Μελέτη της επίδρασης των ινών στη μηχανική συμπεριφορά του ινοπλισμένου σκυροδέματος

Abstract

Nowadays, there is a continuing need for the production and development of new materials. Furthermore, the enhancement and investigation of mechanical properties comprises an imperative need for the modern technological world, due to the increased demands of sophisticated and complex applications. For this reason, materials, such as concrete, that are widely used in construction are continuously developed and evolved to fulfill the increasing demands and applications. Thus, the development of fiber reinforced concrete covers several requirements of modern construction, due to the fact that some of the mechanical properties of concrete are improved by the addition of fibers. The objective of this thesis is the study of the effect of fibers on the mechanical properties of steel fiber reinforced concrete. Therefore, the fiber/matrix interface was investigated and the compressive and flexural properties of fiber reinforced concrete were studied. Specifically, the fiber/matrix interface was studied by fiber pullout testing in order to investigate the influence of fiber geometrical characteristics, the effect of zinc phosphate chemical treatment of fibers with different geometry, and the impact of fiber volume fraction on the pullout behavior. Concerning the compressive and flexural properties of fiber reinforced concrete, the influence of matrix quality, through modification of the w/c ratio was studied and compared with the properties of plain concrete. The effect of the fiber geometrical characteristics, such as length, diameter, shape and aspect ratio on these properties was also investigated. Moreover, the fiber volume fraction and the chemical treatment have been studied with respect to compressive and flexural properties of fiber reinforced concrete. The effect of these two factors was evaluated by the nondestructive method of Acoustic Emission. Additionally, the geometrical characteristics of the treated and as received fibers were unified into one parameter, the contact area, which is associated with the normalized residual strength and normalized toughness. This enables the determination of an optimal combination of contact area and number of fibers in the specimen for obtaining an optimum value of toughness.

Στη σημερινή εποχή υπάρχει μία συνεχής ανάγκη για τη δημιουργία και ανάπτυξη νέων υλικών. Επιπλέον, η ενίσχυση και η διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων τους αποτελεί επιτακτική ανάγκη του σύγχρονου τεχνολογικού κόσμου, λόγω των αυξημένων απαιτήσεων των εξελιγμένων και σύνθετων εφαρμογών. Για το λόγο αυτό, υλικά που είναι ευρέως διαδεδομένα στον κατασκευαστικό τομέα, όπως το σκυρόδεμα, συνεχίζουν να αναπτύσσονται και να εξελίσσονται, ώστε να καλύπτουν τις όλο και αυξανόμενες ανάγκες και εφαρμογές. Η ανάπτυξη, λοιπόν, του ινοπλισμένου σκυροδέματος καλύπτει αρκετές απαιτήσεις των σύγχρονων κατασκευών, καθώς οι ίνες βελτιώνουν κάποιες από τις μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη της επίδρασης των ινών στις μηχανικές ιδιότητες του ινοπλισμένου σκυροδέματος με ίνες χάλυβα. Ως εκ τούτου, διερευνήθηκε η διεπιφάνεια ίνας/μήτρας και μελετήθηκαν οι θλιπτικές και καμπτικές ιδιότητες του ινοπλισμένου σκυροδέματος. Συγκεκριμένα, η μελέτη της διεπιφάνειας ίνας/μήτρας που πραγματοποιήθηκε μέσω δοκιμών εξόλκευσης, αφορά την επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των ινών, της χημικής τροποποίησης με φωσφορικό ψευδάργυρο σε ίνες διαφορετικών γεωμετριών και της κατ’ όγκον περιεκτικότητας των ινών στη συμπεριφορά εξόλκευσης. Σχετικά με τη διερεύνηση των θλιπτικών και καμπτικών ιδιοτήτων του ινοπλισμένου σκυροδέματος μελετήθηκε η επιρροή της ποιότητας της μήτρας μέσω της διαφοροποίησης του λόγου Ν/Τ και συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες ιδιότητες του άοπλου σκυροδέματος. Επίσης, ερευνήθηκε η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των ινών, όπως το μήκος, η διάμετρος, το σχήμα και ο λόγος μορφής τους στις συγκεκριμένες ιδιότητες. Επιπλέον, η κατ΄όγκον περιεκτικότητα των ινών, καθώς και η χημική τροποποίησή τους αποτέλεσε αντικείμενο μελέτης αναφορικά με τις θλιπτικές και καμπτικές ιδιότητες του ινοπλισμένου σκυροδέματος. Η επίδραση των δύο συγκεκριμένων παραγόντων αποτιμήθηκε και με τη μη καταστροφική μέθοδο της Ακουστικής Εκπομπής. Επιπρόσθετα, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των τροποποιημένων και μη τροποποιημένων ινών συνδυάστηκαν σε μία παράμετρο, την επιφάνεια επαφής, η οποία συσχετίστηκε με την κανονικοποιημένη παραμένουσα αντοχή και την κανονικοποιημένη δυσθραυστότητα. Bάσει αυτού μπορεί να εξαχθεί ο βέλτιστος συνδυασμός επιφάνειας επαφής και αριθμού ινών στο δοκίμιο για τη βέλτιστη δυσθραυστότητα.