Σύνθετα υλικά είναι εκείνα που κατασκευάζονται από δύο ή περισσότερα συστατικά υλικά, και τα οποία, λόγω του συνδυασμού των υλικών, διαθέτουν νέες ή βελτιωμένες ιδιότητες όπως μηχανική και θερμική αντοχή, αντοχή στη διάβρωση κ.λπ. Αυτά τα υλικά αξιοποιούνται όλο και περισσότερο σε κατασκευαστικά έργα σε κάθε κλίμακα, επιτρέποντας την υλοποίηση πιο φιλόδοξων, ανθεκτικών και τεχνολογικά προηγμένων δομικών λύσεων.
Τι είναι τα σύνθετα υλικά;
Τα σύνθετα υλικά είναι εκείνα που κατασκευάζονται από δύο ή περισσότερα υλικά που έχουν συνδυαστεί με κάποιο τρόπο σε μακροκλίμακα. Ίσως ένα από τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι ο οπλισμός σκυροδέματος με χαλύβδινες ράβδους. Το καθαρό σκυρόδεμα παρουσιάζει σχετικά χαμηλή αντοχή σε εφελκυσμό και έτσι οι ράβδοι χάλυβα ενισχύουν σημαντικά την αντοχή σε εφελκυσμό του σύνθετου υλικού, παρέχοντας ανώτερες μηχανικές ιδιότητες, κατάλληλες για μεγαλύτερα κτιριακά έργα.
Το σκυρόδεμα μπορεί να ενισχυθεί με χαλύβδινες ράβδους σε διάφορες διαμορφώσεις, χρησιμοποιώντας παχύτερες ή λεπτότερες ράβδους, ποικίλου ή ίδιου μήκους και διατεταγμένες παράλληλα, δικτυωτά ή τυχαία προσανατολισμένα. Άλλα σύνθετα υλικά, διαφορετικής κατασκευής, μπορούν επίσης να υιοθετήσουν μία από αυτές τις παραλλαγές, ανάλογα με τη συγκεκριμένη λειτουργία τους.
Τυπικά, το σκληρότερο ή πιο ινώδες υλικό που ενσωματώνεται στο σύνθετο υλικό σε μια συγκεκριμένη διάταξη ονομάζεται ενισχυτικό υλικό, ενώ το περιβάλλον μέσο είναι γνωστό ως μήτρα. Εκτός από σκυρόδεμα, η μήτρα μπορεί να κατασκευαστεί από διάφορα σκληρυντικά πλαστικά ή μαλακά υλικά, όπως θερμοσκληρυνόμενους πολυεστέρες ή σιλικόνη, ενώ ο οπλισμός μπορεί να κατασκευαστεί από σκληρό πλαστικό, γυαλί, ίνες άνθρακα ή πιο εύκαμπτα, αλλά σκληρά υλικά, όπως λινάρι ή ίνες κάνναβης.
Γιατί χρειάζονται τα σύνθετα υλικά στις κατασκευές;
Η έντονη ανάγκη για σύνθετα υλικά ενισχύεται ενόψει των αυξανόμενων περιβαλλοντικών ανησυχιών. Τα υλικά θα πρέπει να είναι πιο ανθεκτικά σε μια σειρά καιρικών συνθηκών προκειμένου να αντιμετωπίσουν την παγκόσμια κλιματική αλλαγή και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της συνεχούς ανανέωσης των υποδομών είναι δαπανηρές.
Πράγματι, το σκυρόδεμα έχει αναφερθεί ως το υλικό που συνεισφέρει ένα σημαντικό ποσοστό των παγκόσμιων εκπομπών CO2 όταν εξετάζονται όλα τα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας, ενώ επίσης συμβάλλει στο φαινόμενο urban heat island effect. Συνεπώς, εναλλακτικές λύσεις, φιλικές προς το περιβάλλον, αναζητούνται προς αντικατάσταση του σκυροδέματος.
Επιπλέον, το πρόσφατο συμπέρασμα ότι οι ανθεκτικές στη διάβρωση ιδιότητες πολλών κατασκευών από οπλισμένο με χάλυβα μπορεί να μην είναι τόσο επαρκείς όσο αναμενόταν, όπως υπογραμμίστηκε από την κατάρρευση του έργου Surfside το 2021, κατά την οποία ένα 12όροφο κτίριο κατέρρευσε λόγω διάβρωσης του χάλυβα οπλισμού. σκοτώνοντας 98 άτομα, αναδεικνύει την ανάγκη αναζήτησης εναλλακτικών λύσεων.
Ποιες είναι οι εφαρμογές των σύνθετων υλικών;
Οι βασικές υπό εξέταση ιδιότητες των σύνθετων υλικών στις κατασκευές περιλαμβάνουν το μέτρο ελαστικότητας Young (ακαμψία εφελκυσμού ή θλίψης), την αντοχή στη φωτιά, τη διάρκεια ζωής σε κόπωση, την αντοχή σε κραδασμούς και αρμονικά φορτία, τη δυνατότητα σύνδεσης και, ανάλογα με την εφαρμογή, και τη χημική αντοχή. Ανθεκτικά στη διάβρωση υλικά, όπως πολυμερή ενισχυμένα με ίνες γυαλιού (glass-fiber reinforced polymers, GFRP) έχουν χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτικά του χάλυβα ως οπλισμός σκυροδέματος,. Τα GFRP και το ενισχυμένο πολυμερές με ίνες άνθρακα (carbon fiber reinforced polymer, CFRP) προσφέρουν ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και μηχανική αντοχή για σχετικά χαμηλό κόστος. Το CFRP είναι κάπως ισχυρότερο και πιο ανθεκτικό στη θερμοκρασία αλλά έχει μεγαλύτερο κόστος.
Η αντοχή της κεραμικής μήτρας μπορεί να βελτιωθεί με ποικίλες μεθόδους όπως προσθήκη νανοσωματιδίων ή νέων στοιχείων, ρύθμιση μικροδομής, κονιομεταλλουργία κ.α. Για παράδειγμα, η θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης του υλικού επηρεάζει το σχηματισμό φάσης και τη μικροδομή του υλικού, επηρεάζοντας επομένως τις τελικές ιδιότητες όπως η αντοχή σε θλίψη. Μια ισχυρότερη κεραμική μήτρα ενισχυμένη με μη διαβρωτικά υλικά μπορεί να είναι ικανή να αντιμετωπίσει τους περιορισμούς του σκυροδέματος με οπλισμό χάλυβα, ενώ παράλληλα μειώνει το τεράστιο περιβαλλοντικό κόστος του παραδοσιακού σκυροδέματος.
Το εξαιρετικά μικρό βάρος των πολυμερών ενισχυμένων με ίνες (fiber-reinforced polymers, FRP) επιτρέπει στις κατασκευές να τοποθετούνται πιο γρήγορα και εύκολα και μπορεί να ωφελήσει τη μακροπρόθεσμη αντοχή. Για παράδειγμα, με τη μείωση του βάρους των γεφυρών ή των ψηλών κατασκευών περισσότερο από 50%, οι συνολικές απαιτήσεις αντοχής μειώνονται και σε ένα παράδειγμα στο Warwickshire του Ηνωμένου Βασιλείου, μια χαλύβδινη πεζογέφυρα αντικαταστάθηκε σε λίγες μέρες από προκατασκευασμένα πολυμερή υλικά ενισχυμένα με ίνες. Τα FRP κατασκευάζονται συνήθως από υλικά όπως άνθρακας, γυαλί, αμίαντος, βηρύλλιο, μολυβδαίνιο ή αρωματικά πολυαμίδια, με μήτρες εποξειδικής ρητίνης, πολυεστέρα ή βινυλεστέρα.
Τα ιξωδοελαστικά υλικά είναι εκείνα που όταν υφίστανται παραμόρφωση παρουσιάζουν κατάλληλες ιδιότητες ιξώδους και ελαστικότητας, όπως το σκυρόδεμα, πολλά πλαστικά, μέταλλα σε υψηλές θερμοκρασίες και πολλά άλλα δομικά υλικά. Πολλά κατασκευαστικά και μηχανολογικά έργα απαιτούν τέτοια υλικά για σκοπούς απόσβεσης ενέργειας, λειτουργώντας ως αποσβεστήρες που αντισταθμίζουν την αναμενόμενη κίνηση στη δομή.
Τα σύνθετα υλικά που κατασκευάζονται με συνδυασμό ιξωδοελαστικών και στερεών ενισχυτικών υλικών χρησιμοποιούνται ευρέως και είναι ειδικά σχεδιασμένα για να απορροφούν βέλτιστα τους κραδασμούς στις αναμενόμενες συχνότητες για τη δεδομένη εφαρμογή τους. Τα μεγάλα κτίρια και οι γέφυρες πρέπει να είναι ικανά να δέχονται τακτικά σημαντική ταλάντωση λόγω του ανέμου και άλλων κραδασμών, όπως αυτοί που προκαλούνται από οχήματα, και έτσι τα προηγμένα, ανθεκτικά σύνθετα υλικά θα μείωναν την εμφάνιση δομικών αστοχιών και τις απαιτήσεις συντήρησης.
Συμπέρασμα
Τα σύνθετα υλικά έχουν διακριτά πλεονεκτήματα έναντι των μονοϋλικών στην ενίσχυση της δομικής ακεραιότητας, της ελαστικότητας και της αντοχής, και ανάλογα με τα ποια είναι τα υλικά και η μέθοδος κατασκευής, μπορεί να είναι πολύ μικρότερου βάρους, παρέχοντας εκτεταμένες εφαρμογές στη μηχανική, την αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και τις κατασκευές. Συγκεκριμένα, η συμπερίληψη νανοσωματιδίων και οπλισμού ινών στη μήτρα, έχει ως αποτέλεσμα την ενίσχυση των ιδιοτήτων παραδοσιακών υλικών, όπως το σκυρόδεμα.
Με πληροφορίες από azobuild.com
