ιερεύνηση προβληµάτων γήρανσης σε χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος

Transcript

1 ιερεύνηση προβληµάτων γήρανσης σε χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος Π. Μαυροειδής Μεταλλουργός Μηχανικός Ε.Μ.Π. I. Νικολάου ρ. Μεταλλουργός Μηχανικός Ε.Μ.Π. Γ.. Παπαδηµητρίου Καθηγητής, Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας, Σχολή Μηχανικών Μετ./Μεταλλουργών Ε.Μ.Π. Λέξεις κλειδιά: γήρανση, χάλυβες οπλισµού, βανάδιο, Tempcore ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Κατά την διαµόρφωση και ενσωµάτωση των χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος σε µια κατασκευή προηγείται η κατάλληλη διαµόρφωση τους η οποία είναι δυνατόν να συνδέεται µε προβλήµατα που σχετίζονται µε γήρανση. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η µεταβολή των µηχανικών χαρακτηριστικών χαλύβων οπλισµού που παράγονται µε διάφορες µεθόδους και καλύπτουν την κύρια αγορά στην Ελλάδα. Αρχικά ελέγχεται κατά πόσο τα υπάρχοντα σχετικά πρότυπα καλύπτουν µε τις δοκιµές που προτείνουν το φαινόµενο της γήρανσης. Αποδεικνύεται ότι, οι χάλυβες θερµής έλασης µε θερµική κατεργασία (Tempcore) και οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες θερµής έλασης δεν εµφανίζουν πρακτικά ουσιαστική υποβάθµιση των χαρακτηριστικών τους λόγω προβληµάτων γήρανσης. Αντίθετα, χάλυβες που έχουν υποστεί πλαστική παραµόρφωση εµφανίζουν σηµαντική υποβάθµιση της ολκιµότητας. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γνωστό ότι οι απαιτήσεις ολκιµότητας των χαλύβων οπλισµού σε περιοχές µε σεισµική δραστηριότητα είναι αυστηρότερες σε σχέση µε συνήθεις κατασκευές από οπλισµένο σκυρόδεµα Οι απαιτήσεις αυτές, συνδέονται µε την φιλοσοφία σχεδιασµού των κατασκευών (CEB-FIB, 1998), σύµφωνα µε την οποία σε ελαφρές σεισµικές καταπονήσεις τα κατασκευαστικά στοιχεία ανταποκρίνονται ελαστικά (Re) ενώ σε έντονη σεισµική καταπόνηση, τα στοιχεία πρέπει να έχουν την δυνατότητα να αναπτύξουν ικανή παραµόρφωση, ώστε να αποφευχθεί κατάρρευση της κατασκευής (λόγος Rm/Re). Για τον λόγο αυτό προβλέπονται σε ορισµένα µέρη της κατασκευής πλαστικές αρθρώσεις (plastic hinges), δηλαδή περιοχές στις οποίες προβλέπεται να εκδηλωθεί ικανή παραµόρφωση, εφόσον η κατασκευή αρχίσει να παραµορφώνεται πλαστικά, έτσι ώστε να απορροφηθεί η προσφερόµενη σεισµική ενέργεια. Αφετέρου, η ολκιµότητα είναι απαραίτητη για να υπάρχει δυνατότητα κάµψης των ράβδων οπλισµού, να υπάρχει επαρκής προειδοποίηση µε την ανάπτυξη ρωγµών, αντοχή έναντι επιβαλλόµενων παραµορφώσεων αλλά επίσης για να υπάρχει η δυνατότητα ανακατανοµής των τάσεων (Ο.Α.Σ.Π. Ε.Α.Κ. 2000) Στην πράξη, για να ενσωµατωθούν οι χάλυβες οπλισµού σε µία κατασκευή από οπλισµένο σκυρόδεµα, πρέπει να προηγηθεί η κατάλληλη διαµόρφωση τους, σύµφωνα µε τις κατασκευαστικές λεπτοµέρειες των σχεδίων ξυλοτύπων. Κατά τη διαµόρφωση αυτή (κάµψεις, κοπές, συγκολλήσεις κ.λ.π), προκαλούνται µόνιµες πλαστικές παραµορφώσεις κα υποβάθµιση των ιδιοτήτων των αρχικών υλικών. Επιπρόσθετα, και επειδή εκ των πραγµάτων η διαµόρφωση γίνεται εν ψυχρώ, εµφανίζονται προβλήµατα που σχετίζονται µε την ανάπτυξη του φαινοµένου της γήρανσης (Steicich J.P. et al: 1984). Η ιδιαιτερότητα του φαινοµένου αυτού και των συνακόλουθων προβληµάτων συνίστανται στην προοδευτική χρονική ανάπτυξη τους για 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

2 σηµαντικό χρονικό διάστηµα µετά την ανέγερση και την λειτουργία της κατασκευής. Τίθεται εποµένως ερώτηµα για το κατά πόσο θα είναι αυτή αρκούντως ανθεκτική σε επακόλουθες σεισµικές καταπονήσεις. Πέραν του παραπάνω κινδύνου, ψαθυρές θραύσεις είναι δυνατόν να εµφανιστούν και κατά την διάρκεια της ανέγερσης της κατασκευής όταν επιχειρείται η επανευθυγράµµιση ράβδων που έχουν προσωρινά καµφθεί πριν από ορισµένους µόλις µήνες. Τα φαινόµενα γήρανσης είναι αργά σε χαµηλές θερµοκρασίες που σηµαίνει ότι ολοκληρώνονται σε µεγαλύτερο χρόνο από τον χρόνο κατασκευής και έχει αποδειχθεί ότι σχετίζονται µε την παρουσία ελεύθερου αζώτου στο χάλυβα (Erasmus et al: 1981). Η τυπική επίδραση της γήρανσης στο διάγραµµα τάσεων-παραµορφώσεων ενός κοινού χάλυβα φαίνεται στην Εικ.1 (Erasmus et al, 1980). Το φαινόµενο εµφανίζεται σε κοινούς ανθρακούχους χάλυβες µετά από συσσώρευση ατόµων άνθρακα και αζώτου (άτοµα µικρού µεγέθους) σε περιοχές του κρυσταλλικού πλέγµατος που χαρακτηρίζονται από σχετικά µεγάλη πυκνότητα ελεύθερων διαταραχών (σχηµατισµός ατµοσφαίρων Cottrel). Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα να αγκυρώνονται οι διαταραχές, να εµποδίζεται η κίνηση τους και κατά συνέπεια να παρατηρείται αύξηση του ορίου διαρροής. Η αύξηση αυτή της αντοχής συνοδεύεται από µείωση της ολκιµότητας των χαλύβων και ανάλογα µε την έκταση της µπορεί να οδηγήσει σε προβλήµατα ψαθυροποίησης. Η κίνηση των ατόµων αζώτου είναι ευχερέστερη σε σχέση µε αυτήν των ατόµων άνθρακα και για τον λόγο αυτό ένας αποτελεσµατικός τρόπος για την δέσµευση του αζώτου (και ακινητοποίηση) είναι η προσθήκη στοιχείων µε έντονη τάση δηµιουργίας νιτριδίων όπως το Ti και το V (Dieter G.E., 1986). Προηγούµενες έρευνες έχουν δείξει ότι στην περίπτωση του Ti, λόγος Ti/N µεγαλύτερος από την στοιχειοµετρική αναλογία (~3,5) εξαλείφει εντελώς την εµφάνιση γήρανσης σε κοινούς ανθρακο µαγγανιούχους χάλυβες. Στην περίπτωση του V, ο λόγος V/N έχει βρεθεί ότι πρέπει να είναι µεταξύ 7 και 9. Oι χάλυβες οπλισµού παράγονται α) µε θερµή έλαση και εν σειρά ακόλουθη θερµική κατεργασία (Tempcore), β) µε θερµή έλαση και κατάλληλη κραµάτωση και γ) µε θερµή έλαση και ακόλουθη ψυχρή µηχανική κατεργασία (ολκή) καθώς επίσης και από συνδυασµό των παραπάνω µεθόδων. Στην περίπτωση των χαλύβων που παράγονται σε µορφή κουλούρας κ, προηγείται της δοκιµής εφελκυσµού για τον έλεγχο των µηχανικών χαρακτηριστικών τους, η διαδικασία της τεχνητής γήρανσης, που συνίσταται στην θέρµανση των δοκιµίων στους 100 ο C για 1h. Εικόνα 1. Τυπικό διάγραµµα τάσεων-παραµορφώσεων σε χάλυβες στο οποίο α) εµφανίζεται και β) δεν εµφανίζεται το φαινόµενο της γήρανσης. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

3 Στην παρούσα εργασία, ελέγχεται η µεταβολή των µηχανικών χαρακτηριστικών χαλύβων οπλισµού που παράγονται µε διάφορες µεθόδους και καλύπτουν την κύρια αγορά στην Ελλάδα µετά από τεχνητή γήρανση. Η µελέτη επεκτείνεται και περιλαµβάνει φυσική και συνδυασµό φυσικής και τεχνητής γήρανσης. Στόχος είναι να εντοπιστούν και να καθορισθούν τυχούσες διαφοροποιήσεις στα µηχανικά χαρακτηριστικά των χαλύβων οπλισµού. Επιπλέον, οι δοκιµές επέτρεψαν να ελεγχθεί κατά πόσο τα υπάρχοντα σχετικά πρότυπα (Σχέδιο Προτύπου ΕΛΟΤ 1421: 2005) καλύπτουν µε τις δοκιµές που προτείνουν το φαινόµενο της γήρανσης που εµφανίζεται στους χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος. 2 ΥΛΙΚΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Επιλέχθηκαν χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται: α) µε θερµή έλαση ακολουθούµενη από θερµική κατεργασία (Tempcore), β) µε θερµή έλαση και µικροκραµάτωση µε βανάδιο, γ) µε θερµή έλαση και ακόλουθη ψυχρή ολκή και δ) µε θερµή έλαση και µικροκραµάτωση µε βανάδιο και ακόλουθη ψυχρή ολκή σε διάφορα ποσοστά. Ο πειραµατικός συµβολισµός δοκιµίων ανάλογα µε την µέθοδο παραγωγής τους, φαίνεται στον Πίνακα 1. Είναι γνωστό ότι τα σηµεία των ράβδων οπλισµού στα οποία έχει πραγµατοποιηθεί πλαστική παραµόρφωση είναι περισσότερο επιδεκτικά στο να παρουσιάσουν ψαθυροποίηση λόγω γήρανσης. Για τον λόγο αυτό ράβδοι χαλύβων θερµής έλασης µε µικροκραµάτωση µε βανάδιο υποβλήθηκαν σε ελεγχόµενη πλαστική παραµόρφωση (ολκή) και προέκυψαν ράβδοι µε ποσοστό ολκής 1,3, 2,0 και 3,7% (βλ. Πίνακα 1). Τα µηχανικά χαρακτηριστικά των χαλύβων αυτών στην αρχική τους κατάσταση καθώς επίσης και η χηµική τους σύνθεση δίνονται στους Πίνακες 2 και 3 αντίστοιχα. Ως όριο διαρροής λαµβάνεται το πραγµατικό όπου εµφανίζεται και το συµβατικό (Rp0,2) που αντιστοιχεί σε 0,2% µόνιµη πλαστική παραµόρφωση. Ο χάλυβας θερµής έλασης µε µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V_Initial) αποτέλεσε την πρώτη ύλη για την περαιτέρω παραγωγή των χαλύβων της τέταρτης κατηγορίας (V_1,3%, V_2,0% και V_3,7%). Για τον λόγο αυτό, οι µηχανικές αντοχές του ήταν χαµηλότερες από τις προβλεπόµενες στο νέο Πρότυπο ΕΛΟΤ 1421 για την κατηγορία Β500C, (τόσο στην αρχική κατάσταση όσο και µετά από τεχνητή γήρανση). Η επακόλουθη ολκή, όπως αναµενόταν συνοδεύτηκε από σχετική αύξηση της αντοχής. Οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες µε βανάδιο και ακολουθούµενη ολκή σε ποσοστό 1,3, 2,0 και 3,7% µετά από τεχνητή γήρανση εµφανίζουν διαφορετική εικόνα σχετικά µε την ικανοποίηση των απαιτήσεων αντοχής που προδιαγράφονται για την κατηγορία χαλύβων Β500C. Πίνακας 1. Πειραµατικός συµβολισµός δοκιµίων ανάλογα µε την µέθοδο παραγωγής τους Συµβολισµός Μέθοδος Παραγωγής Tempcore Θερµική κατεργασία Tempcore V_Initial Θερµή έλαση και µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V) V_1,3% Θερµή έλαση / µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V) / ολκή σε ποσοστό 1,3% V_2,0% Θερµή έλαση / µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V) / ολκή σε ποσοστό 2,0% V_3,7% Θερµή έλαση / µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V) / ολκή σε ποσοστό 3,7% W.H_3,5% Θερµή έλαση µε επακόλουθη ολκή σε ποσοστό 3,5% ηµιουργήθηκε ικανός αριθµός δοκιµίων από κάθε ποιότητα χάλυβα οπλισµού, τα οποία χωρίσθηκαν σε 4 οµάδες. Τα δοκίµια της πρώτης οµάδας χρησίµευσαν ως δοκίµια αναφοράς (Αρχική κατάσταση). Η δεύτερη οµάδα δοκιµίων υποβλήθηκε σε φυσική γήρανση για 1 έτος (Φ.Γ) σε θερµοκρασία δωµατίου, η τρίτη οµάδα σε τεχνητή γήρανση-θέρµανση στους 100οC για 1 ώρα (Τ.Γ) και η τέταρτη σε τεχνητή γήρανση στους 100oC για 1 ώρα και φυσική γήρανση ενός έτους (Φ.Γ-Τ.Γ). Για κάθε είδος χάλυβα από την πρώτη-τρίτη και από την δεύτερη-τέταρτη οµάδα υποβλήθηκαν σε δοκιµή εφελκυσµού 5 και 10 δοκίµια αντίστοιχα (150 δοκίµια σύνολο). Ο 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

4 έλεγχος µηχανικών ιδιοτήτων και η δοκιµές φυσικής ή/και τεχνητής γήρανσης έγιναν στο εργαστήριο δοκιµών της εταιρείας διαµόρφωσης οπλισµού σκυροδέµατος Θώραξ Αντισεισµική. Τα αποτελέσµατα µετά την γήρανση φαίνονται στον Πίνακα 2. Σε όλες τις περιπτώσεις, η ονοµαστική διάµετρος των ράβδων ήταν 10mm και αποτελεί την πλέον συνηθισµένη διάσταση χαλύβων οπλισµού σε µορφή ρόλων. Πίνακας 2. Μηχανικά χαρακτηριστικά χαλύβων οπλισµού (πριν και µετά την γήρανση) Ονοµαστική ιάµετρος (mm) ιατοµή (mm 2 ) Όριο ιαρροής Re (MPa) Εφελκυστικ Αντοχή Rm (MPa) Λόγος Rm/Re Όµοιόµ. Παραµορφ. Agt (%) Π.Γ.* Μ.Γ.** Π.Γ.* Μ.Γ.** Π.Γ.* Μ.Γ.** Π.Γ.* Μ.Γ.** Tempcore 10 79, ,16 1,16 12,4 13,5 V_Initial 10 81, ,29 1,29 15,2 15,3 V_1,3% 10 80, ,31 1,26 14,4 11,0 V_2,0% 10 80, ,31 1,25 12,9 10,4 V_3,7% 10 79, ,19 1,15 11,1 8,0 W.H_3,5% 10 81, ,17 1,16 10,5 8,2 * Πρίν την Γήρανση, ** Μετά από Γήρανση Πίνακας 3. Χηµική σύσταση χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που ελέχθησαν Tempcore V_Initial V_1,3% V_2,0% V_3,7% W.H_3,5% C 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 Mn 0,86 0,88 0,88 0,88 0,88 1,00 Si 0,22 0,17 0,17 0,17 0,17 0,26 Ni 0,10 0,12 0,12 0,12 0,12 0,16 Cr 0,22 0,06 0,06 0,06 0,06 0,16 Cu 0,31 0,36 0,36 0,36 0,36 0,36 S 0,018 0,019 0,019 0,019 0,019 0,018 P 0,006 0,016 0,016 0,016 0,016 0,014 Mo - 0,011 0,011 0,011 0,011 - V - 0,041 0,041 0,041 0,041 - N 0,010 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 Ceq 0,45 0,42 0,42 0,42 0,42 0,45 3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Από τις δοκιµές εφελκυσµού προσδιορίσθηκαν το όριο διαρροής (Re), η εφελκυστική αντοχή (Rm), ο λόγος κράτυνσης (εφελκυστική αντοχή προς το όριο διαρροής, Rm/Re) και η οµοιόµορφη παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο (Agt). Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται συγκεντρωτικά στις Εικ.2-5. Για κάθε είδος χάλυβα και κάθε µέγεθος σηµειώνονται 4 µέσες τιµές που αφορούν στην αρχική κατάσταση (Α.Κ) του υλικού, µετά από φυσική γήρανση ενός έτους (Φ.Γ), µετά από τεχνητή γήρανση (Τ.Γ) και µετά από τεχνητή και φυσική γήρανση (Τ.Γ Φ.Γ). Τα αποτελέσµατα των δοκιµών εφελκυσµού στην αρχική κατάσταση (Α.Κ), µετά από φυσική γήρανση ενός έτους σε θερµοκρασία δωµατίου (Φ.Γ), µετά από τεχνητή γήρανση (Τ.Γ) και µετά από συνδυασµό τεχνητής και φυσικής γήρανσης (Τ.Γ Φ.Γ) παρουσιάζονται συγκεντρωτικά για όλους τους τύπους χαλύβων οπλισµού στον Πίνακα 4 και στις Εικ.2-5. Σε όλες τις περιπτώσεις παρατηρείται σηµαντική διαφοροποίηση στα µηχανικά χαρακτηριστικά των ράβδων που παράγονται µε διαφορετική µέθοδο. Επίσης, παρουσιάζονται διαφορές µεταξύ της φυσικής, τεχνητής και τον συνδυασµό της τεχνητής-φυσικής γήρανσης για τον ίδιο τύπο χάλυβα οπλισµού. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

5 Πίνακας 4. Μηχανικά χαρακτηριστικά χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση (Α.Κ.) και µετά από φυσική (Φ.Γ), τεχνητή (Τ.Γ.)και φυσική-τεχνητή γήρανση (Τ.Γ.-Φ.Γ). Όριο ιαρροής, Re (MPa) Εφελκ. Αντοχή, Rm (MPa) Οµοιµ. Παραµόρφωση, Agt (%) Λόγος Rm/Re Μ.Τ. 1 Τ.Α. 2 Μ.Τ. 1 Τ.Α. 2 Μ.Τ. 1 Τ.Α. 2 Μ.Τ. 1 Τ.Α. 2 A.K ,4 0,9 1,16 0,01 Tempcore Φ.Γ ,5 1,0 1,17 0,01 Τ.Γ ,5 2,1 1,16 0,01 Τ.Γ - Φ.Γ ,9 2,2 1,16 0,00 A.K ,2 2,5 1,29 0,01 V_Initial Φ.Γ ,1 2,1 1,29 0,01 Τ.Γ ,3 1,2 1,29 0,01 Τ.Γ - Φ.Γ ,8 1,2 1,28 0,01 A.K ,4 3,0 1,31 0,01 V_1,3% Φ.Γ ,7 1,8 1,29 0,04 Τ.Γ ,0 2,0 1,26 0,02 Τ.Γ - Φ.Γ ,8 1,0 1,26 0,01 A.K ,9 1,6 1,31 0,02 V_2,0% Φ.Γ ,1 2,0 1,26 0,02 Τ.Γ ,4 3,2 1,25 0,03 Τ.Γ - Φ.Γ ,8 0,7 1,25 0,01 A.K ,1 1,3 1,19 0,01 V_3,7% Φ.Γ ,3 2,4 1,16 0,02 Τ.Γ ,0 1,5 1,15 0,01 Τ.Γ - Φ.Γ ,8 1,2 1,15 0,01 A.K ,5 1,6 1,17 0,02 W.H_3,5% Φ.Γ ,8 1,8 1,16 0,01 Τ.Γ ,2 1,6 1,16 0,02 Τ.Γ - Φ.Γ ,9 1,6 1,15 0,01 1 M.T.: µέση τιµή τιµών, 2 Τ.Α.: τυπική απόκλιση τιµών 3.1 Ανάπτυξη φαινοµένων γήρανσης ανάλογα µε την µέθοδο παραγωγής Γήρανση των χαλύβων Tempcore, επιφέρει µια ελαφρά πτώση της αντοχής ως αποτέλεσµα φαινοµένων ανακούφισης εσωτερικών τάσεων του υλικού που εστιάζονται στην επιφανειακή στοιβάδα των ράβδων (Nikolaou J. et al: 2004). Πρόκειται για τη µόνη µέθοδο παραγωγής στην οποία µετά από γήρανση παρατηρείται πτώση και όχι (έστω µικρή) αύξηση της αντοχής. Ως αποτέλεσµα, ο λόγος κράτυνσης του υλικού παραµένει σχεδόν αµετάβλητος. Η οµοιόµορφη παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο (Agt), εµφανίζει µικρή µείωση µετά από φυσική γήρανση ενός έτους όπως και µετά από συνδυασµένη τεχνητή φυσική γήρανση, ενώ µετά την τεχνητή γήρανση εµφανίζεται µικρή αύξηση. Οι χάλυβες θερµής έλασης µε µικροκραµάτωση µε βανάδιο εµφανίζουν ιδιαίτερα υψηλό λόγο κράτυνσης, τόσο πριν όσο και µετά την γήρανση (~1,28). Από τις δοκιµές παρατηρήθηκε ότι χάλυβες αυτού του τύπου, εµφανίζουν µείωση της οµοιόµορφης παραµόρφωσης στο µέγιστο φορτίο (Agt) µετά από φυσική γήρανση ενός έτους όπως και µετά από συνδυασµένη τεχνητή 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

6 φυσική γήρανση (~13%) σε σχέση µε την αρχική κατάσταση και µετά από τεχνητή γήρανση (~15%), διατηρώντας ωστόσο πολύ υψηλές τιµές. Οι χάλυβες ψυχρής ολκής (3,5% πλαστική παραµόρφωση) εµφανίζουν µετά την τεχνητή γήρανση, µικρή αύξηση της αντοχής η οποία συνοδεύεται από ελαφρά µείωση του λόγου κράτυνσης αλλά σηµαντικότερη µείωση της ολκιµότητας Agt (από 10,5 σε ~8%). Η επιβολή πλαστικής παραµόρφωσης (ολκής) στους χάλυβες θερµής έλασης µεµικροκραµάτωση µε βανάδιο, αυξάνει την επιδεκτικότητα των χαλύβων σε φαινόµενα γήρανσης. Η επιδεκτικότητα αυτή εµφανίζεται µε αύξηση του ορίου διαρροής και µικρότερη αύξηση της εφελκυστικής αντοχής. Η οµοιόµορφη παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο σηµειώνει σηµαντική πτώση. Πτώση παρατηρείται πτώση και στον λόγο κράτυνσης, ο οποίος παραµένει εντούτοις σε υψηλά επίπεδα (>1,25%) για ποσοστό ολκής µέχρι και 2%. Πτώση της ολκιµότητας παρατηρείται τόσο µε αύξηση του ποσοστού ολκής των χαλύβων όσο και µετά από γήρανση. Σε ποσοστό ολκής 3,7% οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες παρουσιάζουν αυξηµένο όριο διαρροής σε σχέση µε την αρχική τους κατάσταση περίπου κατά 50ΜPa και κατά 75MPa µετά από γήρανση. Ταυτόχρονα, εµφανίζουν σηµαντική πτώση της ολκιµότητας τους µετά από γήρανση. Συγκεκριµένα παρουσιάζεται πτώση της παραµόρφωσης Agt από 11 σε λιγότερο από 8%. Η ολκή σε ποσοστό µέχρι και 2% εµφανίζεται στον Πίνακα 2 να µην επιφέρει αύξηση στο όριο διαρροής των χαλύβων πριν την γήρανση. Ωστόσο, η σύγκριση αυτή έχει προβλήµατα που σχετίζονται µε τον διαφορετικό τρόπο υπολογισµού του ορίου διαρροής, καθώς το αρχικό υλικό έχει εµφανές όριο διαρροής, ενώ µετά την ολκή δεν υπάρχει εµφανές όριο διαρροής και λαµβάνεται το συµβατικό όριο διαρροής. Για τον ίδιο λόγο, πρέπει να αξιολογηθούν µε επιφύλαξη οι εµφανιζόµενες υψηλές του τιµές λόγου κράτυνσης. Υπογραµµίζεται ότι για την εκτίµηση της ολκιµότητας των υλικών, είναι σηµαντικό να λαµβάνονται υπόψη τόσο οι τιµές του λόγου κράτυνσης, όσο και της οµοιόµορφης παραµόρφωσης στο µέγιστο φορτίο Αρχική Κατάσταση (Α.Κ) T.Γ - Φ.Γ 560 Όριο ιαρροής, Re (MPa) Tempcore V_Initial V_1.3% V_2.0% V_3.7% W.H_3.5% Εικόνα 2. Όριο διαρροής (Re) χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση και µετά από φυσική, τεχνητή και φυσική-τεχνητή γήρανση. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

7 Αρχική Κατάσταση (Α.Κ) T.Γ - Φ.Γ Εφελκυστική Αντοχή, Rm (MPa) Tempcore V_Initial V_1.3% V_2.0% V_3.7% W.H_3.5% Εικόνα 3. Εφελκυστική αντοχή (Rm) χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση και µετά από φυσική, τεχνητή και φυσική-τεχνητή γήρανση. 1,35 Εφελκυστική Αντοχή / Όριο ιαρροής, Rm/Re 1,30 1,25 1,20 1,15 Αρχική Κατάσταση (Α.Κ) T.Γ - Φ.Γ 1,10 Tempcore V_Initial V_1.3% V_2.0% V_3.7% W.H_3.5% Εικόνα 4. Λόγος εφελκυστικής αντοχής προς όριο διαρροής (λόγος κράτυνσης) χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση και µετά από φυσική, τεχνητή και φυσική-τεχνητή γήρανση. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

8 Αρχική Κατάσταση (Α.Κ) T.Γ - Φ.Γ Όµοιόµορφη Παραµόρφωση, Agt (%) Tempcore V_Initial V_1.3% V_2.0% V_3.7% W.H_3.5% Εικόνα 5. Οµοιόµορφη παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο (Agt) χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση και µετά από φυσική, τεχνητή και φυσικήτεχνητή γήρανση. 3.2 Συσχετισµός τεχνητής και φυσικής γήρανσης Από τα αποτελέσµατα των δοκιµών, πέραν των διαφορών που παρατηρήθηκαν µεταξύ των χαλύβων που διαφέρουν ως προς τον τρόπο παραγωγής τους, ένα σηµαντικό ζήτηµα που προκύπτει είναι ο καθορισµός και η επιλογή του κατάλληλου τρόπου γήρανσης. Για λόγους οικονοµίας χρόνου είναι εύλογο ότι τα σχετικά πρότυπα προτείνουν την εφαρµογή τεχνητών τρόπων γήρανσης. Με τον τρόπο αυτό πρακτικά επιχειρείται να επιταχυνθούν εκείνα τα φαινόµενα τα οποία µπορούν να µεταβάλλουν τα αρχικά µηχανικά των χαλύβων από την αρχική τους κατάσταση και τα οποία πιθανότατα να οδηγήσουν σε απρόβλεπτη συµπεριφορά. Επίσης, αποτελεί απαίτηση των περισσότερων σχετικών προτύπων σε χάλυβες οι οποίοι εµπεριέχουν ψυχρή πλαστική παραµόρφωση κατά την παραγωγή τους να υποβάλλονται σε τεχνητή γήρανση πριν τον έλεγχο των µηχανικών χαρακτηριστικών τους. Η ίδια απαίτηση υπάρχει για τους χάλυβες οπλισµού σε µορφή κουλούρας, ανεξάρτητα από την µέθοδο παραγωγής τους (ΕΛΟΤ 1421: 2004). Ο έλεγχος των µηχανικών χαρακτηριστικών των χαλύβων µε διαφορετικούς τρόπους γήρανσης µας επέτρεψε να εξετάσουµε σε ποιο βαθµό τα αποτελέσµατα των δοκιµών εφελκυσµού προσεγγίζουν τα φαινόµενα γήρανσης που είναι δυνατόν να εµφανιστούν στους χάλυβες οπλισµού. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται στις Εικ2-5, παρατηρείται ότι τα µηχανικά χαρακτηριστικά που προσδιορίζονται µετά από τεχνητή γήρανση (στους 100 ο C για 1 ώρα) προσεγγίζουν σε µεγάλο βαθµό την εικόνα µετά από φυσική γήρανση ενός έτους στη θερµοκρασία δωµατίου. Σηµαντική ωστόσο διαφορά παρατηρείται στην περίπτωση της οµοιόµορφης παραµόρφωσης Agt, όπου οι τιµές που λαµβάνονται µετά από τεχνητή γήρανση, διαφοροποιούνται σε όλες τις περιπτώσεις από τις τιµές που λαµβάνονται µετά από φυσική γήρανση και συνδυασµό φυσικής τεχνητής γήρανσης και δεν αποδίδουν επαρκώς την έκταση της µείωσης της ικανότητας παραµόρφωσης µε την πάροδο του χρόνου. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

9 Όριο ιαρροής, Re (MPa) Αρχική Κατάσταση Φ.Γ - Τ.Γ Ποσοστό Ψυχρής Ολκής (%) Εφελκυστ. Αντοχή, Rm (MPa) Αρχική Κατάσταση (Α.Κ) T.Γ - Φ.Γ Ποσοστό Ψυχρής Ολκής (%) Λόγος Rm/Re 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 Αρχική Κατάσταση Φ.Γ - Τ.Γ Ποσοστό Ψυχρής Ολκής (%) Οµοιόµ. Παραµόρφ., Agt (%) Αρχική Κατάσταση Φ.Γ - Τ.Γ Ποσοστό Ψυχρής Ολκής (%) Εικόνα 6. Επίδραση του ποσοστού ολκής στις µηχανικές ιδιότητες µικροκραµατωµένων χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος στην αρχική τους κατάσταση και µετά από γήρανση (φυσική, τεχνητή και συνδυασµό τεχνητής-φυσικής). 3.3 Ποσοστό ψυχρής ολκής Τα αποτελέσµατα των δοκιµών εφελκυσµού µας επέτρεψαν να εξετάσουµε την επιδεκτικότητα των µικροκραµατωµένων χαλύβων στη γήρανση για διάφορα ποσοστά πλαστικής παραµόρφωσης (ολκής), Εικ.6. Στην αρχική κατάσταση, χωρίς δηλαδή την εµφάνιση του φαινοµένου της γήρανσης, ολκή σε ποσοστό έως και 2% επιφέρει µικρή µεταβολή στην εφελκυστική αντοχή (Rm) των ράβδων ενώ ολκή σε ποσοστό 3,7% οδηγεί σε αύξηση του ορίου διαρροής (Re) κατά 60MPa ενώ όσον αφορά στην εφελκυστική αντοχή (Rm) παρατηρείται γραµµική αύξηση κατά 20MPa. Παρά το γεγονός ότι οι µηχανικές αντοχές µεταβάλλονται οριακά µέχρι και ποσοστό ολκής 2%, η οµοιόµορφη παραµόρφωση (Agt) των χαλύβων παρουσιάζει µια συνεχή πτώση η οποία φθάνει το 11% (αντί 15% δίχως ολκή). Οι εντονότερες µεταβολές στα µηχανικά χαρακτηριστικά εµφανίζονται µετά από τεχνητή γήρανση και συνδυασµό τεχνητής και φυσικής γήρανσης. Στους χάλυβες µε ποσοστό ολκής 3,7%, το όριο διαρροής εµφανίζει µια σχεδόν γραµµική αύξηση του ορίου διαρροής η οποία φθάνει τα 85MPa και τα 30ΜPa στην εφελκυστική αντοχή. Η εντονότερη αύξηση του ορίου διαρροής σε σχέση µε την εφελκυστική αντοχή συνοδεύεται από µια συνεχής πτώση του λόγου κράτυνσης οριακά στο 1,15, το οποίο και αποτελεί και το κατώτερο όριο της κατηγορίας Β500C (ΕΛΟΤ 1421). Αύξηση του ποσοστού ολκής συνοδεύεται από γραµµική µείωση της ολκιµότητας των ράβδων. Αυτή η µείωση της ολκιµότητας επιβαρύνεται κατά περίπου 4% µετά την εκδήλωση των φαινοµένων γήρανσης για κάθε ποσοστό προηγούµενης πλαστικής παραµόρφωσης. Όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω, στην περίπτωση των χαλύβων που έχουν υποστεί ψυχρή πλαστική παραµόρφωση, η αντοχή τους ορίζεται (κανονιστικά) πάντα µετά από φυσική γήρανση, ως εκ τούτου πρέπει να αποδίδεται προσοχή στον αυξηµένο κίνδυνο µείωσης της ολκιµότητας που υπάρχει µετά την ψυχρή ολκή και την γήρανση. Όπως προκύπτει από τα αποτελέσµατα, η ψυχρή ολκή των ράβδων θα πρέπει να περιορίζεται σε ποσοστό έως και 2% (ανάλογα και µε την χηµική σύσταση του αρχικού υλικού). Μεγαλύτερα ποσοστά ψυχρής ολκής συνοδεύονται από σηµαντική αύξηση της αντοχής και µείωση της ολκιµότητας (Εικ.7). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

10 3.4 Μικροκραµάτωση µε βανάδιο Είναι γενικά αποδεκτό ότι το φαινόµενο της γήρανσης εµφανίζεται όταν έχει προηγηθεί πλαστική παραµόρφωση του µετάλλου σε συνδυασµό µε την παρουσία ελεύθερου αζώτου και θέρµανση σε σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες. Το ποσοστό ελεύθερου αζώτου µειώνεται µε την παρουσία στοιχείων που το δεσµεύουν όπως το V και Ti (Karabulut H. et al, 2004). Ενδιαφέρον παρουσιάζει η σύγκριση του µικροκραµατωµένου χάλυβα µε ποσοστό ολκής 3,7% και του χάλυβα ψυχρής ολκής σε ποσοστό 3,5% (χωρίς µικροκραµάτωση µε βανάδιο). Πέραν της µικρής διαφοράς στο ποσοστό πλαστικής παραµόρφωσης οι δύο χάλυβες χαρακτηρίζονται από παραπλήσια περιεκτικότητα σε άζωτο και κατά συνέπεια αναµένεται ο µικροκραµατωµένος χάλυβας να εµφανίζει µικρότερη επιδεκτικότητα στην γήρανση. Ο µικροκραµατωµένος χάλυβας µε ποσοστό ολκής 3,7% εµφανίζει µετά από τεχνητή γήρανση αύξηση του ορίου διαρροής (Re) και θραύσης (Rm) περίπου 30MPa και 20ΜPa αντίστοιχα. Η αύξηση αυτή της αντοχής συνοδεύεται από µείωση τόσο του λόγου κράτυνσης (Rm/Re) όσο και της παραµόρφωσης Agt σε 1,14 και 8% αντίστοιχα. Ο χάλυβας ψυχρής ολκής σε ποσοστό 3,5% (χωρίς µικροκραµάτωση µε βανάδιο), εµφανίζει µετά από τεχνητή γήρανση αύξηση του ορίου διαρροής (Re) και θραύσης (Rm) περίπου 5MPa. Η µικρή αυτή αύξηση της αντοχής δεν επηρεάζει πρακτικά τον λόγο κράτυνσης αλλά συνοδεύεται από µείωση της παραµόρφωσης Agt από 10,5% σε 8%. Τα αποτελέσµατα συνηγορούν στο συµπέρασµα ότι η προσθήκη βαναδίου σε περιεκτικότητα 0,041%. δεν αντιµετωπίζει τα προβλήµατα που σχετίζονται µε την γήρανση (Karabulut H. et al, 2004). Προκύπτει επίσης πως το ποσοστό ψυχρής ολκής σε ότι αφορά τη γήρανση είναι ο πλέον καθοριστικός παράγοντας και οποιαδήποτε έστω και µικρή αύξηση του, οδηγεί σε µεγαλύτερη επιδεκτικότητα του χάλυβα σε αυτό το φαινόµενο. 600 Χάλυβας µικροκραµατωµένος µε βανάδιο(0,041%) 17 Όριο ιαρροής, Re(MPa) Agt Re Οµοιοµ. Παραµόρφωση, Agt(%) Ποσοστό Ψυχρής Ολκής (%) Εικόνα 7. Σχέση ορίου διαρροής και ολκιµότητας ανάλογα µε το ποσοστό ψυχρής ολκής των µικροκραµατωµένων χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος µετά από γήρανση (φυσική, τεχνητή και συνδυασµό τεχνητής-φυσικής). 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία, ελέγχεται η µεταβολή των µηχανικών χαρακτηριστικών χαλύβων οπλισµού που παράγονται µε διάφορες µεθόδους και καλύπτουν την κύρια αγορά στην Ελλάδα µετά από τεχνητή γήρανση, φυσική και συνδυασµό φυσικής και τεχνητής γήρανσης. Χάλυβες οπλισµού που παράγονται µε διαφορετικές µεθόδους παραγωγής παρουσιάζουν µεταξύ τους διαφορετική επιδεκτικότητα σε φαινόµενα γήρανσης. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

11 Οι χάλυβες θερµής έλασης µε θερµική κατεργασία (Tempcore) και οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες θερµής έλασης δεν εµφανίζουν πρακτικά ουσιαστική υποβάθµιση των χαρακτηριστικών τους λόγω προβληµάτων γήρανσης. Αντίθετα, χάλυβες που έχουν υποστεί πλαστική παραµόρφωση (µικροκραµατωµένοι και µη) εµφανίζουν σηµαντική υποβάθµιση της ολκιµότητας. Η πρακτική µικροκραµάτωσης µε βανάδιο σε περιεκτικότητα 0,041% δεν είναι ικανή να ισοσταθµίσει την µείωση της ολκιµότητας που παρατηρείται µετά από την εκδήλωση γήρανσης. Αύξηση του ποσοστού ολκής συνοδεύεται από γραµµική µείωση της ολκιµότητας χαλύβων. Αυτή η µείωση της ολκιµότητας είναι εντονότερη µετά την εκδήλωση των φαινοµένων γήρανσης για κάθε ποσοστό προηγούµενης πλαστικής παραµόρφωσης. Τα µηχανικά χαρακτηριστικά που προσδιορίζονται µετά από τεχνητή γήρανση (στους 100 ο C για 1 ώρα) προσεγγίζουν σε µεγάλο βαθµό την εικόνα µετά από φυσική γήρανση ενός έτους στη θερµοκρασία δωµατίου. Απόκλιση παρατηρείται στην περίπτωση της οµοιόµορφης παραµόρφωσης Agt,όπου οι τιµές που λαµβάνονται µετά από τεχνητή γήρανση, διαφοροποιούνται σε όλες τις περιπτώσεις από τις τιµές που λαµβάνονται µετά από φυσική γήρανση και συνδυασµό φυσικής τεχνητής γήρανσης και δεν αποδίδουν επαρκώς την έκταση της µείωσης της ικανότητας παραµόρφωσης µε την πάροδο του χρόνου. ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΕΛΟΤ Χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος Συγκολλήσιµοι χάλυβες. Οργανισµός Αντισεισµικού Σχεδιασµού και Προστασίας (Ο.Α.Σ.Π.) Αντισεισµικός Κανονισµός (ΕΑΚ 2000). Υ.ΠΕ.ΧΩ..Ε Κανονισµός Τεχνολογίας Χαλύβων Οπλισµού Σκυροδέµατος (Κ.Τ.Χ.). Ελληνικός CEB-FIB Bulletin No Ductility of Reinforced Concrete Structures Synthesis report and individual Contributions. Dieter G.E Mechanical Metallurgy, 3rd edition, Mcgraw-Hill Book Company, New York. Erasmus L.A Cold straightening of partially embedded reinforcing bars A different view, Concrete International, pp: Erasmus L.A., Pussegoda L.N The strain aging characteristics of reinforcing steel with a range of vanadium contents, Metallurgical Transactions A 11A (2) Nikolaou J., Papadimitriou G.D Microstructures and mechanical properties after heating of reinforcing 500MPa class weldable steels produced by various processes (Tempcore, microalloyed with vanadium and work-hardened), Journal of Construction & Building Materials 18, Karabulut H., Gunduz S Effect of vanadium content on dynamic strain ageing in microalloyed medium carbon steel, Materials & Design 25, Sage A.M Effect of vanadium nitrogen and aluminium on the mechanical properties of reinforcing bar steels, Metals Technology, Steicich J.P., Hanson J.M., Rice P.F Bending and straightening, Concrete International, ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,