ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥ- ΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΠΙΘΑΝΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΣΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ Υ- ΠΟΓΕΙΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ

ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥ- ΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΜΕ ΠΙΘΑΝΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΣΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ Υ- ΠΟΓΕΙΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ AN INVESTIGATION OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF FIBER CON- CRETE AND POTENTIAL APPLICATIONS TO THE SUPPORT OF UN- DERGROUND EXCAVATIONS ΠΑΓΑΝΗΣ Λ.Κ. Μηχανικός Ορυκτών Πόρων ΑΓΙΟΥΤΑΝΤΗΣ Ζ. Καθηγητής, Τμήμα Μηχ. Ορυκτών Πόρων, Πολ. Κρήτης. ΜΑΥΡΙΓΙΑΝΝΑΚΗΣ Σ. Μεταλλειολόγος Μηχανικός, Τμήμα Μηχ. Ορυκτών Πόρων, Πολ. Κρήτης. ΣΤΕΙΑΚΑΚΗΣ Χ. Πολιτικός Μηχανικός MSc, ASCE, Μηχανικός Ορυκτών Πόρων, MSc., Γενική Μελετών ΙΣΤΡΙΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στη παρούσα εργασία γίνεται μία προκαταρκτική εργαστηριακή διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων του ινοπλισμένου σκυροδέματος. Οι αντοχές και οι ελαστικές ιδιότητες που μετρώνται και συγκρίνονται με αυτές του άοπλου σκυροδέματος με στόχο τη διερεύνηση της χρήσης του ως μέσο υποστήριξης υπογείων έργων. Στο πλαίσιο αυτής της μελέτης διεξήχθησαν εργαστηριακές δοκιμές μονοαξονικής θλίψης για τον προσδιορισμό της αντοχής σε θλίψη και του μέτρου ελαστικότητας, δοκιμές έμμεσου εφελκυσμού για τον προσδιορισμό της αντοχής σε εφελκυσμό και εξέταση των ινοπλισμένων δοκιμίων μέσω οπτικής μικροσκοπίας. ABSTRACT: A preliminary study of the properties of fiber reinforced concrete is presented. Strength values and elastic properties measured in the laboratory are compared to corresponding properties of unreinforced concrete in order to explore the possibility of its application for the support of underground works. The study presents results (a) for uniaxial compression tests, for the determination of the compressive strength and the elastic modulus, and (b) for indirect tension tests (Brazil tests) for the determination of the tensile strength and (c) from the examination in fiber concrete under optical microscopy. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το σκυρόδεμα είναι ένα πολύ σημαντικό υ- λικό κατασκευών και η εφαρμογή του αυξάνεται συνεχώς σε παγκόσμια βάση. Τα τελευταία χρόνια, μάλιστα αναπτύσσονται συνεχώς νέα προϊόντα με διαφορετικά χαρακτηριστικά (όπως γρήγορη ωρίμανση, αντοχή σε διάβρωση, κλπ) ανάλογα με την εφαρμογή. Το βασικό μειονέκτημα του σκυροδέματος είναι η χαμηλή σχετικά αντοχή σε εφελκυσμό και η ψαθυρότητά του, δηλαδή η χαμηλή αντοχή του στην ε- ξάπλωση ρωγματώσεων (Brandt, 2008). Για την βελτίωση των ιδιοτήτων του σε τέτοιες περιπτώσεις και ειδικά σε σκυροδέματα υψηλών και υπερ-υψηλών αντοχών συχνά προστίθενται στο μίγμα ίνες με διαφορετική γεωμετρία και από διαφορετικά υλικά (Padmarajaiah and Ramaswamy, 2004). Ταυτόχρονα διερευνάται το κατά πόσον είναι δυνατόν να αναπαρασταθεί μαθηματικά η καταστατική συμπεριφορά των ινοπλισμένων σκυροδεμάτων με στόχο να χρησιμοποιηθεί σε μοντέλα αριθμητικής προσομοίωσης της συμπεριφοράς του υλικού αυτού σε δυναμικές (Wang et al, 2008) ή στατικές συνθήκες (Jo et al, 2001). Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων (αντοχή σε θλίψη και έμμεσο εφελκυσμό) ινοπλισμένου σκυροδέματος και η σύγκριση των μηχανικών ιδιοτήτων του με τις αντίστοιχες ιδιότητες του άοπλου σκυροδέματος. Η σκυροδέτηση των δοκιμίων περιλαμβάνει σκυρόδεμα ονομαστικής αντοχής 20 έως 25MPa, χαλύβδινες ίνες και ίνες πολυπροπυλενίου και μήτρες σκυροδέτησης από πολυουρεθάνη, εσωτερικής ακμής 15cm. Η χρήση ινοπλισμένου σκυροδέματος βρίσκει μεγάλη εφαρμογή στην προσωρινή υποστήριξη υπογείων έργων με την χρήση εκτοξευόμενου ινοπλισμένου σκυροδέματος. Η χρήση ι- νών αφενός αυξάνει την πλαστιμότητα του ε- 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 1

κτοξευόμενου σκυροδέματος και επομένως επιτρέπει μεγαλύτερη πλαστική παραμόρφωση κατά την φάση εξισορρόπησης και ανακατανομής του εντατικού πεδίου, αφετέρου προσφέρει προστασία έναντι του σχηματισμού ρηγμάτωσης εξαιτίας της συρρίκνωσης και των θερμοκρασιακών μεταβολών. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται χρήση ινοπλισμένου σκυροδέματος στην τελική επένδυση σηράγγων με σκοπό την αύξηση της ανθεκτικότητας στο χρόνο (durability) της μόνιμης επένδυσης κυρίως λόγω μείωσης της παρουσίας ρηγματώσεων. Η χρήση ινοπλισμένου σκυροδέματος για την κατασκευή τελικής επένδυσης προσφέρει ευελιξία κατά την κατασκευή με σημαντική μείωση του χρόνο τοποθέτησης οπλισμού. Μειώνει σημαντικά τον κίνδυνο από την μακροχρόνια διάβρωση οπλισμού εξαιτίας της αντιμετώπισης της ρηγμάτωσης, και ταυτόχρονα αυξάνει την αντοχή στον χρόνο ιδιαίτερα σε περιπτώσεις δυσμενών περιβαλλοντικών συνθηκών. Σχήμα 1: Μήτρες πολυουρεθάνης κατά το στάδιο της χύτευσης. Figure 1: Polyurethane molds during the casting. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 2.1 Περιγραφή υλικών σκυροδέτησης Για την σκυροδέτηση των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε σκυρόδεμα κυμαινόμενης ποιότητας, C16/20 έως C20/25, από σταθμό ετοίμου σκυροδέματος της εταιρείας ΦΙΝΟΜΠΕΤΟΝ Α.Ε στα Χανιά. Οι μήτρες σκυροδέτησης ήταν 15x15x15cm από πολυουρεθάνη (σχήμα 1). Η επιλογή των αναλώσιμων μητρών έναντι μεταλλικών μητρών οφείλεται στην απαίτηση σκυροδέτησης περισσοτέρων από 20 δειγμάτων ανά ημέρα. Για την παρασκευή του ινοπλισμένου σκυροδέματος χρησιμοποιήθηκαν ίνες πολυπροπυλενίου και χαλύβδινες ίνες (με διαφορετική γεωμετρία) οι οποίες είναι ευρύτερα διαδεδομένες στον Ελληνικό χώρο. Η διαφορετική μορφή των ινών αντιστοιχεί σε διαφορετικό είδος εφαρμογής και διαφορετικής έντασης καταπόνηση (Παγάνης, 2009) Οι ίνες πολυπροπυλενίου που χρησιμοποιήθηκαν διατίθενται από την εταιρεία Sika Hellas (Sika, 2008) (σχήμα 2α). Οι ίνες πολυπροπυλενίου είναι λευκές με στρογγυλεμένες ά- κρες. Καθώς το μήκος των ινών αυτών ποικίλει, στην παρούσα εργασία επιλέχθηκαν τα μήκη των 12 mm και 18 mm για τις εργαστηριακές δοκιμές. Τα χαρακτηριστικά των ινών πολυπροπυλενίου δίνονται στον πίνακα 1. Σχήμα 2: Ίνες (α) της εταιρείας Sika - Hellas και (β) της εταιρείας Inomix/Sidenor Figure 2: Fibers from (a) Sika Hellas Company and (b) Inomix/Sidenor SA, Πίνακας 1: Τεχνικά χαρακτηριστικά ινών σύμφωνα με τους κατασκευαστές Table 1: Technical characteristics of fibers as given by the manufacturers ΙΝΕΣ ΠΟΛΥΠΡΟΠΥΛΕΝΙΟΥ Μήκος (mm) 12 και 18 Διάμετρος (μm) 25 29% (±10%) Επιμήκυνση θραύσης (EN ISO 2062) 400 (±10%) N/mm 2 Αντοχή σε εφελκυσμό (EN ISO 2062) Χημική αντοχή Εξαιρετική ΧΑΛΥΒΔΙΝΕΣ ΙΝΕΣ Μήκος (mm) 45 και 55 Διάμετρος (mm) 0,75 Χρησιμοποιήθηκαν χαλύβδινες ίνες με α- γκύρωση οι οποίες διατίθενται από την εταιρεία Inomix/Sidenor S.A (Inomix, 2008) (σχήμα 2β) και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους παρουσιάζονται στον πίνακα 1. 2.2 Σχεδίαση και υλοποίηση των δοκιμών Η πειραματική διαδικασία αποσκοπούσε στην ταυτόχρονη μελέτη πολλών παραγόντων, όπως το είδος των ινών ενίσχυσης, την γεωμετρία τους, το ποσοστό ανάμιξής τους στο σκυρόδεμα κλπ. Για τον λόγο αυτό, τα δοκίμια διαχωρίσθηκαν σε 15 ομάδες των 8 δοκιμίων η 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 2

κάθε μία. Η κάθε ομάδα περιλάμβανε επτά κυβικά δοκίμια ινοπλισμένου σκυροδέματος και ένα δοκίμιο άοπλου σκυροδέματος (δοκίμιο ελέγχου ή δοκίμιο control) (σχήμα 3). Από τα επτά κυβικά ινοπλισμένα δοκίμια κάθε ομάδας, τα έξι χρησιμοποιήθηκαν για έ- λεγχο αντοχής μονοαξονικής θλίψης, ενώ από το έβδομο μορφώθηκαν κύλινδροι διαμέτρου 50 mm και 75 mm από τους οποίους προέκυψαν δοκίμια βραζιλιανού δίσκου για δοκιμές έμμεσου εφελκυσμού (σχήμα 3). Σχήμα 3: Σχεδιασμός πειραμάτων Figure 3: Design of experimental procedure Πίνακας 2: Παραμετρικός σχεδιασμός ανάλογα με το ποσοστό και το είδος των ινών. Table 2: Experiment design as a function of fiber type and fiber content in the concrete. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΣΕ ΙΝΕΣ (kg/m 3 ) ΧΑΛΥΒΔΙΝΕΣ ΜΗΚΟΥΣ 55mm ΜΗΚΟΥΣ 45mm ΕΙΔΟΣ ΙΝΩΝ ΠΟΛΥΠΡΟΠΥΛΕΝ. ΜΗΚΟΥΣ 18mm ΜΗΚΟΥΣ 12mm 0.5 Π12/005 1 Π12/01 5 Π18/05 Π12/05 10 Χ45/10 Π18/10 Π12/10 15 Π18/15 20 Χ55/20 Χ45/20 Π12/20 30 Π12/30 40 Χ55/40 Χ45/40 60 Χ55/60 Χ45/60 Οι 15 ομάδες δοκιμίων προέκυψαν για την παραμετρική διερεύνηση του περιεχομένου ποσοστού ινών στο σκυρόδεμα με στόχο την συγκριτική αξιολόγηση της συμπεριφοράς του ινοπλισμένου σκυροδέματος σε θλίψη και έμμεσο εφελκυσμό. Στον πίνακα 2 παρουσιάζεται ο τελικός παραμετρικός σχεδιασμός για χαλύβδινες ίνες καθώς και ίνες πολυπροπυλενίου. 2.3 Σκυροδέτηση δοκιμίων Μετά την μελέτη του προτύπου C1116 κατά ASTM, μεγάλη βαρύτητα δόθηκε στην επίπονη διαδικασία σκυροδέτησης των ινοπλισμένων δοκιμίων η οποία απαιτούσε ακρίβεια και ταχύτητα στους χειρισμούς. Για την σκυροδέτηση κάθε ομάδας των 8 δοκιμίων γινόταν λήψη μικρής ποσότητας ετοίμου σκυροδέματος από την μπετονιέρα αμέσως μετά την φόρτωσή της από το παρασκευαστήριο του σταθμού ετοίμου σκυροδέματος. Στη συνέχεια τα ληφθέντα 32L έτοιμου σκυροδέματος τοποθετούντο σε μπετονιέρα μικρής χωρητικότητας όπου γινόταν ανάμιξη για 10-15 λεπτά με την αναλογούσα ποσότητα ι- νών για κάθε σειρά δοκιμίων και τέλος ακολουθούσε η σκυροδέτηση στις μήτρες. Τα δοκίμια παρέμεναν στις μήτρες για διάστημα 24 έως 48 ωρών, ενώ στη συνέχεια α- φαιρούντο οι μήτρες και φυλάσσοντο σε θάλαμο συντήρησης σκυροδέματος για διάστημα 26 ημερών. Δύο ημέρες πριν την δοκιμή φόρτισης τα δοκίμια έβγαιναν από τον θάλαμο συντήρησης, γινόταν η μορφοποίηση των δοκιμίων έμμεσου εφελκυσμού και στη συνέχεια όλα τα δοκίμια παρέμεναν σε συνθήκες περιβάλλοντος μέχρι τη θραύση τους. 3. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΔΟΚΙΜΕΣ Οι δοκιμές μονοαξονικής θλίψης και έμμεσου εφελκυσμού έγιναν στο εργαστήριο Μηχανικής Πετρωμάτων του Πολυτεχνείου Κρήτης. Χρησιμοποιήθηκε άκαμπτο σύστημα φόρτισης τύπου MTS 815 το οποίο επιτρέπει δοκιμές τόσο με έλεγχο μετατόπισης (displacement control) όσο και με έλεγχο φορτίου (load control). Οι δοκιμές θλίψης έγιναν με έλεγχο μετατόπισης με σταθερό ρυθμό (περίπου 0,5-1 MPa/s), ενώ ταυτόχρονα γινόταν καταγραφή του επιβαλλόμενου φορτίου και της μετατόπισης για την λήψη της μετελαστικής συμπεριφοράς της καμπύλης θραύσης. Η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη κάθε δοκιμίου προσδιορίστηκε από την σχέση C = F A όπου F max είναι το μέγιστο φορτίο o max / 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 3

που ασκήθηκε στο δοκίμιο μέχρι την αστοχία του και Α είναι η αρχική επιφάνεια του δοκιμίου στην οποία ασκήθηκε το φορτίο. Επίσης για κάθε δοκίμιο σχεδιάστηκαν οι καμπύλες τάσης - παραμόρφωσης από τις οποίες υπολογίστηκε το αντίστοιχο μέτρο ελαστικότητας. Για τον υπολογισμό της αντοχής σε έμμεσο εφελκυσμό εφαρμόστηκε η μέθοδος του εφελκυσμού κατά γενέτειρα (Brazil), σύμφωνα με την οποία τα δοκίμια τοποθετούνται σε σιαγώνες ειδικής γεωμετρίας και φορτίζονται αντιδιαμετρικά μέχρι την αστοχία σε επίπεδο παράλληλο με τον άξονα φόρτισης (ISRM suggested methods). Η δοκιμή αυτή διαφοροποιείται από αυτή που συνήθως εκτελείται σε σκυροδέματα κυρίως ως προς το μήκος του δοκιμίου και την καμπυλότητα των σιαγώνων. Το θλιπτικό φορτίο ασκήθηκε με σταθερό ρυθμό (περίπου 200 N/sec) με δυνατότητα ταυτόχρονης καταγραφής του επιβαλλόμενου φορτίου και της μετατόπισης. Η αντοχή σε εφελκυσμό (T 0 ) υπολογίσθηκε, σύμφωνα με τη σχέση: (%) ( MPa) ( MPa) σ σ = *100% (3) σ control όπου σ control η αντοχή σε θλίψη του δοκιμίου άοπλου σκυροδέματος. Στο σχήμα 4 παρουσιάζονται ενδεικτικά οι αντιπροσωπευτικές ανηγμένες καμπύλες ινοπλισμένου σκυροδέματος για τρεις περιεκτικότητες χαλύβδινων ινών (20, 40 και 60kg/m 3 ) καθώς και οι καμπύλες των δοκιμίων ελέγχου για κάθε ομάδα. Εκτός από την μεταβολές στις μέγιστες τιμές αξίζει να σημειωθεί και η διαφορετική παραμόρφωση μέχρι την μέγιστη τιμή καθώς και οι διαφορετικές κλίσεις των γραμμικών τμημάτων των καμπυλών που αντιστοιχούν στα μέτρα ελαστικότητας του κάθε δοκιμίου. Επίσης σημαντικές παραμέτρους αποτελούν η πλαστιμότητα και η κλίση της καμπύλης μετά την ανάπτυξη της μέγιστης θλιπτικής α- ντοχής από την οποία παρατηρείται η μετελαστική συμπεριφορά. T 2 * Fmax 0.637 * F = = max (2) o π * D * T D * T όπου F max είναι το φορτίο που ασκήθηκε στο δοκίμιο τη στιγμή της αστοχίας του σε εφελκυσμό, D είναι η διάμετρος και Τ είναι το πλάτος του δοκιμίου. 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 Αποτελέσματα δοκιμών μονοαξονικής θλίψης Όπως προαναφέρθηκε για κάθε δοκιμή θλίψης κατασκευάστηκε ένα διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης. Για κάθε ομάδα δοκιμίων (βλέπε ενότητα 2.2) κατασκευάστηκε ένα συγκεντρωτικό διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης με 6 καμπύλες, μια για κάθε ένα από τα 6 ινοπλισμένα δοκίμια. Στη συνέχεια υπολογίστηκε ο μέσος όρος των τιμών αντοχής για κάθε ομάδα. Θεωρήθηκε ως αντιπροσωπευτική καμπύλη για κάθε ομάδα, η καμπύλη για την οποία η τιμή αντοχής σ ι ήταν πλησιέστερα στην μέση τιμή της ομάδος. Στη συνέχεια για να είναι δυνατή η συγκριτική αξιολόγηση των μέσων τιμών κάθε ομάδας έγινε αναγωγή των τιμών των τάσεων στα διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης σε σχέση με την μέγιστη τιμή του δοκιμίου ελέγχου της ομάδας μέσω της σχέσης: Σχήμα 4: Ανημένες καμπύλες τάσης - παραμόρφωσης για άοπλα και ινοπλισμένα δοκίμια Χ55/20, Χ55/40, Χ55/60. Figure 4: Reduced stress-strain curves for plain and steel fiber reinforced specimens Χ55/20, Χ55/40, Χ55/60. Στον πίνακα 3 παρουσιάζεται η μεταβολή της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη για ινοπλισμένα δοκίμια τύπου Χ55 (σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου της ομάδας) καθώς και η αντίστοιχη τυπική απόκλιση, ενώ στον πίνακα 4 παρουσιάζονται αντίστοιχα αποτελέσματα με ινοπλισμένα δοκίμια Χ45. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα όπως πα- 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 4

ρουσιάζονται στο σχήμα 4 και στους πίνακες 3, 4 προκύπτουν οι εξής παρατηρήσεις: Πίνακας 3: της αντοχής σε θλίψη για ινοπλισμένα δοκίμια τύπου Χ55. Table 3: Variation of compressive strength for X55 steel fiber reinforced specimens. Κωδικός Περιεκτικότητα Χ55/20 20kg/m 3 +0,42% ±1,81% Χ55/40 40kg/m 3-9,23% ±8,34% Χ55/60 60kg/m 3-11,02% ±3,03% Πίνακας 4: της αντοχής σε θλίψη για ινοπλισμένα δοκίμια τύπου Χ45. Table 4: Variation of compressive strength for X45 steel fiber reinforced specimens. Κωδικός Περιεκτικότητα Χ45/10 10kg/m 3-2,24% ±1% Χ45/20 20kg/m 3-3,25% ±6,15% Χ45/40 40kg/m 3-4,63% ±7,76% Χ45/60 60kg/m 3-14,08% ±9% α) Η μονοαξονική αντοχή του δείγματος μειώνεται όσο αυξάνει η περιεκτικότητα σε ίνες και όσο αυξάνει το μήκος των ινών. Η κατάσταση αυτή έχει παρατηρηθεί και από άλλους επιστήμονες (Someh and Saeki, 1996) και α- ποδίδεται στην πιθανή εμφάνιση μεγαλύτερου πορώδους εξαιτίας της δυσκολίας μόρφωσης του δοκιμίου και της παγίδευσης αέρα καθώς και στον πιθανό παράλληλο προς την φόρτιση προσανατολισμό ινών με ταυτόχρονη δημιουργία μικρότερης αντοχής διεπιφανειών. Η μεγαλύτερη μείωση αντοχής δεν ξεπερνά το 15% για συνήθεις ποσότητες και μήκη ινών. β) Κατά την αρχική φόρτιση των δοκιμίων εμφανίζεται μια μη γραμμική συμπεριφορά η οποία διαφοροποιείται με την γραμμική συμπεριφορά των δοκιμίων αναφοράς άοπλου σκυροδέματος. Στην περιοχή αυτή το υλικό εμφανίζει πολύ μικρότερο μέτρο ελαστικότητας από αυτό του άοπλου με αποτέλεσμα την μεγαλύτερη παραμόρφωση για την ανάπτυξη της ίδιας φόρτισης. Εν συνεχεία το μέτρο ελαστικότητας μετά από το 20% περίπου φόρτισης λαμβάνει παρόμοιες τιμές με το άοπλο και ε- λαφρά μικρότερες. γ) Τα δείγματα με ίνες εμφανίζουν πολύ μικρότερη συμπεριφορά χαλάρωσης (strain softening) και αρχίζουν να προσεγγίζουν συμπεριφορά κράτυνσης (strain hardening), ενώ τα δείγματα άοπλου σκυροδέματος εμφανίζουν χαρακτηριστικά χαλάρωσης. Τα «μέτρα παραμορφωσιμότητας» μετά την επίτευξη του μέγιστου φορτίου εμφανίζουν πιο ήπια κλίση με αποτέλεσμα να είναι σε θέση το δοκίμιο να α- ναλάβει φορτία και μετά την αρχική θραύση και για παραμορφώσεις 2-2.5%. δ) Τα άοπλα δοκίμια εμφανίζουν πτώση α- νάληψης φορτίου 20% μετά την μέγιστη φόρτιση μέχρι την παραμόρφωση 1.5%, ενώ τα δοκίμια με ίνες εμφανίζουν την ίδια πτώση μετά από 2.5% ή περισσότερο. Στο σχήμα 5 παρουσιάζονται ενδεικτικά οι αντιπροσωπευτικές ανηγμένες καμπύλες ινοπλισμένου σκυροδέματος για πέντε περιεκτικότητες ινών πολυπροπυλενίου (0.5, 1, 10, 20, και 30kg/m 3 ) μήκους 12mm καθώς και οι καμπύλες των δοκιμίων ελέγχου για κάθε ομάδα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα όπως παρουσιάζονται στο σχήμα 5 και στους πίνακες 5, 6 προκύπτουν οι εξής παρατηρήσεις: α) Η αντοχή του δοκιμίου μειώνεται σημαντικά μετά την αύξηση της ποσότητας πάνω από 1kg/m 3. Ειδικά σε ποσότητες μεγαλύτερες του 20kg/m 3 η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη εμφανίζει έως και 75% απομείωση. STRESS % 100 80 60 40 20 0 0 0.01 0.02 0.03 STRAIN Control_0.5kg/m3 Control_1kg/m3 Control_10kg/m3 Control_20kg/m3 Control_30kg/m3 Dokimio_0.5kg/m3 Dokimio_1kg/m3 Dokimio_10kg/m3 Dokimio_20kg/m3 Dokimio_30kg/m3 Σχήμα 5: Ανηγμένες καμπύλες τάσης - παραμόρφωσης για άοπλα και ινοπλισμένα δοκίμια Π12/005, Π12/01, Π12/10, Π12/20, Π12/30. Figure 5: Reduced stress-strain curves for plain and polypropylene fiber reinforced specimens Π12/005, Π12/01, Π12/10, Π12/20, Π12/30. β) Οι καμπύλες τάσης - παραμόρφωσης εμφανίζουν μεγάλη μη γραμμική συμπεριφορά μέχρι παραμόρφωση 1% για την περίπτωση μικρών ποσοτήτων ινών <1 kg/m 3 ενώ στην συνέχεια εμφανίζουν μέτρα ελαστικότητας παρόμοια με τα άοπλα δοκίμια. Πιθανή εξήγηση 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 5

(η οποία όμως δεν έχει επιβεβαιωθεί ακόμα) είναι η εμφάνιση μεγάλου αρχικού πορώδους εξαιτίας της παρουσίας των ινών πολυπροπυλενίου. Κατά την φόρτιση το πορώδες απομειώνεται έως ότου προσεγγίσει αυτό του άοπλου και στην συνέχεια τα δύο υλικά εμφανίζουν παρόμοιο μέτρο ελαστικότητας. γ) Η παρουσία μικρής ποσότητας ινών πολυπροπυλενίου δεν μεταβάλει την μετελαστική συμπεριφορά των δοκιμίων. Η συμπεριφορά χαλάρωσης που εμφανίζουν τα άοπλα δείγματα δεν μεταβάλλεται μετά την μέγιστη αντοχή για τα δείγματα με ίνες πολυπροπυλενίου σε αντίθεση με αυτό που παρατηρήθηκε για της μεταλλικές ίνες. δ) Στις περιπτώσεις μεγάλης ποσότητας ι- νών πολυπροπυλενίου (>20 και 30kg/m 3 ) το ινοπλισμένο δοκίμιο εμφανίζει μια πλήρως ε- λαστοπλαστική συμπεριφορά με τιμές αντοχής μικρότερες από 50% της συμβατικής τιμής. Είναι αξιοσημείωτο ότι σε αυτές τις περιπτώσεις το υλικό εμφανίζει καμπύλες κράτυνσης με πολύ μικρή μείωση της μέγιστης (αλλά κατά πολύ μικρότερης του άοπλου) αντοχής για σημαντική αύξηση της παραμόρφωσης από 0,7% έως και >3%. Πίνακας 5: της αντοχής σε θλίψη για ινοπλισμένα δοκίμια τύπου Π12 και Π18 Table 5: Variation of compressive strength for Π12 and Π18 specimens Κωδικός Περιεκτικότητα Π12/005 0.5kg/m 3-0,29% ±3,46% Π12/01 1kg/m 3 +3,83% ±4,88% Π12/10 10kg/m 3-6,99% ±1,78% Π12/20 20kg/m 3-70,15% ±3,06% Π12/30 30kg/m 3-75,59% ±3,87% Π18/05 5kg/m3-39,8% ±6,25% Π18/10 10kg/m3-39,0% ±3,13% Π18/15 15kg/m3-47,55% ±6,97% Στον πίνακα 5 παρουσιάζεται η μεταβολή της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη για ινοπλισμένα δοκίμια τύπου Π12 και Π18 (σε σχέση με το δοκίμιο ελέγχου της ομάδας) καθώς και η αντίστοιχη τυπική απόκλιση. Τα δοκίμια, τα οποία δοκιμάστηκαν σε μονοαξονική θλίψη, αστόχησαν με δύο διαφορετικούς τρόπους: (α) με εμφανή πλευρική διόγκωση και (β) με πλευρική απολέπιση. Στο σχήμα 6 δίνονται φωτογραφικά οι τρόποι α- στοχίας. Μια εξήγηση του σχετικά με τον τρόπο αστοχίας βασίζεται στην τριβή που αναπτύσσεται μεταξύ πλακών φόρτισης και δοκιμίου. Σχήμα 6: Τρόποι αστοχίας: Πρώτη σειρά: πλευρική απολέπιση δοκιμίων. Δεύτερη σειρά: πλευρική διόγκωση δοκιμίων Figure 6: Failure modes: First row: lateral spalling of specimens. Second row: Lateral dilation of specimens 4.2 Αποτελέσματα δοκιμών έμμεσου εφελκυσμού Τα αποτελέσματα των δοκιμών έμμεσου ε- φελκυσμού παρουσιάζονται σε διαγράμματα φορτίου (δύναμης) μετατόπισης. Παρόμοια με την παρουσίαση των αποτελεσμάτων μονοαξονικής θλίψης, το φορτίο παρουσιάζεται ως ποσοστιαίο μέγεθος, ώστε να διευκολυνθεί η παρουσίαση των διαφορετικών τιμών φορτίου. Σημειώνεται ότι σε αυτές τις σειρές πειραμάτων, λόγω τεχνικών προβλημάτων δεν κατέστη δυνατό να δοκιμαστούν άοπλα δοκίμια σε εφελκυσμό. Για τον λόγο αυτό ελήφθη κατά προσέγγιση (βάσει βιβλιογραφίας και προηγούμενων δοκιμών) ως αντοχή έμμεσου εφελκυσμού του σκυροδέματος C16/20 η τιμή To=2.17MPa και για σκυρόδεμα C20/25 η τιμή To=2.41MPa. Σε επόμενη φάση θα εξεταστούν εκ νέου τα άοπλα δείγματα σε σχέση με τα ι- νοπλισμένα. Στο σχήμα 7 παρουσιάζονται ενδεικτικά οι αντιπροσωπευτικές καμπύλες ινοπλισμένου σκυροδέματος για τρεις περιεκτικότητες χαλύβδινων ινών (20, 40 και 60kg/m 3 ), ενώ στον πίνακα 6 παρουσιάζεται η μεταβολή της αντοχής σε έμμεσο εφελκυσμό με βάση την συμβατική τιμή αντοχής που αναφέρθηκε προηγουμένως για δοκίμια X55 και Χ45. Στον πίνακα 7 παρουσιάζεται η μεταβολή της αντοχής σε έμμεσο εφελκυσμό με βάση την συμβατική τιμή αντοχής που αναφέρθηκε προηγουμένως για δοκίμια Π12 και Π18. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα όπως παρουσιάζονται στο σχήμα 6 και στους πίνακες 7, 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 6

8 προκύπτουν οι εξής παρατηρήσεις: α) Η αντοχή σε εφελκυσμό εμφανίζεται να αυξάνεται σημαντικά με την χρήση μικρότερου μήκους μεταλλικών ινών σε αντίθεση με αυτές μεγαλύτερου μήκους. Force (%) 100 80 60 40 20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Displacement (mm) Brazil_20kg/m3 Brazil_40kg/m3 Brazill_60kg/m3 Σχήμα 7: Καμπύλες φορτίου - μετατόπισης για ινοπλισμένα δοκίμια Χ55/20, Χ55/40, Χ55/40. Figure 7: Reduced load - displacement curves for fiber reinforced specimens Χ55/20, Χ55/40, Χ55/60. β) Η αύξηση της εφελκυστικής αντοχής δεν είναι γραμμική της ποσότητας των ινών αλλά εμφανίζει κάποιο μέγιστο σε τιμές κοντά στο 10-20kg/m 2. Δυστυχώς η παρατήρηση αυτή δεν είναι πλήρως τεκμηριωμένη δεδομένου ότι δεν κατέστη δυνατή η δοκιμή δοκιμίων αναφοράς. Εφόσον όμως επιβεβαιωθεί αυτό σε μελλοντική έρευνα είναι δυνατόν να προσφέρει μεγάλη οικονομία δεδομένου ότι οι ποσότητες μεταλλικών ινών που χρησιμοποιούνται είναι συνήθως μεγαλύτερες ή και πολύ μεγαλύτερες από 20kg/m 3. γ) Η τυπική απόκλιση των δοκιμών εμφανίζει μεγάλες τιμές αλλά πιθανότατα αυτό οφείλεται στην έλλειψη δειγμάτων αναφοράς. δ) Το μέτρο παραμορφωσιμότητας σε εφελκυσμό εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές για το δοκίμιο με τα 20kg/m 3 σε σχέση με τα υπόλοιπα τα οποία εμφανίζουν πιο ψαθυρή συμπεριφορά. Σημειώνεται πάλι ότι δεν υπάρχει σύγκριση με δοκίμιο αναφοράς. ε) Σε αντίθεση με τις δοκιμές θλίψης, η ε- φελκυστική αντοχή παρουσιάζεται αυξημένη στην περίπτωση ινών πολυπροπυλενίου. Για περιεκτικότητες πάνω από 10kg/m 3 εμφανίζεται και πάλι μείωση αντί για αύξηση της εφελκυστικής αντοχής. Περισσότερη έρευνα με μεγαλύτερο αριθμό δοκιμών σε σχέση και με δείγματα αναφοράς άοπλου σκυροδέματος απαιτούνται για την ε- ξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων. Η αρχική εκτίμηση είναι ενθαρρυντική για την σημαντική αύξηση της εφελκυστικής αντοχής με μικρή ποσότητα μεταλλικών ινών. Πίνακας 6: της αντοχής σε έμμεσο εφελκυσμό ως προς συμβατική τιμή για ινοπλισμένα δοκίμια τύπου Χ55 και Χ45. Table 6 Variation of indirect tensile strength with respect to a typical value, for X55 and Χ45 steel fiber reinforced specimens. Κωδικός Περιεκτικότητα Χ55/20 20kg/m 3 +6,95% ±28,8% Χ55/40 40kg/m 3-12,03% ±20,02% Χ55/60 60kg/m 3-2,07% ±21,45% Χ45/10 10kg/m 3 +7,44% ±25,73% Χ45/20 20kg/m 3 +27,42% ±9,19% Χ45/40 40kg/m 3 +23,49% ±8,54% Χ45/60 60kg/m 3 +1,5% ±15,65% Πίνακας 7: της αντοχής σε έμμεσο εφελκυσμό ως προς συμβατική τιμή για ινοπλισμένα δοκίμια τύπου Π12 και Π18. Table 7: Variation of indirect tensile strength with respect to a typical value, for Π12 and Π18 polypropylene fiber reinforced specimens Κωδικός Περιεκτικότητα Π12/005 0.5kg/m 3 +7,78% ±22,83% Π12/01 1kg/m 3 +16,32% ±9,84% Π12/10 10kg/m 3 +17,8% ±36,84% Π12/20 20kg/m 3-46,53% ±14,57% Π12/30 30kg/m 3-52,87% ±14,77% Π18/05 5kg/m 3-39,8% ±6,25% Π18/10 10kg/m 3-39% ±3,13% Π18/15 15kg/m 3-47,55% ±6,97% Όλα τα δοκίμια τα οποία δοκιμάστηκαν σε έμμεσο εφελκυσμό, υπέστησαν θραύση περίπου με τον ίδιο τρόπο, δηλαδή με την ανάπτυξη μίας κατακόρυφης ρωγμής (παράλληλα με τον άξονα φόρτισης) ανεξάρτητα από το μέγεθός τους και ανεξάρτητα από την παρουσία αδρανών. 4.3 Μικροσκοπική εξέταση δοκιμίων Από την μικροσκοπική εξέταση προέκυψε ότι η κατανομή των ινών μέσα στο δοκίμιο ή- ταν πολύ καλή. Συγκεκριμένα υπήρχαν στη μάζα του τσιμέντου ίνες μεταξύ σχεδόν όλων των κόκκων των αδρανών υλικών και σε δια- 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 7

φορετικούς προσανατολισμούς. Επίσης, οι ίνες πολυπροπυλενίου δεν φαίνεται να αντέδρασαν χημικά με τα υπόλοιπα συστατικά του σκυροδέματος καθώς δεν φαίνεται να έχουν διαβρωθεί ή να έχουν υποστεί αλλαγή στη γεωμετρία τους. 5. ΣΥΝΟΨΗ & ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την ανάλυση και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων των εργαστηριακών δοκιμών διαπιστώθηκε η αύξηση της πλαστιμότητας των υλικών όταν χρησιμοποιήθηκαν μεταλλικές ίνες. Η μετελαστική συμπεριφορά των υλικών βελτιώθηκε αρκετά και τα δοκίμια ήταν σε θέση να αναλάβουν φορτία με αυξημένη παραμόρφωση μετά την μέγιστη αντοχή σε αντίθεση με τα άοπλα δείγματα. Εμφανίστηκε μικρή μείωση της μονοαξονικής αντοχής με την αύξηση του μήκους και του ποσού των μεταλλικών ινών ενώ παρατηρήθηκε σημαντική μείωση της αντοχής με την χρήση μεγάλου ποσού ινών πολυπροπυλενίου. Εν γένει δεν παρατηρήθηκε κάποια βελτίωση του υλικού εξαιτίας της χρήσης μικρής ποσότητας ινών πολυπροπυλενίου. Αύξηση της αντοχής σε εφελκυσμό παρατηρήθηκε κυρίως με την χρήση μεταλλικών ι- νών. Η αύξηση δεν ήταν γραμμική αλλά εμφάνιζε κάποιο μέγιστο στην περιοχή των 10-20kg/m 3. Βέβαια η αδυναμία εκτέλεσης δοκιμίων αναφοράς δεν επιτρέπει την ασφαλή εξαγωγή συμπερασμάτων. Η αντοχή των δοκιμίων, τα οποία εξετάστηκαν σε μονοαξονική θλίψη, αυξάνεται για τις περιεκτικότητες ινών εκείνες τις οποίες προτείνει ο προμηθευτής. Οι μεγάλες περιεκτικότητες ινών στη μάζα του τσιμέντου μέσα στο σκυρόδεμα, αλλάζουν τα μηχανικά χαρακτηριστικά της μάζας αυτής με συνέπεια να μεταβάλλονται τα μηχανικά χαρακτηριστικά του σκυροδέματος. Επιπλέον, η μεγάλη συγκέντρωση ινών στο σκυρόδεμα θεωρείται ότι δημιουργεί επίπεδα ολίσθησης στο εσωτερικό των δοκιμίων, καθώς αυξάνεται η φόρτιση, με αποτέλεσμα να επικρατεί η πλαστική συμπεριφορά καθώς αυξάνεται η τάση και η παραμόρφωση των δοκιμίων. Ως αποτέλεσμα, τα δοκίμια αποκτούν μακρύτερο πλαστικό κλάδο και παραμορφώνονται ανάλογα με το επιβαλλόμενο φορτίο. Ένα από τα πιο βασικά συμπεράσματα που προκύπτει από την παραπάνω έρευνα αφορά τον έλεγχο αντοχής δοκιμίων παραγωγής. Σε κάθε περίπτωση ο έλεγχος αντοχής θα πρέπει να εκτελείται με την παρουσία ινών. Ειδικά δε στην χρήση ινών πολυπροπυλενίου που χρησιμοποιούνται για την μείωση της ε- πίδρασης πυρκαγιάς στην απολέπιση του σκυροδέματος θα πρέπει να δίνεται μεγάλη προσοχή γιατί δύναται να μειωθεί σημαντικά η αντοχή του. Περαιτέρω έρευνα ειδικά στην αύξηση της εφελκυστικής αντοχής του σκυροδέματος μπορεί να βοηθήσει στην χρήση του υλικού ειδικά σε σήραγγες για την μείωση ή την πλήρη απαλοιφή οπλισμού. Ειδικά εφόσον αποδειχτεί ότι μικρή ποσότητα ~20kg/m 3 δύναται να αύξηση την εφελκυστική αντοχή πάνω από 20% τότε η οικονομική ωφέλεια εμφανίζεται αρκετά ελκυστική. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ASTM International, Designation C 1116-03, Standard specification for fiber-reinforced concrete and shotcrete. Brandt, A.M. (2008), Fibre reinforced cementbased (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering, Composite Structures, Volume 86, Issues 1-3, November, pp. 3-9. Inomix/Sidenor S.A, (2008), Μεταλλικές ίνες, Φύλλο ιδιοτήτων προϊόντος Jo, B-W, Y-H Shon and Y-J Kim (2001), The evaluation of elastic modulus for steel fiber reinforced concrete, Russian Journal of Nondestructive Testing, Volume 37, Number 2 / February, pp. 152-161. Padmarajaiah, S.K., Ramaswamy, A. (2004), Flexular strength predictions of steel fiber reinforced high-strength concrete in fully/partially prestressed beam specimens, Cement & Concrete Composites, 26, pp. 275 290 Sika Fibers, (2008), Συνθετικές ίνες, Φύλλο ιδιοτήτων προϊόντος Someh, A.K. and Saeki, N. (1996), Prediction for the stress-strain curve of steel fiber reinforced concrete, JSCE, vol. 18, no. 1, pp. 1149-1154. Wang, Z-L, Y-S Liu and R.F. Shen (2008), Stress-strain relationship of steel fiberreinforced concrete under dynamic compression, Construction and Building Materials, Vol. 22, Issue 5, May, pp. 811-819. Παγάνης, Λ.Κ., (2009), Μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς ινοπλισμένου σκυροδέματος με πιθανές εφαρμογές στην υποστήριξη υπογείων τεχνικών έργων, Διπλωματική εργασία, Πολυτεχνείο Κρήτης, Χανιά. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 8