ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ρ Αθ. Ρούτουλας Καθηγητής ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 3 η ΤΣΙΜΕΝΤΑ - ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ ΑΣΚΗΣΗ 11 η : ΕΥΡΕΣΗ ΑΡΓΙΛΙΚΩΝ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΣΤΗΝ ΑΜΜΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΙΣΟ ΥΝΑΜΟ ΑΜΜΟΥ ΟΚΙΜΗ ΤΟΥ ΚΥΑΝΟΥ (ΜΠΛΕ) ΤΟΥ ΜΕΘΥΛΕΝΙΟΥ ΜΕΘΟ ΟΣ STOKES ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2010
ΑΣΚΗΣΗ 11 η ΕΥΡΕΣΗ ΑΡΓΙΛΙΚΩΝ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΣΤΗΝ ΑΜΜΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο προσδιορισµός του ποσοστού της αργίλου στην άµµο σκυροδέµατος για τον έλεγχο της καταλληλότητάς της για την παραγωγή σκυροδέµατος. Θεωρητικό Μέρος Με τον όρο άργιλος χαρακτηρίζεται το λεπτόκοκκο υλικό, που αποτελείται από κόκκους µε µέσο µέγεθος µικρότερο των 5 µm. Τα αργιλικά σωµατίδια είναι λεπτά και πλακόµορφα, αποτελούνται από διστρωµατικούς ή τριστρωµατικούς φυλλοειδείς σχηµατισµούς πυριτικών τετραέδρων και αργιλικών οκταέδρων και έχουν τη µορφή πεταλίων πολύ µικρών διαστάσεων. Η κρυσταλλική δοµή των σωµατιδίων και η υπεροχή του αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου στις δύο βασικές µονάδες από τις οποίες αποτελούνται, την πυριτική και την αργιλική, έχουν ως αποτέλεσµα η ελεύθερη επιφάνεια των σωµατιδίων να είναι φορτισµένη αρνητικά. Όταν η άργιλος έρχεται σε επαφή µε νερό, τον χώρο µεταξύ των αργιλικών σωµατιδίων, καταλαµβάνουν τα µόρια του νερού, τα οποία και συµπεριφέρονται ως δίπολα µε αρνητικό πόλο το άτοµο του οξυγόνου και θετικό τα δύο άτοµα του υδρογόνου. Η ταυτόχρονη παρουσία των αρνητικά φορτισµένων αργιλικών σωµατιδίων και των δίπολων του νερού έχει ως αποτέλεσµα την ανάπτυξη ηλεκτρικών διαµοριακών δυνάµεων, στην διεπιφάνεια και το περιβάλλον των σωµατιδίων, οι οποίες έλκουν και συγκρατούν τα δίπολα του νερού, σχηµατίζοντας γύρω από τα σωµατίδια µικρού εύρους στοιβάδα. Έτσι εξηγείται το γεγονός ότι η άργιλος έχει την ιδιότητα να προσροφά νερό. Όπως προαναφέρθηκε τα αργιλικά σωµατίδια είναι πολυστρωµατικοί σχηµατισµοί. Η απόσταση µεταξύ των στρωµάτων και η παρουσία ελεύθερων κατιόντων στον ενδοστρωµατικό χώρο, είναι οι κύριες αιτίες της διόγκωσης ή µη της αργίλου. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά διαφέρουν από το ένα αργιλικό ορυκτό στο άλλο. Η παρουσία ελεύθερων κατιόντων έχει ως αποτέλεσµα την απορρόφηση δίπολων νερού στον µεταξύ των στρωµάτων χώρο, ώστε να επιτευχθεί χηµική ισορροπία. Όταν οι αποστάσεις των στρωµάτων είναι µικρές, οι ελκτικές δυνάµεις µεταξύ τους (δυνάµεις Van der Waals) είναι πολύ ισχυρές και υπερισχύουν της απορρόφησης του νερού, οπότε και δεν υφίσταται διόγκωση. Στην αντίθετη περίπτωση, όταν δηλαδή οι αποστάσεις είναι µεγάλες, οι ενδοστρωµατικοί δεσµοί είναι ασθενείς, και η απορρόφηση του νερού συνεχίζεται στον ενδοστρωµατικό χώρο, έως ότου αυτοί καταργηθούν. Τότε επέρχεται διαχωρισµός των κόκκων της αργίλου, γίνεται ανακατανοµή αυτών στο χώρο και παρατηρείται το φαινόµενο της διόγκωσης. Το µέγεθος του φαινοµένου εξαρτάται και από άλλους παράγοντες (π.χ. πυκνότητα του επιφανειακού φορτίου, σθένος των κατιόντων, συγκέντρωση ηλεκτρολυτών, διηλεκτρική σταθερά κλπ), οι οποίοι δρουν µεµονωµένα ή και συνδυαστικά µεταξύ τους, ενισχύοντας ή αποδυναµώνοντας τους κύριους µηχανισµούς που προαναφέρθηκαν. Μια από τις βασικές παραµέτρους για την άρτια παραγωγή σκυροδέµατος είναι η καταλληλότητα των αδρανών υλικών που επιλέγονται να χρησιµοποιηθούν ως προς την καθαρότητα τους από αργιλικές προσµίξεις. Το γενικότερο ενδιαφέρον για τις αργιλικές προσµίξεις των αδρανών υλικών, κυρίως της άµµου, έγκειται στο γεγονός ότι ορισµένα από αυτά περιέχουν αργιλικά ορυκτά τα οποία έχουν την τάση να προσροφούν νερό (υγροσκοπικότητα της αργίλου) και να διογκώνονται, µε - 1 -
αποτέλεσµα να προκαλούνται ρηγµατώσεις στο σκυρόδεµα. Η ιδιότητα αυτή, γνωστή ως δραστικότητα, τα καθιστά ακατάλληλα για χρήση τους στην παραγωγή σκυροδέµατος καθώς αυξάνουν την απαίτηση σε νερό του σκυροδέµατος, και προκαλούν προβλήµατα στην πρόσφυση και συνάφεια µεταξύ των κόκκων των αδρανών και του τσιµεντοπολτού και κατ επέκταση στην ανάπτυξη των µηχανικών αντοχών του σκυροδέµατος, παρά το γεγονός ότι µικρή ποσότητα αργίλου βελτιώνει το εργάσιµο του νωπού σκυροδέµατος. Το ζήτηµα της καθαρότητας των αδρανών υλικών λοιπόν, ανάγεται όχι µόνο στον προσδιορισµό της παρουσίας αργιλικών προσµίξεων αλλά και της ικανότητας αυτών για διόγκωση ή όχι. Για τον προσδιορισµό της παρουσίας αργιλικών προσµίξεων σε αδρανή σκυροδέµατος και αδρανή οδοποιΐας, χρησιµοποιείται η δοκιµή του ισοδυνάµου άµµου, ενώ για την εξακρίβωση της δραστικότητας αυτών η δοκιµή του κυανού (µπλε) του µεθυλενίου. Ισοδύναµο Άµµου Ο έλεγχος εκτελείται µε σκοπό το γρήγορο καθορισµό της σχετικής αναλογίας της λεπτότατης σκόνης αργιλώδους µορφής και της άµµου στα αδρανή που προορίζονται για την παραγωγή σκυροδέµατος, όπως επίσης και στα αδρανή υλικά για την κατασκευή οδοστρωµάτων στην οδοποιΐα όπως για υποβάσεις, βάσεις και ασφαλτοµίγµατα, καθώς και στα χαλικοµιγή ή αµµώδη εδάφη. Η ύπαρξη χαµηλού ποσοστού ισοδυνάµου άµµου χαρακτηρίζει τα αδρανή ως µη καθαρά και αποτελεί µια ένδειξη, µόνο, της ύπαρξης ποσότητας επιβλαβών προσµίξεων πολύ λεπτών κόκκων αργίλου. Κυανό (µπλε) του µεθυλενίου Η δοκιµή του κυανού (µπλε) του µεθυλενίου χρησιµοποιείται για την ανίχνευση ενεργών αργιλικών ορυκτών στα αδρανή. Τα ενεργά αργιλικά ορυκτά, σε αντίθεση µε τα µη ενεργά, έχουν την τάση να διογκώνονται ανάλογα µε την περιεκτικότητα τους σε νερό. Η διόγκωση αυτή έχει καταστροφικές συνέπειες τόσο για το σκυρόδεµα, όσο και στην περίπτωση των ασφαλτοµιγµάτων κατά την κατασκευή εύκαµπτων οδοστρωµάτων και στις ασύνδετες στρώσεις των οδοστρωµάτων. Ο έλεγχος βασίζεται στην αρχή της προσρόφησης, επί της ενεργής επιφάνειας των αργιλικών ορυκτών, των µορίων του δείκτη κυανό του µεθυλενίου. Κατά τη δοκιµή µετράται η ποσότητα του κυανού του µεθυλενίου για τη µοριακή επικάλυψη όλων των αργιλικών συστατικών των αδρανών. Πειραµατικό Μέρος Υλικά: Άµµος, δείκτης κυανό (µπλε) του µεθυλενίου, απιονισµένο νερό. Συσκευές και όργανα: - Ισοδύναµο Άµµου: βαθµονοµηµένος ογκοµετρικός κύλινδρος µε πώµα από καουτσούκ, ειδικός αρδευτικός σωλήνας, υδροβολέας, χρονόµετρο, στήριγµα, διµεριστική µηχανή. - Κυανό του Μεθυλενίου: δοχείο, προχοϊδα, αναδευτήρας (µίξερ), διµεριστική µηχανή. Προδιαγραφές: - Ισοδύναµο Άµµου : ASTM D241 9, AASHTO T176-2 -
- Κυανό του Μεθυλενίου : ΕΝ 933/9. Πειραµατική ιαδικασία: Ι. Ισοδύναµο Άµµου Στον ειδικά βαθµονοµηµένο ογκοµετρικό κύλινδρο (βαθµονόµηση ανά ) φέρεται αρχικά το διάλυµα εργασίας και απιονισµένο νερό µέχρι την ένδειξη 4 και ακολούθως 100-120 g ξηρής άµµου που διέρχεται από το κόσκινο Νο4. Ο βαθµονοµηµένος ογκοµετρικός κύλινδρος κρούεται ηπίως και επανειληµµένα στη βάση του για την αποµάκρυνση φυσαλίδων αέρα και αφήνεται σε ηρεµία για 10 min. Μετά το πέρας των 10 min κλείνεται µε πώµα από καουτσούκ και πραγµατοποιούνται 90 κύκλοι ανάδευσης σε περίοδο 30 δευτερολέπτων. Στην συνέχεια εισάγεται ειδικός αρδευτικός σωλήνας στον πυθµένα του κυλίνδρου και ξεπλένεται η άµµος µε προσθήκη απιονισµένου νερού, µέχρι την ένδειξη 15. Το σύστηµα αφήνεται σε ηρεµία για 20 min ώστε να δηµιουργηθεί µε καθίζηση ένα λεπτό θολό στρώµα αιωρήµατος αργίλου σε κολλοειδή διασπορά πάνω από τη στοιβάδα των κόκκων της καθαρής άµµου. Τότε µετράται το ύψος Η της στοιβάδας της άµµου µέσα στον ογκοµετρικό κύλινδρο. Στη συνέχεια, µε την βοήθεια ειδικού εξαρτήµατος («ποδιού») το οποίο εισάγεται στον κύλινδρο και το οποίο αφήνεται να βυθιστεί ηπίως µε το ίδιο του το βάρος και να σταµατήσει στο καθαρό µέρος της άµµου, µετράται το ύψος h της στοιβάδας του θολού αιωρήµατος της αργίλου. Η δοκιµή πραγµατοποιείται εις διπλούν, δηλαδή σε δύο δείγµατα άµµου σε δύο βαθµονοµηµένους ογκοµετρικούς κυλίνδρους. ΙΙ. Κυανό (µπλε) του Μεθυλενίου Για τον έλεγχο απαιτούνται τουλάχιστον 200 g ξηρής άµµου που διέρχεται από το κόσκινο Νο4. Σε ογκοµετρικό δοχείο προστίθενται αρχικά 500 g απιονισµένου νερού και ακολούθως το δείγµα της άµµου µάζας 200-210 g και το σύστηµα αναδεύεται για 5 min στον αναδευτήρα (µίξερ) µε ταχύτητα ανάδευσης 600 στροφές/min. Ακολουθεί προσθήκη 5 ml χρωστικού διαλύµατος του δείκτη κυανού του µεθυλενίου και ανάδευση του συστήµατος για 2 min µε µειωµένη ταχύτητα στην τιµή των 400 στροφών/min. Στη συνέχεια εκτελείται η δοκιµή «κηλίδας». Η δοκιµή συνίσταται στο σχηµατισµό µιας κηλίδας, που προκαλείται από µια σταγόνα που λαµβάνεται από το διάλυµα της άµµου. Η σταγόνα αφήνεται να προσροφηθεί σε διηθητικό χαρτί, που αποτελείται από µία κεντρικά αποτιθέµενη ουσία µε γενικά στερεό µπλε χρώµα, η οποία περιβάλλεται από µία άχρωµη ζώνη. Η δοκιµή θεωρείται θετική όταν σχηµατιστεί, περιφερειακά της κεντρικής απόθεσης, µία στεφάνη από ένα συνεχή δακτύλιο χρώµατος ανοιχτού µπλε, πάχους περίπου 1 mm. Εάν µετά την προσθήκη της αρχικής ποσότητας των 5 ml χρωστικού διαλύµατος δεν εµφανιστεί η στεφάνη, προστίθενται επιπλέον 5 ml χρωστικού διαλύµατος, πραγµατοποιείται ανάδευση για 2 min και εκτελείται δεύτερη δοκιµή κηλίδας. Εάν εξακολουθεί να µην εµφανίζεται η στεφάνη, η διαδικασία επαναλαµβάνεται κατά τον ίδιο ακριβώς τρόπο έως ότου αυτή εµφανιστεί. Η στεφάνη πρέπει να παραµείνει ορατή και αναλλοίωτη για 5 min, ώστε να θεωρηθεί ότι η δοκιµή περατώθηκε. Αν εξαφανιστεί πριν τα 4 min, προστίθενται επιπλέον 5 ml χρωστικού διαλύµατος. Αν εξαφανιστεί κατά τη διάρκεια του 5 ου λεπτού, προστίθενται µόνο 2 ml χρωστικού διαλύµατος. Μετά το πέρας της δοκιµής, καταγράφεται ο συνολικός όγκος V B του χρωστικού διαλύµατος που προστέθηκε για να δηµιουργηθεί η στεφάνη, η οποία διατηρείται για 5 min, µε ακρίβεια 1 ml. - 3 -
Υπολογισµοί Επεξεργασία Μετρήσεων: Ι. Ισοδύναµο Άµµου Από την µέτρηση του ύψους H της στοιβάδας της καθαρής άµµου και του ύψους h της στοιβάδας του αιωρήµατος της αργίλου, υπολογίζεται ο δείκτης ισοδυνάµου άµµου Ι.Α. (στρογγυλοποίηση στον πλησιέστερο ακέραιο αριθµό), ως µέση τιµή 2 µετρήσεων, από τη σχέση h I.A. = 100% H Όταν Ι.Α. 65 η άµµος κρίνεται κατάλληλη για συνήθεις κατασκευές, ενώ για έργα απαιτήσεων θα πρέπει Ι.Α. 70 και Ι.Α. 75 για έργα πολύ υψηλών απαιτήσεων. Τα αποτελέσµατα των δύο δοκιµών πρέπει να διαφέρουν µεταξύ τους το πολύ ±3 µονάδες Ι.Α.. Σε περίπτωση αποτελεσµάτων µε διαφορά µεγαλύτερη από την επιτρεπόµενη, πραγµατοποιείται έλεγχος και σε 3 ο δείγµα άµµου και υπολογισµού της τελικής µέσης τιµής του δείκτη Ι.Α. χρησιµοποιείται η τελευταία τιµή µε ένα εκ των δύο πρώτων αποτελεσµάτων που αυτό θα πρέπει να βρίσκεται εντός της επιτρεπόµενης διαφοράς. ΙΙ. Κυανό (µπλε) του Μεθυλενίου Υπολογίζεται η τιµή του δείκτη κυανού του µεθυλενίου, Μ.Β. (Methylene Blue), σε g χρωστικής ουσίας ανά kg αδρανούς υλικού (M.Β. πάντα µικρότερος της µονάδας) από τη σχέση VB M.B. = 10 (σε g/kg) m όπου m: η µάζα του δείγµατος της άµµου, V B : ο όγκος (σε ml) του δείκτη κυανού του µεθυλενίου που καταναλώθηκε. Σε κάθε περίπτωση η τιµή του δείκτη κυανού του µεθυλενίου, Μ.Β., καταγράφεται µε ακρίβεια 0.10 g χρωστικής ουσίας ανά kg του κλάσµατος αδρανούς υλικού. - 4 -
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ελληνική: 1. Α. Τριανταφύλλου, οµικά Υλικά, 7 η Εκδ., Πάτρα, 2005 2. R. Wendehorst, οµικά Υλικά, 2 η Έκδ., Εκδόσεις Μ. Γκιούρδα, Αθήνα, 1981 3. P. K. Mehta, P. J. M. Monteiro, Σκυρόδεµα. Μικροδοµή, ιδιότητες και υλικά, (σε µετάφραση Ι. Παπαγιάννη), 3 η Έκδ., Εκδόσεις Κλειδάριθµος, Αθήνα, 2009 4. Χ. Οικονόµου, Τεχνολογία του Σκυροδέµατος, 3 η Έκδοση, Εκδόσεις ΣΕΛΚΑ - 4Μ ΕΠΕ - ΤeΚ ΟΤΙΚΗ, Αθήνα, 2003 Ξενόγλωσση: 5. ASTM Standards, Section 4: Construction, Volume 04.02: Concrete and Aggregates 6. G. D. Taylor, Materials in Construction Principles, Practice and Performance, Pearson Education, U.K., 2002 7. S. Somayaji, Civil Engineering Materials, 2 nd ed., Prentice-Hall, New Jersey, U.S.A., 2001 8. M. S. Mamlouk, J. P. Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, 2 nd Ed., Pearson Education, New Jersey, U.S.A., 2006 9. R. A. Flinn, P. K. Trojan, Engineering Materials and their Applications, 4 th ed., Houghton Mifflin Company, Boston, U.S.A., 1990 10. S. Mindess, J. F. Young, D. Darwin, Concrete, 2 nd ed., Pearson Education, New Jersey, U.S.A., 2003 11. A. M. Neville, Properties of Concrete, 4 th ed., Pearson Education, London, U.K., 2004 12. P. C. Hewlett, Lea s Chemistry of Cement and Concrete, 4 th ed., Edward Arnold, London, 1998 13. H. F. W. Taylor, Cement Chemistry, 2 nd ed., Thomas Telford Publishing, London, U.K., 1997 14. M. S. J. Gani, Cement and Concrete, Chapman & Hall, London, U.K., 1997 15. S. N. Gosh, Cement and Concrete Science and Technology, Vol. I Part I, ABI Books Pvt., New Delhi, India, 1991 16. S. N. Gosh, Cement and Concrete Science and Technology, Vol. I Part II, ABI Books Pvt., New Delhi, India, 1992 Κανονισµοί Πρότυπα: 17. ASTM Standards, Section 4: Construction, Volume 04.02: Concrete and Aggregates 18. Κανονισµός Τεχνολογίας Σκυροδέµατος ΚΤΣ-97 (ΦΕΚ 315/Β/17-4-97) 19. ΕΛΟΤ EN 12620: Αδρανή σκυροδέµατος 20. ΕΛΟΤ ΕΝ 13043: Αδρανή ασφαλτοµιγµάτων 21. ΕΛΟΤ ΕΝ 13139: Αδρανή Κονιαµάτων 22. ΕΛΟΤ ΕΝ 13383-1: Αδρανή για Ογκόλιθους για λιµενικά και υδραυλικά έργα 23. ΕΛΟΤ ΕΝ 13450: Αδρανή για έρµα σιδηροδροµικής γραµµής 24. ΕΛΟΤ ΕΝ 13242: Αδρανή για βάσεις και υποβάσεις σταθεροποιηµένες ή µη 25. ΕΛΟΤ ΕΝ 13055: Ελαφροβαρή Αδρανή - 5 -