Αυτο-Συµπυκνούµενο Σκυρόδεµα SCC (Self Compacting Concrete) Ιωάννης Κοροπούλης Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ ιευθυντής Τεχνικής Εξυπηρέτησης ΜΑΠΕΙ ΕΛΛΑΣ Α.Ε.Β.Ε. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Ορισµός και επεξήγηση του όρου Αυτο-συµπυκνούµενο Σκυρόδεµα(SCC), χαρακτηριστικά του, ιδιότητες και τοµείς εφαρµογής. Ακολουθεί παρουσίαση µεθόδων µέτρησης της ρευστότητας και αξιολόγησης του SCC καθώς και τα θεµελιώδη βήµατα για την παρασκευή του. Τέλος παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του SCC µε παραδείγµατα εφαρµογής. Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΑΥΤΟ-ΣΥΜΠΥΚΝΟΥΜΕΝΩΝ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΩΝ Ο όρος Αυτο-Συµπυκνούµενο Σκυρόδεµα, στα αγγλικά Self Compacting Concrete(SCC), προσδιορίζει µία κατηγορία σκυροδέµατος που όταν εγχυθεί µέσα σε ένα καλούπι πάει παντού, χωρίς να είναι απαραίτητη οποιαδήποτε µορφή συµπύκνωσης ή δόνησης. Το Αυτο-Συµπυκνούµενο Σκυρόδεµα (στο εξής SCC) χαρακτηρίζεται από υψηλή ρευστότητα κατά τη νωπή του φάση. Έτσι έχει την ικανότητα να φθάνει, µέσα από εµπόδια όπως πυκνός οπλισµός ή αποµακρυσµένες περιοχές του ξυλοτύπου, ακόµη και σε απόσταση µεγαλύτερη των 10m από το σηµείο έγχυσής του χωρίς την βοήθεια αντλίας. Παράλληλα µε την µεγάλη ρευστότητά τους κατά την νωπή φάση, τα SCC έχουν µεγάλη αντίσταση στο διαχωρισµό (Σχήµα 1). Ρευστότητα στην νωπή φάση SCC Αντίσταση στο διαχωρισµό Αντίσταση στον εξωτερικό διαχωρισµό Αντίσταση στο διαχωρισµό κατά την ροή Αντίσταση στον εσωτερικό διαχωρισµό Σχήµα 1 Ικανότητα προσέγγισης αποµονωµένων περιοχών Αυτή η ιδιότητα χαρακτηρίζει την ικανότητα του σκυροδέµατος να εγχύεται και να ρέει στο εσωτερικό του καλουπιού διατηρώντας µια οµοιόµορφη κατανοµή των συστατικών του: α)κατά την διάστρωση (αντίσταση στον εξωτερικό διαχωρισµό), β)κατά την διάρκεια της πλήρωσης του καλουπιού όταν το µίγµα προσκρούει στον οπλισµό(αντίσταση στον διαχωρισµό κατά την ροή), και γ)αφού ολοκληρωθεί η πλήρωση του καλουπιού, µε την αποφυγή της καθίζησης των χονδρόκοκκων αδρανών στον πυθµένα και την εµφάνιση του νερού στην επιφάνεια(αντίσταση στον εσωτερικό διαχωρισµό). Η αντίσταση στον διαχωρισµό κατά την ροή είναι µία από τις πιο σηµαντικές απαιτήσεις σε ένα Αυτο-Συµπυκνούµενο Σκυρόδεµα. Προσδίδει την ικανότητα του σκυροδέµατος να ρέει χωρίς δυσκολία ακόµη και όταν συναντά εµπόδια όπως ο πυκνός οπλισµός ή και σε διατοµές περίπλοκης γεωµετρίας(ροή σε περιορισµένο χώρο), εκεί όπου υφίσταται η µεγαλύτερη πιθανότητα να εµποδιστεί η ροή του σκυροδέµατος λόγω της αύξησης του αριθµού συγκρούσεων των χονδρόκοκκων αδρανών που έχει ως συνέπεια την απώλεια της ρευστότητας του µίγµατος.
ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΑΥΤΟ-ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗΣ Η ρευστότητα του SCC είναι τόσο υψηλή που η µέτρηση της κάθισης µε τον κώνο του Abrams(slump>260mm) δεν έχει πια σηµασία. Έτσι, µία σειρά νέων συσκευών και µεθόδων βοηθούν στην δηµιουργία µίας ολοκληρωµένης εικόνας τόσο για την ρευστότητα κατά την νωπή φάση όσο και για την αντίσταση στον διαχωρισµό του SCC. Οι πιο διαδεδοµένες µέθοδοι είναι το slump-flow(σχήµα 2), το V-funnel (Σχήµα 3), το U-box(Σχήµα 4 α,β), και το L-box για κατακόρυφο και οριζόντιο οπλισµό(σχήµα 5). Η µέθοδος του slump-flow, συνίσταται στην µέτρηση της µέσης διαµέτρου(d f ) της µάζας σκυροδέµατος όπως διαµορφώνεται µετά από την αποµάκρυνση του κώνου του Αµπραµς όταν το σκυρόδεµα σταµατά να ρέει πάνω στην τράπεζα, σε συνάρτηση µε τον απαιτούµενο χρόνο(t f ) για να φθάσει σε µια τέτοια τελική κατάσταση(πίνακας 1). ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Μέθοδος Slump-Flow ΑΥΤΟ-ΣΥΜΠΥΚΝΟΥΜΕΝΟ ΥΠΕΡΡΕΥΣΤΟ (S5) d f 600mm < d f <750mm <500mm t f 5-12 sec. cls ready-mix 20-35 sec. cls precast 8-12 sec. > 18 sec. Η τιµή του slump flow δείχνει την ρευστότητα του SCC (πόσο µακριά µπορεί να διαστρωθεί το SCC σε σχέση µε το σηµείο έγχυσής του), ενώ ο χρόνος που απαιτείται για να απλωθεί σε διάµετρο 500mm (ή την τελική τιµή του slump) δείχνει την ταχύτητα της ρευστότητας του SCC, δηλαδή την κινητικότητά του. Έτσι, ένα SCC µε ικανοποιητική απόδοση, πρέπει να έχει ένα υψηλό slump flow ούτως ώστε η εξάπλωσή του σε διάµετρο 500mm να επιτευχθεί σε ένα χρόνο από 10 έως 15sec. Η µέθοδος του slump flow είναι η πιο διαδεδοµένη λόγω της απλότητάς της. Αξίζει επίσης να αναφερθεί η µέθοδος χαρακτηρισµού της ρευστότητας του SCC µε τη ονοµασία V-funnel. Η µέθοδος V-funnel συνίσταται στην µέτρηση του χρόνου που απαιτείται για να αδειάσει τελείως από το σκυρόδεµα που περιέχει µία συσκευή σχήµατος V. Στην περίπτωση του SCC ο χρόνος αυτός δεν ξεπερνά τα 10sec. και συνήθως είναι µόνο µερικά δευτερόλεπτα. Μία χαρακτηριστική εικόνα των ρεολογικών ιδιοτήτων του αυτοσυµπυκνούµενου σκυροδέµατος δίνεται µε τη µέθοδο του U-box (Σχήµα 4 β). Η συσκευή των δοκιµών αποτελείται από ένα µεταλλικό κουτί σε σχήµα U µε δύο διαµερίσµατα τα οποία διαχωρίζονται µε ένα µετακινούµενο διάφραγµα. Το SCC µε την εισροή του στο διαµέρισµα Α αρχίζει να ρέει (µετά την µετακίνηση του διαφράγµατος) προς το διαµέρισµα Β. Για να εµποδίζεται η ελεύθερη ροή από το ένα διαµέρισµα στο άλλο παρεµβάλεται µία εσχάρα οπλισµού, το µέγεθος και η πυκνότητα του οποίου εξαρτώνται από την ρευστότητα που απαιτείται. Ανεξάρτητα από τον τύπο της εσχάρας οπλισµού η µέθοδος µετρά το ύψος Η του SCC στο Β διαµέρισµα σε συνάρτηση µε τον χρόνο που χρειάζεται για να φθάσει εκεί.επίσης µετράται η περιεκτικότητα χονδρόκοκκων αδρανών ανά m 3 στην περιοχή της εσχάρας (G). Η τιµή G συγκρίνεται στην συνέχεια µε την χαρακτηριστική τιµή(go) ώστε να εκτιµηθεί η ικανότητα του SCC για αντίσταση στον διαχωρισµό και κίνηση σε περιορισµένο χώρο. Ο λόγος G/Go πρέπει να είναι µεγαλύτερος από 0,9. Η µέτρηση αυτής της ιδιότητας γίνεται και µε τη µέθοδο L-box µε οριζόντιο οπλισµό(σχήµα 5). Το σκυρόδεµα εγχύεται µέσα σε ένα µεταλλικό κουτί σχήµατος L. Η ροή του SCC περιορίζεται από µεταλλικές οριζόντιες ράβδους. Μετρώνται η ταχύτητα κίνησης του SCC, το ποσοστό των αδρανών που συγκρατώνται και ο χρόνος που χρειάζεται το SCC µέχρι να ολοκληρώσει την διαδροµή.
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΟΓΙΕΣ Όπως έχει ήδη προαναφερθεί, το Αυτο-Συµπυκνούµενο Σκυρόδεµα πρέπει να χαρακτηρίζεται από µεγάλη ρευστότητα στην νωπή φάση και περιορισµένη τάση διαχωρισµού. Αυτό συνεπάγεται, όσον αφορά τα ρεολογικά χαρακτηριστικά του, ότι το σκυρόδεµα πρέπει να έχει σχετικά υψηλή συνεκτικότητα και χαµηλό πλαστικό ιξώδες. Για την παρασκευή ενός αυτο-συµπυκνούµενου σκυροδέµατος προτείνονται τα ακόλουθα θεµελιώδη βήµατα: Α) Η δοσολογία του τσιµέντου πρέπει να είναι σχετικά υψηλή (350-450 kg/m 3 ) για να εξασφαλίζεται επαρκής συνεκτικότητα του µίγµατος. Β) Για να εξασφαλιστεί η ρευστότητα του σκυροδέµατος, ο όγκος των χονδρόκοκκων αδρανών (µε µέγιστη διάµετρο 25mm και κατά προτίµηση 15mm), δεν πρέπει να ξεπερνά τα 340 l για 1 m 3 σκυροδέµατος. Με αυτόν τον τρόπο διασφαλίζεται και η ικανότητά του να ρέει µέσα από πυκνό οπλισµό. Γ) Για την επίτευξη καλής συνεκτικότητας του ρευστού µίγµατος, ο όγκος των λεπτόκοκκων αδρανών (τσιµέντο+ ιπτάµενη τέφρα, φίλλερ ή πυριτική παιπάλη) πρέπει να κυµαίνεται µεταξύ 170 και 200 l/m 3. Αυτή η αυξηµένη, σε σχέση µε τα παραδοσιακά σκυροδέµατα, ποσότητα πάστας αγκαλιάζει τους κόκκους των αδρανών µειώνοντας τις µεταξύ τους τριβές και εµποδίζοντας έτσι την απώλεια ρευστότητας του µίγµατος. ) Για την γρήγορη κίνηση του SCC, o λόγος του όγκου του νερού προς τον όγκο των λεπτόκοκκων υλικών πρέπει να είναι µεταξύ 0,85 και 1,20. Εάν µειωθεί κατά πολύ το νερό µε την χρήση υπερευστοποιητών, το SCC κινείται πολύ αργά όπως ένα κολλώδες υγρό σαν το µέλι(µε µεγάλο ιξώδες). Ε) Για την συντήρηση των ρεολογικών ιδιοτήτων που χαρακτηρίζουν το SCC είναι απαραίτητη η χρήση πρόσµικτων υπερευστοποιητών νέας γενιάς µε βάση ακρυλικά (όπως το Dynamon SR1 της MAPEI) σε δοσολογία 0,8-1,5 l ανά 100kg. λεπτόκοκκων. ΣΤ) Για την µείωση του δακρύσµατος και του διαχωρισµού στο ελάχιστο, πρέπει χρησιµοποιηθεί ένα πρόσµικτο τροποποιητικό του ιξώδους (Viscosity Modifying Agent όπως το Viscofluid SCC της MAPEI). ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΥΤΟ-ΣΥΜΠΥΚΝΟΥΜΕΝΩΝ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΩΝ Το SCC χάρη στην υψηλή του σταθερότητα και ρευστότητα, µπορεί να αυξήσει το επίπεδο της αντοχής και να µεγιστοποιήσει την αξιοπιστία της κατασκευής ανεξάρτητα από το επίπεδο του εργατικού δυναµικού, την ποιότητα των συστηµάτων έγχυσης και την διαθεσιµότητα δονητικών µηχανηµάτων. Χάρη κυρίως στην αυξηµένη αντίσταση στον εξωτερικό διαχωρισµό αλλά και στην ικανότητα του µίγµατος να απλώνεται µόνο του, εξασφαλίζεται η µη δηµιουργία µακροφυσσαλίδων στην δοµή του και η σωστή κατανοµή των αδρανών, για την επίτευξη αυξηµένων µηχανικών αντοχών και υψηλού βαθµού ανθεκτικότητας της κατασκευής. Το απόλυτο πλεονέκτηµα που προκύπτει από την εφαρµογή των SCC, εκφράζεται µε σηµαντική µείωση του χρόνου αποπεράτωσης της κατασκευής χάρη στην µεγάλη ταχύτητα µε την οποία είναι δυνατόν να γίνει η διάστρωση του σκυροδέµατος ως συνέπεια της πλήρους απαλοιφής της χρήσης συστηµάτων δόνησης. Έχει υπολογιστεί ότι η χρήση SCC µπορεί να µειώσει τον χρόνο κατασκευής µεγάλων έργων σε ποσοστό µέχρι και 20-25%.
Η εφαρµογή του SCC οδηγεί στην υιοθέτηση πρωτοποριακών κατασκευαστικών τεχνικών, βασισµένες στην έγχυση του σκυροδέµατος από την βάση του ξυλοτύπου και όχι από ψηλά, ή την χρήση σωλήνων µε βαλβίδες απ όπου διοχετεύεται το σκυρόδεµα µε σκοπό να ελέγχεται µε ακρίβεια η πλήρωση του ξυλοτύπου. Είναι γνωστές οι συνέπειες της χρήσης δονητικών µηχανηµάτων στον ανθρώπινο οργανισµό(στις πιο σοβαρές περιπτώσεις διαταραχές της συµπεριφοράς όπως αϋπνίες και µείωση της µνήµης, ή επιπλοκές του περιφερειακού νευρικού συστήµατος που προκαλούν απώλεια της αίσθησης των χεριών) αλλά και τα φαινόµενα µείωσης της ικανότητας ακοής που εµφανίζονται στο προσωπικό των εργοταξίων. Σίγουρα, η εξάλειψη της δόνησης και η µείωση του θορύβου που συνεπάγεται η χρήση του SCC αποτελούν σηµαντικό παράγοντα στην µείωση των εργατικών ασθενειών και γενικότερα στην καλυτέρευση της ποιότητας ζωής των εργαζοµένων στην κατασκευή. Ένα επίσης αποφασιστικής σηµασίας πλεονέκτηµα από την χρήση SCC στην κατασκευή είναι η βελτιστοποίηση της ποιότητας των εµφανών σκυροδεµάτων. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΣΤΡΩΣΗ Για την παραγωγή του Αυτο-Συµπυκνούµενου σκυροδέµατος είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθούν τα µέσα παραγωγής των συµβατικών σκυροδεµάτων. Συγκεκριµένα η ανάµιξη των συστατικών µπορεί να γίνει είτε σε συγκρότηµα παραγωγής (batching plant) µε κατακόρυφους άξονες είτε απ ευθείας σε µπετονιέρες. Η διαδικασία της τοποθέτησης των συστατικών στον κάδο ανάµιξης πρέπει να γίνεται αφού έχει προηγηθεί η έγχυση τουλάχιστο του 90% του νερού που απαιτείται. Στην συνέχεια µπαίνει το υπόλοιπο νερό, ο υπερευστοποιητής (όπως το Dynamon SR1 της MAPEI) και το πρόσµικτο τροποποιητικό του ιξώδους(όπως το Viscofluid SCC της MAPEI). Στο τέλος αξιολογείται η ρευστότητα του µίγµατος µε µία από τις µεθόδους µέτρησης της ρεολογικής ικανότητας. Η άντληση πρέπει να γίνεται µε χρήση σωλήνων διαµέτρου 100-125mm και µήκους όχι µεγαλύτερο από 300m. Είναι φυσιολογικό κατά την διάρκεια της έγχυσης µε την αντλία, το SCC να εµφανίσει µία σηµαντική µείωση της πίεσης στην αντλία (σε σχέση µε τα παραδοσιακά σκυροδέµατα) λόγω της αύξησης της ταχύτητας του αυτο-συµπυκνούµενου σκυροδέµατος στο εσωτερικό των σωλήνων άντλησης. Η αύξηση της ταχύτητας στην άντληση, ή η αύξηση της ταχύτητας στην έγχυση και το µικρό ιξώδες του αυτο-συµπυκνούµενου σκυροδέµατος παράγουν, σε σχέση µε τα παραδοσιακά υπέρευστα σκυροδέµατα, µία αύξηση των κατακόρυφων ωθήσεων στο καλούπι που πρέπει να υπολογίζονται. Συγχρόνως είναι απαραίτητο τα καλούπια να είναι πιστοποιηµένα για την ικανότητά τους να εµποδίζουν -πάνω απ όλα στη βάση των κατακόρυφων στοιχείων- την διαρροή του µίγµατος προς τα έξω. Όσον αφορά το ύψος από το οποίο γίνεται η έγχυση θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη η γεωµετρία του στοιχείου και η πυκνότητα του οπλισµού. Ένας καλός οδηγός είναι να µην ξεπερνά τα 5m. Πριν από την έγχυση του SCC πρέπει να διευκρινιστούν τα σηµεία και η σειρά µε τη οποία θα γίνει η διάστρωση, λαµβάνοντας πάντα υπόψη ότι η ικανότητα του µίγµατος να ρέει κατακόρυφα στο εσωτερικό του καλουπιού είναι περίπου 15m. Στην περίπτωση έγχυσης σε κλειστά στοιχεία και σε διατοµές ιδιαίτερα στενές, πρέπει να έχουν προβλεφθεί σηµεία διαφυγής του αέρα. Όσον αφορά την επιλογή αποκολλητικών υλικών (όπως η σειρά DMA της MAPEI) και την καθαριότητα των καλουπιών, ισχύουν οι ίδιοι περιορισµοί µε τα παραδοσιακά σκυροδέµατα. Όσον αφορά την υγρασία ωρίµανσης θα πρέπει να επισηµανθεί ότι ακόµη και η ελαχιστότερη ποσότητα νερού που χάνεται λόγω δακρύσµατος (σε σχέση µε τα παραδοσιακά σκυροδέµατα) µπορεί να οδηγήσει σε µία πολύ πρώιµη ωρίµανση του αυτο-συµπυκνούµενου σκυροδέµατος. Στην περίπτωση που απαιτούνται επιφάνειες εµφανών σκυροδεµάτων, πρέπει πάντα να συντηρείται µε προσοχή η επιφανειακή υγρασία τους ή να προστατεύεται µε ειδικά υλικά (όπως το Μapecure E της MAPEI). Είναι προφανές ότι η ωρίµανση των επιφανειών σκυροδέτησης σε συνθήκες
υγρασίας είναι ουσιώδης προκειµένου να εξασφαλιστεί ο σχηµατισµός µίας επιφανειακής µεµβράνης στεγανής και ανθεκτικής στους επιθετικούς παράγοντες του περιβάλλοντος. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η εφαρµογή των Αυτο-Συµπυκνούµενων Σκυροδεµάτων που χαρακτηρίζονται από υψηλή ρευστότητα και πρακτικά µηδενικό διαχωρισµό συνίσταται στην κατασκευή έγχυτων και προκατασκευασµένων σκυροδεµάτων χωρίς την ανάγκη συµπύκνωσης µε δόνηση. Έτσι η χρήση SCC επιτρέπει την υλοποίηση κατασκευών µεγάλης αντοχής ανεξάρτητα από το µέγεθος και την εµπειρία του εργατικού δυναµικού καθώς και του εξοπλισµού για συµπύκνωση που είναι διαθέσιµος επιτόπου του έργου. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ (1) Mario Collepardi, IL NUOVO CALCESTRUZZO ( εκέµβριος 2001). (2) L.Coppola-Τεχνικός /ντής MAPEI, Calcestruzzi Aytocompattanti, Realta Mapei Νο48 pp.40-44 (Απρίλιος 2001). (3) T.Umoto, K.Ozawa, Recommendation for Self-Compacting Concrete, Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, Ιαπωνία (Αύγουστος 1999). (4) F.Jacobs, F.Hunkeler, Design of Self-Compacting Concrete for Durable concrete structures, Συνέδριο Self-Compacting Concrete, pp.397-407, Στοκχόλµη, Σουηδία (1999). (5) H.Okamura, M.Ouchi, Self-Compacting Concrete. Development, present use and future, Συνέδριο Self-Compacting Concrete, pp.3-14, Στοκχόλµη, Σουηδία (1999). (6) J.Byfors, SCC is an important step towards industrialization of the building industry, Συνέδριο Self-Compacting Concrete, pp.15-21, Στοκχόλµη, Σουηδία (1999).