ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΥΨΗΔΩΝ θερμοκρασιων ΣΕ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΑ ΜΕ ΠΟΥΖΟΛΑΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ. ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ θερμα ΙΝΟΜΕΝΩΝ ΣΚΥΡ / ΤΩΝ ΥΠΟ ΦΟΡΤΙΣΗ

Transcript

1 ΕΠΔΡΑΣΗ ΥΨΗΔΩΝ θερμοκρασων ΣΕ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΑ ΜΕ ΠΟΥΖΟΛΑΝΚΑ ΥΛΚΑ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΣ θερμα ΝΟΜΕΝΩΝ ΣΚΥΡ ΤΩΝ ΥΠΟ ΦΟΡΤΣΗ ΩΑΝΝΑ ΠΑΠΑΓΑΝΝΗ,ΠΜ,Λέκτρας ΠλυτχνΣχλής, ΑΠ θ θωμασ ΒΑΛΑΣΗΣ,Π Μ, Βηθός ΠλυτεχνΣχλή, ΑΠθ ΠΕΡΛΗΨΗ Η εργασία αυτή απτελεί μέρς μιας έρευνας πυ γίνετα ι στ Εργαστήρι Σιδηρπαγύς Σκυρδέματς ΑΠθ πάνω στη συμ περ ι φρά των σκυρδεμάτων με πυζλανικά υλικά όταν αυτά εκ τ ί8ενται σε υψηλές θερμκρασίες Στ μέρς αυτό η έρευνα ε στιάζεται στις παραμρφώσει ς πυ παρυσιάζυν τα σκυρτα ό ταν υφίστανται μια συνεχή άνδ θερμκρασίας ενώ συγχρόνως φρτίζνται με πσστό 25% και 40% της συμβατ ι κής θλιπτικής αντχής των Οι πειραματικές αυτές συνθήκες (συνεχώςαυςανόμενη θερμκρασ ί α υπ φόρτιση) πρσεγγίζυν καλύτε ρα την πραγματική κατάσταση έκθεσης σκυρ των κτιρ ίων εν λειτυργία ε πυρκαγιά Τα σκυρτα πυ μελετήθηκαν αντιπρσωπεύυν απ ό άπψη αντχής την αντχή των συνήθων δμικών έργων πυ είναι 20-30MPa Από τις καμπύλες θερμκρασ ίας-παραμρφώσεων πυ έ χυν ληφθεί φαίνεται ότι τα σκυρτα με ασβεστλιθικά αδρανή και πυζλανικά υλικά όταν θερμαίννται υπό φόρτιση συστέλνται Η κρ ίσιμη θερμκρασία για την πί α η καμπύλη των παραμρφώσεων τείνει να γ ί νει κάθετς εςαρτάται από τ πσστό πρφόρτισης και είναι για 25% φόρτιση, 870 c για σκυρ τα με τ σι μέ ντ Portland τύπυ κα ι 800 c για σκυρ τα με πυζλανικά υλικά Για πσστό 40% η κρίσ ιμη θερμκρασία φθάνει τυ 800 c και c αντίστιχα Από την εικόνα παραμρφώσεων-θερμκρασιών πυ παρυσ ι ά ζυν τα σκυρ τα με πυζλανικά υλικά σε αντικατάσταση τυ τσιμέντυ Portland φαίνεται ότι είναι περισσότερ ευαίσθητα όταν εκτίθενται σε υψηλές θερμκρασίες από τα συνήθnσ κυ τα 105

2 ΕΣΑΓΩΓΗ Τ θέμα της συμπεριφράς των σκυρτων σε υψηλές θερμκρασίες είναι πάντα επίκαιρ ιδιαίτερα μετά τις πυρκαγιές των εμπρικών κτιρίων τα τελευταία χρόνια Όσν αφρά τα υ λικά τυ πλισμένυ σκυρτς(σκυρόδεμα και χάλυβας) η γνώση των ιδιτήτων τυς όταν υφίστανται υψηλές θερμκρασίες βηθά σε δύ κατευθύνσεις:α)στ σωστό σχεδιασμό κατασκευών με ειδική πρόβλεψn στόν κίνδυν πυρκαγιάς, καθόσν παρέχνται πληρφρίες για τν πρσδιρισμό της πυραντίστασης των δqιικών έργων, β)στην εκτίμηση της λειτυργικής ικανότητας των δμικών έργων κατά τη διάρκεια της πυρκαγιάς και μετά από αυτή, εάν μπρεί δηλαδή να χρησιμπιηθεί Εανά η κατασκευή Όπως είναι γνωστό ι ιδιότητες πυ κυρίως αφρύν τη φέρυσα ικανότητα τυ πλισμένυ σκυρτς είναι ι μηχανικές αντχές και ι παραμρφώσεις πυ αναπτύσσει, ιδιότητες πυ εεαρτώνται από τη θερμκρασία Παρόλ πυ υπάρχυν πλλές ερευνητικές εργασίες πάνω στις ιδιότητες τυ σκυρτς και τυ χάλυβα σε υψηλές θερμκρασίες η υπάρχυσα βιβλιγραφία δεν παρέχει αρκετές πληρφρίες για τις ιδιότητες σκυρτων σε υψηλές θερμκρασίες ό ταν χρησιμπιύνται πυζλανικά υλικά(πυζλάνες,ιπτάμενες τέφρες) σε αντικατάσταση τυ τσιμέντυ με σύμμιςη στην μπετνιέρα σε πσστά 30-40% Όπως είναι γνωστό τις τελευταίες δεκαετίες υπάρχει διεθνώς ένα αυεημέν ενδιαφέρν για τη χρησιμπίηση των ιπταμένων τεφρών στη δόμηση για λόγυς εεικνόμησης ενέργειας και περιβαλλντλγικής πρστασίας Η λκληρωμένη έρευνα πυ διενεργείται με εγχώρια υλικά(ασβεστλιθικά αδρανή,τσιμέντα, πυζλάνες και ιπτάμενες τέφρες) πιστεύυμε ότι 8α συμβάλλει στην αντιμετώπιση τυ θέματς, συμπεριφρά των δμικών έργων σε υψήλές θερμκρασίες, στν Ελληνικό χώρ ΠΕΡΑΜΑΤΚΟ ΜΕΡΟΣ Υ λ ι κ ά Τα υλικά πυ χρησιμπιήθηκαν είναι:τσιμέντ Portland τύπυ με συνάλεση πυζλάνης 20%, θηρακή γη αι ιπτάμενες τέ<wε;ςη χημική σύσταση και μερικές φυσικχημικές ιδιότητες δίννται στν πίν Χρησιμπιήθηκαν επίσης ασβεστ- 106

3 λιθικά αδρανή μέγιστυ κόκκυ 31Smm σε 4 διαβαθμ(σεις Η κκκμετρική καμπύλη τυ μίγματς φαίνεται στ διάγραμμα 1 Στυς τέσσερεις τύπυς μιγμάτων πυ εεετάσδηκαν παρέμειναν σταθερά: λόγς νερότσιμέντ+πυζλάνη=ο65, τ συνλικό πσό τσιμέντυ+πυζλάνη=300kgm 3 και λόγς αδρανώντσιμέντ+πυζλάνη=6 2κ β Στ πρώτ μίγμα(dχρησιμπιήθηκε σαν συνδετική κν ί α τσιμέντ Portland τυπυ Στ δεύτερ μίγμαq)χρησιμπιήδηκε 30% δηραϊκή γε σε αντικατάστασητσιμέντυ Portland τύπυ στην μπετνιέρα Στ τρίτ μίγμαq) χρησιμπιήθηκε 30% τέφρα Πτλεμαίδας σε αντικατάσταση τσιμέντυ Portland τύπυ στην μπετνιέρα Στ τέταρτ μίγμα {i)χρησιμπιήδηκε 30\ τέφρα Μεγαλυπόλεως σε αντικατάσταση τσιμέντυ Portland τύπυ στην μπετνιέρα Η θλιπτική αντχή σε καννική θερμκρασία βάσει της πίας υπλγίστηκε η πρφ9ρτιση εκτιμήθηκε από την αντχή 9 δκιμίων πυ ελέγχθηκαν πριν την έναρςη των πειραμάτων σε ηλικία 10 μηνών και αναγράφεται στα διαγράμματα δερμκρασιών -παραμρφώσεωνη εργασιμότητα των σκυρδεμάτων κυμάνδηκεαπό mm Για τις μετρήσεις χρησιμπιήδηκαν κύλινδρι 150x300mm πυ συντηρήθηκαν επί 28 μέρες σύμφωνα με τυς καννισμύς και μετά μεταφέρδηκαν μέχρι τη δκιμασία τυς σε κλιματλγικές συνθήκες εσωτερικύ χώρυ θ έ ρ μ α ν σ η Για τη θέρμανση των κυλινδρικών δκιμίων σε υψηλές θερμκρασίες χρησιμπιήθηκε ηλεκτρικός φύρνς ειδικής κατασκευής με κυλινδρική πή στ kέντρ πυ φαίνεται στη φωτ1 Η καμπύλη θερμκρασιών-χρόνυ με την πία επεβλήδηκε τ θερμικό φρτί στα πρφρτισμένα δκίμια φαίνεται στ διάγραμμα 2 και ρυθμίζνταν με ηλεκτρ ι κό θερμστάτη Με θερμζεύγη επίσης ελέγχνταν η θερμκρασία στ κέντρ των κυλινδρικών δκιμίων σκυρ τς Τ πε ί ραμα διαρκύσε 25-3ώρες Τα απτελέσματα μετρήσεων των παραμρφώσεων αυεανμένης της δερμκρασίας μεταφέρθηκαν στα διαγράμματα 3,4,5 και 6 για 25% και 40% πρφόρτιση Στα ίδια διαγράμματα δίνεται )«Χ ι η καμπύλη παραμρφώσεων όταν τα κ υλινδ ρ ι κά δκίμια σκυρ τς θερμαίννται χωρίς πρφόρτιση(0 % ) Στα διαγράμματα 7 και 8 γίνεται συγκριτική παρυσίαση των καμπυλών για τυςτέσσερε ις 107

4 τύπυς σκυρτων και για τα δύ πσστά πρφόρτισης Για τη μέτρηση των παραμρφώσεων χρησιμπιήθηκε παραμρφωσιμετρ ακριβε ίας ι - 4 πuτι ΆΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ Σύμφωνα με τη βιβλιγραφία (1),(2), η συνλική παραμόρφωση πυ υφίσταται τ σκυρόδεμα όταν 8ερμαίνεται υπό φόρτιση είναι τ ά8ρισμα τεσσάρων επί μέρυς παρ αμρφώσεων: εσυνλ=ει+ε2+ε3+ε4 όπυ ει: θερμική διαστλή,παραμόρφωση πυ υφίσταται όταν 8ερμαίνεται χωρίς φόρτιση ε2: ελαστικ ή και πλαστική παραμόρφωση λόγω τυ εεωτερικά εφαρμζόμενυ φρτίυ(συστλή) ε : ερπυστική παραμόρφωση πυ εςαρτάται από τη χpσvική 3 διάρκεια πυ η θερμκρασία και η εεωτερική φcρτιση εφαρμόζνται(συστλή) ε : παραμόρφωση πυ φείλεται σε χημι κές μεταβλές της 4 τσιμεντόπαστας λόγω της θέρμανσης υπό φόρτιση(συ::πλή) Οι ερπυστικές παραμρ<iιωσεις ε 3 λόγω της μικρής χρνικής διάρκειας των πειραμάτων(25-3ώρες) μπρύν να θεωρ ηθύν αμελητέες Οι υπόλιπες επί μέρυς παραμρφώσεις επηρεάζνται από: α)τν τύπ των αδρανών Ο παράγων αδρανή υπεισέρχεται στη μεταβλή αντχής τυ σκυρτς υπό την επ ίδραση ενός θερμι κυ φρτίυ Σύμφωνα με τη βιβλιγραφία (3) τα σα:ιρτα με ασβεστλιθικά αδρανή παρυσιάζυν καλύτερη συμπεριφρά(μι}(dότερη απώλεια αντχής) από τα αντίστιχα μ ε πυριτικά αδρανή Η κρίσιμη περιχή θερμκρασιών για τα ασβεστλιθικά αδρανή είναι γύρω στυς aoo 0 c (διάσπαση ασβεστλίθυ) β) Τ ρυθμό θέρμανσης τυ σκυρτςο ρυθμός ανόδυ της θερμκρασίας σε συνδυασμό με τ πσστό υγρασίας της μάζας τυ σκυρτς και τ πάχς διατμής είναι κα8ριστικί παράγντες στη δημιυργία τάσεων διαρρήςεως σε μια διατμή μεταςύ της εεωτερικής ζώνης και τυ εσωτερικύ της διατμής, πράγμα πυ δηγεί σε απφλίωση πλύ πριν τη διαρρή τυ σκυρ τςστην περίπτωση των μιγμάτων σκυρ των πυ εςετάσθηκαν κίνδυνς απφλίωσης ήταν μια πραγματικότητα ανεςάρτητα από τ πσστό πρφόρτισης πυ αντιμετωπίστηκε με μια σχετική πρξfρα\χjτ1 στυς ιso 0 c ώστε να ελαττωδεί τ πσστό αρχικής υγρασίας 108

5 Σύμφωνα με τn βιβλιγραφία[4] πσστά πάνω από 2-3% σχετικής υγρασίας τυ σκυρτς δnγύν σε απφλίωσn γ) Τ πσστό τnς εςωτερικά εφαρμζόμενnς φόρτισnςη πρφόρτισn επnρεάζει τnν ελαστική και πλαστική παραμόρφωσn καδώς και τnν ερπυστική αν επιβάλλεται επί μακρ ό χρνικό διάστnμα Από τn σύγκριση των διαγραμμάτων 7 και 8 με αντίστιχα βιβλιγραφίας[3],διάγρ9, πρκύπτει ότι:τα σκυρτα με πυζλανικά υλικά και ασβεστλιδικά αδρανή συστέλνται ακόμn κ ι όταν τ πσστό πρφόρτισης είναι μικρό σχετικά της τάςεως των 25% Η συστλή αυτή αρχίζε ι από τις χαμnλές δερμκρασίq; μετά τn δερμκρασία των 150 c Αυτό σημαίνει ότι ι δύ κύριες συνιστώσες πυ πρκαλύν συστλή ε 2 και ε 4 έχυν αυςnμένα μεγέδη σε σχέσn με τα συνήδη χωρίς πυζλανικά υλικά Πράγματι από πρηγύμενη έρευνα βρέδηκεότι τ μέτρ ελαστικότnτας μειώνεται σημαντικά ήδn από τυς 200 c για αυτά τα σκυρτα με πυζλανικά υλικά κατά πσστ ό 30-40% Επίσnς n πάστα τnς συνδετικής κνίας(πυζλάνη+τσιμέντ Ρrtland)φαίνεται να είναι ιδιαίτερα ευαίσδητη στην περιχή δερμκρασιώv από 200 c έως 400 c Βάσει βιβλιγραφικών δεδμένων[4] στις δερμκρασίες από 100 έως 200 c συμβαίνει αφυδάτωσn τυ gel C-S-H τnς πάστας, ενώσεων της μάδας των τμπερμριτών και αφυδάτωση τnς γύψυ Η αφυδάτωσn τnς γύψυ συνεχίζεται πάνω από τυς 200 c ενώ στυς συμβαίνει διάσπαση τυ Ca(OHJ 2 πυ είναι πρϊόν ενυδάτωσης τυ τσιμέντυη ευαισ3πσία αυτής τnς πάστας των συνδετικών κνιών στις δερμκρασίες από 200 c έως 400 c φαίνεται και στις καμπύλες των διαγpαwάτων για 0% φόρτιση όπυ διακρίνεται ένα κίλωμα στnν αντίστιχn περιχή δερμκρασιών Πρσπάδεια ιερεύνnσης πυ έγινε σε πρnγύμενn ερευνnτική δυλειά πάνω στ δέμα με διαφρετική δερμική ανάλυσnδερμσταδμική ανάλυση, DTA-TG, δείχνει ότι μέχρι τυς 200 c ι πάστες με τσιμέντ Portland παρυσιάζυν μια απώλεια βάρυς 9 5% ενώ ι πάστες με τσιμέντ Portland και 30% τταjζλανι κό υλικό παρυσιάζυν απώλεια βάρυς % πράγμα πυ δικαιλγεί τις μεγαλύτερες συστλές πυ παρυσιάζυν τα σκυρτα με πυζλανικά υλικά 109

6 ΣΥΜΠΕΡΆΣΜΑΤΑ Οι παραμρφώσεις με την άνδ της δερμκρασ(ας πυ παρυσιάζυν τα σκυρδέματα με π υζλανι κά υλικά δεν φαίνετα ι να επηρεάζνται από την αρχική αντχή των σκυρτων σε καννι κή δερμκρασία Τήν καλύτερη συμπεριφρά ( μικρότερες παρ α μρφώσεις) τόσ για 25\ όσκαι για 40\ πσστό πρφόρτισης παρ υσιάζε ι τ τ σιμέντ Portland τύπυ με 20\ συναλεσμένης πυζλάνης παρόλ πυ δεν παρυσίαζε μεγαλύτερη αρχική αντχή από τα σ κυρτα των υπλίπων μιγμάτων Η κρίσιμη δερμκρασία,δηλαδή η δερμκρασία πυ κλάδς της καμπύλης παραμρφώσεων καδετπιείται είναι για πσστό 25\ τισης, N870 c για τα σκυρδέματα με τσιμέντ Portl and τύπυ και N800 c για τα σκυρδέματα με πυζλανικά υλικά Για πσστό 40\ πρφόρτισης η κρίσιμη δερμκρασία είναι 800 c για σκυρδέματα με τσιμέντ Portland τύπυ και o 0 c για τα σκυρδέματα με πυζλανικά υλ ι κά Όσν αφρά τη μρφή των καμπύλων η συστλή αρχίζει \α γίνε ται εμφανής από τυς 160 c για όλυς τυς τύπυς των μιγμάτων και συνεχίζεται μέχρι την περιχή των 500 c όπυ από τ υς 550-7oo 0 c παρυσιάζυν μια φαινμενική κράτυνση λίγ πριν καδετπιηδεί η καμπύλη παραμρφώσεων Αυτό πιδανό να φείλεται σε διαστλή χημικών μεταβλών της πάστας της συνδετικής κνίας ή των αδρανών ΒΒΛΟΓΡΑΦΑ (1] Anderber,J and Thelandersson,S,"Stress and deformation characterist ics of concrete at high temperatures2)eκperimental investigation and material behaviour model" Division ofstructural Mechanics and Concrete Construction Lund Institute of Technology, Bulletin 54, 1976 ( 2] Schneider, U, "Behaviour of concret e under thermal steady state and non steady-state conditions", Fire and Materials!(3), , 1976 ( 3] Malhotra Η L, "The Effect of Temperature on the Ccrrpressive Strength of Concrete",Mag ConcrRes,Vol 18,Ν 23,August, pp (4] Lie,TT, "Fire and Buildings",Applied Science Publishers LTD, 1972, pp

7 [5] Παπαγιάννη-Παπαδπύλυ, "'Ερευνα για τη δυνατότητα αςιπιήσεως της ιπτάμενης τέφρας πτλεμαί,δας στnν παραγωγή σκυρδέματς", Διδακτρική διατριβή, 1981 Πίνακ α ς 1 Χ ημ ική σiισταση και υσικχημικές ιδιότητες τσιμέντυ Port1and τiιnυ 11 και πυζλνικών υλικών Σuταηκά Port 1 and τσιμέντ Τt,ρσ Τt ρσ θηραϊκή τiιnυ 11 Πτλιμαίδς Μιγαλunόλιως νι\ τυnι κή σiινθιη! Α Fe 2 o tota Ζ CaO free MgO S Αλκάλι Απώλεια nuρώιως Ζ Αδιάλυτ υnόλλt ιμ Φιιιν ειδ πυκνότητες 310 Ζ Ζ 45 kgm 3 Λιnτότητ λέσιως B1alne kgm 3 - Ν50 Ν30 Ν1δ Ν8 Ν 318 ν;, itl! 70 - μ δο c:: 50 > w Ο ::i Ο χ a w _, < ! άνιγμα κσκ(νων σε mm Διαγρ 1 Κκκμετρική καμπύλη των αδρανών πυ χρησιμπιήθηκαν 111

8 ; 2, < 1 ι:ι, O"f 1000 ; 2 :: ι:ι \) -1 2, -3 μ ι γμα (D λιπt'c'1\ αντχ'11 2 β Μ Ρα 25, ; -2, < d ::> -3 μ ιy μα (]:} -'λιπ'c'1\ αντn 25, 40"( Διαγρ 3 Διαγρ 4 Καμπύλες θερμκρασίας-παραμρφώσεων γι α σκυρόδεμα Κ αμπύ λες θερμκρασίας-παρα μρφώσεων για σκυρόδεμα με τσιμέντ Portland τύπυ 11 με 30% τέφρα nτλεμαϊδας

9 2, < 1:1 ' Ο r ΒρΟ 1 ;- 2 1!! ' -ι 'ερμ-ρασ ια [ c ] ω :> -4-5 μιyμα ανιη 295 ΜΡα Διαγρ 5 40"1 25 ι J -1-2 :- -3 :> -4 μ ι yμα Δ ι αγρ 6 Καμπύλες θερμκρασίας-παραμρφώσεων γι α σκυρόδεμα Καμπύλ ες θερμκρασίας-παραμρφώσεων για σκuρόδεμ με 30% τέφρα Μεγαλυπόλ εως με 30% θηρα ϊ κή γή 40 -ι 25,

10 3 ;- 2 -< d Ο 3 ;! 2 t F' -< d ;; 4 08 _, 1000 ιρμχρcιια [ c] -1 υ θι:ρμ'ιpαοία (oc) -; -2 :: -3 :> -4 Πρφρτι ;, -2 -<-3 :> -4 Πρφόρτι Διαγρ 7 Διαγρ8 Συγκριτική παρυσίαση καμπύλων θερμ κρασίας παραμρφώσεων για σκυρδέματα με πυζλανικά υλικά

11 επιφ δκιμ ίυ 'G 600 ό 500 tj Q :χ 400 :1 Q 300 ω <D ι ι 0 " > ι \ τruρ-ηνα Χρόν ς, 1 2 Διαγρ 2 δκιμίυ ώρες _ Καμπύλες θερμ κρασιών - χρόνυ F 8 3 χ >- <i 4 J Ο!!ΞΞ:S:::\t-+- ι!,, -4 w -8,, llιάγρ Θ ερμκραtα (OC) Καμπύλες θερμκρασίας - παραμρφώσεων [Hl Malhotra 1982] 115