Πειραματική και Αναλυτική Μελέτη του Φαινόμενου της Αυτογενούς Συρρίκνωσης Experimental and Analytical Investigation of Autogenous Shrinkage

Transcript

1 1 Πειραματική και Αναλυτική Μελέτη του Φαινόμενου της Αυτογενούς Συρρίκνωσης Experimental and Analytical Investigation of Autogenous Shrinkage Αντώνιος ΚΑΝΕΛΛΟΠΟΥΛΟΣ 1, Δημήτριος ΝΙΚΟΛΑΪΔΗΣ 2, Bhushan KARIHALOO 3 Λέξεις κλειδιά: TEE, Συνέδριο, Κύπρος ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Οι σύγχρονες απαιτήσεις της κατασκευαστικής βιομηχανίας έχουν οδηγήσει στην χρησιμοποίηση εξελιγμένων σκυροδεμάτων, τα οποία κάνουν εφικτή την δημιουργία ειδικών κατασκευών. Η ανάγκη για ψηλά επίπεδα ανθεκτικότητας σήμερα αποτελεί ένα μείζονος σημασίας ζήτημα στο σχεδιασμό των κατασκευών. Η δημιουργία σκυροδεμάτων υψηλής επιτελεστικότητας με χαμηλούς λόγους νερού προς τσιμέντο καθώς και με την προσθήκη προσμίκτων οδήγησε μεν στην βελτίωση της μικροδομής και κατά συνέπεια της ανθεκτικότητας αλλά ταυτόχρονα δημιούργησε ένα νέο και πολύ επικίνδυνο φαινόμενο. Το φαινόμενο της αυτογενούς συρρίκνωσης, το οποίο αναγνωρίζεται πλέον στη διεθνή βιβλιογραφία ως ένας παράγοντας που μπορεί να προκαλέσει σημαντική φθορά (μέσω της δημιουργίας μικρορηγματώσεων) στο σκυρόδεμα κατά το στάδιο της σκλήρυνσης. Ο σκοπός της συγκεκριμένης μελέτης είναι να παρουσιάσει τα αποτελέσματα εκτεταμένης έρευνας πάνω στο φαινόμενο της αυτογενούς συρρίκνωσης. Επιπλέον θα παρουσιαστεί ένα θερμοδυναμικό προσομοίωμα το οποίο μπορεί να προβλέψει τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις ως αποτέλεσμα της αυτογενούς συρρίκνωσης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αντιπαραβάλλονται με τα πειραματικά δεδομένα, δείχνοντας καλή συσχέτιση τιμών. ABSTRACT: The aim of this investigation was to study the phenomenon of autogenous shrinkage in a new class of High Performance Fibre Reinforced Cementitious Composites (HPFRCCs) designated CARDIFRC that has been recently developed at Cardiff University. The scope of the study was to investigate how the self-induced shrinkage strains develop in CARDIFRC matrix without fibres and what was the effect of the inclusion of a large amount of fibre 1 Μεταδιδακτορικός Συνεργάτης, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήμιο Κύπρου, akan@ucy.ac.cy 2 Λέκτορας, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Frederick University, d.nicolaides@frederick.ac.cy 3 Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Κάρντιφ,

2 2 on the autogenous shrinkage. Both experimental and theoretical studies were undertaken as a part of this investigation. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα ζητήματα της ανθεκτικότητας των κατασκευών αποκτούν ολοένα και περισσότερο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Ο προσδοκώμενος χρόνος ζωής μιας κατασκευής εξαρτάται άμεσα από την ποιότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται. Στην περίπτωση των κατασκευών από σκυρόδεμα, η ανθεκτικότητα σχετίζεται τόσο με τη μικροδομή του υλικού όσο και με τις χημικές και μηχανικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα εντός του υλικού. Οι αυξημένες απαιτήσεις για αντοχές και ανθεκτικότητα έχουν οδηγήσει τα τελευταία 20 χρόνια στη δημιουργία νέων σκυροδεμάτων. Οι νέοι αυτοί τύποι σκυροδέματος είναι γνωστοί ως σκυροδέματα υψηλής αντοχής (ΣΥΑ), σκυροδέματα υψηλής επιτελεστικότητας (ΣΥΕ) και σκυροδέματα υπέρ-υψηλής επιτελεστικότητας (ΣΥΥΕ). Τα υλικά αυτά παρουσιάζουν αρκετά βελτιωμένες ιδιότητες σε σύγκριση με το συμβατικό σκυρόδεμα, αποτέλεσμα της αισθητά βελτιωμένης μικροδομής τους. Παρά ταύτα, η βελτίωση της ομοιογένειας της μικροδομής είχε σαν αποτέλεσμα όχι μόνο τη βελτίωση των ιδιοτήτων αλλά παράλληλα και την εμφάνιση του φαινομένου της ενδογενούς μεταβολής όγκου με την μορφή της αυτογενούς συστολής. Τα σκυροδέματα υψηλής επιτελεστικότητας χαρακτηρίζονται από το ιδιαίτερα χαμηλό πορώδες καθώς και από την ασυνέχεια που διακρίνει το δίκτυο των τριχοειδών πόρων του τσιμεντοπολτού τους. Εξαιτίας του χαμηλού λόγου νερούσυνδετικού τα σκυροδέματα αυτής της κατηγορίας υπόκεινται σε έντονες ενδογενείς μεταβολές όγκου καθώς και σε αλλαγές της σχετικής υγρασίας στο εσωτερικό τους. Οι ογκομετρικές μεταβολές λόγω της αυτογενούς συστολής σε γενικές γραμμές επηρεάζονται από αλλαγές στη θερμοκρασία, μεταβολές στο περιεχόμενο υγρασίας και την άσκηση φορτίου. Η πλήρης θεωρητική επεξήγηση του φαινομένου της αυτογενούς συστολής δεν έχει ολοκληρωθεί μέχρι σήμερα. Η συντριπτική πλειοψηφία των διαθέσιμων θεωριών είναι είτε καθαρά θεωρητικές είτε στη καλύτερη των περιπτώσεων μια πρώτη προσέγγιση στο πρόβλημα. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΑΥΤΟΓΕΝΟΥΣ ΣΥΣΤΟΛΗΣ Η παρούσα εργασία παρουσιάζει τη μελέτη του φαινομένου της αυτογενούς συστολής σε ένα νέο τύπο ΣΥΥΕ που αναπτύχθηκε τα τελευταία χρόνια στο πανεπιστήμιο του Κάρντιφ. Το συγκεκριμένο υλικό χαρακτηρίζεται από τη μεγάλη του περιεκτικότητα σε τσιμέντο και πυριτική παιπάλη, από τον εξαιρετικά μικρό λόγο νερού-συνδετικού καθώς και από το μεγάλο ποσοστό μεταλλικών ινών που περιέχει. Ο Πινάκας 1 παρουσιάζει τις αναλογίες των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για τη παρασκευή του συγκεκριμένου υλικού.

3 3 Πίνακας 1. Αναλογίες αναμίγματος (για 1 m 3 ) (Karihaloo et al., 2001). Υλικά (kg/m 3 ) Τσιμέντο 744 Πυριτική παιπάλη 178 Άμμος: 9-300μm μm μm mm 672 Νερό 149 Υπερ-ρευστοποιητής 55 Ίνες: - 6mm mm 117 Νερό/τσιμέντο 0.20 Νερό/συνδετικό 0.16 Για το προσδιορισμό των αναπτυσσόμενων τάσεων συστολής χρησιμοποιήθηκαν πρισματικά δοκίμια (με και χωρίς ίνες) διαστάσεων 50x50x250 mm. Η προετοιμασία των δοκιμίων έγινε όπως προβλέπεται από τη πατέντα του υλικού GB Από τη βιβλιογραφία είναι γνωστό ότι σε αυτής της κατηγορίας τα σκυροδέματα ο χρόνος που απαιτείται για να γίνει η πήξη του σκυροδέματος είναι περίπου 19 ώρες. Στην περίπτωση παρουσιάζεται εδώ, τα δοκίμια παρέμειναν στα μεταλλικά καλούπια για 17 ώρες και στη συνέχεια τους επικολλήθηκαν ηλεκτρομηκυνσιόμετρα (2 σε κάθε δοκίμιο). Επιπλέον, όλα τα δοκίμια τυλίχθηκαν με ειδική μονωτική μεμβράνη και ταινία αλουμινίου, προκείμενου να διασφαλιστούν οι αδιαβατικές συνθήκες. Στη συνέχεια τα ηλεκτρομηκυνσιόμετρα συνδέθηκαν με συσκευή αυτόματης καταγραφής των αναπτυσσόμενων παραμορφώσεων. Τα Σχήματα 1 και 2 παρουσιάζουν τα αποτελέσματα της αυτογενούς συστολής (Α.Σ.) για τα δοκίμια με ή χωρίς ίνες (SF και SNF αντίστοιχα). Από τις πρώτες 24 ώρες είναι ξεκάθαρο ότι οι ίνες βοηθούν σημαντικά στη μείωση των αναπτυσσόμενων τάσεων, όπως ακριβώς αναμενόταν (Σχήμα 1α).

4 4 (α) Σχήμα 1. Αποτελέσματα Α.Σ. για τις πρώτες: (α) 24 ώρες και (β) 7 ημέρες. (β)

5 5 (α) Σχήμα 2. Αποτελέσματα Α.Σ. για τις πρώτες: (α) 30 ημέρες και (β) 75 ημέρες. (β) Τα μίγματα χωρίς ίνες παρουσιάζουν άμεση αύξηση των τάσεων συρρίκνωσης, με ρυθμό μεγαλύτερο από τα αντίστοιχα δοκίμια που περιέχουν ίνες. Είναι εμφανές ότι η παρουσία των ινών στο ανάμιγμα περιορίζει αισθητά το φαινόμενο της αυτογενούς συρρίκνωσης. Πιο συγκεκριμένα στο αρχικό διάστημα των 24 πρώτων ωρών η αφαίρεση των ινών από το ανάμιγμα οδηγεί σε αύξηση 52% στις

6 6 αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις. Από το Σχήμα 1β διαπιστώνεται ότι η ανάπτυξη των τάσεων αυτογενούς συρρίκνωσης συνεχίζεται με υψηλούς ρυθμούς (ιδιαίτερα για τα δοκίμια χωρίς ίνες) μέχρι και την έβδομη ημέρα από την έναρξη των μετρήσεων. Η διαφορά ανάμεσα στα δοκίμια με ίνες και χωρίς ίνες αυξάνεται περαιτέρω φτάνοντας στο 72%. Είναι ξεκάθαρο ότι κατά τη διάρκεια της πρώτης εβδομάδας λαμβάνουν χώρα μεγάλες αυτογενείς παραμορφώσεις και στους δύο τύπους δοκιμίων. Ο ρυθμός ανάπτυξης τάσεων αυτογενούς συρρίκνωσης μειώνεται αισθητά μετά τη δέκατη ημέρα (Σχήμα 2α). Η συγκεκριμένη παρατήρηση επιβεβαιώνει αντίστοιχες παρατηρήσεις που αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία (Tazawa and Miyazawa, 1995 Koenders and Breugel, Cheyrezy and Behloul, 2001), ότι δηλαδή η βασική περίοδος εκδήλωσης του φαινομένου της αυτογενούς συρρίκνωσης είναι οι πρώτες δέκα ημέρες της ζωής του υλικού. Στο τέλος των 30 ημερών η διαφορά ανάμεσα στα δοκίμια με και χωρίς ίνες είναι προφανής, έχει μειωθεί ωστόσο στο 57%. Στο Σχήμα 2β παρατηρείται ότι η αυτογενής συρρίκνωση εξελίσσεται ακόμα και στο τέλος των 75 ημερών. Εν τούτοις, ο ρυθμός έχει μειωθεί αισθητά και για τους δύο τύπους αναμιγμάτων, με τις τιμές των αναπτυσσόμενων τάσεων να φθάνουν σε πλατό. Οι παραμορφώσεις αναμένεται να συνεχίσουν να αυξάνονται αλλά με πολύ αργό ρυθμό. Οι πιθανότερες αιτίες για την εκτεταμένη διάρκεια του φαινομένου είναι ο χαμηλός λόγος Ν/Σ, καθώς και το ότι τα δοκίμια δεν είχαν συντηρηθεί όπως ορίζει η πατέντα του υλικού. Κάτι τέτοιο είχε σαν αποτέλεσμα να μην ενεργοποιηθούν άμεσα οι αντιδράσεις ενυδάτωσης και κατά συνέπεια να εμφανιστεί αυτό το φαινόμενο. Μια ακόμη σημαντική παράμετρος είναι και η μεγάλη λεπτότητα του τσιμέντου που χρησιμοποιήθηκε (OPC-CEM-I 32,5). Τα φαινόμενα μακροχρόνιας ενυδάτωσης του τσιμεντοπολτού και ανάπτυξης τάσεων αυτογενούς συρρίκνωσης δεν είναι σπάνια. (Koenders and Breugel, Cheyrezy and Behloul, 2001) Ο Πίνακας 2 συνοψίζει τις μετρήσεις αυτογενούς συρρίκνωσης για τους δύο τύπους μιγμάτων. Όσον αφορά τις ίνες, η επίδρασή τους στον περιορισμό των τάσεων αυτογενούς συρρίκνωσης είναι προφανής. Όπως συζητήθηκε και νωρίτερα οι αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις αυτογενούς συρρίκνωσης στην μήτρα (χωρίς ίνες) του υλικού είναι αρκετά υψηλές (~ 1000 με μετά από 75 ημέρες). Η προσθήκη των ινών στό ανάμιγμα μειώνει αισθητά τις παραμορφώσεις, χωρίς αυτή η πάκτωση να οδηγεί σε μικρορηγματώσεις. Κάτι τέτοιο δεν αποτελεί έκπληξη, μιας και το υψηλό ποσοστό ινών που χρησιμοποιείται δεν επιτρέπει τη δημιουργία ρηγμάτων.

7 7 Πίνακας 2. Πειραματικά αποτελέσματα αναπτυσσόμενων τάσεων Α.Σ. Παραμορφώσεις Α.Σ. μιγμάτων με ίνες (με) Παραμορφώσεις Α.Σ. μιγμάτων χωρίς ίνες (με) 0-24 ώρες 103,2 156,3 0-7 ημέρες 317,1 545,5 Μέχρι 30 ημέρες 479,5 754,3 75 ημέρες 577,0 1000,2 ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ Σε όλα τα υλικά με βάση το τσιμέντο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της σκλήρυνσης ο βαθμός ενυδάτωσης καθώς και η σχετική υγρασία εντός του υλικού είναι δύο παράμετροι που συνεχώς μεταβάλλονται. Η σχετική υγρασία του δικτύου των πόρων αποτελεί μία άγνωστη παράμετρο που θα πρέπει να υπολογιστεί από το πραγματικό επίπεδο υγρασίας εντός της τσιμεντόπαστας. Αμέσως μετά την ανάμιξη, η σχετική υγρασία λαμβάνει το μέγιστο της τιμής της και όσο η ενυδάτωση προχωρά αυτή μειώνεται, οδηγώντας στο φαινόμενο της αυτογενούς συστολής. Προκειμένου να υπάρξει θερμοδυναμική ισορροπία του συστήματος απαιτείται μια αύξηση στην επιφανειακή τάση του στρώματος προσρόφησης. Αυτή η αύξηση της επιφανειακής τάσης συνδέεται με παραμορφώσεις που δρουν στο εσωτερικό του υλικού κατά τη διάρκεια της ενυδάτωσης προκαλώντας στην ουσία την αυτογενή συρρίκνωση. Η μαθηματική σχέση που συνδέει την αυτογενή συρρίκνωση με την επιφανειακή τάση στο στρώμα προσρόφησης είναι η Εξίσωση 1 (σχέση του Μπάνκαμ-Bangham). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ειδική μάζα της τσιμεντόπαστας, το μέτρο ελαστικότητας, καθώς και η επιφάνεια των πόρων μειώνονται καθώς η ενυδάτωση εξελίσσεται. (1) Όπου ε είναι η αύξηση της τάσης στη μικροδομή του υλικού λόγω της αυτογενούς συρρίκνωσης, σ είναι η αύξηση στην επιφανειακή τάση, α είναι η αύξηση στο δείκτη ενυδάτωσης και λ είναι ένας συντελεστής αναλογικότητας. Η θερμοδυναμική ισορροπία μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω επαναληπτικών κυκλικών υπολογισμών. Αυτό συμβαίνει διότι όλες οι σχετιζόμενες εξισώσεις είναι πεπλεγμένες συναρτήσεις και κατά συνέπεια δεν μπορεί να επιτευχθεί άμεση λύση. Από θερμοδυναμικής άποψης η σχετική υγρασία μπορεί να θεωρηθεί ως η βασική παράμετρος του συστήματος. Μεταβολή στη σχετική υγρασία (Εξίσωση 2) θα οδηγήσει όχι μόνο στην αλλαγή της πίεσης του αέρα εντός των πόρων (Εξίσωση 3) αλλά και σε αλλαγή στην επιφανειακή τάση στο στρώμα προσρόφησης (Εξίσωση 4). Η Εξίσωση 4 είναι η βασική εξίσωση που δίνει την επιφανειακή

8 8 τάση σε συνάρτηση με τη σχετική υγρασία (p g /p 0 ) (Koenders, 1997). Ο παράγοντας Γ αντιπροσωπεύει το πάχος του στρώματος προσρόφησης και εξαρτάται από τη σχετική υγρασία. (2) (3) (4) Από τη στιγμή που επιτυγχάνεται η θερμοδυναμική ισσοροπία η αύξηση της παραμόρφωσης λόγω της αυτογενούς συρρίκνωσης δίδεται από την τροποποιημένη σχέση Μπάνγκαμ: Δε s = λδσ (5) Το Σχήμα 3 καθώς και ο Πίνακας 3 παρουσιάζουν τα αποτελέσματα των πειραμάτων της αυτογενούς συρρίκνωσης σε σύγκριση με τα αποτελέσματα του μαθηματικού προσομοιώματος. Όπως είναι προφανές το προσομοίωμα συμφωνεί με τα πειραματικά αποτελέσματα.

9 9 Σχήμα 3. Σύγκριση πειραματικών αποτελεσμάτων (SNF και SF) και αποτελεσμάτων του προσομοιώματος (Model NF και Model F). Πίνακας 3. Σύγκριση πειραματικών τιμών και τιμών του προσομοιώματος για τα αναμίγματα με ίνες (Ι) ή χωρίς ίνες (ΧΙ). Στις 10 ημέρες Στις 30 ημέρες Στις 75 ημέρες Πειραματικές Τιμές (με) Τιμές Προσομοιώματος (με) Ι ΧΙ Ι ΧΙ Ι ΧΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η αυτογενής συρρίκνωση βρέθηκε να είναι ένα μεγάλης διάρκειας φαινόμενο για το υλικό υψηλής επιτελεστικότητας που μελετήθηκε. Βασική αιτία για την εκτεταμένη διάρκεια του φαινομένου είναι ο χαμηλός λόγος του νερού προς το συνδετικό καθώς και το γεγονός ότι για τις ανάγκες της πειραματικής διαδικασίας τα δοκίμια δεν είχαν συντηρηθεί σωστά. Οι πρώτες δέκα ημέρες αποδείχθηκε ότι αποτελούν τη βασική περίοδο εκδήλωσης του φαινομένου της Α.Σ. Το θερμοδυναμικό προσομοίωμα που δημιουργήθηκε παρουσιάζει καλό συσχετισμό με τα πειραματικά αποτελέσματα. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Cheyrezy M. and Behloul M., Creep and Shrinkage of Ultra-High Performance Concrete, Proc. of the 6 th Int. Conf. on Creep, Shrinkage and Durability Mechanics of Concrete and other Quasi-Brittle Materials, edited by Ulm F.J., Bazant Z.P. and Wittmann F.H., Elsevier, 2001, pp Tazawa E. and Miyazawa S., Experimental Study on Mechanism of Autogenous Shrinkage of Concrete, Cement & Concrete Research, Vol. 25, No. 2, 1995, pp Karihaloo B.L., Alaee F.J. and Benson S.D.P. A new technique for retrofitting damaged concrete structures, Concrete Communication Conference, 2001, pp

10 10 Koenders E.A.B. and Breugel Van, K. Modelling dimensional changes in low water/cement ratio pastes, Autogenous Shrinkage of Concrete, edited by Ei-ichi Tazawa, E & FN Spon, London, ISBN: , 1999, pp Koenders E.A.B., Simulation of volume changes in hardening cement based materials, PhD Thesis, Delft University Press, 1997.