Effect of the concentration of carbon-based nanostructures as reinforcement to the mechanical properties of cement-based materials - Αναστόπουλος, Στυλιανός (2022)
Τα τελευταία χρόνια τα σύνθετα υλικά έχουν επιτυχώς ενισχυθεί στην κλίμακα του μικρομέτρου χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τύπους ενίσχυσης. Η παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα και γραφενίου επέτρεψε την ενίσχυση υλικών με βάση το τσιμέντο στη νανο-κλίμακα. Τα νανοενισχυμένα δομικά υλικά έχουν αυξημένες μηχανικές ιδιότητες, ιδιαίτερα ισοδύναμες (effective) ιδιότητες όπως το μέτρο ελαστικότητας και ο λόγος Poisson. Με την ευρεία χρήση των νανουλικών, προέκυψε η ανάγκη της προσομοίωσης και πρόβλεψης των μηχανικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς ενός σύνθετου υλικού με βάση το τσιμέντο σύμφωνα με τον τύπο, τη γεωμετρία και το κλάσμα όγκου των πρόσθετων που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση. Μια άλλη σημαντική ανάγκη είναι η ικανότητα προσδιορισμού της βέλτιστης σύνθεσης του υλικού που θα καλύψει τις προβλεπόμενες ανάγκες με τον πιο οικονομικά αποδοτικό τρόπο, όταν διαφορετικοί τύποι πρόσθετων είναι στη διάθεση του μηχανικού, ακόμη και όταν μπορούν να χρησιμοποιηθούν περισσότεροι από ένας τύποι πρόσθετων σε συνδυασμό με τη μήτρα τσιμέντου. Ως εκ τούτου, το κύριο πεδίο αυτής της ερευνητικής εργασίας ήταν να αναπτυχθεί μια μεθοδολογία για τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων ενός σύνθετου με βάση το τσιμέντο και να προβλέψει αναγωγικά τις μηχανικές ιδιότητες οποιουδήποτε σύνθετου με την ίδια μήτρα και πρόσθετα, αλλά με ποικίλα κλάσματα όγκου πρόσθετων. Η έρευνα στη διεθνή βιβλιογραφία διεξήχθη αρχικά για να επιλεχθούν απο τις διαθέσιμες μεθόδους ομογενοποίησης και ανευρέθηκαν πειραματικά δεδομένα μήτρας με βάση τσιμέντο ενισχυμένα με νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNT). Οι μέθοδοι ομογενοποίησης που επιλέχθηκαν ήταν η μέθοδος πολλαπλών σταδίων (multi-step) και η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων. Ο προσανατολισμός των πρόσθετων προσομοιώθηκε με δύο διαφορετικές μεθόδους: με σταθερές γωνίες και με την μέθοδο τυχαίου προσανατολισμού (random orientation). Το εργαλείο ομογενοποίησης του πακέτου λογισμικού ANSA® αξιοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση των γεωμετριών των νανοϊνών σε μία κυβικής γεωμετρίας μήτρα και για τη δημιουργία πλέγματος. Ένα αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου (random volume element) κατασκευάστηκε είτε με τον τανυστή τυχαίου προσανατολισμού είτε με εργαλεία αλγορίθμων περιοδικής γεωμετρίας και για διαφορετικές συγκεντρώσεις του νανο-οπλισμού. Ακολούθησε μοντελοποίηση πεπερασμένων στοιχείων των προ-ρηγματωμένων δοκιμίων για δοκιμές κάμψης 3 σημείων και τα αποτελέσματα προσομοίωσης της μετατόπισης του ανοίγματος του άκρου της ρωγμής συγκρίθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα, προκειμένου να προσδιοριστεί η πιο ακριβής σύνθεση. Το ισοδύναμο (effective) μέτρο ελαστικότητας εκφράστηκε ως συσχέτιση του κλάσματος όγκου πρόσθετων (vf). Δεύτερον, αντιμετωπίστηκε το πρόβλημα εύρεσης της βέλτιστης σύνθεσης. Αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία προκειμένου να επιτευχθεί η βέλτιστη σύνθεση υλικού για μία τιμή στόχο του μέτρου ελαστικότητας. Ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης εσωτερικών σημείων (Interior Point Optimization) χρησιμοποιήθηκε για να οδηγήσει τις επαναλήψεις που εφαρμόστηκαν με δεδομένες τις προσομοιωμένες ιδιότητες του ομογενοποιημένου υλικού. Τρεις περιπτώσεις μελέτης δοκιμάστηκαν για την απόδειξη της έννοιας και τον προσδιορισμό επαρκούς αριθμού επαναλήψεων.