Συσχέτιση αντοχών σκυροδέµατος και τσιµέντου και ανάλυση αβεβαιότητας.χ.τσαµατσούλης ρ. Χηµικός Μηχανικός, ιευθυντής Συστήµατος Ποιότητας, ΧΑΛΥΨ ΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Α.Ε. Λέξεις κλειδιά: Σκυρόδεµα, τσιµέντο, αντοχή ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην παρούσα µελέτη µελετήθηκε η συσχέτιση αντοχών τσιµέντου και σκυροδέµατος, γεγονός ιδιαίτερα σηµαντικό τόσο για σχεδιασµό σύνθεσης, όσο και για τον τρέχοντα ποιοτικό έλεγχο και διασφάλιση ποιότητας του σκυροδέµατος. Λήφθηκαν τα αποτελέσµατα 4 εταιρειών σκυροδέµατος για διάφορες περιόδους κατά τα έτη 001-00, οι οποίες προµηθεύονταν τσιµέντα από το Εργ. ΧΑΛΥΨ. Παράλληλα έγινε προσπάθεια να µελετηθεί η επίδραση διαφόρων παραγόντων που επηρεάζουν την αντοχή του σκυροδέµατος και η αβεβαιότητα που προκαλούν σε αυτή. Συσχετίσεις της µορφής που αναπτύσσονται µπορούν να αποτελέσουν χρήσιµο εργαλείο για την βιοµηχανία παραγωγής σκυροδέµατος, όσον αφορά τον ποιοτικό έλεγχο και τη διασφάλιση ποιότητας του προϊόντος 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι µετρούµενες αντοχές του σκυροδέµατος και η τυπική τους απόκλιση µπορούν να επηρεαστούν από αρκετούς παράγοντες. Ορισµένοι από αυτούς µπορούν να χαρακτηριστούν ως κύριοι, οι παρακάτω: (α) Το περιεχόµενο τσιµέντο (β) Η αντοχή του τσιµέντου (γ) Η σχέση νερού προς τσιµέντο (δ) Η ποιότητα και σύνθεση των αδρανών (ε) Η ποιότητα και δοσοµετρία των προσµίκτων (στ) Ο περιεχόµενος αέρας (ζ) Η ακρίβεια των πλαστίγγων τροφοδοσίας (η) Η ορθότητα και αναπαραγωγιµότητα της διαδικασίας δειγµατοληψίας, κατασκευής, συντήρησης και θραύσης των δοκιµίων. Στην παρούσα µελέτη επιχειρείται η συσχέτιση µεγάλου αριθµού αποτελεσµάτων αντοχών σκυροδέµατος αρκετών εταιρειών µε τις αντίστοιχες αντοχές τσιµέντου παραγωγής του εργοστάσίου ΧΑΛΥΨ. Σε κάθε περίπτωση µελετήθηκαν οι αντοχές 8 ηµερών και η πλειοψηφία των αποτελεσµάτων είναι για κατηγορία κάθισης S3. Επίσης επιχειρείται να µετρηθεί η επίδραση ορισµένων από τους παράγοντες που αναφέρθηκαν παραπάνω στην σταθερότητα των αντοχών του σκυροδέµατος. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΝΤΟΧΩΝ.1 Ανάλυση του προτύπου και αποτελέσµατα Επειδή σε διάφορες κατηγορίες σκυροδέµατος χρησιµοποιούνται συχνά δύο τύποι τσιµέντου ( τάξης αντοχής 3.5 και 4.5) και σε διαφορετικές αναλογίες και ποσότητες, υπολογίστηκε η σταθµική αντοχή τσιµέντου 8 ηµερών εάν ως βάση θεωρηθούν το 300 Kg. Ετσι το τσιµέντο
συνεισφέρει στο σκυρόδεµα αντοχή µετρούµενη σύµφωνα µε το πρότυπο ΕΝ 196-1-σύµφωνα µε τη σχέση (1). Tot _ Cem Str _ Cem = ( a * Str _ Cem _ 3.5 + (1 a)* Str _ Cem _ 4.5) * (1) 300 όπου Tot_Cem = η ολική ποσότητα τσιµέντου (Kg) ανά m 3 σκυροδέµατος, Str_Cem_3.5 = αντοχή 8 ηµ. τσιµέντου κατηγορίας 3.5, Str_Cem_4.5 = αντοχή 8 ηµ. τσιµέντου κατηγορίας 4.5, α = το κλάσµα συµµετοχής στην σύνθεση του τύπου 3.5, Str_Cem = η συνεισφορά αντοχής τσιµέντου στο σκυρόδεµα σε 8 ηµέρες. Φυσικά στο µαθηµατικό µοντέλο µπορεί να εισαχθεί και τσιµέντο κατηγορίας 5.5. Μελετήθηκε ευρεία περιοχή κατηγοριών σκυροδεµάτων : C1/15, C16/0, C0/5, C5/30, C30/37. Στην περίπτωση των κατηγοριών αντοχών C16/0, C0/5, θεωρήθηκαν κατά πλειοψηφία δεδοµένα για κατηγορία κάθισης S3. Τα αποτελέσµατα δίνονται στο σχήµα 1 ως µέσα αποτελέσµατα για κάθε κατηγορία σκυροδέµατος. Τα πειραµατικά σηµεία από τα οποία εξάχθηκαν αυτές οι τιµές αποτελούν µέσες τιµές ενός µηνός 50 45 Αντοχή σκυροδ. 8 ηµ. Mpa 40 35 30 5 Μέσα αποτελέσµατα Γραµµική Συσχέτ. 0 15 5 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Αντοχή τσιµέντου 8 ηµ. Mpa Η συσχέτιση υπολογίστηκε από το σύνολο των πειραµατικών σηµείων και των 4 εταιρειών για όλες τις χρονικές περιόδους και δίνεται από την εξίσωση Str _ Concr =.0 + 0.67* Str _ Cem R = 0.96 Std _ Err = 1.5 () Προκύπτει λοιπόν από τη σχέση () ότι κάθε πρόσθετο Mpa αντοχής τσιµέντου 8 ηµερών συνεισφέρει 0.67 Mpa στην αντοχή 8 ηµερών του σκυροδέµατος Str_Concr.
. Αξιολόγηση και αξιοποίηση του προτύπου Παρά το γεγονός ότι: (1) Χρησιµοποιήθηκαν αποτελέσµατα 4 εταιρειών σκυροδέµατος () Τα αποτελέσµατα κάλυπταν ορίζοντα δύο ετών (3) εν λήφθηκαν υπόψη οι διασπορές των παραγόντων (δ) ως και (η) που µνηµονεύτηκαν στην εισαγωγή (4) Υπάρχει κάποια αβεβαιότητα στην ακριβή αντιστοίχιση των αποτελεσµάτων τσιµέντου και σκυροδέµατος, η οποία βέβαια εξαλείφθηκε σε σηµαντικό βαθµό µε την λήψη µηνιαίων αποτελεσµάτων υπολογίστηκε συσχέτιση ιδιαίτερα ικανοποιητική µε αποδεκτό τυπικό σφάλµα. Φυσικά η παραπάνω σχέση δεν µπορεί να θεωρηθεί ότι έχει γενική ισχύ εφόσον λήφθηκε για αποτελέσµατα τσιµέντων που παράγονται στο Εργ. ΧΑΛΥΨ. Το παραπάνω πρότυπο, µια εταιρεία σκυροδέµατος µπορεί να το αξιοποιήσει ως εξής (1) Για δεδοµένους από το εργοστάσιο τσιµέντου στόχους αντοχής, σε περίπτωση νέας σύνθεσης σκυροδέµατος µπορούν να καθοριστούν οι τύποι και οι ποσότητες τσιµέντου για δεδοµένο στόχο αντοχής σκυροδέµατος. () Είναι εργαλείο πρόβλεψης αντοχών, έστω προσεγγιστικό, σε τρέχουσα βάση, εάν το εργοστάσιο τσιµέντου είναι σε θέση να δώσει εκτίµηση για την αναµενόµενη αντοχή τσιµέντου 8 ηµερών µε βάση στοιχεία δικών του αναλύσεων και στοιχείων πρώιµων αντοχών (3) Εµµεσος έλεγχος της ποιότητας των αδρανών υλικών (4) Εµµεσος έλεγχος άλλων α! υλών Οσον αφορά το εργοστάσιο τσιµέντου αξιοποιεί το πρότυπο ως εργαλείο τεχνικής υποστήριξης στους πελάτες της. 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΒΕΒΑΙΟΤΗΤΑΣ ΑΝΤΟΧΩΝ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ Η αβεβαιότητα στην πραγµατοποιούµενη αντοχή σκυροδέµατος u Str_Concr, συσχετίστηκε µε ορισµένους από τους παράγοντες που την επηρεάζουν, ώστε να µελετηθεί η συνεισφορά του καθενός. Για τον στόχο αυτό θεωρήθηκε η συνάρτηση που δίνεται από το πρότυπο ENV 13005:1999 [1]: u Str _ Concr N = i = 1 c i u i (3) όπου u i =αβεβαιότητα του παράγοντα i, c i συντελεστής κατά τον οποίο επιδρά µία µονάδα µεταβολής του u i στην u Str_Concr Για να µελετηθεί το παραπάνω θεωρήθηκε µια τυπική σύνθεση σκυροδέµατος που περιέχει 300 Kg τσιµέντου από τα οποία 100 Kg CEM 3.5, 00 Kg CEM 4.5 και λόγο Ν/Τ=0.6 Θεωρήθηκαν οι επιδράσεις των παρακάτω παραγόντων: (1) Αντοχές τσιµέντων 3.5, 4.5 () Σφάλµατα πλαστίγγων χαλικιού, γαρµπιλιού, άµµου (3) Σφάλµα πλαστίγγων τσιµέντου
(4) Σφάλµα στο περιεχόµενο νερό ανά κυβικό µέτρο σκυροδέµατος. Σε κάθε περίπτωση για σφάλµατα 1 MPa για τον παράγοντα (1) ή 1% για τους () (4) έγινε αναγωγή της σύνθεσης στο ένα κυβικό µέτρο σκυροδέµατος και υπολογίστηκε η επίδραση του παράγοντα στην αντοχή µε την µορφή συντελεστή c i. Πέραν της εξίσωσης () για την εκτίµηση της επίδρασης του λόγου Ν/Τ στην αντοχή χρησιµοποιήθηκαν βιβλιογραφικά δεδοµένα : V.H.Taylor (1965) [], J.D.MACINDOCH (1966) [3], QCL Group of Companies (1999) [4]. Από όλα τα παραπάνω βιβλιογραφικά δεδοµένα προκύπτει ότι µεταβολή κατά 0.01 του Ν/Τ προκαλεί µια µεταβολή στην αντοχή σκυροδέµατος 8 ηµερών κατά 0.9 MPa. Οι τιµές των διαφορικών συντελεστών c i δίνονται στον πίνακα 1. Πίνακας 1. ιαφορικοί Συντελεστές επίδρασης στην αβεβαιότητα της αντοχής σκυροδέµατος Παράγων Συντελεστής c i ( Mpa/ (1 Mpa ή 1% Παράγοντα) (1) Αντοχή CEM 4.5 (MPa) 0.4 () Αντοχή CEM 3.5 (Mpa) 0. (3) Ποσότητα CEM 4.5 (Kg) 0.6 (4) Ποσότητα CEM 3.5 (Kg) 0.3 (5) Ποσότητα νερού (Kg) 0.6 (6) Ποσότητα χαλικιού (Kg) 0.1 (7) Ποσότητα γαρµπιλιού (Kg) 0 (8) Ποσότητα άµµου (Kg) 0.1 Από τον Πίνακα 1 προκύπτει ότι η επίδραση της ποσότητας του νερού καθώς και της ποσότητας τσιµέντου είναι σηµαντική στην απόκλιση της αντοχής του σκυροδέµατος εφόσον επηρεάζεται σηµαντικά ο λόγος Ν/Τ. Επίσης κάθε µονάδα τυπικής απόκλισης αντοχής τσιµέντου επηρεάζει σηµαντικά την απόκλιση αντοχής του σκυροδέµατος, όµως για την δεδοµένη σύνθεση σκυροδέµατος είναι η µισή της διαφορικής επίδρασης που προκαλεί η ποσότητα του νερού. Τέλος οι ποσότητες αδρανών δείχνουν να επηρεάζουν λιγότερο σηµαντικά την απόκλιση σκυροδέµατος για ίδια πάντα ποιότητα αδρανών. Οσον αφορά την ποσότητα της άµµου 1% µεταβολή δεν επηρεάζει σηµαντικά. Όµως µεγαλύτερη µεταβολή αναµένεται να επηρεάζει, διότι τότε επηρεάζεται και ο λόγος Ν/Τ 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Μεγάλος αριθµός αποτελεσµάτων αντοχών 8 ηµερών σκυροδέµατος αρκετών εταιρειών συσχετίστηκε µε τις αντίστοιχες αντοχές τσιµέντου παραγωγής του εργοστάσίου ΧΑΛΥΨ. Προέκυψε ιδιαίτερα ικανοποιητική συσχέτιση µε τυπικό σφάλµα 1.5 MPa που δείχνει ότι κάθε 1 Mpa αντοχής τσιµέντου συνεισφέρει κατά 0.67 MPa στην αντοχή του σκυροδέµατος. Τέτοιας µορφής εξίσωση µπορεί να αξιοποιηθεί είτε για σχεδιασµό σύνθεσης είτε και για πρόβλεψη και τρέχοντα ποιοτικό έλεγχο της παραγωγής σκυροδέµατος. Επιπλέον αποτελεί εργαλείο εµµέσου ελέγχου των αδρανών και άλλων α! Υλών. Σε κάθε περίπτωση και πολύ περισσότερο σε περίπτωση που εξαχθούν αντίστοιχες σχέσεις για αντοχές 7 ηµερών θα είναι δυνατές προληπτικές ή διορθωτικές ενέργειες ή και ενέργειες βελτίωσης. Με βάση τα υπάρχοντα στοιχεία η µελέτη προχώρησε σε ανάλυση αβεβαιότητας των αντοχών σκυροδέµατος, από όπου προκύπτει η σηµαντική επίδραση των ποσοτήτων νερού και τσιµέντου
στο σκυρόδεµα, παράγοντες οι οποίοι δείχνουν να είναι πιο σηµαντικοί από την τυπική απόκλιση του τσιµέντου. 5 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] ENV 13005 1999. Guide to the expression of uncertainty of measurement, CEN [] W.H.Taylor, 1965. «Concrete Technology and Practice», Angus and Robertson, 93. [3] J.D.MCINTOCH, 1966. «Concrete Mix Design data», Cement and Concrete Association, 9 [4] QSL Group of Companies, 1999. «The Role of Water in Concrete», Technical Notes