ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΙΝΕΣ, ΚΑΤΑΛΛΗΛΑ ΓΙΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΦΕΡΟΝΤΟΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ ΑΠΟ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ (ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ, ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

ΣΟΥΠΙΩΝΗΣ, ΓΙΩΡΓΟΣ; Ζουμπουλάκης, Λουκάς

dc.contributor.author	ΣΟΥΠΙΩΝΗΣ, ΓΙΩΡΓΟΣ
dc.contributor.author	Ζουμπουλάκης, Λουκάς
dc.date.accessioned	2024-07-15T10:52:37Z
dc.date.available	2024-07-15T10:52:37Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59916
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27612
dc.rights	Default License
dc.subject	Σύνθετα υλικα	el
dc.subject	Ενίσχυση σκυροδεματος	el
dc.subject	Εποξιδικη ρητίνη	el
dc.subject	Composite materials	en
dc.subject	Reinforced concrete with carbon fiber	el
dc.subject	Composite materials construction field	el
dc.title	ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΙΝΕΣ, ΚΑΤΑΛΛΗΛΑ ΓΙΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΦΕΡΟΝΤΟΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ ΑΠΟ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ (ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ, ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ	el
dc.contributor.department	Πολυμερή υλικά	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Reinforced Concrete Structures Containing Chopped Carbon Fibers with Polymer Composite Materials	en
heal.classification	Σύνθετα υλικά πολυμερικης μήτρας	el
heal.classification	Ενίσχυση σκυροδεματος	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-07-09
heal.abstract	Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας είναι στις μέρες μας ευρέως διαδεδομένα και χρησιμοποιούνται σε πολλών ειδών εφαρμογές λόγω του συνδυασμού των εξαιρετικών ιδιοτήτων που μπορούν να προσδώσουν. Από τα πλέον διαδεδομένα σε χρήση σύνθετα υλικά είναι τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή με ίνες διαφόρων ειδών (λ.χ. ίνες υάλου ή ίνες άνθρακα) στο ρόλο του μέσου ενισχύσεως. Υπάρχει πλήθος εφαρμογών (ναυπηγική, αεροναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, κατασκευαστικός τομέας, ιατρική, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, κλπ.) στις οποίες τα παραπάνω σύνθετα υλικά πλεονεκτούν έναντι των συμβατικών υλικών κυρίως λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών γνωρισμάτων τους (λ.χ. χαμηλό ιξώδες, πυκνότητα). Στην περίπτωση πρακτικών εφαρμογών υψηλοτέρων απαιτήσεων από την άποψη των μηχανικών αντοχών χρησιμοποιούνται διαφόρων ειδών ίνες, με τις ίνες άνθρακα και τις αραμιδικές, να αποτελούν δύο εκ των πλέον διαδεδομένων τύπων ίνας. Σε ότι αφορά στις πολυμερικές ρητίνες, εκείνες που απαντώνται σε ποικίλες εφαρμογές στις κατασκευές είναι οι εποξειδικές ρητίνες. Η χρήση τους είναι ιδιαιτέρως εκτεταμένη στην περίπτωση των κατασκευών από σκυρόδεμα που έχουν υποστεί φθορές (σεισμοί, καιρικά φαινόμενα, γήρανση κ.α.) και η ανάγκη επισκευής τους είναι ζωτικής σημασίας, ειδικότερα σε ότι αφορά στις μη ενισχυμένες δομές, όπως οι τοιχοποιίες επί παραδείγματι, οι οποίες υφίστανται ευκολότερα και αμεσότερα καταπονήσεις. Τα τελευταία χρόνια τα υλικά μήτρας τσιμεντοκονιάματος ενισχυμένα με σύνθετα υλικά έχουν αρχίσει να κάνουν την εμφάνισή τους και φαίνεται να αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση με τεράστιες προοπτικές στις κατασκευές. Ειδικότερα τα σύνθετα υλικά εποξειδικής ρητίνης με ίνες άνθρακα αποτελούν συχνή επιλογή σε εφαρμογές στον κατασκευαστικό τομέα, κυρίως λόγω των εξαιρετικών αντοχών που παρουσιάζουν στις διατμητικές και θλιπτικές καταπονήσεις αλλά και εξαιτίας της απλότητας της εφαρμογής η οποία χαρακτηρίζει τα εν λόγω υλικά και ως αποτέλεσμα προκρίνει τη χρήση τους σε περίπλοκες δομές. Σκοπός αυτής της ερευνητικής διατριβής είναι να διερευνήσει και να αποτυπώσει τις δυνατότητες ανάπτυξης εναλλακτικών υλικών από σκυρόδεμα που θα είναι ενισχυμένα κατόπιν εφαρμογής συνθέτων υλικών στην εξωτερική τους επιφάνεια. Οι ανωτέρω διαπιστώσεις θα προκύψουν και θα τεκμηριωθούν σε συνέχεια πραγματοποίησης σειράς πειραματικών δοκιμών επί των μηχανικών ιδιοτήτων των υπό μελέτη υλικών. Η καινοτομία της παρούσας διατριβής είναι σημαντική. Στο πλαίσιο της διερευνώνται για πρώτη φορά οι δυνατότητες χρήσης υφασμάτων διαφορετικού τύπου και πλέξης, στην ανάπτυξη συνθέτων υλικών ενίσχυσης. Επίσης εξετάζεται η επίδραση που επέρχεται από τη χρήση διαφορετικών τύπων ινών στη μηχανική συμπεριφορά συνθέτων ενισχυτικών υλικών. Πέραν των όσων αναλύθηκαν προηγούμενα η συγκεκριμένη ερευνητική εργασία εισάγει μια εναλλακτική εκδοχή της πλέον διαδεδομένης σε χρήση μεθόδου ενίσχυσης στον κατασκευαστικό τομέα, η οποία είναι άμεσα και εύκολα εφαρμόσιμη και δεν απαιτεί παρά μόνο εξωτερικές επεμβάσεις. Η χρήση των υπό μελέτη υλικών δύναται να αποφέρει σημαντική εξοικονόμηση χρηματικών πόρων και εργασιακού χρόνου. Επιπλέον των παραπάνω τα υπό εξέταση υλικά παρέχουν μια διαφορετική από μεθοδολογικής απόψεως λύση σε περιπτώσεις όπου απαιτούνται άμεσες και αποτελεσματικές ενέργειες (ενίσχυση μετά από φυσικές καταστροφές) ώστε να καταστεί εφικτή η άμεση επαναχρησιμοποίηση των προβληματικών υποδομών. Οι ενισχυμένες μηχανικές ιδιότητες από τις οποίες χαρακτηρίζονται τα υλικά αυτά συμβάλλουν σημαντικά αφενός στην ενίσχυση της αντοχής και στην παράταση της ζωής των επιμέρους δομικών στοιχείων και αφετέρου στην παράταση του κύκλου της χρηστικής ζωής των κατασκευών (υποδομής ή κτιριακών) στις οποίες χρησιμοποιούνται. Για τις ανάγκες της παρούσας διατριβής κατασκευάστηκαν δοκίμια καθαρού τσιμεντοκονιάματος και δοκίμια τσιμεντοκονιάματος ενισχυμένα με ψιλοκομμένες ίνες άνθρακα, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προτύπου EN 196-1:1995, τα οποία εν συνεχεία επενδύθηκαν-με σκοπό την περαιτέρω ενίσχυσή τους-από υφάσματα ινών άνθρακα, υάλου, Kevlar σε μήτρα από εποξειδική ρητίνη. Κατασκευάστηκαν επίσης σύνθετα υλικά μήτρας εποξειδικής ρητίνης στα οποία ως ενισχυτικό μέσο χρησιμοποιήθηκαν υφάσματα ινών άνθρακα, υάλου και Kevlar. Τα εν λόγω σύνθετα υλικά υποβλήθηκαν σε πειραματικές δοκιμές εξέτασης των μηχανικών τους ιδιοτήτων και με σκοπό τον προσδιορισμό της αντοχής αυτών σε κάμψη, διάτμηση και θλίψη. Επί των ανωτέρω συνθέτων υλικών τσιμεντοκονιάματος με ενίσχυση από υφάσματα ινών άνθρακα και μήτρα εποξειδικής ρητίνης, πραγματοποιήθηκαν επιπρόσθετες πειραματικές μετρήσεις για τον προσδιορισμό των μηχανικών τους χαρακτηριστικών. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της γήρανσης στην μηχανική συμπεριφορά των υπό εξέταση υλικών και ειδικότερα, η αντοχή τους στις θλιπτικές καταπονήσεις. Τα υπό εξέταση υλικά επέδειξαν αντοχές σε κάμψη (σb) οι οποίες κυμαίνονται μεταξύ 136.2 και 405.1MPa. Σε ότι αφορά την αντοχή σε διάτμηση (τb) παρουσίασαν τιμές μεταξύ 21.2 και 33.54MPa. Αντιστοίχως η θλιπτική αντοχή των ανωτέρω συνθέτων υλικών επέδειξε τιμές μεταξύ 47.3-81.0MPa, οι οποίες περιορίστηκαν περαιτέρω όταν αυτά υπεβλήθησαν σε τεχνητή γήρανση, παραμένοντας παρόλα αυτά σε ικανοποιητικά επίπεδα. Μέσω της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) πραγματοποιήθηκε ο απαιτούμενος μορφολογικός χαρακτηρισμός ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα ως προς το βαθμό συνοχής στην διεπιφάνεια μεταξύ του συνθέτου ενισχυτικού υλικού και του προς ενίσχυση δομικού στοιχείου. Στο πλαίσιο του ανωτέρω χαρακτηρισμού, μελετήθηκε η δομή των τελικών συνθέτων με σκοπό τον εντοπισμό τυχόν ελαττωματικών θέσεων (κενά, σημεία περιορισμένης συνοχής μεταξύ ινών και ρητίνης κλπ).Τα αποτελέσματα των μελετών που διεξήχθησαν υποδεικνύουν ότι η ενίσχυση υλικών τσιμεντοκονιάματος με την χρήση υφασμάτων ινών άνθρακα, υάλου και Kevlar μέσα σε μήτρες εποξειδικής ρητίνης έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή υλικών με αρκετά καλές μηχανικές ιδιότητες. Η εισαγωγή στα δομικά στοιχεία τσιμέντου ψιλοκομμένων ινών άνθρακα πριν την ενίσχυση τους με υφάσματα ινών έχει ως αποτέλεσμα υλικά περαιτέρω ενισχυμένων αντοχών. Σε ότι αφορά στα ενισχυμένα με υφάσματα ινών άνθρακα υλικά, η κατεργασία που εφαρμόστηκε με σκοπό την τεχνητή γήρανση τους, οδήγησε στην υποβάθμιση των αντοχών των ανωτέρω υλικών η οποία ανήλθε στο 40% σε σχέση με τα μη γηρασμένα υλικά Το χαμηλό κόστος, η εύκολη και χωρίς επεμβατικές απαιτήσεις εφαρμογή και η κατεργασιμότητά που συνδέονται με τη χρήση τους σε συνδυασμό με την τεράστια εξοικονόμηση χρόνου που επιτυγχάνεται με την τοποθέτησή τους σε σύγκριση με τα κλασικά υλικά, τα καθιστούν κατάλληλα, ακόμα και σε δομικές εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων από πλευράς αντοχής.	el
heal.abstract	Polymeric matrix composites are nowadays widespread and used in many kinds of applications due to the combination of excellent properties they can provide. Among the most widely used composite materials are thermosetting polymers with fibers of various kinds (e.g. glass fibers or carbon fibers) in the role of reinforcement. Many applications are recorded (shipbuilding, aeronautical, automotive, construction, medicine, electronic computers, etc.), in which the above composite materials are advantageous over conventional materials mainly due to their special characteristics (e.g. low viscosity, density). In the case of practical applications with higher requirements in terms of mechanical strength, different types of fibers are used, with carbon and aramid fibers being two of the most common fiber types. As far as polymeric resins are concerned, those that are usually found in various construction applications are epoxy resins. In recent years cement matrix materials reinforced with composites have started to make their appearance and appear to be a promising alternative with huge prospects. In particular, the composite materials of epoxy resin with carbon fibers are widely used in the construction sector, mainly due to their excellent resistance to shear and compressive stresses but also due to the ease of application which characterizes the materials in question and as a result favors their use in complex structures. The purpose of this research thesis is to investigate and capture the possibilities of developing alternative concrete materials that will be strengthened by applying composite materials to their outer surface. The above findings will arise following the realization of a series of experimental tests on the mechanical properties of the materials under study. The innovation of the present thesis is significant. In its context, the possibilities of using carbon fabrics of different weaves, as well as other types of carbon fibers in the development of composite reinforcement materials are investigated for the first time. The effect caused by the use of different types of carbon fibers on the mechanical behavior of composite reinforcing materials is also examined. In addition to what was analyzed previously, this specific research introduces an alternative version of the most widespread reinforcement method used in the construction sector, which is immediately and easily applicable and requires only external interventions. The use of the materials under study can bring significant savings in financial resources and working time. In addition to the above, the materials under consideration provide a different methodological solution in cases where immediate and effective actions are required (reinforcement after natural disasters) in order to enable the immediate reuse of problematic infrastructures. The enhanced mechanical properties that characterize these materials contribute significantly on the one hand, to strengthening the strength and extending the life of the individual structural elements, and on the other hand, to extending the useful life of the structures in which they are used. For the needs of this research work, specimens of pure cement mortar and cement mortar reinforced with chopped carbon fibers were manufactured according to the requirements of EN 196-1:1995 which were then coated-in order to further strengthen them-by carbon fiber, glass, Kevlar fabrics and matrix made of epoxy resin. Epoxy resin matrix composites were also manufactured, in which carbon, glass and Kevlar fiber fabrics were used as a reinforcing agent. These composites have undergone experimental tests to examine their mechanical properties and to determine their bending strength, shear and compression. Additional experimental measurements were carried out composite cement mortar materials with carbon fiber fabric reinforcement and epoxy resin matrix to determine their mechanical characteristics. More specifically, the effect of aging on the mechanical behavior of the materials under examination and in particular, their resistance to compressive stresses was studied. The materials under consideration demonstrated bending strengths (σb) ranging between 136.2 and 405.1MPa. Respectively, in terms of shear strength (τb), they showed values between 21.2 and 33.54MPa. Accordingly, the compressive strength of the previously discussed composites with showed values between 47.3-81.0MPa, which were further reduced when they underwent artificial ageing, while remaining at satisfactory levels. By means of Scanning Electron Microscopy (SEM) the required morphological characterization was carried out in order to draw conclusions regarding the degree of cohesion at the interface between the composite reinforcing material and the structural element to be reinforced. In the context of the above characterization, the structure of the final composites was studied in order to identify any defective positions (gaps, points of limited cohesion between fibers and resin, etc.). The results of the studies conducted indicate that the reinforcement of cementitious materials using carbon fiber, glass and Kevlar fabrics within epoxy resin matrices results in the production of materials with fairly good mechanical properties. The use of chopped carbon fibers, into the cement structural elements, before reinforcing them with fiber fabrics results in materials with further enhanced mechanical strengths. As far as carbon fiber fabrics are concerned, the treatment applied for their artificial aging led to the degradation of the strength of the above materials, which amounted to 40% compared to non-artificially aged materials. The low cost, the easy and non-invasive application and the workability that their use requires in combination with the limitation of their installation time compared to classic materials, make them suitable, even in structural applications with high requirements in terms of strength.	en
heal.advisorName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτρης
heal.committeeMemberName	Χαριτιδης, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Λυμπερατος, Γεράσιμος
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Τσακαλακης, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Μπακόλας, Αστέριος
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false