφές μεταξύ ινών και μήτρας. Η υποβάθμιση της διεπαφής ινών μήτρας, λόγω εξόλκευσης ινών, αυξάνει την ειδική αντίσταση του σύνθετου υλικού. Η ομοιότητα της μεταβολής της ειδικής αντίστασης τόσο στη διαμήκη όσο και στην εγκάρσια διεύθυνση σε μονοαξονικό εφελκυσμό υποδηλώνει ομοιότητα και για τις άλλες διευθύνσεις. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση μπορεί να μετρηθεί σε οποιαδήποτε διεύθυνση ώστε να ανιχνεύει την εμφάνιση εφελκυστικών παραμορφώσεων. Αν και ο συντελεστής συσχέτισης είναι συγκρίσιμος στις διαμήκεις και στις εγκάρσιες κατευθύνσεις, η κλασματική αλλαγή της αντίστασης σε μονοαξονικό εφελκυσμό είναι πολύ υψηλότερη κατά τη διαμήκη διεύθυνση από ότι στην εγκάρσια διεύθυνση. Έτσι, η μέτρηση της διαμήκους αντίστασης προτιμάται για την αυτοανίχνευση Ανίχνευση Βλάβης Το σκυρόδεμα με ή χωρίς προσμίξεις είναι ικανό να ανιχνεύει μικρές και μεγάλες βλάβες ακόμα και κατά τη διάρκεια της ελαστικής παραμόρφωσης, καθώς αυτές συνοδεύονται από αντίστοιχη αύξηση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Τόσο η παραμόρφωση όσο και η βλάβη μπορούν να ανιχνευθούν ταυτόχρονα με μέτρηση της αντίστασης και αυτό διευκολύνει την ταυτοποίηση προέλευσης της βλάβης. Η βλάβη υποδεικνύεται με αύξηση της αντίστασης κι είναι μεγαλύτερη και λιγότερο αναστρέψιμη όταν το εύρος των τιμών της τάσης είναι υψηλό. Η αύξηση της αντίστασης μπορεί να εμφανιστεί σαν ξαφνική αύξηση κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Μπορεί επίσης να είναι μια σταδιακή μετατόπιση της βασικής αντίστασης. Το Σχ. 2.3 (α) (Chung and Wen, 2002) παρουσιάζει την κλασματική μεταβολή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης κατά μήκος της τάσης και της παραμόρφωσης κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενης θλιπτικής φόρτισης με αυξανόμενες τάσεις, άοπλου τσιμεντοπολτού ηλικίας 28 ημερών. Η αύξηση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης κατά τη φόρτιση αποδίδεται στην έναρξη της βλάβης (damage infliction) και κατά τη διάρκεια της αποφόρτισης αποδίδεται σε μικρορωγμές που άνοιξαν κατά την φόρτιση.

38 19 Σχήμα 2.3: (α) Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης με το χρόνο και της τάσης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με τον χρόνο για επαναλαμβανόμενη θλιπτική φόρτιση σε αυξανόμενες τιμές τάσης στην ελαστική περιοχή για τσιμεντοπολτό με πυριτική παϊπάλη ηλικίας 28 ημερών (Chung and Wen, 2002). Το Σχ.2.4 παρουσιάζει την κλασματική μεταβολή της αντίστασης, την παραμόρφωση και την τάση σε συνάρτηση με το χρόνο, κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων θλιπτικών φορτίσεων σε αυξανόμενες ή μειούμενες τιμές τάσεων για σκυρόδεμα με λεπτόκοκκα και χονδρόκοκκα αδρανή ηλικίας 28 μερών με ίνες άνθρακα σε ποσοστό 0.18% κ.ό. Το υψηλότερο εύρος τιμών τάσης είναι 60% της αντοχής σε θλίψη. Το σύνολο των κύκλων στους οποίους η τάση αυξάνει ανά κύκλο και μετά μειώνεται ανά κύκλο στην αρχική της τιμή αναφέρεται ως ομάδα, επομένως το Σχ.2.4 παρουσιάζει αποτελέσματα για τρεις ομάδες. Η παραμόρφωση επιστρέφει στο μηδέν στο τέλος κάθε κύκλου, για οποιοδήποτε τιμή τάσης, υποδηλώνοντας έτσι ελαστική συμπεριφορά. Μια επιπλέον κορυφή (στο διάγραμμα ηλεκτρικής αντίστασης) κατά τη μέγιστη τάση ενός κύκλου δημιουργείται καθώς αυξάνεται το εύρος τιμών της τάσης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται δύο κορυφές ανά κύκλο. Η αρχική κορυφή, λόγω παραμόρφωσης εμφανίζεται για μηδενική τάση, ενώ η επιπλέον κορυφή λόγω της βλάβης εμφανίζεται για μέγιστη τάση. Ως εκ τούτου, κατά την φόρτιση για μηδενική τάση εντός κύκλου, η ηλεκτρική αντίσταση πέφτει και μετά αυξάνεται απότομα φθάνοντας τη μέγιστη αντίσταση της επιπλέον κορυφής στη μέγιστη τάση του κύκλου. Σε ακόλουθη αποφόρτιση, η αντίσταση

39 20 μειώνεται και μετά αυξάνεται καθώς συνεχίζεται η αποφόρτιση φθάνοντας τη μέγιστη αντίσταση της αρχικής κορυφής σε μηδενική τάση. Στην ομάδα αυτή όπου οι τιμές των τάσεων μειώνονται από κύκλο σε κύκλο, η επιπλέον κορυφή μικραίνει και εξαφανίζεται αφήνοντας την αρχική κορυφή ως μοναδική κορυφή. Στην δεύτερη ομάδα όπου οι τιμές των τάσεων αυξάνονται από κύκλο σε κύκλο, η αρχική κορυφή είναι η μοναδική κορυφή κι η επιπλέον κορυφή ξαναεμφανίζεται σιγά σιγά καθώς αυξάνει το εύρος τιμών της τάσης. Η επιπλέον κορυφή αυξάνεται καθώς αυξάνει το εύρος τιμών των τάσεων, αλλά στη δεύτερη ομάδα όπου η τάση μειώνεται από κύκλο σε κύκλο μειώνεται γρήγορα κι εξαφανίζεται όπως στην πρώτη ομάδα. Μέσα σε κάθε ομάδα, το εύρος της μεταβολής της αντίστασης αυξάνεται καθώς αυξάνεται το εύρος των τιμών των τάσεων και μειώνεται καθώς το εύρος αυτό μειώνεται. Όσο μεγαλύτερο είναι το εύρος των τιμών των τάσεων, τόσο μεγαλύτερη και λιγότερο αναστρέψιμη είναι η αύξηση της αντίστασης λόγω βλάβης (επιπλέον κορυφή). Εάν οι τιμές της τάσης έχουν ξαναεφαρμοστεί, η προκαλούμενη από βλάβη αντίσταση αυξάνεται ελαφρώς, όπως φαίνεται από τη σύγκριση του αποτελέσματος της δεύτερης ομάδας με εκείνο της πρώτης ομάδας (Σχ. 2.4), εκτός αν η έκταση της βλάβης είναι μεγάλη (Σχ. 2.5) για τα υψηλότερα εύρη τιμών της τάσης > 90% της θλιπτικής αντοχής. Όταν η βλάβη είναι εκτεταμένη, η προκαλούμενη από βλάβη αύξηση της αντίστασης συμβαίνει σε κάθε κύκλο, ακόμη και σε μειούμενες τιμές της τάσης. Ως εκ τούτου, η προκαλούμενη από βλάβη αντίσταση αυξάνεται κυρίως κατά την φόρτιση ακόμη κι εντός της ελαστικής περιοχής, ιδιαίτερα σε τιμές τάσης μεγαλύτερες από τους προηγούμενους κύκλους, εκτός αν οι τιμές της τάσης είναι υψηλές κι η βλάβη είναι εκτεταμένη.

40 21 (α) (β) Σχήμα 2.4: (α) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με το χρόνο σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης. (β) Μεταβολή της τάσης με το χρόνο για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης (Chung and Wen, 2002). Σχήμα 2.5: (α) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με το χρόνο σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης. (β) Μεταβολή της τάσης με το χρόνο για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης (Chung and Wen, 2002). Στο ίδιο μήκος κύματος κινείται και ο Vossoughi (Vossoughi, 2004) όπου σύμφωνα και με αυτόν ο ενισχυμένος με ίνες άνθρακα τσιμεντοπολτός έχει την ικανότητα ανίχνευσης της παραμόρφωσης. Παραμορφώσεις προκαλούνται από αλλαγές της αντίστασης DC σε ενισχυμένο με ίνες άνθρακα τσιμεντοπολτό κι αυτό αποδίδεται στην μερική εξόλκευση

41 22 των ινών, σε αλλαγές της αντίστασης επαφής των ινών και της μήτρας και σε αλλαγές στη στοίχιση και την απόσταση. Χρησιμοποιεί επαναλαμβανόμενες θλίπτικές φορτίσεις κι ερευνά την αναστρεψιμότητα της τάσης-παραμόρφωσης σε βλάβη. Το ποσοστό των ινών είναι 2% κ.β. του τσιμέντου. Το Σχ.2.6 παρουσιάζει την κλασματική μεταβολή της αντίστασης, της παραμόρφωσης και τη τάση σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για διάφορες τιμές τάσεων. Η τάση είναι το 40% της αντοχής σε θλίψη σε αυτή την περίπτωση. Παρατηρείται ότι η παραμόρφωση επιστρέφει στο μηδέν στο τέλος κάθε κύκλου, υποδεικνύοντας το ελαστικό σύστημα. Ωστόσο, η βλάβη συνοδεύεται από μια μερικώς αναστρέψιμη αύξηση της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης του σκυροδέματος. Έχει δειχθεί ότι η αντίσταση μειώνεται σε θλιπτική παραμόρφωση, αλλά αυξάνει σε βλάβη. Επίσης, μετά από κάθε κύκλο παρατηρείται αύξηση στην ειδική αντίσταση λόγω της βλάβης. Ωστόσο, μια μικρή μείωση παρατηρείται στην βασική γραμμή αντίστασης. Αυτό οφείλεται στο ότι οι γειτονικές ίνες έρχονται σε επαφή λόγω βλάβης της μήτρας. Αυτό σημαίνει ότι η βλάβη που προκαλείται από την αύξηση της αντίστασης, είναι πιο ευαίσθητος δείκτης των μικροβλαβών σε σύγκριση τις μετρήσεις των παραμορφώσεων. (α) (β) Σχήμα 2.6(α) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με το χρόνο σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης με μέγιστη τιμή = 40% της θλιπτικής αντοχής. (β) Μεταβολή της τάσης με το χρόνο για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσεων, μέγιστη τιμή = 40% της θλιπτικής αντοχής. (Vossoughi, 2004)

42 23 Το Σχ. 2.7 παρουσιάζει τα ίδια αποτελέσματα για πάνω από 90% μέγιστη τάση. Παρατηρείται ότι η παραμόρφωση δεν επιστρέφει στο μηδέν επομένως, υπαρχουν παραμένουσες παραμορφώσεις κι επίσης η αιχμή της παραμόρφωσης αυξάνει στους διάφορους κύκλους. Στην περίπτωση αυτή, η βλάβη δεν είναι αναστρέψιμη κι η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται. Έτσι, η θραύση των ινών είναι πιθανόν ο παράγοντας ελέγχου σε αυτή την περίπτωση. (α) (β) Σχήμα 2.7: (α) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης με το χρόνο και της παραμόρφωσης με το χρόνο σε επαναλαμβανόμενη θλίψη για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης με μέγιστη τιμή = 90% της θλιπτικής αντοχής. (β) Μεταβολή της τάσης με το χρόνο για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσης για αυξανόμενες και μειούμενες τιμές τάσεων, μέγιστη τιμή = 90% της θλιπτικής αντοχής. (Vossoughi, 2004) 2.3 ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΣΥΝΕΧΕΙΣ ΙΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Όσον αφορά στα υλικά με βάση το τσιμέντο ( που έχουν δηλαδή ως μητρικό υλικό το τσιμέντο ) έχει γίνει εκτενής αναφορά για τις δομικές εφαρμογές τους στο 1 ο Κεφάλαιο. Η προσθήκη συνεχών ινών μπορεί να έχει ισχυρή επίδραση στις ηλεκτρικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού (DC αγωγιμότητα κι AC επαγωγική αντίσταση), αλλά μόνον όταν οι ίνες είναι αρκετά πιο αγώγιμες από την μήτρα όπως είναι οι ίνες άνθρακα.

43 24 Η πιεζοαντίσταση (piezoresistivity) έχει παρατηρηθεί σε σύνθετες τσιμεντένιες μήτρες με συνεχείς ίνες άνθρακα μονής διεύθυνσης. Η ηλεκτρική αντίσταση του συνεχούς ρεύματος στην διεύθυνση των ινών αυξάνεται σε εφελκυσμό στην ίδια διεύθυνση, ώστε το αποτέλεσμα να είναι πιο αναστρέψιμο όταν το υλικό βρίσκεται στην ελαστική περιοχή και οφείλεται στην υποβάθμιση της διεπαφής ινών-μήτρας. Πάνω από την τάση στην οποία το μέτρο ελαστικότητας ξεκινά να αυξάνει δηλαδή όταν το υλικό είναι εκτός ελαστικής περιοχής, η αντίσταση αυξάνεται απότομα με την τάση/παραμόρφωση λόγω της θραύσης των ινών (Chung and Wen, 1998). Επομένως, λόγω της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των ινών άνθρακα και της πολύ χαμηλής αγωγιμότητας της τσιμεντένιας μήτρας, η μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης του συνεχούς ρεύματος αποτελεί τρόπο ανίχνευσης της βλάβης (damage sensing) Ανίχνευση βλάβης Σε υλικά με βάση το τσιμέντο και ενισχυμένα με συνεχείς ίνες άνθρακα οι πιθανές βλάβες που προκύπτουν σε εφελκυσμό είναι, αφενός σε μικρές παραμορφώσεις ( μέσα στην ελαστική περιοχή ) η υποβάθμιση της συνάφειας μεταξύ μητρικού υλικού και ινών και αφετέρου σε μεγάλες παραμορφώσεις (εκτός ελαστικής περιοχής) η αστοχία των ινών. Η αστοχία των ινών είναι αυτό που προκαλεί την μη αναστρέψιμη αύξηση της διαμήκους αντίστασης. Η υποβάθμιση της συνάφειας μήτρας ινών είναι αυτή που προκαλεί την αύξηση της εγκάρσιας αντίστασης κι επίσης αυξάνει την διαμήκη αντίσταση όταν οι ηλεκτρικές επαφές του ρεύματος είναι στην επιφάνεια (π.χ. σε όλη την περίμετρο του δοκιμίου σε επίπεδο κάθετο στην διαμήκη διεύθυνση). Όταν η εγκάρσια ειδική αντίσταση αυξάνεται, το ηλεκτρικό ρεύμα αντιμετωπίζει μεγαλύτερη δυσκολία διέλευσης σε ολόκληρη τη διατομή του δείγματος κι αποτέλεσμα αυτού είναι η αύξηση της μετρούμενης διαμήκους αντίστασης. Η ηλεκτρική ειδική αντίσταση των ινών είναι 10-4 Ωcm, ενώ του τσιμεντοπολτού 10 5 Ωcm. Το Σχ.2.8(α) (Chung and Wen, 1998) απεικονίζει τη σχέση μεταξύ της παραμόρφωσης και της τάσης και μεταξύ της κλασματικής μεταβολής της αντίστασης (ΔR/R 0 ) και της παραμόρφωσης σε μονοτονικό εφελκυσμό μέχρι την αστοχία σύνθετου υλικού με 2.57%

44 25 κ.ό. ίνες άνθρακα. Η καμπύλη τάσης παραμόρφωσης είναι γραμμική μέχρι την παραμόρφωση 0.2%, όπου η αντίσταση ξεκινάει να αυξάνεται απότομα. Το Σχ.2.8 (β) απεικονίζει τη κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ΔR/R 0 κατά την φόρτιση κι αποφόρτιση για διάφορες τιμές τάσης εντός του γραμμικού τμήματος της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης του δοκιμίου με την ίδια περιεκτικότητα ινών. Η αντίσταση αυξάνεται σε φόρτιση και μειώνεται σε αποφόρτιση σε κάθε κύκλο, έτσι ώστε η αύξηση της αντίστασης να είναι τελείως αναστρέψιμη. Ο συντελεστής συσχέτισης που είναι η κλασματική αλλαγή της αντίστασης (αναστρέψιμο τμήμα) ανά μονάδα παραμόρφωσης είναι 28, 21 και 17 για τον πρώτο, δεύτερο και τρίτο κύκλο αντίστοιχα (Σχ.2.8(β)). (α) (β) Σχήμα 2.8: (α) Σχέση τάσης και παραμόρφωσης και σχέση κλασματικής μεταβολής αντίστασης (ΔR/R 0 ) και παραμόρφωσης σε μονοτονικό εφελκυσμό μέχρι την αστοχία τσιμεντένιας μήτρας με 2.60% κ.ό ίνες άνθρακα. (β) Κλασματική μεταβολή της αντίστασης (ΔR/R 0 ) σε φόρτιση κι αποφόρτιση για διάφορες τιμές τάσεων εντός της γραμμικής περιοχής της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης για τσιμεντένια μήτρα με 2.60% κ.ό. ίνες άνθρακα. Η απότομη αύξηση της αντίστασης σε υψηλές παραμορφώσεις συνοδεύεται με μείωση του μέτρου ελαστικότητας (Σχ. 2.8 (α)) κι αυτό αποδίδεται στη θραύση των ινών. Η μικρότερη αύξηση της αντίστασης σε χαμηλές παραμορφώσεις δε συνοδεύεται με

45 26 αλλαγή του μέτρου ελαστικότητας (Σχ. 2.8 (α)) κι αυτό αποδίδεται στην υποβάθμιση της συνάφειας ινών-μήτρας. Η υποβάθμιση αυτή οδηγεί σε αύξηση της ειδικής αντίστασης επαφής ινών-μήτρας, επηρεάζοντας την μετρούμενη αντίσταση. Το Σχ. 2.8 (β) δείχνει ότι η αύξηση της αντίστασης λόγω υποβάθμισης της συνάφειας ινών-μήτρας είναι πιο αναστρέψιμη. Το μη αναστρέψιμο τμήμα της αύξησης της αντίστασης συνδέεται με μη αναστρέψιμη υποβάθμιση της συνάφειας. Η αναστρέψιμη μεταβολή της αντίστασης σημαίνει ότι οι σύνθετες μήτρες με συνεχείς ίνες άνθρακα αποτελούν αισθητήρες παραμόρφωσης. 2.4 ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Εισαγωγή Η ανακάλυψη των νανοσωλήνων άνθρακα έγινε το 1991 (Lijima 1991) και κατατάσσεται στα σημαντικότερα υλικά της νανοκλίμακας. Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν στεφθεί βασιλιάς της νανοτεχνολογίας εξαιτίας των μοναδικών και εκπληκτικών τους ιδιοτήτων. Εκτός από τη μοναδική τους μικροδομή, οι νανοσωλήνες άνθρακα επιδεικνύουν εξαιρετικά χρήσιμες δομικές, ηλεκτρικές, θερμικές και χημικές ιδιότητες και έτσι επιτρέπουν σε πολλά υλικά να γίνουν πιο ελαφρά, πιο ανθεκτικά, φθηνότερα, καθαρότερα και πιο αποδοτικά. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι νέα καινοτόμα υλικά τα οποία μπορούν να έχουν διάμετρο μικρότερη από 1 nm ένας νανοσωλήνας άνθρακα μπορεί να είναι 10,000 φορές μικρότερος από μια ανθρώπινη τρίχα! Το μήκος τους μπορεί να φτάσει τα αρκετά μικρόμετρα (1μm = 10000nm) και συνεπώς ο λόγος μήκος προς διάμετρο, είναι τυπικά πολύ μεγάλος και συνήθως στην τάξη των χιλιάδων. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να παρασταθούν ως γραφιτικά επίπεδα που έχουν τυλιχθεί γύρω από ένα κύλινδρο. Οι νανοσωλήνες υπάρχουν είτε ως μόνου-τοιχίου (SWCNTs Single Walled Carbon NanoTubes), είτε ως πολλαπλών-τοιχίων (MWCNTs Multi Walled Carbon NanoTubes). Η δομή των MWCNTs αποτελείται απλά από πολλούς ομόκεντρους SWCNTs

46 27 Εικόνα 2.1: Γραφιτικό επίπεδο τύλιγμα SWCNT MWCNT Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν θεωρηθεί ως ένα από τα πιο υποσχόμενα πρόσμικτα για κατασκευή έξυπνων πολυλειτουργικών σύνθετων υλικών λόγω των εξαιρετικών μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να ενσωματωθούν σε υλικά με βάση το τσιμέντο δημιουργώντας ένα σύνθετο υλικό με νανοδομημένη μήτρα τσιμέντου με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα ή αλλιώς η ηλεκτρική αντίσταση αυτών των υλικών μεταβάλλεται με την επιβολή παραμόρφωσης λόγω τάσης κι έτσι αποκτούν την ιδιότητα της πιεζοαντίστασης. (Li et al 2010) Ο μηχανισμός που διέπει την ιδιότητα της πιεζοαντίστασης σε υλικά με νανοδομημένη τσιμεντοειδή μήτρα είναι η αγωγιμότητα λόγω επαφής (contacting conduction). Η μείωση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης λόγω της προσθήκης νανοσωληνων γίνεται μέσω του σχηματισμού ενός καλά δομημένου πλέγματος νανοσωληνων μέσα στην μήτρα τσιμέντου όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα και αυτό κάνει ιδιαίτερα ευαίσθητη την ηλεκτρική αντίσταση όταν υπόκειται το υλικό σε εξωτερικό φορτίο. Εικόνα 2.2: Μορφολογία των νανοσωλήνων μέσα στην τσιμεντοειδή μήτρα (Han et al)

47 Ανίχνευση παραμόρφωσης και βλάβης Έχουν γίνει πολλές μελέτες γύρω από την πιεζοαντίσταση που προσδίδουν οι νανοσωλήνες άνθρακα σε υλικά με βάση το τσιμέντο ώστε εν τέλει τα υλικά αυτά να είναι πολυλειτουργικά κι έξυπνα υλικά. Ο Saafi 2009 μελέτησε την πιεζοαντίσταση υλικών με βάση το τσιμέντο ενισχυμένα με SWCNTs ώστε το υλικό που θα προκύψει να έχει την ικανότητα, μέσω της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης, να ανιχνεύει παραμόρφωση και βλάβη. (α) (β) Σχήμα 2.9: (α) Σχέση φορτίου με την παραμόρφωση και κλασματικής αλλαγής της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση σε μονοτονικό εφελκυσμό (Saafi 2009). (β) Σχέση φορτίου με το χρόνο και κλασματικής αλλαγής της ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο σε κυκλικό εφελκυσμό στην ελαστική περιοχή (Saafi 2009). Το Σχήμα 2.9 (α) δείχνει την επιρροή του εφελκυστικού φορτίου στην παραμόρφωση και στην ηλεκτρική αντίσταση σε δοκίμια ενισχυμένα με 0.5% και 1% κ.ο. SWCNTs. Όπως φαίνεται από το σχήμα 2.9 (α) για το δοκίμιο με 1% SWCNTs η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται γραμμικά και μονοτονικά μέχρι παραμόρφωση 125 με, ενώ μετά από την τιμή αυτή η συμπεριφορά της ηλεκτρικής αντίστασης μετατρέπεται σε μη γραμμική μέχρι την αστοχία του δοκιμίου. Κατά την επιβολή του εφελκυστικού φορτίου η βλάβη ξεκινά στην διεπαφάνεια των νανοσωλήνων με το τσιμέντο κι έτσι αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των νανοσωληνων,

48 29 όπου είναι κι ο αγώγιμος δρόμος κι αυτό προκαλεί την αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης. Με την εξέλιξη της βλάβης, λόγω του αυξανόμενου εφελκυστικού φορτίου όλο και περισσότεροι αγώγιμοι δρόμοι κόβονται και προκαλούν απότομες αλλαγές στην ηλεκτρική αντίσταση σε τιμές παραμόρφωσης περίπου στα 65 με, 125 με, 160 με. Μάλιστα οι αλλαγές αυτές αντιστοιχούν και στα σημεία πτώσης του φορτίου όπως φαίνεται στην καμπύλη φορτίου-παραμόρφωσης. Όταν το φορτίο φτάνει στις μεγαλύτερες του τιμές τότε και περισσότεροι αγώγιμοι δρόμοι έχουν κοπεί αλλά και λιγότερα σημεία επαφής νανοσωληνων υπάρχουν με αποτέλεσμα να γίνεται η καμπύλη μη γραμμική έως την αστοχία του δοκιμίου. Ενώ και το δοκίμιο με 0.5% SWCNTs έχει την ίδια συμπεριφορά με το 1%, δε μπόρεσε να ανιχνεύσει την πρώιμη ρωγμή σε παραμόρφωση 0.3 με κι αυτό έγινε διότι δεν υπήρξε ικανή ποσότητα νανοσωλήνων στο δοκίμιο ώστε να δημιουργηθούν πολλοί αγώγιμοι δρόμοι μέσα στην μήτρα, ώστε να είναι ευαίσθητο στις μεταβολές του φορτίου. Όπως είναι ευδιάκριτο κι από το Σχήμα 2.9 (β) η ηλεκτρική αντίσταση αυξήθηκε και μετά μειώθηκε ακλουθώντας τη πορεία του επιβαλλομένου φορτίου με εξαιρετική επαναληψιμότητα. Αυτό αποδεικνύει ότι το δοκίμιο ενισχυμένο με SWCNTs μπορεί να ανιχνεύσει την παραμόρφωση άλλα και την αρχή της βλάβης. Ο Han et al 2010 μελέτησε τη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης τσιμεντοειδούς μήτρας ενισχυμένης με MWCNTs σε επαναλαμβανόμενη θλιπτική φόρτιση. Παρατηρήθηκε τι η ηλεκτρική αντίσταση τόσο του τσιμέντου με 0.1% κ.ο. MWCNTs όσο και του κονιάματος με 0.4% κ.ο. MWCNTs μειώνεται κατά τη φόρτιση και αυξάνει κατά την αποφόρτιση όπως φαίνεται και στο παρακάτω Σχήμα.

49 30 Σχήμα 2.10: Σχέση θλιπτικής τάσης με το χρόνο και μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο για τσιμέντο ενισχυμένο με 0.1% κ.ο. MWCNTs (αριστερά) και για κονίαμα με 0.4% κ.ο. MWCNTs (δεξιά). Ενδεικτικά αναφέρονται και μερικές εργασίες που στόχο είχαν την ανάπτυξη πολυλειτουργικών υλικών με βάση το τσιμέντο ενισχυμένα με νανοσωλήνες άνθρακα. Οι Li et al (2005) πρώτοι ανέπτυξαν σύνθετα υλικά ενισχυμένα με MWCNTs και βρέθηκε ότι έχουν την ιδιότητα της πιεζοαντίστασης σε μονοαξονική επαναλαμβανόμενη θλίψη. Τέλος στο ίδιο μήκος κύματος κινήθηκε και ο Azhari (2008) με τη μόνη διαφορά ότι μελέτησε και υβριδικά δοκίμια, δηλαδή τσιμεντοειδή δοκίμια ενισχυμένα με χύδην κοντές ίνες και MWCNTs, και διαπίστωσε ότι επίσης έχουν την ιδιότητα της πιεζοαντίστασης. 2.5 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΙΑΜ ΣΕ ΜΟΝΟΑΞΟΝΙΚΟ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ Γενικά Σε αυτήν την ενότητα θα παρουσιαστεί η συμπεριφορά στοιχείων ΙΑΜ σε μονοαξονικό εφελκυσμό. Είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε τη συμπεριφορά των στοιχείων αυτών, διότι μόνον έτσι θα μπορέσουμε να συσχετίσουμε την ιδιότητα της πιεζοαντίστασης με την εξέλιξη της βλάβης στα στοιχεία αυτά.

50 Συμπεριφορά ΙΑΜ σε μονοαξονικό εφελκυσμό Η διεξαγωγή πειραμάτων μονοαξονικού εφελκυσμού σε λεπτότοιχα στοιχεία ΙΑΜ συμβάλλει στην εκτίμηση της φέρουσας ικανότητας, της δυνατότητας παραμόρφωσης του στοιχείου και του προφίλ των ρωγμών που δημιουργούνται. Μια τυπική καμπύλη σε όρους τάσης παραμόρφωσης ενός λεπτότοιχου στοιχείου ΙΑΜ που καταπονείται σε εφελκυσμό παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Από το σχήμα γίνεται αντιληπτό ότι η συμπεριφορά ενός λεπτότοιχου στοιχείου ΙΑΜ σε μονοαξονικό εφελκυσμό μπορεί να διαχωριστεί σε τρία στάδια: Στάδιο I Με την έναρξη της δοκιμής αυξάνεται το φορτίο και η αρχική δυσκαμψία του στοιχείου είναι ίση με το Μέτρο Ελαστικότητας της ανόργανης μήτρας. Στο στάδιο αυτό το στοιχείο παραμένει αρηγμάτωτο. Όταν η τάση του στοιχείου γίνει ίση με την εφελκυστική αντοχή του σκυροδέματος, δημιουργείται η πρώτη ρωγμή. Το σημείο αυτό αποτελεί το τέλος του σταδίου Ι. Στάδιο II Με την δημιουργία της πρώτης ρωγμής του στοιχείου αρχίζει το στάδιο ΙΙ και πλέον το σύνολο της εφελκυστικής δύναμης παραλαμβάνει το πλέγμα ινών. Με την αύξηση της εφελκυστικής δύναμης ακολουθεί το στάδιο πολλαπλών ρηγματώσεων (IIα). Το εύρος και η απόσταση των ρωγμών εξαρτάται από την συνάφεια ινών μήτρας και το ποσοστό οπλισμού. Έπειτα, ακoλουθεί το επόμενο στάδιο (IIβ) όπου έχουν πλέον σταθεροποιηθεί οι θέσεις και ο αριθμός των ρωγμών και με την αύξηση του φορτίου, οι ίνες εφελκύονται ως την αστοχία τους. Η κλίση του διαγράμματος κατά το στάδιο ΙΙβ είναι σχεδόν παράλληλη με αυτή των ινών χωρίς την παρουσία μήτρας.

51 32 Στάδιο III Το στάδιο αυτό δεν εμφανίζεται στα πειράματα μονοαξονικού εφελκυσμού των ΙΑΜ καθώς οι ίνες δεν έχουν τη δυνατότητα να παραμορφώνονται πλαστικά. Εάν παρατηρηθεί θα οφείλεται σε ολίσθηση ινών διαμέσου της μήτρας. Σχήμα 2.11: Στάδια συμπεριφοράς για το λεπτότοιχο στοιχείο ΙΑΜ σε εντατική κατάσταση μονοαξονικού εφελκυσμού.

52 33 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή διερευνάται η συμπεριφορά της ηλεκτρικής αντίστασης σε δοκίμια ινοπλεγμάτων ανόργανης μήτρας σε μονοτονικό εφελκυσμό. Τα δοκίμια καθώς και οι πειραματικές δόκιμες πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας των Υλικών του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστήμιου Πατρών από τον Σεπτέμβριο του έτους 2014 έως τον Απρίλιο του Κύριος σκοπός ήταν να εκτιμηθεί εάν, μπορεί να υπάρξει ανίχνευση βλάβης σε στοιχεία ΙΑΜ μέσω διηλεκτρικών μετρήσεων και πιο συγκεκριμένα μέσω της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης στα στοιχεία αυτά κατά τη διάρκεια μονοτονικών εφελκυστικών δοκιμών. Τα στοιχεία αυτά περιέχουν ινοπλέγματα από άνθρακα (αγώγιμο υλικό) σε διάφορα ογκομετρικά ποσοστά, και θα ελεγχθεί εάν σε μονοτονικό εφελκυσμό αυτών, παρατηρείται μεταβολή στην ηλεκτρική αντίσταση. Ακόμη, θα διερευνηθεί εάν η προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα στην ανόργανη μήτρα, έχει θετική επίδραση στην ιδιότητα της πιεζοαντίστασης. 3.2 ΔΟΚΙΜΙΑ Τα υπό διερεύνηση δοκίμια παρασκευάστηκαν ώστε να έχουν τη μορφή διπλού κώδωνος, η οποία ενδείκνυται για την πειραματική δοκιμή σε εφελκυσμό και πάνω σε αυτά κολλήθηκαν ηλεκτρόδια ώστε ταυτόχρονα με τη δοκιμή εφελκυσμού να μετράται και η ηλεκτρική αντίσταση του δοκιμίου. Παρασκευάστηκαν έξι (6) ομάδες δοκιμίων, καθεμία εκ των οποίων περιελάμβανε τρία (3) ή τέσσερα (4) δοκίμια με σκοπό να διερευνηθεί η ακρίβεια και η διασπορά των αποτελεσμάτων. Η γεωμετρία των δοκιμίων, συνδυάζει την μορφή διπλού κώδωνος με την ταυτόχρονη μείωση του πάχους του στοιχείου στο ενδιάμεσο τμήμα του μέχρι τις περιοχές των άκρων, όπου ξεκινά η καμπυλότητα. Τα δοκίμια παρασκευάστηκαν το καθένα χωριστά

53 34 σε ειδικά κατασκευασμένο καλούπι από χάλυβα, η γεωμετρία του οποίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.1: Γεωμετρία μεταλλότυπου για παρασκευή δοκιμίων εφελκυσμού (διαστάσεις σε mm) Η αλλαγή της γεωμετρίας πραγματοποιήθηκε στην προσπάθεια να έχουμε ένα σαφέστερο και προβλεπόμενο τρόπο αστοχίας έτσι ώστε αυτή να εμφανίζεται στο ενδιάμεσο τμήμα του στοιχείου και να αποφεύγεται αστοχία με τη μορφή σύνθλιψης στις αρπάγες κατά την εξέλιξη της πειραματικής δοκιμής. Όπως προαναφέρθηκε, παρασκευάστηκαν έξι ομάδες δοκιμίων, στις τρεις εκ των οποίων χρησιμοποιήθηκε κονίαμα ανόργανης μήτρας το οποίο περιείχε πολυμερή και στις υπόλοιπες τρεις χρησιμοποιήθηκε το ίδιο κονίαμα ενισχυμένο με νανοσωλήνες άνθρακα MWCNTs. Όλα τα δοκίμια περιέχουν ινοπλέγματα άνθρακα ως το αγώγιμο υλικό. Μια εποπτική παρουσίαση του συνόλου των δοκιμίων που παρασκευάστηκαν δίνεται στον πίνακα που ακολουθεί. Στον πίνακα περιέχονται στοιχεία για τις ομάδες δοκιμίων όπως ο τύπος της ανόργανης μήτρας ανάλογα, ο αριθμός των στρώσεών του για κάθε ομάδα δοκιμίων, η ηλικία των δοκιμίων κατά την πειραματική δοκιμή και φυσικά η ονομασία κάθε ομάδας με την οποία θα γίνεται αναφορά στα επόμενα κεφάλαια.

54 35 Ομάδα δοκιμίων Τύπος μήτρας Στρώσεις πλέγματος Ηλικία δοκιμίου(ημέρες) Ονομασία ομάδας δοκιμίων 1 Μ1 1L 28 1L 2 Μ1 2L 28 2L 3 Μ1 3L 28 3L 4 Μ1+MWCNTs 1L 28 Nano_1L 5 Μ1+MWCNTs 2L 28 Nano_2L 6 Μ1+MWCNTs 3L 28 Nano_3L Πίνακας 3.1: Χαρακτηριστικά ομάδων δοκιμίων Ο παραπάνω συμβολισμός έχει ως εξής: M1: κονίαμα ανόργανης μήτρας με πολυμερή Μ1+ΜWCNTs: κονίαμα ανόργανης νανοδομημένης μήτρας με πολυμερή ενισχυμένη με πολύ τοιχωματικούς νανοσωλήνες άνθρακα Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζεται η γεωμετρία των δοκιμίων σε πλάγια τομή έτσι ώστε με κόκκινη διακεκομμένη γραμμή να φαίνεται και το πλέγμα άνθρακα. Σχήμα 3.2: Πλάγια τομή δοκιμίων 1L και Nano_1L Σχήμα 3.3: Πλάγια τομή δοκιμίων 2L και Nano_2L Σχήμα 3.4: Πλάγια τομή δοκιμίων 3L και Nano_3L

55 ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ Μήτρες Μήτρα Μ1 Στην πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκε ένας τύπος τσιμεντοειδούς μήτρας αποτελούμενη από προαναμεμιγμένη ξηρά κονία (μίγμα τσιμεντοειδών και αδρανών υλικών) με προσθήκη πολυμερών και θιξοτροπικές ιδιότητες (μετά την ανάμιξη του με το νερό). Η μήτρα Μ1 πρόκειται για ανόργανη μήτρα με πολυμερή της εταιρίας FYFE Europe με την εμπορική ονομασία Tyfo C-Matrix ( one-component dry thixotropic mortar containing redispersible polymers). Πρόκειται για ένα κονίαμα με πολυμερή, τα οποία βελτιώνουν την πρόσφυση και την ελαστικότητά του. Η προτεινόμενη αναλογία νερού προς ξηρό τσιμεντοειδές υλικό κυμαίνεται από έως Ακόμα και με το πάνω όριο της συγκεκριμένης αναλογίας προέκυπτε μειωμένη εργασιμότητα, με αποτέλεσμα τον ανεπαρκή εμποτισμό των κλώνων του πλέγματος. Για τις ανάγκες της παρασκευής δοκιμίων και προκειμένου να υπάρχει καλύτερη εισχώρηση του στις ίνες και στις βρογχίδες μεταξύ των κλώνων επιλέχτηκε η πιο κοντινή τιμή του λόγου νερού προς ξηρό τσιμεντοειδές υλικό η οποία ήταν 0.2. Εικόνα 3.1: Μήτρα Μ1 που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία

56 37 Οι πληροφορίες για το συγκεκριμένο υλικό όπως δίνονται στο συνοδευτικό τεχνικό φυλλάδιο του υλικού, Μ1 παρουσιάζονται στον παρακάτω Πινάκα. Φαινόμενη πυκνότητα κονιάματος (kg/m 3 ) 2200±50 Εφελκυστική καμπτική αντοχή (MPa) 7 ημέρες ημέρες 7.0 Θλιπτική αντοχή (MPa) 7 ημέρες ημέρες 25 Μέγιστος κόκκος αδρανών (mm) 1 Τσιμεντοειδές Προτεινόμενη αναλογία ανάμιξης Κονίαμα (kg) 25 Nερό (lt) Πίνακας 3.2: Χαρακτηριστικά κονιάματος Tyfo C-Matrix (Μ1) Νανοδομημένη μήτρα Μ1+ΜWCNTs Σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν πολυτοιχωματικοί νανοσωλήνες άνθρακα ως πρόσθετα της τσιμεντοειδούς μήτρας. Η προμήθεια των νανοσωλήνων έγινε από την εταιρεία Nanothinx S.A και οι ιδιότητές τους περιγράφονται στον επόμενο πίνακα. Καθαρότητα νανοσωλήνων 97% Διάμετρος 15-35mm Μήκος >10μm Πίνακας 3.3: Ιδιότητες Νανοσωλήνων Άνθρακα Οι νανοσωλήνες είναι αρχικά σε μορφή πούδρας (black powder form) κι έχουν μαύρο χρώμα, όπως φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα.

57 38 Εικόνα 3.2: Nανοσωλήνες άνθρακα σε μορφή πούδρας Nanothinx S.A Για να επιτευχτεί η αποτελεσματική διασπορά και η μη δημιουργία συσσωμάτων (clusters) των νανοσωλήνων στην τσιμεντοειδή μήτρα, γινόταν η διασπορά τους σε νερό στο εργαστήριο της εταιρίας Nanothinx S.A και έτσι γινόταν η παραλαβή τους υπό μορφή διαλύματος. Η μορφή με την οποία ελήφθησαν οι νανοσωλήνες φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα. Εικόνα 3.3: Νανοσωλήνες άνθρακα σε μορφή διαλύματος Για την παρασκευή ενός δοκιμίου με γεωμετρία διπλού κώδωνος έχει βρεθεί ότι χρειάζονται 4kg κονίας Μ1 αρά και 800ml νερού, λαμβάνοντας υπόψη το λόγο κονίας προς νερό που χρησιμοποιήθηκε και ο οποίος ήταν 0.2. Επομένως, η επιθυμητή ποσότητα νανοσωλήνων άνθρακα έχει διασπαρεί στα 800ml νερού τα οποία χρειάζονταν

58 39 για την παρασκευή του δοκιμίου. Η αναλογία που χρησιμοποιήθηκε ακολουθεί στον παρακάτω Πίνακα. Νερό (ml) MWCNTs Ποσότητα Συγκέντρωση (gr) (gr/lt) Επιφανειοδραστικό Glenium Ace 40 Αναλογία Ποσότητα (SFC:MWCNTs, (gr) wt:wt) Πίνακας 3.4: Αναλογία διαλυμάτων Σε αυτό το σημείο είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι, Ο Πίνακας 3.4 που παρουσιάζει την αναλογία των διαλυμάτων που χρησιμοποιήθηκε εκπονήθηκε από την Κολλια Αικατερίνη (2015) στα πλαίσια της διατριβής διπλώματος ειδίκευσης. Για να ληφθεί με τη μορφή διαλύματος έχει ακολουθηθεί η εξής διαδικασία : Ζύγιση των υλικών που θα χρησιμοποιήθηκαν δηλαδή του νερού, των νανοσωλήνων και του επιφανειοδραστικού (surfactant). Αφού ζυγίστηκε το νερό, προστίθεται στο ίδιο δοχείο το επιφανειοδραστικό και αναδεύεται. Σε αυτό το σημείο είναι απαραίτητο να αναφερθεί ότι το επιφανειοδραστικό είναι πολυκαρβοξυλικού τύπου και προστίθεται στο μίγμα με στόχο την καλύτερη διασπορά των νανοσωλήνων στο υδατικό διάλυμα. Όπως φαίνεται και στον Πίνακα 3.4, η αναλογία κατά βάρος επιφανειοδραστκού προς νανοσωλήνες ισούται με 4. Επίσης, η συγκέντρωση νανοσωλήνων ήταν 3.5 γραμμάρια νανοσωλήνων ανά λίτρο νερού.

59 40 (α) Εικόνα 3.4: α) Ζύγιση νερού β) Ζύγιση νανοσωλήνων (Nanothinx S.A) (β) (α) (β) Εικόνα 3.5: α) Επιφανειοδραστικό που χρησιμοποιήθηκε β) Ανάδευση νερού με το επιφανειοδραστικό Ακολούθως προστίθενται οι νανοσωλήνες στο διάλυμα νερού με επιφανειοδραστικό κι ακλουθεί ανάμιξη των υλικών με χρήση συσκευής υπερήχων με ράβδο (sonication). H συσκευή αυτή έχει ισχύ 400Watt και λειτουργώντας στο 100% της ισχύος της παρέχει στο μίγμα ενέργεια 1500kJ/lt.

60 41 (α) (β) Εικόνα 3.6: α) Τοποθέτηση των νανοσωλήνων στο διάλυμα νερού με επιφανειοδραστικό β) Τοποθέτηση του δοχείου στην συσκευή υπερήχων με ράβδο (Nanothinx S.A) Εικόνα 3.7: Έναρξη της ανάδευσης με τη χρήση της συσκευής υπερήχων με ράβδο (Nanothinx S.A) H νανοδομημένη μήτρα προκύπτει από την ανάμιξη του διαλύματος που προκύπτει με την ξηρά κονία Μ1 όπως θα περιγραφεί με λεπτομέρεια σε επόμενη ενότητα.

61 Ινοπλέγματα Για την παρασκευή δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε ένας τύπος πλέγματος από άνθρακα (carbon) και είναι στη διεύθυνση 0 ο /90 ο. Το πλέγμα είναι της εταιρείας Seartex. Οι ιδιότητες των ινών δίνονται στον Πίνακα 3.5 και το πλέγμα φαίνεται στην Εικόνα 3.8. Μέτρο Ελαστικότητας ινών 225 GPa Εφελκυστική αντοχή ινών 3800 MPa Κατανομή ινών ανά διεύθυνση Μάζα ανά τετραγωνικό μέτρο 407gr/m 2 Καθαρό άνοιγμα βροχίδας 7mm Αξονική απόσταση κλώνων 10mm Πυκνότητα ινών 1.8gr/cm 3 Ειδική ηλεκτρική αντίσταση Ω*cm Πίνακας 3.5: Ιδιότητες ινών Άνθρακα Εικόνα 3.8: Πλέγμα ινών Άνθρακα

62 43 Η διατομή των ινών A f σε ένα πλέγμα δίνεται από την σχέση: Όπου: t f : το ισοδύναμο πάχος ινών b eff : το ισοδύναμο πλάτος της λωρίδας του πλέγματος Το ισοδύναμο παχος των ινων ενός πλέγματος t f δινεται από τη σχέση: Όπου: m d : η επιφανειακή μάζα του μη επικαλυμμένου πλέγματος στην εξεταζόμενη διεύθυνση ινών ρ f : η πυκνότητα των ινών. Όταν ένα δοκίμιο αποτελείται από (n) αριθμό στρώσεων πλέγματος τότε το πάχος των ινών στο εν λόγω δοκίμιο θα είναι n* t f. Ως ισοδύναμο πλάτος της λωρίδας του πλέγματος b eff ορίζεται το θεωρητικό πλάτος που προκύπτει από το γινόμενο του αριθμού των κλώνων του πλέγματος στην θεωρούμενη διεύθυνση, επί την αξονική τους απόσταση. Σύμφωνα με τα παραπάνω για τo είδoς πλέγματος που χρησιμοποιήθηκε το ισοδύναμο πάχος ινών ενός πλέγματος στην υπόψη διεύθυνση είναι: t f = mm Στην συνέχεια παρουσιάζονται σε Πίνακα για κάθε ομάδα δοκιμίου εφελκυσμού το ισοδύναμο πάχος ανάλογα με τον αριθμό των στρώσεων (n* tf) και η αντίστοιχη διατομή των ινών. Κάθε λωρίδα ινοπλέγματος Άνθρακα έχει (11) κλώνους οι οποίοι εφελκύονται.

63 44 ΔΟΚΙΜΙΑ n* t f (mm) A f (mm 2 ) V f (%) 1L L L Nano_1L Nano_2L Nano_3L Πίνακας 3.6: Ισοδύναμο πάχος ινών, επιφάνεια διατομής και ογκομετρικό ποσοστό για τα εξεταζόμενα δοκίμια Διηλεκτρικές επαφές Για τις διηλεκτρικές επαφές που τοποθετήθηκαν πάνω στα δοκίμια χρειάζονται τα έξης υλικά: Απογυμνωμένο χάλκινο καλώδιο το οποίο θα χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδιο. Εικόνα 3.9: Απογυμνωμένο χάλκινο καλώδιο Αγώγιμη βαφή από άργυρο (silver paint). H αγώγιμη βαφή από άργυρο χρησιμοποιείται πριν την εφαρμογή των ηλεκτροδίων στα δοκίμια, ώστε να μειωθεί η ηλεκτρική αντίσταση, λόγω επαφής.

64 45 Εικόνα 3.10: Αγώγιμη βαφή από άργυρο Καλώδιο συγκόλλησης και πάστα συγκόλλησης. Για να κολληθούν τα ηλεκτρόδια πρέπει να γίνει κόλληση τους πάνω στο δοκίμιο ώστε να είναι σταθερά κατά τη δοκιμή. Εικόνα 3.11: Καλώδιο συγκόλλησης και πάστα συγκόλλησης 3.4 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Γενικά Στην υποενότητα αυτή θα παρουσιαστεί αναλυτικά η διαδικασία παρασκευής των δοκιμίων με χρήση ινοπλεγμάτων ανόργανης μήτρας, ώστε να γίνει κατανοητή. Θα αναφερθούν όλα τα υλικά, καθώς και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε κατά την

65 46 παραγωγή των δοκιμίων, την προετοιμασία των δοκιμίων ώστε να διενεργούνται διηλεκτρικές μετρήσεις κατά τη διάρκεια δοκιμών εφελκυσμού Διαδικασία παρασκευής δοκιμίων Για την παρασκευή των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε μεταλλικό καλούπι ορθογωνικής διατομής διαστάσεων 713 mm x 280 mm με δυο αποσπώμενα πλαϊνά τμήματα επίσης μεταλλικά. Αυτά τα πλαϊνά τμήματα είχαν τέτοια μορφή ώστε να εξασφαλίζουν το σταθερό πλάτος του δοκιμίου (πλάτος στο μέσο 120 mm) καθώς επίσης και τη σταθερότητα των τμημάτων που ενώνουν το ενδιάμεσο τμήμα της διατομής με τα ακραία τμήματα στα οποία στερεώνεται ο εξοπλισμός της πειραματικής διάταξης. Η ύπαρξη της καμπυλότητας έχει σκοπό την ομαλή μετάβαση από μια διατομή πλάτους 120 mm στο μέσο σε διατομή πλάτους 165 mm στα άκρα. Με τον τρόπο αυτό, κατά την εξέλιξη του πειράματος εφελκυσμού, οι τάσεις κατανέμονται πιο ομαλά και αποφεύγονται ανεπιθύμητες συγκεντρώσεις τάσεων στα σημεία αυτά και συνεπώς πρώιμες μορφές αστοχίας λόγω σύνθλιψης στην περιοχή της καμπυλότητας (περιοχή άμεσης επαφής των αρπαγών της πειραματικής διάταξης κατά τη δοκιμή εφελκυσμού). Εκατέρωθεν του καλουπιού τοποθετούνται μεταλλικά ελάσματα διαστάσεων 165 mm x 50 mm, προκειμένου να διατηρείται σταθερό το μήκος του δοκιμίου ( 613 mm). Αυτά τα μεταλλικά ελάσματα, όμως, έχουν πολλαπλές λειτουργίες. Λειτουργούν ως αποστατήρες μεταξύ των πλεγμάτων και ως οδηγός για το πάχος της ανόργανης μήτρας μεταξύ των στρώσεων των πλεγμάτων. Έτσι, διατηρείται και κατασκευαστικά, σταθερό το πάχος των δοκιμίων ( 19(ή 10) mm στο μέσον και 25(ή20) mm στα άκρα). Επίσης, τα ελάσματα συντελούν στο να είναι οι στρώσεις των ινοπλεγμάτων τεντωμένες κατά την διάρκεια της διαδικασία του καλουπώματος.

66 47 (α) (β) Εικόνα 3.12: (α) Μεταλλότυπος στον οποίο διακρίνονται τα αποσπώμενα τμήματα μεταλλικά ελάσματα. (β) Τελική εικόνα καλουπιού μετά τη συναρμολόγηση και την τοποθέτηση ελασμάτων στα άκρα Δοκίμια 1L, 2L, 3L Αρχικά, κόβονται τα πλέγματα ινών άνθρακα στις κατάλληλες διαστάσεις με τη βοήθεια ενός ψαλιδιού. Κατά την διαδικασία αυτή απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή ώστε να μην δημιουργηθούν φθορές στα πλέγματα. Το μήκος τους πρέπει να είναι mm μεγαλύτερο από το μήκος του καλουπιού ( 713 mm) ώστε οι στρώσεις των πλεγμάτων να αγκυρώνονται καλά στα άκρα και να παραμένουν τανυσμένες κατά την διάρκεια της παρασκευής του δοκιμίου. Εν συνεχεία, καθαρίζεται επιμελώς το καλούπι και απομακρύνονται τυχόν υπολείμματα κονιάματος που είχαν παραμείνει από το ξεκαλούπωμα του προηγούμενου δοκιμίου. Έπειτα, αλείφονται όλα τα τμήματα του καλουπιού, που έρχονται σε επαφή με την ανόργανη μήτρα, με επαρκή ποσότητα λαδιού της εταιρίας Sika με την εμπορική ονομασία Separol (Εικόνα 3.4 (α)). Με το λάδι διευκολύνεται η διαδικασία του ξεκαλουπώματος και παράλληλα αποφεύγεται ο κίνδυνος να προκληθεί ζημιά στο ίδιο το δοκίμιο με προρηγμάτωση ή αποκόλληση τμήματος αυτού. Άλλωστε, στα δοκίμια της δεδομένης γεωμετρίας (διπλού κώδωνος) είναι εύκολο να προκληθεί ρηγμάτωση κατά το ξεκαλούπωμα και για το λόγο αυτό απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στη φάση αυτή.

67 48 (α) (β) Εικόνα 3.13: (α) Επάλειψη με λάδι του μεταλλικού (β) Τοποθέτηση της λάμας αλουμινίου στο ενδιάμεσο του καλουπιού για επίτευξη μείωσης πάχους στο μέσο. Μετά την επάλειψη με λάδι, τοποθετούνται ένα ή δύο ακραία μεταλλικά ελάσματα αποστατήρες σε κάθε άκρο του καλουπιού. Ο αριθμός των ελασμάτων που τοποθετούνται σε αυτή τη φάση εξαρτάται από τον αριθμό των στρώσεων των πλεγμάτων. Τοποθετείται και η λάμα αλουμινίου στο κάτω τμήμα και με τη βοήθεια μετροταινίας ελέγχουμε τις αποστάσεις από τα άκρα, ώστε η λάμα να είναι τοποθετημένη στο κέντρο του καλουπιού (Εικόνα 3.4β). Έχοντας προετοιμάσει το καλούπι, ζυγίζεται η ακριβής ποσότητα των συστατικών που απαρτίζουν την ανόργανη μήτρα και αναδεύονται τα υλικά με τη βοήθεια της μηχανής ανάμιξης όπως φαίνεται και στην Εικόνα (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 3.14: α) Ζύγιση ανόργανης μήτρας β) Ζύγιση νερού γ) Μηχανή ανάμιξης δ) Τελικό μίγμα έτοιμο προς χρήση

68 49 Έτσι, παρασκευάζεται η ανόργανη μήτρα και κατόπιν ξεκινά η διάστρωση της στο καλούπι. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται, ώστε να βρίσκεται στο κέντρο του καλουπιού η λάμα αλουμινίου κατά την διάστρωση της ανόργανης μήτρας. Η διάστρωση της ανόργανης μήτρας γίνεται με τη βοήθεια σπάτουλας, ώστε να γίνεται όσο το δυνατόν καλύτερη επιπέδωση, προκειμένου τα πλέγματα που θα τοποθετηθούν πάνω σε αυτή να μην παρουσιάζουν καμπυλότητα. Μετά το πέρας της αρχικής διάστρωσης, ακολουθεί μια στρώση πλέγματος. Έπειτα, τοποθετούμε από ένα μεταλλικό έλασμα σε κάθε άκρο του καλουπιού, φροντίζοντας το πλέγμα ινών να είναι όσο το δυνατόν τεντωμένο και ακολουθεί η επόμενη στρώση ανόργανης μήτρας. Με ανάλογο τρόπο τοποθετούνται οι επόμενες στρώσεις πλέγματος και ανόργανης μήτρας ανάλογα με το εκάστοτε δοκίμιο. Μετά την τελευταία στρώση πλέγματος, τοποθετούνται τα υπόλοιπα μεταλλικά ελάσματα αποστατήρες, τα οποία σταθεροποιούνται και βιδώνονται. Τέλος, γίνεται η διάστρωση της τελευταίας στρώσης ανόργανης μήτρας και τοποθετείται η λάμα αλουμινίου στο άνω κεντρικό τμήμα του δοκιμίου. Έτσι, επιτυγχάνεται η επιθυμητή γεωμετρία του δοκιμίου. Από τις Εικόνες που ακλουθούν μπορεί κανείς να έχει μια πλήρη αντίληψη για τη διαδικασία παρασκευής των δοκιμίων που μόλις αναπτύχτηκε. (α) (β) Εικόνα 3.15: α) Πρώτη στρώση ανόργανης μήτρας β) Επιπέδωση και τοποθέτηση πρώτης στρώσης πλέγματος

69 50 (α) (β) Εικόνα 3.16: α) Τοποθέτηση της λάμας αλουμινίου β) Τελική όψη δοκιμίου μέσα στο μεταλλότυπο Κατά την τοποθέτηση της λάμας αλουμινίου, την χτυπάμε ελαφρά με ένα σφυρί ώστε να διαφύγει τυχόν εγκλωβισμένος αέρας, που θα δημιουργούσε φυσαλίδες αέρα στην επιφάνεια του δοκιμίου. Για τον ίδιο λόγο, δονούμε ελαφρά το καλούπι. Αποφεύγεται η έντονη δόνηση διότι υπάρχει κίνδυνος να μετακινηθούν οι λάμες αλουμινίου ή να χαλαρώσουν οι κοχλίες. Μια τέτοια εξέλιξη, θα άλλαζε την γεωμετρία του δοκιμίου. Έτσι, η διαδικασία παρασκευής του δοκιμίου έχει ολοκληρωθεί. Το δοκίμιο αφήνεται για 24 ώρες εντός του καλουπιού και στη συνέχεια ξεκαλουπώνεται διαβρέχεται και τυλίγεται σε νάιλον και αποθηκεύεται για 28 μέρες. Εικόνα 3.17: Ένα δοκίμιο που μόλις έχει ξεκαλουπωθεί

70 Δοκίμια Nano_1L, Nano _2L, Nano_3L H διαδικασία στα δοκίμια αυτά διαφοροποιείται επειδή χρησιμοποιήθηκαν πολυτοιχωματικοί νανοσωλήνες άνθρακα ως πρόσθετα της τσιμεντοειδούς μήτρας. Η πρώτη διαφορά είναι, ότι αντί για τη χρήση λαδιού κατά την επάλειψη του καλουπιού, έγινε η χρήση λιπαντικού με βάση τη σιλικόνη ( lubricant silicon spray). Παρατηρήθηκε ότι, με το λάδι κατά τη διάρκεια του ξεκαλουπώματος υπήρξε αποκόλληση τμήματος του δοκιμίου πάνω στο καλούπι, ενώ με τη χρήση του λιπαντικού το δοκίμιο ξεκαλουπωνόταν με ιδιαίτερη ευκολία. Η επόμενη διαφορά είναι στον τρόπο ανάμιξης των υλικών. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα η νανοδομημένη μήτρα προκύπτει από την ανάμιξη του διαλύματος (νανοσωλήνες άνθρακα, νερό, επιφανειοδραστικό) με τη ξηρά κονία Μ1. Εικόνα 3.18: Αριστερά το δοχείο που περιέχει το διάλυμα και δεξιά η μήτρα Μ1 Η διαδικασία ανάμιξης έχει ως εξής: Αρχικά στο δοχείο που γινόταν η ανάμιξη ρίχνεται με προσοχή το διάλυμα που αναφέρθηκε νωρίτερα (νανοσωλήνες άνθρακα, νερό, επιφανειοδραστικό). Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφερθεί ότι το διάλυμα που χρησιμοποιήθηκε περιείχε 700ml νερού, χωρίς αυτό να επηρεάζει την ποσότητα νανοσωλήνων, η οποία είναι ίδια με αυτήν του πίνακα 3.4. Τα υπόλοιπα 100ml χρησιμοποιήθηκαν ώστε να ξεπλυθεί το δοχείο που περιείχε το αρχικό διάλυμα. Με αυτόν τον τρόπο,

71 52 δε χάνεται ποσότητα νανοσωληνων η οποία θα έμενε προσκολλημένη στα τοιχώματα του δοχείου. Εικόνα 3.19: Προσθήκη του διαλύματος στο δοχείο που θα γίνει η ανάμιξη Εικόνα 3.20: Ξέπλυμα του δοχείου με τη βοήθεια σύριγγας. Αριστερά ξέπλυμα των τοιχωμάτων του δοχείου και δεξιά ξέπλυμα του πώματος του δοχείου. Έπειτα προστίθεται η κονία με προσοχή ώστε να μην σχηματιστούν φυσαλίδες αέρα μέσα στο μίγμα και στην συνέχεια αφήνεται το μίγμα για περίπου 30 sec να απορροφήσει όλη την ποσότητα νερού.

72 53 (α) (β) (γ) Εικόνα 3.21: α,β) Τοποθέτηση της κονίας μέσα στο διάλυμα γ) Τελική εικόνα του μίγματος πριν αναδευτεί Στη συνέχεια, αναδεύεται με χαμηλή ταχύτητα το μίγμα για 30sec και μετά με τη βοήθεια σπάτουλας περισυλλέγεται το μίγμα από τα τοιχώματα ώστε να επιτευχτεί ομοιόμορφη ανάδευση όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 3.22: Περισυλλογή του μίγματος από τα τοιχώματα Αναδεύεται το μίγμα για ένα λεπτό σε μεσαία ταχύτητα και πλέον η νανοδομημένη μήτρα Μ1+MWCNTs είναι έτοιμη προς χρήση. Τέλος η διαδικασία που ακλουθήθκε είναι πανομοιότυπη με την διαδικασία που περιγράφηκε στην Eνότητα και έτσι παρασκευάζονται τα δοκίμια με νανοδομημένη μήτρα Νano_1L, Nano _2L, Nano _3L

73 54 Κλείνοντας, όλη η παραπάνω διαδικασία πρέπει να γίνεται τηρώντας στο μέγιστο κάποιους κανόνες ασφάλειας που αφορούν στην: προστασία του αναπνευστικού με χρήση ειδικές μάσκας σε όλη τη διάρκεια της παρασκευής των δοκιμίων με νανοδομημένη μήτρα. προστασία των χεριών με χρήση ειδικών γαντιών προστασία των ματιών με χρήση ειδικών γυαλιών ειδικά την ώρα της ανάδευσης Προετοιμασία δοκιμίων για μέτρηση της ηλεκτρικής τους αντίστασης Σε αυτήν την ενότητα, θα παρουσιαστεί με κάθε λεπτομέρεια η προετοιμασία των δοκιμίων, ώστε να μετρηθεί η κατά μήκος ηλεκτρικής τους αντίσταση. Η μέθοδος μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης που χρησιμοποιήθηκε ονομάζεται μέθοδος των τεσσάρων ηλεκτρόδιων με συνεχές ρεύμα (DC four-probe method) κι επιλέχτηκε ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα αντίστασης λόγω επαφής η οποία αναπτύσσεται στη διεπαφάνεια μεταξύ δοκιμίου και ηλεκτροδίων. Η μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης γίνεται με ένα ψηφιακό πολύμετρο ακρίβειας έξι ψηφίων. Υπάρχουν λοιπόν τέσσερα ηλεκτρόδια εκ των οποίων τα δυο εξωτερικά χρησιμεύουν, ώστε να περνά το συνεχές ρεύμα και τα δυο εσωτερικά, ώστε να μετρούν τη διαφορά δυναμικού σε Volt, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3.5(α). Μόνο σε μία ομάδα δοκιμίων (Nano_1L) χρησιμοποιήθηκαν δυο ηλεκτρόδια για την μέτρηση της ηλεκτρικης αντίστασης. Όταν χρησιμοποίουνται δύο ηλεκτρόδια, τότε κάθε ένα από αυτά χρησιμεύει και για να διοχετεύει το ρεύμα αλλά και για να μετρά τη διαφορά δυναμικού, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.5(β).

74 55 (α) (β) Σχήμα 3.5: Υπολογισμός Ηλεκτρικής Αντίστασης με χρήση (α) τεσσάρων ηλεκτροδίων (β) δύο ηλεκτροδίων όπως αποτυπώνεται στο εγχειρίδιο του πολύμετρου Keithley 2001 multimeter Η προετοιμασία των δοκιμίων περιλαμβάνει τα εξής βήματα: Σημαδεύονται οι περιοχές στις οποίες θα τοποθετηθούν τα τέσσερα ηλεκτρόδια. Η απόσταση των εξωτερικών ηλεκτροδίων είναι περίπου 220mm και των εσωτερικών ηλεκτροδίων 200mm, έτσι ώστε και τα τέσσερα ηλεκτρόδια να βρίσκονται στο ευθύ τμήμα του δοκιμίου, εκεί δηλαδή που αναμένονται οι ρωγμές, που θα προκληθούν λόγω του εφελκυσμού του δοκιμίου.

75 56 Εικόνα 3.23: Σημάδεμα των περιοχών στις οποίες έγιναν οι εγκοπές Δημιουργούνται εγκοπές μέχρι 1 mm σε όλη την περίμετρο του δοκιμίου με τη βοήθεια ενός δίσκου κοπής, ώστε να τοποθετηθούν εκεί τα ηλεκτρόδια. Εικόνα 3.24: Δημιουργία εγκοπών με χρήση δίσκου κοπής Εφαρμογή της αγώγιμης μπόγιας από άργυρο (silver paint) στις εγκοπές που μόλις δημιουργήθηκαν με τη βοήθεια ενός μικρού πινέλου.

76 57 Εικόνα 3.25: Εφαρμογή της αγώγιμης βαφής από άργυρο στις εγκοπές Τοποθέτηση του δοκιμίου στο φούρνο στους 125 ο C για δέκα λεπτά, έτσι ώστε η αγώγιμη βαφή να αποκτήσει τη μέγιστη αγωγιμότητα (έτσι προβλέπουν οι οδηγίες χρήσης) Εικόνα 3.26: Τοποθέτηση του δοκιμίου στο φούρνο στους 125 ο C Αφού το δοκίμιο επανέλθει σε θερμοκρασία δωματίου, τοποθετούνται τα ηλεκτρόδια με προσοχή, ώστε να μην υπάρξει αποκόλληση της αγώγιμης βαφής. Εφαρμογή της πάστας για κόλληση στις εγκοπές που υπάρχουν τα ηλεκτρόδια και σταθεροποίηση των ηλεκτροδίων με κόλληση. Η κόλληση πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή, ώστε να μην χαθεί η αγωγιμότητα της βαφής. Γι αυτό, όταν γίνεται η κόλληση, δε πρέπει το πιστόλι της κόλλησης να μένει πάνω από 3sec σε επαφή με το ηλεκτρόδιο, διότι αναπτύσσονται μεγάλες θερμοκρασίες που καταστρέφουν την αγωγιμότητα της βαφής από άργυρο.

77 58 Εικόνα 3.27: Τοποθέτηση των ηλεκτροδίων (των χάλκινων καλωδίων) στις εγκοπές (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 3.28: α,β) Εφαρμογή της πάστας για κόλληση στις εγκοπές γ) Πιστόλι, καλώδιο, πάστα για την κόλληση δ) Σταθεροποίηση των ηλεκτροδίων στις εγκοπές με κόλληση Έτσι τα δοκίμια είναι έτοιμα τόσο για τη δοκιμή εφελκυσμού όσο και για τη μέτρηση της ηλεκτρικής τους αντίστασης. Στη παρακάτω Εικόνα παρουσιάζεται ένα δοκίμιο έτοιμο προς δοκιμή. Φαίνονται επίσης και τα τέσσερα ηλεκτρόδια.

78 59 Εικόνα 3.29: Δοκίμιο έτοιμο προς δοκιμή 3.5 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ Γενικά Στην ενότητα αυτή, θα παρουσιαστεί ενδελεχώς, αφενός η πειραματική δοκιμή μονοαξονικού εφελκυσμού δοκιμίων διπλού κώδωνος και αφετέρου η ταυτόχρονη μέτρηση της κατά μήκος του δοκιμίου ηλεκτρικής αντίστασης Πειραματική διάταξη για τη μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης Όσον άφορα στη μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης μία σχηματική απεικόνιση της διάταξης φαίνεται στην Εικόνα Η ηλεκτρική αντίσταση στη διεύθυνση της τάσης (DC electrical resistance) μετρήθηκε κάνοντας χρήση ενός ψηφιακού πολύμετρου ακρίβειας έξι δεκαδικών ψηφίων με την ονομασία Keithley 2001 Digital Multimeter (Εικόνα 3.30). Όπως αναφέρθηκε, η μέτρηση έγινε κάνοντας χρήση τεσσάρων ηλεκτροδίων εκ των οποίων τα δυο εξωτερικά χρησιμεύουν, ώστε να περνά το συνεχές ρεύμα και τα δυο εσωτερικά, ώστε να μετρούν τη διαφορά δυναμικού σε Volt. Σε αυτό το σημείο, είναι σημαντικό να αναφερθεί, ότι όπως φαίνεται και από τη σχηματική απεικόνιση, η αντίσταση που μετράται είναι η κατά όγκον ηλεκτρική αντίσταση (bulk rsistance) στη διεύθυνση της τάσης και μάλιστα μεταξύ των δύο εσωτερικών ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρόδια που βρίσκονταν κολλημένα πάνω στο δοκίμιο, κολλούνταν με ειδικούς ακροδέκτες, οι οποίοι τοποθετούνταν στις τέσσερεις ειδικές θύρες που

79 60 βρίσκονται πάνω στο πολύμετρο. Τα δεδομένα της ηλεκτρικής αντίστασης μεταφέρονταν από το πολύμετρο στον υπολογιστή μέσω GPIB/USB converter. Η συχνότητα καταγραφής των δεδομένων κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας ήταν 5 Hz. Εικόνα 3.30: Πολύμετρο που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των δοκιμών (μπρος και πίσω όψη) Εικόνα 3.31: Σχηματική απεικόνιση της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης Πειραματική δοκιμή μονοαξονικού εφελκυσμού Αρχικά, τα δοκίμια λειαίνονται στην περιοχή της καμπυλότητας ώστε να μην υπάρχουν ατέλειες. Πιθανές ατέλειες στις περιοχή αυτή μπορεί να οδηγήσει το δοκίμιο σε πρόωρη

80 61 αστοχία μέσω σύνθλιψης στις αρπάγες. Οι περιοχές της καμπυλότητας των δοκιμίων εφελκυσμού είναι πολύ κρίσιμες για την συμπεριφορά τους. Έπειτα, τοποθετείται η κατάλληλη πειραματική διάταξη στη μηχανή διεξαγωγής πειραματικών δοκιμών MTS (Material Test System). Πρόκειται για μηχανή με δυνατότητα θλίψης και εφελκυσμού δυναμικότητας 250 kn. Η συχνότητα καταγραφής της μηχανής είναι 5 Hz. Εικόνα 3.32: Μηχανή διεξαγωγής πειραματικών δοκιμών MTS Η πειραματική διάταξη αποτελείται από δυο μέρη και έχει τη γεωμετρία όπως φαίνεται στην Εικόνα Η γεωμετρία της διάταξης για πειράματα μονοαξονικού εφελκυσμού επιτρέπει τις στροφές εντός και εκτός επιπέδου, έτσι ώστε να ακολουθεί την παραμόρφωση του δοκιμίου κατά την πειραματική δοκιμή. Το δοκίμιο τοποθετούνταν εντός της πειραματικής διάταξης και στη συνέχεια, το άνω τμήμα της διάταξης αναρτιόνταν μέσω υδραυλικών αρπαγών στη μηχανή. Στο σημείο αυτό, τοποθετούνταν ελαστομερή στα σημεία επαφής του δοκιμίου με τη διάταξη στην

81 62 περιοχή των καμπυλοτήτων. Τα ελαστομερή συντελούν στην πιο ήπια κατανομή των τάσεων. Μετά την τοποθέτηση των ελαστομερών, σταθεροποιείται και το κατώτερο τμήμα της διάταξης στις υδραυλικές αρπάγες. Είναι πολύ σημαντικό για την ορθότητα και αξιοπιστία των αποτελεσμάτων να ελέγχεται το δοκίμιο κάθε φορά να είναι στο μέσο των δυο τμημάτων της πειραματικής διάταξης ώστε να αποφεύγεται η πιθανότητα έκκεντρης φόρτισης. Εικόνα 3.33: Πλήρης διάταξη πειραματικής δοκιμής μονοαξονικού εφελκυσμού. Εκατέρωθεν του κεντρικού ευθύγραμμου τμήματος τοποθετούνταν από ένα LVDT (Linear Variable Differential Transformer) σε κάθε πλευρά του δοκιμίου. Δηλαδή, στο σύνολο τοποθετήθηκαν δυο LVDT. Η ακμή του LVDT ακουμπούσε σε ειδικά επικολλημένα ελάσματα αλουμινίου πάνω στο δοκίμιο. Τα LVDT έχουν τη δυνατότητα καταγραφής αξονικής μετατόπισης και για το λόγο αυτό απαιτούνταν ιδιαίτερη προσοχή ώστε να τοποθετούνται όσο το δυνατόν κατακόρυφα ώστε να μην έχουμε πλασματικές καταγραφές. Καθώς το έμβολο της μηχανής εφελκύει το δοκίμιο προς τα κάτω, κάθε LVDT καταγράφει τη μετατόπιση που υφίσταται. Συνεπώς, σε κάθε βήμα φόρτισης γνωρίζουμε την σχετική μετατόπιση του ενός ελάσματος ως προς το άλλο. Οι καταγραφές του ενός LVDT προσθέτονταν με τις

82 63 καταγραφές του άλλου και παίρναμε τον μέσο όρο των δυο. Αυτό γινόταν μέσω κατάλληλου λογισμικού. Ο ρυθμός επιβολής της φόρτισης ήταν 0.008mm/sec (displacement control test). Η καταγραφή της διαδρομής του εμβόλου, της δύναμης από την δυναμοκυψέλη και των ενδείξεων των αισθητήρων και μετρητών γινόταν μέσω κατάλληλου λογισμικού σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η πειραματική διαδικασία σταματά όταν πλέον το δοκίμιο δεν μπορεί να παραλάβει φορτία Συγχρονισμός των δυο παραπάνω δοκιμών Οι δοκιμές διενεργήθηκαν σε συνθήκες εργαστηρίου με θερμοκρασία 20±2 ο C και σχετική υγρασία 65±5 %. Για να αποφθεχθούν φαινόμενα πόλωσης (έχουν περιγραφεί στην ενότητα 1.3.3) και η μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης που μετράται να σχετίζεται με τη επιβολή παραμόρφωσης, πριν από τη δοκιμή μονοτονικού εφελκυσμού συνδεόταν το δοκίμιο με το πολύμετρο μέχρι η ηλεκτρική του αντίσταση να σταθεροποιηθεί. Ο χρόνος που απαιτείται για την σταθεροποίηση της ηλεκτρικής αντίστασης δεν είναι ίδιος για όλα τα δοκίμια και από δοκιμές βρέθηκε ότι κυμαίνεται από μισή έως και τρεις ώρες. Στο παρακάτω διάγραμμα (Σχ.3.6) δίνεται η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο για ένα δοκίμιο της ομάδας 2L, πριν αρχίσει η δοκιμή του εφελκυσμού. Σε αυτό το δοκίμιο, ο χρόνος που απαιτούνταν για να σταθεροποιηθεί η ηλεκτρική αντίσταση ήταν περίπου 1500sec δηλαδή περίπου μίση ώρα. Επομένως, αφού το δοκίμιο έχει πολωθεί πλήρως, το φαινόμενο της πόλωσης δεν επηρεάζει τις μετρήσεις της ηλεκτρικής αντίστασης. Έτσι η μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης μπορεί να αποδοθεί στην επιβολή παραμόρφωσης κι έτσι να καθίσταται δυνατό να εξεταστεί η ιδιότητα της πιεζοαντίστασης.

83 ΔR/R 0 (%) L Time (s) Σχήμα 3.6: Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης με το χρόνο πριν την έναρξη της δοκιμής μονοτονικού εφελκυσμού για το Μ1_2L Σε κάθε δοκιμή ακολουθήθηκε η παραπάνω διαδικασία κι η σειρά έχει ως εξής: Σύνδεση του δοκιμίου με το πολύμετρο από μισή έως τρεις ώρες μέχρι να ολοκληρωθεί το φαινόμενο της πόλωσης. Το δοκίμιο όντας συνδεδεμένο με το πολύμετρο, τοποθετείται στη μηχανή εφελκυσμού. Είναι σημαντικό να μην διακοπεί η σύνδεση του δοκιμίου με το πολύμετρο για αυτό χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στην τοποθέτηση του στη μηχανή εφελκυσμού. Όταν τοποθετηθεί με ασφάλεια το δοκίμιο στη μηχανή εφελκυσμού, ξεκινούν ταυτόχρονα τόσο η δοκιμή εφελκυσμού όσο και η μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης με τη χρήση πολύμετρου. Εφόσον οι δοκιμές ξεκινούν ταυτόχρονα, και έχοντας και τον ίδιο ρυθμό καταγραφής δεδομένων που ισούται με 5Hz οι δύο δοκιμές καθίστανται πλήρως συγχρονισμένες.

84 65 4. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΚΑΙ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Στο κεφάλαιο αυτό, θα παρουσιαστούν αναλυτικά τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών για κάθε μία από τις έξι ομάδες δοκιμίων. Θα παρουσιάζεται για κάθε δοκίμιο σε κοινό διάγραμμα η σχέση τάσης-παραμόρφωσης, αλλά και κλασματικής μεταβολής της αντίστασης με την παραμόρφωση, ώστε να διερευνηθεί η ιδιότητα της πιεζοαντίστασης. Επίσης, για κάθε δοκίμιο θα υπάρχει σκαρίφημα με τις ρωγμές που προκλήθηκαν, ώστε να γίνει προσπάθεια να συσχετισθεί η ιδιότητα της πιεζοαντίστασης με τη βλάβη του δοκιμίου. Τέλος, από τα διαγράμματα που θα εκπονηθούν θα γίνει προσπάθεια εκτίμησης του συντελεστή συσχέτισης για κάθε δοκίμιο ξεχωριστά. Κάθε ομάδα αποτελείται από τρία δοκίμια για κάθε ένα από τα οποία θα χρησιμοποιείται ο χαρακτηρισμός Δ1, Δ2, Δ3. Ομάδα δοκιμίων Τύπος μήτρας Στρώσεις πλέγματος Ηλικία δοκιμίου(ημέρες) Ονομασία ομάδας δοκιμίων 1 Μ1 1L 28 1L 2 Μ1 2L 28 2L 3 Μ1 3L 28 3L 4 Μ1+MWCNTs 1L 28 Nano_1L 5 Μ1+MWCNTs 2L 28 Nano_2L 6 Μ1+MWCNTs 3L 28 Nano_3L Πίνακας 4.1: Ομάδες Δοκιμίων

85 Υπολογισμός τάσης μέσης διατομής, παραμόρφωσης κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης και του συντελεστή συσχέτισης. Τάση μέσης διατομής Η διατομή στην οποία αναφερόμαστε και είναι αυτή που μας αφορά, είναι η μέση διατομή του ευθύγραμμου τμήματος στο μέσον του δοκιμίου. Είναι η περιοχή στην οποία παρουσιάζεται η στένωση κατά την έννοια του πάχους (περιπου 10mm για το δοκίμια με δύο στρώσεις και περίπου 19mm για τα δοκίμια με τρεις στρώσης). Το πλάτος, λόγω των πλευρικών τμημάτων του μεταλλότυπου, είναι 120mm). Έχοντας λοιπόν γνωστές αυτές τις δυο τιμές είμαστε σε θέση να ορίσουμε την μέση διατομή. Κατά την διεξαγωγή των πειραματικών δοκιμών, καταγράφονται οι τιμές του φορτίου από την μηχανή MTS στον ηλεκτρονικό υπολογιστή που είναι κατάλληλα συνδεδεμένος. Έτσι, για κάθε τιμή φορτίου, υπολογίζεται η αντίστοιχη τάση μέσης διατομής σε (MPa) από τον λόγο του φορτίου [P (N)] προς την μέση διατομή [ mm 2 ]. Παραμόρφωση Για την καταγραφή των μετατοπίσεων δυο LVDT. Οι τιμές των μετατοπίσεων από τα LVDT ήταν ο μέσος όρος των δυο [(U LVDT1 + U LVDT2 )/2]. Διαιρώντας τις τιμές των μετατοπίσεων που δίνουν τα LVDT με την αρχική απόσταση των ελασμάτων κατά την έναρξη του πειράματος, λαμβάνονται οι τιμές της παραμόρφωσης. Να επισημανθεί ότι, η μηχανή πειραματικών δοκιμών δίνει και αυτή τιμές μετατόπισης του εμβόλου. Όμως, η καταγραφή των μετατοπίσεων μέσω LVDT αποτελεί έναν εξωτερικό και ανεξάρτητο τρόπο μέτρησης. Αποτελεί, ουσιαστικά έναν εξωτερικό μετρητή παραμορφώσεων επομένως δεν υπεισέρχονται σφάλματα από αρχικές ολισθήσεις του δοκιμίου στην διάταξη ή σφάλματα που αφορούν το σύστημα των εσωτερικών μηκυνσιομέτρων της μηχανής MTS.

86 67 Κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης (DR/R 0 ) Μέσω της μεταφοράς των καταγραφών της ηλεκτρικής αντίστασης στον ηλεκτρονικό υπολογιστή είναι πολύ εύκολο να υπολογιστεί η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης. Ως R 0 ορίζεται η τιμή της ηλεκτρικής αντίστασης στην αρχή της δοκιμής δηλαδή για t 0. Ως DR ορίζεται η διαφορά της ηλεκτρικής αντίστασης σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή μείον την R 0. Συντελεστής συσχέτισης (gage factor) O συντελεστής συσχέτισης ορίζεται ως η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ανά μονάδα παραμόρφωσης. Είναι δηλαδή η κλίση της γραφικής παράστασης της κλασματικής μεταβολής της αντίστασης με την παραμόρφωση. Κλείνοντας, θα πρέπει να αναφερθεί ότι μέσω του λογισμικού της μηχανής εφελκυσμού μεταφέρονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή οι τιμές του χρόνου, της δύναμης του εμβόλου και οι μετατοπίσεις των LVDTs. Επίσης από το πολύμετρο στον ηλεκτρονικό υπολογιστή μεταφέρονται τιμές του χρόνου και της ηλεκτρικής αντίστασης. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα οι δυο δοκιμές ξεκινούν και τελειώνουν την ίδια χρονική στιγμή κι έχοντας και τον ίδιο ρυθμό καταγραφής (5Hz), είναι πλήρως συγχρονισμένες. 4.2 AΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Για κάθε δοκίμιο ξεχωριστά, θα απεικονίζεται σκαρίφημα τοπολογίας των ρωγμών του. Οι διακεκομμένες γραμμές του σκαριφήματος υποδεικνύουν το σημείο όπου ξεκινά η στένωση στο πάχος του δοκιμίου. H γραμμή με κόκκινο χρώμα δείχνει την ρωγμή της τελικής αστοχίας του δοκιμίου και το βιολετί χρώμα απεικονίζει τα τέσσερα ηλεκτρόδια. Μαζί με το σκαρίφημα του δοκιμίου, παρατίθεται Εικόνα με το τελικο στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου και καθώς και Πίνακας που αναφέρεται στις ρωγμές που δημιουργήθηκαν. Επιπλέον, στο διάγραμμα που ακολουθεί, παρουσιάζεται με μαύρο χρώμα το διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης και με μπλε χρώμα το διάγραμμα της κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης με την παραμόρφωση

87 68 Τέλος, κρίσιμες πειραματικές τιμές ανά ομάδα δοκιμίων δίνονται πινακοποιημένες στην Ενότητα Αποτελέσματα δοκιμίων Ομάδας 1 (1L) Δοκίμιο Δ1 Παρατηρείται ότι στο Δ1 παρουσιάστηκαν μόνο δύο ρωγμές, μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου ανάμεσα από τα ηλεκτρόδια και μία στο πάνω μέρος του δοκιμίου. Επίσης, παρατηρείται ότι δεν υπάρχει καμία ρωγμή στο μήκος στο οποίο μετράται η ηλεκτρική αντίσταση. Τέλος, η αστοχία στο Δ1 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος. (Σχ.4.1) (α) (β) Σχήμα 4.1: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας 1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας 1L

88 Stress (Mpa) DR/Ro(%) 69 Συνολικός αριθμός ρωγμών 2 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 0 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.2: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το Δ1 της ομάδας 1L 10 8 Stress DR/Ro(%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain(%) 0 Σχήμα 4.2: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας 1L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Από το Σχ.4.2 φαίνεται ότι, όταν το δοκίμιο βρίσκεται στην ελαστική περιοχή (το κονίαμα είναι αρηγμάτωτο και οι ίνες δε συμμετέχουν στην ανάληψη του φορτίου) η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης είναι αμελητέα. Επίσης, παρατηρείται ότι, με το άνοιγμα της πρώτης ρωγμής που σηματοδοτεί την είσοδο του δοκιμίου στο στάδιο ΙΙα, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης αυξάνεται απότομα και μάλιστα κάθε φορά που το δοκίμιο ρηγματώνεται, δηλαδή εκεί που έχουμε μικρή πτώση φορτίου, με τον ίδιο τρόπο συμπεριφέρεται και η καμπύλη της κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης. Η εν λόγω απότομη αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης αποδίδεται στην σταδιακή υποβάθμιση της συνάφειας μεταξύ του κονιάματος και των κλώνων που βρίσκονται σε άμεση επαφή με κονίαμα, καθώς και

89 70 στην απώλεια του κονιάματος (μέσω διαμπερών ρωγμών) ως μέσο διόδου του ηλεκτρικού φορτίου 1. Στη συνέχεια όμως, σε αντίθεση με την αναμενόμενη αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης λόγω του ότι, από τη στιγμή που το δοκίμιο εισέρχεται στο στάδιο ΙΙβ, (το επιβαλλόμενο φορτίο παραλαμβάνεται πλέον από το πλέγμα) έχουμε θραύση ινών, παρατηρείται εν τέλει πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης από παραμόρφωση ε=0,16%. Η εν λόγω πτώση αποδίδεται στο γεγονός ότι υπάρχει ρωγμή στα ανάμεσα στα ηλεκτρόδια με αποτέλεσμα να τίθεται υπό αμφισβήτηση η ορθότητα της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης. Δοκίμιο 2 Παρατηρείται ότι στο Δ2 παρουσιάστηκαν τέσσερεις ρωγμές, δύο στο κάτω μέρος του δοκιμίου και δύο στο πάνω μέρος του δοκιμίου. Μάλιστα, δεν υπάρχει καμία ρωγμή ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, ενώ υπάρχει και μια στο μετρούμενο μήκος της ηλεκτρικής αντίστασης. Η αστοχία στο Δ2 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος. (Σχ.4.3) 1 Η συνεισφορά του κονιάματος στην αγωγιμότητα του σύνθετου υλικού δεν έχει ποσοτικοποιηθεί στην παρούσα εργασία και αν δεν είναι μηδενική, αναμένεται μάλλον αρκετά μικρή λόγω χαμηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας του κονιάματος.

90 71 (α) (β) Σχήμα 4.3: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας 1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1της ομάδας 1L Συνολικός αριθμός ρωγμών 4 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 1 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 0 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.3: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το Δ2 της ομάδας 1L

91 Stress (MPa) DR/Ro (%) Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.4: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας 1L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Όταν το Δ2 βρίσκεται μέχρι το στάδιο ΙΙα (Σχ.4.4) παρατηρείται ίδια συμπεριφορά με το Δ1 της ομάδας 1L. Η διαφορά τους, έγκειται στο ότι, η αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης συνεχίζεται και μετά το τέλος του σταδίου ΙΙα (στο στάδιο ΙΙβ οι ίνες είναι εκείνες που παραλαμβάνουν το φορτίο), όπψς άλλωστε αναμενόταν. Η εν λόγω αύξηση αποδίδεται στη θραύση ινών άνθρακα που είναι και ο αγώγιμος δρόμος μέσα στο δοκίμιο. Τέλος παρατηρείται ότι, καθώς η κλίση της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης μειώνεται από το στάδιο ΙΙα στο ΙΙβ, μειώνεται και η κλίση της καμπύλης της κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης.

92 73 Δοκίμιο 3 Παρατηρείται ότι στο Δ3 παρουσιάστηκαν τρεις ρωγμές, μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου μία στο μέσο και μία στο πάνω μέρος ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια. Η αστοχία στο Δ3 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος. (Σχ.4.5) (α) (β) Σχήμα 4.5: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας 1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας 1L

93 Stress (MPa) DR/Ro (%) 74 Συνολικός αριθμός ρωγμών 3 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 1 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.4: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας 1L 10 Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) -10 Σχήμα 4.6: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας 1L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Είναι φανερό από το Σχ4.6 ότι, όσο το δοκίμιο βρίσκεται στην ελαστική περιοχή, δηλαδή στο στάδιο Ι, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης μειώνεται (μέχρι την παραμόρφωση πρώτης ρωγμής ε=0,075%) και το γεγονός αυτό αποδίδεται πιθανώς, σε ανωμαλία κατά τη διαδικασία της πόλωσης. Από το Σχ.4.6 παρατηρείται επίσης ότι, με το άνοιγμα της πρώτης ρωγμής που σηματοδοτεί την είσοδο του δοκιμίου στο στάδιο ΙΙα, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης αυξάνεται μέχρι ε= 0,27%.Στη συνέχεια όμως, παρατηρείται πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης, ενώ αναμενόταν αύξηση. Η εν λόγω πτώση, αποδίδεται στο γεγονός ότι υπάρχει ρωγμή στα ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, με αποτέλεσμα να επηρεάζεται η μέτρηση της ηλεκτρικής.

94 Αποτελέσματα δοκιμίων Ομάδας 2 ( 2L ) Δοκίμιο 1 Παρατηρείται ότι στο Δ1 παρουσιάστηκαν επτά ρωγμές, τέσσερις εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων, μία ανάμεσα στα ηλεκτρόδια στο πάνω μέρος, μία εκτός των ηλεκτροδίων στο πάνω μέρος και μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου εκτός των ηλεκτροδίων. Η αστοχία στο Δ1 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος. (Σχ.4.7) (α) (β) Σχήμα 4.7: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας 2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας 2L

95 Stress (Mpa) DR/Ro(%) 76 Συνολικός αριθμός ρωγμών 7 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 4 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.5: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας 2L 10 Stress DR/Ro(%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain(%) 0 Σχήμα 4.8: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας 2L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Η συμπεριφορά της μεταβολής της κλασματικής αντίστασης του δοκιμίου αυτού (Σχ.4.8) παρουσιάζει ομοιότητα με τη συμπεριφορά του Δ2 της ομάδας 1L. Πιο συγκεκριμένα παρατηρείται ότι στην ελαστική περιοχή, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης είναι αμελητέα, ενώ από το στάδιο ΙΙα και σε όλο το στάδιο ΙΙβ αυξάνεται. Τέλος, παρατηρείται από το Σχ.4.8 ότι, καθώς η κλίση της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης μειώνεται από το στάδιο ΙΙα στο ΙΙβ, μειώνεται και η κλίση της καμπύλης της κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης.

96 77 Δοκίμιο 2 Παρατηρείται ότι στο Δ2 παρουσιάστηκαν έξι ρωγμές, δύο στο πάνω μέρος του δοκιμίου δύο εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων, μία μεταξύ των κάτω ηλεκτροδίων και μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ2 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος. (Σχ.4.9) (α) (β) Σχήμα 4.9: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας 2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ2 της ομάδας 2L

97 Stress (Mpa) DR/Ro(%) 78 Συνολικός αριθμός ρωγμών 6 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 2 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.6: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ2 της ομάδας 2L 10 8 Stress DR/Ro(%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 strain (%) 0 Σχήμα 4.10: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας 2L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Από το διάγραμμα (Σχ.4.10) φαίνεται ότι, το δοκίμιο παρουσιάζει την ίδια συμπεριφορά με το Δ1 της ομάδας 2L, με τη διαφορά ότι σε παραμόρφωση ε=0,108%, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης αυξάνεται απότομα κάνοντας ένα απότομο άλμα. Μετά την απότομη αυτή αύξηση, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης συνεχίζει να αυξάνεται, αλλά με μικρότερη κλίση, σε σχέση με το στάδιο ΙΙα.

98 79 Δοκίμιο 3 Παρατηρείται ότι στο Δ3 παρουσιάστηκαν έξι ρωγμές, δύο στο πάνω μέρος του δοκιμίου τρεις εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ3 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος. (Σχ.4.11). (α) (β) Σχήμα 4.11: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας 2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας 2L

99 Stress (Mpa) DR/Ro(%) 80 Συνολικός αριθμός ρωγμών 6 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 2 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 0 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.7: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας 2L 10 Stress DR/Ro(%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain(%) 0 Σχήμα 4.12: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας 2L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Από το Σχ.4.12 παρατηρείται ότι, όταν το δοκίμιο βρίσκεται στην ελαστική περιοχή, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής είναι αμελητέα ενώ ξεκινάει να αυξάνεται όταν το δοκίμιο εισέλθει στο στάδιο ΙΙα. Από παραμόρφωση ε=0,08% έως ε=0,13% η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης μένει σταθερή και μέτα αυξάνεται μέχρι το τέλος του σταδίου ΙΙβ. Αυτή η απότομη αύξηση στην ηλεκτρική αντίσταση, όπως έχει ήδη αναφερθεί, αποδίδεται στην σταδιακή υποβάθμιση της συνάφειας μεταξύ του κονιάματος και των κλώνων που βρίσκονται σε άμεση επαφή με κονίαμα, αλλά και στην απώλεια του κονιάματος (μέσω διαμπερών ρωγμών) ως μέσο διόδου του

100 81 ηλεκτρικού φορτίου και όσον αφορά στην αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης που συνεχίζεται και μετά το τέλος του σταδίου ΙΙα αποδίδεται στη θραύση ινών άνθρακα. Δοκίμιο 4 Παρατηρείται ότι στο Δ4 παρουσιάστηκαν επτά ρωγμές, μία στο πάνω μέρος του δοκιμίου τέσσερις εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και δύο στο κάτω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ4 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο κάτω μέρος. (Σχ.4.13) (α) (β) Σχήμα 4.13: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ4 της ομάδας 2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ4 της ομάδας 2L

101 Stress (Mpa) DR/Ro(%) 82 Συνολικός αριθμός ρωγμών 7 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 4 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 0 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.8: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ4 της ομάδας 2L 10 8 Stress DR/Ro(%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.14: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ4 της ομάδας 2L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Από το διάγραμμα (Σχ.4.14) παρατηρείται ότι, η συμπεριφορά της κλασματικης μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης έχει τα ίδια χαρακτηριστικά με το Δ1 της ομάδας 2L με τη μόνη διαφορά ότι, το εύρος τιμών της κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης για το Δ1 της ομάδας 2L είναι μεγαλύτερο σε σχέση με το εύρος του δοκιμίου αυτού..

102 Αποτελέσματα Ομάδας 3 ( 3L ) Δοκίμιο 1 Παρατηρείται ότι στο Δ1 παρουσιάστηκαν οχτώ ρωγμές, δύο στο πάνω μέρος του δοκιμίου, πέντε εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ1 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος (Σχ.4.15). (α) (β) Σχήμα 4.15: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας 3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας 3L

103 Stress (MPa) DR/Ro(%) 84 Συνολικός αριθμός ρωγμών 8 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 5 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 0 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.9: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας 3L 10 8 Stress DR/Ro(%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain(%) 0 Σχήμα 4.16: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας 3L, διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Από το Σχ.4.16 παρατηρείται ότι, η συμπεριφορά της κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης έιναι παρόμοια με του δοκιμίου Δ1 της ομάδας 2L, δηλαδή στο στάδιο Ι η ηλεκτρικη αντίσταση μένει σταθερή και από το στάδιο ΙΙα και μέχρι το τέλος του σταδίου ΙΙβ αυξανεται.

104 85 Δοκίμιο 2 Παρατηρείται ότι στο Δ2 παρουσιάστηκαν δέκα ρωγμές, τρεις στο κάτω μέρος του δοκιμίου, δύο στο πάνω μέρος του δοκιμίου και πέντε εντός των δύο εσωτερικών ηλεκτροδίων. Η αστοχία στο Δ2 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο κάτω μέρος (Σχ.4.17). (α) (β) Σχήμα 4.17: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας 3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ2 της ομάδας 3L

105 stress (MPa) DR/Ro (%) 86 Συνολικός αριθμός ρωγμών 10 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 5 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 0 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.10: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ2 της ομάδας 3L 10 stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.18: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας 3L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Από το Σχ.4.18 φαίνεται ότι, όταν το δοκίμιο βρίσκεται στην ελαστική περιοχή αλλά και για ένα μέρος του σταδίου ΙΙα (μέχρι ε=0,12%) η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής είναι αμελητέα, ενώ μετά αυξάνεται απότομα μέχρι τη τελική αστοχία του δοκιμίου.

106 87 Δοκίμιο 3 Παρατηρείται ότι στο Δ3 παρουσιάστηκαν οχτώ ρωγμές, δύο στο κάτω μέρος του δοκιμίου, μία που εφάπτεται στο τελευταίο ηλεκτρόδιο που βρίσκεται στο κάτω μέρος του δοκιμίου, μία στο πάνω μέρος του δοκιμίου και τέσσερις εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων. Η αστοχία στο Δ3 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος (Σχ.4.19). (α) (β) Σχήμα 4.19: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας 3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας 3L

107 Stress (MPa) DR/Ro (%) 88 Συνολικός αριθμός ρωγμών 8 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 4 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.11: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας 3L 10 Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.20: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας 3L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης-παραμόρφωσης Από το δίαγραμμα του Σχ.4.20 παρατηρείται ότι, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης έχει περίπου την ίδια συμπεριφορά με του δοκιμίου Δ1της ομάδας 1L. Όπως και στο Δ1 της ομάδας 1L, έτσι και σε αυτό το δοκίμιο, προκύπτει πτώση της κλασματικής μεταβολής της αντίστασης (εδώ για ε=0,13%. Η εν λόγω πτώση αποδίδεται στο ότι υπάρχει ρωγμή που εφάπτεται στο κάτω ηλεκτρόδιο, με αποτέλεσμα να εμποδίζεται η σωστή μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης. Σε αντίθεση με το Δ1 της ομάδας 1L, από το Σχ.4.20 φαίνεται ότι η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται από το στάδιο Ι. Η εν λόγω αύξηση μπορεί από τη μία, να αποδοθεί στην υποβάθμιση της συνάφειας

108 89 μεταξύ κονιάματος και πλέγματος, αλλά από την άλλη δεν έχει την απαραίτητη επαναληψιμότητα, ώστε να εξαχθεί ασφαλές συμπέρασμα για το στάδιο αυτό Αποτελέσματα Ομάδας 4 Nano_1L Δοκίμιο 1 Παρατηρείται ότι στο Δ1 παρουσιάστηκαν τρεις ρωγμές, μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου, μία που εφάπτεται στα ηλεκτρόδια που βρίσκονται στο πάνω μέρος του δοκιμίου, μία στο πάνω μέρος του δοκιμίου και μία εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων. Η αστοχία στο Δ1 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος (Σχ.4.21).

109 90 (α) (β) Σχήμα 4.21: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας Nano_1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας Nano_1L Συνολικός αριθμός ρωγμών 3 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 1 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εξωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.12: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας Nano_1L

110 Stress (MPa) DR/Ro (%) Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.22: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας Nano_1L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Η συμπεριφορά της κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης όπως φαίνεται στο Σχ.4.22, έχει τα ίδια ποιότικα χαρακτηριστικά με του Δ2 της ομάδας 1L, με μία διαφορά. Η διαφορά παρατηρείται, στην ελαστική περιοχή, διότι από το Σχ.4.22 φαίνεται η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής να αυξάνεται ελάχιστα και αυτό είναι πιθανό να οφείλεται στη προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα στο κονίαμα. Τέλος, παρατηρείται ότι, καθώς η κλίση της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης μειώνεται από το στάδιο ΙΙα στο ΙΙβ, μειώνεται και η κλίση της καμπύλης της κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης.

111 92 Δοκίμιο 2 Παρατηρείται ότι στο Δ2 παρουσιάστηκαν τέσσερις ρωγμές, μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου, μία που εφάπτεται στα ηλεκτρόδια που βρίσκονται στο πάνω μέρος του δοκιμίου και δύο εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων. Η αστοχία στο Δ2 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος (Σχ.4.23). (α) (β) Σχήμα 4.23: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας Nano_1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου

112 Stress (MPa) DR/Ro (%) 93 Συνολικός αριθμός ρωγμών 4 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 2 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εξωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.13: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ2 της ομάδας Nano_1L 10 Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) -10 Σχήμα 4.24: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας Nano_1L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Από το Σχ.4.24 παρατηρείται ότι, όσον αφορά στο στάδιο Ι και ΙΙα η καμπύλη της κλασματικής μεταβολής της αντίστασης παρουσιάζει την ίδια συμπεριφορά με πολλά από τα δοκίμια που έχουν αναλυθεί μέχρι στιγμής, δηλαδή μένει σταθερή στο στάδιο Ι και αρχίζει να αυξάνεται στο στάδιο ΙΙα. Κατά τη μετάβαση όμως, από το ΙΙα στο ΙΙβ (από ε=0,23% έως ε=0,31%) παρατηρείται μια μεγάλη πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης, η οποία δε διαρκεί πολύ και μπορεί να αποδοθεί στο ότι υπάρχει ρωγμή στα ηλεκτρόδια, η οποία εμποδίζει τη σωστή μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης. Από το σημείο αυτό και έπειτα η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται μέχρι το τέλος του σταδίου ΙΙβ.

113 94 Δοκίμιο 3 Παρατηρείται ότι στο Δ3 παρουσιάστηκαν τέσσερις ρωγμές, μία που εφάπτεται στο ηλεκτρόδιο που βρίσκεται στο πάνω μέρος του δοκιμίου, δύο εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και μία στο κάτω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ3 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο κάτω μέρος (Σχ.4.25). (α) (β) Σχήμα 4.25: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας Nano_1L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας Nano_1L

114 Stress (MPa) DR/Ro (%) 95 Συνολικός αριθμός ρωγμών 4 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 2 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εξωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.14: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας Nano_1L 10 Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.26: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας Nano_1L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Από το Σχ.4.26 φαίνεται ότι, η καμπύλη της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης του Δ3 έχει τα ίδια ποιότικα χαρακτηριστικά με του Δ1 της ομάδας Nano_1L, δηλαδή παρουσιάζει και αυτό αύξηση, στην ηλεκτρική του αντισταση από το στάδιο ΙΙα, η οποία συνεχίζεται μέχρι το στάδιο ΙΙβ.

115 Αποτελέσματα Ομάδας 5 Nano_2L Δοκίμιο 1 Παρατηρείται ότι στο Δ1 παρουσιάστηκαν εννέα ρωγμές, μία που εφάπτεται στο ηλεκτρόδιο που βρίσκεται στο κάτω μέρος του δοκιμίου, πέντε εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και δύο στο κάτω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ1 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο κάτω μέρος (Σχ.4.27). (α) (β) Σχήμα 4.27: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας Nano_2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ1 της ομάδας Nano_2L \

116 Stress (MPa) DR/Ro (%) 97 Συνολικός αριθμός ρωγμών 9 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 5 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.15: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας Nano_2L Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.28: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας Nano_2L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Από το Σχ.4.28 παρατηρείται ότι, μέχρι και το τέλος του σταδίου ΙΙα (ε=0,21%) η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης αυξάνεται, όπως αναμενόταν. Μετά το πέρας του ΙΙα όμως, η ηλεκτρική αντίσταση μείωνεται και δείχνει να αντιλαμβάνεται μόνο την τελική αστοχία του δοκιμίου, διότι τότε παρατηρείται ένα πολύ μεγάλο άλμα. Η πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης αποδίδεται στην ύπαρξη ρωγμής που εφάπτεται στο κάτω ηλεκτρόδιο, η οποία εμποδίζει τη μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης.

117 98 Δοκίμιο 2 Παρατηρείται ότι στο Δ2 παρουσιάστηκαν πέντε ρωγμές, μία που βρίσκεται στο κάτω μέρος του δοκιμίου, τρεις εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και μία στο πάνω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ2 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο κάτω μέρος (Σχ.4.29). (α) (β) Σχήμα 4.29: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ2 της ομάδας Nano_2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου

118 Stress (Mpa) DR/Ro(%) 99 Συνολικός αριθμός ρωγμών 5 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 3 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 1 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.16: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ2 της ομάδας Nano_2L 10 Stress DR/Ro(%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.30: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας Nano_2L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Από το Σχ.4.30 γίνεται αντιληπτό ότι, μέχρι ένα σημέιο (ε=0,022%) η κλασματική μεταβολή της αντίστασης αυξάνεται και μάλιστα απότομα. Μετά μένει σταθερή (αναμενόταν να αυξάνεται) και μόνο στη θραύση του δοκιμίου αυξάνεται απότομα, όπως και το Δ1 της ομάδας Nano_2L. Το γεγονός ότι η ηλεκτρική αντίσταση μένει σταθερή, αποδίδεται στην ύπαρξη ρωγμής που εφάπτεται στο πάνω ηλεκτρόδιο, η οποία εμποδίζει τη σωστή μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης.

119 100 Δοκίμιο 3 Παρατηρείται ότι στο Δ3 παρουσιάστηκαν επτά ρωγμές, μία που βρίσκεται στο κάτω μέρος του δοκιμίου, τέσσερις εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και δύο στο πάνω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ3 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος του δοκιμίου (Σχ.4.31). (α) (β) Σχήμα 4.31: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της ομάδας Nano_2L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του Δ3 της ομάδας Nano_2L

120 Stress (MPa) DR/Ro(%) 101 Συνολικός αριθμός ρωγμών 7 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 4 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 0 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.17: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ3 της ομάδας Nano_2L 10 Stress DR/Ro(%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) 0 Σχήμα 4.32: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ3 της ομάδας Nano_2L, διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Από το Σχ.4.32, παρατηρείται ξεκάθαρα η αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης, η οποία ξεκινά από το στάδιο Ι και συνεχίζεται μέχρι το στάδιο ΙΙβ. Να σημειωθεί ότι, σε αυτό το δοκίμιο δεν υπήρξε ρωγμή που να είναι ανάμεσα ή να εφάπτεται στα ηλεκτρόδια, όπως στα άλλα δύο δοκίμια της ίδιας ομάδας.

121 Αποτελέσματα ομάδας 6 Nano_3L Δοκίμιο 1 Παρατηρείται ότι, στο Δ1 παρουσιάστηκαν επτά ρωγμές, μία που βρίσκεται στο κάτω μέρος του δοκιμίου, τέσσερις εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και δύο στο πάνω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ1 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος του δοκιμίου (Σχ.4.33). (α) (β) Σχήμα 4.33: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας Nano_3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου

122 Stress (MPa) DR/Ro (%) 103 Συνολικός αριθμός ρωγμών 7 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 4 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 0 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.18: Πίνακας τοπολογίας ρωγμών για το δοκίμιο Δ1 της ομάδας Nano_3L 10 Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) Σχήμα 4.34: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ1 της ομάδας Nano_3L, διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Από το Σχ.4.34 φαίνεται ότι, όταν το δοκίμιο βρίσκεται στην ελαστική περιοχή αλλά και για ένα μέρος του σταδίου ΙΙα (μέχρι ε=0,12%) η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης είναι αμελητέα, ενώ μετά αυξάνεται απότομα μέχρι τη τελική αστοχία του δοκιμίου (παρόμοια συμπεριφορά με το Δ2 της ομάδας 3L). Τέλος, παρατηρείται ότι δεν υπάρχουν ξεκάθαρα στάδια ΙΙα και ΙΙβ όπως σε άλλα δοκίμια.

123 104 Δοκίμιο 2 Παρατηρείται ότι στο Δ2 παρουσιάστηκαν δέκα ρωγμές, δύο που βρίσκονται στο κάτω μέρος του δοκιμίου, έξι εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων και δύο στο πάνω μέρος του δοκιμίου. Η αστοχία στο Δ2 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος του δοκιμίου (Σχ.4.35). (α) (β) Σχήμα 4.35: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ1 της ομάδας 6 Nano_3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου

124 Stress (MPa) DR/Ro (%) 105 Συνολικός αριθμός ρωγμών 10 Αριθμός ρωγμών στο μετρούμενο μήκος* 6 Αριθμός ρωγμών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ή ρωγμών που εφάπτονται στα 0 ηλεκτρόδια *Το μήκος μεταξύ των δυο εσωτερικών ηλεκτροδίων Πίνακας 4.19: Συμπεριφορά του δοκιμίου Δ2 της ομάδας Nano_3L 10 Stress DR/Ro (%) ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Strain (%) -5 Σχήμα 4.36: Πειραματικά αποτελέσματα του Δ2 της ομάδας Nano_3L, διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης και κλασματικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασηςπαραμόρφωσης Από το Σχ.4.36 παρατηρείται ότι, όταν το δοκίμιο βρίσκεται στην ελαστική περιοχή, αλλά και για ένα μέρος του σταδίου ΙΙα (μέχρι ε=0,126%) η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής είναι αμελητέα. Επιπλέον από το διάγραμμα παρατηρείται ότι όταν, το δοκίμιο όντας στο στάδιο ΙΙα και όχι από την αρχή του σταδίου, η κλασματική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασής του αυξάνεται απότομα μέχρι και το τέλος του ΙΙβ (παρόμοια ποιοτικά χαρακτηριστικά με Δ1 της ομάδας Nano_3L).

125 106 Δοκίμιο 3 Παρατηρείται ότι στο Δ3 παρουσιάστηκαν οχτώ ρωγμές, δύο που βρίσκονται στο κάτω μέρος του δοκιμίου, τέσσερις εντός των εσωτερικών ηλεκτροδίων, μία στο πάνω μέρος του δοκιμίου και μία που εφάπτεται στο πάνω ηλεκτρόδιο. Η αστοχία στο Δ3 επήλθε μέσω θραύσης ινών στη ρωγμή που βρίσκεται στο πάνω μέρος του δοκιμίου (Σχ.4.37). (α) (β) Σχήμα 4.37: α) Σκαρίφημα τοπολογίας ρωγμών του Δ3 της της ομάδας Nano_3L β) Τελικό στάδιο ρηγμάτωσης του δοκιμίου