6 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ: ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 6 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ: ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΝΕΡΟ ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ: ρηγμάτωση, επιφ. φθορά ΧΗΜΙΚΑ ΑΙΤΙΑ: διαβρωτικά μέσα και δράσεις 3

4 4

5 ΑΠΟΤΡΙΨΗ σκληρυμένος τσιμεντοπολτός/αδρανή αντοχή τσιμεντοπολτου αντοχή αδρανών Παράγοντες λόγος Ν/Τ σκληρότητα αδρανών είδος αδρανών μέγιστη διάσταση κόκκου των αδρανών (η αντίσταση αυξάνει όσο μειώνεται το μέγεθος) συντήρηση του σκυροδέματος/φινίρισμα 5

6 Επίδραση (α) του λόγου Ν/Τ και (β) του τύπου αδρανών στην επιφανειακή φθορά. 6

7 ΥΔΡΟΦΘΟΡΑ σκληρυμένος τσιμεντοπολτός/αδρανή αντοχή τσιμεντοπολτου αντοχή αδρανών Παράγοντες ταχύτητα νερού μεταφερούμενα σωματίδια (ποσότητα, μέγεθος, σχήμα, βάρος, ταχύτητα, είδος κίνησης) 7

8 ΣΠΗΛΑΙΩΣΗ σκληρυμένος τσιμεντοπολτός/αδρανή αντοχή τσιμεντοπολτου αντοχή αδρανών Παράγοντες μέγεθος αδρανών (η αντίσταση αυξάνει όσο μειώνεται το μέγεθος) 8

9 ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ ΑΛΑΤΩΝ τοιχοποιΐες - λιθόκτιστα μνημεία. αύξηση πιέσεων λόγω κρυστάλλωσης Παράγοντες συγκέντρωση αλάτων πορώδες υγρασία/θ C/C s Θ ( C) Ρ (Mpa)

10 Μηχανισμός Ψύξη ΝΩΠΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ: Διακοπή ενυδάτωσης τσιμέντου ΣΚΛΗΡΥΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ: Πρώϊμη ηλικία: Διατάραξη δομής τσιμεντοπολτού/απώλεια αντοχής Ώριμη ηλικία: διόγκωση του νερού (+9%) των πόρων/δημιουργία εσωτερικών ρωγμών (ωστόσο, μεγαλύτερη μηχανική αντίσταση στο φαινόμενο) Παράμετροι του φαινομένου: Ρυθμός μεταφοράς θερμότητας Συγκέντρωση αδιάλυτων αλάτων στους πόρους Πίεση που αναπτύσσεται στον πόρο (μικρό μέγεθος πόρου => Θ < C) Τάση ατμών (εξισορρόπηση) Συνθήκες περιβάλλοντος (υγρασία) 10

11 Παράγοντες σχετιζόμενοι με το υλικό: Κενά αέρα, προσθήκη αερακτικών: διάδρομοι διαφυγής νερού Είδος τσιμέντου, πρόσθετα: όταν συνεπάγεται αυξημένη αντοχή, βελτιωμένο πορώδες Λόγος Ν/Τ: βελτιωμένο πορώδες Μέγεθος αδρανών: μειώνεται η απορροφητικότητα των αδρανών, αυξάνεται η απαίτηση σε νερό (αυξημένος κίνδυνος παγοπληξίας, στο νωπό και φρέσκο σκυρόδεμα) Ηλικία του σκυροδέματος: αυξημένη αντοχή, μικρότερη διαθεσιμότητα νερού. 11

12 Μηχανισμός ίδιος με το σκυρόδεμα ΡΟΛΟΣ ΑΔΡΑΝΩΝ Παράγοντες διαπερατότητα πορώδες (κατανομή πόρων) 12

13 Επίδραση του λόγου Ν/Τ στην ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε παγετό 13

14 Σχέση θερμοκρασίας παγετού και πορώδους 14

15 Η χρήση αερακτικών δημιουργεί δράση απόσβεσης των εφελκυστικών πιέσεων Διάμετρος φυσαλίδων mm Απόσταση μεταξύ φυσαλίδων >0.2 mm 15

16 Μηχανισμός Θέρμανση εξάτμιση νερού αυξημένη πίεση υδρατμών δημιουργία εσωτερικών ρωγμών Οριακή θερμοκρασία: C T<300: διαστολή νερού => διαστολή πάστας και αδρανών Τ>300: συστολή πάστας, διαστολή αδρανών 450<Τ<550: διάσπαση Ca(OH)2 T=573: αποτομη διαστολή Quartz Τ=900: διάσπαση CaCO3 Ψύξη: ενυδάτωση CaO, διαστολή 16

17 Παράμετροι του φαινομένου: Ρυθμός μεταφοράς θερμότητας Λόγος w/c ΡΟΛΟΣ ΑΔΡΑΝΩΝ Αντίστοιχος με παγετό Παράγοντες πορώδες ορυκτολογική σύσταση: μετασχηματισμοί φάσεων- διογκώσεις. Αντιμετώπιση: χρήση στρώσεων πυροπροστασίας 17

18 18

19 Διάλυση (υδρόλυση) προϊόντων ασβεστίου, π.χ. Ca(OH) 2 Διάσπαση λιγότερο σταθερών προϊόντων ενυδάτωσης (εξισορρόπηση απώλεια ασβεστίου) Αντίδραση με CO 2 CaCO 3 - εξάνθιση Μηχανισμός εξάνθισης ΔΡΑΣΕΙΣ ΜΗ ΔΙΟΓΚΩΤΙΚΕΣ 19

20 Σχηματισμός διαλυτών αλάτων ασβεστίου Σχηματισμός αδιάλυτων αλάτων ασβεστίου Επίδραση διαλυμάτων μαγνησίου Κατά βάση αντιδρούν με το Ca (CΗ) και παράγεται CaCO 3 Τα προιόντα των αντιδράσεων (κατά βάση) δεν είναι αυξημένου όγκου Η αντίδραση με προιόντα ενυδάτωσης που περιέχουν ασβέστιο υποβαθμίζει τις ιδιότητες του υλικού (αντοχή) ΔΡΑΣΕΙΣ ΜΗ ΔΙΟΓΚΩΤΙΚΕΣ 20

21 Θειϊκές ρίζες, από το περιβάλλον Διάχυση θειϊκών στο σκυρόδεμα Ρηγμάτωση ένυδρο C 3 A Σχηματισμός δευτερογενή ετρινγκίτη - διόγκωση Χημικές Δράσεις 1. Αντίδραση SO -2 4 με Ca(OH) 2 ph 2. Αντίδραση SO -2 4 με C-S-H αντοχών 3. Αντίδραση SO -2 4 με C 3 A δευτερογενής ετρινγκίτης (CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 32H 2 O) όγκου 4. Μετατροπή ετρινγκίτη/αντίδραση SO -2 4 με C-S-H, Ca 2+, CO 2, CO 2+ 3, ταουμασίτης (CaCO 3 CaSO 4 CaSiO 3 15H 2 O) αντοχών Φυσικές Δράσεις Διείσδυση μέσω του πορώδους θεϊκών ριζών (SO 4-2 ), ανθρακικών ριζών (CO 3 2+ ), CO 2 21

22 Προέλευση θεϊκών ριζών (SO -2 4 ): Na 2 SO 4, K 2 SO 4, MgSO 4, CaSO 4 σύσταση σκυροδέματος, περιβάλλον (νερό, έδαφος, θαλάσσιο περιβάλλον, βιομηχανία, χωματερές κ.α.), Προέλευση C-S-H, C 3 A: ενυδάτωση τσιμέντου, κλίνκερ Προέλευση Ca 2+ : Ca(OH) 2, ενυδάτωση τσιμέντου, ασβεστόλιθος Προέλευση ανθρακικών ριζών (CO 3 2+ ): σύσταση σκυροδέματος (αδρανή, ασβεστολιθικά τσιμέντα), περιβάλλον (νερό, έδαφος, κ.α.) Προέλευση CO 2 : περιβάλλον (ατμόσφαιρα, νερό, έδαφος, κ.α.) 22

23 Νερό και αλκάλια από το περιβάλλον Διάχυση των αλκαλίων και του νερού στο σκυρόδεμα Διάχυση των αλκαλίων που περιέχονται στο σκυρόδεμα Αντίδραση με το πυρίτιο των αδρανών και διόγκωση Χημικές Δράσεις Αντίδραση πυριτίου (άμορφου) αδρανών με αλκάλια τσιμέντου Λευκό παχύρρευστο πήγμα (silica gel) Απορρόφηση νερού Διόγκωση Δράση 2SiO 2 + 2NaOH Na 2 SiO 3 + H 2 SiO 3 2SiO 2 Na 2 O H 2 O Ρηγματώσεις Δραστικά αδρανή Φυσικές Δράσεις Διείσδυση μέσω του πορώδους αλκαλίων και νερού 23

24 Υγρασία Aλκάλια Άμορφο SiO 2 Παράμετροι Αλκαλοπυριτικής Αντίδρασης 24

25 CaO, MgO: προϊόντα διάσπασης ασβεστολίθου C. Δεσμεύονται στις φάσεις του κλίνκερ κατά την κλινκεροποίηση (~ C) Ένα μέρος τους παραμένει ελεύθερο Αντίδραση ελ. κρυσταλλικού CaO, MgO με νερό Διόγκωση Μικρός κίνδυνος για ποσοστά < 6 % (προδιαγραφή ASTM) Τα τσιμέντα πλέον περίεχουν ελέυθερο CaO, MgO σε ποσοστά < 1 % 25

26 Το νερό των πόρων του σκυροδέματος δρα ως ηλεκτρολύτης Διάχυση οξυγόνου μέσω των πόρων του σκυροδέματος Ο 2 Fe ++ 2(OH) - 2e - ΡΑΒΔΟΣ ΧΑΛΥΒΑ σκυρόδεμα ΑΝΟΔΙΚΗ ΔΡΑΣΗ Μετατροπή του Fe σε ιόντα Fe Fe e ΚΑΘΟΔΙΚΗ ΔΡΑΣΗ 2e - + H 2 O +1/2 O 2 2(OH) - 26

27 Χημικές Δράσεις Fe + H 2 O + ½ O 2 Fe(OH) Fe(OH) + Fe(OH) 2 Fe(OH) 3 2 ph 7... ph 14 Ηλεκτροχημική δράση Άνοδος: Fe 2e - + Fe 2+ Κάθοδος: ½O 2 + H 2 O + 2e - 2(OH) - Λεπτό στρώμα (film) FeO OH Σταθερό για ph > 12.5 Έναρξη της διάβρωσης για ph < 12.5 Η αλκαλικότητα εξασφαλίζεται με την παρουσία του Ca(OH) 2 και των αλκαλίων (τσιμέντο Portland) Επηρεάζεται από την παρουσία CO 2 (Μηχανισμός ενανθράκωσης) Παρουσία Cl - (Cl - /OH - >0.6), έναρξη της διάβρωσης και για τιμές ph μεγαλύτερες του 12.5 Φυσικές Δράσεις Διείσδυση μέσω του πορώδους ½O 2 + H 2 O 27

28 Fe(OH) 3, H 2 O 36% Fe 7% Fe3 O 4 12% Fe(OH) 2 20% Αύξηση όγκου περίπου 3-6 φορές Ανάπτυξη εφελκυστικών τάσεων Θραύση-αποσάθρωση επικάλυψης οπλισμού Fe(OH) 3 25% Όγκος προϊόντων διάβρωσης 28

29 Μέτρα προστασίας χρήση ράβδων με επικάλυψη εποξειδικής ρητίνης ή γαλβανισμένων (ή και μη μεταλλικών, σε ειδικές περιπτώσεις) καθοδική προστασία των οπλισμών επικάλυψη των επιφανειών με αδιαπέρατες μεμβράνες ή με στρώσεις αδιαπέρατου σκυροδέματος ειδικής σύνθεσης (Allen et al. 1993) επαναλκαλοποίηση και τη χρήση χημικών πρόσμικτων (π.χ. νιτρώδες ασβέστιο, αμινοαλκοόλες) - "αναστολείς διάβρωσης«. 29

30 Χημικές Δράσεις Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Απαιτείται μικρή ποσότητα νερού (Μέγιστο ποσοστό ενανθράκωσης, σε ατμόσφαιρα με σχετική υγρασία 50-70%, σε κορεσμένο με νερό σκυρόδεμα εμποδίζεται η διάχυση του CO 2 στους πόρους του) Περιορίζεται όσο εμποδίζεται η διάχυση CO 2, και η υγρασία Φυσικές Δράσεις Διείσδυση υγρασίας, CO 2, μέσω του πορώδους Περιορίζεται με βελτίωση του πορώδους Συνέπειες Μείωση ph, αύξηση κινδύνου διάβρωσης οπλισμού 30

31 Χημικές Δράσεις αντιδράσεις χλωριούχων και θειικών αλάτων με τα συστατικά του τσιμέντου (οι δράσεις αυτές αναλύθηκαν ήδη) Πάραμετροι και Χαρακτηριστικά διαφορετική ένταση ανάλογα με την απόσταση (διαφοροποιείται η συγκέντρωση) μεγαλύτερη φθορά εμφανίζεται στην παλιρροιακή ζώνη («κύκλοι» επίδρασης) 31

32 Μηχανική δράση: διείσδυση ριζών φυτών στις μικρορωγμές, άσκηση δυνάμεων διάρρηξης Χημικές δράσεις: αντιδράσεις οξέων με συστατικά τσιμέντου ΑΠΟΠΛΥΣΗ Αναερόβια χώνεψη βακτηρίων: διάσπαση θειικών αλάτων=> υδρόθειο αντιδράσεις με συστατικά τσιμέντου ΑΠΟΠΛΥΣΗ Σχηματισμός θειικών αλάτων Σχηματισμός οξέων Μέτρα προστασίας 32

33 Επηρεάζει το πορώδες (ο υψηλός λόγος w/c αυξάνει την παρουσία τριχοειδών πόρων). Αποτελεί το μέσο διάχυσης των διαβρωτικών συστατικών στους πόρους του σκυροδέματος. Αποτελεί το διαλύτη των διαβρωτικών μέσων. Συμμετέχει στην αντίδραση διάβρωσης του οπλισμού και στην καταστροφή της παθητικής του προστασίας. Συμμετέχει στην αλκαλοπυριτική αντίδραση και στην ενανθράκωση. Απουσία νερού, δεν προχωράει σχεδόν καμία δράση φθοράς 33

34 Διαπερατότητα Διαπερατότητα Λόγος Ν /Τ Λόγος Ν/Τ Ν/Τ< N/T< <N/T<0.6 N/T>0.6 Τ ρ ι χ ο ε ι δ ε ί ς Π ό ρ ο ι ασυνεχείς εν μέρει συνεχείς συνεχείς 34

35 35

36 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.