ΣKYPO EMA KEΦAΛAIO Eισαγωγή

Transcript

1 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 59 KEΦAΛAIO 6 ΣKYPO EMA 6.1 Eισαγωγή Tο σκυρόδεμα είναι το υλικό που παρουσιάζει την ευρύτερη χρήση από όλα τα υλικά (όχι μόνο τα δομικά) τόσο στη χώρα μας όσο και διεθνώς, με παγκόσμια κατανάλωση που ξεπερνά τα 10 δισεκατομμύρια τόννους ετησίως και ετήσιο κύκλο εργασιών στη χώρα μας πολλών δεκάδων εκατομμυρίων ευρώ. Aυτό οφείλεται κυρίως στον εξαιρετικά ευνοϊκό συνδυασμό ιδιοτήτων και κόστους, και ειδικότερα: (α) στην εξαιρετική συμπεριφορά του υλικού στο νερό (ακόμα και σήμερα σώζονται υδραγωγεία από σκυρόδεμα της Pωμαϊκής εποχής) και γενικά στην πολύ μεγάλη ανθεκτικότητά του σε διάρκεια και σε περιβαλλοντικές επιδράσεις (β) στην ευκολία με την οποία κατασκευές από σκυρόδεμα μορφώνονται σε μια τεράστια ποικιλία σχημάτων και μεγεθών και (γ) στο χαμηλό κόστος του, στη μεγάλη και άμεση διαθεσιμότητα των συστατικών του και στη σχετικά χαμηλή ενέργεια που απαιτείται για την παρασκευή του. 6.2 ομή του Σκυροδέματος H δομή του σκυροδέματος (τύπος, ποσότητα, μέγεθος, σχήμα και κατανομή των διαφόρων φάσεων) είναι εξαιρετικά ανομοιογενής και περίπλοκη, και ακόμα και σήμερα δεν έχουν γίνει πλήρως κατανοητές οι σχέσεις δομής-ιδιοτήτων του υλικού. Παρόλα αυτά, η κατανόηση των βασικών στοιχείων της δομής του σκυροδέματος θεωρείται ιδιαίτερα απαραίτητη για να εξηγηθούν οι διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν τις σημαντικότερες ιδιότητές του (αντοχή, ελαστικότητα, συστολή, ερπυσμός, ρηγμάτωση, ανθεκτικότητα σε διάρκεια). Mία πρώτη μακροσκοπική εξέταση του υλικού (δηλαδή με γυμνό μάτι, οπότε διακρίνονται οι φάσεις με διαστάσεις περίπου μέχρι 0.2 mm) δείχνει ότι το σκυρόδεμα αποτελείται από αδρανή (άμμος, χαλίκι, σκύρα) διαφόρων σχημάτων και μεγεθών που είναι συγκολλημένα μεταξύ τους και περιβάλλονται από τον ενυδατωμένο τσιμεντοπολτό, το προϊόν της αντίδρασης του νερού με το τσιμέντο. H πολυπλοκότητα της δομής του σκυροδέματος αποκαλύπτεται σε μικροσκοπικό επίπεδο (δηλαδή με παρατήρηση μέσω ηλεκτρονικού οπτικού μικροσκοπίου, οπότε επιτυγχάνεται μεγέθυνση

2 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 60 μέχρι 10 5 περίπου), όπου παρατηρούνται τα παρακάτω: Πρώτον, διακρίνεται μια τρίτη φάση, η μεταβατική ζώνη, η οποία αντιπροσωπεύει την περιοχή της διεπιφάνειας μεταξύ των μεγάλων αδρανών και του τσιμεντοπολτού και έχει πάχος μm περίπου. H ζώνη αυτή είναι γενικά ασθενέστερη από τα προαναφερθέντα συστατικά του σκυροδέματος και επηρεάζει σημαντικότατα τη μηχανική συμπεριφορά του. εύτερον, η κάθε μια από τις παραπάνω τρεις φάσεις είναι από τη φύση της πολυφασική. Για παράδειγμα, τα αδρανή αποτελούνται από διάφορα ορυκτά, μικρορωγμές και κενά, ενώ ο τσιμεντοπολτός αλλά και η μεταβατική ζώνη αποτελούνται από διάφορα στερεά σωματίδια, πόρους και μικρορωγμές. Tρίτον, η δομή του σκυροδέματος δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται με το χρόνο, την υγρασία του περιβάλλοντος και τη θερμοκρασία. Oι διάφορες φάσεις της δομής του σκυροδέματος περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω, ενώ περισσότερες λεπτομέρειες ειδικά για τα αδρανή και το τσιμέντο δίνονται σε επόμενες ενότητες Aδρανή Tα αδρανή (που ονομάζονται έτσι γιατί είναι χημικά αδρανή προς το τσιμέντο) καθορίζουν κυρίως το βάρος, το μέτρο ελαστικότητας και τη μεταβολή όγκου του σκυροδέματος. Iδιαίτερα σημαντικοί παράγοντες για τις ιδιότητες του σκυροδέματος είναι το πορώδες, το σχήμα και η υφή των αδρανών. Tα συλλεκτά αδρανή, που προέρχονται απ' ευθείας από τη φύση π.χ. με συλλογή από ρέμματα, είναι γενικά στρογγυλόμορφα με λεία επιφάνεια, ενώ τα θραυστά αδρανή, που προέρχονται από θραύση πετρωμάτων, είναι γενικά κυβόμορφα, γωνιώδη, πλακοειδή ή επιμήκη με τραχειά επιφάνεια. Mε εξαίρεση τα περισσότερα ελαφρά αδρανή με κυψελωτή δομή (π.χ. κίσσηρη), τα αδρανή έχουν γενικά μεγαλύτερη αντοχή από τις άλλες φάσεις του σκυροδέματος, γι αυτό και δεν επηρεάζουν την αντοχή του άμεσα αλλά έμμεσα, μέσω του σχήματος και του μεγέθους τους Tσιμεντοπολτός O τσιμεντοπολτός είναι το προϊόν της αντίδρασης του τσιμέντου με νερό. Tο τσιμέντο τύπου Portland που χρησιμοποιείται στην Eλλάδα είναι βιομηχανικό προϊόν σε μορφή γκριζοπράσινης σκόνης που αποτελείται από κόκκους διαστάσεων 1-50 μm. Παρασκευάζεται με άλεσμα σβώλων διαμέτρου λίγων εκατοστών που λέγονται κλίνκερ με μικρή ποσότητα προσμίξεων (π.χ. γύψος, μηλαϊκή γη, θηραϊκή γη, ιπτάμενη τέφρα κ.τ.λ.). Tο κλίνκερ αποτελείται κυρίως από τέσσερεις βασικές σύνθετες χημικές ενώσεις (άλατα) σε ποσοστά που συνήθως βρίσκονται στα παρακάτω όρια και με την εξής χημική σύσταση: 40-80% C 3 S (πυριτικό τριασβέστιο, άσπρο), 0-30% C 2 S (πυριτικό διασβέστιο,

3 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 61 άσπρο), 7-15% C 3 A (αργιλικό τριασβέστιο, άσπρο), και 4-15% C 4 AF (αργιλοσιδηρικό τετρασβέστιο, σκούρο καφέ ή γκριζοπράσινο), όπου χρησιμοποιούνται οι συντομογραφίες C = CaO, S = SiO 2, A = Al 2 O 3, F = Fe 2 O 3 (Lea 1971). Mερικά μόλις λεπτά μετά την ανάμιξη του τσιμέντου με το νερό κάνουν την εμφάνισή τους οι βελονοειδείς κρύσταλλοι του ένυδρου θειοαργιλικού ασβεστίου (κρύσταλλοι ετρινγκίτη) και μερικές ώρες αργότερα σχηματίζονται οι μεγάλοι πρισματικοί κρύσταλλοι υδροξειδίου του ασβεστίου, ενώ οι πολύ μικροί κρύσταλλοι ινώδους μορφής των ένυδρων του πυριτικού ασβεστίου αρχίζουν να γεμίζουν τον κενό χώρο που καλυπτόταν από νερό και κόκκους τσιμέντου. Mερικές ημέρες αργότερα οι κρύσταλλοι ετρινγκίτη είναι πιθανόν να διασπαστούν σχηματίζοντας θειικά ένυδρα εξαγωνικής πλακοειδούς μορφής. H ίδια πλακοειδής μορφή είναι χαρακτηριστική και των ένυδρων του αργιλικού ασβεστίου, τα οποία σχηματίζονται σε τσιμεντοπολτούς που προήλθαν από την ενυδάτωση τσιμέντου αυξημένου σε περιεκτικότητα C 3 A ή μειωμένου σε περιεκτικότητα θειικών. Σχ. 6.1 Προσομοίωμα του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. Ένα σχηματικό προσομοίωμα των σημαντικότερων φάσεων του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού δίνεται στο Σχ. 6.1, όπου A παριστάνει συγκέντρωση της σχεδόν άμορφης μάζας σωματιδίων C-S-H, με ενδοσωματιδιακή απόσταση nm, H παριστάνει κρυστάλλους όπως π.χ. CH, C 4ASH18 και C 4 AH 19, πλάτους της τάξης του 1μm ( S= SO 3, H = H 2 O), και C παριστάνει τα τριχοειδή κενά (μεγέθους 10 nm έως 1 μm) που παραμένουν όταν τα προϊόντα της ενυδάτωσης δεν καλύπτουν πλήρως το χώρο που κατείχε αρχικά το νερό. Όπως δείχνει και το Σχ. 6.1, οι διάφορες φάσεις του τσιμεντοπολτού χαρακτηρίζονται από ανομοιόμορφη κατανομή, μέγεθος και σχήμα. Aυτή

4 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 62 η ανομοιογένεια επηρεάζει σημαντικά την αντοχή και άλλες μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος. Tα Στερεά του Eνυδατωμένου Tσιμεντοπολτού Παρακάτω περιγράφονται τα τέσσερα βασικά στερεά συστατικά του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. Ένυδρο πυριτικό ασβέστιο (C-S-H). Eίναι το σημαντικότερο συστατικό του τσιμεντοπολτού και καλύπτει το 50-60% κατ' όγκον του στερεού ιστού. Στο συστατικό αυτό, του οποίου η μορφολογία ποικίλει από ελάχιστα κρυσταλλικές ίνες έως δικτυωτού τύπου δομή, ο λόγος C/S είναι μεταξύ 1.5 και 2.0 ενώ η περιεκτικότητα σε H ποικίλει. H δομή του C-S-H δεν έχει ακόμα εξακριβωθεί επακριβώς, αλλά υπάρχουν αρκετά προσομοιώματα στη διεθνή βιβλιογραφία. Tα προσομοιώματα των Powers (1958) και Brunauer (1962) βασίζονται στις υποθέσεις ότι το υλικό έχει στρωσιγενή δομή (με διάμετρο πόρων της τάξης των 18 A o ) με πολύ μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας (της τάξης των m 2 /g) και ότι η αντοχή του οφείλεται κυρίως σε δυνάμεις van der Waals. Tο προσομοίωμα των Feldman and Sereda (1970) στηρίζεται στην υπόθεση ότι το C-S-H αποτελείται από ακανόνιστες ή τεθλασμένης μορφής στρώσεις με τυχαία διάταξη ώστε μεταξύ τους να δημιουργούνται κενά διαφόρων μορφών και μεγεθών (5-25 A o ). Yδροξείδιο ασβεστίου. Oι κρύσταλλοι του υδροξειδίου του ασβεστίου αποτελούν το 20-25% του όγκου των στερεών του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. Σε αντίθεση με το C-S-H, το συστατικό αυτό έχει καθορισμένη στοιχειομετρία, Ca(OH) 2. Σχηματίζει μεγάλους κρυστάλλους μορφής εξαγωνικού πρίσματος και συγκριτικά με το C- S-H η λόγω των δεσμών van der Waals συνεισφορά του στην αντοχή του τσιμεντοπολτού είναι περιορισμένη. Eπίσης, η παρουσία υψηλού ποσοστού Ca(OH) 2 (που χαρακτηρίζεται από σχετικά μεγάλη διαλυτότητα) στον τσιμεντοπολτό επιδρά δυσμενώς στην ανθεκτικότητα του τελευταίου σε όξινα διαλύματα. Θειοαργιλικά ασβέστια. Kαταλαμβάνουν μόνο το 15-20% του όγκου των στερεών του τσιμεντοπολτού και έτσι δεν επηρεάζουν τις σχέσεις δομής-ιδιοτήτων σημαντικά. H παρουσία μονοθειικών ένυδρων στο σκυρόδεμα το καθιστά τρωτό στη δράση χημικών ενώσεων του θείου. Άνυδροι κόκκοι κλίνκερ. Eνδέχεται να υπάρχουν ακόμα και μετά την πάροδο μεγάλου χρονικού διαστήματος από την ενυδάτωση του τσιμέντου. Kατά τη διάρκεια της ενυδάτωσης διαλύονται πρώτα τα μικρά σωματίδια τσιμέντου, ενώ τα μεγαλύτερα μικραίνουν. Λόγω δε του περιορισμένου διαθέσιμου χώρου μεταξύ των σωματιδίων της ενυδάτωσης, τα προϊόντα αυτής τείνουν να κρυσταλλώνονται πολύ κοντά στα ενυδατούμενα σωματίδια κλίνκερ, με αποτέλεσμα μερικές φορές να τα επικαλύπτουν. Έτσι, λόγω περιορισμού του διαθέσιμου χώρου η περαιτέρω ενυδάτωση έχει ως

5 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 63 αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός πυκνού προϊόντος με μορφολογία πολύ παρόμοια αυτής του αρχικού κλίνκερ. Tα Kενά του Eνυδατωμένου Tσιμεντοπολτού Oι διάφοροι τύποι κενών του τσιμεντοπολτού περιγράφονται παραστατικά στο Σχ. 6.2 και αναπτύσσονται παρακάτω. Σχ. 6.2 Tυπικές διαστάσεις των διαφόρων στερεών και κενών του τσιμεντοπολτού. Eνδοστρωσιακά κενά στο C-S-H. Όπως προαναφέρθηκε, τα κενά μεταξύ των διαφόρων στρώσεων C-S-H έχουν εξαιρετικά μικρές διαστάσεις και συνεπώς δεν επηρεάζουν την αντοχή και τη διαπερατότητα του τσιμεντοπολτού (Powers 1968). Eίναι όμως πιθανό τα κενά αυτά να δεσμεύσουν νερό μέσω δεσμών υδρογόνου, που όταν απομακρυνθεί μπορεί να συμβάλλει, όπως εξηγείται παρακάτω, στη συστολή ξήρανσης και στον ερπυσμό του σκυροδέματος. Tριχοειδή κενά. Aντιπροσωπεύουν το πορώδες, δηλαδή χώρο που δεν καταλαμβάνεται από τα στερεά συστατικά του τσιμεντοπολτού, και εξαρτώνται σε όγκο και μέγεθος από την αρχική απόσταση μεταξύ των άνυδρων κόκκων τσιμέντου (αμέσως μετά την ανάμιξη του νερού με το τσιμέντο), δηλαδή από το λόγο νερού προς τσιμέντο κατά βάρος (N/T), και από το βαθμό ενυδάτωσης. H διάμετρος των πόρων σε τσιμεντοπολτούς που βρίσκονται σε προχωρημένα στάδια ενυδάτωσης και χαρακτηρίζονται από μικρό λόγο N/T είναι περίπου nm. Σε τσιμεντοπολτούς που βρίσκονται σε αρχικά στάδια ενυδάτωσης και έχουν μεγάλο λόγο N/T, η διάμετρος των πόρων μπορεί να φθάσει τα 3-5 μm. Eνδεικτικές κατανομές του μεγέθους των πόρων διαφόρων τσιμεντοπολτών δίνονται στο Σχ. 6.3, όπως μετρήθηκαν βάσει της τεχνικής της διείσδυσης υδραργύρου (Mehta and Manmohan 1980). Tονίζεται ότι αυτό που επηρεάζει σημαντικές ιδιότητες του σκυροδέματος είναι η κατανομή των πόρων και όχι το συνολικό πορώδες: οι τριχοειδείς πόροι μεγέθους άνω των 50 nm, δηλαδή οι μακροπόροι,

6 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 64 επιδρούν δυσμενώς στην αντοχή και στην υδατοστεγανότητα του σκυροδέματος, ενώ πόροι μεγέθους κάτω των 50 nm, οι μικροπόροι, είναι καθοριστικής σημασίας για τη συστολή ξήρανσης και τον ερπυσμό (Mindess and Young 1981). Σχ. 6.3 Kατανομή του μεγέθους των πόρων σε ενυδατωμένους τσιμεντοπολτούς (Mehta and Manmohan 1980). Kενά αέρα. Σε αντίθεση με τα τριχοειδή κενά που έχουν ακανόνιστο σχήμα, τα κενά αέρα (φυσαλίδες) είναι περίπου σφαιρικά. Tέτοια κενά είτε παγιδεύονται κατά την ανάμιξη του σκυροδέματος (αυτά έχουν διάμετρο έως 3 nm), είτε εισάγονται εσκεμμένα, όπως θα εξηγηθεί παρακάτω, για να βελτιωθεί η ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε διάρκεια (σε αυτή την περίπτωση η διάμετρός τους είναι μm). Tα κενά αέρα είναι κατά πολύ μεγαλύτερα από τα τριχοειδή, γι αυτό και έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην αντοχή και στη διαπερατότητα του τσιμεντοπολτού.

7 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 65 Tο Nερό του Eνυδατωμένου Tσιμεντοπολτού Όπως τα στερεά και τα κενά, το νερό συναντάται στον τσιμεντοπολτό σε διάφορες μορφές. H ταξινόμηση του νερού του τσιμεντοπολτού βασίζεται στο βαθμό δυσκολίας (ή ευκολίας) με την οποία μπορεί να απομακρυνθεί από αυτόν και είναι χρήσιμη για την κατανόηση των φαινομένων που σχετίζονται με μεταβολές όγκου του σκυροδέματος. Έτσι, εκτός από τους υδρατμούς, που βρίσκονται σε άδειους ή μερικά γεμάτους πόρους, διακρίνονται και οι παρακάτω μορφές, που φαίνονται στο Σχ Σχ. 6.4 ιάφορες μορφές νερού στη δομή του C-S-H (Feldman and Sereda 1970). Tριχοειδές νερό. Bρίσκεται σε πόρους με διάμετρο άνω των 50 A o. εν υφίσταται την επίδραση των ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονται στις επιφάνειες των στερεών και από άποψη συμπεριφοράς ταξινομείται σε δύο κατηγορίες: στο ελεύθερο νερό, που βρίσκεται σε μεγάλους πόρους διαμέτρου > 50 nm και του οποίου η απομάκρυνση δεν προκαλεί μεταβολές όγκου, και στο νερό που συγκρατείται σε τριχοειδείς πόρους μικρής διαμέτρου (5-50 nm) και του οποίου η απομάκρυνση προκαλεί συστολή του συστήματος. Προσροφώμενο νερό. Bρίσκεται φυσικά δεσμευμένο (σε διαστάσεις της τάξης μερικών μοριακών στρώσεων) στις επιφάνειες των στερεών του τσιμεντοπολτού λόγω της δράσης των ελκτικών δυνάμεων των τελευταίων. Σημαντικό ποσοστό του αποβάλλεται με ξήρανση σε σχετική υγρασία 30% και είναι κυρίως υπεύθυνο για τη συστολή του τσιμεντοπολτού λόγω ξήρανσης. Eνδοστρωσιακό νερό. Πρόκειται για μια μονομοριακή στρώση νερού που δεσμεύεται μεταξύ των στρώσεων του C-S-H μέσω ισχυρών δεσμών υδρογόνου. Aποβάλλεται μόνο με ισχυρή ξήρανση (κάτω από 10% σχετική υγρασία), με αποτέλεσμα τη σημαντική συστολή του C-S-H.

8 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 66 Xημικά δεσμευμένο νερό. Aποτελεί τμήμα των στερεών προϊόντων της ενυδάτωσης και δε χάνεται με την ξήρανση. Σχέσεις ομής-iδιοτήτων του Eνυδατωμένου Tσιμεντοπολτού Oι σχέσεις δομής-ιδιοτήτων του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού που περιγράφονται παρακάτω είναι καθοριστικές για τα βασικά μηχανικά χαρακτηριστικά του σκυροδέματος. Aντοχή. H αντοχή των στερεών προϊόντων του τσιμεντοπολτού οφείλεται κυρίως στις ελκτικές δυνάμεις van der Waals. Όπως ισχύει για κάθε πορώδες μέσο, η αντοχή του τσιμεντοπολτού οφείλεται στη στερεά φάση του μόνο και έτσι αυξάνεται με τη μείωση του πορώδους. Eδώ σημειώνεται ότι τα ενδοστρωσιακά κενά του C-S-H καθώς και οι μικροπόροι δεν επηρεάζουν την αντοχή, η οποία εξαρτάται κυρίως από τους τριχοειδείς μακροπόρους και από τυχόν μικρορωγμές. Mε δεδομένο ότι τα προϊόντα της ενυδάτωσης καταλαμβάνουν όγκο πολλαπλάσιο του αρχικού όγκου του τσιμέντου από το οποίο προήλθαν, είναι εύκολο να καταλήξει κανείς στο συμπεράσμα ότι το τριχοειδές πορώδες μειώνεται με την αύξηση του βαθμού ενυδάτωσης και με τη μείωση του λόγου N/T. Tα παραπάνω καταδεικνύονται στο Σχ. 6.5, το οποίο έχει στηριχθεί στην υπόθεση ότι 1 cm 3 τσιμέντου παράγει 2 cm 3 προϊόντων ενυδάτωσης (Powers 1958) και ότι το τσιμέντο έχει πυκνότητα 3140 kg/m 3. Για τσιμεντοπολτούς που έχουν υποστεί κανονική ενυδάτωση, ο Powers (1968) έχει δείξει ότι η θλιπτική αντοχή τους S (σε MPa) εξαρτάται από το λόγο του όγκου στερεών προς το συνολικό (στερεά + κενά) x (x = 1 - α, α = πορώδες) βάσει της σχέσης S = kx 3, όπου k = 235 MPa. Έτσι, για δεδομένο βαθμό ενυδάτωσης εύκολα υπολογίζει κανείς την επίδραση του λόγου N/T αρχικά στο πορώδες και κατόπιν στην αντοχή. Σταθερότητα όγκου. Σε συνθήκες υγρασίας περιβάλλοντος ο κορεσμένος (με νερό) τσιμεντοπολτός υφίσταται απώλεια νερού και συστέλλεται. Aυτό δείχνεται παραστατικά στο Σχ. 6.6 (L' Hermite 1962). To σημαντικότερο ποσοστό της συστολής οφείλεται στην απώλεια του προσροφώμενου νερού, το οποίο όταν ευρίσκεται εγκλωβισμένο μεταξύ δύο επιφανειών του στερεού ιστού δημιουργεί πίεση διαχωρισμού. H πίεση αυτή ελαττώνεται με την απομάκρυνση του προσροφώμενου νερού, με αποτέλεσμα τη συστολή του συστήματος. H συστολή που επέρχεται λόγω της απομάκρυνσης του τριχοειδούς νερού στους μικρούς πόρους (5-50 nm) οφείλεται στο ότι η παρουσία του νερού αυτού στο σύστημα προκαλεί υδροστατικό εφελκυσμό, ενώ η απομάκρυνσή του προκαλεί θλιπτικές τάσεις στο στερεό ιστό των τριχοειδών πόρων, με αποτέλεσμα τη συστολή του συστήματος.

9 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 67 (α) 100 cm 3 τσιμέντου, σταθερός λόγος N/T = 0.63, μεταβλητός βαθμός ενυδάτωσης Hμέρες ενυδάτωσης -- 7 ημ. 28 ημ. 1 χρ. Bαθμός ενυδάτωσης -- 50% 75% 100% (β) 100 cm 3 τσιμέντου, 100% ενυδάτωση, μεταβλητός λόγος N/T Σχ. 6.5 Mεταβολή τριχοειδούς πορώδους με (α) το βαθμό ενυδάτωσης και (β) με το λόγο N/T. (α) (β) Σχ. 6.6 (α) Aπώλεια νερού συναρτήσει σχετικής υγρασίας και (β) συστολή τσιμεντοπολτού συναρτήσει απώλειας νερού.

10 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 68 Οι ίδιοι μηχανισμοί (που προκαλούν συστολή ξήρανσης) είναι επίσης υπεύθυνοι για τον ερπυσμό του τσιμεντοπολτού. Στην περίπτωση αυτή οι εξωτερικές τάσεις εξωθούν το προσροφώμενο νερό και το τριχοειδές νερό των μικρών πόρων, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ερπυστικών παραμορφώσεων ακόμα και σε σχετική υγρασία 100%. Aνθεκτικότητα σε διάρκεια. O ενυδατωμένος τσιμεντοπολτός είναι αλκαλικός, γι αυτό και η αντίδρασή του με όξινα διαλύματα έχει δυσμενείς επιπτώσεις. Φαίνεται λοιπόν ότι η διαπερατότητά του είναι εξέχουσας σημασίας για την ανθεκτικότητα του υλικού. H διαπερατότητα σχετίζεται άμεσα με το τριχοειδές πορώδες ή με το λόγο στερεών προς κενά, και άρα μειώνεται με την αύξηση της αντοχής του τσιμεντοπολτού (Σχ. 6.7, Powers 1958). Σχ. 6.7 Σχέση θλιπτικής αντοχής, υδατοδιαπερατότητας και λόγου στερεών προς κενά. Σημειώνεται ότι το πορώδες που αντιστοιχεί στα ενδοστρωσιακά κενά του C-S-H και στους μικρούς τριχοειδείς πόρους δεν επηρεάζει τη διαπερατότητα του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. Aντίθετα, η αύξηση του βαθμού ενυδάτωσης προκαλεί μείωση της διαπερατότητας, παρόλο που η αύξηση των παραπάνω κενών είναι σημαντική Mεταβατική Zώνη του Σκυροδέματος H ύπαρξη μεταβατικής ζώνης μεταξύ του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού και των αδρανών δίνει εξήγηση σε μια σειρά από φαινόμενα, όπως τα παρακάτω: Tο σκυρόδεμα είναι ψαθυρό σε εφελκυσμό αλλά σχετικά δύσθραυστο σε θλίψη. Ενώ τα διάφορα συστατικά του σκυροδέματος (τσιμεντοπολτός, αδρανή) συμπεριφέρονται σε θλίψη γραμμικά ελαστικά μέχρι τη θραύση, το σκυρόδεμα χαρακτηρίζεται από ανελαστική συμπεριφορά.

11 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 69 Ο ενυδατωμένος τσιμεντοπολτός έχει πάντα μεγαλύτερη αντοχή από το σκυρόδεμα (για την ίδια περιεκτικότητα σε τσιμέντο, την ίδια ηλικία ενυδάτωσης και τον ίδιο λόγο N/T) και η αντοχή του σκυροδέματος μειώνεται όσο αυξάνονται οι διαστάσεις των χονδρών αδρανών. Η διαπερατότητα του σκυροδέματος είναι μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτήν του αντίστοιχου τσιμεντοπολτού, ακόμα και αν τα αδρανή είναι ιδιαίτερα μικρής διαπερατότητας. Σε περίπτωση πυρκαϊάς, το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος μειώνεται ταχύτερα από τη θλιπτική αντοχή. ομή της Mεταβατικής Zώνης Tο κύριο χαρακτηριστικό της δομής της μεταβατικής ζώνης είναι η ύπαρξη υψηλότερου λόγου N/T κοντά στα χονδρά αδρανή απ ότι μακρυά από αυτά, που έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη προσανατολισμένων κρυστάλλων (κάθετα στην επιφάνεια των αδρανών) με μεγαλύτερες διαστάσεις απ ότι στον υπόλοιπο τσιμεντοπολτό και άρα την αύξηση του πορώδους (Maso 1980). Aντοχή της Mεταβατικής Zώνης Όπως και στην περίπτωση του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού, η συνάφεια μεταξύ των προϊόντων ενυδάτωσης της μεταβατικής ζώνης και των αδρανών οφείλεται σε ελκτικές δυνάμεις van der Waals, και επομένως η αντοχή της ζώνης αυτής εξαρτάται από τον όγκο και το μέγεθος των κενών. Mε την πρόοδο της ενυδάτωσης και όσο αυξάνεται η ηλικία του τσιμεντοπολτού τμήμα των κενών συμπληρώνεται από μικρότερους κρυστάλλους, μερικοί από τους οποίους ενδέχεται να είναι προϊόν αργών αντιδράσεων μεταξύ συστατικών του τσιμεντοπολτού και των αδρανών. Tέτοιες αντιδράσεις μειώνουν τις συγκεντρώσεις των κρυστάλλων CH, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από μικρή συνάφεια (με τα αδρανή), και έτσι συνεισφέρουν στην αύξηση της αντοχής της μεταβατικής ζώνης. Ένας άλλος λόγος στον οποίο οφείλεται η σχετικά μικρή αντοχή της μεταβατικής ζώνης είναι η ύπαρξη μικρορωγμών, η ποσότητα των οποίων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως το μέγεθος και η διαβάθμιση των αδρανών, η περιεκτικότητα σε τσιμέντο, ο λόγος N/T, ο βαθμός συμπύκνωσης του φρέσκου τσιμεντοπολτού, οι συνθήκες συντήρησης, η υγρασία περιβάλλοντος κ.ά. Για παράδειγμα, σκυρόδεμα με κακή διαβάθμιση αδρανών ενδέχεται να παρουσιάσει προβλήματα διαχωρισμού των συστατικών του κατά τη συμπύκνωση, με αποτέλεσμα το σχηματισμό λεπτών στρωμάτων νερού γύρω από τα αδρανή (που είναι παχύτερα όσο μεγαλύτερα είναι τα αδρανή) και ιδιαίτερα στο κάτω μέρος τους. H μεταβατική ζώνη που αντιστοιχεί σε

12 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 70 τέτοιους σχηματισμούς είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε ρηγματώσεις λόγω εφελκυστικών τάσεων, οι οποίες οφείλονται σε διαφορικές παραμορφώσεις μεταξύ αδρανών και ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού (π.χ. λόγω ξήρανσης ή ψύξης του σκυροδέματος). Έτσι, η μεταβατική ζώνη στο σκυρόδεμα εμφανίζει μικρορωγμές προτού καν αυτό φορτιστεί. Παράγοντες που επιφέρουν αύξηση του μεγέθους και του αριθμού των μικρορωγμών είναι η συστολή ξήρανσης, τα μόνιμα φορτία που επιφέρουν υψηλές τάσεις και τα κρουστικά φορτία. Eπιρροή της Mεταβατικής Zώνης στις Iδιότητες του Σκυροδέματος H αντοχή της μεταβατικής ζώνης αποτελεί και το άνω όριο της αντοχής του σκυροδέματος. H ανάπτυξη και επέκταση ρωγμών στη ζώνη αυτή γίνεται σχετικά εύκολα, ενώ έχει παρατηρηθεί ότι για θλιπτικές τάσεις της τάξης του 40-70% της αντοχής του σκυροδέματος η ρηγμάτωση στη μεταβατική ζώνη είναι κάπως έντονη, γεγονός που οδηγεί στη μη-γραμμική συμπεριφορά του υλικού ακόμα και όταν τα συστατικά αδρανή και τσιμεντοπολτός είναι ελαστικά. Για ακόμα μεγαλύτερες τάσεις, οι συγκεντρώσεις τάσεων στους μεγάλους πόρους του τσιμεντοπολτού αυξάνονται σημαντικά, με αποτέλεσμα τη ρηγμάτωση του τελευταίου. Περαιτέρω αύξηση των τάσεων επιφέρει διάδοση των ρωγμών του τσιμεντοπολτού μέχρις ότου αυτές ενωθούν με τις ρωγμές της μεταβατικής ζώνης, οπότε και αναπτύσσεται συνεχές δίκτυο ρωγμών που οδηγεί στην πλήρη αστοχία του συστήματος. H παραπάνω ακολουθία φαινομένων απαιτεί σημαντική ενέργεια, ενώ στην περίπτωση εφελκυστικών τάσεων οι ρωγμές διαδίδονται ταχύτατα και υπό χαμηλότερες τάσεις. H δομή της μεταβατικής ζώνης επηρεάζει άμεσα και το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος. H ζώνη αυτή παρέχει τις "γέφυρες" μέσω των οποίων οι τάσεις μεταφέρονται μεταξύ τσιμεντοπολτού και αδρανών. Aύξηση των κενών και των μικρορωγμών στη μεταβατική ζώνη σημαίνει μείωση της παραπάνω ικανότητας γεφύρωσης, με αποτέλεσμα την άμεση μείωση της δυσκαμψίας του συστήματος (που επέρχεται ταχύτερα από τη μείωση της αντοχής). Tέλος, τα χαρακτηριστικά της μεταβατικής ζώνης επηρεάζουν και την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε διάρκεια. H ύπαρξη μικρορωγμών στη ζώνη αυτή αλλά και στη μεταβατική ζώνη μεταξύ τσιμεντοπολτού και ράβδων οπλισμού (στο οπλισμένο σκυρόδεμα) είναι ο κύριος λόγος που το σκυρόδεμα είναι πιο διαπερατό από τα αδρανή και τον τσιμεντοπολτό. Aύξηση της διαπερατότητας διευκολύνει την κυκλοφορία νερού και αέρα, που αποτελούν βασικές προϋποθέσεις για τη διάβρωση του χάλυβα οπλισμού.

13 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ Aντοχή O όρος "αντοχή" στο σκυρόδεμα αναφέρεται στη μέγιστη τάση που μπορεί να μεταφέρει το υλικό μέχρι τη θραύση. H θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος (η οποία είναι ιδιαίτερα μεγάλη, γι αυτό και συχνά στην πράξη τα στοιχεία από σκυρόδεμα σχεδιάζονται έτσι ώστε να εκμεταλλευόμαστε την ιδιότητα αυτή) αποτελεί τη σημαντικότερη ιδιότητα για το υλικό, γιατί με αυτή σχετίζονται άμεσα όλες σχεδόν οι άλλες ιδιότητες, όπως είναι το μέτρο ελαστικότητας, η διαπερατότητα (και η στεγανότητα) και η ανθεκτικότητά του σε περιβαλλοντικές επιδράσεις Σχέση Aντοχής-Πορώδους και Mορφές Aστοχίας στο Σκυρόδεμα Παραπάνω αναφέρθηκε ότι η θλιπτική αντοχή του τσιμεντοπολτού σχετίζεται με το λόγο x του όγκου στερεών του προς το συνολικό όγκο του με τη σχέση (π.χ. Powers 1958) f cp n cp, o x fcp, (6.1) f 1 o α n όπου f cp = θλιπτική αντοχή τσιμεντοπολτού, f cp,o = θλιπτική αντοχή τσιμεντοπολτού για μηδενικό πορώδες, α = πορώδες και n 3. Ας σημειωθεί ότι η παραπάνω σχέση ισχύει με μικροτροποποιήσεις για όλα σχεδόν τα ομοιογενή υλικά (π.χ. Neville 1981, Lemaitre and Chaboche 1990). H εφαρμογή της όμως στο σκυρόδεμα, που εκτός από τον τσιμεντοπολτό αποτελείται και από αδρανή τα οποία περιβάλλει η μεταβατική ζώνη, είναι κάπως παρακινδυνευμένη. Για το κοινό σκυρόδεμα, όπου τα αδρανή είναι μικρού πορώδους και υψηλής αντοχής, η θλιπτική αντοχή καθορίζεται κυρίως από την αντοχή της μεταβατικής ζώνης και από την αντοχή του τσιμεντοπολτού Παράγοντες που Eπηρεάζουν την Aντοχή σε Θλίψη O πλέον καθοριστικός παράγοντας για τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος αφορά τη σχέση του λόγου N/T με το πορώδες. O απευθείας και ακριβής προσδιορισμός του πορώδους στις διάφορες φάσεις του σκυροδέματος (π.χ. τσιμεντοπολτός, μεταβατική ζώνη) είναι πολύ δύσκολος για πρακτικές εφαρμογές, γι αυτό και η ανάπτυξη επακριβών μαθηματικών προσομοιωμάτων για την πρόβλεψη της αντοχής του υλικού σε θλίψη είναι σχεδόν αδύνατη. Aντίθετα, εμπειρία πολλών ετών έχει καθιερώσει πρακτικούς κανόνες που δίνουν αρκετά χρήσιμες πληροφορίες για τους παράγοντες που επηρεάζουν τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος. Oι παράγοντες αυτοί, που δίνονται παραστατικά στο Σχ. 6.8, σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά και τις αναλογίες των συστατικών του σκυροδέματος, με τις συνθήκες συντήρησης και με τον τρόπο διεξαγωγής των πειραματικών ελέγχων για τον προσδιορισμό της αντοχής.

14 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 72 ΘΛΙΠΤΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΟΚΙΜΙΩΝ ιαστάσεις Γεωμετρία Υγρασία ΑΝΤΟΧΗ ΤΩΝ ΦΑΣΕΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΦΟΡΤΙΣΗΣ Είδος τάσεων Ρυθμός φόρτισης ΠΟΡΩ ΕΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΠΟΛΤΟΥ Λόγος Ν/Τ Ορυκτά πρόσθετα Βαθμός ενυδάτωσης Χρόνος συντήρησης Θερμοκρασία Υγρασία Περιεκτικότητα αέρα Εγκλωβισμένος Aερακτικά ΠΟΡΩ ΕΣ Α ΡΑΝΩΝ ΠΟΡΩ ΕΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗΣ ΖΩΝΗΣ Λόγος Ν/Τ Ορυκτά πρόσθετα Χαρακτηριστικά εξίδρωσης ιαβάθμιση αδρανών Μέγιστος κόκκος Γεωμετρία Βαθμός σκλήρυνσης Βαθμός ενυδάτωσης Χρόνος συντήρησης Θερμοκρασία Υγρασία Χημική αλληλεπίδραση αδρανών - τσιμεντοπολτού Σχ. 6.8 Oι παράγοντες που επηρεάζουν την αντοχή του σκυροδέματος. Xαρακτηριστικά και Aναλογίες Yλικών H σύνθεση και οι ιδιότητες των συστατικών του σκυροδέματος εξετάζονται λεπτομερώς σε επόμενες ενότητες, οι σημαντικοί όμως παράγοντες για την αντοχή του σκυροδέματος αναπτύσσονται αμέσως παρακάτω. Λόγος νερού προς τσιμέντο. H σημαντικότατη επίδραση του λόγου N/T στη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος περιγράφεται από το νόμο του Abrams, που διατυπώθηκε από τον ίδιο το 1918: f c k (6.2) k 1 N / T 2 όπου k 1 και k 2 είναι εμπειρικές σταθερές. Tυπικές καμπύλες που περιγράφονται από την παραπάνω σχέση δίνονται στο Σχ. 6.9 (PCA 1988). Aύξηση του λόγου N/T προκαλεί αύξηση του πορώδους (Σχ. 6.5) και άρα μείωση της αντοχής του τσιμεντοπολτού, ενώ ταυτόχρονα μειώνεται και η αντοχή της μεταβατικής ζώνης, κυρίως λόγω της αύξησης του μεγέθους των κρυστάλλων του υδροξειδίου του ασβεστίου.

15 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 73 Σχ. 6.9 Σχέση θλιπτικής αντοχής και λόγου N/T για διαφορετικούς βαθμούς ενυδάτωσης. Eγκλωβισμένος αέρας. H παρουσία κενών αέρα στη δομή του σκυροδέματος οφείλεται είτε σε κακή συμπύκνωση είτε στη χρήση αερακτικών πρόσθετων, που σχηματίζουν στη μάζα του σκυροδέματος μικροσκοπικές φυσαλίδες. Έτσι αυξάνεται το πορώδες και μειώνεται η αντοχή, όπως δείχνει το Σχ (Cordon 1979). (α) (β) Σχ Eπιρροή εγκλωβισμένου αέρα στην αντοχή του σκυροδέματος συναρτήσει (α) του λόγου N/T και (β) της περιεκτικότητας του αναμίγματος σε τσιμέντο. Για δεδομένο λόγο N/T ο εγκλωβισμένος αέρας μειώνει γενικά την αντοχή του σκυροδέματος, ενώ για μικρές περιεκτικότητες σε τσιμέντο (σκυρόδεμα χαμηλής αντοχής)

16 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 74 μπορεί να παρατηρηθεί και αύξηση της αντοχής, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε ογκώδεις κατασκευές όπως τα φράγματα. Aυτό οφείλεται στο ότι από τη μια μεριά ο εγκλωβισμένος αέρας μειώνει την αντοχή του τσιμεντοπολτού λόγω αύξησης του πορώδους, ενώ από την άλλη βελτιώνει την εργασιμότητα και διευκολύνει τη συμπύκνωση του νωπού σκυροδέματος, αυξάνοντας έτσι την αντοχή της μεταβατικής ζώνης (ιδιαίτερα σε σκυροδέματα πτωχά σε νερό και τσιμέντο). Tύπος τσιμέντου. Oι διάφοροι τύποι Eλληνικών τσιμέντων περιγράφονται σε επόμενη ενότητα. O γενικός κανόνας είναι ότι ο ρυθμός αύξησης της αντοχής του σκυροδέματος αυξάνεται με το βαθμό άλεσης (δηλ. με την αύξηση της λεπτότητας των κόκκων του τσιμέντου), οι αντοχές όμως μετά από παρέλευση αρκετού χρόνου (π.χ. πάνω από τρεις μήνες) είναι ουσιαστικά ανεξάρτητες από τον τύπο τσιμέντου. Aυτό ισχύει και για τα τσιμέντα άλλων χωρών, όπως για παράδειγμα των H.Π.A. (PCA 1988). Aδρανή. Eίναι γεγονός ότι το είδος των αδρανών που χρησιμοποιούνται στα κοινά σκυροδέματα δεν επηρεάζει ιδιαίτερα την αντοχή του σκυροδέματος, επειδή τα (συνηθισμένα) αδρανή χαρακτηρίζονται από αντοχή σαφώς μεγαλύτερη αυτής του τσιμεντοπολτού και της μεταβατικής ζώνης. Mερικά όμως χαρακτηριστικά των αδρανών, όπως είναι το μέγεθος, το σχήμα, η επιφανειακή υφή, η διαβάθμιση (κατανομή μεγέθους των κόκκων) και η ορυκτολογική τους σύσταση ενδέχεται να επηρεάσουν την αντοχή του σκυροδέματος είτε έμμεσα, μεταβάλλοντας τις απαιτήσεις νερού ως προς τσιμέντο, είτε άμεσα, επιδρώντας στα χαρακτηριστικά της μεταβατικής ζώνης. H μεταβολή του μεγέθους του μέγιστου κόκκου καλά διαβαθμισμένων αδρανών δεδομένης ορυκτολογικής σύστασης μπορεί να έχει διάφορα αποτελέσματα στην αντοχή του σκυροδέματος. Για την ίδια περιεκτικότητα τσιμέντου και εργασιμότητα, σκυροδέματα με μεγάλα αδρανή έχουν μειωμένες απαιτήσεις σε νερό, αλλά ταυτόχρονα χαρακτηρίζονται από ασθενέστερες μεταβατικές ζώνες (με εντονότερη μικρορηγμάτωση). Tο ποιός από τους παραπάνω δύο παράγοντες υπερισχύει εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το λόγο N/T, όπως δίνεται στο Σχ (Cordon and Gillespie 1963). Για σκυροδέματα υψηλής σχετικά αντοχής (δηλ. με μικρό N/T), η μείωση της αντοχής με την αύξηση του μεγέθους των αδρανών είναι σχετικά έντονη, επειδή για μικρούς λόγους N/T το μειωμένο πορώδες της μεταβατικής ζώνης αρχίζει να παίζει σημαντικό ρόλο στην αντοχή του σκυροδέματος. Eπίσης, επειδή η μεταβατική ζώνη επηρεάζει την εφελκυστική αντοχή του σκυροδέματος περισσότερο από τη θλιπτική, για δεδομένη σύνθεση σκυροδέματος με σταθερό λόγο N/T ο λόγος εφελκυστικής προς θλιπτική αντοχή αυξάνεται με τη μείωση του μεγέθους του μέγιστου κόκκου αδρανών. Για τον ίδιο μέγιστο κόκκο αδρανών και τον ίδιο λόγο N/T, μεταβολή της κοκκομετρικής διαβάθμισης των αδρανών επηρεάζει την αντοχή του σκυροδέματος λόγω μεταβολής της ρευστότητας και των χαρακτηριστικών εξίδρωσης του αναμίγματος. Έτσι, αύξηση της περιεκτικότητας των χονδρών αδρανών εις βάρος των λεπτών (όχι όμως και

17 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 75 πλήρης αντικατάσταση των λεπτών με χονδρά) επιφέρει αύξηση της ρευστότητας (δηλ. της εργασιμότητας, που όπως θα δούμε παρακάτω ποσοτικοποιείται με την κάθιση του αναμίγματος), η οποία με τη σειρά της επιφέρει μείωση της αντοχής. Σχ O ρόλος του μεγέθους μέγιστου κόκκου αδρανών στην αντοχή του σκυροδέματος για διάφορους λόγους N/T. Σκυροδέματα των οποίων τα αδρανή έχουν τραχειές επιφάνειες (π.χ. θραυστά αδρανή) εμφανίζουν σε νεαρές ηλικίες κάπως αυξημένες αντοχές (κυρίως σε εφελκυσμό) σε σχέση με τα αντίστοιχα σκυροδέματα που περιέχουν κάπως λεία (π.χ. συλλεκτά) αδρανή, λόγω της καλύτερης πρόσφυσης μεταξύ αδρανών και ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. Mε την αύξηση όμως του βαθμού ενυδάτωσης, οπότε και ενεργοποιείται η χημική συνάφεια μεταξύ αδρανών και τσιμεντοπολτού, η επίδραση της τραχύτητας αυτής στην αντοχή του σκυροδέματος μειώνεται. Γεγονός είναι πάντως ότι για δεδομένη περιεκτικότητα του σκυροδέματος σε τσιμέντο η απαιτούμενη ποσότητα νερού, ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή εργασιμότητα, σε σκυρόδεμα με αδρανή που έχουν τραχειά υφή είναι συνήθως μεγαλύτερη της αντίστοιχης για την περίπτωση αδρανών με σχετικά λείες επιφάνειες, οπότε και αντισταθμίζεται το πλεονέκτημα της βελτιωμένης συνάφειας. Τέλος, όσον αφορά την ορυκτολογική σύσταση των αδρανών, είναι γενικά αποδεκτό σήμερα ότι χρήση ασβεστολιθικών αδρανών (που ευτυχώς αφθονούν στον Eλληνικό χώρο) έναντι πυριτικών δίνει σκυροδέματα με αυξημένες αντοχές. Nερό ανάμιξης. H ποιότητα του νερού ανάμιξης του σκυροδέματος είναι σπανίως καθοριστική για την αντοχή του. Mερικές φορές όμως βλαβερές ουσίες στο νερό ενδέχεται να προκαλέσουν μείωση της αντοχής, διάβρωση του οπλισμού και εξανθήματα (εναποθέσεις λευκών αλάτων στην επιφάνεια κατασκευών από σκυρόδεμα). Nερό που περιέχει βιομηχανικά ή αστικά λύματα πρέπει γενικά να αποφεύγεται. Eπίσης νερό με ίχνη ζάχαρης (που σταματούν τελείως την ενυδάτωση), με οξέα (που δεσμεύουν

18 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 76 το απαραίτητο για την πήξη CaO), με λάδια και λίπη (που εμποδίζουν την καλή πρόσφυση αδρανών και τσιμεντοπολτού) και με οργανικές ουσίες (που αναστέλλουν την πήξη) είναι επιζήμιο. Aλμυρά ή υφάλμυρα νερά περιέχουν χλωριούχα και θειικά άλατα που επιφέρουν λίγο μεγαλύτερες αρχικές αντοχές αλλά κατά 15-20% μικρότερες τελικές αντοχές. Tο θαλασσινό νερό ενδέχεται σε μερικές περιπτώσεις να προκαλέσει διάβρωση του χάλυβα στο οπλισμένο και ιδιαίτερα στο προεντεταμένο σκυρόδεμα, του οποίου οι χάλυβες είναι πολύ ευαίσθητοι σε διάβρωση, γι αυτό και στο τελευταίο πρέπει να αποφεύγεται, ενώ στο πρώτο επιτρέπεται να χρησιμοποιείται μόνο εφόσον αυτό προβλέπεται ρητά στη σύμβαση του έργου (Kανονισμός Tεχνολογίας Σκυροδέματος 1997). Στην περίπτωση χρησιμοποίησης θαλασσινού νερού για την παραγωγή άοπλου σκυροδέματος η απαιτούμενη αντοχή θα πρέπει να αυξάνεται, σύμφωνα με τον παραπάνω Kανονισμό, κατά 15%. Ως γενικό κανόνα μπορεί πάντως ο μηχανικός να θεωρεί ότι το πόσιμο νερό είναι κατάλληλο για ανάμιξη με το σκυρόδεμα. Περισσότερες λεπτομέρειες για την καταλληλότητα του νερού ανάμιξης του σκυροδέματος δίνονται στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ Πρόσμικτα και πρόσθετα. H επίδραση αερακτικών στην αντοχή του σκυροδέματος έχει ήδη αναφερθεί. Pευστοποιητικά ή υπερρευστοποιητικά πρόσμικτα, που στοχεύουν στη μείωση του νερού του αναμίγματος και στην αύξηση της ρευστότητας, έχουν γενικά θετική επίδραση στο βαθμό ενυδάτωσης και στην ανάπτυξη αντοχής στα αρχικά στάδια της ενυδάτωσης. Eπιταχυντικά ή επιβραδυντικά της πήξης πρόσμικτα επηρεάζουν σημαντικά τις αρχικές αντοχές (τις αυξάνουν ή τις μειώνουν, αντίστοιχα) όχι όμως και τις τελικές. Oρυκτά πρόσθετα, όπως οι φυσικές ποζολάνες, η ιπτάμενη τέφρα και η σκωρία καμίνου, συνήθως επιβραδύνουν το ρυθμό ανάπτυξης της αντοχής αλλά επιφέρουν αύξηση της τελικής αντοχής (ιδιαίτερα της εφελκυστικής), γεγονός που οφείλεται στην ικανότητά τους να αντιδρούν με το ένυδρο υδροξείδιο του ασβεστίου του τσιμεντοπολτού σχηματίζοντας πρόσθετες ποσότητες C-S-H που ενδέχεται να μειώσουν το πορώδες τόσο του τσιμεντοπολτού όσο και της μεταβατικής ζώνης (π.χ. Neville 1981). Συνθήκες Συντήρησης Mε τον όρο συντήρηση εννοούμε τις διαδικασίες που αποσκοπούν στη διατήρηση του σκυροδέματος, αμέσως μετά την τοποθέτησή του σε καλούπια, κάτω από συνθήκες ελεγχόμενου χρόνου, υγρασίας και θερμοκρασίας που ευνοούν την ενυδάτωση. Xρόνος. Για δεδομένο λόγο N/T και υγρές συνθήκες συντήρησης υπό σταθερή υγρασία η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται με το χρόνο όσο διαρκεί η ενυδάτωση. Ο Ευρωκώδικας 2 (ΕΝ ) δίνει την παρακάτω σχέση για την εξέλιξη της αντοχής σκυροδέματος (για μέση συντήρηση στους 20 o C) με το χρόνο:

19 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 77 f cm 1/ 2 28 exp t t (6.3) / 1 t βcc t fcm s1 fcm όπου f cm (t) = μέση θλιπτική αντοχή σε ηλικία t ημερών, t 1 = 1 ημέρα, f cm = μέση θλιπτική αντοχή σε ηλικία 28 ημερών και s = σταθερά που εξαρτάται από τον τύπο τσιμέντου, έτσι ώστε s = 0.20 για ταχύπηκτο τσιμέντο (Κατηγορίες CEM 42.5 R, CEM 52.5 R και CEM 52.5 N οι κατηγορίες τσιμέντου ορίζονται στην Ενότητα 6.6.4), s = 0.25 για κανονικό τσιμέντο (Κατηγορίες CEM 32.5 R και CEM 42.5 N) και s = 0.38 για βραδύπηκτο τσιμέντο (Κατηγορία CEM 32.5 N). Για παράδειγμα, η αντοχή σκυροδέματος με κανονικό τσιμέντο (δηλ. s = 0.25) στις 3, 7, 90 και 360 ημέρες είναι 60%, 78%, 112% και 120%, αντίστοιχα, της αντοχής 28 ημερών. Εδώ σημειώνεται ότι η εξ. (6.3) μπορεί να εφαρμοστεί και για την εξέλιξη της εφελκυστικής αντοχής με το χρόνο, αρκεί να υψωθεί η ποσότητα β cc (t) σε δύναμη α, όπου α = 1 για t < 28 και α = 2/3 για t 28. Yγρασία. Aπαραίτητη προϋπόθεση για την αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος με το χρόνο είναι η συντήρηση κάτω από συνθήκες υγρασίας (π.χ. πλημμύρισμα των στοιχείων, συνεχής διαβροχή, τύλιγμα με πλαστικές μεμβράνες κ.τ.λ.). Aυτό φαίνεται στο Σχ. 6.12, το οποίο δείχνει επίσης την επίδραση του χρόνου υγρής συντήρησης στην εξέλιξη της αντοχής (Mehta and Monteiro 1993). Σχ Eπίδραση του χρόνου υγρής συντήρησης στην αντοχή του σκυροδέματος. Έτσι, για παράδειγμα, σκυρόδεμα μετά από υγρή συντήρηση 7 ημερών (που αποτελεί και τον ελάχιστο χρόνο που συνιστάται από τους περισσότερους σύγχρονους κανονισμούς) έχει αντοχή 28 ημερών περίπου διπλάσια από το αντίστοιχο με μηδενική υγρή συντήρηση (δηλαδή συντήρηση στον αέρα). Λεπτομέρειες για τη διαδικασία της συντήρησης του σκυροδέματος δίνονται στην Eνότητα

20 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 78 Θερμοκρασία. H αύξηση της θερμοκρασίας κατά τη συντήρηση του σκυροδέματος έχει γενικά ως αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας των αντιδράσεων ενυδάτωσης, με αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης της αντοχής. Eνδεικτικά αναφέρεται ότι η αντοχή 28 ημερών σκυροδέματος που διαστρώνεται και συντηρείται στους 5 ο C είναι περίπου ίση με το 80% της αντίστοιχης αντοχής σκυροδέματος για διάστρωση και συντήρηση στους ο C. H διαφορά αυτή βέβαια δεν υφίσταται για την αντοχή σε μεγαλύτερες ηλικίες, οπότε έχει σχεδόν ολοκληρωθεί η ενυδάτωση. Aντίθετα μάλιστα, πολλοί ερευνητές έχουν δείξει ότι η τελική αντοχή αυξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας διάστρωσης και συντήρησης. Για παράδειγμα, δοκίμια που παρασκευάστηκαν στους 5 ο C και 20 ο C, συντηρήθηκαν στις θερμοκρασίες αυτές για 2-3 ώρες και κατόπιν συντηρήθηκαν σε υγρασία και θερμοκρασία 20 ο C μέχρις ελέγχου της αντοχής τους, έδωσαν μεγαλύτερες τελικές αντοχές κατά 20% και 15%, αντίστοιχα, από την αντοχή δοκιμίων που παρασκευάστηκαν στους 40 ο C, συντηρήθηκαν στη θερμοκρασία αυτή για 2-3 ώρες και μετά ακολούθησαν τη διαδικασία συντήρησης των προηγούμενων δοκιμίων. H αύξηση αυτή οφείλεται στο ότι οι χαμηλότερες θερμοκρασίες συντήρησης επιφέρουν αύξηση της ομοιομορφίας της δομής και ιδιαίτερα του πορώδους του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. οκίμια που παρασκευάστηκαν στους 20 ο C και κατόπιν συντηρήθηκαν σε θερμοκρασίες -10 ο C, 5 ο C και 12 ο C για 28 ημέρες, έδωσαν αντοχές (28 ημερών) περίπου 5%, 50% και 60%, αντίστοιχα, της αντοχής δοκιμίων που συντηρήθηκαν στους 20 ο C. Eίναι λοιπόν σαφές ότι μείωση της θερμοκρασίας συντήρησης επιφέρει μείωση της αντοχής, ενώ για ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες οι ρυθμοί ενυδάτωσης είναι σχεδόν μηδενικοί. Περισσότερα στοιχεία σχετικά με θερμοκρασίες διάστρωσης και συντήρησης, ιδιαίτερα δε σε σχέση με τους κανονισμούς, δίνονται σε παρακάτω ενότητα. Mέθοδος Πειραματικού Eλέγχου Aντοχής Tα αποτελέσματα του πειραματικού προσδιορισμού της αντοχής του σκυροδέματος επηρεάζονται, μεταξύ άλλων, και από διάφορες παραμέτρους της δοκιμής, όπως είναι το σχήμα, το μέγεθος και η υγρασία των δοκιμίων, καθώς και ο τρόπος φόρτισης. Σχήμα, μέγεθος και υγρασία δοκιμίων. Kατά τη δοκιμή θλίψης, το δοκίμιο σκυροδέματος αναπτύσσει εγκάρσιες παραμορφώσεις (διόγκωση), οι οποίες εμποδίζονται σημαντικά λόγω δυνάμεων τριβής στην περιοχή των επιφανειών επαφής με τις άκαμπτες πλάκες της μηχανής φόρτισης. H εγκάρσια αυτή παρεμπόδιση επιβραδύνει την ανάπτυξη και επέκταση κατακόρυφων μικρορωγμών και άρα αυξάνει τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος. Η "περίσφιγξη" αυτή του υλικού είναι έντονη μόνο στις ακραίες περιοχές του δοκιμίου, γι αυτό και η επίδρασή της στο αποτέλεσμα της δοκιμής

21 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 79 μειώνεται αυξάνοντας το λόγο ύψους προς βάση. H επίδραση των συνοριακών συνθηκών στην αντοχή ουσιαστικά εκμηδενίζεται για λόγο 2:1, αλλά για δοκίμια με μικρότερο λόγο η θλιπτική αντοχή αυξάνεται με τη μείωση του λόγου αυτού. Έτσι εξηγείται λοιπόν γιατί η θλιπτική αντοχή κυλινδρικού δοκιμίου 150x300 mm είναι μικρότερη, περίπου ίση με το 75-85%, της αντοχής κύβου 150 mm (το ποσοστό αυτό αυξάνεται με την αντοχή του σκυροδέματος). Eκτός από την τιμή της αντοχής, το σχήμα του δοκιμίου επηρεάζει και τη μορφή αστοχίας, γεγονός που οφείλεται στην καμπύλωση των τροχιών των κυρίων τάσεων, που προκύπτει λόγω δυνάμεων τριβής στα άκρα και μπορεί να φθάσει, για κυβικά δοκίμια, μέχρι το μέσο του ύψους τους. Σε δοκίμια με λόγο ύψους προς βάση τουλάχιστον 2:1 οι τροχιές των κυρίων τάσεων στο μέσο του ύψους είναι σχεδόν ευθύγραμμες, οπότε και οι επιφάνειες θραύσης είναι παράλληλες ή σχηματίζουν μικρές γωνίες με τη διεύθυνση φόρτισης, σε αντίθεση με τα κυβικά δοκίμια που θραύονται με μορφή διπλού κώνου (Σχ. 6.13). Σχ Eπίδραση του σχήματος του δοκιμίου στη μορφή αστοχίας: (α) κύβος, (β) κύλινδρος. Eπειδή η πιθανότητα να βρεθεί μια αδύνατη περιοχή από όπου θα αρχίσει η αστοχία του δοκιμίου αυξάνεται με τον όγκο του υλικού, η αντοχή μειώνεται με το μέγεθος του δοκιμίου. Έτσι, η αντοχή κύβων πλευράς 150 mm και 300 mm είναι κατά μέσο όρο

22 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 80 5% μεγαλύτερη και 10% μικρότερη, αντίστοιχα, από αυτή κύβου πλευράς 200 mm. Eπίσης, η αντοχή κυλίνδρων 50x100 mm, 75x150 mm και 200x400 mm είναι κατά μέσο όρο 10% μεγαλύτερη, 6% μεγαλύτερη και 4% μικρότερη, αντίστοιχα, από αυτή κυλίνδρου 150x300 mm. οκίμια με αρκετή υγρασία έχουν γενικά μικρότερη αντοχή από ξηρά δοκίμια, γεγονός που μάλλον οφείλεται στο ότι τα μόρια νερού στους πόρους του σκληρυμένου τσιμεντοπολτού αυξάνουν τις αποστάσεις μεταξύ των κρυστάλλων μειώνοντας έτσι τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους, άρα και την αντοχή. Έτσι, εντελώς ξηρά δοκίμια έχουν αντοχή μέχρι 20% περίπου μεγαλύτερη από αυτή δοκιμίων κορεσμένων σε νερό. Συνθήκες φόρτισης. H φόρτιση των δοκιμίων στο εργαστήριο μέχρι τη θραύση διαρκεί περίπου 2-3 λεπτά, ενώ στην πράξη τα περισσότερα δομικά στοιχεία από σκυρόδεμα υπόκεινται αφενός σε μόνιμα φορτία που διαρκούν πολλά χρόνια, αφετέρου σε επαναλαμβανόμενες ή και "ξαφνικές" φορτίσεις. H παρουσίαση της επίδρασης των συνθηκών φόρτισης στην αντοχή του σκυροδέματος γίνεται στην αμέσως επόμενη παράγραφο Tο Σκυρόδεμα υπό Φόρτιση Λόγω της πολυπλοκότητας που χαρακτηρίζει τη δομή του σκυροδέματος, οι μηχανισμοί αστοχίας του είναι αρκετά περίπλοκοι και εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την κατανομή των τάσεων. Mία κάπως απλουστευμένη περιγραφή τους δίνεται παρακάτω. Συμπεριφορά σε Mονοαξονική Θλίψη Tο σκυρόδεμα αστοχεί σε θλίψη λόγω ανάπτυξης και επέκτασης ρωγμών στη μάζα του σκληρυμένου τσιμεντοπολτού. Πολλές από τις ρωγμές αυτές προϋπάρχουν στη μεταβατική ζώνη (ο αριθμός τους και το πλάτος τους εξαρτώνται κυρίως από τη συντήρηση και από τα χαρακτηριστικά εξίδρωσης του σκυροδέματος, καθώς και από την αντοχή της μεταβατικής ζώνης) και ενώνονται με άλλες που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της φόρτισης. H σχέση τάσης-παραμόρφωσης του υλικού (Σχ. 6.14α) περιγράφει γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι το 30% περίπου της αντοχής f c, ενώ κατά το αρχικό αυτό στάδιο φόρτισης οι ρωγμές της μεταβατικής ζώνης παραμένουν ως έχουν. Για τάσεις μεταξύ 30% και 50% της f c οι ρωγμές αυτές αυξάνονται κάπως σε μήκος, πλάτος και αριθμό, χωρίς να εισέρχονται στον σκληρυμένο τσιμεντοπολτό, ενώ η καμπύλη σ-ε γίνεται όλο και περισσότερο μη-γραμμική. Για μεγαλύτερες τάσεις και μέχρι 0.75f c, που ονομάζεται και κρίσιμη τάση (Chen 1982), η ρηγμάτωση επεκτείνεται με αυξανόμενους ρυθμούς στον τσιμεντοπολτό. Mετά την κρίσιμη τάση το σύστημα γίνεται

23 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 81 ασταθές, με την έννοια ότι οι παραμορφώσεις αυξάνονται σχετικά απότομα, ενώ οι επιφάνειες θραύσης τείνουν να γίνουν συνεχείς. Έτσι, για τάσεις f c η σχέση σ-ε εμφανίζει βαθμιαία αύξηση καμπυλότητας, ενώ για ακόμα μεγαλύτερες τάσεις γίνεται σχεδόν οριζόντια και ακολούθως αποκτά αρνητική κλίση μέχρι την τελική θραύση του υλικού. Σημειώνεται ότι η κρίσιμη τάση αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την ανάπτυξη παραμορφώσεων που σχετίζονται με τη μεταβολή όγκου του υλικού. Όπως δείχνει και το Σχ. 6.14β, ο όγκος του υλικού μειώνεται σχεδόν γραμμικά μέχρι την κρίσιμη τάση, πέρα από την οποία η μεταβολή όγκου αλλάζει πρόσημο και αυξάνεται με γρήγορους ρυθμούς, λαμβάνοντας την τιμή μηδέν όταν η τάση γίνει περίπου ίση με f c. H πρόοδος της ρηγμάτωσης του υλικού δίνεται παραστατικά στο Σχ (α) (β) Σχ Tυπικά διαγράμματα θλιπτικής τάσης συναρτήσει (α) αξονικής και εγκάρσιας παραμόρφωσης, και (β) παραμόρφωσης όγκου. Όταν η θλιπτική τάση ξεπερνά την κρίσιμη τιμή (προσεγγιστικά), η συμπεριφορά του σκυροδέματος εξαρτάται σημαντικά από τη διάρκεια της φόρτισης, λόγω του φαινομένου του ερπυσμού (ανάπτυξη παραμορφώσεων υπό σταθερή τάση). Έτσι, όταν τα φορτία είναι μόνιμα και προκαλούν σημαντικές τάσεις, οι ρωγμές της μεταβατικής ζώνης επεκτείνονται προς τη μάζα του τσιμεντοπολτού προκαλώντας αστοχία του υλικού υπό τάση που είναι μικρότερη της μονοαξονικής αντοχής σε βραχυχρόνια φόρτιση. Για παράδειγμα, τάση ίση με 0.9f c πρακαλεί αστοχία του υλικού μετά από μία ώρα, ενώ ο αντίστοιχος χρόνος για τάση 0.75f c είναι περίπου 30 χρόνια. Tυπικές σχέσεις μεταξύ αντοχής σε βραχυχρόνια και μακροχρόνια φόρτιση δίνονται στο Σχ (Rusch 1960). Σχετικά με την ταχύτητα φόρτισης, είναι γενικά αποδεκτό ότι η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται με το ρυθμό επιβολής του φορτίου. Λαμβάνοντας ως αντοχή αναφοράς αυτήν που αντιστοιχεί σε ταχύτητα 0.25 MPa/s, τότε για ταχύτητες φόρτισης από MPa/s μέχρι 100 MPa/s οι Jones and Richart (1936) έχουν προτείνει τον

24 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 82 υπολογισμό της αντοχής σε ταχύτητα R πολλαπλασιάζοντας την αντοχή σε 0.25 MPa/s επί ( log 10 R). Οι λεπτομέρειες για την ταχύτητα φόρτισης κατά τη δοκιμή θλίψης σκυροδέματος καθορίζονται στο σχετικό Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ Σχ Σχηματική απεικόνιση της συμπεριφοράς του σκυροδέματος σε μονοαξονική θλίψη. Σχ Σχέση μεταξύ βραχυχρόνιας και μακροχρόνιας αντοχής σε μονοαξονική θλίψη. Eνδιαφέρον επίσης παρουσιάζει η συμπεριφορά του σκυροδέματος σε κρούση, όπου παρατηρείται σημαντική αύξηση της αντοχής με την αύξηση της ταχύτητας

25 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 83 επιβολής του κρουστικού φορτίου. Ενώ υπάρχει σαφής συσχέτιση μεταξύ αντοχής σε κρούση και θλιπτικής αντοχής, έχει αποδειχθεί ότι για δοκίμια με την ίδια θλιπτική αντοχή, η αντοχή σε κρούση αυξάνεται με το βαθμό τραχύτητας των χονδρόκοκκων αδρανών και με τη μείωση των διαστάσεων των αδρανών. H μεγάλη δε εξάρτησή της από τα χαρακτηριστικά της μεταβατικής ζώνης οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η αντοχή σε κρούση σχετίζεται άμεσα με την αντοχή του σκυροδέματος σε εφελκυσμό. Ο Πρότυπος Κανονισμός 2010 (fib 2012) δίνει τις παρακάτω σχέσεις για τον υπολογισμό της θλιπτικής αντοχής σε κρούση: fc, imp, k fcm σ σ o για 6 σ 10 MPa/s (6.4α) και fc, imp fcm fc, imp, k fcm / 3 σ σ o ε c ε co για 6 σ 10 MPa/s (6.4β) για ε 30 1/s (6.4γ) f c, imp f cm ε ε c co 1/ 3 για ε 30 1/s (6.4δ) όπου f c,imp,k = χαρακτηριστική τιμή της θλιπτικής αντοχής για ταχύτητα φόρτισης σ (όπως θα εξηγηθεί καλύτερα παρακάτω, ως χαρακτηριστική αντοχή ορίζεται αυτή για την οποία η πιθανότητα υποσκελισμού της, δηλαδή εύρεσης μικρότερης τιμής, αν όλη υποθετικά - η ποσότητα του σκυροδέματος μετατρεπόταν σε δοκίμια, είναι το πολύ 5%), f cm = θλιπτική αντοχή σε ταχύτητα σ ο = 1 MPa/s, σ = ταχύτητα επιβολής θλιπτικής τάσης, ε co = 30x10-6 1/s και ε c = ταχύτητα επιβολής θλιπτικής παραμόρφωσης. Tέλος, η επίδραση επαναλαμβανόμενης ή ανακυκλιζόμενης φόρτισης είναι δυσμενής για την αντοχή του σκυροδέματος όταν η ανώτατη τάση υπερβαίνει το 60% περίπου της θλιπτικής αντοχής (σπάνια σε συνηθισμένες κατασκευές). Tο φαινόμενο αστοχίας στην περίπτωση αυτή οφείλεται στην προοδευτική μικρορηγμάτωση της μεταβατικής ζώνης και του σκληρυμένου τσιμεντοπολτού. H απόκριση του σκυροδέματος σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση δίνεται στο Σχ (Karson and Jirsa 1969). Xαρακτηριστικό της απόκρισης είναι η ανάπτυξη μη-γραμμικότητας και βρόγχων υστέρησης, αλλά και ότι η περιβάλλουσα καμπύλη που ορίζεται από τις μέγιστες τιμές των τάσεων σε κάθε κύκλο φόρτισης σχεδόν ταυτίζεται με την καμπύλη τάσηςπαραμόρφωσης σε μονοτονική φόρτιση.

26 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ 84 Σχ Συμπεριφορά σκυροδέματος σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Συμπεριφορά σε Mονοαξονικό Eφελκυσμό H αστοχία δοκιμίων σκυροδέματος σε μονοαξονικό εφελκυσμό οφείλεται στην επέκταση ρωγμών κάθετα στη διεύθυνση της φόρτισης. Tέτοιες ρωγμές μειώνουν τη διατομή των δοκιμίων και επιφέρουν συγκεντρώσεις τάσεων. Tελικά η αστοχία του υλικού προκαλείται λόγω της απότομης επέκτασης λίγων σχετικά ρωγμών, έτσι ώστε να είναι αρκετά δύσκολο να καταγραφεί πειραματικά το τμήμα της καμπύλης τάσηςπαραμόρφωσης μετά τη μέγιστη τάση. O λόγος εφελκυστικής προς θλιπτική αντοχή για το σκυρόδεμα είναι μόλις , κάτι που οδηγεί στο να θεωρείται συνήθως η εφελκυστική αντοχή πρακτικά ίση με μηδέν. Mερικές φορές όμως μια εκτίμηση του μεγέθους της είναι απαραίτητη, όπως π.χ. για τον υπολογισμό των φορτίων που προκαλούν ρηγμάτωση. Σχ Πειραματικές διατάξεις άμεσων πειραματικών ελέγχων εφελκυστικής αντοχής. H άμεση μέτρηση της εφελκυστικής αντοχής του σκυροδέματος είναι αρκετά περίπλοκη, γιατί απαιτεί ή τη χρήση ειδικών δοκιμίων με αρπάγες εφελκυσμού (Σχ.

27 ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ α) ή την επικόλληση πρισματικών δοκιμίων σε μεταλλικές πλάκες εφαρμογής του φορτίου (Σχ. 6.18β), αλλά και συχνά μη ακριβής, λόγω της ανάπτυξης δευτερευουσών τάσεων. H πλέον συνηθισμένη δοκιμή της αντοχής του σκυροδέματος σε εφελκυσμό (η διεξαγωγή της οποίας γίνεται κατά ΕΝ ) είναι αυτή του έμμεσου εφελκυσμού από διάρρηξη (λέγεται και "Bραζιλιάνικη δοκιμή"), κατά την οποία κυλινδρικό δοκίμιο μήκους L = 300 mm και διαμέτρου D = 150 mm υποβάλλεται σε θλίψη υπό ομοιόμορφα κατανεμημένες δυνάμεις P κατά μήκος δύο αντιδιαμετρικών γενέτειρων της παράπλευρης επιφάνειας (Σχ. 6.19α). Aποτέλεσμα των δυνάμεων αυτών είναι η ανάπτυξη ομοιόμορφα κατανεμημένων εφελκυστικών τάσεων κάθετα στο επίπεδο που ορίζεται από τις δύο γενέτειρες, μεγέθους 2P σ h (6.5) πld Η τιμή της τάσης σ h στη μέγιστη δύναμη P, δηλαδή κατά την αστοχία του δοκιμίου (με κύριο χαρακτηριστικό τη διάρρηξη του κυλίνδρου σε δύο τμήματα, Σχ. 6.19α), ονομάζεται αντοχή σε εφελκυσμό από διάρρηξη. Η δοκιμή διάρρηξης δίνει τιμές αντοχής παρόμοιες με αυτές που προκύπτουν από τη δοκιμή σε άμεσο εφελκυσμό (Malárics and Müller 2010), γι αυτό και στον Πρότυπο Κανονισμό 2010 προτείνεται η χρήση της σχέσης f ct,sp = f ctm, όπου f ct,sp = μέση τιμή της εφελκυστικής αντοχής από διάρρηξη και f ctm = μέση τιμή της αντοχής σε άμεσο εφελκυσμό. Παλαιότερες αντιλήψεις ήθελαν τη δοκιμή διάρρηξης να υπερεκτιμά ελαφρώς την εφελκυστική αντοχή, γιαυτό και στη σημερινή του έκδοση ο Ευρωκώδικας 2 δίνει f ctm = 0.9f ct,sp. Mία άλλη εύκολη δοκιμή έμμεσου εφελκυσμού είναι η δοκιμή πρισμάτων 150x150x600 ή 750 mm, που υποβάλλονται σε κάμψη ως αμφιέρειστες δοκοί ανοίγματος 450 mm με φορτίο στη μέση ή δύο φορτία στα τρίτα του ανοίγματος (Σχ. 6.19β). H δοκιμή αυτή περιγράφεται λεπτομερώς στο Πρότυπο EN H μέγιστη εφελκυστική τάση σ max κατά τη θραύση του δοκιμίου ("αντοχή σε εφελκυσμό από κάμψη" ή "καμπτική εφελκυστική αντοχή" ή σπανιότερα - "μέτρο θραύσης") δίνεται ως 6Mmax σ max (6.6) 2 bh όπου M max είναι η ροπή θραύσης του δοκιμίου, ενώ b και h είναι το πλάτος και ύψος του δοκιμίου, αντίστοιχα. H παραπάνω εξίσωση υποθέτει γραμμική κατανομή των τάσεων καθ' ύψος της διατομής, κάτι που δεν είναι απόλυτα σωστό λόγω της μη-γραμμικότητας της καμπύλης τάσεων-παραμορφώσεων του σκυροδέματος και επειδή οι διαστάσεις του δοκιμίου δε δικαιολογούν την εφαρμογή της τεχνικής θεωρίας κάμψης στην οποία στηρίζεται η παραπάνω εξίσωση. Eπιπλέον, η μέγιστη εφελκυστική τάση αναπτύσσεται