ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΙΑΒΡΩΜΕΝΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΙΑΒΡΩΜΕΝΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΙΧΑΛΗΣ ΠΕΤΡΟΥ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ Μηχανολόγος και Αεροναυπηγός Μηχανικός ΠΑΤΡΑ 2007

Στους γονείς μου και όσους πίστεψαν σε μένα.

i

ii

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Νιώθω την ανάγκη να εκφράσω τις ευχαριστίες μου σε όλους όσοι συνέβαλαν στην ολοκλήρωση της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Δεν θα μπορούσα παρά να αρχίσω από τον επιβλέποντα της διατριβής Καθηγητή Σπύρο Παντελάκη, για όλες τις επιστημονικές και ανθρώπινες συμβουλές, την αμέριστη συμπαράσταση και τη συνεχή καθοδήγηση του κάθ όλη τη διάρκεια της άριστης μας συνεργασίας. Ιδιαίτερες ευχαριστίες επίσης θα ήθελα να εκφράσω στον Λέκτορα Χάρη Αποστολόπουλο, μέλος της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, για τις αμέτρητες ώρες που μου αφιέρωσε από την προσωπική του ζωή για τη δρομολόγηση της διατριβής και την υποστήριξη του στις δύσκολες στιγμές. Επίσης, ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω στον Καθηγητή Αθανάσιο Τριανταφύλλου, μέλος της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, για τις χρήσιμες συμβουλές και την πάντα καλοπροαίρετη κριτική του. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Εξεταστικής Επιτροπής Καθηγητή Γρηγόρη Χαϊδεμενόπουλο, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Σοφία Παντελιού και τους Αναπληρωτές Καθηγητές Στέφανο Δρίτσο και Χρήστο Παπαδόπουλο για την καλοπροαίρετη κριτική τους και τα θετικά σχόλια που εξέφρασαν κατά την εξέταση της παρούσας διατριβής. Δεν θα μπορούσα παρά να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου στη μητέρα μου, η οποία σαν βράχος με στήριξε σε όλες τις αποφάσεις και τις δύσκολες μου στιγμές και στην αδερφή μου, για την υποστήριξη και την έκδηλη της αγάπη. Δίχως την ηθική τους συμπαράσταση ενδεχομένως η εργασία αυτή να μην είχε πραγματοποιηθεί ποτέ. iii

Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω: τους φίλους και συνεργάτες μου στο εργαστήριο Χρήστο Κατσιρόπουλο, Απόστολο Χάμο, Λάμπρο Ζήκο, Αρχοντούλα Κουτσολιάκου, Αλέξη Κερμανίδη, Πετρογιάννη Παρασκευά, Χρήστο Ροδόπουλο, Νίκο Αλεξόπουλο, Γεωργία Παπαδημητρίου, Στέφανο Καρβέλη, Γιάννη Διαμαντάκο, Στέφανο Μπέλεση, Γεράσιμο Μωραΐτη, Βίκτωρ Watiti, Milan Sunaric, Ελένη Σωτηροπούλου, Δημήτρη Σταματέλο, Γιώργο Μυλωνά και Βαγγέλη Πτωχό για όλες τις καλές και κακές στιγμές που περάσαμε και τους φοιτητές με τους οποίους συνεργάστηκα κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της διδακτορικής μου διατριβής Αντώνη Γκλαβίνη, Βασίλη Πασιαλή, Αντρέα Κίκα, Νάσο Αναστασίου, Μάριο Κερίμη, Γιάννη Παγώνη, Μελέτη Σωτηρόπουλο, Βαγγέλη Λέκκα και Παναγιώτη Μάτσια. iv

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ...5 ABSTRACT...9 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ...13 1.1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ...13 1.2 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ...14 1.3 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ...15 ΧΑΛΥΒΑΣ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ...17 2.1 ΙΣΤΟΡΙΚΟ ΧΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΩΣ ΟΠΛΙΣΜΟΣ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ....17 2.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΧΑΛΥΒΩΝ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ....18 2.3 ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ...22 2.4 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΙΑΒΡΩΜΕΝΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ...27 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ...29 3.1 ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ...29 3.2 ΕΠΙΤΑΧΥΝΘΕΙΣΑ ΔΙΑΒΡΩΣΗ...30 3.2.1 Επιταχυνθείσα διάβρωση αλατονέφωσης (salt spray corrosion)...31 3.3 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΜΕ ΤΗΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΑΛΑΤΟΝΕΦΩΣΗΣ....33 3.3.1 Αποτίμηση της βλάβης των φυσικά διαβρωμένων δοκιμίων...33 3.3.2 Αποτίμηση της βλάβης διάβρωσης δοκιμίων μετά από επιταχυνθείσα διάβρωση αλατονέφωσης...36 Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών

Περιεχόμενα 3.3.3 Συσχετισμός της βλάβης διάβρωσης φυσικά και εργαστηριακά διαβρωμένων δοκιμίων....36 3.4 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΔΟΚΙΜΕΣ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ...37 3.4.1 Δοκιμές εφελκυσμού για τους χάλυβες S400 και S500s...37 3.4.2 Δοκιμές εφελκυσμού για το χάλυβα B500c...39 3.4.3 Δοκιμές εφελκυσμού σε δοκίμια με τεχνητή εγκοπή....41 3.5 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΟΣΟΣΤΟΥ ΜΑΡΤΕΝΣΙΤΗ...42 3.6 ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΒΛΑΒΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΘΡΑΥΣΗΣ ΔΟΚΙΜΙΩΝ B500C...43 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΙΑΒΡΩΜΕΝΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ...45 4.1 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΟΚΙΜΩΝ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ ΧΑΛΥΒΑ S500S...45 4.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΟΚΙΜΩΝ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ ΧΑΛΥΒΑ B500C...52 4.3 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΠΙΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ S500S ΜΕ ΤΟΝ ΣΥΓΧΡΟΝΟ B500C...61 4.3.1 Αξιολόγηση των δύο υλικών...61 4.3.2 Ο δείκτης μηχανικής επίδοσης (Performance index) Q D....64 4.3.3 Αποτίμηση της μηχανικής επίδοσης των δύο υλικών...65 4.3.4 Χάρτες ποιότητας...66 4.4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΔΟΚΙΜΩΝ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ ΧΑΛΥΒΑ S400...69 4.5 ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΜΕ ΤΗΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΕΠΙΤΑΧΥΝΘΕΙΣΑ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΑΛΑΤΟΝΕΦΩΣΗΣ...73 4.5.1 Συντελεστής επιτάχυνσης της διάβρωσης αλατονέφωσης...78 ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ...83 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...83 5.2 ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ...83 5.2.1 Χημικές αναλύσεις...83 5.2.2 Μακροσκοπικός έλεγχος...84 5.2.3 Μεταλλογραφικός έλεγχος...89 5.2.4 Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM/EDX)...94 5.3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΘΡΑΥΣΗΣ...98 2

Περιεχόμενα 5.4 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΑΝΤΟΧΗΣ ΤΟΥ ΔΙΑΒΡΩΜΕΝΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΜΕ ΤΟΝ ΚΑΝΟΝΑ ΤΗΣ ΜΙΞΗΣ...103 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΒΛΑΒΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΣΤΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ ΜΕ ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ ΑΞΟΝΟ-ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΗ ΕΓΚΟΠΗ....105 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...105 6.2 ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΔΟΚΙΜΗ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ....106 6.3 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΤΗΣ ΙΣΟΔΥΝΑΜΗΣ ΑΞΟΝΟ-ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΗΣ ΕΓΚΟΠΗΣ...111 6.4 ΈΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΗΣ ΒΛΑΒΗΣ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΜΕ ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ ΑΞΟΝΟ-ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΗ ΕΓΚΟΠΗ...114 ΣΥΝΟΨΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...117 ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΠΡΟΣ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ...121 3

4

ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το οπλισμένο σκυρόδεμα αποτελεί στις μέρες μας το πιο διαδεδομένο υλικό για την κατασκευή του φέροντος οργανισμού κτιριακών κατασκευών. Παρά την εξαιρετική επίδοση του οπλισμένου σκυροδέματος ως φέροντος υλικού, διαπιστώθηκε ότι στη διάρκεια ζωής των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, η οποία συχνά ξεπερνά τα 100 χρόνια, παρατηρείται μια βαθμιαία συσσώρευση βλάβης, ένας από τους κύριους παράγοντες της οποίας εντοπίζεται στη διάβρωση του σιδηροπλισμού. Tα τελευταία χρόνια το πρόβλημα της υποβάθμισης της φέρουσας ικανότητας του οπλισμού σκυροδέματος λόγω βλάβης διάβρωσης έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον αρκετών ερευνητών παγκοσμίως. Όμως, μέχρι σήμερα ούτε η τεχνολογική σημασία της υποβάθμισης αυτής μπορεί να εκτιμηθεί ικανοποιητικά, κυρίως λόγω της έλλειψης σχετικών συστηματικών μελετών αλλά και επαρκών πειραματικών δεδομένων, ούτε οι φυσικοί μηχανισμοί που συμβάλλουν στην παρατηρούμενη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων έχουν γίνει πλήρως κατανοητοί. Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μια συστηματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος διαβρωμένων τόσο στο φυσικό τους περιβάλλον εντός του σκυροδέματος όσο και σε συνθήκες εργαστηριακής επιταχυμένης διάβρωσης. Με βάση τη σύγκριση της απώλειας μάζας σε συνάρτηση με το χρόνο έκθεσης στο διαβρωτικό μέσο που καταμετρήθηκε στο εργαστήριο, με την απώλεια μάζας δειγμάτων υλικού τα οποία είχαν διαβρωθεί φυσικά σε κατασκευές, κατέστη δυνατή η εξαγωγή ενός εμπειρικού 5

Περίληψη συντελεστή επιτάχυνσης της βλάβης διάβρωσης όταν το υλικό διαβρώνεται με τη μέθοδο της αλατονέφωσης σε σχέση με τη βλάβη φυσικής διάβρωσης. Κατά την παρούσα εργασία εξετάστηκαν οι χάλυβες S400 και S500s, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν ευρύτατα για κατασκευές του φέροντος οργανισμού κτιρίων στην Ελλάδα κατά το πρόσφατο παρελθόν, καθώς και ο χάλυβας B500c ο οποίος από τα τέλη του 2006 χρησιμοποιείται στην Ελλάδα σχεδόν αποκλειστικά. Για την εξασφάλιση μια επαρκούς πειραματικής βάσης, πραγματοποιήθηκαν περισσότερες από 500 δοκιμές εφελκυσμού σε διαβρωμένα και μη διαβρωμένα δοκίμια. Οι μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού έδειξαν ότι οι ιδιότητες αντοχής του διαβρωμένου υλικού παρουσιάζουν μικρή μόνο υποβάθμιση. Παρά ταύτα, η μείωση της διατομής των ράβδων του σιδηροπλισμού λόγω βλάβης διάβρωσης οδηγεί σε αύξηση των εφαρμοζόμενων τάσεων, αφού το βάρος των δομικών στοιχείων των κατασκευών προφανώς δεν μεταβάλλεται. Αυτό έχει ως συνέπεια τη σημαντική μείωση των συντελεστών ασφαλείας. Αντίθετα με τις ιδιότητες αντοχής, παρατηρήθηκε μια σημαντική μείωση στην παραμόρφωση θραύσης του διαβρωμένου υλικού. Η παραμόρφωση θραύσης και η ειδική ενέργεια παραμόρφωσης είναι κρίσιμες τεχνολογικές ιδιότητες σε συνθήκες σεισμού. Για την κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που συμβάλλουν στην παρατηρούμενη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων, διεξήχθη εκτενής μεταλλογραφική μελέτη καθώς και μελέτη των επιφανειών θραύσης του διαβρωμένου υλικού. Παρατηρήθηκε ότι η διάβρωση είναι ομοιόμορφη, ενώ κατά το μήκος των δοκιμίων εντοπίστηκαν περιοχές με εντονότερη και άλλες με λιγότερο έντονη διάβρωση. Επιπλέον, η ανάλυση των επιφανειών θραύσης έδειξε πλήρως όλκιμη συμπεριφορά θραύσης των δοκιμίων ακόμη και στο έντονα διαβρωμένο υλικό. Επομένως, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι η υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων εφελκυσμού του χάλυβα οπλισμού οφείλεται κυρίως στην ανομοιομορφία που παρουσιάζει η διατομή του σιδηροπλισμού κατά μήκος των ράβδων του υλικού λόγω της βλάβης διάβρωσης, με συνέπεια αφενός την τοπική συγκέντρωση τάσεων και αφετέρου την καταπίεση της ομοιόμορφης παραμόρφωσης κατά τον εφελκυσμό του υλικού. 6

Περίληψη Τέλος, στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μια μέθοδος με την οποία προσομοιώνεται η βλάβη λόγω διάβρωσης με μια τεχνητή εγκοπή. Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στις παραδοχές ότι η ολκιμότητα του υλικού παραμένει αμετάβλητη λόγω της διάβρωσης και η παρατηρούμενη μείωση στην παραμόρφωση θραύσης οφείλεται στην καταπίεση της ομοιόμορφης παραμόρφωσης λόγω των εγκοπών που προκαλεί η διάβρωση στο υλικό οι οποίες διευκολύνουν τη δημιουργία του λαιμού. Επίσης γίνεται η παραδοχή ότι η παρατηρούμενη μείωση των ιδιοτήτων αντοχής οφείλεται στη συγκέντρωση τάσεων που προκαλούν οι εγκοπές αυτές. Δοκιμές εφελκυσμού σε δοκίμια με εγκοπές γνωστής γεωμετρίας έδειξαν ότι η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ικανοποιητική ακρίβεια για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων εφελκυσμού του υλικού χωρίς την ανάγκη πραγματοποίησης μηχανικών δοκιμών. 7

8

ABSTRACT ABSTRACT Reinforced concrete is currently the most common material used for the construction of the load bearing elements of structures. Although this composite material performs exceptionally well, it has been noted that during the life span of reinforced concrete structures, which often exceeds 100 years, a gradual damage accumulation takes place. One of the most influential factors of this damage has been attributed to the corrosion of steel reinforcement. Recently, the degradation of the load bearing ability of steel reinforcement has been an issue under research by several researchers worldwide. Yet to date, the technological importance of this degradation caused by corrosion damage cannot be assessed to a satisfactory degree, mainly due to the lack of relevant experimental studies. Similarly, the physical mechanisms which contribute to the degradation have not been totally resolved. In the framework of the current PhD thesis, a systematic study of the mechanical behaviour of concrete reinforcing steel bars, corroded both in their natural environment (embedded in concrete) and by means of laboratory accelerated corrosion, was performed. By comparing the mass loss as a function of time recorded during the laboratory corrosion tests with the respective mass loss recorded from naturally corroded samples, an empirical acceleration factor was derived for laboratory corrosion damage compared to natural corrosion damage. 9

Abstract Reinforcing steel grades S400* and S500s*, which have been used in the recent past for the reinforcement of concrete structures in Greece, as well as steel grade B500c**, which from the end of 2006 is used almost exclusively, were tested. To obtain a sufficient experimental database more than 500 tensile tests on corroded and non-corroded samples were performed. The tensile tests performed have shown only a slight degradation of the strength properties of the corroded steel bars. However, the reduction of the cross sectional area of the corroded bars lead to an increase of the applied stress, as the loads applied to which steel bars in structures are constant over time. This leads to a significant reduction of the safety factors applied during design. On the contrary, a significant reduction of the material s ductility properties was recorded. Elongation to failure and strain energy density are crucial properties in the case of alternating loading during earthquakes. In order to understand the physical mechanisms which contribute to the recorded degradation of the mechanical properties, an extensive metallographic investigation as well as an investigation of the fracture surfaces of corroded material was performed. From this investigation it was concluded that corrosion damage is uniform without pitting, while along the bars length areas more severe corrosion damage was noted. Furthermore, the investigation of the fracture surfaces showed ductile fracture characteristics even of the most severely corroded specimens. It can therefore be concluded that the degradation of the tensile properties of corroded material is caused mainly by the non-uniformity of the corrosion damage and therefore of the cross sectional area along the longitudinal axis of the bars. This leads to a local stress concentration as well as to the depression of the uniform elongation during the tensile testing of the material. Finally, in the current PhD thesis a method by which corrosion damage can be simulated by a fictitious notch is suggested. This method is based on the assumptions that the ductility of the material remains unaffected by corrosion and the recorded reduction of the ductility properties is 10

Abstract attributed to the depression of the uniform elongation caused by notches which are formed on the bars due to corrosion exposure and facilitate necking. In addition, the recorded reduction of the strength properties is attributed to the stress concentration caused by these notches. Tensile tests performed on specimens with artificial notches of known geometry have shown that the suggested method can be used to assess to a satisfactory degree the tensile properties of steel reinforcing bars without the need to perform tensile tests. * Names according to the Hellenic regulations. These steel grades are similar to the StIIIs and StIVs steel grades of the DIN regulations respectively. ** Name according to the Hellenic regulations. It is similar to StIV steel grade but with higher ductility requirements compared to S500s. 11

12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ 1.1 Τεχνολογικό πρόβλημα Το οπλισμένο σκυρόδεμα αποτελεί στις μέρες μας το πιο διαδεδομένο υλικό για την κατασκευή του φέροντος οργανισμού κτιριακών κατασκευών. Παρά την εξαιρετική επίδοση του οπλισμένου σκυροδέματος ως φέροντος υλικού, διαπιστώθηκε ότι στη διάρκεια ζωής των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, η οποία συχνά ξεπερνά τα 100 χρόνια, παρατηρείται μια βαθμιαία συσσώρευση βλάβης. Αρκετοί ερευνητές [1-6] μελέτησαν την αλληλεπίδραση του σκυροδέματος και του σιδηροπλισμού μετά από διάβρωση και αναφέρουν ότι ένας από τους κύριους παράγοντες υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα εντοπίζεται στη διάβρωση του σιδηροπλισμού. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην ανάγκη επισκευών με αποτέλεσμα την δαπάνη σημαντικών ποσών σε όλο τον κόσμο για αποκατάσταση κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι το κόστος για αποκατάσταση δομών από οπλισμένο σκυρόδεμα στο οδικό δίκτυο των Η.Π.Α. από τα 20 δις. δολάρια ετησίως το 1989 [7] εκτινάχθηκε στα 276 δις δολάρια το 1997 [8], ενώ το αντίστοιχο κόστος για την αποκατάσταση γεφυρών στο Ηνωμένο Βασίλειο έφτασε τα 20 εκ. Αγγλικές στερλίνες το 1989 [9]. Παρόλο που τα τελευταία χρόνια το πρόβλημα της υποβάθμισης της φέρουσας ικανότητας του οπλισμού λόγω διάβρωσης έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον αρκετών ερευνητών παγκοσμίως, η πλήρης 13

Κεφάλαιο 1 κατανόηση του και ακόμη περισσότερο η δυνατότητα πρόβλεψης της εξέλιξής του στο χρόνο δεν έχει γίνει ακόμη δυνατή. Είναι χαρακτηριστικό ότι, ενώ έχουνε εντοπιστεί περιπτώσεις όπου οι μηχανικές ιδιότητες του σιδηροπλισμού κατασκευών παρουσιάζουν σημαντική υποβάθμιση [5], ο παράγοντας της διάβρωσης του σιδηροπλισμού των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα δεν λαμβάνεται υπ όψιν από τις προδιαγραφές που διέπουν τόσο την παραγωγή [10] όσο και την χρήση χάλυβα οπλισμού [11-13]. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι, ενώ στην βιβλιογραφία βρίσκονται αρκετές αναφορές εντοπισμού διαβρωμένου σιδηροπλισμού σε κατασκευές [π.χ 14,15], αντίστοιχες εργασίες μεθοδικής έρευνας και αποτίμησης της μηχανικής συμπεριφοράς διαβρωμένου υλικού είναι περιορισμένες. 1.2 Σκοπός της διατριβής Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συστηματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος διαβρωμένων τόσο στο φυσικό τους περιβάλλον εντός του σκυροδέματος όσο και σε συνθήκες εργαστηριακής επιταχυνθείσας διάβρωσης. Προκειμένου να εξασφαλιστεί μια επαρκής πειραματική βάση για τη συνέχεια της έρευνας και να εξαχθούν κατά το δυνατόν ασφαλή συμπεράσματα για την επίδραση της διάβρωσης στη συμπεριφορά εφελκυσμού των υπό εξέταση υλικών, πραγματοποιήθηκε ένας πολύ σημαντικός αριθμός πειραμάτων εφελκυσμού (περισσότερα από 500). Τα πειραματικά αποτελέσματα των μηχανικών δομικών εφελκυσμού υποστηρίχτηκαν με χαρακτηρισμό της βλάβης διάβρωσης ώστε να γίνουν κατανοητοί οι μηχανισμοί διάβρωσης που καθορίζουν τη μηχανική συμπεριφορά των διαβρωμένων χαλύβων. Τέλος, αναπτύχθηκε μεθοδολογία προσομοίωσης της επίδρασης της βλάβης διάβρωσης στη συμπεριφορά εφελκυσμού του υλικού μέσω μιας ισοδύναμης αξονο-συμμετρικής εγκοπής. Η μεθοδολογία αυτή αξιοποιήθηκε για την εκτίμηση της αναμενόμενης υποβάθμισης των ιδιοτήτων εφελκυσμού σιδηροπλισμού που έχει υποστεί διάβρωση. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής εξετάστηκαν οι χάλυβες S400 και S500s, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν ευρύτατα για κατασκευές του φέροντος οργανισμού κτιρίων στην Ελλάδα κατά το πρόσφατο παρελθόν, καθώς και ο 14

Αντικείμενο της διατριβής χάλυβας B500c ο οποίος από τα τέλη του 2006 χρησιμοποιείται στην Ελλάδα σχεδόν αποκλειστικά. Η αποτίμηση των αποτελεσμάτων έγινε με αναφορά στους σχετικούς κανονισμούς για τον έλεγχο της καταλληλότητας οπλισμού σκυροδέματος [11-13], ενώ παράλληλα οι κανονισμοί αυτοί σχολιάστηκαν ως προς την επάρκειά τους ώστε να λαμβάνεται υπ όψιν η αναμενόμενη υποβάθμιση της φέρουσας ικανότητας του σιδηροπλισμού λόγω της συσσώρευσης βλάβης διάβρωσης. Μέσω των παραπάνω, η παρούσα εργασία έχει στόχο να συμβάλλει στον προσδιορισμό της σημασίας της διάβρωσης του σιδηροπλισμού στις κατασκευές καθώς και στον ασφαλή υπολογισμό της φέρουσας ικανότητας κατασκευών όταν σε αυτές παρατηρείται διάβρωση του σιδηροπλισμού. 1.3 Ανάπτυξη της διατριβής Η διατριβή αυτή αποτελείται από 8 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται το αντικείμενο της διατριβής. Παρουσιάζεται το γενικό τεχνολογικό πρόβλημα, ο σκοπός της διατριβής και τα ειδικά θέματα με τα οποία καταπιάνεται η παρούσα διατριβή. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της βιβλιογραφικής ανασκόπησης στο θέμα της διάβρωσης των δομικών χαλύβων. Η ανασκόπηση εστιάστηκε στην κατανόηση του τεχνολογικού προβλήματος και των μηχανισμών που προκαλούν τη διάβρωση του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος όταν αυτός βρίσκεται στο φυσικό περιβάλλον λειτουργίας του και στην μελέτη των προσπαθειών που έχουν γίνει μέχρι σήμερα για την αντιμετώπιση του προβλήματος. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για την εργαστηριακή διάβρωση του σιδηροπλισμού και τις μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού καθώς και η μεθοδολογία συσχέτισης της επιταχυνθείσας διάβρωσης αλατονέφωσης με τη φυσική διάβρωση του χάλυβα οπλισμού. Επίσης, περιγράφονται οι δοκιμές και οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό της βλάβης διάβρωσης καθώς και των επιφανειών θραύσης των διαβρωμένων δοκιμίων σιδηροπλισμού. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύεται η μηχανική συμπεριφορά του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος που παρατηρήθηκε πειραματικά και παρουσιάζονται 15

Κεφάλαιο 1 τα αποτελέσματα όλων των δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν. Όπου είναι εφικτό, τα αποτελέσματα αυτά συγκρίνονται ως προς τις απαιτήσεις των κανονισμών και σχολιάζονται ενδεχόμενες μη συμμορφώσεις ως προς τις απαιτήσεις αυτές. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μεταλλογραφικής μελέτης που πραγματοποιήθηκε. Η μεταλλογραφική μελέτη πραγματοποιήθηκε με σκοπό την κατανόηση των μηχανισμών διάβρωσης του υλικού και εστιάστηκε στον χαρακτηρισμό της διάβρωσης και στην ανάλυση των επιφανειών θραύσης των δοκιμίων. Στο έκτο κεφάλαιο προτείνεται μια μέθοδος προσομοίωσης της επίδρασης της βλάβης διάβρωσης στη μηχανική συμπεριφορά εφελκυσμού του διαβρωμένου υλικού μέσω μιας υποθετικής εγκοπής συμμετρικής ως προς τον διαμήκη άξονα των ράβδων. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της διατριβής αυτής, ενώ στο όγδοο κεφάλαιο προτείνονται θέματα προς περαιτέρω διερεύνηση. Τέλος, δίνονται οι βιβλιογραφικές αναφορές που έγιναν καθώς και κατάλογος των πινάκων και σχημάτων που περιέχονται στην εργασία αυτή. 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΧΑΛΥΒΑΣ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ 2.1 Ιστορικό χρήσης του χάλυβα ως οπλισμός σκυροδέματος. Τα πρώτα ευρήματα χρήσης τσιμέντου ως κατασκευαστικού υλικού εντοπίζονται στη γεωγραφική περιοχή της σημερινής Σερβίας και χρονολογούνται από το 5600 π.χ.. Κατασκευές από τσιμέντο με ποικίλες χημικές συστάσεις έγιναν επίσης από τους Βαβυλώνιους, τους Ρωμαίους και τους Αιγυπτίους κατά τις περιόδους της αυτοκρατορίας τους. Το 1756 ο Άγγλος μηχανικός John Smeaton χρησιμοποιεί για πρώτη φορά τσιμέντο χημικής σύστασης παρόμοιας του τσιμέντου Portland και αδρανή αποτελούμενα από βότσαλα και κεραμική σκόνη για την κατασκευή σκυροδέματος. Η πατέντα όμως του τσιμέντου Portland ανήκει στον Άγγλο παραγωγό τσιμέντου Joseph Aspdin από το 1824. Έκτοτε η χημική σύσταση του σκυροδέματος έχει υποστεί μικρές μόνο αλλαγές. Η χρήση οπλισμένου σκυροδέματος ως κατασκευαστικού στοιχείού είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία η οποία αποδίδεται στον Joseph-Louis Lambot, ο οποίος το 1848 κατασκεύασε την πρώτη βάρκα από σκυρόδεμα ενισχυμένο με οπλισμό σιδήρου. Μερικά χρόνια αργότερα, το 1867, ο Γάλλος Joseph Monier καταθέτει την ευρεσιτεχνία του ενισχυμένου με σίδηρο σκυροδέματος το οποίο χρησιμοποιούσε αρχικά για κατασκευή γλαστρών και λεκανών για φυτά, ενώ λίγο αργότερα χρησιμοποιείται και για την κατασκευή δομικών 17

Κεφάλαιο 2 στοιχείων. Η πρώτη γέφυρα από οπλισμένο σκυρόδεμα σχεδιάστηκε από τον Joseph Monier και κατασκευάστηκε το 1875. Η επίλυση του προβλήματος της σύνδεσης οριζόντιων και κατακόρυφων κατασκευαστικών στοιχείων με ευρεσιτεχνία του Γάλλου μηχανικού Francois Hennebique το 1892 οδήγησε σε μια νέα εποχή στον τομέα των κατασκευών. Η χρήση του οπλισμένου σκυροδέματος διαδίδεται ραγδαία παγκοσμίως και σύντομα το υλικό αυτό καταλήγει να είναι το πιο διαδεδομένο υλικό κατασκευής κτιρίων. 2.2 Παραγωγή χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος και τυποποίηση. Οι ισχύουσες προδιαγραφές επιτρέπουν στην κάθε μονάδα παραγωγής χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος να χρησιμοποιεί τη δική της τεχνογνωσία και εμπειρία στη διαδικασία παραγωγής του υλικού. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα να παρουσιάζονται διαφορές ανάμεσα στο παραγόμενο υλικό της κάθε χαλυβουργικής. Ο μη-κεκραμένος χάλυβας με περιεκτικότητα σε άνθρακα περί το 0.2-0.25% παρουσιάζει όριο διαρροής από 350 έως 400MPa. Η τάση για εξοικονόμηση πρώτων υλών και βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών οδήγησε στην ανάπτυξη και καθιέρωση χάλυβα οπλισμού με ελάχιστο όριο διαρροής τα 500MPa. Αύξηση του ορίου διαρροής πέραν των 400MPa μπορεί να επιτευχθεί με αύξηση του ποσοστού του άνθρακα, με προσθήκη κατάλληλων κραματικών στοιχείων και με κατάλληλη θερμική ή μηχανουργική κατεργασία [16-20]. Η αύξηση όμως της περιεκτικότητας σε άνθρακα καθιστά το χάλυβα ουσιαστικά μη-συγκολλήσιμο, αφού αύξηση πέραν του 0.2% περίπου αποτρέπει την επαναφορά των μηχανικών ιδιοτήτων της θερμικά επηρεαζόμενης ζώνης λόγω της συγκόλλησης. Έτσι, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην πράξη για την παραγωγή χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος με όριο διαρροής τουλάχιστον 500MPa είναι η προσθήκη κατάλληλων κραματικών στοιχείων ή η κατάλληλη θερμική επεξεργασία. Το σημαντικό όμως κόστος των κραματικών στοιχείων, όπως του βαναδίου ή του τιτανίου, έχει καθιερώσει τη μέθοδο Tempcore ως την ευρύτερα χρησιμοποιούμενη μέθοδο παραγωγής χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος. 18

Χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος Ως πρώτη ύλη για την παραγωγή χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος χρησιμοποιείται scrap (παλιοσίδερα) το οποίο τήκεται σε ηλεκτρικούς κλιβάνους βολταϊκού τόξου. Στην κατάσταση του τήγματος πραγματοποιούνται οι διαδικασίες κάθαρσης, αποξείδωσης και κραματοποίησης του ρευστού χάλυβα. Αφού εξασφαλιστεί η κατάλληλη χημική σύσταση του τήγματος, ο ρευστός χάλυβας περνάει στις μηχανές συνεχούς χύτευσης από τις οποίες παράγονται μπιγιέτες τετραγωνικής διατομής τυπικών διαστάσεων 120x120mm έως 140x140mm και μήκους 6 έως 14m. Στη συνέχεια, οι μπιγιέτες αυτές θερμαίνονται στους 1100 1200 ο C και ακολουθεί η τελική διαμόρφωση στα έλαστρα. Τέλος, ανάλογα με το παραγόμενο υλικό ακολουθείται και διαφορετική κατεργασία [21]: Για την παραγωγή υλικού χωρίς περαιτέρω κατεργασία οι ράβδοι χάλυβα κόβονται και τοποθετούνται στην τράπεζα ψύξεως όπου και παραμένουν μέχρι η θερμοκρασία τους να φτάσει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Κατά τη διεργασία αυτή πραγματοποιείται η μετατροπή της ωστενιτικής δομής στις φάσεις φερρίτη και περλίτη. Για την παραγωγή υλικού ψυχρής κατεργασίας, αφού οι ράβδοι αποκτήσουν θερμοκρασία περιβάλλοντος, ακολουθεί η εν ψυχρώ ολκή ή στρέψη των ράβδων. Για την παραγωγή υλικού με τη μέθοδο Tempcore, μετά την εν θερμώ εξέλαση του υλικού οι ράβδοι εισέρχονται σε θάλαμο ψύξης, όπου ψύχονται με ψεκασμό νερού. Λόγω της απότομης ψύξης δημιουργείται στην επιφάνεια του χάλυβα η σκληρή μαρτενσιτική δομή ενώ στο εσωτερικό του, λόγω της αυξημένης θερμοκρασίας, διατηρείται ακόμη η ωστενιτική δομή. Στη συνέχεια οι ράβδοι τοποθετούνται στην τράπεζα ψύξης, όπου λόγω της υψηλής θερμοκρασίας στο εσωτερικό τους πραγματοποιείται η ανόπτηση του μαρτενσίτη με παράλληλη μετατροπή της ωστενιτικής δομής σε φερριτοπερλιτική. Η δομή του παραγόμενου με τη μέθοδο αυτή χάλυβα φαίνεται στο Σχήμα 1. 19

Κεφάλαιο 2 Μαρτενσίτης Μπαινίτης Φερρίτης-Περλίτης Σχήμα 1: Εγκάρσια τομή χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος παραγόμενου με τη μέθοδο TempCore. Η ταχύτατη εξάπλωση του οπλισμένου με χάλυβα σκυροδέματος ως υλικού κατασκευής φερόντων οργανισμών οδήγησε στην ανάγκη καθιέρωσης προτύπων και προδιαγραφών που τυποποιούν τη μορφολογία, τις διαστάσεις και τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού και υποχρεώνουν τις χαλυβουργικές σε συμμόρφωση της παραγωγής χάλυβα οπλισμού. Ο πρώτος κανονισμός τυποποίησης εμφανίζεται το 1923 από το Γερμανικό Ινστιτούτο Τυποποιήσεων DIN [22] και έκτοτε ακολουθούν διάφοροι κανονισμοί και προδιαγραφές, προσαρμοσμένες στις ανάγκες της κάθε χώρας, ακολουθώντας όμως ουσιαστικά τη λογική τυποποίησης των Γερμανικών κανονισμών. Τα πρώτα Ελληνικά πρότυπα τίθενται σε ισχύ το 1987 με την εισαγωγή των προτύπων ΕΛΟΤ 959 και ΕΛΟΤ 971 για τους κοινούς και τους συγκολλήσιμους χάλυβες αντίστοιχα. Το 1995 έπειτα από τροποποιήσεις καθορίζονται τρεις κατηγορίες χαλύβων: οι S220, S400 και S500 με βάση την ελάχιστη τιμή του ορίου διαρροής τους. Ο νεότερος Ελληνικός κανονισμός, ο οποίος τέθηκε σε ισχύ τον Οκτώβριο του 2006, εισάγει δύο νέες τεχνικές κατηγορίες χάλυβα, συγκεκριμένα τους B500Α και B500C που είναι γνωστός και ως χάλυβας υψηλής ολκιμότητας. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται οι διάφορες τεχνικές κατηγορίες δομικών χαλύβων σύμφωνα με τις Ελληνικές προδιαγραφές καθώς και ενδεικτικά η περίοδος κατά την οποία χρησιμοποιήθηκε η κάθε κατηγορία [10]. 20

Χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος Πίνακας 1: Κατηγορίες χάλυβα σύμφωνα με τις Ελληνικές προδιαγραφές ΕΛΟΤ Κατηγορία χάλυβα Προδιαγραφή Ελάχιστο όριο διαρροής [MPa] Περίοδος χρήσης (Δεκαετίες) S220 ΕΛΟΤ 959 220 έως 60 S400 ΕΛΟΤ 959 400 60 έως 90 S400s ΕΛΟΤ 971 400 αρχές 90 S500 ΕΛΟΤ 959 500 αρχές 90 S500s ΕΛΟΤ 971 500 αρχές 90 Β500A ΕΛΟΤ1421 500 από τέλη 2006 B500C ΕΛΟΤ1421 500 από τέλη 2006 Σε αντίθεση με άλλα τεχνολογικά υλικά, τα οποία παράγονται με αυστηρούς περιορισμούς στη χημική σύσταση και στις θερμικές ή/και μηχανουργικές κατεργασίες, οι προδιαγραφές που διέπουν την κατάταξη του δομικού χάλυβα σε συγκεκριμένη τεχνική κατηγορία αρκούνται στη θέσπιση κάποιων ανώτατων ορίων στην περιεκτικότητα του υλικού σε ορισμένα κραματικά στοιχεία και την απαίτηση να πληρούν τις απαιτήσεις στις ιδιότητες αντοχής και ολκιμότητας που θέτει ο κάθε κανονισμός. Οι προϋποθέσεις για κατάταξη των δομικών χαλύβων στις διάφορες κατηγορίες παρουσιάζονται στους Πίνακες 2 και 3 [10]. Για την περίπτωση των μησυγκολλήσιμων χαλύβων δεν τίθενται περιορισμοί στη χημική σύσταση. Πίνακας 2: Περιορισμοί στην χημική σύσταση των διαφόρων κατηγοριών δομικών χαλύβων. Μέγιστη επιτρεπτή περιεκτικότητα Κατηγορία χάλυβα Άνθρακας C% Φωσφόρος P% Θείο S% Άζωτο N% Χαλκός Cu% Τιμή ισοδύναμου Άνθρακα (C eq ) 0.50 (0.53) 0.50 (0.53) 0.50 S400s 0.22 0.050 0.050 0.012 (0.24) (0.055) (0.055) (0.013) S500s 0.22 0.050 0.050 0.012 (0.24) (0.055) (0.055) (0.013) Β500A 0.22 0.050 0.050 0.012 0.80 (0.24) (0.055) (0.055) (0.014) (0.85) (0.52) B500C 0.22 0.050 0.050 0.012 0.80 0.50 (0.24) (0.055) (0.055) (0.014) (0.85) (0.52) * Οι τιμές σε παρένθεση αναφέρονται στο τελικό προϊόν ενώ οι τιμές εκτός παρένθεσης αναφέρονται στην ανάλυση χυτηρίου (στη φάση του τήγματος). 21

Κεφάλαιο 2 Πίνακας 3: Ελάχιστες απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες των διαφόρων κατηγοριών δομικών χαλύβων. Ελάχιστες απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες Κατηγορία χάλυβα Όριο διαρροής R p [MPa] Όριο θραύσης R m [MPa] Παραμόρφωση θραύσης ε 5 [%] Ομοιόμορφη παραμόρφωση Α gt [%] Λόγος R m /R p S220 220 340 24 S400 400 500 14 S400s 400 440 14 S500 500 550 12 S500s 500 550 12 Β500A 500 2.5 1.05 B500C 500 7.5 1.15 1.35 Ο μη καθορισμός της ακριβούς χημικής σύστασης του υλικού έχει σαν αποτέλεσμα να παρατηρούνται αποκλίσεις στις μηχανικές ιδιότητες υλικού ίδιας τεχνικής κατηγορίας από διαφορετικές μονάδες παραγωγής ή ακόμη και ανάμεσα σε διαδοχικές παρτίδες υλικού από την ίδια μονάδα. Επιπλέον, η ελευθερία επιλογής της υποβολής ή μη του υλικού σε θερμική κατεργασία συντελεί τελικά στην παραγωγή υλικού ίδιας κατηγορίας με διαφοροποιήσεις στη χημική σύσταση και στη μικροδομή του τελικού προϊόντος. 2.3 Διάβρωση του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος Αν και η διάβρωση των μεταλλικών υλικών και ειδικότερα του χάλυβα απασχολεί τους ερευνητές εδώ και πολλά χρόνια και έχει μελετηθεί ενδελεχώς, το φαινόμενο της διάβρωσης του χάλυβα οπλισμού στις κατασκευές είναι ένα θέμα που αναδείχθηκε σχετικά πρόσφατα. Οι πρώτες σχετικές αναφορές εμφανίζονται γύρω στο 1980 [23,24]. Έκτοτε η μεγαλύτερη βαρύτητα γύρω από τη διάβρωση του σιδηροπλισμού έχει δοθεί σε θέματα όπως η χημική σύσταση και η μορφή των προϊόντων της διάβρωσης [25-31] και η απώλεια συνάφειας οπλισμού-σκυροδέματος λόγω διάβρωσης [2,32]. Αντίθετα, η μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων κατασκευαστικών στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα λόγω διάβρωσης έχει μελετηθεί λιγότερο [33-35]. Εντοπίζεται επίσης ένας μικρός αριθμός εργασιών στις οποίες παρουσιάζονται 22

Χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος οι μηχανικές ιδιότητες δομικών χαλύβων από κατασκευές που αστόχησαν ή που κατεδαφίστηκαν [π.χ 15, 36]. Η υποτίμηση του προβλήματος της επίδρασης της διάβρωσης του σιδηροπλισμού στις μηχανικές του ιδιότητες συχνά προέρχεται από το γεγονός ότι, υπό κανονικές συνθήκες, ο χάλυβας προστατεύεται επαρκώς από το περιβάλλον σκυρόδεμα. Πράγματι, η πυκνή και μη διαπερατή δομή του σκυροδέματος αποτρέπει την επαφή του χάλυβα με δραστικά στοιχεία του περιβάλλοντος ενώ το αλκαλικό περιβάλλον του σκυροδέματος (ph 12.5) λόγω παρουσίας ασβεστίου, κατά κύριο λόγο, και καλλίου νατρίου κατά δεύτερο, προσφέρει χημική προστασία από τη διάβρωση. Στο αλκαλικό αυτό περιβάλλον ο χάλυβας παθητικοποιείται λόγω της δημιουργίας ενός λεπτού προστατευτικού στρώματος οξειδίου [25,26]. Η διάβρωση του χάλυβα όταν αυτός βρίσκεται στα δομικά στοιχεία των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα είναι μια ηλεκτροχημική διεργασία, η οποία πολλές φορές συμβαίνει υπό την ταυτόχρονη επιβολή εφελκυστικών φορτίων. Η επιφάνεια του χάλυβα λειτουργεί ως ένα μείγμα ανόδων και καθόδων οι οποίες βρίσκονται σε ηλεκτρική επαφή μέσω του ιδίου του χάλυβα ενώ η υγρασία στους πόρους του σκυροδέματος λειτουργεί ως ηλεκτρολύτης. Αυτό προκαλεί τη δημιουργία ενός χαλύβδινου διαβρωτικού κελιού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Cl - CO 2e -- O 2 H 2 O Fe Fe ++ + 2e - Άνοδος 1/2O 2 + H 2 O + 2e - 2OH - Κάθοδος Fe ++ + 2OH Fe(OH) 2 2OH - Σχήμα 2: Σχηματική αναπαράσταση της ηλεκτροχημικής διεργασίας διάβρωσης χάλυβα οπλισμού στο σκυρόδεμα. 23

Κεφάλαιο 2 Σε καλής ποιότητας σκυρόδεμα και απουσία χλωριόντων, όπου το ph βρίσκεται συνήθως στην περιοχή 12.5-13.5, η ανοδική αντίδραση οδηγεί σε δημιουργία κατιόντων σύμφωνα με την αντίδραση: Fe Fe 2+ + 2e (1) Η αντίδραση αυτή εξισορροπείται από την καθοδική αντίδραση του οξυγόνου η οποία παράγει ανιόντα υδροξυλίου σύμφωνα με την αντίδραση: ½ Ο 2 + Η 2 Ο + 2e 2ΟΗ (2) Παρουσία χλωριόντων και ανάλογα με το ph του ηλεκτρολύτη στην διεπιφάνεια χάλυβα-σκυροδέματος οι πιθανές ανοδικές αντιδράσεις που μπορεί να προκληθούν πέραν από την (1) είναι [24]: 3Fe + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 8H + + 8e (3) 2Fe + 3H 2 O Fe 2 O 3 + 6H + + 6e (4) Fe + 2H 2 O ΗFeO 2 + 3H + + 2e (5) Αντίστοιχα, οι πιθανές καθοδικές αντιδράσεις εξαρτώνται από τη διαθεσιμότητα οξυγόνου (O 2 ) και από το ph στην περιοχή της επιφάνειας του χάλυβα και είναι: 2Η 2 Ο + Ο 2 + 4e 4OH (6) ή 2H + + 2e H 2 (7) Τα προϊόντα των δύο αυτών αντιδράσεων (ανοδικής και καθοδικής) αλληλεπιδρούν και τελικά σχηματίζουν ένα προστατευτικό στρώμα γύρω από το χάλυβα το οποίο προστατεύει το υλικό από την περαιτέρω διάβρωση. Η χημική σύσταση του στρώματος αυτού έχει αναφερθεί να είναι Fe 3 O 4 ή/και Fe 2 O 3 [25,26,37-39] ή γ-feooh [40-43]. Σύμφωνα με άλλους ερευνητές, η παθητικοποίηση του χάλυβα οφείλεται σε ένα παθητικό στρώμα Ca(OH) 2 το οποίο προσκολλάται στην επιφάνεια του χάλυβα και παρεμποδίζει την καθοδική αντίδραση [44-46]. Η επικρατέστερη εξήγηση για την παθητικοποίηση του χάλυβα οπλισμού είναι ο συνδυασμός ενός στρώματος οξειδίου ή υδροξειδίου του σιδήρου στην επιφάνεια του χάλυβα με ένα περιβάλλον στρώμα μεγάλης περιεκτικότητας σε Ca(OH) 2 [47,48]. Το στρώμα αυτό προστατεύει το χάλυβα από την επαφή του με δραστικά ιόντα (π.χ. χλωριόντα) και αποτρέπει την μείωση του ph λόγω υδρόλυσης των 24

Χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος προϊόντων της διάβρωσης [44]. Η έναρξη της διάβρωσης του σιδηροπλισμού παρατηρείται όταν το προστατευτικό αυτό στρώμα χάσει τη συνοχή ή την παθητικότητά του. Αυτό συμβαίνει όταν το ph του σκυροδέματος που περιβάλλει το χάλυβα μειωθεί κάτω από 11 [1,49]. Σημαντική επιτάχυνση στο ρυθμό αποσύνθεσης του προστατευτικού αυτού στρώματος λόγω διάβρωσης παρατηρείται για τιμές ph < 9. Η μείωση του ph του σκυροδέματος μπορεί να προκληθεί είτε λόγω ενανθράκωσης του σκυροδέματος (δηλ. της χημικής αντίδραση του σκυροδέματος με CO 2 ) είτε λόγω της εισροής νερού από ρωγμές στην επιφάνεια του σκυροδέματος [2-4]. Έρευνες έχουν δείξει ότι η ενανθράκωση του σκυροδέματος ξεκινά από την επιφάνεια του και προχωρεί προς το εσωτερικό του με ρυθμό περίπου 1mm ανά έτος (σε παράκτιες περιοχές) [50]. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και στην ιδανική περίπτωση όπου έχει τηρηθεί η προβλεπόμενη από τους κανονισμούς επικάλυψη των 20mm σε μια κατασκευή, της οποίας το σκυρόδεμα δεν παρουσιάζει καμία ατέλεια (ρωγμή) είτε κατά την κατασκευή είτε κατά τη διάρκεια ζωής της λόγω σεισμικών δονήσεων ή διαφορικών καθιζήσεων, μετά από περίπου 20 χρόνια αναμένεται η έναρξη της διάβρωσης του σιδηροπλισμού της. Λόγω ενανθράκωσης του σκυροδέματος παρατηρείται συνήθως ομοιόμορφη διάβρωση του σιδηροπλισμού [51]. Η μορφή αυτή είναι η πλέον ακίνδυνη αφού μπορεί σχετικά εύκολα να εντοπιστεί και οι μηχανικές ιδιότητες του ομοιόμορφα διαβρωμένου υλικού μπορούν να εκτιμηθούν με αρκετά μεγάλη ακρίβεια. Έναρξη της διάβρωσης παρατηρείται επίσης όταν η συγκέντρωση χλωριόντων στην διεπιφάνεια χάλυβα-σκυροδέματος ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή [52-57]. Ο προσδιορισμός της κρίσιμης αυτής τιμής είναι αντικείμενο συνεχιζόμενης έρευνας η οποία έχει δείξει ότι η τιμή αυτή εξαρτάται από μεγάλο αριθμό παραγόντων όπως [58]: η χημική σύσταση και το ph στην διεπιφάνεια χάλυβασκυροδέματος, ο λόγος νερού προς τσιμέντο, η χημική σύσταση του σκυροδέματος, η δομή και πυκνότητα των πόρων στο σκυρόδεμα ο χρόνος και η θερμοκρασία ξήρανσης του σκυροδέματος. 25

Κεφάλαιο 2 Τυπικό χαρακτηριστικό της διάβρωσης χαλύβων οπλισμού υπό την επίδραση χλωριόντων είναι η πρόκληση τοπικής διάβρωσης ή διάβρωσης με βελονισμούς (localized or pitting corrosion) [51,59]. Η μορφή αυτή διάβρωσης είναι δύσκολα ανιχνεύσιμη και η εκτίμηση του βαθμού τοπικής διάβρωσης μπορεί να γίνει μόνο με στατιστικά μοντέλα βασισμένα σε πειραματικές μετρήσεις [24,60]. Η διάβρωση του σιδηροπλισμού προκαλεί μείωση της φέρουσας διατομής του υλικού με ταυτόχρονη αύξηση του όγκου του λόγω της δημιουργίας οξειδίων. Η παραγωγή των οξειδίων, λόγω του όγκου τους ο οποίος είναι μέχρι και 5 φορές μεγαλύτερος από τον όγκο του χάλυβα, προκαλεί εσωτερικές ιδιοτάσεις στο σκυρόδεμα οι οποίες δημιουργούν αρχικά μικρορηγματώσεις και τελικά οδηγούν στην εκτίναξη του σκυροδέματος επικάλυψης με αποτέλεσμα ο χάλυβας να μένει εκτεθειμένος στο περιβάλλον. Στο Σχήμα 3 φαίνεται παραστατικά η διαδικασία ενανθράκωσης και εκτίναξης του σκυροδέματος ενώ στο Σχήμα 4 φαίνονται φωτογραφίες από κατασκευές στις οποίες ο χάλυβας φαίνεται εκτεθειμένος λόγω της εκτίναξης του σκυροδέματος. Οι φωτογραφίες αυτές είναι από δημόσια κτίρια εν χρήσει στην περιοχή του Ρίου Πατρών. Σχήμα 3: Απεικόνιση της διαδικασίας σταδιακής ενανθράκωσης και εκτίναξης του σκυροδέματος 26

Χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος Σχήμα 4: Κατασκευές στις οποίες η διάβρωση του σιδηροπλισμού έχει προκαλέσει την εκτίναξη του σκυροδέματος αφήνοντας τον οπλισμό εκτεθειμένο στο περιβάλλον. 2.4 Μηχανική συμπεριφορά διαβρωμένων χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος Ενώ έχει εντοπιστεί ένας σημαντικός αριθμός εργασιών στις οποίες προσομοιώνεται η διάβρωση του οπλισμού με μεθόδους επιταχυνθείσας διάβρωσης, οι περισσότερες από αυτές εξετάζουν την συμπεριφορά του σύνθετου υλικού το οποίο αποτελείται από σκυρόδεμα και διαβρωμένο οπλισμό. Η ανάλυση όμως του προβλήματος της υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων οπλισμένου σκυροδέματος με διαβρωμένο οπλισμό μπορεί να γίνει μόνο αφού γίνουν πλήρως κατανοητοί οι φυσικοί μηχανισμοί που προκαλούν την υποβάθμιση της μηχανικής συμπεριφοράς των επιμέρους συστατικών. Μία από τις πρώτες εργασίες που εντοπίστηκαν, στις οποίες εξετάζεται η συμπεριφορά φυσικά διαβρωμένων ράβδων οπλισμού, εντοπίζει τον τοπικό χαρακτήρα της φυσικής διάβρωσης καθώς και την σημαντική απώλεια μάζας που προκύπτει λόγω του μετασχηματισμού του χάλυβα σε οξείδια [5]. Στην ίδια εργασία εξετάζεται η συμπεριφορά εφελκυσμού φυσικά διαβρωμένων 27

Κεφάλαιο 2 δοκιμίων για χρόνους έκθεσης μέχρι 16 μήνες, όπου δεν εντοπίζεται καμία ουσιαστική μεταβολή στις μηχανικές ιδιότητες. Στην πρώτη συστηματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς διαβρωμένων χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος που εντοπίστηκε, ελέγχθηκε η μηχανική συμπεριφορά υλικού μετά από επιταχυνθείσα διάβρωση για απώλεια μάζας μέχρι 75% [61]. Αναφέρεται μια μικρή μείωση των ιδιοτήτων αντοχής όταν αυτές υπολογίζονται με βάση την πραγματική διατομή των ράβδων, χωρίς όμως να δίνεται κάποια πιθανή εξήγηση για την παρατηρούμενη αυτή μείωση. Η ίδια παρατήρηση έγινε και κατά τον έλεγχο δοκιμίων χάλυβα από εγκαταλελειμμένη γέφυρά [36]. Στην εργασία [61] αναφέρεται επίσης σημαντική μείωση της ολκιμότητας του υλικού, η οποία προκύπτει από τη μείωση της παραμόρφωσης του υλικού μετά το όριο θραύσης και πιθανολογείται ότι η μείωση αυτή ενδεχομένως να οφείλεται στην ψαθυροποίηση του υλικού. Πρόσφατα, αναπτύχθηκε ένα αριθμητικό μοντέλο στο οποίο η διάβρωση χαλύβων οπλισμού χωρίστηκε σε δύο συνιστώσες: την ομοιόμορφη και την τοπική διάβρωση [62]. Η τοπική διάβρωση μέσω μιας τυχαίας μεταβλητής κατανέμεται σε ολόκληρο το μήκος των δοκιμίων και υπολογίζεται η αναμενόμενη μηχανική συμπεριφορά εφελκυσμού των διαβρωμένων δοκιμίων. Η καλή συμφωνία των αποτελεσμάτων του αριθμητικού αυτού μοντέλου με πειραματικά αποτελέσματα δείχνει ότι μια πιθανή αιτία της παρατηρούμενης υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων είναι η φύση της διάβρωσης η οποία παρατηρείται εντονότερη σε ορισμένα σημεία κατά μήκος των ράβδων. Από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση η οποία πραγματοποιήθηκε διαπιστώθηκε η ανάγκη για έρευνα στην περιοχή της διάβρωσης των χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος καθώς υπάρχουν σοβαρές ενδείξεις για υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων λόγω διάβρωσης. Προκύπτει επίσης η ανάγκη για μια συστηματική μελέτη στις ιδιότητες του διαβρωμένου σιδηροπλισμού με σκοπό την κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που οδηγούν στην υποβάθμιση αυτή, έτσι ώστε σε μια επόμενη φάση να καταστεί δυνατή η εκτίμηση της πρακτικής σημασίας της παρατηρούμενης υποβάθμισης για τη δομική ακεραιότητα των στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. 28

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 3.1 Επιλογή υλικών Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή επελέγησαν με κριτήριο τη χρήση τους ως οπλισμός στον φέροντα οργανισμό των κατασκευών, στο παρελθόν ή σήμερα, στην Ελλάδα. Στο μεγαλύτερο ποσοστό των πεπαλαιωμένων κατασκευών στην Ελλάδα (ηλικίας μεγαλύτερης των 50 ετών) χρησιμοποιήθηκε ως χάλυβας οπλισμού ο χάλυβας S220, ενώ στα κτίρια τα οποία κατασκευάστηκαν κατά την περίοδο από το 1960 έως το 1990 (δηλαδή το μεγαλύτερο ποσοστό των κτιρίων που υπάρχουν σήμερα) χρησιμοποιήθηκε ως οπλισμός ο χάλυβας S400 ή ο S400s. Στα νεότερα κτίρια χρησιμοποιήθηκε ο χάλυβας S500s, ενώ από το 2006 και μετά χρησιμοποιείται ο νεότερος χάλυβας B500c. Το μεγαλύτερο μέρος των πειραμάτων της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε σε δοκίμια από χάλυβα B500c ο οποίος χρησιμοποιείται σήμερα. Επίσης μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά των χαλύβων S400 και S500s μετά από έκθεση τους σε διαβρωτικό περιβάλλον. Οι τυπικές χημικές συνθέσεις και οι ελάχιστες απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες των χαλύβων αυτών σύμφωνα με τις σχετικές προδιαγραφές δίνονται στους Πίνακες 2 και 3 στο Κεφάλαιο 2. Για τη συσχέτιση της φυσικής διάβρωσης με την επιταχυνθείσα διάβρωση αλατονέφωσης χρησιμοποιήθηκε χάλυβας S400, επειδή τα κτίρια τα οποία κατασκευάστηκαν κατά την περίοδο χρήσης του εν 29

Κεφάλαιο 3 λόγω χάλυβα παρουσιάζουν, λόγω της ηλικίας τους, έντονα σημάδια φυσικής διάβρωσης του σιδηροπλισμού τους. Για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας (διεξαγωγή πειραμάτων εργαστηριακής επιταχυνθείσας διάβρωσης) έγινε προμήθεια χάλυβα όμοιας χημικής σύστασης από μεγάλη Ελληνική χαλυβουργία μετά από ειδική παραγγελία. 3.2 Επιταχυνθείσα διάβρωση Η ανάγκη εργαστηριακής μελέτης των φαινομένων που σχετίζονται με τη διάβρωση των μεταλλικών υλικών έχει οδηγήσει στην ανάγκη καθιέρωσης διαφόρων εργαστηριακών μεθόδων επιταχυνθείσας διάβρωσης με σκοπό την πρόκληση διάβρωσης σε σχετικά μικρούς χρόνους. Οι μέθοδοι αυτοί χρησιμοποιούνται κυρίως για την ανάπτυξη και βελτίωση προϊόντων ως προς τη συμπεριφορά τους σε διάβρωση, τη συγκριτική μελέτη της επίδοσης υλικών υπό συγκεκριμένές συνθήκες και για συγκεκριμένους μηχανισμούς διάβρωσης, τη μελέτη των μηχανισμών διάβρωσης των υλικών και τον έλεγχο της αντιδιαβρωτικής προστασίας διαφόρων επικαλύψεων ή άλλων μεθόδων προστασίας [63, 64]. Παρόλο που οι συγκεκριμένες μέθοδοι γενικά αμφισβητούνται ως προς την καταλληλότητα τους να προσομοιώσουν τις φυσικές συνθήκες διάβρωσης των υλικών, χρησιμοποιούνται ευρέως στην μελέτη των αποτελεσμάτων της διάβρωσης στην μηχανική συμπεριφορά και τη μικροδομή μεταλλικών και μη μεταλλικών υλικών ελλείψει ακριβέστερων τεχνικών προσομοίωσης [65]. Η επιλογή της καταλληλότερης μεθόδου για την εργαστηριακή προσομοίωση της διάβρωσης γίνεται κυρίως εμπειρικά. Μια επιταχυνθείσα δοκιμή διάβρωσης μπορεί να χαρακτηριστεί ως αξιόπιστη όταν επιταχύνει κατά το ίδιο ποσοστό όλες τις διεργασίες οι οποίες υποβαθμίζουν το υλικό, πράγμα το οποίο συμβαίνει σπάνια [66]. Ο γενικός κανόνας για την επιλογή της καταλληλότερης μεθόδου είναι το περιβάλλον στο οποίο πραγματοποιείται η επιταχυνθείσα διάβρωση να προσομοιώνει όσον το δυνατόν πιστότερα το περιβάλλον λειτουργίας του υπό εξέταση υλικού. Στην περίπτωση του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος σε παραθαλάσσιες περιοχές, στις οποίες εντοπίζεται σχετικά μεγάλη συγκέντρωση χλωριόντων στην ατμόσφαιρα, η πλέον κατάλληλη μέθοδος προσομοίωσης της φυσικής διάβρωσης είναι η 30

Πειραματική διαδικασία επιταχυνθείσα διάβρωση αλατονέφωσης [65,67]. Η συγκεκριμένη μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί για την εργαστηριακή διάβρωση όλων των δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν κατά την εκπόνηση της παρούσας διατριβής. 3.2.1 Επιταχυνθείσα διάβρωση αλατονέφωσης (salt spray corrosion) Οι εργαστηριακές δοκιμές επιταχυνθείσας διάβρωσης αλατονέφωσης πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με την προδιαγραφή B117 της ASTM [68]. Σύμφωνα με την προδιαγραφή αυτή τα υπό εξέταση δοκίμια τοποθετούνται σε ένα θάλαμο του οποίου η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή στους 35 + 1.1 1.7 O C. Στον θάλαμο αυτό δημιουργείται τεχνητά, μέσω θέρμανσης και ψεκασμού, ένα νέφος από διάλυμα χλωριούχου νατρίου (NaCl) με περιεκτικότητα 5 ± 1% κατά μάζα σε απεσταγμένο νερό. Η παραγωγή του νέφους γίνεται με βαλβίδες ψεκασμού σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση (10-25 psi). Το ph του παραγόμενου νέφους μετά την υγροποίηση του και σε θερμοκρασία 25 O C πρέπει να έχει τιμές από 6.5-7.2. Τα δοκίμια, αφού παραμείνουν στον θάλαμο για τον απαιτούμενο χρόνο, αφαιρούνται, ξεπλένονται από τα υπολείμματα αλατιού με τρεχούμενο νερό και στεγνώνονται άμεσα. Για τον καθαρισμού των δοκιμίων από τα προσκολλημένα προϊόντα της διάβρωσης ακολουθήθηκε η διαδικασία που περιγράφεται από την προδιαγραφή G1 της ASTM. Σύμφωνα με την προδιαγραφή αυτή, αρχικά γίνεται αφαίρεση των προϊόντων της διάβρωσης με τη χρήση μη μεταλλικής βούρτσας και στη συνέχεια τα δοκίμια εμβαπτίζονται σε διάλυμα 500 ml υδροχλωρικού οξέος (HCl, sp. gr. 1.19) και 3.5 g εξαμέθυλενο-τετραμίνης (ουροτροπίνης) σε σύνολο 1000 ml διαλύματος [68,69]. (Το διάλυμα αυτό χρησιμοποιείται μόνο για δοκίμια σιδήρου ή χάλυβα. Για διαφορετικά υλικά, σύμφωνα με την ίδια προδιαγραφή, χρησιμοποιούνται διαφορετικά διαλύματα). Ανά 10 λεπτά τα δοκίμια αφαιρούνται από το διάλυμα, ζυγίζονται και το βάρος τους καταγράφεται σε ένα διάγραμμα μάζας χρόνου παραμονής στο διάλυμα. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι να παρατηρηθεί σημαντική μεταβολή στο ρυθμό μείωσης της μάζας των δοκιμίων, όπως φαίνεται στο παράδειγμα του Σχήματος 5. Ως τελική τιμή της μάζας λαμβάνεται η τιμή στο σημείο Β του διαγράμματος. Στο σημείο αυτό έχουν 31

Κεφάλαιο 3 διαλυθεί πλήρως τα οξείδια στην επιφάνεια του υλικού, ενώ η περαιτέρω μείωση της μάζας του υλικού οφείλεται στη διάλυση μη διαβρωμένου υλικού η οποία όμως είναι αμελητέα σε σύγκριση με την απώλεια μάζας που προκαλείται λόγω της διάβρωσης του υλικού. Στο Σχήμα 6 φαίνονται, μετά τον καθαρισμό τους από τα προϊόντα της διάβρωσης, τα 6 δοκίμια ονομαστικής διαμέτρου 8mm τα οποία παρέμειναν 120 ημέρες στο θάλαμο αλατονέφωσης. 87,2 87,0 A 86,8 86,6 Μάζα δοκιμίου (gr) 86,4 86,2 86,0 85,8 85,6 85,4 B C 85,2 0 10 20 30 40 50 60 Χρόνος παραμονής στο διάλυμα (min) Σχήμα 5: Χαρακτηριστικό διάγραμμα μάζας δοκιμίου σε συνάρτηση με το χρόνο παραμονής του σε διάλυμα για την αφαίρεση των προϊόντων διάβρωσης. Σχήμα 6: Δοκίμια χάλυβα B500c ονομαστικής διαμέτρου 8mm μετά από παραμονή 120 ημερών στο θάλαμο αλατονέφωσης και καθαρισμό των προϊόντων διάβρωσης. 32

Πειραματική διαδικασία 3.3 Ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη συσχέτιση της φυσικής διάβρωσης με την εργαστηριακή διάβρωση αλατονέφωσης. Για τη εύρεση της αντιστοιχίας των δύο μορφών διάβρωσης συλλέχθηκαν από την ευρύτερη περιοχή μεταξύ Πάτρας και Κορίνθου φυσικά διαβρωμένα δοκίμια από υπάρχουσες εν χρήσει κατασκευές. Συνολικά συλλέχθηκαν και αποτιμήθηκαν 98 δοκίμια από 64 διαφορετικές κατασκευές ηλικίας μέχρι και 96 ετών. Όλες οι κατασκευές από τις οποίες συλλέχθηκαν δοκίμια βρίσκονται σε απόσταση μέχρι και 10 χιλιομέτρων από τη θάλασσα. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις έντονα διαβρωμένου οπλισμού όπως παρατηρήθηκε σε κατασκευές φαίνονται στο Σχήμα 7. Σχήμα 7: Δομικός χάλυβας με έντονη φυσική διάβρωση. 3.3.1 Αποτίμηση της βλάβης των φυσικά διαβρωμένων δοκιμίων Τα δοκίμια που συλλέχθηκαν αρχικά καθαρίστηκαν ακολουθώντας την διαδικασία σύμφωνα με την προδιαγραφή G1 της ASTM όπως περιγράφεται στην 3.2.1. της παρούσας εργασίας. Στη συνέχεια τα δοκίμια ζυγίστηκαν με ακρίβεια 0.01g και καταγράφηκε η μάζα του κάθε δοκιμίου. Ο συνολικός αριθμός δοκιμίων που συλλέχθηκαν ανά ονομαστική διάμετρο και κατηγορία χάλυβα φαίνεται στον Πίνακα 4. Πίνακας 4: Τύπος και συνολικός αριθμός δοκιμίων. Τύπος χάλυβα Ονομαστική Αριθμός διαφορετικών διάμετρος Αριθμός δοκιμίων κατασκευών από τις οποίες [mm] συλλέχθηκαν δοκίμια St I 8 35 21 St I 10 21 13 St III 8 20 14 St III 10 21 16 33

Κεφάλαιο 3 Η μέση πραγματική διάμετρος των φυσικά διαβρωμένων δοκιμίων υπολογίστηκε με βάση τη σχέση [10, 70]: g d mean = 12. 74 (8) l όπου g η μάζα του δοκιμίου σε gr, l το μήκος του δοκιμίου σε mm και θεωρώντας την πυκνότητα του χάλυβα ίση με 7,85gr/cm 3. Αντίστοιχα, η μέση διατομή των δοκιμίων υπολογίστηκε ως: g A mean = 127. 4 (9) l Οι εξισώσεις 8 και 9 προκύπτουν θεωρώντας τις ράβδους σιδηροπλισμού ως κυλινδρικές και λαμβάνοντας την τιμή της πυκνότητας του υλικού σταθερή και ίση με 7,85 gr/cm 3. Στις περισσότερες περιπτώσεις η καταγραφή της αρχικής ονομαστικής διαμέτρου του χάλυβα έγινε από τα κατασκευαστικά σχέδια του κτιρίου. Στις περιπτώσεις όπου αυτό δεν ήταν δυνατό, η αρχική διάμετρος υπολογιζόταν με βάση τη διάμετρο του υλικού σε άλλες περιοχές του κτιρίου όπου η διάβρωση ήταν λιγότερο έντονη, όπως για παράδειγμα, σε δείγματα από το εσωτερικό του κτιρίου ή από καλά προστατευμένες περιοχές. Με τον τρόπο αυτό πραγματοποιήθηκε η καταγραφή των αρχικών ονομαστικών διαστάσεων των συλλεγθέντων δειγμάτων. Για τον υπολογισμό όμως της απώλειας μάζας και της μείωσης της διατομής λόγω διάβρωσης, απαιτείται η γνώση των πραγματικών αρχικών τιμών των μεγεθών αυτών. Τα μεγέθη αυτά δεν καταγράφονται στα κατασκευαστικά σχέδια, έτσι η αρχική τιμή μπορεί μόνο να υποτεθεί. Οι κανονισμοί οι οποίοι διέπουν την παραγωγή χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος θέτουν κάποια όρια μέσα στα οποία η πραγματική διάμετρος του χάλυβα δύναται να αποκλίνει της ονομαστικής διατομής [70,71]. Η εμπειρία στο χώρο των κατασκευών έχει δείξει ότι οι παραγωγοί προτιμούν την παραγωγή χάλυβα οπλισμού κοντά στο μέγιστο επιτρεπτό από τον εκάστοτε κανονισμό όριο και σίγουρα όχι κάτω από την ονομαστική τιμή. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώνεται και σε μετρήσεις οι οποίες πραγματοποιήθηκαν σε σύγχρονους χάλυβες οπλισμού. Η τάση αυτή δικαιολογείται από δύο βασικούς παράγοντες. 34