Πρόλογος Πρόλογος ελληνικής έκδοσης Πρόλογος συγγραφέων Μικροδομή και ιδιότητες του σκληρυμένου σκυροδέματος

Transcript

1

2

3 Περιεχόμενα Πρόλογος Πρόλογος ελληνικής έκδοσης Πρόλογος συγγραφέων Mέρος Ι. Μικροδομή και ιδιότητες του σκληρυμένου σκυροδέματος Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Το σκυρόδεμα ως δομικό υλικό Συστατικά του σύγχρονου σκυροδέματος Τύποι σκυροδέματος Οι ιδιότητες του σκληρυμένου σκυροδέματος και η σημασία τους Μονάδες μέτρησης Έλεγχος γνώσεων Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Κεφάλαιο 2. Μικροδομή του σκυροδέματος Εισαγωγή Ορισμός Σημαντικότητα Πολυπλοκότητα Μικροδομή της φάσης αδρανών Μικροδομή της ενυδατωμένης πάστας τσιμέντου Στερεά στην ενυδατωμένη πάστα τσιμέντου Κενά στην ενυδατωμένη πάστα τσιμέντου Το νερό στην ενυδατωμένη πάστα τσιμέντου Σχέσεις μικροδομής και ιδιοτήτων στην ενυδατωμένη πάστα τσιμέντου Διεπιφανειακή μεταβατική ζώνη στο σκυρόδεμα Σημασία της διεπιφανειακής μεταβατικής ζώνης Μικροδομή Αντοχή Επίδραση της διεπιφανειακής μεταβατικής ζώνης στις ιδιότητες του σκυροδέματος Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη... 74

4 Poisson (Poisson s Ratio)

5 A ASR

6 10 Περιεχόμενα Έλεγχος της διαστολής Ενυδάτωση των κρυστάλλων MgO και CaO Διάβρωση του ενσωματωμένου χάλυβα στο σκυρόδεμα Μηχανισμοί που σχετίζονται με τη φθορά του σκυροδέματος από τη διάβρωση του ενσωματωμένου χάλυβα Επιλεγμένες περιπτώσεις Έλεγχος της διάβρωσης Η ανάπτυξη ενός ολιστικού μοντέλου φθοράς του σκυροδέματος Το σκυρόδεμα στο θαλάσσιο περιβάλλον Θεωρητικά ζητήματα Περιπτώσεις φθοράς σκυροδέματος Διδάγματα από τις περιπτώσεις αστοχιών Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Mέρος ΙΙ. Υλικά σκυροδέματος, αναλογίες ανάμιξης και ιδιότητες πρώιμης ηλικίας Κεφάλαιο 6. Υδραυλικά τσιμέντα Εισαγωγή Υδραυλικά και μη υδραυλικά τσιμέντα Η χημεία των τσιμέντων γύψου και ασβέστη Τσιμέντο Πόρτλαντ Η διαδικασία κατασκευής Η χημική σύνθεση O προσδιορισμός της σύνθεσης των ενώσεων από τη χημική ανάλυση Η δομή κρυστάλλου και η ικανότητα αντιδράσεως των ενώσεων Η λεπτότητα Η ενυδάτωση του τσιμέντου Πόρτλαντ Σπουδαιότητα Ο μηχανισμός της ενυδάτωσης Η ενυδάτωση των αργιλικών ενώσεων Η ενυδάτωση των πυριτικών αλάτων Η θερμότητα ενυδάτωσης Τα φυσικά χαρακτηριστικά της διαδικασίας πήξης και σκλήρυνσης Η επίδραση των χαρακτηριστικών του τσιμέντου στην αντοχή και τη θερμότητα ενυδάτωσης Τύποι τσιμέντου Πόρτλαντ Ειδικοί τύποι τσιμέντου Ορισμοί και ταξινόμηση Ανάμικτα τσιμέντα Διογκούμενα τσιμέντα Τσιμέντα με γρήγορη πήξη και σκλήρυνση

7 Περιεχόμενα Τσιμέντα πετρελαιοπηγών Λευκά και έγχρωμα τσιμέντα Αργιλοασβεστούχα τσιμέντα Εξελίξεις στις προδιαγραφές για το τσιμέντο Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Κεφάλαιο 7. Αδρανή υλικά Εισαγωγή Σημασία Κατηγοριοποίηση και ονοματολογία Φυσικά (ορυκτά) αδρανή Περιγραφή των πετρωμάτων Περιγραφή των ορυκτών Ελαφρά αδρανή Βαριά αδρανή Αδρανή σκωρίας υψικαμίνων Αδρανή από ιπτάμενη τέφρα Αδρανή από ανακυκλωμένο σκυρόδεμα και αστικά απόβλητα Παραγωγή αδρανών Χαρακτηριστικά των αδρανών και η σημασία τους Πυκνότητα και φαινόμενο ειδικό βάρος Απορροφητικότητα και επιφανειακή υγρασία Αντοχή σε θραύση, αντοχή σε απότριψη και μέτρο ελαστικότητας Ακεραιότητα Διαστάσεις και κοκκομετρία Σχήμα και επιφανειακή υφή Επιβλαβείς ουσίες Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Κεφάλαιο 8. Πρόσμικτα Εισαγωγή Σπουδαιότητα Ονοματολογία, προδιαγραφές, και ταξινόμηση Τασιενεργές ενώσεις Ονοματολογία και χημική σύσταση Μηχανισμός δράσης Εφαρμογές Υπερρευστοποιητές Ρυθμιστές πήξης Ονοματολογία Σύσταση

8 12 Περιεχόμενα Μηχανισμός λειτουργίας Εφαρμογές Ορυκτά πρόσμικτα Σπουδαιότητα Ταξινόμηση Φυσικά ποζολανικά υλικά Βιομηχανικά παραπροϊόντα Εφαρμογές Συμπερασματικά σχόλια Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Κεφάλαιο 9. Σύνθεση μιγμάτων σκυροδέματος Εισαγωγή Σπουδαιότητα και στόχοι Γενικοί παράγοντες Κόστος Εργασιμότητα Αντοχή και ανθεκτικότητα Ιδανική κοκκομετρική καμπύλη αδρανών Βασικές αρχές Εργασιμότητα Αντοχή Ανθεκτικότητα Μέθοδοι Παράδειγμα υπολογισμού Πίνακες του ACI στο μετρικό σύστημα μονάδων Σύνθεση μιγμάτων σκυροδέματος υψηλής αντοχής και υψηλής επιτελεστικότητας Παράρτημα: Μέθοδοι προσδιορισμού μέσης θλιπτικής αντοχής από την χαρακτηριστική αντοχή Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Κεφάλαιο 10. Σκυρόδεμα σε πρώιμη ηλικία Εισαγωγή Ορισμοί και σημασία Ζύγιση και φόρτωση, ανάμιξη και μεταφορά Τοποθέτηση, συμπύκνωση, και επεξεργασία διαστρωμένων επιφανειών Συντήρηση του σκυροδέματος και αφαίρεση ξυλότυπων Εργασιμότητα Ορισμός και σημασία

9 Περιεχόμενα Μέτρηση Παράγοντες επιρροής της εργασιμότητας και έλεγχος αυτών Απώλεια κάθισης Ορισμοί Σπουδαιότητα Αιτίες και έλεγχος Απόμιξη και εξίδρωση Ορισμοί και σημασία Μέτρηση Αίτια και έλεγχος φαινομένου Μεταβολές όγκου σε πρώιμο στάδιο Ορισμοί και σημασία Αίτια και έλεγχος του φαινομένου Χρόνος πήξης Ορισμοί και σημασία Μετρήσεις και έλεγχος Θερμοκρασία του σκυροδέματος Σημασία Σκυροδέτηση σε ψυχρό καιρό Σκυροδέτηση σε υψηλές θερμοκρασίες Δοκιμασίες και έλεγχος ποιότητας του σκυροδέματος Μέθοδοι και σημασία Δοκιμασίες αντοχής με επιταχυνόμενη σκλήρυνση Δοκιμές θραύσης πυρήνων Χάρτες ελέγχου ποιότητας Ρηγμάτωση του σκυροδέματος σε πρώιμη ηλικία Συμπεράσματα Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Κεφάλαιο 11. Μη καταστρεπτικές μέθοδοι Εισαγωγή Οι μέθοδοι σκληρότητας επιφάνειας Τεχνικές αντίστασης στη διείσδυση Δοκιμή εξόλκευσης Η μέθοδος ωριμότητας Αξιολόγηση της ποιότητας του σκυροδέματος με τις δοκιμές απορρόφησης και διαπερατότητας Μέθοδοι διάδοσης κυμάτων έντασης Θεωρητικές αρχές της διάδοσης κυμάτων έντασης στα στερεά Μέθοδοι υπερηχητικής παλμικής ταχύτητας Μέθοδοι κρούσης Η ακουστική εκπομπή

10 14 Περιεχόμενα 11.7 Ηλεκτρικές μέθοδοι Η ειδική αντίσταση Ηλεκτροχημικές μέθοδοι Εισαγωγή στην ηλεκτροχημεία του οπλισμένου σκυροδέματος Το δυναμικό διάβρωσης Αντίσταση πόλωσης Η φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής σύνθετης αντίστασης Ηλεκτρομαγνητικές μέθοδοι Μετρητής επικάλυψης Διεισδυτικό ραντάρ εδάφους Υπέρυθρη θερμογραφία Η τομογραφία του οπλισμένου σκυροδέματος Τομογραφία με ακτίνες X Διάσπαση ενός τρισδιάστατου κόσμου σε μια επίπεδη δισδιάσταση εικόνα Τομογραφία επανασκέδασης μικροκυμάτων Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Mέρος ΙΙΙ. Πρόσφατες εξελίξεις και σκυρόδεμα του μέλλοντος Κεφάλαιο 12. Εξελίξεις στην τεχνολογία σκυροδέματος Εισαγωγή Ελαφρύ σκυρόδεμα κατασκευών (ελαφροσκυρόδεμα) Ορισμός και προδιαγραφές Κριτήρια καθορισμού αναλογιών μίγματος Ιδιότητες Εφαρμογές Υψηλής αντοχής σκυρόδεμα Σύντομη ανασκόπηση του ιστορικού ανάπτυξης Ορισμός Σημαντικότητα Υλικά Αναλογίες μίγματος Μικροδομή Ιδιότητες νωπού και σκληρυμένου σκυροδέματος Σκυρόδεμα υψηλής αντοχής με ελαφρά αδρανή Αυτό-συμπυκνούμενο σκυρόδεμα Ορισμός και σπουδαιότητα Ανάπτυξη ιστορικό Υλικά και αναλογίες ανάμιξης Ιδιότητες του SCC Εφαρμογές

11 Περιεχόμενα Υψηλής επιτελεστικότητας σκυρόδεμα Ανάπτυξη ιστορικό Ορισμός και σχόλια για το υψηλής επιτελεστικότητας σκυρόδεμα κατά ACI Εμπειρία πεδίου Εφαρμογές Σκυροδέματα υψηλής επιτελεστικότητας, με υψηλό ποσοστό ιπτάμενης τέφρας Μη συρρικνούμενο σκυρόδεμα Ορισμός και σημασία Σημαντικότητα Υλικά και αναλογίες μίξης Ιδιότητες Εφαρμογές Ινοπλισμένο σκυρόδεμα Ορισμός και σημασία Μηχανισμός δυσθραυστότητας Υλικά και αναλογίες ανάμιξης Ιδιότητες Ανάπτυξη ινοπλισμένων μιγμάτων εξαιρετικά υψηλής απόδοσης Εφαρμογές Σκυρόδεμα που περιέχει πολυμερή Ονοματολογία και σημαντικότητα Πολυμερικό σκυρόδεμα Λατέξ-τροποποιημένο σκυρόδεμα Εμποτισμένο με πολυμερές σκυρόδεμα Μεγάλου βάρους σκυρόδεμα για προστασία από την ακτινοβολία Σημαντικότητα Το σκυρόδεμα ως υλικό προστατευτικών καλυμμάτων Τα υλικά και οι αναλογίες μίξης Σημαντικές ιδιότητες Μαζικό σκυρόδεμα Ορισμός και σημαντικότητα Γενικές θεωρήσεις Τα υλικά και οι αναλογίες ανάμιξης Εφαρμογή των αρχών Κυλινδρούμενο σκυρόδεμα (RCC) Υλικά και αναλογίες μίξης Εργαστηριακή δοκιμή Ιδιότητες Η πρακτική κατασκευής Εφαρμογές Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη

12 16 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 13. Η εξέλιξη της μηχανικής του σκυροδέματος Εισαγωγή Ελαστική συμπεριφορά Τα όρια Hashin-Shtrikman (H-S) Ιξωδοελαστικότητα Βασικά ρεολογικά μοντέλα Γενικευμένα ρεολογικά μοντέλα Ρεολογικά μοντέλα μεταβλητά με το χρόνο Η αρχή της επαλληλίας και η ολοκληρωτική απεικόνιση Μαθηματικές εκφράσεις του ερπυσμού Μέθοδοι πρόβλεψης ερπυσμού και συστολής Συστολή Κατανομή θερμοκρασιών στο μαζικό σκυρόδεμα Υπολογισμός μεταφοράς θερμότητας Αρχική συνθήκη Οριακές συνθήκες Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων Παραδείγματα εφαρμογών Μελέτη περίπτωσης: η κατασκευή του καθεδρικού ναού Lady of the Angels στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α Θραυστομηχανική Γραμμική ελαστική θραυστομηχανική Θραυστομηχανική του σκυροδέματος Ζώνη εξέλιξης της ρηγμάτωσης Έλεγχος γνώσεων Βιλιογραφία Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη Κεφάλαιο 14. Μελλοντικές προκλήσεις στην τεχνολογία σκυροδέματος Εισαγωγή Επισκόπηση των δυνάμεων που διαμορφώνουν τον κόσμο μας Μελλοντική ζήτηση σκυροδέματος Τα πλεονεκτήματα του σκυροδέματος έναντι των κατασκευών από χάλυβα Τεχνικές παράμετροι Περιβαλλοντική θεώρηση Ανθεκτικότητα και βιωσιμότητα του σκυροδέματος Υπάρχει φως στην άκρη του τούνελ; Τεχνολογία για την αειφόρο ανάπτυξη Βιλιογραφία Ευρετήριο

13 Κεφάλαιο Σταθερότητα όγκου Εισαγωγή Το σκυρόδεμα παρουσιάζει ελαστικές και ανελαστικές παραμορφώσεις κατά τη φόρτιση και παραμορφώσεις συστολής κατά την ξήρανση ή την ψύξη. Όταν οι παραμορφώσεις συστολής παρεμποδίζονται προκύπτει ανάπτυξη συνθέτου τάσης στο εσωτερικό που συχνά οδηγεί σε ρηγμάτωση. Στο κεφάλαιο αυτό συζητώνται οι αιτίες της μη γραμμικότητας στη σχέση τάσεων παραμορφώσεων του σκυροδέματος και περιγράφονται οι διάφοροι τύποι των μέτρων ελαστικότητας και οι μέθοδοι προσδιορισμού των. Δίνονται επίσης εξηγήσεις για το πώς και γιατί τα α- δρανή, η τσιμεντόπαστα και η διεπιφανειακή ζώνη καθώς και οι πειραματικές παράμετροι επηρεάζουν το μέτρο ελαστικότητας. Οι επιδράσεις των τάσεων που προκύπτουν από τη συστολή ξήρανσης και τις ιξωδοελαστικές παραμορφώσεις δεν είναι οι ίδιες. Εν τούτοις και για τα δύο φαινόμενα οι σημαντικότερες αιτίες και οι παράγοντες που τα ρυθμίζουν έχουν πολλά κοινά. Αναπτύσσονται επίσης οι παράμετροι που επηρεάζουν τη συστολή ξήρανσης και τον ερπυσμό όπως το περιεχόμενο ποσό των αδρανών, η δυσκαμψία, ο λόγος νερού/τσιμέντου, ο χρόνος έκθεσης, η σχετική υγρασία, το μέγεθος και το σχήμα των στοιχείων του σκυροδέματος. Η θερμική συστολή είναι μεγάλης σημασίας στα ογκώδη στοιχεία σκυροδέματος. Το μέγεθος της συστολής μπορεί να ελεγχθεί με τη ρύθμιση του συντελεστού θερμικής διαστολής των αδρανών, τον τύπο και το περιεχόμενο του τσιμέντου και τη θερμοκρασία των υλικών του αναμίγματος του σκυροδέματος. Εξετάζονται επίσης οι έννοιες του έκτατου, της παραμορφωσιμότητας σε εφελκυσμό και η σημαντικότητά τους για τη ρηγμάτωση του σκυροδέματος.

14 ,. - ( ), ( - ) ( - ).,, -. ( 1m ). -, ( = ) ( 4-1). - -., -. - (creep). - - (stress relaxation). -., ( b)., ,., -

15 Σταθερότητα όγκου 113 Εικόνα 4-1 Επιρροή της συστολής ξήρανσης και του ερπυσμού στη ρηγμάτωση του σκυροδέματος. (Troxell, G.E., H.E. Davis, και J.W. Kelly, Composition and Properties of Concrete, McGraw-Hill, New York, σελ. 342, 1968.) Υπό συνθήκες περιορισμού στο σκυρόδεμα το παιγνίδι ανάμεσα στις ελαστικές εφελκυστικές τάσεις που δημιουργούνται από τις παραμορφώσεις λόγω συστολής και η χαλάρωση τάσεων λόγω ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς του σκυροδέματος αποτελεί τη καρδιά του προβλήματος των παραμορφώσεων και της ρηγμάτωσης του σκυροδέματος. φώσεις ούτε οι περιορισμοί είναι ομοιόμορφοι σε όλο το δομικό στοιχείο. Έτσι, οι προκύπτουσες κατανομές τάσεων τείνουν να διαφέρουν από σημείο σε σημείο. Παρόλα αυτά, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τις ιδιότητες του σκυροδέματος την ελαστική, τη συστολή ξήρανσης, τη θερμική συστολή και την ιξωδοελαστική και τους παράγοντες που τις επηρεάζουν. 4.2 Ελαστική συμπεριφορά Τα ελαστικά χαρακτηριστικά ενός υλικού είναι ένα μέτρο της δυσκαμψίας του. Αν και η συμπεριφορά του σκυροδέματος είναι μη γραμμική μια εκτίμηση του μέτρου ελαστικότητας (ο λόγος μεταξύ της εφαρμοζόμενης τάσης και της στιγμιαίας παραμόρφωσης μέσα σε μια υποτιθέμενη περιοχή αναλογίας) είναι απαραίτητη για το προσδιορισμό των τάσεων που εισάγονται στο υλικό από παραμορφώσεις που συνδέονται με τις περιβαλλοντικές επιδράσεις. Χρειάζεται επίσης για τον υπολογισμό των τάσεων σχεδιασμού υπό φόρτιση σε απλά στοιχεία των ροπών και των αποκλίσεων σε σύνθετες κατασκευές Μη γραμμικότητα της σχέσης τάσεων-παραμορφώσεων Από τις τυπικές καμπύλες σ-ε για τα αδρανή, τη τσιμεντόπαστα και το σκυρόδεμα σε μονοαξονική θλίψη (Εικόνα 4-2) είναι αμέσως φανερό ότι σε αντίθεση με τα αδρανή και τη τσιμε-

16 114 Μικροδομή και ιδιότητες του σκληρυμένου σκυροδέματος Εικόνα 4-2 Τυπικές καμπύλες σ-ε συμπεριφοράς της τσιμεντόπαστας, των αδρανών και του σκυροδέματος (Βασισμένο στην εργασία του Hsu, T.C., ACI Monograph 6, σελ. 100, 1971.) Οι ιδιότητες των πολύπλοκων σύνθετων υλικών δεν είναι απαραίτητα το άθροισμα των επιμέρους αντίστοιχων ιδιοτήτων των συστατικών τους. Έτσι, η τσιμεντόπαστα και τα αδρανή δείχνουν γραμμικές ιδιότητες, ενώ το σκυρόδεμα δεν έχει γραμμική ελαστική συμπεριφορά. ντόπαστα, το σκυρόδεμα δεν είναι ένα ελαστικό υλικό. Ούτε η παραμόρφωση κατά τη στιγμιαία φόρτιση ενός δοκιμίου σκυροδέματος είναι ανάλογη της εφαρμοζόμενης τάσης ούτε η παραμόρφωση αναιρείται πλήρως κατά την αποφόρτιση. Η αιτία της μη γραμμικότητας της σχέσης σ-ε εξηγείται από τις μελέτες της προοδευτικής ανάπτυξης της μικρορηγμάτωσης υπό φόρτιση των ερευνητών από το Cornell University (Εικόνα 4-3) και την αξιολόγηση των εργασιών τους από τον Glucklish 2. Όσον αφορά στη σχέση μεταξύ επιπέδου επιβαλλόμενης τάσης (εκπεφρασμένης ως ποσοστό της τελικής αντοχής θραύσης) και της ρηγμάτωσης στο σκυρόδεμα, η Εικόνα 4-3 δείχνει ότι η συμπεριφορά του σκυροδέματος μπορεί να διακριθεί σε 4 ξεχωριστά στάδια. Υπό κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες έκθεσης (όταν το στοιχείο σκυροδέματος υποβάλλεται σε επιδράσεις ξήρανσης ή θερμικής συστολής), δημιουργούνται ρωγμές στη διεπιφανειακή ζώνη αδρανών-τσιμέντου λόγω των διαφορετικών παραμορφώσεων των αδρανών και της τσιμεντόπαστας που οφείλονται στα διαφορετικά μέτρα ελαστικότητας των δυο αυτών φάσεων που συνιστούν το σκυρόδεμα. Έτσι, ακόμη και πριν την επιβολή εξωτερικής φόρτισης, μικρορωγμές στη διεπιφανειακή ζώνη αδρανών-τσιμεντόπαστας ήδη υπάρχουν. Ο αριθμός και το εύρος αυτών των ρωγμών στο δοκίμιο σκυροδέματος, εξαρτάται, εκτός των άλλων παραγόντων και από την εξίδρωση και την ιστορία της συντήρησης του σκυροδέματος. Για επίπεδο φόρτισης κάτω από 30% της τελικής αντοχής, οι μικρορωγμές της διεπιφανειακής ζώνης παραμένουν σταθερές. Έτσι, η καμπύλη σ-ε παραμένει γραμμική. Αυτό είναι το Στάδιο 1 στην Εικόνα 4-3. Πάνω από το 30% της τελικής αντοχής, αύξηση της επιβαλλόμενης τάσης, επιφέρει αύξηση των μικρορωγμών της διεπιφανειακής ζώνης σε μήκος, εύρος και αριθμό. Έτσι, ο λόγος ε/σ αυξάνει και η καμπύλη αρχίζει να αποκλίνει σημαντικά από την ευθεία γραμμή. Εν τού-

17 Σταθερότητα όγκου 115 Εικόνα 4-3 Διαγραμματική παράσταση της σ-ε συμπεριφοράς του σκυροδέματος σε μονοαξονική θλίψη (Βασισμένο στην εργασία του Glucklich, J., Proceedings of International Conference on the Structure of Concrete, Cement and Concrete Association, Wexham Springs, Slough, U.K., σελ , 1968). Η εξέλιξη της εσωτερικής μικρορηγμάτωσης του σκυροδέματος περνά από διάφορα στάδια που εξαρτώνται από το επίπεδο της εφαρμοζόμενης τάσης. τοις, για φόρτιση μέχρι περίπου στο 50% της τελικής αντοχής ένα σταθερό σύστημα μικρορωγμών εμφανίζεται να υπάρχει στη διεπιφανειακή ζώνη. Αυτό είναι το Στάδιο 2 και σ αυτό το στάδιο η μικρορηγμάτωση της τσιμεντόπαστας είναι αμελητέα. Για φορτία 50 έως 60% του τελικού φορτίου θραύσης, ρηγματώσεις αρχίζουν να εμφανίζονται και στην τσιμεντόπαστα. Για περαιτέρω αύξηση του επιπέδου της φόρτισης μέχρι 75% του τελικού φορτίου, όχι μόνο το σύστημα ρωγμών της διεπιφανειακής ζώνης γίνεται ασταθές αλλά και οι ρωγμές της τσιμεντόπαστας πολλαπλασιάζονται και εξελίσσονται με αποτέλεσμα η καμπύλη σ-ε να κάνει καμπή προς τον οριζόντιο άξονα. Αυτό είναι το Στάδιο 3. Για φόρτιση 75% έως 80% της τελικής, ο ρυθμός της έκλυσης της ενέργειας παραμόρφωσης φαίνεται να φθάνει το κρίσιμο ε- πίπεδο που απαιτείται για την αυτόματη ανάπτυξη ρηγμάτωσης υπό το υφιστάμενο φορτίο και το υλικό παραμορφώνεται μέχρι αστοχίας. Εν συντομία, πάνω από 75% του τελικού φορτίου θραύσης, με μικρή αύξηση τάσης πολύ μεγάλες παραμορφώσεις αναπτύσσονται πράγμα που δείχνει ότι το σύστημα ρωγμών αποκτά συνέχεια λόγω της ταχείας εξέλιξης της ρηγμάτωσης τόσο στη τσιμεντόπαστα όσο και στη διεπιφανειακή ζώνη. Αυτό είναι το τελικό στάδιο (Στάδιο 4).

18 116 Μικροδομή και ιδιότητες του σκληρυμένου σκυροδέματος Τύποι μέτρου ελαστικότητας Το στατικό μέτρο ελαστικότητας για ένα υλικό υπό εφελκυσμό ή θλίψη δίνεται από τη κλίση της καμπύλης σ-ε για σκυρόδεμα υπό μονοαξονική φόρτιση. Επειδή η καμπύλη σ-ε του σκυροδέματος δεν είναι γραμμική χρησιμοποιούνται τρεις μέθοδοι για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας. Έτσι υπάρχουν τρεις τύποι μέτρων ελαστικότητας όπως φαίνεται στην Εικόνα 4.4: 1. Το εφαπτομενικό μέτρο (tangent modulus) που δίνεται από την κλίση της εφαπτομένης της καμπύλης σ-ε σε οποιοδήποτε σημείο της. 2. Το μέτρο ελαστικότητας (secant modulus) που αντιστοιχεί στη κλίση της γραμμής που ενώνει το σημείο 0 με το σημείο της καμπύλης σ-ε που αντιστοιχεί σε τάση 40% της τελικής. 3. Το μέτρο ελαστικότητας (chord modulus) που αντιστοιχεί στη κλίση της γραμμής που ε- νώνει δύο σημεία της καμπύλης σ-ε. Σε σύγκριση με το προηγούμενο μέτρο ελαστικότητας, η γραμμή δεν ξεκινά από το 0 αλλά από ένα σημείο που αντιστοιχεί σε κατά μήκος παραμόρφωση 50μm/m και τελειώνει σε σημείο της σ-ε που αντιστοιχεί στο 40% της τελικής τάσης θραύσης. Αυτή η μετατόπιση της γραμμής κατά 50 μm/m συνίσταται για την απαλοιφή του λάθους που εισάγεται από την ελαφρά κοιλότητα που συχνά παρατηρείται στο ξεκίνημα της καμπύλης σ-ε. Το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας (dynamic modulus) που αντιστοιχεί στην πολύ μικρή στιγμιαία παραμόρφωση δίνεται κατά προσέγγιση από το αρχικό εφαπτομενικό μέτρο (initial tangent modulus) που είναι το εφαπτομενικό μέτρο για μια γραμμή με αφετηρία το 0. Είναι γενικά 20,30 και 40% υψηλότερο από το στατικό μέτρο ελαστικότητας για υψηλής, μέσης και χαμηλής αντοχής σκυροδέματα αντίστοιχα. Για την ανάλυση τάσεων κατασκευών που θα υ- ποβληθούν σε σεισμική επιπόνηση ή σε φορτία κρούσης είναι προτιμότερο να χρησιμοποιεί- Εικόνα 4.4 Διάφοροι τύποι των μέτρων ελαστικότητας και οι μέθοδοι με τις οποίες υπολογίζονται.

19 Σταθερότητα όγκου 117 ται το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας που προορίζεται ακριβέστερα με τη μέθοδο των υπερήχων (sonic test). Το καμπτικό μέτρο ελαστικότητας (flexural modulus of elasticity) μπορεί να προσδιοριστεί από τη βύθιση δοκού σε κάμψη. Για δοκό που στηρίζεται στα άκρα και φορτίζεται στο κέντρο, αγνοώντας τη διατμητική απόκλιση, η τιμή του μέτρου αυτού κατά προσέγγιση είναι 3 PL E = 48IΔ Όπου Δ = βύθιση μέσου δοκού λόγω φορτίου P L = άνοιγμα δοκού I = ροπή αδράνειας Το καμπτικό μέτρο ελαστικότητας χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό και ανάλυση δαπέδων από σκυρόδεμα Προσδιορισμός του στατικού μέτρου-ελαστικότητας Το πρότυπο ASTM C469 περιγράφει μια μεθοδολογία μέτρησης του στατικού μέτρου ελαστικότητας (chord modulus) και του λόγου του Poisson s με κυλινδρικά δοκίμια 150*300 mm που φορτίζονται με αξονική θλίψη με ένα σταθερό ρυθμό φόρτισης 0,24 ± 0,03 Mpa/s. Κανονικά, οι παραμορφώσεις μετρώνται με LV DT s. Τυπικές σ-ε καμπύλες των τριών αναμιγμάτων σκυροδέματος της Εικόνας 3-17 και τα υπολογισμένα μέτρα ελαστικότητας (secant moduli) δίνονται στην Εικόνα 4-5. Οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας που χρησιμοποιούνται στους υπολογισμούς του σχεδιασμού κατασκευών από σκυρόδεμα υπολογίζονται συνήθως από εμπειρικές εκφράσεις που προϋποθέτουν την άμεση εξάρτηση του μέτρου ελαστικότητας από την αντοχή και την πυκνότητα του σκυροδέματος. Σε μια πρώτη προσέγγιση αυτό έχει αξία εφόσον η σ-ε συμπεριφορά των τριών κύριων συστατικών του σκυροδέματος, των αδρανών, της τσιμεντόπαστας και της διεπιφανειακής ζώνης θα μπορούσαν να προσδιορίζονται από τις επί μέρους αντοχές των φάσεων που με τη σειρά τους σχετίζονται με την τελική αντοχή του σκυροδέματος. Περαιτέρω, πρέπει να σημειωθεί ότι το μέτρο ελαστικότητας των αδρανών (που σχετίζεται με την ικανότητα των αδρανών να παρεμποδίζουν τις μεταβολές όγκου στη τσιμεντόπαστα) ε- ξαρτάται άμεσα από το πορώδες και η μέτρηση του βάρους της μονάδος όγκου του σκυροδέματος αποτελεί ένα εύκολο τρόπο εκτίμησης του πορώδους των αδρανών του αναμίγματος. Σύμφωνα με το ACI Building Code 318 για σκυροδέματα βάρους μονάδος όγκου μεταξύ 1500 και 2500 kg/m 3 το μέτρο ελαστικότητας μπορεί να προσδιορισθεί από τη σχέση E = w 0,043f 15. 1/ 2 c c c όπου E c = στατικό μέτρο ελαστικότητας (MPa) W c = βάρος μονάδας όγκου (kg/m 3 ) f c = 28 ημερών θλιπτική αντοχή προτύπων κυλίνδρων (MPa) Κατά τον κώδικα CEB-FIP Model Code (1990) το μέτρο ελαστικότητας του κανονικού σκυροδέματος μπορεί να υπολογισθεί από την έκφραση

20 118 Μικροδομή και ιδιότητες του σκληρυμένου σκυροδέματος Εικόνα 4-5 Προσδιορισμός του στατικού μέτρου ελαστικότητας (secant modulus) στο εργαστήριο (ASTM C469) Βλέπε Εικόνα 3-18 για τη σύνθεση και τα χαρακτηριστικά αντοχής των αναμιγμάτων των σκυροδεμάτων. (Μη δημοσιευμένα πειραματικά δεδομένα φοιτητών, University of California at Berkeley.) E = 2,15 10 ( f / 10) c 4 1/ 3 cm όπου E c = 28 ημερών μέτρο ελαστικότητας (MPa) f cm = μέση 28 ημερών αντοχή Εάν η πραγματική αντοχή δεν είναι γνωστή, f cm μπορεί να υπολογισθεί από τη χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή f cm = f ck + 8. Η σχέση μέτρου ελαστικότητας και αντοχής αναπτύχθηκε για σκυρόδεμα με χαλαζιακά αδρανή. Για άλλους τύπους αδρανών το μέτρο ελαστικότητας μπορεί να ληφθεί πολλαπλασιάζοντας το E c με συντελεστές a e που δίνονται στον Πίνακα 4-1. Πρέπει να αναφερθεί ότι οι μαθηματικές εκφράσεις της CEB-FIP ισχύουν για χαρακτηριστικές αντοχές μέχρι 80 MPa ενώ η εξίσωση του ACI ισχύει για σκυροδέματα μέχρι 41 MPa. Επέκταση των σχέσεων του ACI παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 12 (υψηλής αντοχής σκυρόδεμα). Θεωρώντας ότι η πυκνότητα του σκυροδέματος είναι 2320 kg/m 3 οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας για κανονικού βάρους σκυροδέματα υπολογισμένα κατά ACI Building Code και CEB-FIP Model Code (1990) φαίνονται στον Πίνακα 4-2.

21 Σταθερότητα όγκου 119 Πίνακας 4-1 Επίδραση του τύπου των αδρανών στο μέτρο ελαστικότητας. Τύπος αδρανών Βασάλτης, πυκνός ασβεστόλιθος 1,2 Χαλαζίας 1,0 Ασβεστόλιθος 0,9 Αμμόλιθος 0,7 αe Πίνακας 4-2 Μέτρο ελαστικότητας για κανονικού βάρους σκυροδέματα με χαλαζιακά αδρανή κατά τους κώδικες ACI και CEB-FIP. Κώδικας ACI Κώδικας CEB-FIP f cm Ec psi (MPa) x 10 6 psi (GPa) psi (MPa) x 10 6 psi (GPa) 3000 (21) 3,1 (21) 3000 (21) 4,0 (28) 4000 (27) 3,6 (25) 4000 (27) 4,3 (30) 5000 (34) 4,1 (28) 5000 (34) 4,7 (32) 6000 (41) 4,4 (30) 6000 (41) 5,0 (34) f cm Από τη συζήτηση που ακολουθεί σχετικά με τους παράγοντες που επηρεάζουν το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος, θα φανεί ότι οι υπολογισμένες τιμές που περιλαμβάνονται στον Πίνακα 4-2 βάσει της αντοχής και της πυκνότητας του σκυροδέματος έχουν αξία ως προσεγγιστικές μόνο τιμές. Αυτό επειδή τα χαρακτηριστικά της διεπιφάνειας και η κατάσταση υγρασίας των δοκιμίων κατά τη δοκιμασία δεν επηρεάζουν με τον ίδιο τρόπο την αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας Λόγος του Poisson (Poisson s Ratio) Λόγος του Poisson καλείται ο λόγος της εγκάρσιας παραμόρφωσης προς την αξονική στην ελαστική περιοχή του διαγράμματος σ-ε όταν το υλικό υποβάλλεται σε απλή μονοαξονική φόρτιση. Ο λόγος του Poisson δεν χρειάζεται γενικά για τους συνήθεις υπολογισμούς σχεδιασμού κατασκευών από σκυρόδεμα. Εν τούτοις απαιτείται στην ανάλυση φορέων όπως τούνελ, φράγματα ή άλλα στατικά απροσδιόριστα δομικά συστήματα. Στο σκυρόδεμα οι τιμές του λόγου του Poisson κυμαίνονται γενικά μεταξύ 0,15 και 0,20. Φαίνεται ότι δεν υπάρχει σταθερή σχέση μεταξύ του λόγου του Poisson και των χαρακτηριστικών του σκυροδέματος όπως είναι ο λόγος νερού/τσιμέντου, ο χρόνος συντήρησης και η διαβάθμιση των αδρανών. Εν τούτοις, ο λόγος του Poisson είναι γενικά χαμηλότερος στα υ- ψηλής αντοχής σκυροδέματα και υψηλότερος για σκυροδέματα κεκορεσμένης κατάστασης υγρασίας ή για σκυροδέματα που φορτίζονται δυναμικά. Ec

22 ,, -. -,, -.,,.. -., ,, ,. -, GPa (10 20*10 6 psi), -, GPa (3 7*10 6 psi).., 7 GPa (1*10 6 psi) 28 GPa (4*10 6 psi)., GPa (20 3,0*10 6 psi), 50 75%. -,,,, , /, -, Portland, -, 7 28 GPa (1 4*10 6 psi)...,,, -

23 Σταθερότητα όγκου 121 Εικόνα 4-6 Σχέση μεταξύ θλιπτικής αντοχής και μέτρου ελαστικότητας (Βασισμένο στην εργασία του Shideler,J.J., J. ACI, Proc., Τόμος 54, No. 4, 1957.) Η ανοδική τάση των καμπύλων των σχέσεων E-f c για διαφόρου αντοχής αναμίγματα σκυροδέματος τα οποία υποβλήθηκαν σε δοκιμασία σε τακτά χρονικά διαστήματα μέχρι την ηλικία 1 έτους, δείχνει ότι μακροπρόθεσμα το μέτρο ελαστικότητας αυξάνεται ταχύτερα απ ό,τι η αντοχή σε θλίψη. δομής της διεπιφανειακής ζώνης της τσιμεντόπαστας. Γι αυτό παίζουν σημαντικό ρόλο στο προσδιορισμό της σχέσης σ-ε του σκυροδέματος. Οι παράγοντες που επηρεάζουν το πορώδες της διεπιφανειακής ζώνης φαίνονται στην Εικόνα Αναφέρθηκε ότι η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος δεν επηρεάζονται στον ίδιο βαθμό από το χρόνο συντήρησης. Για διάφορα αναμίγματα ποικίλων αντοχών, βρέθηκε ότι σε μακρού χρόνου ηλικίες (από 3 μήνες έως 1 χρόνο) το μέτρο ελαστικότητας αυξάνεται με υψηλότερο ρυθμό απ ό,τι η θλιπτική αντοχή (Εικόνα 4-6). Ως εξήγηση μπορεί να λεχθεί ότι είναι πιθανό να υπάρχει ένα ευεργετικό αποτέλεσμα από την αργού ρυθμού χημική δράση του αλκαλικού τσιμεντοπολτού επί των αδρανών που είναι περισσότερο έκδηλο στη σχέση τάσεων παραμορφώσεων απ ό,τι στη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος. Πειραματικές παράμετροι. Παρατηρείται ότι ανεξάρτητα από τις αναλογίες ανάμιξης ή το χρόνο συντήρησης τα δοκίμια σκυροδέματος που ελέγχονται (μετριέται το μέτρο ελαστικότητας πειραματικά) σε υγρή κατάσταση δείχνουν περίπου 15% υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας από ό,τι τα αντίστοιχα δοκίμια που ελέγχονται σε ξηρή κατάσταση. Αξιοπρόσεκτο είναι, ότι η θλιπτική αντοχή των δοκιμίων συμπεριφέρεται αντίστροφα δηλαδή παρουσιάζει μια αύξηση περίπου 15% όταν τα δοκίμια είναι σε ξηρή κατάσταση. Φαίνεται ότι η ξήρανση του σκυροδέματος επιφέρει διαφορετικό αποτέλεσμα στην τσιμεντόπαστα απ ό,τι στη διεπιφανειακή ζώνη. Ενώ η πρώτη κερδίζει σε αντοχή, λόγω της αύξησης των δυνάμεων Van der Waals στα προϊόντα ενυδάτωσης, η δεύτερη χάνει αντοχή λόγω της μικρορηγμάτωσης. Η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος αυξάνει επειδή η τσιμεντόπαστα είναι ο κύριος προσδιοριστικός παράγοντας της αντοχής. Εν τούτοις, το μέτρο ελαστικότητας μειώνεται με τη ξήρανση γιατί αυξάνεται η μικρορηγμάτωση της διεπιφανειακής ζώνης η οποία κυρίως επηρεάζει τη συμπεριφορά του σκυροδέματος στη σχέση τάσεων-παραμορφώσεων. Υπάρχει ακόμα μια εξήγηση

24