Σκυρόδεµα µεγάλου ειδικού βάρους, Πρώτες Ύλες Παραγωγής, Εργαστηριακή Παρασκευή, Πειραµατικός Έλεγχος Αντίστασης/Προσβολής σε Ακτινοβολία Heavyweight concrete, Raw Materials, Laboratory Trial Mix, Test on Exposure to X-Rays έσποινα ΤΕΛΩΝΙΑΤΗ, Γεώργιος ΡΟΥΒΕΛΑΣ, Ιωάννης ΚΑΡΑΘΑΝΑΣΗΣ Λέξεις κλειδιά : βαρέα σκυροδέµατα, ακτινοβολία, αντοχή ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αποτελέσµατα ελέγχου σκυροδεµάτων µε αδρανή τα οποία προέρχονται από πετρώµατα µεγάλου ειδικού βάρους. Πραγµατοποιήθηκαν εργαστηριακά αναµείγµατα, µε αδρανή διαφόρων ειδικών βαρών αλλά σταθερού τυπου τσιµέντο (SR). Ελήφθησαν δοκίµια ακµής 15*15*15cm, 10*10*50cm, τα οποία και υποβλήθηκαν στις εξής εργαστηριακές δοκιµές: α) νωπού συµπυκνωµένου σκυροδέµατος (καθιση, φαινόµενο ειδικό βάρος, αεροπεριεκτικότητα) β) αντοχή σε µονοαξονική θλίψη, γ) µέτρηση ολικού πορώδους και δ) έκθεση σε ακτίνες Χ. Επίσης, έγινε σύγκριση αυτών µε συµβατικό σκυρόδεµα επενδεδυµένο µε φύλλα µόλυβδου παχους 4-5mm (παραδοσιακά χρησιµοποιούµενη µέθοδος µόνωσης από ακτινοβολίες). Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η χρήση βαρέων σκυροδεµάτων σε συνδυασµό µε το κατάλληλο πάχος του δοµικού στοιχείου, µειώνουν την εκπεµπόµενη και σκεδάζουσα ακτινοβολία σε µεγαλύτερο βαθµό από την παραδοσιακή µέθοδο. ABSTRACT : In this paper control results of concrete produced with heavy weight aggregates are presented. A number of trial mixes has been done with aggregates of several weights and SR type cement. Produced specimens of 15*15*15 and 10*10*50 have been tested as follows : a) Fresh compacted concete (Slump test, Apparent density, Air content) b) Uni-axial compressive strength c) Total porosity and d) exposure to X-Rays. Also comparison of them with ones of conventional concrete coated with Pb. Results showed that the use of heavy weight concrete in combination with the proper thickness reduce the transmitted and skedastic radiation at a grater lever than the traditional method 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 1
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρήση συµβατικών σκυροδεµάτων σε στοιχεία τα οποία προορίζονται για χώρους εκτιθέµενους σε ραδιενεργές ακτινοβολίες δεν προσφέρει επαρκή µόνωση. Για τον λόγο αυτό επικαλύπτονται µε φύλλα Μολύβδου τα οποία όµως χρειάζονται συντήρηση ή/και αντικατάσταση σε βάθος χρόνου. Στην εισήγηση αυτή παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά σκυροδεµάτων µε βάση το τσιµέντο και αδρανή µεγάλου ειδικού βάρους (σε σχέση µε τα ασβεστολιθικά) τα οποία έχουν φυσικές και µηχανικές ιδιότητες οι οποίες είναι κατάλληλες για τέτοιου είδους εφαρµογές. ΥΛΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΟΙ ΟΚΙΜΩΝ Τα υλικά που χρησιµοποιήθηκαν στα δοκιµαστικά αναµίγµατα ήταν : 1) Τσιµέντο SR. 2) Αδρανή από πετρώµατα µεγάλου ειδικού βάρους όπως: α) Αιµατίτης, φυσικό οξείδιο του σιδήρου β) Μαγνητίτης. επιτεταρτοξείδιο του σιδήρου (Fe 3 O 4 ) 3) Σφαιρίδια Μολύβδου (Ø 2mm) 4) Πυριτικo filler D max (250µm) 5) Πυριτικο filler D max (63 µm) ΜΕΘΟΟΙ ΟΚΙΜΩΝ Τα αναµίγµατα παρασκευάστηκαν σε εργαστηριακό αναµικτήρα χωρητικότητας 50 l. Η εργασιµότητα του νωπού σκυροδέµατος µετρήθηκε µε κώνο Abrams. Στους πίνακες 1 και 2 παρουσιάζονται οι µέθοδοι δοκιµών. Πίνακας 1. Μέθοδοι δοκιµών σε ξηρά αδρανή και νωπό σκυρόδεµα Ιδιότητα Μέθοδος µέτρησης Πρότυπο- Κανονισµοί Κοκκοµετρία Κοκκοµετρική ανάλυση σε ASTM C 136 κόσκινα Εργασιµότητα οκιµή κάθισης µε κώνο ΣΚ 309 Abrams 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 2
Πίνακας 2. Μέθοδοι δοκιµών στο σκληρυµένο σκυρόδεµα Ιδιότητα Μέθοδος µέτρησης Πρότυπο - Κανονισµοί Θλιπτική αντοχή 28ηµ,5 Μονοαξονική θλίψη σε ΣΚ 304 µηνών 12 µηνών κύβους 15*15*15 cm Όγκος διαπερατών πόρων Βρασµός δοκιµίων > 350 ASTM C 642 cm 3. ιαπερατότητα ακτίνων Χ Ακτίνες Χ( Redgen) Ε.Ε.Α.Ε. (Ελληνική Επιτροπή Ατοµικής Ενέργειας) ΣΥΝΘΕΣΗ ΣΚΥΡΟΕΜΑΤΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η σύνθεση σκυροδέµατος σχεδιάστηκε για κατηγορία αντοχής C 30/37. Η κάθιση σχεδιάστηκε για κατηγορία S 3. Έγινε χρήση πολυκαρβοξυλικού υπερρευστοποιητή ώστε ο συνολικός λόγος W/C να µην υπερβαίνει το 0,5 για επίτευξη µέγιστης δυνατής µείωσης του πορώδους. Πίνακας 3. Κοκκοµετρία αδρανών Χαλίκι Γαρµπίλι Άµµος ΠΟΣΟΣΤΟ 35,4 12,7 51,9 Γερµανικά κόσκινα (mm) κοκκοµετρική διαβάθµιση µίγµατος % ιερχόµενο κάτω όριο Ε 31,5 100 100 100 100,0 100 100 100 16 26,9 99,9 100 74,1 70 87 93 8 1,2 22,7 100 55,2 45 68 80 4 1 3,4 98,1 51,7 30 52 67 2 0,9 2 75,8 39,9 18 40 55 1 0,9 1,5 51,4 27,2 10 30 44 0,25 0,9 1 22,7 12,2 2 13 17 0,063 0,9 1 14,8 8,1 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 3
Η κοκκοµετρία των αδρανών έγινε σύµφωνα µε την µέθοδο ASTM C 136. Η κοκκοµετρία του µίγµατος των αδρανών βρίσκεται στα όρια των υποζωνών και Ε όπως αυτές ορίζονται στον ΚΤΣ 97. Πινακας 4. Σύνθεση µε ασβεστολιθικά αδρανή και 15 kg/m3 σφαιρίδια Μολύβδου (Ø 2mm) Χαλίκι Γαρµπίλι Άµµος ΠΟΣΟΣΤΟ 35,4 12,7 51,9 % ιερχόµενο Γερµανικά κόσκινα (mm) κοκκοµετρική διαβάθµιση µίγµατος κάτω όριο Ε 31,5 100 100 100 100,0 100 100 100 16 26,9 99,9 100 74,1 70 87 93 8 1,2 22,7 100 55,2 45 68 80 4 1 3,4 98,1 51,7 30 52 67 2 0,9 2 75,8 39,9 18 40 55 1 0,9 1,5 51,4 27,2 10 30 44 0,25 0,9 1 22,7 12,2 2 13 17 0,063 0,9 1 14,8 8,1 Πινακας 5. Σύνθεση µε αιµατίτη χονδρόκοκκου και λεπτόκοκκου κλάσµατος ΠΟΣΟΣΤΟ % Αιµατίτης Χονδρόκοκκου Κλασµατος Αιµατίτης Λεπτόκοκκου Κλάσµατος 37 63 % ιερχόµενο Γερµανικά κόσκινα (mm) κοκκοµετρική διαβάθµιση µίγµατος κάτω όριο Ε 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 4
31,5 100 100 100,0 100 100 100 16 30,2 100 74,2 70 87 93 8 0,9 99,5 63,0 45 68 80 4 0,8 86,1 54,5 30 52 67 2 0,7 64,4 40,8 18 40 55 1 0,7 48 30,5 10 30 44 0,25 0,7 23,4 15,0 2 13 17 0,063 0,7 16,4 10,6 Πίνακας 6. Σύνθεση µε µαγνητίτη και Πυριτικό filler Μαγνητίτ ης Χονδρόκ οκκου Μαγνητίτ ης Λεπτόκοκ κου Πυριτικό Filler 63 µm Πυριτικό Filler 250 µm ΠΟΣΟΣΤΟ % 65 25 5 5 % ιερχόµενο Γερµανικά κόσκινα (mm) κοκκοµετρική διαβάθµιση µίγµατος κάτω όριο Ε 8 94,3 100 100 100 96,3 95 100 100 4 67 100 100 100 78,6 61 74 85 2 43,1 98,1 100 100 62,5 36 57 71 1 32,9 83,8 100 100 52,3 21 42 57 0,25 9,5 20,6 100 97 21,2 5 11 21 0,063 3,4 3,9 100 85 12,4 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 5
ΘΛΙΨΗ ΟΚΙΜΙΩΝ Η θλίψη των δοκιµίων έγινε σύµφωνα µε ΣΚ 304 σε δοκίµια 15*15*15cm, τα οποία συντηρήθηκαν σύµφωνα µε ΣΚ 303 (θερµοκρασία 20 ± 2 ο C και σχετική υγρασία >95% ) σε ηλικία 28 ηµερών, 5 και 12 µηνών. Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στον πίνακα: Πινακας 7. Ηλικίας 28 ηµερών (µέσος όρος 6 δοκιµίων) Κωδικός Τύπος βάρος πυκνότητα ιαστάσεις (mm ) KN Mpa ( g ) ( kg/m 3 ) Νο 1 SR 8001 150 150 150 1044 46,4 2371 Νο 2 SR - Pb (Ø 8464 150 150 152 1169 51,3 2475 2mm) Νο 3 µαγνητίτης 12445 150 150 152 1085 47,6 3639 Νο 4 Αιµατίτης 13133 150 150 152 1183 51,9 3840 Κωδικός Πινακας 8. Ηλικίας 5 µηνών (µέσος όρος 6 δοκιµίων) Τύπος βάρος ( g ) διαστάσεις (mm ) KN Mpa Νο 1 SR 8014 150 150 150 1064 47,3 2375 Νο 2 SR -PT 8558 150 152 150 1231 54 2502 Νο 3 µαγνητίτης 12440 150 150 150 1153 51,3 3686 Νο 4 αιµατίτης 13360 150 152 150 1237 54,3 3906 πυκνότητα ( kg/m 3 ) Πινακας 9. Ηλικία 12 µηνών (µέσος όρος 6 δοκιµίων) βάρος πυκνότητα Κωδικός Τύπος διαστάσεις (mm ) KN Mpa ( g ) ( kg/m 3 ) Νο 1 SR 8018 150 150 150 1112 49,4 2376 Νο 2 SR -PT 8540 150 152 150 1265 56,2 2530 Νο 3 µαγνητίτης 12460 150 150 150 1201 53,4 3692 Νο 4 αιµατίτης 13348 150 152 150 1253 55,7 3955 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 6
ΕΚΘΕΣΗ ΣΕ ΑΚΤΙΝΕΣ Χ Πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις των δειγµάτων σε ακτινοβολία ακτινών Χ µε 150 kv στα 4mA. Η απόσταση του µετρητή από το δείγµα ήταν 1 m και όλη η διάταξη ήταν καλυµµένη από τούβλα µολύβδου πάχους 5 cm ώστε να µηδενιστούν οι δευτερεύουσες σκεδάσεις της ακτινοβολίας. Τα δείγµατα ακτινοβολήθηκαν επί 5 min. Πινακας 10. οκίµια διαστάσεων 10*10*50 cm (µετρήσεις στην διάσταση 10cm) είγµα Φύλλο µολύβδου τιµή ακτινοβολίας (µsv) 28 ηµέρες 5 µήνες 12µήνες SR C30/37 ΟΧΙ 1229,0 1190,0 1160,0 SR C30/37 (reference) NAI 186,1 174,1 161,9 SR C30/37 Pb (Ø 2mm) OXI 1034,0 975,0 775,3 Mαγνητίτης Αιµατίτης OXI OXI 654,1 628 598,7 687,6 643 614,2 είγµα Πινακας 11. οκίµια διαστάσεων 15*15*15 cm (µετρήσεις στην διάσταση 15cm) Φύλλο µολύβδου τιµή ακτινοβολίας (µsv) 28 ηµέρες 5 µήνες 12µήνες SR C30/37 ΟΧΙ 226,0 210,0 216,0 SR C30/37 (reference) NAI 103,4 88,8 18,1 SR C30/37 Pb (Ø 2mm) OXI 180,6 160,1 93,4 Mαγνητίτης OXI 130,0 112,3 14,6 Αιµατίτης OXI 122,1 96,0 11,7 Στην ίδια διάταξη, ΧΩΡΙΣ κανένα δείγµα, καταγράφηκε µετά από έκθεση 5min, τιµή ακτινοβολίας µεγαλύτερη των 20mSv. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 7
ΟΓΚΟΣ ΙΑΠΕΡΑΤΩΝ ΠΟΡΩΝ Ο όγκος διαπερατών πόρων µετρήθηκε σύµφωνα µε την µέθοδο ASTM C 642 σε δοκίµια όγκου ~ 350 cm 3. Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί : Πίνακας 12. Αποτελέσµατα µετρήσεων όγκου διαπερατών πόρων Α Π Ο Τ Ε Λ Ε Σ Μ Α Τ Α C 642 Ογκος διαπερατών πόρων, % SR SR Pb (Ø 2mm) Μαγνητίτης Αιµατίτης Ηλικία 28 ηµερών 14,5 12,5 13,8 15,3 Ηλικία 5 µηνών 10,6 9,3 9,2 11,4 Ηλικία 12 µηνών 10.1 8.9 8.1 8.9 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η ευρεία χρήση σκυροδεµάτων µε αδρανή µεγάλου ειδικού βάρους παρουσιάζει ιδιαιτερότητες ως προς : Την προµήθεια των απαιτούµενων αδρανών τα οποία δεν είναι ευρέως διαδεδοµένα στον Ελλαδικό χώρο και άρα πρέπει να εισαχθούν που µεταφράζεται σε αυξηµένο κόστος ανά κυβικό. Την παραγωγή η οποία απαιτεί προσαρµογή στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του παραγόµενου προϊόντος Την άντληση η οποία αποκλείει την χρήση συµβατικών αντλιών σκυροδέµατος απαιτώντας άλλες µεθόδους πχ καδοφόρων γερανών Τα εργαστηριακά αποτελέσµατα έδειξαν σε όλες τις περιπτώσεις, ότι µε την πάροδο του χρόνου έχουµε σηµαντική µείωση του ενεργού πορώδους η οποία κυµαίνεται από 30% έως 40% (από τον 1 µήνα στους 12 µήνες). Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα την, σχεδόν σε όλα τα αναµίγµατα, µείωση της διερχόµενης ακτινοβολίας µε την πάροδο του χρόνου. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 8
Στους παρακάτω πίνακες φαίνεται η σύγκριση της διερχόµενης ακτινοβολίας από δοκίµια διαφόρων αναµιγµάτων σε σχέση µε την διερχοµενη απο το ανάµιγµα αναφοράς. Πινακας 13. οκίµια διαστάσεων 10*10*50 cm (µετρήσεις στην διάσταση 10cm) Αναµειγµα Φύλλο µολύβδου Συγκριση διερχοµενης ακτινοβολιας µε τιµη δοκιµιου αναφορας 28 ηµέρες 5 µήνες 12µήνες SR C30/37 ΟΧΙ 6,60 6,84 7,16 SR C30/37 (reference) NAI 1,00 1,00 1,00 SR C30/37 Pb (Ø 2mm) OXI 5,56 5,60 4,79 Mαγνητίτης OXI 3,51 3,61 3,70 Αιµατίτης OXI 3,69 3,69 3,79 Πινακας 14. οκίµια διαστάσεων 15*15*15 cm (µετρήσεις στην διάσταση 15cm) Αναµειγµα Φύλλο µολύβδου Συγκριση διερχοµενης ακτινοβολιας µε τιµη δοκιµιου αναφορας 28 ηµέρες 5 µήνες 12µήνες SR C30/37 ΟΧΙ 2,19 2,36 11,93 SR C30/37 (reference) NAI 1,00 1,00 1,00 SR C30/37 Pb (Ø 2mm) OXI 1,75 1,80 5,16 Mαγνητίτης OXI 1,26 1,26 0,81 Αιµατίτης OXI 1,18 1,08 0,65 Παρατηρείται ότι στους 12 µηνες και στην διάσταση 15*15 τα αναµίγµατα µε την χρήση Αιµατίτη και Μαγνητίτη παρουσιάζουν βελτιωµένη συµπεριφορά σε µόνωση ακτινοβολίας σε σχέση µε το δοκιµιο αναφοράς, το οποίο αποτελεί την συνήθη µέθοδο µόνωσης από ακτινοβολίες. H παρούσα εργασία αποτελεί µια πρώτη προσέγγιση στο θέµα και χρίζει περαιτέρω έρευνας και αξιολόγησης των αποτελεσµάτων. Σε κάθε περίπτωση όµως διαφαίνεται πως η χρήση σκυροδεµάτων µεγάλου ειδικού βάρους υπό συγκεκριµένες προϋποθέσεις µπορεί να παρέχει ασφαλείς συνθήκες προστασίας έναντι των ακτίνων Χ. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 9
ΑΝΑΦΟΡΕΣ Βιβλία ΧΡΙΣΤΟΥ Οικονόµου Χ., «Τεχνολογία του Σκυροδέµατος» Πρότυπα ASTM C117-95, Standard Test Method for Materials Finer than 75-µm(No.200) Sieve in Mineral Aggregates by Washing ASTM C127, Standard Test Method for Density, Relative Density (Specific Gravity), and Absorption of Coarse Aggregate ASTM C128-97, Standard Test Method for Density, Relative Density (Specific Gravity), and Absorption of Fine Aggregate ASTM C136-96a, Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates ASTM C 642-97, Standard Test Method for Density, Absorption, and Voids in Hardened Concrete ΣΚ -304 «Μέθοδος προσδιορισµού αντοχής σε θλίψη δοκιµίων σκυροδέµατος» ΣΚ -309 «Μέθοδος δοκιµής καθίσεως» ΣΚ -303 «Μέθοδος παρασκευής και συντήρησης δοκιµίων σκυροδέµατος» 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 10