ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ρ Αθ. Ρούτουλας Καθηγητής ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 2 η Α ΡΑΝΗ ΥΛΙΚΑ ΑΣΚΗΣΗ 5 η : ΚΟΚΚΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Α ΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2010
ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΚΟΚΚΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Α ΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Σκοπός: Σκοπός της άσκησης είναι η εύρεση της κατανοµής µεγέθους κόκκων ενός αδρανούς υλικού και η κατασκευή της σχετικής κοκκοµετρικής καµπύλης. Τα προσδιορισθέντα, µε την κατά ASTM σειρά κοσκίνων, επί τοις εκατό ολικά διερχόµενα (%P i ) των αδρανών υλικών θα συγκριθούν µε αυτά του Κ.Τ.Σ.-97 και θα χρησιµοποιηθούν για την χάραξη της κοκκοµετρικής καµπύλης µίγµατος αδρανών υλικών. Θεωρητικό Μέρος Το σκυρόδεµα είναι σήµερα το πιο διαδεδοµένο δοµικό υλικό και παρασκευάζεται από αδρανή υλικά, τσιµέντο και νερό. Ο τσιµεντοπολτός αποτελεί τον συνδετικό ιστό που καλύπτει τους κενούς χώρους µεταξύ των αδρανών υλικών και εµφανίζει χειρότερες µηχανικές ιδιότητες από αυτές των αδρανών. Η γνώση της κατανοµής µεγέθους των κόκκων των αδρανών υλικών είναι απαραίτητη, ώστε κατά την παρασκευή σκυροδέµατος να είναι δυνατό να υπολογιστούν οι ποσότητες από κάθε είδος αδρανών που πρέπει να αναµιχθούν, έτσι ώστε µεταξύ των αδρανών να υπάρχουν όσο το δυνατό λιγότεροι κενοί χώροι. Οι ποσότητες των αδρανών δηλαδή, πρέπει να είναι τέτοιες ώστε στα κενά µεταξύ των µεγαλύτερων κόκκων να χωρέσουν οι µικρότεροι κόκκοι κλπ. Με τον τρόπο αυτό απαιτείται λιγότερος τσιµεντοπολτός για την σύνδεση των σκύρων (χαλικιών) και άρα η παρασκευή φτηνού σκυροδέµατος και µεγάλης θλιπτικής αντοχής, αφού το τσιµέντο είναι το ακριβότερο υλικό εκ των συστατικών του. Κόσκινα Τα Αµερικάνικα κόσκινα κατά ASTM έχουν τετραγωνική οπή και συµβολίζονται µε το σύµβολο Nο, που αναγράφεται πριν από τον αριθµό του κόσκινου µέχρι και το κόσκινο Nο4, ενώ τα µεγαλύτερου ανοίγµατος κόσκινα συµβολίζονται µε το µέγεθος της οπής σε ίντσες π.χ. ½. Η σειρά των αµερικάνικων κόσκινων (ASTM Ε11) µε το αντίστοιχο άνοιγµα οπής δίνεται στον παρακάτω Πίνακα 1: Πίνακας 1: Σειρά των αµερικάνικων κόσκινων κατά ASTM Ε11 µε τις διαστάσεις του αντίστοιχου ανοίγµατος οπής. Κόσκινο 2 1½ 1 ¾ ½ ⅜ Μέγεθος οπής (mm) 50 37,5 25 19 12,5 9,5 Κόσκινο Νο4 Νο5 Νο8 Νο10 Νο16 Νο20 Μέγεθος οπής (mm) 4.75 4 2,36 2 1,18 0,85 Κόσκινο Νο30 Νο40 Νο50 Νο70 Νο100 Νο200 Μέγεθος οπής (µm) 600 425 300 212 150 75 Τα Ελληνικά κόσκινα έχουν κυκλική οπή και συµβολίζονται µε το σύµβολο Φ που αναγράφεται πριν από τον αριθµό του κόσκινου. Εξαίρεση αποτελεί το κόσκινο 0,2 τετραγωνικής οπής, µε άνοιγµα 0,2 mm. - 1 -
Για σκυρόδεµα µε χαρακτηριστική αντοχή µεγαλύτερη από 12 ΜΡa, τα αδρανή πρέπει να προσκοµίζονται χωρισµένα σε τρία τουλάχιστον κλάσµατα (άµµος, γαρµπίλι, χαλίκι). Ως µέγιστος κόκκος αδρανούς, d max, ορίζεται το µέγεθος της οπής του µικρότερου κόσκινου µίας σειράς από το οποίο διέρχεται το 95% τουλάχιστον της ποσότητας του αδρανούς, ενώ από το αµέσως µεγαλύτερο κόσκινο διέρχεται κατά 100%. Ως άµµος ορίζεται το διερχόµενο κλάσµα από το κόσκινο Φ5, ή Νo4 σε ποσότητα τουλάχιστον 95%. Το ποσοστό των κόκκων της άµµου που περνάει από το κόσκινο 0,2 δεν πρέπει, σύµφωνα µε τον Κ.Τ.Σ.-97, να υπερβαίνει: α) Το 20% του ξηρού βάρους της άµµου, όταν πρόκειται για σκυρόδεµα χαρακτηριστικής αντοχής ίσης ή µεγαλύτερης από 30 ΜΡa. β) Το 25% του ξηρού βάρους της άµµου, όταν πρόκειται για σκυρόδεµα χαρακτηριστικής αντοχής µικρότερης από 30 ΜΡa. γ) Το 31% του ξηρού βάρους της άµµου, όταν πρόκειται για άοπλα σκυροδέµατα χωρίς ειδικές απαιτήσεις. Ως παιπάλη ή filler, κατά το πρότυπο ASTM, ορίζεται το λεπτόκοκκο κλάσµα το οποίο διέρχεται από το κόσκινο Νο200 (το οποίο έχει άνοιγµα τετραγωνικής οπής 0,075mm) και προσδιορίζεται σύµφωνα µε τη µέθοδο ΣΚ-305. Σύµφωνα µε το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12620 ως παιπάλη ορίζεται το διαβαθµισµένο λεπτοµερές αδρανές υλικό µε µέγιστο κόκκο 2 mm, και το οποίο διέρχεται σε ποσοστό 70 100% από το κόσκινο 0,063 mm. Η παιπάλη της θραυστής άµµου δεν πρέπει να υπερβαίνει το 16% του ξηρού βάρους της και η παιπάλη των περισσότερο χοντρόκοκκων κλασµάτων (ρυζάκι, γαρµπίλι, χαλίκι) δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1% του ξηρού βάρους τους. Για άοπλα σκυροδέµατα χωρίς ειδικές απαιτήσεις επιτρέπεται παιπάλη στην άµµο µέχρι 20% του ξηρού βάρους της. Η παιπάλη είναι ανεπιθύµητη πάνω από τα καθορισµένα όρια, επειδή παρουσιάζει µεγάλη ειδική επιφάνεια (cm 2 /g) και αυξάνει την ποσότητα του νερού που απαιτείται κατά την παρασκευή του σκυροδέµατος, ώστε να επιτευχθεί το επιθυµητό εργάσιµο του νωπού σκυροδέµατος (να είναι εύκολη η διάστρωσή του). Αυτό έχει σαν συνέπεια την µείωση της αντοχής, διότι η αντοχή του σκυροδέµατος εξαρτάται από τον λόγο νερό/τσιµέντο (W/C) (W=νερό, C=τσιµέντο). Όσο λιγότερο νερό χρησιµοποιηθεί στην παρασκευή, για την ίδια εργασιµότητα, τόσο µεγαλύτερες οι µηχανικές αντοχές του σκυροδέµατος. Η παιπάλη της φυσικής άµµου δεν πρέπει να υπερβαίνει το 5% του ξηρού της βάρους. Εδώ ο περιορισµός είναι αυστηρότερος γιατί η φυσική άµµος συνήθως περιέχει και γαιώδεις προσµίξεις, κυρίως άργιλο, ένα πολύ λεπτόκοκκο υλικό. Η άργιλος µειώνει σηµαντικά την αντοχή του παρασκευαζόµενου σκυροδέµατος, αφενός επειδή προσροφά νερό, αλλάζει την απαίτηση σε νερό και αφετέρου γιατί επικαλύπτει τους κόκκους των αδρανών και εµποδίζει την πρόσφυση µε το τσιµέντο. ιαδικασία της κοκκοµέτρησης - Υπολογισµoί Το συγκρατούµενο υλικό (residue) σε κάθε κόσκινο ζυγίζεται (συγκρατούµενο βάρος, r i ) και συµπληρώνεται ο σχετικός πίνακας. Στη συνέχεια υπολογίζεται το ολικό συγκρατούµενο σε κάθε κόσκινο (R i ), δηλαδή τι θα κρατούσε κάθε κόσκινο, αν δεν υπήρχαν υπεράνω του τα µεγαλύτερα οπών κόσκινα. Προφανώς το ν-οστό κόσκινο, αρχίζοντας την αρίθµηση από πάνω, έχει ολικό συγκρατούµενο: R = r + r +... + r i 1 2 ν - 2 -
Στη συνέχεια για να είναι συγκρίσιµα τα αποτελέσµατα του αυτού υλικού, όταν χρησιµοποιείται διαφορετική ποσότητα εργαστηριακού δείγµατος κάθε φορά, υπολογίζεται το επί τοις εκατό ολικά συγκρατούµενο σε κάθε κόσκινο %R i : Ri % Ri = 100 BΞΗΡ Πέρασµα ή διερχόµενο (pass) ονοµάζουµε την ποσότητα του υλικού που διέρχεται από κάποιο κόσκινο. Είναι προφανές ότι το επί τοις εκατό ολικά διερχόµενο %Ρ i υπολογίζεται από την σχέση: % P i = 100 - %R i Αν τα αποτελέσµατα της κοσκίνησης µεταφερθούν σε ηµιλογαριθµικό διάγραµµα, όπου στον οριζόντιο άξονα υπάρχουν οι διάµετροι των οπών των κοσκίνων και στον κατακόρυφο τα επί τοις εκατό ολικά διερχόµενα %Ρ i ή τα επί τοις εκατό ολικά συγκρατούµενα σε κάθε κόσκινο %R i, µε ένωση των σηµείων µε ευθύγραµµα τµήµατα προκύπτει η κατ ευφηµισµό κοκκοµετρική καµπύλη του αδρανούς υλικού. Ως µέτρο λεπτότητας (fineness module) της άµµου (f m ) ορίζεται το πηλίκο του αθροίσµατος των % ολικών συγκρατούµενων στα κόσκινα 3 in, 1.5 in, ¾ in, 3/8 in, No 4, No 8, No 16, No 30, No 50, No 100, δια 100. f m %R = 3" 1.5" 3 / 4" 3 / 8" No4 100 No8 No16 No30 No50 No100 Με βάση την εµπειρία από τα εγχώρια αδρανή αλλά και τις προδιαγραφές αρκετών χωρών, ο Κ.Τ.Σ.-97 καθόρισε τις υποζώνες των διαγραµµάτων στα Σχήµατα 1-4 και όρισε ότι για οπλισµένο σκυρόδεµα η κοκκοµετρική καµπύλη πρέπει να βρίσκεται στην υποζώνη ή και στην υποζώνη Β για σκυροδέµατα κατηγορίας C30/37 ή µικρότερης. Η υποζώνη Ζ αφορά στο άοπλο σκυρόδεµα. Τα διαγράµµατα των Σχηµάτων 1-4 δίνονται συναρτήσει του µέγιστου κόκκου. Γενικά, κοκκοµετρικές καµπύλες κάτω από την υποζώνη αντιστοιχούν σε αρκετά χονδρόκοκκα αδρανή που δίνουν σκυροδέµατα πτωχής εργασιµότητας, ενώ καµπύλες πάνω από την υποζώνη Ε αντιστοιχούν σε αδρανή γενικά λεπτόκοκκα που απαιτούν µεγάλη ποσότητα νερού και δίνουν σκυροδέµατα µικρής ογκοσταθερότητας µε µεγάλη πιθανότητα ρηγµάτωσης. Οι απαιτήσεις του Κ.Τ.Σ.-97 σχετικά µε τις κοκκοµετρικές καµπύλες σκυροδεµάτων ειδικών απαιτήσεων συνοψίζονται ως εξής: για σκυρόδεµα ανθεκτικό σε επιφανειακή φθορά η καµπύλη πρέπει να βρίσκεται στο κάτω µισό της υποζώνης. ενώ για σκυροδέµατα µειωµένης υδατοπερατότητας. µέσα σε νερό (όχι διαβρωτικό), στη θάλασσα, σε παραθαλάσσιο περιβάλλον ή ανθεκτικά σε χηµικές προσβολές η καµπύλη πρέπει να βρίσκεται κοντά στη µέση γραµµή της υποζώνης. - 3 -
Σχήµα 1: Όρια κοκκοµετρικής διαβάθµισης µίγµατος αδρανών µέγιστου κόκκου 31,5 mm ή 1. Σχήµα 2: Όρια κοκκοµετρικής διαβαθµίσεως µίγµατος αδρανών µέγιστου κόκκου 63 mm ή 1½. - 4 -
Σχήµα 3: Όρια κοκκοµετρικής διαβαθµίσεως µίγµατος αδρανών µέγιστου κόκκου 16 mm ή ½. Σχήµα 4: Όρια κοκκοµετρικής διαβαθµίσεως µίγµατος αδρανών µέγιστου κόκκου 8 mm ή ⅜. - 5 -
Πειραµατικό Μέρος Προδιαγραφές: Ο προσδιορισµός της κατανοµής µεγέθους κόκκων ενός αδρανούς υλικού και η κατασκευή της σχετικής κοκκοµετρικής καµπύλης πραγµατοποιείται σύµφωνα µε τις αµερικάνικες προδιαγραφές ASTM C136, AASHTO T27. Συσκευές και όργανα: Αµερικάνικη σειρά κοσκίνων (1, ¾, ½, ⅜, Νο4, Νο8, Νο16, Νο30, Νο50, Νο100, Νο200), µηχανικός ζυγός OHAUS, ηλεκτρονικός ζυγός, µηχανική κοσκινίστρα. Πειραµατική ιαδικασία: Τα αδρανή υλικά τα οποία θα ελεγχθούν θα πρέπει να είναι πλυµένα και ξηρά. Τα κόσκινα που θα χρησιµοποιηθούν τοποθετούνται στην διάταξη κοσκίνησης το ένα πάνω στο άλλο από το κόσκινο µεγαλύτερης οπής προς το κόσκινο µικρότερης οπής. Η σειρά των κοσκίνων φέρει κατάλληλο σκεύος στον πυθµένα της για τη συλλογή του λεπτότερου κλάσµατος που καλείται υποδοχέας. Ο χρόνος κοσκίνησης, σύµφωνα µε την προδιαγραφή ASTM C136, είναι τα δέκα λεπτά. Μετά το τέλος της κοσκίνησης αποσυναρµολογείται η διάταξη και ένα ένα τα κόσκινα µε την σειρά αναδεύονται και µε το χέρι. Το υλικό που αποµένει στο i-κόσκινο και καλείται µερικό συγκρατούµενο (r i ), µεταφέρεται στο επόµενο κόσκινο αφού αποµακρύνουµε την παιπάλη που έχει µείνει µε την βοήθεια ενός πινέλου. Το µερικό συγκρατούµενο (r i ) κάθε κόσκινου ζυγίζεται και στην συνέχεια υπολογίζεται το ολικό συγκρατούµενο R i ζυγίζοντας όλα τα συγκρατούµενα µαζί. Επίσης, υπολογίζεται το επί τοις εκατό συγκρατούµενο %R και το επί τοις εκατό διερχόµενο %P κάθε κόσκινου. Μετρήσεις: Πρότυπο κόσκινο (mm) Αριθµός κόσκινου 37,5 1 1/2 25,0 1 19,0 3/4 12,5 1/2 9,5 3/8 4,75 Νο4 2,36 Νο8 1,18 Νο16 0,60 Νο30 0,30 Νο50 0,25 Νο60 0,15 Νο100 0,075 Νο200 Υποδοχέας Υποδοχέας - Π.Π. - Απώλειες r (g) R (g) %R %P - 6 -
%R = (R W ΞΚ ) 100 %P = 100 %R Απώλειες = W ΠΞ R ΥΠ ηµιουργία µίγµατος χαλικιού Α) χαλίκι 1, W ΞΚ1 Β) χαλίκι 2, W ΞΚ2 Σύνολο χαλίκι 1 + 2 Υπολογισµός ποσοστού: %Π Χ1 = (W ΞΚ1 / Σύνολο) 100 %Π Χ2 = (W ΞΚ2 / Σύνολο) 100 Τύπος σύνθεσης: %P ΜΙΓΜΑΤΟΣ ΧΑΛΙΚΙΟΎ = [(%Π Χ1 %P X1 ) + (%Π X2 %P Χ2 )]/100 Για κάθε κόσκινο. ηµιουργία µίγµατος αδρανών υλικών %P ΜΙΓΜΑΤΟΣ Α ΡΑΝΩΝ = [(%Π Χ %Ρ Χ ) + (%Π Γ %Ρ Γ ) + (%Π Α %Ρ Α )]/100 Υπολογισµοί Επεξεργασία Μετρήσεων: Για την χάραξη της κοκκοµετρικής καµπύλης µίγµατος αδρανών απαιτείται η κοκκοµετρική ανάλυση κάθε συστατικού καθώς και το ποσοστό συµµετοχής του στο δείγµα. Επίσης πρέπει να προσδιοριστούν τα εξής µεγέθη: Μέτρο Λεπτότητας, το οποίο είναι χρήσιµο για την σύνθεση σκυροδέµατος. Τα όρια πάνω στις καµπύλες που πρέπει να κινούνται τα υλικά σύµφωνα µε τις προδιαγραφές. Τα όρια λατοµείου (σύµφωνα µε τον Κ.Τ.Σ. 4.3.4.8.) 6 µε 8 µονάδες. Τα όρια µελέτης σύνθεσης (σύµφωνα µε τον Κ.Τ.Σ. 4.3.4.8.) 8 µε 10 µονάδες. Τα όρια κοκκοµετρικής διαβαθµίσεως µίγµατος αδρανών υλικών στις υποζώνες (Κ.Τ.Σ. 4.3.2.10.). - 7 -
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ελληνική: 1. Ε. Φουντουκίδη, Εργαστηριακές Ασκήσεις Χηµικής και Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας, Εκδόσεις Πουκαµισάς, Πειραιάς, 2009 2. Α. Τριανταφύλλου, οµικά Υλικά, 7 η Εκδ., Πάτρα, 2005 3. R. Wendehorst, οµικά Υλικά, 2 η Έκδ., Εκδόσεις Μ. Γκιούρδα, Αθήνα, 1981 4. P. K. Mehta, P. J. M. Monteiro, Σκυρόδεµα. Μικροδοµή, ιδιότητες και υλικά, (σε µετάφραση Ι. Παπαγιάννη), 3 η Έκδ., Εκδόσεις Κλειδάριθµος, Αθήνα, 2009 5. Χ. Οικονόµου, Τεχνολογία του Σκυροδέµατος, 3 η Έκδοση, Εκδόσεις ΣΕΛΚΑ - 4Μ ΕΠΕ - ΤeΚ ΟΤΙΚΗ, Αθήνα, 2003 Ξενόγλωσση: 6. ASTM Standards, Section 4: Construction, Volume 04.02: Concrete and Aggregates 7. G. D. Taylor, Materials in Construction Principles, Practice and Performance, Pearson Education, U.K., 2002 8. S. Somayaji, Civil Engineering Materials, 2 nd ed., Prentice-Hall, New Jersey, U.S.A., 2001 9. M. S. Mamlouk, J. P. Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, 2 nd Ed., Pearson Education, New Jersey, U.S.A., 2006 10. R. A. Flinn, P. K. Trojan, Engineering Materials and their Applications, 4 th ed., Houghton Mifflin Company, Boston, U.S.A., 1990 11. S. Mindess, J. F. Young, D. Darwin, Concrete, 2 nd ed., Pearson Education, New Jersey, U.S.A., 2003 12. A. M. Neville, Properties of Concrete, 4 th ed., Pearson Education, London, U.K., 2004 13. P. C. Hewlett, Lea s Chemistry of Cement and Concrete, 4 th ed., Edward Arnold, London, 1998 14. H. F. W. Taylor, Cement Chemistry, 2 nd ed., Thomas Telford Publishing, London, U.K., 1997 15. M. S. J. Gani, Cement and Concrete, Chapman & Hall, London, U.K., 1997 16. S. N. Gosh, Cement and Concrete Science and Technology, Vol. I Part I, ABI Books Pvt., New Delhi, India, 1991 17. S. N. Gosh, Cement and Concrete Science and Technology, Vol. I Part II, ABI Books Pvt., New Delhi, India, 1992 Κανονισµοί Πρότυπα: 18. ASTM Standards, Section 4: Construction, Volume 04.02: Concrete and Aggregates 19. Κανονισµός Τεχνολογίας Σκυροδέµατος ΚΤΣ-97 (ΦΕΚ 315/Β/17-4-97) 20. ΕΛΟΤ EN 12620: Αδρανή σκυροδέµατος 21. ΕΛΟΤ ΕΝ 13043: Αδρανή ασφαλτοµιγµάτων 22. ΕΛΟΤ ΕΝ 13139: Αδρανή Κονιαµάτων 23. ΕΛΟΤ ΕΝ 13383-1: Αδρανή για Ογκόλιθους για λιµενικά και υδραυλικά έργα 24. ΕΛΟΤ ΕΝ 13450: Αδρανή για έρµα σιδηροδροµικής γραµµής 25. ΕΛΟΤ ΕΝ 13242: Αδρανή για βάσεις και υποβάσεις σταθεροποιηµένες ή µη 26. ΕΛΟΤ ΕΝ 13055: Ελαφροβαρή Αδρανή - 8 -