Κατασκευή και μελέτη πολυμερικού σκυροδέματος εποξειδικής υβριδικής μήτρας ενισχυμένο με ινώδη και κοκκώδη εγκλείσματα

Abstract

During last decades, building industry has incorporated polymers and polymer matrix composites in the spectrum of the available methods and materials for a number of applications. Polymers matrix composites can either be applied on existing structure members (e.g. carbon fiber plates on concrete beams) or they can be used to substitute traditional building materials (e.g. glass or carbon fibers rebars substituting concrete reinforcement steel rebars).Since concrete is one of the most important modern building materials, quite extensive research has been made in the field of enhancing its properties by the use of polymers. Two main strategies have been followed. First strategy does not alter the cementious composition of the material. Two main categories are derived from this approach: Polymer Impregnated Concrete (PIC) and Polymer Modified Concrete (PMC). PIC is hardened concrete which is impregnated by a low-viscosity polymer, while PMC is a cementious concrete which, when still in liquid phase, polymers are added in its mass. In the second strategy, cementious matrix is totally replaced by a polymer. The product of these procedure is called Polymer Concrete (PC).This work is an experimental investigation of a polymer concrete material consisting of a polymer epoxy matrix and marble sand, serving as a hybrid matrix, and various types of reinforcements, namely short E-glass fibers, E-glass beads and short stainless steel fibers.The mechanical properties (stiffness and flexural strength) of the materials are investigated by means of three-point bending tests (TPB) and a empirical model is developed and applied in order to reproduce the stiffness variation due to variation of the reinforcement content. Additionally, scan electron microscopy (SEM) was used in order to investigate the structure of the materials that were manufactured.Since polymers are known to exhibit high degradation of their mechanical properties under elevated temperatures, an experimental scheme was conducted to investigate, in a quantitative manner, the extend of degradation that an open gas flame causes to the materials manufactured. The role of reinforcement content in limiting mechanical degradation was studied. Additionally, an effort was made to develop and apply models capable of predicting degradation at different exposure to flame time periods.Finally, and due to the fact that polymers are characterized by strong viscoelastic behavior, an experimental procedure was conducted in order to investigate relaxation behavior of the materials manufactured and tested. Relaxation experiments were conducted on material specimens and the results were used to apply and validate a number of models used to reproduce their viscoelastic behavior.

Κατά την διάρκεια των αμέσως προηγούμενων δεκαετιών, η οικοδομική βιομηχανία ενσωμάτωσε τα πολυμερή και τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας στο φάσμα των μεθόδων και υλικών που χρησιμοποιεί για ένα μεγάλο αριθμό εφαρμογών. Τα υλικά πολυμερικής μήτρας μπορούν είτε να εφαρμοστούν σε υφιστάμενα στοιχεία των κατασκευών (π.χ. ελάσματα άνθρακα σε στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα) ή μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την αντικατάσταση συμβατικών δομικών υλικών (π.χ. αντικατάσταση ράβδων χάλυβα με ράβδους υάλου ή άνθρακα).Εφόσον το σκυρόδεμα είναι ένα από τα πιο σημαντικά σύγχρονα οικοδομικά υλικά, έχει διεξαχθεί εκτεταμένη έρευνα στον τομέα της χρήσης πολυμερών για την βελτίωση των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων του. Δύο κύριες στρατηγικές έχουν ακολουθηθεί: Η πρώτη στρατηγική δεν αλλοιώνει την τσιμεντοειδή μήτρα του υλικού. Δυο κατηγορίες έχουν προκύψει από την εφαρμογή αυτής της στρατηγικής : το εμποτισμένο με πολυμερή σκυρόδεμα {Polymer Impregnated Concrete (PIC)} και το τροποποιημένο με πολυμερή σκυρόδεμα { Polymer Modified Concrete (PMC)}. Το PIC είναι σκυρόδεμα που μετά την σκλήρυνση του έχει εμποτιστεί με ένα πολυμερές χαμηλού ιξώδους ενώ το PMC είναι ένα σκυρόδεμα στην μάζα του οποίου, ενώ βρίσκεται ακόμα στην ρευστή φάση, έχουν προστεθεί πολυμερή. Η δεύτερη στρατηγική η τσιμεντοειδής μήτρα του σκυροδέματος αντικαθίσταται εντελώς από μια πολυμερική μήτρα. Το παράγωγο αυτής της διαδικασίας ονομάζεται πολυμερικό σκυρόδεμα {Polymer Concrete (PC)}.Αυτή η εργασία είναι μια πειραματική διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερικού σκυροδέματος που αποτελείται από εποξειδική ρητίνη και μαρμαρόσκονη, που από κοινού θα αποτελούν την υβριδική μήτρα του υλικού, και διάφορους τύπους ενίσχυσης όπως ίνες υάλου, σφαιρίδια υάλου και ίνες χάλυβα.Οι μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας και αντοχή) των υλικών διερευνήθηκαν υπό συνθήκες κάμψης τριών σημείων (TPB) ενώ αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε ένα εμπειρικό μοντέλο σε μια προσπάθεια να υπολογιστεί η μεταβολή του μέτρου ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας σε ενίσχυση. Επιπρόσθετα, η δομή των υλικών που κατασκευάστηκαν διερευνήθηκε με την μέθοδο της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (Scan Electron Microscopy - SEM).Τα πολυμερή είναι γνωστό ότι υφίστανται έντονη υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών. Για τον λόγο αυτό ακολουθήθηκε μια πειραματική διαδικασία ώστε να διερευνηθεί ποσοτικά η έκταση αυτής της υποβάθμισης όταν το υλικό υποβληθεί σε μια ανοικτή φλόγα αερίου (βουτανίου/προπανίου). Επιπροσθέτως, διερευνήθηκε η επίδραση της περιεκτικότητας σε ενίσχυση στον περιορισμό της έκτασης της υποβάθμισης, ενώ έγινε προσπάθεια για την ανάπτυξη και εφαρμογή μοντέλων για την πρόβλεψη της υποβάθμισης που προκαλείται υπό διαφορετική χρονική διάρκεια έκθεσης στην φλόγα.Τέλος, και εξαιτίας του γεγονότος ότι τα πολυμερή χαρακτηρίζονται από έντονη βισκοελαστική συμπεριφορά, διεξήχθη μια πειραματική διαδικασία (χαλάρωση υπό συνθήκες κάμψης τριών σημείων) με σκοπό να μελετηθούν οι βισκοελαστικές ιδιότητες των υλικών που κατασκευάστηκαν. Παράλληλα, αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν μοντέλα που μπορούν να αναπαράγουν την βισκοελαστική συμπεριφορά τους.