ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ DESCRIPTION
Αισθητήρες από νανοσύνθετα υλικά με βάση το τσιμέντο για συνεχή και μη καταστροφικό έλεγχο της δομικής ακεραιότητας κατασκευών από σκυρόδεμα σε πραγματικό χρόνο. Cement-based nanocomposite sensors for real-time continuous and non-destructive structural integrity monitoring of concrete structures.
Η εφεύρεσή αναφέρεται στο τεχνικό πεδίο της νανοτεχνολογίας και ειδικότερα στην ανάπτυξη καινοτόμων αισθητήρων από νανοσύνθετα υλικά με βάση το τσιμέντο. The invention refers to the technical field of nanotechnology and in particular to the development of innovative sensors from cement-based nanocomposites.
Η πλειονότητα των έργων υποδομής στις μέρες μας κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας υλικά με βάση το τσιμέντο. Αυτό συμβαίνει λόγω της υψηλής θλιπτικής τους αντοχής, του χαμηλού τους κόστους και της ευκολίας τους στη χρήση. Παρά τα πολλά τους πλεονεκτήματα όμως τα τσιμεντοειδή υλικά, εξαιτίας της χαμηλής εφελκυστικής τους αντοχής, της μικρής ικανότητας παραμόρφωσης και της χαμηλής ενέργειας θραύσης, ρηγματώνοται πολύ εύκολα, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ανθεκτικότητας και της ασφάλειας των κατασκευών υποβαθμίζοντας τη δομική τους ακεραιότητα. Σύμφωνα με τους σύγχρονους κώδικες σχεδιασμού κατασκευών από σκυρόδεμα, όπως είναι, για παράδειγμα ο EC2 (2004) και ο ACI318 (2008), τα δομικά συστήματα από οπλισμένο σκυρόδεμα σχεδιάζονται έτσι ώστε να είναι δεδομένη η ρηγμάτωση του υλικού και η συνεισφορά του σκυροδέματος στην ανάληψη εφελκυστικών τάσεων να είναι αμελητέα. Επίσης, σε χώρες με ιδιαίτερα έντονη σεισμική δραστηριότητα όπως η Ελλάδα, για να θωρακιστεί η ασφάλεια ζωής και περιουσίας των πολιτών, έχει αναπτυχθεί ένα εκτενές νομοθετικό πλαίσιο για τη διασφάλιση των κτιρίων έναντι σεισμού. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην Ελλάδα δημοσιεύτηκε ο πρώτος Αντισεισμικός Κανονισμός «Αντισεισμικός Κανονισμός Κορίνθου - Λουτρακιού» στις 1-11-1928 και έκτοτε έχουν ακολουθήσει πολλοί νεότεροι κανονισμοί αντισεισμικής προστασίας. Σε κάθε περίπτωση, σε περίπτωση σεισμού υψηλών ρίχτερ απαιτείται ο επιτόπου έλεγχος των κατασκευών από ειδικά κλιμάκια της πολιτείας. Αρχικά πραγματοποιείται Ταχύς Οπτικός Έλεγχος (ΤΟΕ) ενώ λεπτομερής καταγραφή της κατάστασης των κτιρίων ακολουθεί από ειδικά κλιμάκια μηχανικών. Σε κάθε περίπτωση η αποτίμηση της ακριβής κατάστασης που βρίσκεται το κάθε κτίριο απαιτεί ενδελεχή έλεγχο κάθε σημείου ενδιαφέροντος από τους ελεγκτές μηχανικούς λαμβάνοντας ειδικά δοκίμιακαρότα από κρίσιμες περιοχές της κατασκευής το οποίο υποβαθμίζει περαιτέρω τη δομική της ακεραιότητα. The majority of infrastructure projects nowadays are constructed using cement-based materials. This is due to their high compressive strength, low cost and ease of use. However, despite their many advantages, cementitious materials, due to their low tensile strength, low deformation capacity and low fracture energy, crack very easily, which has the effect of reducing the durability and safety of constructions by degrading their structural integrity . According to modern concrete design codes, such as EC2 (2004) and ACI318 (2008), for example, reinforced concrete structural systems are designed so that the cracking of the material and the contribution of the concrete to the lifting tensile stresses to be negligible. Also, in countries with particularly intense seismic activity such as Greece, in order to protect the safety of life and property of citizens, an extensive legislative framework has been developed to safeguard buildings against earthquakes. It is worth noting that in Greece the first Anti-Seismic Regulation "Anti-Seismic Regulation of Corinth - Loutraki" was published on 1-11-1928 and since then many newer anti-seismic protection regulations have followed. In any case, in the event of a high-magnitude earthquake, the on-site inspection of constructions by special levels of the state is required. Initially, a Rapid Visual Inspection (FOC) is carried out, while a detailed recording of the condition of the buildings is followed by special teams of engineers. In any case, the assessment of the exact condition of each building requires a thorough inspection of each point of interest by the inspection engineers, taking special test samples from critical areas of the structure, which further degrades its structural integrity.
Σύμφωνα με τις παραδοσιακές προσεγγίσεις, που κατά την παρούσα περίοδο χρησιμοποιούνται από τη δομική βιομηχανία για την παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας των δομικών στοιχείων, απαιτείται η χρήση ενσωματωμένων ή προσκολλημένων αισθητήρων υψηλού κόστους. Οι αισθητήρες τοποθετούνται σε συγκεκριμένες περιοχές και ο αριθμός των αισθητήρων που χρησιμοποιούνται βασίζεται κυρίως σε οικονομικά κριτήρια. Ακόμη, ένα πρόσθετο πρόβλημα είναι η ευαισθησία των αισθητήρων η οποία επηρεάζεται από τις διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Traditional approaches currently used by the construction industry to monitor the structural integrity of building components require the use of high-cost embedded or attached sensors. Sensors are placed in specific areas and the number of sensors used is mainly based on economic criteria. Also, an additional problem is the sensitivity of the sensors which is affected by the different environmental conditions.
Η παρούσα εφεύρεσή στηρίζεται στην καινοτόμα ιδέα ότι η μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης του υλικού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας ή/και την αποτίμηση της βλάβης της κατασκευής. Συγκεκριμένα το ίδιο το υλικό μπορεί να ενισχυθεί-τροποποιηθεί έτσι ώστε να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της συμπεριφοράς μιας κατασκευής κατά τη λειτουργία της. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η πρόωρη διάγνωση και η έγκαιρη αντιμετώπιση πιθανών προβλημάτων ανθεκτικότητας με αποτέλεσμα να αποφευχθούν οι δαπανηρές επισκευές. Λόγω του ότι τα υλικά με βάση το τσιμέντο δεν είναι καλοί αγωγοί της ηλεκτρικής ενέργειας (μονωτές) η χρήση αγώγιμης ενίσχυσης είναι απαραίτητη για να προσδώσει στο υλικό την ικανότητα να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα. Μέχρι στιγμής, για την ανάπτυξη ευφυών συνθέτων υλικών με βάση το τσιμέντο έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως ίνες άνθρακα [J. Mater. Civ. Eng. ASCE, 2006, 18, 355-360, J. Compos. Mater., 2007, 41, 125-131]. Εντούτοις, βρέθηκε ότι, λόγω θραύσης των ινών, η αγωγιμότητας τους σε παραμορφώσεις μεγαλύτερες από 0.2% μεταβάλλεται ανεπιστρεπτή το οποίο καθιστά αυτά τα υλικά ακατάλληλα για τον εντοπισμό των υψηλών τάσεων στην κατασκευή [Cement Concrete Res., 1999, 29, 445-449]. The present invention is based on the novel idea that measuring the electrical resistance of the material can be used to monitor structural integrity and/or assess structural damage. In particular, the material itself can be reinforced-modified so that it can be used to control the behavior of a structure during its operation. In this way, early diagnosis and timely treatment of possible durability problems is achieved, thus avoiding costly repairs. Because cement based materials are not good conductors of electricity (insulators) the use of conductive reinforcement is necessary to give the material the ability to carry electricity. So far, carbon fibers have been widely used for the development of intelligent cement-based composites [J. Mater. Civ. Eng. ASCE, 2006, 18, 355-360, J. Compos. Mater., 2007, 41, 125-131]. However, it was found that, due to fiber breakage, their conductivity at strains greater than 0.2% changes irreversibly, which makes these materials unsuitable for locating high stresses in construction [Cement Concrete Res., 1999, 29, 445-449] .
Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της νανοτεχνολογίας έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη καινοτόμων εξαιρετικά αγώγιμων υλικών καθιστώντας δυνατή την ανάπτυξη πολύλειτουργικών νανοσυνθέτων υλικών με βάση το τσιμέντο. Τα πιο καινοτόμα και σύγχρονα υλικά σε νανοκλίμακα είναι οι νανοδομές άνθρακα όπως τα νανοφύλλα γραφενίου και οι νανοσωλήνες άνθρακα. Εμφανίζουν εξαιρετικά υψηλή ακαμψία (Μέτρο Ελαστικότητας μεγαλύτερο από 1 TPa), αντοχή, ικανότητα παραμόρφωσης, και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Επιπλέον, η ηλεκτρική τους αντίσταση του μεταβάλλεται ανάλογα με την επιβαλλόμενη παραμόρφωση το οποίο τα καθιστά τα πλέον κατάλληλα υλικά για την ανάπτυξη καινοτόμων αισθητήρων. Recent developments in the field of nanotechnology have led to the development of innovative highly conductive materials enabling the development of multifunctional cement-based nanocomposites. The most innovative and modern nanoscale materials are carbon nanostructures such as graphene nanosheets and carbon nanotubes. They exhibit extremely high stiffness (Modulus of Elasticity greater than 1 TPa), strength, deformability, and electrical conductivity. In addition, their electrical resistance changes according to the imposed deformation, which makes them the most suitable materials for the development of innovative sensors.
Σύμφωνα με την εφεύρεση ο επιτόπιος έλεγχος και η καταγραφή των μηχανικών καταπονήσεων σε κομβικά σημεία των δομικών στοιχείων μιας κατασκευής από σκυρόδεμα λαμβάνει χώρα με την εμφύτευση (κατά την κατασκευή) ειδικών νανοσυνθέτων αισθητήρων (ενδεικτικών διαστάσεων: 20 mm x 20 mm χ 80 mm) (Σχήμα 1) κατασκευασμένων από υλικά με βάση το τσιμέντο ενισχυμένα με διαφορετικούς τύπους νανοδομών άνθρακα. Οι νανοσύνθετοι αισθητήρες (1), όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 2, συνδέονται με κύκλωμα καλωδιώσεων (2) με ειδικό καταγραφικό της ηλεκτρικής τους αντίστασης στο χρόνο (3) το οποίο καταχωρεί τα δεδομένα σε ειδική μονάδα καταγραφής/αποθήκευσης (4) (Η/Υ). Τα αναφερόμενα νανοσύνθετα υλικά, πέρα της ικανότητά τους να φέρουν με ασφάλεια τα μηχανικά φορτία, λειτουργούν τα ίδια ως αισθητήρια μηχανικής παραμόρφωσης και εκτίμησης της εσωτερικής τους βλάβης. Το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα στηρίζεται στην ιδιότητα των νανοδομών άνθρακα να διαμορφώνουν “αγώγιμα μονοπάτια” ροής ηλεκτρονίων στο εσωτερικό του υλικού. Με την μηχανική καταπόνηση του υλικού ή με την εσωτερική βλάβη του υλικού τα ήδη προϋπάρχοντα αγώγιμα μονοπάτια των νανοενισχύσεων μεταβάλλονται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι μετρήσεις της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης (DR/R0), οι οποίες παρουσιάζονται, σε συνάρτηση με το χρόνο (Τ), στα Σχήματα 3, 4 και 5, καμπύλες 6, 8 και 10, να ακολουθούν την επιβαλλόμενη τάση υπό μονοτονική θλίψη (Σχήμα 3, καμπύλη 5), μονοτονική κάμψη (Σχήμα 4, καμπύλη 7) και φόρτιση-αποφόρτιση υπό θλίψη (Σχήμα 5, καμπύλη 9). Η εν λόγω διάταξη η οποία αποτελείται από τους νανοσύνθετους αισθητήρες (1), την καλωδίωση (2) και το καταγραφικό σύστημα (3, 4) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκτιμηθούν οι μηχαν τελευταίο στάδιο να εκτιμηθεί η δομική ακε ικές καταπονήσεις της κατασκευής και σε ραιότητα του φέροντα οργανισμού. According to the invention, the on-site control and recording of the mechanical stresses at key points of the structural elements of a concrete structure takes place by implanting (during construction) special nanocomposite sensors (indicative dimensions: 20 mm x 20 mm x 80 mm) ( Figure 1) made of cement-based materials reinforced with different types of carbon nanostructures. The nanocomposite sensors (1), as shown in Figure 2, are connected by a wiring circuit (2) with a special recorder of their electrical resistance over time (3) which registers the data in a special recording/storage unit (4) (PC ). The mentioned nanocomposite materials, beyond their ability to safely carry mechanical loads, act themselves as sensors of mechanical deformation and assessment of their internal damage. The desired result is based on the property of carbon nanostructures to form "conductive paths" of electron flow inside the material. With the mechanical stress of the material or with the internal damage of the material, the already pre-existing conductive paths of the nanoreinforcements are changed. This results in the measurements of the change in electrical resistance (DR/R0), which are shown, as a function of time (T), in Figures 3, 4 and 5, curves 6, 8 and 10, to follow the applied voltage under monotonic compression (Figure 3, curve 5), monotonic bending (Figure 4, curve 7) and loading-unloading under compression (Figure 5, curve 9). The device in question which consists of the nanocomposite sensors (1), the wiring (2) and the recording system (3, 4) can be used to estimate the mechanical last stage to estimate the structural axial stresses of the construction and in virulence of the host organism.