Σπυράγγελος ΛΥΚΟΥ ΗΣ 1, Ηλίας ΨΥΧΙ ΗΣ 2

ιογκωµένη Πολυστερίνη ως Ελαφρό Αδρανές (EPS), για την Παραγωγή Ελαφρού Σκυροδέµατος Υψηλής Αντοχής Εxpanded polystyrene lightweight aggregate (EPS),for the production of High Strength Lightweight Concrete Σπυράγγελος ΛΥΚΟΥ ΗΣ 1, Ηλίας ΨΥΧΙ ΗΣ 2 Λέξεις κλειδιά: Ελαφρο Σκυρόδεµα, ελαφρά αδρανή, Πυκνότητα σκυροδέµατος, ιογκωµένη πολυστερίνη, ΕΡS, Lightweight concrete. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Το Ελαφρό Σκυρόδεµα σε σχέση µε το συµβατικό (φαινόµενου βάρους περίπου 2.400kgr/m 3 ), έχει σηµαντικά προτερήµατα. Σε φρέσκια µορφή εξασκεί µικρότερη πίεση στο καλούπι, ενώ σε σκληρυµένη µορφή µπορεί να συµβάλλει στην µείωση των διατοµών των δοµικών στοιχείων ή µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν δοµικό κατασκευαστικό στοιχείο, για κατασκευές σε εδάφη µε µικρή φέρουσα ικανότητα. Στην προκατασκευή µπορεί να συνεισφέρει µε την µείωση κόστους από τα βάρη µεταφοράς. Το Ελαφρό Σκυρόδεµα µπορεί επίσης να έχει θερµοµονωτικές ιδιότητες. Η πυκνότητα του σκυροδέµατος µπορεί να µειωθεί, αντικαθιστώντας κάποια από τα συµπαγή υλικά µε αέρα. Υπάρχουν 3 πιθανές πηγές αέρα: στους κόκκους των αδρανών (ΕλαφράΑδρανή), στην πάστα της τσιµεντόπαστας (Κυψελωτό Σκυρόδεµα), στα κενά ανάµεσα σε χονδρούς κόκκους, χωρίς λεπτά αδρανή (No Fines Concrete). Στην παρούσα εργασία, χρησιµοποιείται η πρώτη µέθοδος όπου ως ελαφρό αδρανές χρησιµοποιείται διογκωµένη Πολυστερίνη. Η πάστα που συνδέει τα Ελαφρά Αδρανή επελέγη να είναι ρώσα Ενεργή Κονία (PRC, Powder Reactive Concrete) η οποία έχει πολύ υψηλά µηχανικά χαρακτηριστικά. ABSTRACT : Lightweight concrete can be produced by replacing the normal aggregate with lightweight aggregate, either partially or fully,depending upon the requirements of density and strength. The study covers the use of expanded 1 Προϊστάµενος Εργαστηρίου ΠΥΘ Εγνατίας Οδού Α.Ε., email: slikoudis@egnatia.gr 2 Τεχνικός Εξυπηρέτησης Πελατών, ΤΙΤΑΝ ΑΕ., psichidis@titan.gr 1

polystyrene aggregates (EPS) as lightweight aggregate. Polystyrene aggregates have possibly lower density comparing to other types of lightweight aggregates The concrete that binds the aggregates is Powder Reactive Concrete, an extremely fluid paste with very high mechanical properties. ΙΟΓΚΩΜΕΝΗ ΠΟΛΥΣΤΕΡΙΝΗ EPS Η διογκωµένη Πολυστερίνη (εν συντοµία EPS) είναι ένα ελαφρύ, άκαµπτο, πλαστικό και αφρώδες δοµικό υλικό που παράγεται από συµπαγείς κόκκους πολυµερούς του στοιχείου και αποτελείται κατά 98% από αέρα (80% Ν 2 και 20% Ο 2 ). Είναι ένα χηµικώς καθαρό πολυµερές και εξαιρετικά σταθερό στο χρόνο (Σχήµα 1). Σχήµα 1. ιογκωµένη Πολυστερίνη. Παράγεται από τη διάλυση πεντανίου στο πολυµερές στυρένιο το οποίο όταν θερµανθεί µε ατµό, παράγει σφαιρίδια EPS. Η διαστολή επιτυγχάνεται λόγω των µικρών ποσοτήτων αερίου πεντανίου που απελευθερώνεται στο υλικό και σχηµατίζονται ερµητικά κλειστές κυψέλες EPS. Οι κυψέλες αυτές (σφαιρίδια) καταλαµβάνουν στο περίπου 40 φορές τον όγκο της αρχικής σταγόνας Πολυστερίνης. Τα χαρακτηριστικά του EPS της έρευνας φαίνονται στον Πίνακα 1. Σηµειώνεται εδώ ότι οι δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν σε πλάκα διογκωµένης πολυστερίνης που παρασκευάστηκε από τα σφαιρίδια της έρευνας. Τα κοκκοµετρικά χαρακτηριστικά του αδρανούς EPS, φαίνονται στο Σχήµα 2. 2

Πίνακας 1. Xαρακτηριστικά ΕPS. Τύπος προϊόντος EPS50 Θλιπτική τάση σ 10 (kpa) 50 Καµπτική αντοχή σ b (kpa) 75 ιατµητική αντοχή τ (kpa) 35 Καµπτική αντοχή σ mt (kpa) 100 Θερµική αγωγιµότητα λ (w/mk) 0,037 Θερ.Αντίσταση R (m 2 k/w) για πάχος 50 χιλ. 1,35 Πυκνότητα ρ(kg/m 3 ) ±15 Αντίσταση διαπερατότητας υδρατµών (µ) 20-40 ιαστάσεις (µήκος, πλάτος) 125 60 100 EPS 90 ΙΕΡΧΟΜΕΝΟ ΠΟΣΟΣΤΟ % 80 70 60 50 40 30 20 EPS 10 0 0,01 0,1 ΑΝΟΙΓΜΑ ΒΡΟΧΙ ΑΣ 1 ΣΕ mm 10 100 Σχήµα 2. Κοκκοµέτρηση EPS. ΥΛΙΚΑ Όσον αφορά τα υπόλοιπα υλικά, χρησιµοποιήθηκε τσιµέντου τύπου Ι52,5Ν, Χαλαζιακή Άµµος, Χαλαζιακό Filler, Πυριτική Παιπάλη, Υπερευστοποιητής. Οι κοκκοµετρήσεις της Χαλαζιακής άµµου, της Πυριτικής Άµµου και της Πυριτικής Παιπάλης, φαίνονται στο Σχήµα 3: 3

100 90 ΙΕΡΧΟΜΕΝΟ ΠΟΣΟΣΤΟ % 80 70 60 50 40 30 Πυριτική Παιπάλη (Silica fume) Χαλαζιακό Filler Πυριτική Άµµος 20 10 0 0 1 10 100 1000 10000 ΑΝΟΙΓΜΑ ΒΡΟΧΙ ΑΣ ΣΕ µm Σχήµα 3. Κοκκοµετρήσεις Πυριτικής Άµµου, Πυριτικής Παιπάλης και Χαλαζιακού Filler. ΟΚΙΜΑΣΤΙΚΑ ΑΝΑΜΕΙΓΜΑΤΑ Σηµειώνεται εδώ ότι η ρώσα Ενεργός Κονία, είναι από τα σκυροδέµατα µε τα ισχυρότερα µηχανικά χαρακτηριστικά. Ο Πίνακας 2, είναι ενδεικτικός για την συσχέτιση των ιδιοτήτων των Σκυροδεµάτων Υψηλής Επιτελεστικότητας µε τις ρώσες ενεργές Κονίες. Πίνακας 2. Ενδεικτικές Ιδιότητες Σκυροδέµατος Υψηλής επιτελεστικότητας ρώσων Ενεργών κονιών. Ιδιότητα HPC 1 PRC 2 Θλιπτική αντοχή (MPa) 60-100 180-200 Καµπτική αντοχή (MPa) 6-10 40-50 Fracture energy (J/m 2 ) 140 1.200-40.000 Young modulus (GPa) 23-37 50-60 1 Σκυρόδεµα Υψηλής Επιτελεστικότητας 2 ρώσες ενεργές Κονίες Μία τυπική σύνθεση ρώσας Ενεργής Κονίας, φαίνεται στον Πίνακα 3. Είναι χαρακτηριστικό το υψηλό ποσό τσιµέντου, ο εξαιρετικά χαµηλός λόγος νερούτσιµέντου, η παρουσία ενεργής Ποζολανικής Κονίας (Πυριτικής Παιπάλης) και το υψηλό ποσοστό Υπερπλαστικοποιητή. Όπως είναι προφανές, υπάρχει παντελής απουσία συµβατικών αδρανών και αντικατάστασή τους από λεπτή Πυριτική Άµµο ή Πυριτικό Άλευρο (Ground Silica). 4

Πίνακας 3. Τυπική Σύνθεση ρώσας Ενεργής Κονίας. Ποσότητες κατά βάρος (kg) HPC 1 PRC 2 Τσιµέντο 1 1 Πυριτική Παιπάλη 0,25 0,23 Άµµος 1,1 1,1 Υπερπλαστικοποιητής 0,016 0,016 Μεταλλικές ίνες - 0,175 Λόγος Νερού/Τσιµέντου 0,15 0,157 Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να συνδυάσει τα δύο υλικά: ιογκωµένη Πολυστερίνη (EPS) και ρώσα Ενεργή Κονία (PRC), προκειµένου να µελετηθούν τα χαρακτηριστικά του παραγόµενου ελαφρού σκυροδέµατος σε φρέσκια και σκληρυµένη µορφή. Στον Πίνακα 4, φαίνονται οι αναλογίες των υλικών που χρησιµοποιήθηκαν, ενώ στον Πίνακα 5, φαίνονται οι θλιπτικές/ καµπτικές αντοχές σε διάφορα οκιµαστικά Αναµίγµατα. Τα αναµίγµατα χυτεύθηκαν σε πρισµατικά δοκίµια 4x4x16 cm, όπου µετρήθηκε το υγρό φαινόµενο βάρος και πραγµατοποιήθηκε έλεγχος Αντοχής σε θλίψη, σύµφωνα µε το πρότυπο EN 196-1. Πίνακας 4. Αναλογίες χρησιµοποιηθέντων υλικών. Υλικό (kg/m 3 ) Mix Mix1 Mix2 Mix3 Mix4 Mix5 Mix6 Mix7 Mix8 Mix 9 Mix10 CEM I 52,5 710 710 710 710 710 710 710 710 400 400 400 Silica fume 254 254 254 254 254 254 254 254 143 143 143 Χαλαζιακή Άµµος 875 860 652 460 366 200 100-255 111 - Χαλαζιακό Filler 130 140 140 140 - - - - 69 - - EPS(%) 0 0,5 1,8 3 4 5,2 6 7 9,25 10,4 11,1 Νερό ολικό 288 242 242 242 242 242 242 230 125 125 125 Υπερ/τής 32 18 18 18 24 18 24 32 10 10 10 w/c 0,3 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,24 0,23 0,23 0,23 Υγρή Πυκνότητα 2,217 2.122 2,035 1,721 1,486 1,249 1,236 1,085 0,829 0,531 0,415 5

Πίνακας 5. Θλιπτικές/καµπτικές οκιµαστικών Αναµιγµάτων Ιδιότητ Mix0 Mix1 Mix2 Mix3 Mix4 Mix5 Mix6 Mix7 Μix8 Μix9 Μix10 Ξηρή 2,156 2,074 1,878 1,578 1,336 1,121 1,074 1,047 0,723 0,449 0,402 Πυκνότητα Θλιπτική αντοχή 34,3 32,2 28,6 14,7 9,3 6,2 4,9 4,3 3,8 0,5 1 1d (MPa) Θλιπτική αντοχή 74,4 73,8 50,9 34,1 16,4 12,9 10,2 9,2 2,2 0,8 1 7d (MPa) Θλιπτική αντοχή 96,3 95 85 37 19,8 17,6 14,2 10,8 2,1 1,2 0,9 28d (MPa) Καµπτική αντοχή 11,9 9,36 8,1 6,8 4,4 3,3 3,0 2,5 1,2 1 0,9 28d (MPa) Τα παραπάνω φαίνονται διαγραµµατικά, στα Σχήµατα 4, 5. Σχήµα 4. ιάγραµµα Θλιπτικής αντοχής-ξηρής Πυκνότητας. 6

Σχήµα 5. ιάγραµµα Καµπτικής αντοχής-ξηρής Πυκνότητας. Προκειµένου να βρεθεί η βέλτιστη διαδικασία ανάµειξης, ακολουθήθηκαν διάφορες µέθοδοι, δοθέντος του γεγονότος ότι η κονία PRC έχει χαρακτηριστικά αυτεπιπεδούµενης κονίας, µε εξάπλωση 28-32 cm. Αρχικά επελέγη σαν τρόπος ανάµειξης η τοποθέτηση των σφαιριδίων του EPS, στην ήδη αναµιχθείσα ρώσα Ενεργή Κονία. Το αποτέλεσµα ήταν απόµειξη τόσο σε φρέσκια, όσο και σε σκληρυµένη µορφή. (Σχήµατα 6-8). Σχήµα 6. Εξάπλωση ρώσας Ενεργής Κονίας. Σχήµα 7. Αποµείξη σε φρέσκια µορφή. Σχήµα 8. Αποµείξη σε σκληρυµένη µορφή. Προκειµένου να λυθεί το πρόβληµα της απόµειξης, µειώθηκε δραστικά η ποσότητα του Yπερευστοποιητή, ώστε η πάστα µε το Eλαφρού Aδρανές, να είναι όσο το δυνατόν πιο συµπαγής (Σχήµατα 9, 10). Με αυτήν την διαδικασία, ανάµειξης, πραγµατοποιήθηκαν όλα τα οκιµαστικά Αναµείγµατα. 7

Σχήµα 9. Φρέσκια µορφή (Οµοιογενής κατανοµή αδρανών). Σχήµα 10. Σκληρυµένη µορφή (Οµοιογενής κατανοµή αδρανών).. ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ Είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον να συγκριθεί η συρρίκνωση του ελαφρού σκυροδέµατος µε EPS µε άλλου τύπου ελαφρά σκυροδέµατα. Επίσης είναι πολύ σηµαντικό να διερευνηθεί η ανθεκτικότητα στο χρόνο του συγκεκριµένου σκυροδέµατος. Επιπλέον, θα πρέπει να µελετηθεί η συµπεριφορά του σε αυξανόµενες θερµοκρασίες, καθώς επίσης και οι θερµοµονωτικές του ιδιότητες. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το EPS δεδοµένου ότι έχει µηδενική απορροφητικότητα, σε σχέση µε τα περισσότερα Ελαφρά Αδρανή, έχει πολλά πλεονεκτήµατα στη παραγωγή Ελαφρού Σκυροδέµατος. Συγκρινόµενο µε τα άλλα Ελαφρά Αδρανή έχει ίσως το χαµηλότερο ειδικό βάρος, προσδίδει υψηλή συµπιεστότητα, πλην όµως τα µηχανικά του χαρακτηριστικά δεν είναι τόσο ισχυρά. Η παρουσία της πυριτικής παιπάλης θεωρείται σηµαντικός bonding agent µεταξύ της πάστας και της επιφάνειας του Ελαφρού Αδρανούς. Η χρήση της ρώσας Ενεργής Κονίας σαν συνδετικό υλικό για αδρανή από διογκωµένη Πολυστερίνη, µπορεί να παράξει σκυρόδεµα αρκετά υψηλής αντοχής, συγκρινόµενο µε ελαφρά σκυροδέµατα µε άλλο τύπο αδρανών. 8

ΑΝΑΦΟΡΕΣ Άρθρα σε επιστηµονικά περιοδικά Λυκούδης Σπυράγγελος, Ψυχίδης Ηλίας, Τηλκερίδης Σταύρος, «ρώσες Ενεργές Κονίες : οκιµαστικά Αναµείγµατα µε Εµπορικά Υλικά» (2007). To ΕPS σήµερα, Πανελλήνιος Σύνδεσµος Παραγωγών ιογκωµένης Πολυστερίνης, Ηµερίδα ΤΕΕ. Bing Chen, Juanyu Liu, Properties of Lightweight Expanded Polystyrene Concrete Reinforced with Steel Fiber. Cement and Concrete research 34 1259-1263 (2004). Ganesh Babu K., Saradhi Babu D., Behaviour of Lightweight Expanded Polystyrene Concrete Containing Silica Fume (2003). Satish Chandra, Leif Berntsson., Lightweight Aggregate Concrete, Science Technology and Applications, Noyes Publications, Norwich New York U.S.A. (2002). Πρότυπα (standards) ΕΛΟΤ ΕΝ 13055.01 Ελαφρά αδρανή- Μέρος 1: «Ελαφρά Αδρανή για Σκυροδέµατα, Κονιάµατα και Ενέµατα» (1995). Φ.Ε.Κ., Αριθµ. 9451/08: Βιοµηχανικώς παραγόµενα Θερµοµονωτικά Προϊόντα, Τεύχος εύτερο, Αρ.φύλλου 815, (Μάιος 2007). 9