Σπυράγγελος ΛΥΚΟΥ ΗΣ 1, Θωµάς ΚΟΤΡΩΤΣΙΟΣ 2

Εκτίµηση της Πρώιµης Αντοχής του Σκυροδέµατος, µε τη χρήση της Θεωρίας της Ωριµότητας (ASTM C-1074). Εφαρµογή στην Εγνατία Οδό Estimation of the early age strengths of Concrete using the Maturity theory (ASTM C-1074).Application on tunnel of Egnatia Odos Σπυράγγελος ΛΥΚΟΥ ΗΣ 1, Θωµάς ΚΟΤΡΩΤΣΙΟΣ 2 Λέξεις κλειδιά: Σκυρόδεµα, Πρώιµη Αντοχή, Ανάπτυξη Θερµοκρασίας, Τελικές Αντοχές, Ενυδάτωση, Initial Setting, Final Setting, Maturity, Early Age, Arhenius Law. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Οι σύγχρονες ανάγκες επιτάχυνσης του κύκλου Σκυροδέτησης, απαιτούν ακριβή γνώση ανάπτυξης των πρώιµων αντοχών, προκειµένου να πραγµατοποιούνται εργασίες όπως είναι το ξεκαλούπωµα, η προένταση, το άνοιγµα οδοστρωµάτων από σκυρόδεµα στην κυκλοφορία και ο έλεγχος της συµπεριφοράς του σκυροδέµατος σε κρύο καιρό. Η µέθοδος Ωριµότητας Σκυροδέµατος, καθιστά εφικτή την πρόβλεψη της ανάπτυξης των πρώιµων αντοχών του σκυροδέµατος, συγκρίνοντας έµµεσα την ανάπτυξη αντοχών του στοιχείου, µε σκυρόδεµα της ίδιας σύνθεσης, που συντηρείται στους 20ºC. Η µέθοδος χρησιµοποιείται επιτυχώς, πάνω από 20 χρόνια. Στην Ελλάδα χρησιµοποιήθηκε µε επιτυχία στην κατασκευή της γέφυρας Ρίου-Αντιρρίου. Στην παρούσα εργασία, προσδιορίζεται µε τη χρήση του ASTM C-1074, η Ενέργεια Ενεργοποίησης (Activation Energy) της µελέτης συνθέσεως και εµµέσως εκτιµάται η επί τόπου αντοχή του σκυροδέµατος, µε την µέτρηση της θερµοκρασίας των σκυροδετηµένων στοιχείων, που στη συγκεκριµένη περίπτωση είναι τελική επένδυση σήραγγας στην Εγνατία Οδό. ABSTRACT: The Maturity method is a technique to account the combined effects of time and temperature on the early strength development of concrete. The 1 Προϊστάµενος Εργαστηρίου ΠΥΘ Εγνατίας Οδού Α.Ε., email: slikoudis@egnatia.gr 2 Αναπληρωτής Προϊστάµενος Εργαστηρίου ΠΥΘ Εγνατίας Οδού Α.Ε., email: thkotrotsios@egnatia.gr 1

method provides a simple approach for making reliable estimates of in-place strength during construction. The key parameter for the calculation of the early ages is the Activation Energy that describes the effect of temperature on the rate of strength development. The scope of this paper is to measure the temperature evolution of the final lining on a tunnel of Egnatia Odos and applying the ASTM procedure to estimate the Early Age strength evolution. Following at the same time the temperature of In Situ cubes there is a comparative study between the evolution of strength on the In Situ cubes and the construction. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Η τεχνική πρόβλεψης της αντοχής του σκυροδέµατος σε πρώιµες ηλικίες, βασίζεται στην υπόθεση ότι σκυροδέµατα από την ίδια µείξη που έχουν τον ίδιο είκτη Ωριµότητας (Maturity Index), έχουν την ίδια αντοχή (Carino, N.J. 2001). Ο είκτης Ωριµότητας εκφράζει το ιστορικό Χρόνου-Θερµοκρασίας, της µείξης σκυροδέµατος. Η ιδιότητα αυτή φαίνεται σχηµατικά στο Σχήµα 1. Αυτό σηµαίνει ότι σκυροδέµατα που συντηρούνται σε υψηλότερες θερµοκρασίες, αναπτύσσουν ταχύτερα πρώιµες αντοχές. Η ιδιότητα αυτή γίνεται εύκολα αντιληπτή από τον τελικό χρήστη, συγκρίνοντας τις πρώιµες αντοχές όταν αυτές σκυροδετούνται καλοκαίρι χειµώνα. Σχήµα 1. Σκυροδέµατα µε Ισοδύναµο δείκτη Ωριµότητας. Σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C-1074, υπάρχουν δύο εναλλακτικοί τρόποι για τον προσδιορισµό της «Ιστορίας Ωριµότητας» της κατασκευής: 2

1. Η Eξίσωση 1, χρησιµοποιείται για τον καθορισµό της σχέσης χρόνουθερµοκρασίας, ως εξής: όπου: ( T T ) t M t) = Σ α ο ( (1) M (t) = η σχέση χρόνου-θερµοκρασίας, σε ηλικία t, µετρούµενη σε ηµέρες ή ώρες, t = το χρονικό διάστηµα σε ηµέρες ή ώρες, T a = η µέση θερµοκρασία σκυροδέµατος, κατά το χρονικό διάστηµα t, σε ºC, T = η θερµοκρασία έναρξης σε ºC. o 2. Η εναλλακτική Eξίσωση 2 ωριµότητας, χρησιµοποιείται για τον υπολογισµό της ισοδύναµης ηλικίας σε µία συγκεκριµένη θερµοκρασία, ως εξής: t e Q = Σe T a T s 1 1 t (2) όπου: t = η ισοδύναµη ηλικία σε µία καθορισµένη θερµοκρασία, T s (20ºC), σε e ηµέρες ή ώρες, Q = η ενέργεια ενεργοποίησης διαιρούµενη µε την σταθερά αερίων, Κ, T a = η θερµοκρασία σκυροδέµατος, κατά το χρονικό διάστηµα t, σε ºC, T s = η καθορισµένη θερµοκρασία και t = το χρονικό διάστηµα σε ηµέρες ή ώρες. Σηµειώνεται εδώ ότι η µετάβαση από την υγρή στη στερεή κατάσταση προσδιορίζεται από την αρχική και την τελική πήξη του σκυροδέµατος. Σύµφωνα µε το ASTM C-403, αρχική πήξη συµβαίνει όταν σε σκυρόδεµα που κοσκινίζεται από το κόσκινο No 4 και παραµένει σε κυλινδρικό δοχείο, η αντίσταση διείσδυσης βελόνας είναι 500 psi (3,54 Mpa), σε δοκιµή που πραγµατοποιείται σε βάθος 25mm, σε διάρκεια χρόνου 10 δευτερολέπτων. Αντίστοιχα τελική πήξη συµβαίνει όταν η αντίσταση στη βελόνα διείσδυσης είναι 4000 psi (27,47 Mpa). Η φυσική σηµασία των δύο εννοιών είναι ότι στη φάση της αρχικής πήξης, το σκυρόδεµα δεν είναι σε θέση να δονηθεί πλέον και στην φάση της τελικής πήξης έχει ήδη αρχίσει να αποκτά µηχανικές αντοχές, όπου σύµφωνα µε έρευνες έχει θλιπτική αντοχή κύβου περίπου 50psi (0,45 Mpa), (Danish Technological Institute, 1994), (Russel, J.K. 1998), (Schindler, K.A. 2002). 3

Η φυσική εξήγηση του τύπου του Arhenius, είναι ότι η αύξηση της θερµοκρασίας, αυξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης της πήξης του σκυροδέµατος. Όπως είναι προφανές από τον τύπο (2), αν είναι γνωστή η ενέργεια ενεργοποίησης και καταγράφεται η θερµοκρασία T a, µπορεί να υπολογισθεί η ισοδύναµη ηλικία του σκυροδέµατος. Στο Σχήµα 2, φαίνονται σχηµατικά: Ο βαθµός ανάπτυξης της θερµοκρασίας στη µονάδα µάζας του σκυροδέµατος, όπου είναι χαρακτηριστικό το «σηµείο ύπνωσης», δηλαδή η µικρή πτώση της θερµοκρασίας του σκυροδέµατος, που παρατηρείται αµέσως µετά τη διάστρωσή του και µετά η κατακόρυφη αύξησή της. Ο βαθµός ανάπτυξης της ενυδάτωσης, που αυξάνεται σταδιακά µε την πάροδο του χρόνου. Οι διάφορες καταστάσεις του σκυροδέµατος, όπου από πλαστικό και εργάσιµο, «πήζει» και ανεβάζει την αντοχή του παράλληλα µε την αύξηση της θερµοκρασίας της µάζας του. Σχήµα 2. Στάδια κατά τη διαδικασία Ενυδάτωσης. Οι µείξεις του σκυροδέµατος, µπορούν να χαρακτηρισθούν ως «Αργές» ή «Γρήγορες», ανάλογα µε το πόσο γρήγορα επιτυγχάνεται το µέγιστο της καµπύλης (α) (Ανάπτυξη θερµότητας). Τα στοιχεία εκείνα τα οποία επηρεάζουν την ταχύτητα ανάπτυξης πρώιµων αντοχών, είναι ο τύπος του τσιµέντου (Χηµική 4

σύσταση, Λεπτόκοκκα, Πρόσθετα-GGBFS), η ποσότητα του τσιµέντου, ο λόγος νερού/τσιµέντου, τα πρόσµεικτα και η αρχική θερµοκρασία µείξης. Η θερµοκρασία στη θέση σκυροδέτησης, προκύπτει σαν αλληλεπίδραση των καιρικών συνθηκών µε την «αδιαβατική» ανάπτυξη της θερµοκρασίας του σκυροδέµατος. Η ανάπτυξη της θερµοκρασίας στο έργο, φαίνεται σχηµατικά στο Σχήµα 3 (Schindler, K.A. 2002). Σχήµα 3. Ανάπτυξη θερµοκρασίας. Αν είναι γνωστή στη µονάδα χρόνου η Θερµοκρασία του σκυροδέµατος στο έργο και η Ενέργεια Ενεργοποίησης, µπορεί να υπολογισθεί µε τον τύπο (2), η ισοδύναµη ηλικία (αντοχή σαν να είχε συντηρηθεί το στοιχείο σε θάλαµο συντήρησης δοκιµίων, σε θερµοκρασία 20ºC). ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Το σκυρόδεµα που ελέγχθηκε ήταν ονοµαστικής κατηγορίας C 20/25 και χρησιµοποιήθηκε σε τελική επένδυση σήραγγας. Οι αναλογίες της σύνθεσης, φαίνονται στον Πίνακα 2. Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά χρησιµοποιηθείσας σύνθεσης C 20/25. Συστατικά Ποσοστά (kg/m 3 ) Τσιµέντο CEM II 42,5 360 Σκύρο 556 Γαρµπίλι 371 Άµµος θραυστή 463 Άµµος ποταµού 463 Νερό (Ολικό) 195 Ρευστοποιητής 2 Αποτέλεσµα Κάθισης (cm) 12 Αποτέλεσµα θραύσης 24h (MPa) 17,3 Αποτέλεσµα θραύσης 7d (MPa) 40,04 Aποτέλεσµα θραύσης 28d (MPa) 46,05 5

Για τον προσδιορισµό της ενέργειας ενεργοποίησης, ακολουθήθηκε στο Εργαστήριο η διαδικασία του προτύπου ASTM C-1074, µε την συντήρηση και θραύση κύβων σε τρία διαφορετικά περιβάλλοντα, µε θερµοκρασία συντήρησης 10, 20 και 30ºC αντίστοιχα. Η ενέργεια ενεργοποίησης υπολογίσθηκε σε ΑΕ = 42.000Joule/mol. Στο έργο, προκειµένου να εκτιµηθεί η ανάπτυξη των πρώιµων αντοχών και να συγκριθεί µε κύβους έργων, τοποθετήθηκαν θερµοζεύγη (thermocouples) στο σκυρόδεµα, στα εξής σηµεία (Σχ. 4, 5): Στο σκυρόδεµα στο θόλο της σήραγγας, σε απόσταση 20cm από την άκρη του καλουπιού. Σε κύβο τοποθετηµένο σε αυτοσχέδιο ισοθερµικό κουτί (φτιαγµένο από φελιζόλ στο έργο). Σε κύβο έργου πλησίον του καλουπιού. Στον αέρα, προκειµένου να µετρηθεί η θερµοκρασία περιβάλλοντος. Σχήµα 4. Θέσεις θερµοζευγών. (1) Θόλος σήραγγας. (2) Κύβος σε αυτοσχέδιο Ισοθερµικό κουτί. (3) Κύβος έργου. (4) Αέρας. Σχήµα 5. Τοποθέτηση θερµοζευγών εντός θόλου σήραγγας. Στο Σχήµα 6, φαίνεται η ανάπτυξη της θερµοκρασίας, στα 4 σηµεία που µετρήθηκε: 6

Θερµοκρασία (ºC) Σχήµα 6. Μεταβολή θερµοκρασίας σε σχέση µε τον χρόνο. Η σκυροδέτηση της Σήραγγας πραγµατοποιήθηκε τον Απρίλιο του 2008. Είναι προφανές από το παραπάνω σχήµα, ότι µετά από µία ώρα, η θερµοκρασία του κύβου έργου γίνεται ίδια µε αυτή του περιβάλλοντος. Αντίθετα το σκυρόδεµα που συντηρείται στο καλούπι αυξάνει τη θερµοκρασία του πολύ περισσότερο από τους κύβους που ελέγχονται. Στο Σχήµα 7 φαίνεται η ανάπτυξη αντοχής στα 3 διαφορετικά περιβάλλοντα συντήρησης, συγκρινόµενα µε σκυρόδεµα της ίδιας σύνθεσης, που σκληραίνει σε θερµοκρασία αναφοράς 20 C. Ο υπολογισµός της ισοδύναµης αντοχής γίνεται µε τη χρήση του τύπου (2). Τα αποτελέσµατα της ανάπτυξης αντοχής επιβεβαιώνονται απόλυτα χρησιµοποιώντας τη µέθοδο της Ταυτοποιηµένης Θερµοκρασιακής Ωρίµανσης (Match Cure Bath). Σχήµα 7. ιάγραµµα ανάπτυξης αντοχής. 7

ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Κρίνεται σκόπιµο να παρακολουθείται η ανάπτυξη της πρώιµων αντοχών µε τη µέθοδο ωριµότητας επί τόπου του έργου δεδοµένου ότι οι κύβοι έργου παρέχουν υποεκτίµηση της επί τόπου αντοχής. Θα ήταν εξαιρετικά χρήσιµη η ύπαρξη λογισµικού που να προσδιορίζει την ενέργεια ενεργοποίησης µιας µελέτης σύνθεσης. Θα ήταν επίσης εξαιρετικά σηµαντική η ύπαρξη λογισµικού που συσχετίζοντας τις περιβαλλοντικές συνθήκες µε την «αδιαβατική ανάπτυξη θερµοκρασίας» να υπολογίζει αναλυτικά τις πρώιµες αντοχές. Οι κύβοι έργων, παρέχουν υποεκτίµηση της αντοχής του σκυροδέµατος σε πρώιµες αντοχές, σε σχέση µε την σκυροδετούµενη κατασκευή. Η µέθοδος ωριµότητας, παρέχει σηµαντικές πληροφορίες για την ανάπτυξη της αντοχής σε πρώιµες ηλικίες και είναι ένα σηµαντικό εργαλείο για τον προγραµµατισµό των εργασιών. Μπορεί επίσης να βοηθήσει αποφασιστικά στην βελτιστοποίηση της Μελέτης Σύνθεσης. 8

ΑΝΑΦΟΡΕΣ Carino N.J., Lew H.S., The Maturity Method: From Theory To Application, Building and Fire Research Laboratory National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899-8611 USA, 2001. Danish Technological Institute, TI-B 103 (94), Test Method, Activation Energy of the Maturity Method. NT BUILD 476, Nordest Method, Concrete Fresh: Initial Setting Time And Activation Energy During Setting, 1996. Russel J.K., Cesar A.C. and Ramón Carrasquillo, Match-Cure and Maturity: Taking Concrete Strength Testing to a Higher Level, Center for transportation research, Project Summary Report 1714-5 Investigation of Match-Cure Technology and the Maturity Concept as new Quality Control/Quality Assurance Measures for Concrete, 1998. Schindler K.A., Effect of Temperature on the Hydration of Cementitious Materials, 2002. Waller V., d Aloïa L., Cussigh F., Lecrux S., Using the maturity method in concrete cracking control at early ages, Cement & Concrete Composites 26 (2004) 589-599. American Society For Testing And Materials, Standard Practice for Estimating Concrete Strength by the Maturity Method, Designation: ASTM C 1074 98. 9