- / -

Η παρούσα διατριβή είχε ως σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της επαναμορφοποίησης στις μηχανικές κυρίως ιδιότητες δυο πολύ κοινών πολυμερών, του πολυαιθυλενίου και του πολυπροπυλενίου. Τα πολυμερή αυτά, χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές και για αυτό το λόγο ο όγκος των απορριμμάτων τους αποτελεί ένα σοβαρό περιβαλλοντικό πρόβλημα. Παρόλο που αποτελούν υλικά εύκολα ανακυκλώσιμα, πολύ μικρό ποσοστό από τα απορρίμματα τους ανακτώνται. Περιβαλλοντικοί αλλά και οικονομικοί λόγοι οδήγησαν στην ιδέα να κατασκευαστούν κάποια προϊόντα χαμηλών απαιτήσεων, τα οποία μέχρι τώρα κατασκευάζονται από καθαρά πολυμερή, από πλήρως ανακτημένη πρώτη ύλη. Η δυσκολία στην εφαρμογή των ανακτημένων υλικών έγκειται στο ότι αυτά περιέχουν διάφορα πρόσθετα, καταπονούνται αρκετά από την έκθεση τους σε περιβαλλοντικούς παράγοντες όσο διάστημα χρησιμοποιούνται ή βρίσκονται στους χώρους ενταφιασμού και οι πολλαπλές επαναμορφοποιήσεις τους είναι πιθανόν να προκαλέσουν υποβάθμιση του υλικού. Για αυτό το λόγο, μελετήθηκαν επαναμορφοποιημένα δείγματα από πολυαιθυλένιο και πολυπροπυλένιο άγνωστης προϊστορίας και καταπόνησης σε σύγκριση με τα αντίστοιχα καθαρά υλικά, προκειμένου να γίνει σύγκριση των ιδιοτήτων τους και κατ’ επέκταση μια εκτίμηση της επίδρασης του βαθμού επαναμορφοποίησης στη μηχανική τους συμπεριφορά. Παράλληλα, όλα τα δείγματα, επαναμορφοποιημένα και μη, μελετήθηκαν φασματοσκοπικά, ώστε να διαπιστωθεί αν η διαδικασία ανάκτησης έχει προκαλέσει μεταβολές στη χημική δομή των υλικών αυτών. Από τις τεχνικές χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν (φασματοσκοπία υπερύθρου και Raman, DSC και TGA) διαπιστώθηκε ότι δεν έχει επέλθει αλλαγή στη χημική δομή των ανακυκλωμένων υλικών. Όσον αφορά τις διαφοροποιήσεις που εκείνα παρουσίασαν σε σχέση με τα αντίστοιχα καθαρά υλικά, αποδίδονται στην παρουσία προσθέτων, χρωστικών ουσιών κυρίως, που τα ανακτημένα υλικά περιείχαν. Η μηχανική συμπεριφορά των επαναμορφοποιημένων, ιδιαίτερα στην περίπτωση του πολυαιθυλενίου ήταν παρόμοια με αυτή των καθαρών δειγμάτων και τα αποτελέσματα συγκρίσιμα. Αντίθετα, στην περίπτωση του πολυπροπυλενίου η διαδικασία ανάκτησης είχε υποβαθμίσει πολύ το υλικό με αποτέλεσμα να εμφανίζει πολύ κατώτερες μηχανικές ιδιότητες. Όλα τα επαναμορφοποιημένα υλικά είχαν υποστεί ως ένα βαθμό περιβαλλοντική γήρανση καθώς ήταν εκτεθειμένα για αρκετό χρονικό διάστημα σε περιβαλλοντικές συνθήκες. Η επίδραση της έκθεσης όμως δεν ήταν δυνατόν να αξιολογηθεί, αφού δε ήταν γνωστό το ακριβές χρονικό διάστημα καθώς και οι συνθήκες θερμοκρασίας, υγρασίας κ.λπ. Για αυτό το λόγο, τόσο τα ανακτημένα όσο και τα καθαρά δείγματα, υπέστησαν τεχνητή επιταχυνόμενη περιβαλλοντική γήρανση, προκειμένου να μελετηθεί η επίδρασή της στις ιδιότητες των υλικών. Αυτό που παρατηρήθηκε και σε αυτές τις δοκιμές ήταν ότι, ανάλογα με τον βαθμό επαναμορφοποίησης στα μη γηρασμένα υλικά, η τεχνητή γήρανση επηρέασε κατά κύριο λόγο τις αντοχές των υλικών σε κάθε μηχανική καταπόνηση και δευτερευόντως τις φυσικές ιδιότητες τους. Σε γενικές γραμμές, διαπιστώθηκε ότι τα επαναμορφοποιημένα δείγματα HDPE δεν παρουσιάζουν μεταβολές ως προς τη χημική δομή τους, ενώ δίνουν συγκρίσιμα αποτελέσματα στις μηχανικές δοκιμές τόσο στο μέτρο ελαστικότητας όσο και στην αντοχή. Μετά τη γήρανση, η αντοχή τους μειώνεται σημαντικά παρόλα αυτά, η συνολική τους μηχανική απόκριση κρίνεται ικανοποιητική. Αντίθετα τα επαναμορφοποιημένα δείγματα ΡΡ, εμφάνισαν ακόμα και πριν την τεχνητή γήρανση, αισθητά χαμηλότερες μηχανικές ιδιότητες (χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας και αντοχή σε σχέση με τα παρθένα υλικά), παρόλο που δεν παρουσίασαν καμία αλλαγή στη χημική τους δομή. / Reforming effect on thermoplastics mechanical properties was the subject of this thesis. More specifically, samples of polyethylene and polypropylene were chosen to be tested, as they are widely used in many applications and consequently there is a large amount of municipal waste of this kind. Even though, these polymers are easily recyclable compared to other polymers, only 2% of this kind of municipal waste gets recycled in Greece nowadays. Economical and environmental reasons, researchers led to the idea of constructing products out of completely recycled materials. Recycling process faces many difficulties; the most important of these is the addition of pigments (additives) such as colors, coupling agents etc, which make polymer recycling heavier or even impossible in some cases. Moreover, these materials degrade signifantly because of their exposure to the environment while they are used in exterior application or get thrown in landfills after use. As the collection of completely recycled materials was quite impossible, virgin and reformed of known and unknown history samples of polyethylene and polypropylene, are examined, as for their chemical structure and mechanical properties, in order to get compared and finally reach a conclusion if reformed materials are appropriate for getting used in some applications. Through Raman and Infrared Spectroscopy, it was observed no change in reformed materials’ chemical structure before and after reforming process. Also, their thermal behavior appeared many similarities between virgin materials and reformed ones. However, these similarities did not appear in mechanical tests. Even though, reformed HDPE of known and unknown history showed comparable and very close properties with these of virgin, it is observed a lack of stability in their mechanical behavior, especially in case of reformed unknown history polyethylene. In the case of polypropylene, the reformed samples were always inferior to the virgin ones, in all tests, probably to its degradation during reforming process. In order to determine accurately, the weathering effect on samples behaviour, they were imposed to artificial ageing in oven, in controlled temperature, humidity etc. As in non aged samples, reforming ratio plays significant role in samples’ physical properties, which appear dominantly changed after ageing. As it was expected, mechanical behavior has changed after ageing, too. However, there were no significant reduce in moduli of elasticity in tensile, compression and flexural tests, a dramatic reduce in strength in every mechanical test was observed between samples before and after ageing.

Η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς εδαφικών και βραχωδών σχηματισμών επιτυγχάνεται συχνά με τη μέθοδο των ενέσεων. Οι ενέσεις εμποτισμού είναι ο παλαιότερος τύπος ενέσεων που αναπτύχθηκε, είναι, οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες, έχουν το ευρύτερο φάσμα εφαρμογών και διακρίνονται σε αιωρήματα και χημικά διαλύματα. Τα πιο γνωστά αιωρήματα και διαλύματα είναι αυτά του τσιμέντου και του πυριτικού νατρίου. Τα αιωρήματα έχουν χαμηλό κόστος και είναι αβλαβή για το περιβάλλον, όμως έχουν περιορισμένο πεδίο εφαρμογής που φθάνει μέχρι τις χονδρόκοκκες άμμους. Αντίθετα, τα διαλύματα μπορούν να εμποτίσουν μέχρι και λεπτόκοκκες άμμους ή και χονδρόκοκκες ιλύες, όμως έχουν σημαντικά υψηλότερο κόστος και, μερικά από αυτά, είναι επιβλαβή για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Για τους λόγους αυτούς γίνεται προσπάθεια να αντικατασταθούν τα χημικά διαλύματα με αβλαβή για το περιβάλλον αιωρήματα που να έχουν το ίδιο πεδίο εφαρμογής. Η προσπάθεια αυτή οδήγησε στην ανάπτυξη των αιωρημάτων λεπτόκοκκων τσιμέντων, με τα πρώτα προϊόντα να εμφανίζονται στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Με την πάροδο του χρόνου, αναπτύχθηκε ένας σχετικά μικρός αριθμός λεπτόκοκκων τσιμέντων που διατίθενται στην αγορά και έχουν κόστος εφαρμογής μεταξύ του κόστους των κοινών τσιμέντων και του κόστους των χημικών διαλυμάτων. Κατά την τελευταία δεκαετία, παρατηρείται διεθνώς αυξημένο ενδιαφέρον για τη δημιουργία και την τεκμηρίωση των ιδιοτήτων νέων λεπτόκοκκων υλικών, με χαμηλότερο κόστος, για χρήση σε ενέσεις τύπου αιωρήματος. Για τις ανάγκες της εργαστηριακής διερεύνησης χρησιμοποιήθηκαν τρείς τύποι τσιμέντου. Ένα βιομηχανοποιημένο τσιμέντο, ένα καθαρό τσιμέντο Portland και ένα σύνθετο τσιμέντο Portland. Τα δύο τελευταία τσιμέντα, λειοτριβήθηκαν ώστε να προκύψει μία επιπλέον κοκκομετρική σύνθεση από το κάθε ένα με μέγιστο μεγέθος κόκκων 40μm. Ως εδάφη για την παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις διαφορετικής κοκκομετρικής διαβάθμισης ασβεστολιθικές άμμοι και μια χαλαζιακή άμμος Ottawa, με συντελεστές ομοιομορφίας, Cu, κυμαινόμενο μεταξύ 1.20 και 1.46 και χαρακτηριστικό μέγεθος κόκκων, d10, κυμαινόμενο από περίπου 0.3mm έως περίπου 2.0mm. Η έρευνα που εκτελέστηκε και αποτελεί το αντικείμενο αυτής της διατριβής περιλαμβάνει, αρχικά, την τεκμηρίωση των βασικών ιδιοτήτων των αιωρημάτων των τσιμέντων, με δοκιμές εξίδρωσης και ιξωδομέτρησης και τον εργαστηριακό έλεγχο της ενεσιμότητάς τους με δοκιμές εισπίεσης σε μικρά δοκίμια. Τα αποτελέσματα αυτής της διερεύνησης οδήγησαν στον προσδιορισμό του πεδίου εφαρμογής των αιωρημάτων και στη διαμόρφωση του προγράμματος δοκιμών για το κυρίως αντικείμενο της εργασίας, που σχεδιάστηκε και εκτελέστηκε ώστε να τεκμηριωθεί η δυναμική συμπεριφορά των εδαφών που εμποτίζονται με αιωρήματα λεπτόκοκκων και κοινών τσιμέντων. Για το σκοπό αυτό, έγινε παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων που υποβλήθηκαν σε εργαστηριακό έλεγχο (α) για τη μέτρηση των δυναμικών ιδιοτήτων τους, (β) για την αποτίμηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά των αιωρημάτων και των άμμων και τις διαδικασίες εκτέλεσης των δοκιμών και (γ) για την ποσοτικοποίηση της βελτίωσης που προκύπτει από τον εμποτισμό των εδαφών με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων στις ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο, Ν/Τ, είναι η πιο σημαντική παράμετρος που καθορίζει τις ιδιότητες και την συμπεριφορά των αιωρημάτων. Αύξηση του λόγου νερού προς τσιμέντο προκαλεί σημαντική βελτίωση των ρεολογικών χαρακτηριστικών, αλλά έχει δυσμενείς επιπτώσεις στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης των αιωρημάτων και στην αντοχή των ιζημάτων των αιωρημάτων. Η λειοτρίβηση των τσιμέντων επηρεάζει σημαντικά τις τιμές του τελικού ποσοστού εξίδρωσης. Μείωση του μέγιστου μεγέθους κόκκου, dmax, από τα 100μm στα 40μm προκάλεσε μείωση έως και 50% στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης. Αντίθετα, ο τύπος του τσιμέντου έχει μικρή επίδραση στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης. Τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου I42.5 εμφανίζουν τις υψηλότερες τιμές και τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου ΙΙ32.5 τις χαμηλότερες. Ευσταθή αιωρήματα (τελικό ποσοστό εξίδρωσης μικρότερο του 5%) θεωρούνται μόνο τα αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, με λόγο Ν/Τ ίσο με 1:1 και μόνο τα αιωρήματα των υπόλοιπων λειοτριβημένων τσιμέντων (dmax= 40μm) με λόγο νερού προς τσιμέντο ίσο προς 0.6:1. Ο τύπος του τσιμέντου επηρεάζει τις τιμές του φαινομένου ιξώδους αλλά όχι σε σημαντικό βαθμό. Γενικά, τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου I42.5 έχουν τις υψηλότερες και τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου ΙΙ32.5 τις μικρότερες τιμές φαινομένου ιξώδους. Οι τιμές του φαινομένου ιξώδους των αιωρημάτων τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5 είναι, σε γενικές γραμμές, υψηλές για εμποτισμό σε λεπτόκοκκα εδάφη. Συγκεκριμένα, για λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους προς 1:1, 2:1 και 3:1 οι τιμές του φαινομένου ιξώδους κυμαίνονται από 70 έως 190cP, από 14 έως 32cP και από 6 έως 11cP, αντίστοιχα. Για τα πιο πυκνά αιωρήματα, είχαμε για λόγους Ν/Τ ίσους προς 0.6:1 και 0.8:1, τιμές του φαινομένου ιξώδους που κυμαίνονται από 690cP ως 1160cP και 105cP ως 410cP, αντίστοιχα. Οι τιμές του φαινομένου ιξώδους για το τσιμέντο Rheocem 650, λόγω της ταχύπηκτης φύσης του, μετρήθηκαν για χρόνο μικρότερο των 40min. Οι τιμές που αντιστοιχούν στο αρχικό φαινόμενο ιξώδες του αιωρήματος αυτού, είναι μικρότερες σε σχέση με τις τιμές των αιωρημάτων των υπόλοιπων τσιμέντων. Για λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους προς 1:1, 2:1 και 3:1 οι τιμές του αρχικού φαινομένου ιξώδους ήταν 55cP, 12cP και 6cP, αντίστοιχα. Ο εργαστηριακός έλεγχος της συμπεριφοράς σε δυναμική φόρτιση των εμποτισμένων άμμων έγινε με χρήση κατάλληλων δοκιμίων (11.3cm ύψους και 5.0cm διαμέτρου) που παράγονταν χρησιμοποιώντας ειδική διάταξη εμποτισμού μονοδιάστατης ροής. Ο προσδιορισμός των δυναμικών χαρακτηριστικών των εμποτισμένων άμμων διερευνήθηκε με δοκιμές συντονισμού σε στρέψη και κάμψη, σε εικοσιεννέα(29) συνολικά δοκίμια. Από τα πρωτογενή δεδομένα των δοκιμών συντονισμού υπολογίστηκαν το μέτρο διάτμησης, G, το μέτρο ελαστικότητας, E, και ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, Dt και Df, για ευρύ φάσμα τιμών της περιβάλλουσας τάσης και της παραμόρφωσης. Από τα πρωτογενή δεδομένα των δοκιμών ήταν δυνατός ο υπολογισμός και του λόγου Poisson. Για κάθε ιδιότητα που εξετάζεται, γίνεται διερεύνηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τις συνθήκες εκτέλεσης των εργαστηριακών δοκιμών (παραμόρφωση και περιβάλλουσα τάση) και με τα χαρακτηριστικά των συστατικών του εμποτισμένου εδάφους (λόγος νερού προς τσιμέντο, τύπος και κοκκομετρία του τσιμέντου και κοκκομετρία της άμμου). Για λόγους σύγκρισης και αποτίμησης της βελτίωσης που επιφέρει ο εμποτισμός με αιωρήματα τσιμέντου, όμοιες εργαστηριακές δοκιμές εκτελέστηκαν και σε δοκίμια καθαρής άμμου και καθαρού ιζήματος τσιμέντου. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο του ενέματος είναι η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές του μέτρου διάτμησης, του λόγου απόσβεσης και του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων. Ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων εξαρτώνται τόσο από την τιμή της εφαρμοζόμενης περιβάλλουσας τάσης όσο και από την τιμή της αναπτυσσόμενης παραμόρφωσης κατά την εκτέλεση των εργαστηριακών μετρήσεων. Οι τιμές του μέτρου διάτμησης των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 1200MPa έως 4100MPa για εύρος τιμών της διατμητικής παραμόρφωσης περίπου από 5∙10-5 % έως 2∙10-2 %. Οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 2600 έως 11500MPa για εύρος τιμών της ορθής παραμόρφωσης από περίπου 10-5 % έως 8∙10-3 %. Ο λόγος Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται γενικά από 0.22 έως 0.44, είναι άμεση συνάρτηση του λόγου νερού προς τσιμέντο και φαίνεται επίσης να επηρεάζεται από την κοκκομετρία της άμμου και λιγότερο από τον τύπο του τσιμέντου. Το τσιμέντο Rheocem 650 έδωσε μεγαλύτερες τιμές του λόγου Poisson σε σχέση με τα υπόλοιπα τσιμέντα, κατά 10% έως 20%. Για τα εμποτισμένα δοκίμια με ασταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 3:1 σε 2:1) προκάλεσε μέτρια αύξηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων (κατά 20% έως 30% για την ασβεστολιθική άμμο και 40% για τη χαλαζιακή άμμο Ottawa). Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ασταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 2:1 σε 1:1) προκάλεσε αύξηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων (κατά 40% έως 50%). Ομοίως, για τα εμποτισμένα δοκίμια με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 2:1 σε 1:1) επέφερε σημαντική αύξηση του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας (κατά 45% έως 60% για την ασβεστολιθική άμμο και 50% για τη χαλαζιακή άμμο Ottawa). Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 40% (από 1:1 σε 0.6:1) προκάλεσε μικρή αύξηση του μέτρου διάτμησης (κατά 20%). Ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.3% έως 3% για τιμές διατμητικής παραμόρφωσης από περίπου 5∙10-5 % έως 8∙10-2 % και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa. Για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 10-4 σε 10-3 %, αυξάνεται από 120% έως 200% ,ενώ για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 10-3 σε 10-2%, αυξάνεται από 50% έως 80%. Η αύξηση της τιμής της περιβάλλουσας τάσης από 0kPa έως 400kPa, προκαλεί, γενικά, μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κατά 5% έως 50% (10% κατά μέσο όρο). Ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.2% έως 3.2% για τιμές ορθής παραμόρφωσης από περίπου 2∙10-5 % έως 1∙10-2 % και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa. Για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 5•10-5 σε 5•10-4 %, αυξάνεται από 110% έως 180% ,ενώ για αύξηση της ορθής παραμόρφωσης από 5•10-4 σε 5•10-3 %, αυξάνεται από 40% έως 70%. Η αύξηση της τιμής της περιβάλλουσας τάσης από 0kPa έως 400kPa, προκαλεί, γενικά, μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κατά 5% έως 40% (10% κατά μέσο όρο). Για τα εμποτισμένα δοκίμια με ασταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3:1 σε 2:1 προκαλεί αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, από 20% έως και 60%. Ισόποση μείωση του λόγου Ν/Τ από 2:1 σε 1:1 προκαλεί αύξηση έως και κατά 40%. Μοναδική εξαίρεση ήταν η άμμος #30 - #50 όπου η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3:1 σε 2:1, προκάλεσε μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη έως και 80% και του λόγου απόσβεσης σε κάμψη έως και 20%. Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ασταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 1:1 σε 0.8:1 προκαλεί αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, από 20% έως και 50%. Ομοίως, για τα εμποτισμένα δοκίμια με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 2:1 σε 1.25:1, προκάλεσε αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη έως και 20%. Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση της τιμής του λόγου Ν/Τ από 0.8:1 σε 0.6:1 προκαλεί μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, έως και κατά 40%. Ο εμποτισμός των άμμων με αιωρήματα τσιμέντου προκαλεί σημαντική βελτίωση των τιμών του μέτρου διάτμησης, του μέτρου ελαστικότητας, του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη και του λόγου Poisson των καθαρών άμμων. Η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων είναι ο λόγος νερού προς τσιμέντο και το τελικό ποσοστό εξίδρωσης του ενέματος, ενώ ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η βελτίωση του μέτρου διάτμησης, G, των εμποτισμένων άμμων, είναι όμοια με τη βελτίωση του μέτρου ελαστικότητας τους, Ε. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης των ασβεστολιθικών άμμων κατά 28 έως 10 φορές κατά μέσο όρο, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 15 έως 6 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο ελαστικότητας των ασβεστολιθικών άμμων κατά 31 έως 11 φορές, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 14 έως 6 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Ο λόγος βελτίωσης του λόγου Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 1.0 έως 1.8. Για τα ευσταθή (ή κοντά στην ευστάθεια) αιωρήματα, η βελτίωση κυμάνθηκε μεταξύ 1.6 και 1.8 (1.7 κατά μέσο όρο). Για τα ασταθή αιωρήματα, η βελτίωση κυμάνθηκε μεταξύ 1.0 και 1.2 (1.1 κατά μέσο όρο). Ο λόγος ταχυτήτων και είναι ένας δείκτης αξιολόγησης της μακροσκοπικής συμπεριφοράς των εμποτισμένων εδαφών, αφού μπορεί να δώσει χρήσιμες πληροφορίες για παραμέτρους, όπως το πορώδες και η πυκνότητα των εμποτισμένων εδαφών. Για λόγους Ν/Τ μικρότερους του 1:1 (ευσταθή αιωρήματα), ο λόγος VP/VS είναι αρκετά υψηλός (>2.0), το οποίο ενδεχομένως να οφείλεται στην υψηλή συγκέντρωση τσιμέντου, το χαμηλό πορώδες και την υψηλή πυκνότητα των δοκιμίων, ενώ για λόγους Ν/Τ μεγαλύτερους του 2:1 (ασταθή αιωρήματα), ο λόγος ταχυτήτων είναι κατά μέσο όρο ίσος με 1.7. Η τιμή αυτή θα μπορούσε να προσομοιώσει τη δυναμική συμπεριφορά ενός ψαμμίτη. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το λόγο απόσβεσης των ασβεστολι-θικών άμμων κατά 1.65 έως 1.57 φορές, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 1.3 φορές κατά μέσο όρο και κατά 1.35 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Παρατηρείται συνεπώς ότι η περιβάλλουσα τάση δεν επηρεάζει ουσιαστικά τη βελτίωση του λόγου απόσβεσης. Η βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε στρέψη, Dt, των εμποτισμένων άμμων, είναι όμοια με τη βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε κάμψη, Df. Το τσιμέντο Rheocem 650 έδωσε μεγαλύτερη βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε στρέψη (έως και 40%) και περίπου ίδια βελτίωση (κατά μέσο όρο) του λόγου απόσβεσης σε κάμψη των εμποτισμένων άμμων σε σχέση με τα τσιμέντα Ι42.5 και ΙΙ32.5. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τσιμέντο Rheocem 650, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 7.3 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 5.8 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τα τσιμέντα I42.5 και ΙΙ32.5, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 4.2 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 3.0 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τσιμέντο Rheocem 650, ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 5.1 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 3.9 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τα τσιμέντα I42.5 και ΙΙ32.5, ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 6.5 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 5.2 φορές. Τόσο για τα πυκνά αιωρήματα, όσο και για τα αραιά, ο λόγος DF/DΤ είναι κατά μέσο όρο ίσος με 1.2. / -

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται μια νέα τεχνική ενίσχυσης υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος με βάση τη χρήση συνθέτων υλικών, τα οποία αποτελούνται από πλέγματα ινών σε ανόργανη μήτρα (π.χ. κονίαµα µε βάση το τσιμέντο), αποσκοπώντας στην επίλυση προβλημάτων που χαρακτηρίζουν τα Ινοπλισμένα Πολυμερή (ΙΟΠ) σχετικά µε τη χρήση εποξειδικών ρητινών. Τα Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) δοκιμάζονται στη μορφή μανδύα µε στόχο την περίσφιγξη και την αύξηση της πλαστιμότητας υποστυλωμάτων παλαιού τύπου, σχεδιασμένων δηλαδή χωρίς τις νέες αντισεισμικές λεπτομέρειες όπλισης. Εξετάζονται διάφορες παράμετροι, που περιλαμβάνουν τη χρήση ράβδων λείων ή με νευρώσεις, την πιθανή ένωση των ράβδων με υπερκάλυψη στον πόδα των υποστυλωμάτων και το μήκος υπερκάλυψης. Έτσι προσδιορίζεται η αποτελεσματικότητα των μανδυών ΙΑΜ και συγκρίνεται με αυτή τον ΙΟΠ ως μέσου περίσφιγξης στις κρίσιμες περιοχές υφισταμένων υποστυλωμάτων για όλες τις περιπτώσεις καμπτικών αστοχιών στην περιοχή της πλαστικής άρθρωσης. Το πειραματικό πρόγραμμα που ακολουθείται για την απόκτηση δεδομένων γύρω από τη συμπεριφορά υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος, ενισχυμένων με μανδύες ανόργανης (ΙΑΜ) ή οργανικής (ΙΟΠ) μήτρας, περιλαμβάνει συνολικά 28 δοκιμές επί δοκιμίων υποστυλωμάτων δύο τύπων: (α) 15 πρισματικά δοκίμια οπλισμένου σκυροδέματος που δοκιμάζονται σε κεντρική θλίψη και (β) 13 δοκίμια υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας, τα οποία δοκιμάζονται σε ανακυκλιζόμενη κάμψη με σταθερό αξονικό φορτίο. Καταδεικνύεται ότι η αποτελεσµατικότητα των µανδυών ΙΑΜ είναι υψηλή και γενικώς παρόµοια µε αυτή των µανδυών ΙΟΠ για όλες τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν. Επιπροσθέτως, τα πειραματικά αποτελέσματα των 13 υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας που υποβλήθηκαν σε ανακυκλιζόμενη κάμψη (με σταθερό αξονικό φορτίο), συμβάλλουν στη διερεύνηση δύο ακόμα “θολών” μέχρι σήμερα πεδίων, όπως: (α) Ο λυγισμός των διαμήκων ράβδων σε περισφιγμένο με μανδύες ΙΑΜ ή ΙΟΠ σκυρόδεμα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ του μανδύα ΙΑΜ ή ΙΟΠ και των διαμήκων ράβδων, κατά την έναρξη και εξέλιξη του λυγισμού των τελευταίων. (β) Η αντοχή σε συνάφεια μεταξύ των ενωμένων με παράθεση ράβδων και του περισφιγμένου με μανδύες ΙΑΜ ή ΙΟΠ σκυροδέματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην πειραματική και αναλυτική μελέτη του μηχανισμού με τον οποίο η περίσφιγξη με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ συνεισφέρει στη βελτίωση των συνθηκών συνάφειας μεταξύ ράβδων οπλισμού και σκυροδέματος. Ακόμα στην παρούσα διδακτορική διατριβή διεξάγεται η πρώτη συστηματική μελέτη καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη κάμψη (και σταθερό αξονικό φορτίο) με Πρόσθετους Οπλισμούς νέου τύπου σε Εγκοπές (ΠΟΕ). Εξετάζονται υποστυλώματα που έχουν ενισχυθεί με πρόσθετο οπλισμό ινοπλισμένων πολυμερών (ελάσματα άνθρακα ή ράβδους γυαλιού) καθώς και με ράβδους ανοξείδωτου χάλυβα τοποθετημένων σε εγκοπές. Άλλη μια καινοτομία που εισαγάγει η παρούσα διατριβή είναι ο συνδυασμός του ΠΟΕ με τοπικούς μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα (IAM), οι οποίοι αποτελούν ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό και πολλά υποσχόμενο σύστημα περίσφιγξης, όπως αναπτύσσεται και περιγράφεται λεπτομερώς στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Η έρευνα που υλοποιείται για την απόκτηση δεδομένων γύρω από τη συμπεριφορά υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένων σε κάμψη με ΠΟΕ, περιλαμβάνει τη διεξαγωγή 11 δοκιμών επί υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας, τα οποία υποβάλλονται σε ανακυκλιζόμενη κάμψη υπό σταθερό αξονικό φορτίο. . Καταδεικνύεται ότι μέσω ενός κατάλληλου σχεδιασμού, στα πλαίσια του οποίου ο ΠΟΕ συνδυάζεται με τοπικό μανδύα στα άκρα του υποστυλώματος (κορυφή και πόδα), είναι εφικτό η αύξηση της καμπτικής αντίστασης των υποστυλωμάτων να μην συνοδεύεται από μείωση της διαθέσιμης ικανότητας παραμόρφωσης. Τα χρήσιμα πειραματικά ευρήματα από τα ενισχυμένα με ΠΟΕ υποστυλώματα, συμπληρώνονται με την ανάπτυξη ενός αναλυτικού και υπολογιστικού προσομοιώματος, το οποίο έχει διττή συμβολή, καθώς επιτρέπει: (α) την εκτέλεση παραμετρικών αναλύσεων ώστε να μελετηθεί σε βάθος και χωρίς κόπο (πειραματικές δοκιμές) η επίδραση όλων σχεδόν των παραμέτρων, στην καμπτική αντίσταση των ενισχυμένων με ΠΟΕ υποστυλωμάτων. (β) Τη χρήση του ως πολύτιμου υπολογιστικού εργαλείου από το Μηχανικό για το σχεδιασμό καμπτικών ενισχύσεων υποστυλωμάτων με ΠΟΕ και / ή μανδύες συνθέτων υλικών. Η αξία της συμβολής του εν λόγω προσομοιώματος μεγιστοποιείται αν ληφθούν υπόψη ορισμένα χαρακτηριστικά του όπως: (1) Η μείωση των ροπών αντοχής ως προς τους δύο κύριους άξονες (ισχυρός και ασθενής), η οποία οφείλεται στην έντονη σύζευξή τους, για τα ενισχυμένα σε κάμψη υποστυλώματα που υποβάλλονται σε διαξονική κάμψη. (2) Η εφαρμογή ενός τραπεζοειδούς στερεού τάσεων για το σκυρόδεμα σε θλίψη, το οποίο σε σύγκριση με το κλασικό ορθογωνικό στερεό, προσομοιώνει με αρκετά μεγαλύτερη ακρίβεια τον όγκο του σκυροδέματος της θλιβόμενης ζώνης, ιδιαίτερα για τις ενισχυμένες διατομές. (3) Η ταυτόχρονη δράση της εξωτερικής περίσφιγξης με μανδύες συνθέτων υλικών στις ενισχυμένες σε κάμψη διατομές. / The effectiveness of a new structural material, namely Textile-Reinforced Mortar (TRM), was investigated experimentally in this PhD Thesis as a means of confining old-type reinforced concrete (RC) columns with limited capacity due to bar buckling or due to bond failure at lap splice regions. Comparisons with equal stiffness and strength fiber-reinforced polymer (FRP) jackets allow for the evaluation of the effectiveness of TRM versus FRP. Tests were carried out on nearly full scale non-seismically detailed RC columns subjected to cyclic uniaxial flexure under constant axial load. Thirteen cantilever-type specimens with either continuous or lap-spliced deformed longitudinal reinforcement at the floor level were constructed and tested. Experimental results indicated that TRM jacketing is quite effective as a means of increasing the cyclic deformation capacity of old-type RC columns with poor detailing, by delaying bar buckling and by preventing splitting bond failures in columns with lap-spliced bars. Compared with their FRP counterparts, the TRM jackets used in this study were found to be equally effective in terms of increasing both the strength and deformation capacity of the retrofitted columns. From the response of specimens tested in this study, it can be concluded that TRM jacketing is an extremely promising solution for the confinement of RC columns, including poorly detailed ones with or without lap splices in seismic regions. Moreover this PhD Thesis presents the results of a large-scale experimental program aiming to study the behavior of RC columns under simulated seismic loading, strengthened in flexure (of crucial importance in capacity design) with different types and configurations of near-surface mounted (NSM) reinforcing materials. The role of different parameters is examined, by comparison of the lateral load versus displacement response characteristics (peak force, drift ratios, energy dissipation, stiffness). Those parameters were as follows: carbon or glass fiber-reinforced polymers (FRP) versus stainless steel; configuration and amount of NSM reinforcement; confinement via local jacketing; and type of bonding agent (epoxy resin or mortar). The results demonstrate that NSM FRP or stainless steel reinforcement is a viable solution towards enhancing the flexural resistance of reinforced concrete columns subjected to seismic loads. With proper design, which should combine compulsory NSM reinforcement with local jacketing at column ends, it seems that column strength enhancement does not develop at the expense of low deformation capacity.