Επίδραση παρατεταµένης θέρµανσης στα µηχανικά χαρακτηριστικά χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος

Επίδραση παρατεταµένης θέρµανσης στα µηχανικά χαρακτηριστικά χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος Π. Μαυροειδής Μεταλλουργός Μηχανικός Ε.Μ.Π. I. Νικολάου ρ. Μεταλλουργός Μηχανικός Ε.Μ.Π. Μ. Φαββατά Πολιτικός Μηχανικός, Εργαστήριο Ωπλισµένου Σκυροδέµατος ΠΘ Χ. Καραγιάννης, Καθηγητής ΠΘ, Εργαστήριο Ωπλισµένου Σκυροδέµατος ΠΘ Γ.. Παπαδηµητρίου Καθηγητής, Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας, Σχολή Μηχ. Μετ./Μεταλλουργών Ε.Μ.Π. Λέξεις κλειδιά: θέρµανση, αντοχή, χάλυβες οπλισµού, βανάδιο, Tempcore, ολκή ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η µελέτη των µηχανικών χαρακτηριστικών µετά από θέρµανση, σε θερµοκρασίες µεταξύ 100 και 800 o C, χαλύβων οπλισµού που παράγονται µε διάφορες µεθόδους. Αποδείχθηκε ότι, οι χάλυβες που εξετάσθηκαν, προσφέρουν πολύ ικανοποιητικά επίπεδα ασφάλειας µιας και ικανοποιούν στις περισσότερες περιπτώσεις τις (κανονιστικές) απαιτήσεις µέχρι και θέρµανση στους 550 ο C. Εξαίρεση αποτελεί η συµπεριφορά των χαλύβων ψυχρής ολκής ιδιαίτερα στην περίπτωση ποσοστού ψυχρής παραµόρφωσης µεγαλύτερο από 3,5%, στη θερµοκρασιακή περιοχή 100-300 ο C. Όλοι οι χάλυβες που έχουν διαµορφωθεί εν ψυχρώ (ολκή) εµφανίζουν µετά από θέρµανση µέχρι και τους 500 ο C φαινόµενα γήρανσης τα οποία είναι εντονότερα µε αύξηση του βαθµού ψυχρής πλαστικής παραµόρφωσης (ολκή). Τέλος, η µικροκραµάτωση µε βανάδιο στους χάλυβες µε διαφορετικό βαθµό ψυχρής ολκής (που εξετάσθηκαν) δεν επαρκεί να εξαλείψει φαινόµενα γήρανσης που συνοδεύονται από µείωση της ολκιµότητας των χαλύβων. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι χάλυβες οπλισµού έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε χαµηλές θερµοκρασίες, και ανεξάρτητα από την µέθοδο παραγωγής τους, η παρατεταµένη θέρµανση µπορεί να έχει σοβαρές συνέπειες στα µηχανικά τους χαρακτηριστικά. Οι κατασκευές από οπλισµένο σκυρόδεµα είναι πιθανόν να εκτεθούν σε σχετικά υψηλές θερµοκρασίες στην περίπτωση πυρκαγιάς. Η φέρουσα ικανότητα των κατασκευών που έχει εκτεθεί σε πυρκαγιά, µπορεί να εκτιµηθεί µόνο εφόσον οι ιδιότητες των επιµέρους κατασκευαστικών υλικών, µετά την θέρµανση, είναι γνωστές ή µπορούν να προβλεφθούν. Προς τούτο είναι απαραίτητο να γνωρίζουµε, εκτός των άλλων, τη συµπεριφορά του οπλισµού και τις ιδιότητές τους µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες. Οι ιδιότητες αυτές αφορούν τα χαρακτηριστικά των υλικών µετά από ένα κύκλο θέρµανσης και ψύξης στην θερµοκρασία περιβάλλοντος. Οι χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος που χρησιµοποιούνται σχεδόν κατ αποκλειστικότητα σήµερα στην Ελλάδα και σε µεγάλο βαθµό στις άλλες χώρες της Ευρώπης χαρακτηρίζονται ως χάλυβες συγκολλήσιµοι και υψηλής αντοχής οι οποίοι, ανάλογα µε τον µηχανισµό ανάπτυξης της αντοχής τους, διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 1

1. Χάλυβες Tempcore: Η κατηγορία αυτή, που αποτελεί και τη συνηθέστερη, αποτελείται από χάλυβες που υποβάλλονται σε συγκεκριµένη θερµική κατεργασία αύξησης της αντοχής τους κατά την παραγωγή τους µε έλαση. 2. Μικροκραµατωµένοι χάλυβες (microalloyed steels): Η κατηγορία αυτή αποτελεί εξέλιξη των κλασσικών χαλύβων θερµής έλασης χωρίς καµία περαιτέρω κατεργασία. Στους χάλυβες θερµής έλασης η απαιτούµενη αντοχή επιτυγχάνεται εύκολα µεσω κραµάτωσης µε άνθρακα (C) και µαγγάνιο (Mn). Αύξηση της περιεκτικότητας σε αυτά τα στοιχεία οδηγεί σε αύξηση της αντοχής του χάλυβα, αλλά παράλληλα σε αναπόφευκτη µείωση της συγκολλησιµότητας. Προκειµένου να διασφαλιστεί η τελευταία, διατηρείται η περιεκτικότητα σε άνθρακα και µαγγάνιο σε χαµηλά επίπεδα, ενώ παράλληλα πραγµατοποιείται µικροκραµάτωση, δηλαδή προσθήκη πολύ µικρών ποσοτήτων ισχυρά καρβιδιογόνων στοιχείων όπως τιτάνιο (Ti), νιόβιο (Nb) και βανάδιο (V). 3. Χάλυβες ψυχρής διαµόρφωσης (work hardened steels): Σε αυτή την οµάδα, η αύξηση της αντοχής (ενδοτράχυνση) επιτυγχάνεται µε ελαφρά πλαστική παραµόρφωση (ολκή, έλαση ή στρέψη εν ψυχρώ) χαλύβων θερµής έλασης. Η επίδραση της έκθεσης των χαλύβων οπλισµού σε υψηλές θερµοκρασίες στα µηχανικά χαρακτηριστικά χαλύβων οπλισµού θερµής έλασης και ψυχρής διαµόρφωσης έχει εξετασθεί από διάφορους ερευνητές (Holmes, M. et al. 1982, Neves, I.C. et al 1996). Αποδείχθηκε ότι, η παραγωγική διαδικασία των χαλύβων οπλισµού διαφοροποιεί την συµπεριφορά τους µετά από έκθεση τους σε υψηλές θερµοκρασίες, µε τους χάλυβες ψυχρής διαµόρφωσης να παρουσιάζουν µεγαλύτερη πτώση του ορίου διαρροής και θραύσης σε σχέση µε τους χάλυβες θερµής έλασης. ιερεύνηση των µεταβολών µετά από έκθεση σε υψηλές θερµοκρασίες έχει πραγµατοποιηθεί σε χάλυβες ιδιαίτερα υψηλής αντοχής (όριο διαρροής 900-1100 MPa) που οφείλουν την αυξηµένη αντοχή τους σε θερµοµηχανική κατεργασία (Ivanshenko V. et al 1989, Dolzhenkov I. et al 1987). υστυχώς, το µεγαλύτερο µέρος των παραπάνω στοιχείων που υπάρχουν σχετικά µε την αντοχή των χαλύβων µετά από θέρµανση τους αφορά χάλυβες που παράγονται µε διαφορετικές µεθόδους και διαφέρουν ως προς την αρχική αντοχή τους και κατά συνέπεια δεν επιτρέπουν την ασφαλή διεξαγωγή ποσοτικών συµπερασµάτων. Εκτεταµένη έρευνα σε χάλυβες που εµπίπτουν στην ίδια κατηγορία αντοχής (S500s κατά ΕΛΟΤ 971) που παράγονται µε διάφορες µεθόδους και χρησιµοποιούνται στην Ελλάδα και Ευρώπη (Nikolaou J. et al 2004) επιβεβαιώνει ότι η παραγωγική µέθοδος των χαλύβων οπλισµού καθορίζει σε µεγάλο βαθµό την αντοχή µετά από παρατεταµένη θέρµανση. Από την παραπάνω έρευνα αποδείχθηκε ότι οι χάλυβες Tempcore παρουσιάζουν σχεδόν αµετάβλητα µηχανικά χαρακτηριστικά µετά από θέρµανση µέχρι και τους 500 o C. Όσον αφορά στους µικροκραµατωµένους µε βανάδιο χάλυβες οπλισµού, θέρµανση µέχρι και τους 550 o C δεν επιφέρει σηµαντικές µεταβολές. Εµφανίζουν γενικά την πιο σταθερή συµπεριφορά, µε εξαίρεση προβλήµατα µείωσης της δυσθραυστότητας µετά από θέρµανση τους στους 200 o C. Η µικροκραµάτωση των χαλύβων σαν µέσο αύξησης της αντοχής των χαλύβων αποτελεί µια σχετικά κοστοβόρα πρακτική. Για τον λόγο αυτό, γίνονται προσπάθειες να συνδυαστούν παραγωγικές µέθοδοι (π.χ θερµοµηχανική κατεργασία Tempcore ή ψυχρή µηχανική κατεργασία-ολκή σε συνδυασµό µε µικροκραµάτωση µε βανάδιο ) µε στόχο την µείωση της ποσότητας των στοιχείων κραµάτωσης και άρα του κόστους παραγωγής. Oι χάλυβες ψυχρής διαµόρφωσης (ολκής) παρουσιάζουν µια συνεχή πτώση της αντοχής τους µετά από θέρµανση στους 250 o C και µια προσωρινή ψαθυροποίηση (µείωση της ολκιµότητας) µετά από θέρµανση στους 200 o C Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η µελέτη της συµπεριφοράς µετά από θέρµανση σε θερµοκρασίες µεταξύ 100 και 800 o C, χαλύβων οπλισµού διαφόρων κατηγοριών, σε σχέση µε την µέθοδο παραγωγής τους, πάντα σε αναφορά µε τις απαιτήσεις του νέου Προτύπου ΕΛΟΤ 1421. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 2

2 ΥΛΙΚΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Επιλέχθηκαν χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται α) µε θερµή έλαση ακολουθούµενη από θερµική κατεργασία (Tempcore), β) µε θερµή έλαση και µικροκραµάτωση µε βανάδιο, γ) µε θερµή έλαση και ακόλουθη ψυχρή ολκή και δ) µε θερµή έλαση και µικροκραµάτωση µε βανάδιο και ακόλουθη ψυχρή ολκή σε διάφορα ποσοστά. Ράβδοι χαλύβων θερµής έλασης µε µικροκραµάτωση µε βανάδιο υποβλήθηκαν σε ελεγχόµενη πλαστική παραµόρφωση (ολκή) και προέκυψαν ράβδοι µε ποσοστό ολκής 1,3, 2,0 και 3,7% (βλ. Πίνακα 1). Τα µηχανικά χαρακτηριστικά των χαλύβων αυτών στην αρχική τους κατάσταση καθώς επίσης και η χηµική τους σύνθεση δίνονται στους Πίνακες 2 και 3 αντίστοιχα. Ως όριο διαρροής λαµβάνεται το πραγµατικό όπου εµφανίζεται και το συµβατικό (Re 0,2 ) που αντιστοιχεί σε 0,2% µόνιµη πλαστική παραµόρφωση. Ο χάλυβας θερµής έλασης µε µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V_Initial) αποτέλεσε την πρώτη ύλη για την περαιτέρω παραγωγή των χαλύβων της τέταρτης κατηγορίας (V_1,3%, V_2,0% και V_3,7%). Για τον λόγο αυτό, οι µηχανικές αντοχές του ήταν χαµηλότερες από τις προβλεπόµενες στο νέο Πρότυπο ΕΛΟΤ 1421 για την κατηγορία Β500C, (τόσο στην αρχική κατάσταση όσο και µετά από τεχνητή γήρανση).. Η επακόλουθη ολκή, όπως αναµενόταν συνοδεύτηκε από σχετική αύξηση της αντοχής. Οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες µε βανάδιο και ακολουθούµενη ολκή σε ποσοστό 1,3, 2,0 και 3,7% µετά από τεχνητή γήρανση εµφανίζουν διαφορετική εικόνα σχετικά µε την ικανοποίηση των απαιτήσεων αντοχής που προδιαγράφονται για την κατηγορία χαλύβων Β500C. Ο έλεγχος µηχανικών ιδιοτήτων έγινε στο εργαστήριο δοκιµών της εταιρείας διαµόρφωσης οπλισµού σκυροδέµατος Θώραξ Αντισεισµική και η θέρµανση των δοκιµίων σε υψηλές θερµοκρασίες έγινε στο Εργαστήριο οµικών Υλικών του ηµοκρίτειου Πανεπιστηµίου Θράκης. Πίνακας 1. Πειραµατικός συµβολισµός δοκιµίων ανάλογα µε την µέθοδο παραγωγής τους Συµβολισµός Μέθοδος Παραγωγής Tempcore Θερµική κατεργασία Tempcore V_Initial Θερµή έλαση και µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V) V_1,3% Θερµή έλαση / µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V) / ολκή σε ποσοστό 1,3% V_2,0% Θερµή έλαση / µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V) / ολκή σε ποσοστό 2,0% V_3,7% Θερµή έλαση / µικροκραµάτωση µε βανάδιο (V) / ολκή σε ποσοστό 3,7% W.H_3,5% Θερµή έλαση µε επακόλουθη ολκή σε ποσοστό 3,5% Πίνακας 2. Μηχανικά χαρακτηριστικά χαλύβων οπλισµού Ονοµαστική ιάµετρος (mm) ιατοµή (mm 2 ) Όριο ιαρροής Re (MPa) Εφελκυστικ ή Αντοχή Rm (MPa) Λόγος Rm/Re Όµοιόµ. Παραµορφ. Agt (%) Π.Γ.* Μ.Γ.** Π.Γ.* Μ.Γ.** Π.Γ.* Μ.Γ.** Π.Γ.* Μ.Γ.** Tempcore 10 79,6 563 560 654 651 1,16 1,16 12,4 13,5 V_Initial 10 81,9 499 499 627 645 1,29 1,29 15,2 15,3 V_1,3% 10 80,5 497 521 634 659 1,31 1,26 14,4 11,0 V_2,0% 10 80,3 495 524 636 658 1,31 1,25 12,9 10,4 V_3,7% 10 79,0 552 592 655 679 1,19 1,15 11,1 8,0 W.H_3,5% 10 81,9 542 547 632 637 1,17 1,16 10,5 8,2 * Πρίν την Γήρανση, ** Μετά από Γήρανση Ικανός αριθµός δοκιµίων ράβδων υποβλήθηκαν σε ελεγχόµενη θέρµανση εντός ηλεκτρικής καµίνου σε καθορισµένες θερµοκρασίες και στην συνέχεια αφέθηκαν να ψυχθούν ελεύθερα στον αέρα. Σε κάθε περίπτωση πραγµατοποιήθηκαν 5 δοκιµές από τις οποίες υπολογίστηκε ο µέσος όρος (σύνολο 270 δοκίµια). Προκειµένου να προσοµοιαστούν συνθήκες πυρκαγιάς, οι θερµοκρασίες θέρµανσης κυµάνθηκαν µεταξύ 100 o C και 800 o C. Η θερµοκρασία των 100 o C, επιλέχθηκε ως κατώτερη έτσι ώστε να διαπιστωθεί ενδεχόµενη ψαθυροποίηση λόγω φαινοµένων 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 3

γήρανσης. Η θερµοκρασία των 800 o C επιλέχθηκε ως ανώτερη για όλους τους χάλυβες, διότι στην περίπτωση πυρκαγιάς σπάνια παρατηρούνται υψηλότερες θερµοκρασίες στους χάλυβες οπλισµού. Ο χρόνος παραµονής των χαλύβων στις παραπάνω θερµοκρασίες ήταν σε όλες τις περιπτώσεις 1 ώρα. Σε όλες τις δοκιµές τα µηχανικά χαρακτηριστικά εκτιµήθηκαν µε δοκιµές εφελκυσµού στη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Η ονοµαστική διάµετρος των ράβδων ήταν 10mm και αποτελεί την πλέον συνηθισµένη διάσταση χαλύβων οπλισµού σε µορφή ρόλων. Πίνακας 3. Χηµική σύσταση χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που ελέχθησαν C Mn Si Ni Cr Cu S P Mo V N Tempcore 0,22 0,86 0,22 0,10 0,22 0,31 0,018 0,006 - - 0,010 V_Initial V_1,3% V_2,0% 0,22 0,88 0,17 0,12 0,06 0,36 0,019 0,016 0,011 0,041 0,011 V_3,7% W.H_3,5% 0,22 1,00 0,26 0,16 0,16 0,36 0,018 0,014 - - 0,010 3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Από τις δοκιµές εφελκυσµού προσδιορίσθηκαν το όριο διαρροής (Re), το όριο θραύσης (Rm), ο λόγος κράτυνσης (όριο θραύσης προς το όριο διαρροής, Rm/Re) και η οµοιόµορφη παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο (Agt). Η µεταβολή των µηχανικών χαρακτηριστικών των χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες παρουσιάζονται συγκεντρωτικά στις Εικ.1-4. Για κάθε είδος χάλυβα, µέγεθος και θερµοκρασία έλεγχου σηµειώνεται η µέση τιµή που προκύπτει από 5 δοκιµές. Η µεταβολή του ορίου διαρροής (Εικ.1) µετά από θέρµανση διαφέρει µεταξύ χαλύβων που παράγονται µε διαφορετική παραγωγική διαδικασία. Τόσο στους χάλυβες Tempcore όσο και στους µικροκραµατωµένους χάλυβες µε βανάδιο (V_Initial) δεν παρατηρείται σηµαντική µεταβολή του ορίου διαρροής µετά από θέρµανση σε θερµοκρασίες µέχρι περίπου 500 ο C και 600 ο C αντίστοιχα. Οι παραπάνω µεταβολές συµβαδίζουν µε αυτές που αφορούν στην εφελκυστική αντοχή των χαλύβων µε αποτέλεσµα ο λόγος κράτυνσης (Rm/Re) να παραµένει πρακτικά σταθερός µέχρι και τους 600 ο C. Ο λόγος κράτυνσης αποτελεί ένα έµµεσο τρόπο για την περιγραφή της ολκιµότητας των χαλύβων οπλισµού. Ουσιαστικά καθορίζει την ασφάλεια που προσφέρει ένας χάλυβας καθώς αρχίζει να παραµορφώνεται πλαστικά µέχρι το φορτίο θραύσης του (εφελκυστική αντοχή). Όσον αφορά στην οµοιόµορφη παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο (Agt) δεν παρατηρείται σηµαντική πτώση µέχρι θέρµανση των χαλύβων στους 400 ο C και 500 ο C για τους χάλυβες Tempcore και τους µικροκραµατωµένους µε βανάδιο χάλυβες, αντίστοιχα. Παρατηρείται επίσης ότι, οι χάλυβες Tempcore, παρά την πτώση του ορίου διαρροής µετά τους 500 0 C, λόγω της αυξηµένης αρχικής αντοχής τους, εξακολουθούν να ικανοποιούν (κανονιστικά) τις απαιτήσεις του Προτύπου ΕΛΟΤ 1421(2005) για την κατηγορία B500C, µέχρι και τους 600 ο C. Η µεταβολή του ορίου διαρροής στους χάλυβες που έχουν διαµορφωθεί (σε διαφορετικό βαθµό) πλαστικά εν ψυχρώ παρουσιάζει αρκετές οµοιότητες αν και διαφέρει σε απόλυτες τιµές λόγω της διαφοράς που παρατηρείται στην αρχική αντοχή των ράβδων. Στους µικροκραµατωµένους χάλυβες µε βανάδιο µε επακόλουθη ψυχρή διαµόρφωση παρατηρείται αύξηση του ορίου διαρροής µετά από θέρµανση µέχρι τους 300 ο C. Θέρµανση στους 500 ο C επαναφέρει το όριο διαρροής στις αρχικές τιµές και πέραν των 500 ο C παρατηρείται συνεχής πτώση. Αύξηση του ορίου διαρροής παρατηρείται και στην περίπτωση των χαλύβων ψυχρής διαµόρφωσης (W.H_3,5%) µε κύρια διαφορά ότι πέραν της θερµοκρασίας των 200 ο C εµφανίζεται συνεχής πτώση. Σύγκριση του χάλυβα αυτού µε τον µικροκραµατωµένο χάλυβα και επακόλουθη ολκή 3,7% (V_3,7%) υποδεικνύει ότι η µικροκραµάτωση µε βανάδιο σταθεροποιεί την συµπεριφορά των χαλύβων ψυχρής ολκής, εξασφαλίζοντας µικρότερες µεταβολές και µεγαλύτερη 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 4

θερµοκρασία στην οποία το όριο διαρροής αρχίζει να είναι κατώτερο των κανονιστικών απαιτήσεων, σε σχέση µε τους χάλυβες ψυχρής ολκής χωρίς µικροκραµάτωση. Οι µεταβολές που παρατηρούνται στην εφελκυστική αντοχή όλων των χαλύβων που έχουν υποστεί ψυχρή ολκή (σε διαφορετικό βαθµό) δεν είναι της ίδιας έκτασης µε αυτές του ορίου διαρροής. Τούτο έχει σαν αποτέλεσµα τόσο ο λόγος κράτυνσης (Rm/Re) όσο και η ολκιµότητα των χαλύβων να υποβαθµίζεται ακόµα και µετά από θέρµανση στους 100 ο C. 650 600 Όριο ιαρροής, Re (MPa) 550 500 450 400 350 Tempcore V_Initial V_1.3% V_2.0% V_3.7% W.H_ 3.5% ελάχιστο όριο 300 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Θερµοκρασία ( o C) Εικόνα 1. Όριο ιαρροής (Re) χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση και µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες για µία ώρα. 750 Εφελκυστική Αντοχή, Rm (MPa) 700 650 600 550 500 450 Tempcore V_Initial V_1.3% V_2.0% V_3.7% W.H_ 3.5% 400 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Θερµοκρασία ( o C) Εικόνα 2. Εφελκυστική Αντοχή (Rm) χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση και µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες για µία ώρα. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 5

1,6 Λόγος Rm/Re 1,5 1,4 1,3 1,2 Tempcore V_Initial V_1.3% V_2.0% V_3.7% W.H_ 3.5% µέγιστο όριο ελάχιστο όριο 1,1 1,0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Θερµοκρασία ( o C) Εικόνα 3. Λόγος κράτυνσης (Rm/Re) χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση και µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες για µία ώρα. Οµοιόµορφη Παραµόρφωση, Agt (%) 24% 22% 20% 18% 16% 14% 12% 10% Tempcore V_Initial V_1.3% V_2.0% V_3.7% W.H_ 3.5% 8% ελάχιστο όριο 6% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Θερµοκρασία ( o C) Εικόνα 4. Οµοιόµορφη παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο (Agt) χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που παράγονται µε διάφορες µεθόδους στην αρχική τους κατάσταση και µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες για µία ώρα. Αύξηση του ορίου διαρροής µε ταυτόχρονη µείωση της ολκιµότητας στους χάλυβες που έχουν υποστεί ψυχρή ολκή, υποδεικνύει την εµφάνιση φαινοµένων γήρανσης. Είναι γενικά αποδεκτό ότι τα φαινόµενα γήρανσης εµφανίζονται σε χάλυβες που έχουν υποστεί ψυχρή πλαστική παραµόρφωση και σχετίζονται µε την παρουσία στοιχείων όπως του άνθρακα (C) και αζώτου (Ν). Τα άτοµα των στοιχείων αυτών αλληλεπιδρούν µε τις διαταραχές του κρυσταλλικού πλέγµατος (ατµόσφαιρες Cottrel) και η δράση τους εξαρτάται κυρίως από την διαλυτότητα τους στο 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 6

κρυσταλλικό πλέγµα. Η διαλυτότητα των ατόµων άνθρακα στον φερρίτη είναι σχετικά µικρή στο θερµοκρασιακό φάσµα 0-200 ο C συγκριτικά µε του αζώτου. Για τον λόγο αυτό, γήρανση που οφείλεται σε άτοµα άνθρακα είναι αµελητέα σε αυτές τις θερµοκρασίες. Παρόλα αυτά, θέρµανση σε υψηλότερες θερµοκρασίες µπορεί να οδηγήσει σε µερική διαλυτοποίηση µικρού µεγέθους καρβιδίων µε αποτέλεσµα να εµφανιστεί γήρανση λόγω της παρουσίας διαλυµένων ατόµων άνθρακα. Ένας αποτελεσµατικός τρόπος για την δέσµευση του ελεύθερου αζώτου (και ακινητοποίηση) είναι η προσθήκη στοιχείων µε έντονη τάση δηµιουργίας νιτριδίων όπως το Ti και το V. Παρόλα αυτά, η πλήρης δέσµευση των ατόµων αζώτου και άνθρακα είναι σπάνια ειδικά όταν η ποσότητα των κραµατικών στοιχείων όπως του βαναδίου δεν είναι επαρκής όπως στην περίπτωση των µικροκραµατωµένων χαλύβων (Karabulut H. et al, 2004). Το γεγονός αυτό υποστηρίζεται και από τα πειραµατικά αποτελέσµατα από τα οποία φαίνεται ότι ο χάλυβας ψυχρής ολκής (W.H_3,5%) και οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες µε διάφορα ποσοστά ολκής παρουσιάζουν φαινόµενα γήρανσης. Το µεγαλύτερο µέρος της παραγωγής και χρήσης χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος στην Ευρώπη αποτελείται από χάλυβες Tempcore. Οι χάλυβες ψυχρής διαµόρφωσης χρησιµοποιούνται βασικά µόνο σε µικρές διαµέτρους, ενώ οι µικροκραµατωµένοι µε βανάδιο χάλυβες είναι οι πλέον περιορισµένοι λόγω του υψηλότερου κόστους τους. Λόγω της ύπαρξης προβληµάτων στην διαµορφωσιµότητα των χαλύβων Tempcore, που οφείλεται στην ύπαρξη του σκληρού επιφανειακού µαρτενσιτικού φλοιού, αναζητούνται τρόποι συνδυασµού των κλασσικών µεθόδων παραγωγής, τουλάχιστον σε ότι αφορά τους χάλυβες οπλισµού σε ρόλους. Από τα διαγράµµατα των Εικ.1-4, φαίνεται η µεταβολή των µηχανικών χαρακτηριστικών των χαλύβων µετά από θέρµανση τους διάφορες θερµοκρασίες. Από τα διαγράµµατα αυτά είναι δυνατή η σύγκριση των χαλύβων σε απόλυτες τιµές όπως επίσης και σύγκριση των εκάστοτε χαρακτηριστικών µε τις απαιτούµενες προδιαγραφές όπως ορίζονται στο νέο πρότυπο ΕΛΟΤ 1421 (2005). Είναι φανερό ότι όλοι οι χάλυβες που εξετάσθηκαν, ικανοποιούν -αν και µε διαφοροποιηµένο ποιοτικά τρόποτις κανονιστικές απαιτήσεις, µέχρι και θέρµανση στους 550 ο C. Εξαίρεση αποτελούν οι χάλυβες ψυχρής ολκής (W.H_3,5%) και οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες µε ποσοστό ολκής 3,7% (V_3,7%) των οποίων ο λόγος κράτυνσης (Rm/Re) είναι µικρότερος από 1,15 (ελάχιστο όριο σύµφωνα µε το ΕΛΟΤ 1421) στην θερµοκρασιακή περιοχή 100-300 ο C, ενώ και οι τιµές για την παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο είναι χαµηλές. Η µείωση αυτή αρχίζει ακόµα και µετά από θέρµανση στους 100 ο C, που αποτελεί και αναγκαία απαίτηση από τους κανονισµούς πριν τον έλεγχο των µηχανικών χαρακτηριστικών σύµφωνα µε τους ισχύοντες κανονισµούς σε χάλυβες που έχουν διαµορφωθεί εν ψυχρώ (τεχνητή γήρανση µε θέρµανση στους 100 ο C για µια ώρα). Το γεγονός αυτό ενισχύει την ευρύτερη αντίληψη ότι η ψυχρή ολκή των χαλύβων οπλισµού πρέπει να περιορίζεται σε ποσοστά µικρότερα από 2,0%. Πέραν της ικανοποίησης των απαιτήσεων όσον αφορά στα µηχανικά χαρακτηριστικά των ράβδων, ενδιαφέρον παρουσιάζει η σταθερότητα των διαφόρων τύπων χαλύβων µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες, δηλαδή η έκταση µεταβολής σε σχέση µε τα αρχικά χαρακτηριστικά. Για τον λόγο αυτό, στις Εικ.5-10, παρουσιάζεται η συνδυασµένη µεταβολή τόσο του oρίου διαρροής όσο και της ολκιµότητας όπως αυτή εκφράζεται από την οµοιόµορφη παραµόρφωση στο µέγιστο φορτίο (Agt) για όλους τους χάλυβες οπλισµού που εξετάσθηκαν µετά από θέρµανση τους σε θερµοκρασίες µεταξύ 0-800 ο C. Η µεταβολή των µεγεθών εκφράζεται σαν ποσοστό της εκάστοτε τιµής σε σχέση µε την αρχική, δηλαδή η τιµή 100% τόσο στο όριο διαρροής όσο και στην παραµόρφωση Agt, υποδεικνύει την αρχική κατάσταση των χαλύβων. Υποβάθµιση των χαρακτηριστικών µειώνει τον αντίστοιχο λόγο. Αρνητική µεταβολή της ολκιµότητας ή αύξηση του ορίου διαρροής συνεισφέρουν σε εκδήλωση περισσότερο ψαθυρής συµπεριφοράς. Αντίθετα, αύξηση της ολκιµότητας ή µείωση του ορίου διαρροής συνεισφέρουν στην εκδήλωση περισσότερο όλκιµης συµπεριφοράς. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 7

Εικόνα 5. Σχέση µεταξύ ποσοστού µεταβολής ορίου διαρροής (Re) και ανηγµένης οµοιόµορφης παραµόρφωσης (Agt) στους χάλυβες Tempcore µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες. Εικόνα 6. Σχέση µεταξύ ποσοστού µεταβολής ορίου διαρροής (Re) και ανηγµένης οµοιόµορφης παραµόρφωσης (Agt) στους µικροκραµατωµένους χάλυβες µε βανάδιο µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες. Εικόνα 7. Σχέση µεταξύ ποσοστού µεταβολής ορίου διαρροής (Re) και ανηγµένης οµοιόµορφης παραµόρφωσης (Agt) στους µικροκραµατωµένους χάλυβες µε βανάδιο και ψυχρή ολκή σε ποσοστό 1,3% µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 8

Εικόνα 8. Σχέση µεταξύ ποσοστού µεταβολής ορίου διαρροής (Re) και ανηγµένης οµοιόµορφης παραµόρφωσης (Agt) στους µικροκραµατωµένους χάλυβες µε βανάδιο και ψυχρή ολκή σε ποσοστό 2,0% µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες. Εικόνα 9. Σχέση µεταξύ ποσοστού µεταβολής ορίου διαρροής (Re) και ανηγµένης οµοιόµορφης παραµόρφωσης (Agt) στους µικροκραµατωµένους χάλυβες µε βανάδιο και ψυχρή ολκή σε ποσοστό 3,7% µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες. Εικόνα 10. Σχέση µεταξύ ποσοστού µεταβολής ορίου διαρροής (Re) και ανηγµένης οµοιόµορφης παραµόρφωσης (Agt) στους χάλυβες ψυχρής ολκής σε ποσοστό 3,5% µετά από θέρµανση σε διάφορες θερµοκρασίες. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 9

Στην περίπτωση πυρκαγιάς θερµοκρασίες της τάξης των 400 ο C είναι πολύ συνήθεις ενώ οι εγκάρσιοι (επιδερµικοί) συνδετήρες είναι οι περισσότερο εκτεθειµένοι σε υψηλές θερµοκρασίες. Επίσης από τα διαγράµµατα των Εικ.1-4, φαίνεται ότι θέρµανση των χαλύβων σε θερµοκρασίες άνω των 600 ο C, επιφέρει για όλους τους τύπους χαλύβων σηµαντική αλλοίωση της αρχικής συµπεριφοράς των χαλύβων. Τα διαγράµµατα των Εικ.5-10 επιτρέπουν εύκολα την ανίχνευση της µεγαλύτερης συνδυασµένης µεταβολής που παρατηρείται στο όριο διαρροής και στην ολκιµότητα των χαλύβων καθώς επίσης και την θερµοκρασία θέρµανσης στην οποία παρατηρείται η εν λόγω µεταβολή. Στα διαγράµµατα έχει γραµµοσκιαστεί η θερµοκρασιακή περιοχή 0-500 ο C µιας και παρουσιάζει το µεγαλύτερο ενδιαφέρον. Θέρµανση των χαλύβων Tempcore (Εικ.5) επιφέρει µια αρχικά (µέχρι τους 400 ο C) µια ελαφρά αύξηση της ολκιµότητας τους, ενώ η µεγαλύτερη µεταβολή εµφανίζεται στους 500 ο C (Re:552MPa, Agt:11,9%). Η σταθερότητα των µηχανικών χαρακτηριστικών στους χάλυβες Tempcore µετά από θέρµανση έως και τους 500 ο C, πρέπει να αποδοθεί στην µέθοδο παραγωγής τους. Κατά την διάρκεια παραγωγής των χαλύβων Tempcore, στην έξοδο της ράβδου από το τελευταίο έλαστρο διαµόρφωσης, η ράβδος υφίσταται βαφή και επαναφορά στην εξωτερική της επιφάνεια. Η θερµοκρασία επαναφοράς κυµαίνεται γενικά µεταξύ 550 ο C-650 ο C ανάλογα µε την διάµετρο και την χηµική σύσταση του χάλυβα. Συνεπώς όταν η θερµοκρασία ξεπερνάει την θερµοκρασία επαναφοράς της ράβδου τότε έχουµε σηµαντική µεταβολή και συγκεκριµένα πτώση των µηχανικών χαρακτηριστικών στους χάλυβες Tempcore. Οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες µε βανάδιο (Εικ.6) εµφανίζουν σταθερή σχετικά συµπεριφορά έως και τους 600 0 C. Η µεγαλύτερη αρνητική µεταβολή εµφανίζεται µε µείωση της ολκιµότητας (αν και οι τιµές της παραµένουν πολύ υψηλές), µετά από θέρµανση στους 200 ο C (Re:492MPa, Agt:13,9%), λόγω προβληµάτων γήρανσης. Η µείωση της ολκιµότητας πρέπει να αποδοθεί σε µεγέθυνση των κατακρηµνισµάτων του βαναδίου (V(N,C)), ενώ συνοδεύεται και µε µείωση της δυσθραυστότητας. (Nikolaou J. et al: 2004). Οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες µε βανάδιο και επακόλουθη ψυχρή ολκή εµφανίζουν τις µεγαλύτερες µεταβολές στους 400 ο C, 200 ο C και 100 ο C για ποσοστά ολκής 1,3%, 2,0% και 3,7% αντίστοιχα (Εικ.7-9). Είναι φανερό δηλαδή ότι όσο αυξάνεται η πλαστική παραµόρφωση των ράβδων, τόσο η θερµοκρασία στην οποία εµφανίζονται οι µεγαλύτερες µεταβολές µειώνεται. Παράλληλα µε την µείωση της θερµοκρασίας αυξάνεται τόσο η έκταση των µεταβολών 6%, 25% και 28%, όσο και οι απόλυτες τιµές της ολκιµότητας (10,3%, 9,6% και 8,0% αντίστοιχα). Από την άλλη, η µικροκραµάτωση µε βανάδιο σταθεροποιεί την συµπεριφορά των χαλύβων ψυχρής ολκής, εξασφαλίζοντας µικρότερες µεταβολές και µεγαλύτερη θερµοκρασία στην οποία το όριο διαρροής αρχίζει να είναι κατώτερο των κανονιστικών απαιτήσεων, σε σχέση µε τους χάλυβες ψυχρής ολκής χωρίς µικροκραµάτωση βαναδίου. Οι χάλυβες ψυχρής ολκής σε ποσοστό 3,5% (W.H_3,5%) εµφανίζουν οµοιότητες µε τους µικροκραµατωµένους χάλυβες µε επακόλουθη ολκή σε ποσοστό 3,7% (V_3,7%), σηµειώνοντας τη µεγαλύτερη µείωση ολκιµότητας στους 100 ο C (µείωση κατά 22%, Agt:8,2%). Η µείωση της ολκιµότητας µετά από θέρµανση σε σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες (100 ο C) στους χάλυβες οπλισµού µε επακόλουθη ολκή σε ποσοστό µεγαλύτερο από 2,0%, αποδίδεται όπως προαναφέρθηκε σε φαινόµενα γήρανσης και πρέπει να λαµβάνεται σοβαρά υπόψη κατά την χρήση τέτοιου είδους οπλισµού (Εικ.10). 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η µελέτη της συµπεριφοράς µετά από θέρµανση σε θερµοκρασίες µεταξύ 100 και 800 o C, χαλύβων οπλισµού που παράγονται α) µε θερµή έλαση ακολουθούµενη από θερµική κατεργασία (Tempcore), β) µε θερµή έλαση και µικροκραµάτωση 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 10

µε βανάδιο, γ) µε θερµή έλαση και ακόλουθη ψυχρή ολκή και δ) µε θερµή έλαση και µικροκραµάτωση µε βανάδιο και ακόλουθη ψυχρή ολκή σε διάφορα ποσοστά. Οι χάλυβες που εξετάσθηκαν, ικανοποιούν αν και µε διαφοροποιηµένο ποιοτικά τρόπο-τις κανονιστικές απαιτήσεις µέχρι και θέρµανση στους 550 ο C. Εξαίρεση αποτελούν οι χάλυβες ψυχρής ολκής (W.H_3,5%) και οι µικροκραµατωµένοι χάλυβες µε ποσοστό ολκής 3,7% (V_3,7%) των οποίων ο λόγος κράτυνσης (Rm/Re) είναι µικρότερος από 1,15% (ΕΛΟΤ 1421) στην θερµοκρασιακή περιοχή 100-300 ο C. Όλοι οι χάλυβες που έχουν διαµορφωθεί εν ψυχρώ (ολκή), εµφανίζουν φαινόµενα γήρανσης. Αύξηση της ψυχρής πλαστικής παραµόρφωσης των ράβδων (ολκή) συνδέεται µε µεγαλύτερες µεταβολές στα µηχανικά χαρακτηριστικά µετά από θέρµανση σε µικρότερες θερµοκρασίες θέρµανσης. Το γεγονός αυτό ενισχύει την άποψη ότι η ψυχρή ολκή των χαλύβων οπλισµού πρέπει να περιορίζεται σε ποσοστά µικρότερα από 2,0%. Η µικροκραµάτωση µε βανάδιο σε χάλυβες µε διαφορετικό βαθµό επακόλουθης ψυχρής ολκής, σταθεροποιεί σχετικά την συµπεριφορά των χαλύβων ψυχρής ολκής σε µεγαλύτερες θερµοκρασίες, ωστόσο, δεν επαρκεί να εξαλείψει φαινόµενα γήρανσης που συνοδεύονται από µείωση της ολκιµότητας των χαλύβων. ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΕΛΟΤ 1421. (Σχέδιο Προτύπου 2005). Χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος Συγκολλήσιµοι χάλυβες. ΕΛΟΤ 971. 1994. Συγκολλήσιµοι χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος. Dolzhenkov I. E, Chaikovskii O. A, Khudik Y. T, Ivchenko A. V. 1987. Influence of heating on structure and properties of quenched and self tempered reinforcing steel. Steel in the USSR, Vol. 17, 278-281. Holmes M, Anchor R. D, Cook G. M. E, Crook R. N. 1982. The effects of elevated temperatures on the mechanical properties of reinforcing and prestressing steel. The Structural Engineer, Vol 60B, No.1, 7-13. Ivanshenko V. M, Golobochanskii E. A, Lobunets S. I, Prilepskii Y. V. 1989. Influence of brief cyclic induction tempering on structure and properties of reinforcing steel. Steel in the USSR, Vol. 19, 81-83. Neves I. C, Rodrigues J. P. C, Loureiro A. P. 1996. Mechanical properties of reinforcing and prestressing steels after heating. Journal of Materials in Civil Engineering, 189-194. Nikolaou J., Papadimitriou G.D. 2004. Microstructures and mechanical properties after heating of reinforcing 500MPa class weldable steels produced by various processes (Tempcore, microalloyed with vanadium and work-hardened), Journal of Construction & Building Materials 18, 243-254. Karabulut H., Gunduz S. 2004. Effect of vanadium content on dynamic strain ageing in microalloyed medium carbon steel, Materials & Design 25, 521-527. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 11