Σκυρόδεµα οπλισµένο µε χαλύβδινες ίνες ανακυκλωµένες από µεταχειρισµένα ελαστικά οχηµάτων

Σκυρόδεµα οπλισµένο µε χαλύβδινες ίνες ανακυκλωµένες από µεταχειρισµένα ελαστικά οχηµάτων Κ. Νεοκλέους Research Associate Κ. Πηλακούτας Professor of Construction Innovation P. Waldron Professor of Structural Engineering Centre for Cement and Concrete, Department of Civil and Structural Engineering, The University of Sheffield Λέξεις κλειδιά: ανακύκλωση ελαστικών οχηµάτων, ινοπλισµένο σκυρόδεµα, χαλύβδινες ίνες ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η εκτενής ανακύκλωση µεταχειρισµένων ελαστικών των οχηµάτων απαιτεί την δηµιουργία νέων αγορών και προϊόντων τα οποία θα χρησιµοποιούν το ανακυκλωµένο χαλύβδινο νήµα. Αυτό λαµβάνεται µε την µορφή ινών και προς το παρόν παραµένει αχρησιµοποίητο. Υπολογίζεται ότι η χρήση των ινών ως οπλισµός σκυροδέµατος, µπορεί να αποτελέσει πιθανή λύση σε αυτό το πρόβληµα. Μια τέτοια χρήση αυτών των ινών απαιτεί την διεξοδική εξέταση αυτών και του ινοπλισµένου σκυροδέµατος. Η παρούσα εργασία εξετάζει την ανάπτυξη µιγµάτων ινοπλισµένου σκυροδέµατος, την εξέταση της αντοχής σε παραµόρφωση. Επίσης εξετάζεται το πλαίσιο σχεδιασµού του προτύπου της RILEM για την αντοχή σε παραµόρφωση. Το κύριο συµπέρασµα είναι ότι το χαλύβδινο νήµα ελαστικού µπορεί να χρησιµοποιηθεί αποτελεσµατικά ως οπλισµός σκυροδέµατος. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εφαρµογή διαφόρων περιβαλλοντικών οδηγιών του Συµβουλίου της Ευρώπης, όπως η οδηγία για την ταφή των αποβλήτων στις χωµατερές (L-182, 1999) και για την αποτέφρωση των αποβλήτων (L-332, 2000), έχει περιορίσει σηµαντικά τους τρόπους διαχείρισης των µεταχειρισµένων ελαστικών οχηµάτων και των υποπροϊόντων τους (π.χ. κόκκοι ελαστικού και χαλύβδινο νήµα), (Pilakoutas et al., 2004). Αν και υπάρχουν πολλές εφαρµογές και προϊόντα που χρησιµοποιούν τους κόκκους ελαστικού (Hylands and Shulman, 2003; Lawrence, 2004), το χαλύβδινο νήµα συνήθως χρησιµοποιείται ως πρώτη ύλη σε κλίβανους παραγωγής χάλυβα ή απορρίπτεται στις χωµατερές. Όµως η οδηγία για την ταφή των αποβλήτων στις χωµατερές θα απαγορεύσει (από τον Ιούλιο του 2006) και την ταφή των υποπροϊόντων των ελαστικών οχηµάτων και, εποµένως, η χρήση του χαλύβδινου νήµατος σε κλίβανους θα αποµείνει ο µοναδικός τρόπος διαχείρισης του. Εντούτοις, αυτή η εφαρµογή δεν είναι σταθερή καθώς επηρεάζεται άµεσα από την τιµή και διαθεσιµότητα άλλων τύπων χαλύβδινων αποβλήτων. Το χαλύβδινο νήµα ανακτάται από τα ελαστικά οχηµάτων υπό µορφή ινών (ΑΧΙ) και, ενδεχοµένως, µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε κατασκευές σκυροδέµατος, καθώς υπάρχουν αρκετά παραδείγµατα (όπως πλάκες εδάφους και εκτοξευόµενο σκυρόδεµα) όπου συνηθισµένες χαλύβδινες ίνες υποκατέστησαν µε επιτυχία συµβατικό οπλισµό σκυροδέµατος. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 1

Όµως, για να επιτευχθεί εκτενής και αποτελεσµατική χρήση των ΑΧΙ ως οπλισµός σκυροδέµατος, απαιτείται διεξοδική µελέτη διαφόρων ζητηµάτων. Ανάλογα µε τη µέθοδο που χρησιµοποιείται για την ανάκτηση των ΑΧΙ, οι ίνες περιέχουν κόκκους ελαστικού πάνω στην επιφάνεια τους και έχουν ακανόνιστες διαστάσεις. Επιπλέον, ίνες που λαµβάνονται από την µέθοδο τεµαχισµού των ελαστικών είναι ελαφρώς µαγνητισµένες και τείνουν να ανακατεύονται µεταξύ τους και να δηµιουργούν χαλύβδινες µπάλες, πριν και κατά την διάρκεια ανάµιξης τους µε τα άλλα συστατικά του σκυροδέµατος (Νεοκλέους et al., 2003; Pilakoutas et al., 2004). Η δηµιουργία µπάλων κατά τη διάρκεια της ανάµιξης του σκυροδέµατος επηρεάζεται από την γεωµετρία των ινών, το µέγεθος των αδρανών, τη σχετική αναλογία όγκου των ινών και χοντρόκοκκων αδρανών, την µέθοδο και διάρκεια ανάµιξης των διαφόρων υλικών (Swamy, 1974; Swamy and Fattuhi, 1974; Swamy and Mangat, 1974). Επιπλέον, απαιτείται η εξέταση των µηχανικών ιδιοτήτων ινοπλισµένου σκυροδέµατος µε ΑΧΙ (ΙΣΑΧΙ) και η δηµιουργία κατάλληλων οδηγιών σχεδιασµού. Το Centre for Cement and Concrete (του πανεπιστηµίου του Sheffield) διεξάγει, από το 2001, εκτενή έρευνα που αποσκοπεί στην διεξοδική µελέτη των πιο πάνω ζητηµάτων και έχει ήδη αποκτήσει δίπλωµα ευρεσιτεχνίας για την χρήση των ΑΧΙ ως οπλισµός σκυροδέµατος (The University of Sheffield, 2005). Η παρούσα εργασία στοχεύει να συνοψίσει την έρευνα που έχει γίνει µέχρι σήµερα. Πρώτα παρουσιάζονται οι µέθοδοι ανακύκλωσης που χρησιµοποιήθηκαν για την ανάκτηση των ινών από τα µεταχειρισµένα ελαστικά αυτοκινήτων. Μετά ακολουθούν η ανάπτυξη και βελτιστοποίηση µιγµάτων ΙΣΑΧΙ καθώς και η εξέταση της συµπεριφοράς σε παραµόρφωση. Επίσης, η εργασία παρουσιάζει την έρευνα που έγινε για την ανάπτύξη κατάλληλης µεθοδολογία σχεδιασµού για στοιχεία ΙΣΑΧΙ. 2 ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΧΑΛΥΒΑ ΑΠΟ ΜΕΤΑΧΕΙΡΙΣΜΕΝΑ ΕΛΑΣΤΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Η ανάκτηση υλικών από µεταχειρισµένα ελαστικά οχηµάτων γίνεται συνήθως µε την χρήση µηχανικών και χηµικών µεθόδων (Pilakoutas et al., 2004). Με τις µηχανικές µεθόδους (όπως ο τεµαχισµός ελαστικών) ανακτώνται κόκκοι ελαστικού και χαλύβδινες ίνες, καθώς µε τις χηµικές µεθόδους (όπως η πυρόλυση) λαµβάνονται χαλύβδινες ίνες και τα χηµικά συστατικά του ελαστικού (σε υγρή και αέρια µορφή). 2.1 Μέθοδος τεµαχισµού των ελαστικών Τα ελαστικά τεµαχίζονται σε διάφορα στάδια µε την χρήση ειδικών αλετριών και ψαλιδιών. Ο αριθµός των σταδίων τεµαχισµού εξαρτάται από το απαιτούµενο µέγεθος του ανακυκλωµένου ελαστικού. Στο πρώτο στάδιο τεµαχισµού, τα ελαστικά οχηµάτων τεµαχίζονται σε κοµµάτια που κυµαίνονται από 50 mm ως 200 mm. Σε αυτή τη µορφή, το ελαστικό (το οποίο περιέχει το χαλύβδινο νήµα) χρησιµοποιείται συνήθως ως καύσιµη ύλη ή στην κατασκευή αποχετεύσεων (Hylands and Shulman, 2003). Όταν το ανακυκλωµένο ελαστικό δεν χρησιµοποιείται σε αυτές τις εφαρµογές, τεµαχίζεται περαιτέρω σε κοµµάτια 25 mm και µετά κονιοποιείται (µέγεθος από 1 mm ως 10 mm). Μετά το δεύτερο τεµαχισµό και στο τέλος κάθε µεταγενέστερου τεµαχισµού, το χαλύβδινο νήµα διαχωρίζεται από τα κοµµάτια ελαστικού µε την χρήση µαγνητών. Η µέθοδος τεµαχισµού των ελαστικών θεωρείται ως η πιο οικονοµικά ώριµη και τεχνολογικά ανεπτυγµένη µέθοδος ανακύκλωσης των ελαστικών (Hylands and Shulman, 2003). Κατά την διάρκεια του τεµαχισµού, το χαλύβδινο νήµα υποβάλλεται σε διάφορες διαδικασίες και κατά συνέπεια ένα µεγάλο µέρος του είναι σπασµένο. Η ποιότητα του χάλυβα που ανακτάται µετά το δεύτερο τεµαχισµό και στο τέλος τις διαδικασίας διαφέρει σε µεγάλο βαθµό. Μετά το δεύτερο τεµαχισµό, ο χάλυβας περιέχει µεγάλα κοµµάτια ελαστικού και υφασµάτινες ίνες (Εικόνα 1). Ενώ ο χάλυβας µου λαµβάνεται στο τέλος της διαδικασίας αποτελείται κυρίως από λεπτές ίνες, οι οποίες περιέχουν και µικρούς κόκκους ελαστικού (Εικόνες 1 και 2). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 2

Εικόνα 1. Μέθοδος τεµαχισµού των ελαστικών: α) πρώτο στάδιο τεµαχισµού, β) χάλυβας µετά το δεύτερο τεµαχισµό και γ) χάλυβας στο τέλος της διαδικασίας Εικόνα 2- Χαλύβδινες ίνες που ανακτώνται στο τέλος του τεµαχισµού των ελαστικών οχηµάτων 2.2 Μέθοδος πυρόλυσης των ελαστικών Με την µέθοδο πυρόλυσης, τα ελαστικά αποσυντίθενται θερµικά, στην απουσία οξυγόνου, σε προϊόντα µικρού µοριακού βάρους, όπως υδρογονάνθρακες, στερεά απόβλητα χάλυβα και άνθρακα, ο οποίος είναι αιθάλη χαµηλής ποιότητας (Williams et al., 2001). Τα ελαστικά οχηµάτων τοποθετούνται σε αυτόκλειστο και θερµαίνονται για ορισµένο χρονικό διάστηµα. Οι ατµοί που φεύγουν από το αυτόκλειστο, οδηγούνται σε µια σειρά διαχωριστών υγρών/αερίων, όπου τα υγρά συµπυκνώνονται και µαζεύονται. Το χαλύβδινο νήµα ξεχωρίζεται από τον άνθρακα, ο οποίος αλέθεται και ταξινοµείται. Τονίζεται ότι το χαλύβδινο νήµα που ανακτάται από την διαδικασία περιέχει άνθρακα στην επιφάνεια του. Επειδή τα ελαστικά συνήθως τεµαχίζονται πριν την πυρόλυση, το χαλύβδινο νήµα σπάζει και λαµβάνεται στην µορφή λεπτών ινών όπως στην µέθοδο τεµαχισµού. Όταν τα ελαστικά δεν τεµαχίζονται, τότε είναι δυνατό να ανακτηθεί άθικτο το χαλύβδινο νήµα το οποίο έπειτα µπορεί να κοπεί σε οποιοδήποτε µέγεθος (Εικόνα 3). Τονίζεται ότι µονάδες πυρόλυσης των ελαστικών δεν είναι οικονοµικά βιώσιµες λόγω των δυσκολιών που υπάρχουν στην εµπορευσιµότητα των ανακτηµένων υλικών, ειδικά του άνθρακα (Pilakoutas et al. 2004). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 3

Εικόνα 3. Χάλυβας που ανακτάται από την πυρόλυση ατεµάχιστων ελαστικών οχηµάτων 3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΙΣΑΧΙ Η πειραµατική εργασία που διεξάχθηκε αποσκοπούσε στη ανάπτυξη βελτιστοποιηµένων µιγµάτων ΙΣΑΧΙ, χαρακτηρισµό της αντοχής σε παραµόρφωση και την ανάπτυξη ενός κατάλληλου διαγράµµατος τάσης και παραµόρφωσης για την εφελκυστική αντοχή του ΙΣΑΧΙ. 3.1 Τύποι ινών Εξετάστηκαν δύο τύποι ΑΧΙ: τεµαχισµένες και πυρολυµένες (Εικόνα 4). Επίσης, εξετάστηκαν ίνες (ΚΧΝ) που λήφθηκαν από καινούριο χαλύβδινο νήµα ελαστικών για να εξεταστεί η επιρροή του άνθρακα, ο οποίος υπάρχει πάνω στην επιφάνεια των πυρολυµένων ινών. Για να συγκριθεί η συµπεριφορά ΙΣΑΧΙ και αυτή συµβατικού ινοπλισµένου σκυροδέµατος, εξετάστηκαν και δύο τύποι συνηθισµένων χαλύβδινων ινών που κατασκευάζονται µε βιοµηχανικά µέσα (Εικόνα 4). Εικόνα 4. Τύποι χαλύβδινων ινών Οι τεµαχισµένες ΑΧΙ (ΤΑΧΙ) λήφθηκαν από το τρίτο στάδιο τεµαχισµού ελαστικών οχηµάτων, είχαν ακανόνιστο µήκος και σχήµα και µερικές ίνες περιείχαν ελαστικό πάνω στην επιφάνεια τους (Εικόνα 4). Επίσης, οι ΤΑΧΙ ήταν ασθενώς µαγνητισµένες και µπλεγµένες αναµεταξύ τους. Είχαν διάµετρο και µήκος, κατά µέσο όρο, 0.23 mm και 20 mm, αντιστοίχως, ενώ η αντοχή τους σε εφελκυσµό κυµαινόταν στα 2000 MPa. Οι πυρολυµένες ΑΧΙ λήφθηκαν από την πυρόλυση (µε την χρήση µικροκυµάτων) ατεµάχιστων ελαστικών (AMAT, 2005), όπου το χαλύβδινο νήµα ανακτήθηκε άθικτο και ακολούθως κόπηκε σε 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 4

κοµµάτια µήκους 50 mm (Pilakoutas et al., 2004). Η διάµετρος των ΠΑΧΙ κυµαινόταν από 0.8 ως 1.55 mm και η αντοχή τους σε εφελκυσµό ξεπερνούσε τα 1250 MPa. Οι ίνες τύπου ΚΧΝ λήφθηκαν από την κοπή καινούργιου χαλύβδινου νήµατος που χρησιµοποιείται στην κατασκευή ελαστικών οχηµάτων. Η επιφάνεια και η κατασκευή των ΚΧΝ ήταν παρόµοια µε αυτήν των ΠΑΧΙ. Η διάµετρο και το µήκος των ινών ΚΧΝ ήταν 1.55 mm και 50 mm, αντιστοίχως. Οι βιοµηχανικά κατασκευασµένες ίνες µε πεπλατυσµένα άκρα (ΧΙ-1) είχαν διάµετρο και µήκος 1 mm και 50 mm, αντιστοίχως, και η εφελκυστική τους αντοχή ήταν 1000 MPa. Οι βιοµηχανικά κατασκευασµένες ίνες µε αγκιστρωµένα άκρα (ΧΙ-2) είχαν διάµετρο και µήκος 1.05 mm και 50 mm, αντιστοίχως, και η αντοχή τους σε εφελκυσµό ήταν 1000 MPa. 3.2 Μίγµατα ινοπλισµένου σκυροδέµατος 3.2.1 Ανάπτυξη µιγµάτων Ο πίνακας 1 παρουσιάζει τα µίγµατα άοπλου σκυροδέµατος που χρησιµοποιήθηκαν για την ανάπτυξη των µιγµάτων ινοπλισµένου σκυροδέµατος. Τα κριτήρια για την ανάπτυξη όλων των µιγµάτων ήταν η βελτιστοποίηση της ποσότητας των ινών που περιέχει το κάθε µίγµα και η παράλληλη διατήρηση της κάθισης του νωπού σκυροδέµατος πάνω από 50 mm χωρίς να δηµιουργείται συµµάζεµα των ινών. Τα τρία µίγµατα χρησιµοποιήθηκαν αρχικά για την ανάπτυξη σκυροδέµατος οπλισµένο µε ΑΧΙ. Ακολούθως, το µίγµα µε τα πιο βελτιστοποιηµένα αποτελέσµατα χρησιµοποιήθηκε για την ανάπτυξη σκυροδέµατος οπλισµένο µε ίνες ΚΧΝ, ΧΙ-1 και ΧΙ-2. Επίσης εξετάστηκε η επιρροή διάφορων µεθόδων ανάµιξης των υλικών και η χρήση υπερευστοποιητή πάνω στην εργασιµότητα του νωπού ινοπλισµένου σκυροδέµατος. Πίνακας 1. Μίγµατα συνηθισµένου σκυροδέµατος (Kg/m 3 ) Μίγµα Κωδικός Αδρανή Τσιµέντο Νερό Επιθυµητή αντοχή σε θλίψη (f c ) 20mm 10mm Άµµος OPC SPFA MPa Α OPC40 0 1185 675 346 0 180 40 Β OPC50 770 340 715 394 0 177 50 Γ SPFA 40/30 0 1185 715 236 101 155 40 OPC Τσιµέντο τύπου Ordinary Portland SPFA Ιπτάµενη Τέφρα 3.2.2 Βελτιστοποίηση µιγµάτων Πέντε µέθοδοι ανάµιξης των υλικών χρησιµοποιήθηκαν για την βελτιστοποίηση του σκυροδέµατος οπλισµένο µε ΤΑΧΙ και ΠΑΧΙ. Στην 1 η µέθοδο, οι ίνες προστεθήκαν επαυξητικά στο µίγµα (0.25% ανά βάρος του σκυροδέµατος). Η 2 η µέθοδος, εξέτασε την επαυξητική πρόσθεση υπερευστοποιητή. Στην 3 η µέθοδο, οι ίνες προστέθηκαν στο τέλος, αφού πρώτα αναµίχθηκε ο υπερευστοποιητής µε τα υπόλοιπα συστατικά. Στη 4 η µέθοδο, αναµιχθήκανε πρώτα όλα τα στερεά συστατικά, συµπεριλαµβανοµένων και των ινών, για να επιτευχθεί ο διασκορπισµός του τσιµέντου πάνω στις ίνες πριν προστεθούν το νερό και ο υπερευστοποιήτης. Η 5 η µέθοδος εξέτασε την επαυξητική πρόσθεση ινών (0.25% ανά βάρος) και το ταυτόχρονο έλεγχο της κάθησης του νωπού σκυροδέµατος και τη αποφυγή συµµαζέµατος των ινών µέσω της επαυξητικής πρόσθεσης υπερευστοποιητή (0.2% ανά βάρος του τσιµέντου), (Πίνακας 2). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 5

Πίνακας 2. Επιρροή του ποσοστού ίνας και υπερευστοποιητή στη κάθηση νωπού σκυροδέµατος (Μίγµα Γ, 5 η µέθοδος ανάµιξης) Τύπος Ποσοστό των Υπερευστοποιητής Κάθηση νωπού ίνας ινών (%)* (% )** σκυροδέµατος (mm) ΧΙ-1 6.0 0.75 150 ΧΙ-2 6.0 0.75 150 1.5 0.20 200 ΠΑΧΙ 3.0 0.40 150 6.0 0.75 140 0.5 0.20 90 ΤΑΧΙ 1.5 0.40 75 2.0 0.75 55 1.5 0.20 160 ΚΧΝ 3.0 0.40 90 6.0 0.75 70 * ανά βάρος του σκυροδέµατος, ** ανά βάρος του τσιµέντου Στην περίπτωση του ινοπλισµένου σκυροδέµατος µε ΤΑΧΙ, η τελευταία µέθοδος ανάµιξης ήταν η πιο αποτελεσµατική. Οι υπόλοιπες µέθοδοι ανάµιξης παρήγαγαν δύσκαµπτα µίγµατα, στα οποία δηµιουργήθηκαν µπάλες ινών και απόµιξη του σκυροδέµατος (concrete segregation). Σηµειώνεται ότι ο µαγνητισµός και οι ακανόνιστες διαστάσεις των ινών ήταν οι κύριοι λόγοι για την µικρή εργασιµότητα του µίγµατος. Το µέγιστο ποσοστό περιεκτικότητας ίνας που επιτυγχάνθηκε µε την 1 η και 5 η µέθοδο ανάµιξης ήταν 0.75% και 2% (ανά βάρος), αντιστοίχως. Τα πιο βελτιστοποιηµένα µίγµατα ινοπλισµένου σκυροδέµατος ήταν αυτά που ήταν βασισµένα στο µίγµα Γ. Σε αυτό το µίγµα χρησιµοποιήθηκε και ιπτάµενη τέφρα, η οποία βελτιώνει την εργασιµότητα του σκυροδέµατος. Εποµένως αυτό το µίγµα χρησιµοποιήθηκε για την βελτιστοποίηση του σκυροδέµατος οπλισµένο µε ίνες τύπου ΚΧΝ, ΧΙ-1 και ΧΙ-2. Στην περίπτωση του ινοπλισµένου σκυροδέµατος µε ΠΑΧΙ, πάλι η 5 η µέθοδος ανάµιξης παρήγαγε το πιο βελτιστοποιηµένο µίγµα µε µέγιστο ποσοστό περιεκτικότητας ίνας 6% (όταν το ποσοστό υπερευστοποιητή ήταν γύρω στο 1%). Τονίζεται, ότι σε αυτή την περίπτωση, ο υπερευστοποιήτης αναµίχθηκε πρώτα µε νερό και µετά προστέθηκε στο σκυρόδεµα. Η 5 η µέθοδος ανάµιξης χρησιµοποιήθηκε για την βελτιστοποίηση των µιγµάτων ινοπλισµένου σκυροδέµατος µε ΚΧΝ, ΧΙ-1 και ΧΙ-2. Το µέγιστο ποσοστό περιεκτικότητας ίνας που επιτυγχάνθηκε ήταν 6% (ανά βάρος). Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η εργασιµότητα του σκυροδέµατος µε ΧΙ-1 και ΧΙ-2 είναι παρόµοια µε αυτή του ινοπλισµένου σκυροδέµατος µε ΠΑΧΙ. Ενώ η εργασιµότητα του ινοπλισµένου σκυροδέµατος µε ΚΧΝ ήταν χειρότερη από αυτήν του σκυροδέµατος οπλισµένο µε ΠΑΧΙ. Εξέταση της πυκνότητας των ΠΑΧΙ και ΚΧΝ έδειξε ότι υπάρχει µια διαφορά πυκνότητας γύρω στο 15%. Αυτό σηµαίνει ότι για το ίδιο βάρος ίνας, χρησιµοποιούνται λιγότερες ΠΑΧΙ και αυτό µάλλον εξηγεί και την διαφορά στην εργασιµότητα των δύο µιγµάτων. Επίσης πρέπει να τονιστεί ότι ο άνθρακας, ο οποίος υπήρχε πάνω στην επιφάνεια των ΠΑΧΙ, πιθανόν να έδρασε ευεργετικά πάνω στην εργασιµότητα του σκυροδέµατος. 3.3 Αντοχή σε παραµόρφωση Η πρόσθεση ινών στο σκυρόδεµα βελτιώνει την εφελκυστική αντοχή του, η οποία σπανίως αποτιµάται µε δοκιµές στοιχείων σε εφελκυσµό, επειδή αυτές οι δοκιµές δεν γίνονται εύκολα και το σκυρόδεµα σπανίως υποβάλλεται απευθείας σε εφελκυσµό. Αντί αυτού, διεξάγονται δοκιµές παραµόρφωσης όπου αποτιµάται η αντοχή δυσθραυστότητας (flexural toughness) του ινοπλισµένου σκυροδέµατος. Για τις δοκιµές παραµόρφωσης στοιχείων ινοπλισµένου 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 6

σκυροδέµατος, υπάρχουν διάφορα πρότυπα όπως το ASTM (1995), JSCE (1994) και RILEM (2002). Σε αυτή την εργασία χρησιµοποιήθηκε το πρότυπο της RILEM για την αποτίµηση της αντοχής σε παραµόρφωσης (Tlemat et al., 2006). 3.3.1 Προετοιµασία δοκιµίων Το µίγµα Γ χρησιµοποιήθηκε για την παρασκευή ινοπλισµένων πρισµατικών δοκίµιων. Επίσης, παρασκευάστηκαν και δοκίµια άοπλου σκυροδέµατος για σκοπούς συγκρίσεως. Αδρανή µε µέγιστο µέγεθος 10 mm χρησιµοποιήθηκαν για το άοπλο σκυρόδεµα και το ινοπλισµένο σκυρόδεµα µε ΤΑΧΙ. Ενώ για τα υπόλοιπα δοκίµια χρησιµοποιήθηκαν δύο τύποι αδρανών: ένα µε µέγιστο µέγεθος 10 mm και ένα µε µέγιστό µέγεθος 20 mm. Τo βάθος και το πλάτος των δοκιµίων ήταν 150 mm, και το µήκος τους ήταν 550 mm. Τα δοκίµια σκυροδετήθηκαν σε ξύλινα καλούπια, τα οποία αφαιρέθηκαν την εποµένη µέρα της σκυροδέτησης. Τα δοκίµια τοποθετήθηκαν στο δωµάτιο υδρονέφωσης όπου παρέµειναν ως την µέρα της δοκιµής. Σε κάθε πρίσµα (στο µέσο του ανοίγµατος του) πριονίστηκε µια εγκοπή (βάθους 25 mm και πλάτους 5 mm) στην εφελκυόµενη πλευρά του πρίσµατος. Τονίζεται ότι για την διάταξη του φορτίου χρησιµοποιήθηκαν τέσσερα σηµεία (Εικόνα 5) όπως ορίζει το πρότυπο ASTM, επειδή η διάταξη φορτίου σε τρία σηµεία (όπως ορίζει το πρότυπο της RILEM), οδηγεί σε υπερτίµηση της αντοχής σε παραµόρφωση, λόγω του φαινοµένου load-spreading στα σηµεία εφαρµογής του φορτίου (Timoshenko and Goodier, 1970). Εικόνα 5. ιάταξη δοκιµής σε παραµόρφωση Τα αποτελέσµατα που λαµβάνονται από δοκιµές παραµόρφωσης είναι συνήθως επιρρεπής σε πειραµατικά λάθη (λόγω του ρυθµού φόρτισης, µετατόπισης των σηµείων στήριξης του δοκιµίου και δυσκαµψία της µηχανής), και εποµένως είναι αναγκαία η λήψη ορθών µετρήσεων (Copalaratnam and Gettu, 1995). Για να αποφεύγουν αυτά τα λάθη και η επίδραση της στρέψης του πρίσµατος πάνω στις µετρήσεις της παραµόρφωσης, αποφασίστηκε να χρησιµοποιηθεί ένας ζυγός (yoke) όπως ορίζει το Ιαπωνικό πρότυπο JSCE (Εικόνα 5). Οι δοκιµές έγιναν σε µια σερβουδραυλική µηχανή (100 kn) µε έλεγχο της µετατόπισης (µε σταθερό ρυθµό 0.2 mm /min). Η παραµόρφωση µετρήθηκε και στις δύο πλευρές του πρίσµατος. 3.3.2 Αποτελέσµατα δοκιµών Όλα τα δοκίµια απέτυχαν σε κάµψη λόγω εξόλκευσης των ινών στο εφελκυόµενο τµήµα του πρίσµατος. Όπως αναµενόταν, η αντοχή σε παραµόρφωση βελτιώθηκε µε την αύξηση του ποσοστού περιεκτικότητας των ινών. Η εικόνα 6 δείχνει τα αποτελέσµατα που λήφθηκαν για τα δοκίµια οπλισµένα µε ΤΑΧΙ. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι για ποσοστό περιεκτικότητας ΤΑΧΙ 0.5%, βελτιώθηκε µόνο η δυσθραυστότητα, ενώ το µέγιστο φορτίο ήταν κατά 15% µικρότερο από αυτό του άοπλου σκυροδέµατος. Αυτό µπορεί να αποδοθεί στην χαµηλή αντοχή σε θλίψη που είχε 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 7

το ινοπλισµένο σκυρόδεµα για το συγκεκριµένο ποσοστό περιεκτικότητας ίνας (Tlemat et al., 2006). Εικόνα 6. Αντοχή σε παραµόρφωση πρισµάτων σκυροδέµατος οπλισµένο µε ΤΑΧΙ Η εικόνα 7 συγκρίνει την αντοχή σε παραµόρφωση των δοκιµίων που ήταν οπλισµένα µε ΠΑΧΙ και ΚΧΝ αντιστοίχως. Τα δοκίµια µε ΚΧΝ είχαν ψηλότερη αντοχή και δυσθραυστότητα, όµως πρέπει να ληφθεί υπόψη η διαφορά πυκνότητας που υπάρχει µεταξύ των ΠΑΧΙ και ΚΧΝ. Ακόµα ένα λόγος για την διαφορά στην αντοχή είναι και η χαµηλότερη αντοχή σε θλίψη που είχαν τα δοκίµια µε ΠΑΧΙ. Τονίζεται ότι το µέγιστο φορτίο που λήφθηκε από τα δοκίµια µε ΠΑΧΙ και ΚΧΝ ήταν κατά 15% ψηλότερο από το φορτίο που λήφθηκε από τα άοπλα δοκίµια. Εικόνα 7. Αντοχή σε παραµόρφωση των δοκιµίων µε ΠΑΧΙ και ΚΧΝ Περαιτέρω εξέταση της αντοχής σε παραµόρφωση έδειξε ότι τα δοκίµια µε ΠΑΧΙ και ΚΧΝ έχουν παρόµοια µηχανική συµπεριφορά µε τα δοκίµια µε ΧΙ-1 και ΧΙ-2 (Εικόνα 8) και εποµένως οι ίνες που λαµβάνονται από το χαλύβδινο νήµα των ελαστικών µπορούν να χρησιµοποιηθούν αποτελεσµατικά ως οπλισµός σκυροδέµατος (Tlemat et al., 2006). Επίσης πρέπει να τονιστεί ότι προσθήκη των ΠΑΧΙ βελτιώνει την αντοχή σε παραµόρφωση του σκυροδέµατος περισσότερο από ότι η προσθήκη των ΤΑΧΙ. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 8

Εικόνα 8. Σύγκριση αντοχής σε παραµόρφωση δοκιµίων µε ΠΑΧΙ, ΚΧΝ και ΧΙ 4. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΙΣΑΧΙ Το πρότυπο της RILEM (2003) για ινοπλισµένο σκυρόδεµα χρησιµοποιήθηκε για την αποτίµηση της αντοχής σε παραµόρφωση των δοκιµίων που εξεταστήκανε πειραµατικώς (Neocleous et al., 2006). Για την αποτίµηση των διαγραµµάτων τάσης-παραµόρφωσης χρησιµοποιήθηκαν τα δύο διαγράµµατα ( Equivalent, Residual ) που προτείνονται από την RILEM: (Εικόνα 9, Πίνακας 3). Εικόνα 9. ιαγράµµατα τάσης-παραµόρφωσης όπως ορίζει το πρότυπο της RILEM Πίνακας 3. Παράµετροι για τα διαγράµµατα τάσης-παραµόρφωσης Τύπος ίνας Ποσοστό ίνας [% ] Αντοχή σε θλίψη f cm [MPa] f eq,2 [MPa] f eq,3 [MPa] f R,1 [MPa] f R,4 [Mpa] Άοπλο 0 51.5 - - - - 0.5 49.5 1.4 1.6 1.1 0.8 ΤΑΧΙ 1.0 50.0 2.0 2.8 3.9 1.7 2.0 45.0 2.4 4.1 6.0 2.5 1.5 44.0 3.3 4.6 5.4 3.7 ΠΑΧΙ 3.0 38.5 4.3 6.1 7.8 5.8 6.0 50.0 6.3 11.0 12.6 11.2 1.5 54.1 3.2 5.8 6.6 4.3 3.0 62.0 5.2 7.7 10.2 5.2 ΚΧΝ 6.0 66.2 5.9 12.6 14.1 10.4 ΧΙ-1 6.0 52.9 6.6 12.4 14.1 12.7 ΧΙ-2 6.0 63.9 5.6 11.8 13.8 11.5 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 9

Τα αποτελέσµατα που λήφθηκαν για την αντοχή σε παραµόρφωση έδειξαν ότι το πρότυπο της RILEM γενικά µπορεί να χρησιµοποιηθεί και για το σχεδιασµό στοιχείων ΙΣΑΧΙ. Όµως, όπως φαίνεται στο Πίνακα 4, η χρήση των µοντέλων σχεδιασµού της RILEM γενικά οδηγεί σε υπερεκτίµηση της αντοχής σε παραµόρφωση. Το πλαίσιο σχεδιασµού αυτού του προτύπου εξετάστηκε για να διακριβωθούν οι παράγοντες που επηρεάζουν την ορθότητα των αποτελεσµάτων (Neocleous et al., 2006, Tlemat et al., 2006a). Από αυτή την εξέταση φάνηκε ότι υπάρχουν θεµελιώδη προβλήµατα που σχετίζονται άµεσα µε τα διαγράµµατα τάσηςπαραµόρφωσης που χρησιµοποιούνται από το πρότυπο της RILEM. Ανάµεσα σε άλλα, τα κύρια προβλήµατα συµπεριλαµβάνουν: καθορισµός του σχήµατος του διαγράµµατος τάσης παραµόρφωσης, ορισµός του Limit of Proportionality, η χρήση ελαστό-πλαστικών διαγραµµάτων τάσης για το καθορισµό των σταθερών του µοντέλου. Για να βελτιωθεί η ορθότητα του µοντέλου, προτάθηκε ένα καινούριο διάγραµµα τάσης-παραµόρφωσης (σε εφελκυσµό) για ΙΣΑΧΙ και συνηθισµένο ινοπλισµένο σκυρόδεµα (Εικόνα 10, Tlemat et al., 2006a). Το διάγραµµα αναπτύχθηκε µε την τεχνική «αντίστροφης ανάλυσης µε την χρήση πεπερασµένων στοιχείων». Πίνακας 4. Στατιστικά δεδοµένα για το λόγο της θεωρητικής προς πειραµατική αντοχή σε παραµόρφωση Τύπος ίνας ΧΙ-1 ΧΙ-2 ΠΑΧΙ ΤΑΧΙ Μοντέλο Τάσης- Παραµόρφωσης Μέση τιµή Συντελεστής µεταβλητότητας RILEM Equivalent 0.92 0.23 RILEM Residual 1.32 0.09 RILEM Equivalent 0.96 0.32 RILEM Residual 1.27 0.13 RILEM Equivalent 1.08 0.24 RILEM Residual 1.48 0.12 RILEM Equivalent 1.04 0.31 RILEM Residual 1.44 0.33 Εικόνα 10. ιάγραµµα τάσης-παραµόρφωσης (εφελκυσµός) που αναπτύχθηκε για ΙΣΑΧΙ και συνηθισµένο ινοπλισµένο σκυρόδεµα 5. ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η παρούσα εργασία εξέτασε τις µηχανικές ιδιότητες σκυροδέµατος οπλισµένο µε χαλύβδινες ίνες που ανακτήθηκαν από την ανακύκλωση µεταχειρισµένων ελαστικών οχηµάτων. Η εργασία 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 10

συµπεριλάµβανε την παρουσίαση δύο µεθόδων ανακύκλωσης των ελαστικών, την ανάπτυξη µιγµάτων ινοπλισµένου σκυροδέµατος καθώς και την πειραµατική διερεύνηση της αντοχής σε παραµόρφωσης του ινοπλισµένου σκυροδέµατος. Επίσης εξετάστηκε το πρότυπο που προτείνεται από την RILEM για το σχεδιασµό ινοπλισµένου σκυροδέµατος. Η ανάπτυξη των µιγµάτων έδειξε ότι είναι αναγκαία η χρήση υπερευστοποιητή για να αυξηθεί το ποσοστό περιεκτικότητας των ινών και ταυτόχρονα να διατηρηθεί η εργασιµότητα του µίγµατος. Επίσης παρατηρήθηκε ότι η εργασιµότητα του νωπού σκυροδέµατος επηρεάζεται περισσότερο από την προσθήκη των τεµαχισµένων ινών. Το µέγιστο ποσοστό ίνας που επιτυγχάνθηκε για σκυρόδεµα οπλισµένο µε τεµαχισµένες και πυρολυµένες ανακυκλωµένες ίνες ήταν 2% και 6%, αντιστοίχως. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών σε παραµόρφωση έδειξαν ότι όλα τα δοκίµια απέτυχαν σε κάµψη λόγω εξόλκευσης των ινών στο εφελκυόµενο τµήµα των δοκιµίων. Η µηχανική συµπεριφορά των δοκιµίων µε πυρολυµένες ίνες ήταν παρόµοια µε την συµπεριφορά των δοκιµίων οπλισµένων µε συνηθισµένες χαλύβδινες ίνες και εποµένως συµπεραίνεται ότι οι ίνες που λαµβάνονται από άθικτο χαλύβδινο νήµα ελαστικών µπορούν να χρησιµοποιηθούν αποτελεσµατικά ως οπλισµός σκυροδέµατος. Εξέταση του πλαισίου σχεδιασµού της RILEM για την αντοχή σε παραµόρφωση έδειξε ότι τα µοντέλα σχεδιασµού που προτείνονται για συνηθισµένο ινοπλισµένο σκυρόδεµα µπορούν να χρησιµοποιηθούν και για σκυρόδεµα οπλισµένο µε ανακυκλωµένες χαλύβδινες ίνες, όµως το διάγραµµα τάσης-παραµόρφωσης χρειάζεται περαιτέρω βελτίωση. Εποµένως, προτάθηκε ένα καινούριο διάγραµµα τάσης-παραµόρφωσης (σε εφελκυσµό) το οποίο είναι βασισµένο στην µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων. ΑΝΑΦΟΡΕΣ AMAT-Ltd 2005. Advanced molecular agitation technology. http://www.amat-ltd.com (July 2005). ASTM 1995. Standards test method for flexural toughness and first-crack strength of fibrereinforced concrete (using prism with third-point loading). Annual Book of ASTM Standards, 4.02, ASTM C1018-94b. Copalaratnam VS and Gettu R. On the Characterisation of Flexural Toughness in FRC. Cement Concrete Composites, 1995, 17 (3): 239-254. Hylands K.N. and Shulman V. 2003. Civil engineering applications of tyres. Viridis Report VR5, Transport Research Laboratory, Crowthorne. JSCE 1994. Methods of tests for flexural strength and flexural toughness of steel fibre reinforced concrete. Japan Society of Civil Engineers, Concrete Library of Japan Society of Civil Engineers, SF-4: 58-61. L-182, 1999. Οδηγία 1999/31/EΚ του Συµβουλίου της 26ης Απριλίου 1999 περί υγειονοµικής ταφής των αποβλήτων, Επίσηµη εφηµερίδα των Ευρωπαϊκών Κοινοτήτων, L 182, 16.07.1999: 1-19. L-332, 2000. Οδηγία 2000/76/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συµβουλίου της 4ης εκεµβρίου 2000 για την αποτέφρωση των αποβλήτων, Επίσηµη εφηµερίδα των Ευρωπαϊκών Κοινοτήτων, L 269, 28.12.2000: 91-111. Lawrence C. 2004. Recycled Rubber: Applications. http://www.clgplc.co.uk/rec_rub.asp, 2004. Neocleous K., Tlemat H. and Pilakoutas K. 2006. Design issues for concrete reinforced with steel fibers, including fibers recovered from used tyres. Journal of Materials in Civil Engineering, (paper in press). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 11

Pilakoutas K., Neocleous K. & Tlemat H. 2004. Reuse of steel fibres as concrete reinforcement. Engineering Sustainability, 157 (ES3): 131-138. RILEM TC 162-TDF 2002. Test and design methods for steel fibre reinforced concrete. Bending test, final recommendation. Materials and Structures, 35 (253): 579-582. RILEM TC 162-TDF 2003. Test and design methods for steel fibre reinforced concrete. σ-ε design method, final recommendation. Materials and Structures, 36 (262): 560-567. Swamy R.N. 1974. Technology of steel fibre reinforced concrete for practical applications. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Part 1- Design and Construction, 56 (1): 143-159. Swamy R.N. and Fattuhi N.J. 1974. Mechanics and properties of steel fibre reinforced concrete. Proc. of First Australian Conference on Engineering Materials. Swamy R.N. and Mangat P.S. 1974. Influence of fibre-aggregate interaction on some properties of steel fibre reinforced concrete. Materials and Structures, 7 (41): 307-314. The University of Sheffield 2005. Thin wire reinforcement for concrete. UK divisional patent GB2412402 (28/09/2005), http://www.shef.ac.uk/tyre-recycling/com/exploitation.html. Timoshenko S.P. and Goodier J.N. 1970. Theory of Elasticity, McGraw Hill. Tlemat H., Pilakoutas K. and Neocleous K. 2006. Stress-strain characteristics of SFRC using recycled fibres. Materials and Structures, (in press). Tlemat H., Pilakoutas K. and Neocleous K. 2006a. Modelling of SFRC using inverse finite element analysis, Materials and Structures, (in press). Williams P.T., Bottrill R.P., Brindle A.J. and Cunliffe A.M. 2001. The potential of pyrolysis for recycling used tyres. Proc. of the International Symposium on Recycling and Reuse of Used Tyres. Νεοκλέους Κ., Πηλακούτας K. και Tlemat H. 2003. Πρότυπος οπλισµός σκυροδέµατος: χαλύβδινες ίνες ανακυκλωµένες από µεταχειρισµένα ελαστικά οχηµάτων, 14 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Σκυροδέµατος ΤΕΕ, Κως, 15-17 Οκτωβρίου 2003, Τόµος 3, σσ 118-125. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 12