Επίδραση των Υψηλών Θερµοκρασιών στα Μηχανικά Χαρακτηριστικά Ινοσκυροδεµάτων Υψηλής Επιτελεστικότητας

Transcript

1 Επίδραση των Υψηλών Θερµοκρασιών στα Μηχανικά Χαρακτηριστικά Ινοσκυροδεµάτων Υψηλής Επιτελεστικότητας Κοσµάς Κ. Σίδερης Επικ. Καθηγητής, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Εργαστήριο οµικών Υλικών, Ξάνθη Παναγιώτα Μανίτα Πολ. Μηχανικός, M. Sc, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Εργαστήριο οµικών Υλικών, Ξάνθη Άρης Παπαγεωργίου ρ. Χηµικός Μηχανικός, Τµήµα Έρευνας και Ποιότητα, Τσιµέντων ΤΙΤΑΝ, Καµάρι Βοιωτίας Εµµανουήλ Χανιωτάκης Χηµικός, ιευθυντής Τµήµατος Έρευνας και Ποιότητας Τσιµέντων ΤΙΤΑΝ, Καµάρι Βοιωτίας ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η επιρροή υψηλών θερµοκρασιακών δράσεων (έως τους 7 C), στα µηχανικά χαρακτηριστικά των ινοπλισµένων σκυροδεµάτων υψηλής επιτελεστικότητας. Παρασκευάσθηκαν 3 είδη σκυροδεµάτων: ένας τύπος σκυροδέµατος συνήθους αντοχής (NSC, µε ονοµαστική αντοχή στην ηλικία των 28 ηµερών 4 MPa) και δύο τύποι σκυροδέµατος υψηλής επιτελεστικότητας (HPC, µε ονοµαστική αντοχή στην ηλικία των 28 ηµερών 82 MPa και HPC2, µε ονοµαστική αντοχή στην ηλικία των 28 ηµερών 94 MPa). Τα ινοπλισµένα σκυροδέµατα παρασκευάσθηκαν µε την προσθήκη µεταλλικών ινών ή ινών πολυπροπυλαινίου στα προαναφερόµενα µείγµατα, σε δοσολογία 4 kg/m 3 ή kg/m 3 αντίστοιχα. Συνολικά παρασκευάσθηκαν 9 µείγµατα σκυροδεµάτων και στα έξι από αυτά προστέθηκαν ίνες. Στην ηλικία των 4 µηνών τα παρασκευασθέντα δοκίµια εξετέθησαν σε διαφορετικές υψηλές θερµοκρασίες, στους, 3, 5 και 7 C. Μετά την ψύξη των δοκιµίων εντός του φούρνου, ακολούθησε η δοκιµή τους σε θλίψη, εφελκυσµό διαρρήξεως, µέτρο ελαστικότητας και ταχύτητα υπερήχων. Οι προκύπτουσες τιµές συγκρίθηκαν µε τις αντίστοιχες του µείγµατος αναφοράς, το οποίο παρέµεινε σε θερµοκρασία περιβάλλοντος (2 C). Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η εναποµείνουσα αντοχή των NSC και HPC µειώθηκε γραµµικά έως τους 7 ή 5 C αντίστοιχα, και στο τελευταίο µείγµα σηµειώθηκαν εκρήξεις στους 7 C. Η εναποµείνουσα αντοχή του HPC2 µειώθηκε απότοµα έως τη θερµοκρασία των 3 C και παρουσίασε εκρήξεις σε ανώτερες θερµοκρασίες. Η προσθήκη των µεταλλικών ινών βελτίωσε την εναποµείνουσα αντοχή έως τους 3 C, όµως οι εκρήξεις εξακολούθησαν στα σκυροδέµατα HPC και HPC2 έως τους 7 C και 5 C αντίστοιχα. Αντίστοιχες εκρήξεις δεν παρατηρήθηκαν στα µείγµατα που προστέθηκαν ίνες πολυπροπυλαινίου.. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το οπλισµένο σκυρόδεµα είναι το πλέον διαδεδοµένο δοµικό υλικό. Οι απαιτήσεις για υψηλή θλιπτική αντοχή και αυξηµένη διάρκεια ζωής των κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος οδήγησε στον σχεδιασµό σκυροδεµάτων υψηλής επιτελεστικότητας (HPC). Το σκυρόδεµα υψηλής επιτελεστικότητας είναι σύνηθες σκυρόδεµα παρασκευασµένο µε ποζολανικά πρόσθετα, όπως

2 πυριτική παιπάλη, ιπτάµενη τέφρα, σκωρία υψικαµίνων κ.τ.λ. και χαµηλό λόγο νερού προς υδραυλικά υλικά. Χρησιµοποιείται ευρέως διότι παρέχει υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα, συγκριτικά µε τα συνήθη σκυροδέµατα. Αν και οι µεταβολές στην σύνθεση του HPC οδηγούν, συνήθως, σε βελτιωµένη ανθεκτικότητα, ενδέχεται να προκαλέσουν την ψαθυρή συµπεριφορά και κατάρρευση του υλικού σε ακραίες συνθήκες, όπως κατά την έκθεσή του σε πυρκαϊά [-5]. Πρόσφατες περιπτώσεις πυρκαϊάς, όπως στο τούνελ της Μάγχης ή στα τούνελς της κεντρικής Ευρώπης απέδειξαν ότι η καταστροφή του HPC είναι ιδιαίτερα σοβαρή, διότι έχει την τάση να ρηγµατώνεται έντονα υπό σηµαντικές θερµικές και µηχανικές τάσεις. Μικρά τµήµατα αποκολλούνται από την επιφάνεια του σκυροδέµατος µε την αύξηση της θερµοκρασίας και τελικά επέρχεται απότοµη θραύση του στοιχείου, ταυτόχρονα µε απελευθέρωση σηµαντικής ποσότητας ενέργειας (στην οποία οφείλονται οι εκτινάξεις λόγω εσωτερικών εκρήξεων). Η εναποµείνουσα ικανότητα ανάπτυξης αντοχής της κατασκευής είναι ιδιαίτερα µειωµένη και ο σιδηρούς οπλισµός έχει ανεπανόρθωτα εκτεθεί στην πυρκαϊά, µε αποτέλεσµα την τελική αστοχία του έργου. Συνήθης µέθοδος βελτίωσης της ανθεκτικότητας του σκυροδέµατος είναι η προσθήκη µεταλλικών ινών. Το ινοπλισµένο σκυρόδεµα υψηλής επιτελεστικότητας (HPSFRC) χρησιµοποιείται ευρέως σε γέφυρες και τούνελς, λόγω της βελτιωµένης συµπεριφοράς του (σε σύγκριση µε το κοινό σκυρόδεµα) στην παραµορφωσιµότητα, απορρόφηση ενέργειας και χρόνου έναρξης και διάδοσης των ρωγµών. Παρά τη βελτιωµένη, γενικότερα, συµπεριφορά του το HPSFRC παρουσιάζει την τάση να αποφλοιώνεται, εφόσον η προσθήκη µεταλλικών ινών δεν βελτιώνει την ικανότητα του υλικού να επιτρέπει τη διέξοδο του εξατµισµένου νερού των πόρων. Η τάση αποφλοίωσης του HPC υπό συνθήκες πυρκαϊάς είναι η αιτία που αποτρέπει τη χρήση του σε κτίρια, γέφυρες και τούνελς και δηµιούργησε την ανάγκη εξασφάλισης του υλικού έναντι πυρκαϊάς. Σηµαντική έρευνα διενεργήθηκε µε σκοπό να δηµιουργηθεί µοντέλο πρόβλεψης της τάσης αποφλοίωσης του HPC, καθώς και να προταθεί µία εναλλακτική λύση, όπως διαφοροποίηση των αναλογιών µείξεως ή χρήση υλικών που να παρέχουν ενεργητική ή παθητική προστασία έναντι της αποφλοίωσης. Εκ των προτεινοµένων λύσεων, ιδιαίτερα αποτελεσµατική παρουσιάζεται η προσθήκη ινών πολυπροπυλαινίου [8-3]. Έχει αναφερθεί στη βιβλιογραφία ότι οι ίνες πολυπροπυλαινίου λιώνουν στους 6-68 C, ενώ το HPC αποφλοιώνεται µεταξύ των 9-25 C [5]. Η τήξη των ινών πολυπροπυλαινίου δηµιουργεί ένα επιπλέον πορώδες, απαραίτητο για τη διαφυγή των υδρατµών που προέκυψαν από την εξάτµιση του νερού των πόρων και την εκτόνωση της πίεσης. Έχει καταγραφεί [2], ότι η προσθήκη ινών πολυπροπυλαινίου σε ογκοµετρικό ποσοστό,2% µειώνει σηµαντικά την τάση αποφλοίωσης του HPC. Στην ακόλουθη εργασία ερευνήθηκε η επιρροή των υψηλών θερµοκρασιακών δράσεων στα µηχανικά χαρακτηριστικά και στην τάση αποφλοίωσης διαφόρων ειδών σκυροδεµάτων ινοπλισµένων µε ίνες µεταλλικές ή πολυπροπυλαινίου σε ποσοστό.5% κατ όγκον. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ Παρασκευάσθηκαν τρία είδη σκυροδεµάτων: ένα συνήθους αντοχής (NSC, µε ονοµαστική αντοχή στην ηλικία των 28 ηµερών 4 MPa) και δύο υψηλής επιτελεστικότητας (HPC, µε ονοµαστική αντοχή στην ηλικία των 28 ηµερών 82 MPa και HPC2, µε ονοµαστική αντοχή στην ηλικία των 28 ηµερών 94 MPa). Στην παρασκευή των µειγµάτων χρησιµοποιήθηκε τσιµέντο πόρτλαντ δύο τύπων, δηλαδή I42.5N και I52.5N, σύµφωνα µε τον Ευρωπαϊκό Κανονισµό ΕΝ 97-. Επιπλέον, πυριτική παιπάλη και λιγνιτική ιπτάµενη τέφρα προστέθηκαν στο µείγµα του HPC2. Τα χρησιµοποιούµενα αδρανή ήταν θραυστός γρανίτης µε µέγιστη διάµετρο κόκκου 32mm στο ΝSC και 8mm στα HPC και HPC2. Σε όλα τα µείγµατα των σκυροδεµάτων προστέθηκαν µεταλλικές ίνες διαστάσεων 3/.6mm και ίνες πολυπροπυλαινίου µήκους 3mm, σε ποσοστό

3 .5% κατ όγκον. Στα µείγµατα χρησιµοποιήθηκε υπερρευστοποιητής µε βάση πολυκαρβοξυλικό αιθέρα, µε σκοπό τη διατήρηση της κάθισης στα 5-8mm. Οι αναλογίες µείξεως των µειγµάτων παρουσιάζονται στον Πίνακα. Παρασκευάσθηκαν κύβοι ακµής mm και κύλινδροι διαστάσεων 5x3mm. Αρχικά, τα δοκίµια συντηρήθηκαν για 4 ηµέρες σε κεκορεσµένο διάλυµα υδροξειδίου του ασβεστίου στους 2±2 C. Τις επόµενες 4 ηµέρες, τα δοκίµια συντηρήθηκαν κάτω από υγρές λινάτσες στην ίδια θερµοκρασία. Μετά την ηλικία αυτή παρέµειναν στο περιβάλλον του εργαστηρίου (R.H.=55-65% και Τ=2±2 C). Στην ηλικία των 4 µηνών τα δοκίµια τοποθετήθηκαν σε ηλεκτρικό φούρνο και αναπτύχθηκε υψηλή θερµοκρασία µε ρυθµό 5 C/λεπτό, έως ότου έφθασε στα επιθυµητά επίπεδα. Η µέγιστη θερµοκρασία ήταν, 3, 5 και 7 C κατά περίπτωση και διατηρήθηκε για ώρα. Στην συνέχεια, τα δοκίµια επανήλθαν στη θερµοκρασία περιβάλλοντος εντός του φούρνου. Κατόπιν, µετρήθηκαν οι µηχανικές τους αντοχές: η θλιπτική αντοχή (σε κυβικά δοκίµια), η εφελκυστική αντοχή διαρρήξεως (σε κυλινδρικά δοκίµια), το στατικό µέτρο ελαστικότητας (σε κυλινδρικά δοκίµια) και η ταχύτητα υπερήχων (σε κυβικά δοκίµια). Οι διαδικασίες που ακολουθήθηκαν συµφωνούν µε τους κανονισµούς ASTM C39, C496, C469 και C597 για την µέτρηση της θλιπτικής αντοχής, της αντοχής εφελκυσµού διαρρήξεως, του στατικού µέτρου ελαστικότητας και της ταχύτητας υπερήχων, αντίστοιχα. Τα δοκίµια αναφοράς συντηρήθηκαν όπως προηγουµένως αναφέρθηκε και µετρήθηκαν οι µηχανικές τους ιδιότητες στη θερµοκρασία των 2±2 C. Η εναποµείνουσα θλιπτική αντοχή υπολογίσθηκε ως η µέση τιµή των µετρήσεων τριών δοκιµίων. Η εφελκυστική αντοχή διαρρήξεως και το στατικό µέτρο ελαστικότητας υπολογίσθηκαν ως ο µέσος όρος των µετρήσεων δύο δοκιµίων. Τέλος, η ταχύτητα υπερήχων υπολογίσθηκε ως η µέση τιµή έξι µετρήσεων (λαµβάνονταν δύο µετρήσεις σε κάθε κυβικό δοκίµιο). 3. ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Η εναποµείνουσα θλιπτική αντοχή παρουσιάζεται για όλα τα µείγµατα στο σχήµα. Η θλιπτική αντοχή του NSC µειώνεται σχεδόν γραµµικά µέχρι τη θερµοκρασία των 7 C, ενώ καµία έκρηξη δεν παρατηρήθηκε στο µείγµα αυτό. Η θλιπτική αντοχή του HPC µειώθηκε επίσης γραµµικά µέχρι τη θερµοκρασία των 3 C. Σ αυτήν την περίπτωση όµως, εκρήξεις σηµειώθηκαν στις θερµοκρασίες άνω των 5 C και κατέστρεψαν τα περισσότερα από τα δοκίµια αυτού του µείγµατος (Σχήµα 2). Στην περίπτωση του µείγµατος HPC2 η εναποµείνουσα θλιπτική αντοχή παρουσίασε απότοµη µείωση ήδη από τους C, ενώ εκρήξεις σηµειώθηκαν ήδη από τη θερµοκρασία των 38 C. Προηγούµενοι ερευνητές [] απέδωσαν την ροπή προς έκρηξη που παρουσιάζουν τα µείγµατα υψηλής επιτελεστικότητας στην όλο και αυξανόµενη τάση των υδρατµών στο εσωτερικό των µειγµάτων, κατά τη διάρκεια της ανόδου της θερµοκρασίας. Οι ερευνητές µελέτησαν την µεταβολή της πίεσης στο εσωτερικό των πόρων δύο διαφορετικών µειγµάτων (Μ3 και Μ µε θλιπτική αντοχή στις 28 ηµέρες 34±.3 MPa και 9.8±.8 MPa αντίστοιχα) που θερµάνθηκαν απότοµα µέχρι τους 8 C. Μέτρησαν πολύ υψηλότερες πιέσεις στο εσωτερικό των πόρων του µείγµατος Μ στις θερµοκρασίες των 45, 6 και 8 C και απέδωσαν το γεγονός στη µικρότερη διαπερατότητα του συγκεκριµένου µείγµατος. Τα σκυροδέµατα που µελετήθηκαν στην παρούσα εργασία είχαν διαφορετική υδατοπερατότητα. Το µείγµα NSC παρασκευάστηκε µε τον υψηλότερο λόγο Ν/Τ και εποµένως είχε την συγκριτικά υψηλότερη τιµή υδατοπερατότητας. Έτσι, δεν παρουσίασε εκρηκτική αποφλοίωση στις υψηλές θερµοκρασίες. Αντίθετα, η εκρηκτική συµπεριφορά χαρακτήρισε και τα

4 δύο µείγµατα υψηλής επιτελεστικότητας. Το µείγµα HPC παρασκευάστηκε µε υψηλή δόση τσιµέντου και χαµηλό λόγο Ν/Τ. Το µείγµα αυτό υπέστη εκρηκτική αποφλοίωση και καταστροφή όταν η εξωτερική θερµοκρασία κυµάνθηκε µεταξύ 47 και 58 C. Το µείγµα HPC2 παρασκευάστηκε µε επιπλέον προσθήκη πυριτικής παιπάλης και ιπταµένης τέφρας, ενώ ο λόγος Ν/Τ εξακολούθησε να παραµένει χαµηλός. Το αποτέλεσµα αυτού του συνδυασµού ήταν η δηµιουργία µείγµατος µε ακόµη χαµηλότερη υδατοπερατότητα, η οποία και ευθύνεται για την εκρηκτική καταστροφή του µείγµατος σε ακόµη χαµηλότερες θερµοκρασίες (36 έως 477 C). Είναι αξιοσηµείωτο ότι καµία έκρηξη δεν σηµειώθηκε σε θερµοκρασίες χαµηλότερες των 36 ή υψηλότερες των 58 C σε κανένα µείγµα. Σύµφωνα µε τους Y. N. Chan et aλ [7], µπορούµε να διακρίνουµε τρεις θερµοκρασιακές περιοχές σχετικά µε την απώλεια της θλιπτικής αντοχής στο σκυρόδεµα: Τη χαµηλών θερµοκρασιών περιοχή (2 έως 4 C), τη µεσιάων θερµοκρασιών περιοχή (4 έως 8 C) και την υψηλών θερµοκρασιών περιοχή (8 έως 2 C). Οι ανωτέρω ερευνητές µελέτησαν τη συµπεριφορά τριών σκυροδεµάτων διαφορετικών κατηγοριών αντοχής παρασκευασθέντων µε τσιµέντο Πόρτλαντ που θερµάνθηκαν µέχρι τους 2 C. Κατέληξαν ότι για όλα τα µείγµατα ένα µικρό µόνο µέρος της αρχικής αντοχής απωλέσθηκε στη χαµηλή θερµοκρασιακή περιοχή. Αυτό παρατηρήθηκε και στην παρούσα έρευνα, αλλά µόνο για τα µείγµατα NSC και HPC. Η συγκριτικά πιο αδιαπέρατη τσιµεντόπαστα που σχηµατίστηκε στο µείγµα HPC2 λόγω της προσθήκης των ποζολανικών υλικών, αύξησε την ευπάθεια του µείγµατος στις υψηλές θερµοκρασίες, µε αποτέλεσµα την απότοµη απώλεια των αντοχών ήδη από τους C. Η προσθήκη µεταλλικών ινών δεν επηρέασε ιδιαίτερα την εναποµείνουσα θλιπτική αντοχή του σκυροδέµατος κανονικής αντοχής (SFRNSC). Αυτή µειώθηκε σχεδόν γραµµικά µέχρι τη θερµοκρασία των 7 C, ενώ δεν παρατηρήθηκε καµία έκρηξη. Η συµπεριφορά του ινοπλισµένου µείγµατος υψηλής επιτελεστικότητας (SFRHPC) ήταν παρόµοια µε αυτή του HPC στις χαµηλές θερµοκρασίες. Στις υψηλότερες των 3 C θερµοκρασίες όµως, η εναποµείνουσα αντοχή µειώθηκε απότοµα, ενώ εκρήξεις σηµειώθηκαν µόνο σε δύο δοκίµια στους 56 C. Η εναποµείνουσα θλιπτική αντοχή µειώθηκε µε βραδύτερο ρυθµό στη χαµηλή θερµοκρασιακή περιοχή και στην περίπτωση του µείγµατος HPC2. Μπορεί µάλιστα να ειπωθεί ότι η µείωση αυτή ήταν σχεδόν µηδενική. Μετά τη θερµοκρασία των 3 C όµως, η εναποµείνουσα αντοχή παρουσίασε απότοµη µείωση ενώ εκρηκτική αποφλοίωση και καταστροφή παρατηρήθηκε µεταξύ των 456 και 58 C. Η επίδραση των ινών πολυπροπυλαινίου στην εναποµείνουσα θλιπτική αντοχή των µειγµάτων που εξετάσθηκαν παρουσιάζεται στο σχήµα γ. Όπως ήδη επισηµάνθηκε, οι ίνες πολυπροπυλαινίου λιώνουν µεταξύ 6 8 C, δηµιουργώντας κατ αυτό τον τρόπο ένα επιπλέον πορώδες από το οποίο µπορούν ευκολότερα να διαφύγουν οι υδρατµοί που σχηµατίζονται. Αυτό το επιπλέον πορώδες φαίνεται ότι ήταν καθοριστικό για τα µείγµατα υψηλής επιτελεστικότητας (PFRHPC και PFRHPC2), αλλά όχι ιδιαίτερα αναγκαίο για το µείγµα αναφοράς (PFRNSC). Η υδατοπερατότητα αυτού του µείγµατος ήταν ήδη αρκετή για να επιτρέψει την ασφαλή εκτόνωση των υδρατµών και η εναποµείνουσα αντοχή µειώθηκε µε τρόπο ανάλογο µε αυτόν του µείγµατος NSC. Φαίνεται λοιπόν ότι η προσθήκη ινών πολυπροπυλαινίου δεν ήταν απαραίτητη για την προστασία αυτής της κατηγορίας σκυροδέµατος. Αντίθετα, η προσθήκη των ινών αποδείχτηκε κρίσιµη για τα µείγµατα υψηλής επιτελεστικότητας. Η εναποµείνουσα θλιπτική αντοχή µειώθηκε απότοµα και στις δύο περιπτώσεις στις θερµοκρασίες άνω των C, αλλά καµία έκρηξη δεν παρατηρήθηκε σε κανένα µείγµα και σε καµία θερµοκρασία. Ο σχηµατισµός των επιπλέον πόρων λόγω της τήξης των ινών είναι υπεύθυνος για την απότοµη µείωση της

5 αντοχής που παρατηρήθηκε στην περιοχή -3 C. Η αντοχή µειώθηκε ακόµη περισσότερο σε υψηλότερες θερµοκρασίες, αλλά η µείωση αυτή υπήρξε εντονότερη στο µείγµα PFRHPC2. Η ταχύτητα των υπερήχων µετά τη θερµοκρασιακή καταπόνηση των δοκιµίων παρουσιάζεται για όλα τα µείγµατα στο Σχήµα 3. Η µείωση της ταχύτητας των υπερήχων δεικνύει το σχηµατισµό κενών στο εσωτερικό των δοκιµίων, λόγω των ρωγµών που δηµιουργούνται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Αυτές οι επιπλέον ρωγµές οφείλονται [5] στους εξής παράγοντες: α) στις τάσεις που δηµιουργούνται λόγω διαφορετικής διαστολής των επιµέρους υλικών του σκυροδέµατος, β) στη διάλυση του Ca(OH) 2 της τσιµεντόπαστας και γ) στην ασβεστοποίηση των ασβεστολιθικών αδρανών ή (όπως στην προκειµένη περίπτωση) στον κρυσταλλικό µετασχηµατισµό του χαλαζία των πυριτικών αδρανών. Η ταχύτητα των υπερήχων µειώθηκε σχεδόν γραµµικά µέχρι τους 7 C στο µείγµα NSC. Ανάλογη γραµµική µείωση παρατηρήθηκε στα µείγµατα HPC και HPC2 αλλά µόνο µέχρι τις θερµοκρασίες των 5 και 3 C αντίστοιχα. Τα δοκίµια καταστράφηκαν σε υψηλότερες θερµοκρασίες ενώ µόνο ένας κύβος διασώθηκε στους 7 C. Η προσθήκη των µεταλλικών ινών είχε ως αποτέλεσµα µία µικρή αύξηση της ταχύτητας των υπερήχων στη θερµοκρασία των C. Είναι γνωστό [6] ότι το σκυρόδεµα χάνει το προσροφηµένο νερό στους 6-85 C και το ελεύθερο νερό στους 8- C. Θα έπρεπε λοιπόν η ταχύτητα των υπερήχων να µειώνεται αντί να αυξάνεται σε αυτήν την περιοχή. Μία πιθανή εξήγηση θα µπορούσε να είναι η διαστολή των µεταλλικών ινών που προσετέθησαν στα µείγµατα. Πάντως η ταχύτητα των υπερήχων µειώθηκε σε κάθε περίπτωση σε υψηλότερες θερµοκρασίες, ενώ είναι αξιοσηµείωτο το γεγονός ότι όλα τα µείγµατα παρουσίαζαν υψηλότερο ποσοστό εναποµείνουσας ταχύτητας υπερήχων σε κάθε θερµοκρασία, συγκρινόµενα µε τα αντίστοιχα µείγµατα χωρίς την προσθήκη ινών. Η ταχύτητα των υπερήχων παρουσίασε οµαλή µείωση σε όλα τα µείγµατα στα οποία προστέθηκαν ίνες πολυπροπυλαινίου µέχρι τους 7 C. Η τιµή της εναποµείνουσας ταχύτητας των υπερήχων ήταν η ίδια για όλα τα µείγµατα σε όλες τις θερµοκρασίες που εξετάσθηκαν. Στο Σχήµα 4 παρουσιάζεται ο λόγος του εναποµείναντος στατικού µέτρου ελαστκότητας µετά την θερµοκρασιακή καταπόνηση προς την τιµή του στη θερµοκρασία χώρου (2 C) Το µέτρο ελαστικότητας µειώθηκε οµαλά µέχρι τους 3 C για όλα τα µείγµατα που παρασκευάστηκαν χωρίς την προσθήκη ινών. Η µείωση αυτή συνεχίσθηκε µε γραµµικό ρυθµό για το µείγµα HPC, αλλά όχι και για το µείγµα αναφοράς: το µέτρο ελαστικότητας µειώθηκε απότοµα µεταξύ 3-5 C, ενώ µετά την έκθεσή του στους 7 C το µείγµα NSC διατήρησε µόνο το 7% του µέτρου ελαστικότητας που είχε στη θερµοκρασία χώρου. Το µέτρο ελαστικότητας παρουσίασε γραµµική µείωση και στην περίπτωση του µείγµατος αναφοράς µε µεταλλικές ίνες (SFRNSC), αλλά η απώλεια µεταξύ -3 C ήταν µεγαλύτερη απ' ότι στο µείγµα NSC. Τα οπλισµένα µε µεταλλικές ίνες µείγµατα υψηλής επιτελεστικότητας παρουσίασαν στη χαµηλή θερµοκρασιακή περιοχή, συµπεριφορά ανάλογη µε αυτή των αντίστοιχων µειγµάτων χωρίς ίνες. Σε υψηλότερες θερµοκρασίες όµως, το µέτρο ελαστικότητας µειώθηκε αποτοµα. Η προσθήκη ινών πολυπροπυλαινίου δεν επηρέασε σηµαντικά την πτωτική τάση του µέτρου ελαστικότητας των µειγµάτων PFRNSC και PFRHPC (Σχήµα 4γ). Αξίζει επίσης να σηµειωθεί

6 ότι, το ποσοστό του εναποµείναντος µέτρου ελαστικότητας µετά την έκθεση των δοκιµίων στους 7 C ήταν το ίδιο για όλα τα µείγµατα. Η εναποµείνουσα εφελκυστική αντοχή διαρρήξεως παρουσίασε τον ίδιο ρυθµό µείωσης µέχρι τους 3 C για όλα τα µείγµατα, ανεξαρτήτως της κατηγορίας αντοχής τους (Σχήµα 5α). Η µείωση της αντοχής συνεχίστηκε και στους 5 C, όπου τα µείγµατα NSC και HPC διατήρησαν το 78% της αρχικής αντοχής διαρρήξεως. Η µείωση συνεχίστηκε για το NSC (το µείγµα HPC καταστράφηκε µετά τους 58 C), τα δοκίµια του οποίου µετά την έκθεσή τους στους 7 C διατήρησαν το 4% της αρχικής αντοχής διαρρήξεως. Η προσθήκη µεταλλικών ινών δεν επέφερε καµία σχεδόν διαφοροποίηση στην περίπτωση των µειγµάτων NSC και HPC2 αλλά βελτίωσε τη συµπεριφορά του µείγµατος HPC στη χαµηλή (- 3 C) θερµοκρασιακή περιοχή. Η προσθήκη ινών πολυπροπυλαινίου στα µείγµατα οδήγησε σε χειρότερα αποτελέσµατα στην περίπτωση του µείγµατος αναφοράς (PFRNSC). Όλα τα µείγµατα πάντως παρουσίασαν έντονη µείωση της αντοχής διαρρήξεως µετά τους 5 C, ενώ η τιµή της εναποµείνουσας αντοχής µετά την έκθεσή τους στους 7 C, κυµαινόταν µεταξύ 2 και 3%. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα σκυροδέµατα υψηλής επιτελεστικότητας που εξετάστηκαν στην παρούσα εργασία παρουσίασαν εκρηκτική συµπεριφορά και καταστράφηκαν ολοσχερώς κατά την έκθεσή τους σε υψηλές θερµοκρασίες. Η "θερµοκρασία κινδύνου" (εξωτερική θερµοκρασία µετά την οποία επέρχεται η µε εκρηκτικό τρόπο καταστροφή του σκυροδέµατος) κυµαίνεται µεταξύ 36 και 58 C και εξαρτάται άµεσα από την προσθήκη ποζολανικών προσθέτων, τα οποία οδηγούν σε µικρότερη διαπερατότητα. Η προσθήκη µεταλλικών ινών δεν απέτρεψε τον κίνδυνο εκρηκτικής καταστροφής των µειγµάτων. Συνέβαλε όµως στη βελτίωση των µηχανικών ιδιοτήτων των σκυροδεµάτων στη χαµηλή θερµοκρασιακή περιοχή (2-3 C), ενώ παράλληλα µετακίνησε τη θερµοκρασία κινδύνου σε υψηλότερα επίπεδα. Η προσθήκη ινών πολυπροπυλαινίου συνέβαλε στην πλήρη αποτροπή της εκρηκτικής συµπεριφοράς των σκυροδεµάτων. Όλα τα µείγµατα που παρασκευάστηκαν µε ίνες πολυπροπυλαινίου δεν καταστράφηκαν, ακόµα και µετά την έκθεσή τους σε θερµοκρασία 7 C. Όµως, οι εναποµείνουσες τιµές των µειγµάτων αυτών µετά την έκθεσή τους σε υψηλές θερµοκρασίες ήταν πολύ χαµηλές. Προκύπτει, λοιπόν, ότι η βέλτιστη λύση για την προστασία του σκυροδέµατος από την έκθεσή του σε υψηλές θερµοκρασίες είναι η χρήση ενός εξωτερικού συστήµατος παθητικής πυροπροστασίας, ικανού να διατηρήσει τη θερµοκρασία στην επιφάνεια του σκυροδέµατος σε επίπεδα χαµηλότερα των 3 C. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. Hertz K. Heat-induced Explosion of Dense Concretes, Technical University of Denmark, Institute of Building Design Report No 66, 984.

7 2. Noumowe A., Clastres P., Debicki G. and Bolvin M.: Effect of High Temperature on High Performance Concrete (7-6 C) Strength and Porosity, in V.M. Malhotra (Ed.) Third CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete, Nice, France, 994, pp Diedirichs U., JumppannenU.-M. and Penttala V.: Behaviour of High Strength Concrete at High Temperatures, Espoo 989, Helsinki University of Technology, Department of Structural Engineering, Report 92, 992, pp Sanjayan G. and Stocks L. J. : Spalling of High Strength Silica Fume Concrete in Fire, ACI Materials Journal, Vol 9 (993), Issue 2, pp Kalifa P., Menneteau F-D. and Quenard D.: Spalling and Pore Pressure in HPC at High Temperatures, Cement and Concrete Research, Vol. 3 (2), pp Hertz K. D.: Danish Investigations on Silica Fume Concretes at elevated Temperatures, ACI Materials Journal, Vol. 89, 992, pp Chan Y. N., Peng G. F. and Anson M.: Residual Strength and Pore Structure of High Strength Concrete and Normal Strength Concrete after Exposure to High Temperatures, Cement and Concrete Composites, Vol. 2, 999, pp Breitenbucker R. : High Strength Concrete C 5 with Increased Fire Resistance due to Polypropylene Fibers, in F. de Larrad, R. Lacroix (Eds), 4 th Internatioanl Symposium on the Utilization of High Strength/High Performance Concrete, Paris, France, 996, pp Sarvaranta L. and Mikkola E.: Fibre Mortar Composites under Fire Conditions: Effect of Ageing and Moisture Content, Materials and Stuctures, Vol 27 (994), pp Nishida A., Yamazaki N., Inoue H., Scneider U. and Diederichs U. : Study on the Properties of High Strength Concrete with Short Polypropylene Fibres for Spalling Resistance, Proceedings of the Symposium Concrete under Severe Conditions 2, (K. Sakai, N. Banthia, O.E. Gjorv Eds), 995, pp Kalifa P., Chene G. and Galle C.: High-Temperature behaviour of HPC with Polypropylene Fibres: From Spalling to Microstructure, Cement and Concrete Research, Vol. 3 (2), pp Bayasi Z. and Al Dhaher M.: Effect of Exposure to Elevetad Temperature on Polypropylene Fiber-Reinforced Concrete, ACI Materials Journal, Vol. 99, 22, Issue, pp Bilodeau A., Kodur V.K.R. and Hoff G.C.: Optimization of the Type and Amount of Polypropelene Fibres for Preventing the Spalling of Lightweight Concrete Subjected to Hydrocarbon Fire, paper presented at the Fifth CANMET/ACI International Conference on Recent Advances in Concrete Technology, Singapore, August Scaperklaus H.: Films, Woven and Nonwoven Fabrics Made from Polypropelene" VDI- Verlag GmbH, Dusseldorf, 979, pp Wei-Ming Lin, T.D. Lin and L.J. Powers-Couche: Microstructures of Fire-Damaged Concrete, ACI Materials Journal, Vol 93 (996), May-June, pp Feldman R.F and Ramachandran V.S.: Differention of Interlayer and Adsorbed Water in Hydrated Portland Cement on Thermal Analysis, Cement and Concrete Research, Vol., 97, pp.67.

8 Πίνακας : Αναλογίες µείξεως και θλιπτική αντοχή παρασκευασθέντων σκυροδεµάτων. No Μείγµα Αναλογίες µείξεως (Kg/m 3 ) Θλιπτική Αντοχή (MPa) Ποσότ. νερού Τσιµέντο (τύπος) Πυριτ. παιπάλη Ιπταµ. Τέφρα Αδρανή υλικά Άµµος Ίνες µεταλ. 32mm 8mm Ίνες πολυπρ. 28 ηµέρες NSC (I42.5N) HPC 5 5 (I52.5N) HPC (I52.5N) SFRNSC (I42.5N) SFRHPC 5 5 (I52.5N) SFRHPC (I52.5N) PFRNSC (I42.5N) PFRHPC 5 5 (I52.5N) PFRHPC (I52.5N) ηµέρες

9 Μείγµατα χωρίς ίνες Μείγµατα µε µεταλλικές ίνες Θλιπτική Αντοχή (MPa) NSC HPC HPC2 Θλιπτική Αντοχή (ΜPa) SFRNSC SFRHPC SFRHPC2 α) β) Μείγµατα µε ίνες πολυπροπυλαινίου Θλιπτική Αντοχή (MPa) PFRNSC PFRHPC PFRHPC2 γ) Σχήµα : Εναποµείνουσα θλιπτική αντοχή µειγµάτων α) χωρίς ίνες, β) µε µεταλλικές ίνες και γ) µε ίνες πολυπροπυλαινίου

10 β) α) Σχήµα 2: οκίµια σκυροδέµατος µετά την έκθεσή τους στους 7 C. α) οκίµια χωρίς ίνες β) οκίµια µε ίνες πολυπροπυλαινίου.

11 Vt/V NSC HPC HPC2 Vt/V SFRNSC SFRHPC SFRHPC2 α) β) Vt/V PFRNSC PFRHPC PFRHPC2 γ) Σχήµα 3: Εναποµείνουσα ταχύτητα υπερήχων µειγµάτων α) χωρίς ίνες, β) µε µεταλλικές ίνες και γ) µε ίνες πολυπροπυλαινίου εκφραζόµενη ως ποσοστό της αρχικής ταχύτητας υπερήχων σε θερµοκρασία 2 C.

12 E(t)/E(2) NSC HPC HPC2 E(t)/E(2) SFRNSC SFRHPC SFRHPC2 α) β) E(t)/E(2) PFRNSC PFRHPC PFRHPC Σχήµα 4: Εναποµείναν µέτρο ελαστικότητας µειγµάτων α) χωρίς ίνες, β) µε µεταλλικές ίνες και γ) µε ίνες πολυπροπυλαινίου εεκφραζόµενο ως ποσοστό του αρχικού µετρου ελαστικότητας σε θεερµοκρασία 2 C. γ)

13 ft(t)/ft(2) NSC HPC HPC2 ft(t)/ft(2) SFNSC SFHPC SFHPC2 α) β) ft(t)/ft(2) PFRNSC PFRHPC PFRHPC2 γ) Σχήµα 5: Εναποµείνουσα εφελκυστική αντοχή διαρρήξεως µειγµάτων α) χωρίς ίνες, β) µε µεταλλικές ίνες και γ) µε ίνες πολυπροπυλαινίου εκφραζόµενη ως ποσοστό της αρχικής αντοχής διαρρήξεως σε θερµοκρασία 2 C.