Αθανάσιος Χ. Τριανταφύλλου
Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών
Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών
Εργαστήριο Μηχανικής & Τεχνολογίας Υλικών
[ www.sml.civil.upatras.gr ]
ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ
ΠΑΤΡΑ 2005
7η Έκδοση
ISBN 960-92177-1-0
ΑΘ. Χ. ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ
Απαγορεύεται η ολική η εν μέρει αντιγραφή ή κατά οποιονδήποτε τρόπο αναπαραγωγή
(εκτύπωση, φωτοτύπιση, φωτογράφηση, φιλμογράφηση, σάρωση κ.λ.π.) κειμένων, πινάκων, σχεδίων και διαγραμμάτων του βιβλίου αυτού, χωρίς γραπτή άδεια του συγγραφέα.
Στην Αθηνά, τη Χριστίνα και τη Νικολέττα
Πρόλογος
Η συμπεριφορά των υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή δομικών έργων,
αποτελεί έναν από τους ιδιαιτέρως καθοριστικούς παράγοντες για τη συμπεριφορά των έργων αυτών, γι' αυτό και η κατανόηση της αποτελεί επιτακτική ανάγκη. Την ανάγκη αυτή έρ χεται να καλύψει, σε κάποιο βαθμό, το παρόν σύγγραμμα, το οποίο γράφτηκε ώστε να
αποτελεί το βασικό βοήθημα των δευτεροετών φοιτητών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών στα πλαίσια του μαθήματος "Δομικά Υλικά". Θεωρούμενο
όμως γενικό βοήθημα αναφοράς, το βιβλίο έχει ως αποδέκτες, εκτός από τους εν λόγω
φοιτητές, φοιτητές και άλλων τμημάτων, και άλλων ΑΕΙ, σπουδαστές ΤΕΙ, μηχανικούς της
πράξης και γενικά κάθε εμπλεκόμενο στην παραγωγική διαδικασία των δομικών έργων.
Κύριος στόχος του βιβλίου είναι η παρουσίαση της βασικής συμπεριφοράς των σημαντικότερων δομικών υλικών (σκυρόδεμα, χάλυβας, τοιχοποιία, ξύλο, κονιάματα, κεραμικά και
πολυμερή) με πρωτεύοντα άξονα το "γιατί" και δευτερεύοντα το "πώς". Έτσι πιστεύουμε
ότι ο αναγνώστης θα μπορέσει να γίνει κύριος του αντικειμένου, αποκτώντας τη σχετική
γνώση κατά τρόπο τεκμηριωμένο.
Αθ. Χ. Τριανταφύλλου
Πάτρα, Μάϊος 2005
Περιεχόμενα
1. Εισαγωγή........................................................................................................................15
1.1. Γενικά........................................................................................................................15
1.2. Οργάνωση του Βιβλίου.............................................................................................16
1.3. Βιβλιογραφία.............................................................................................................16
2. Δομή των Υλικών...........................................................................................................17
2.1. Εισαγωγή..................................................................................................................17
2.2. Ατομικοί Δεσμοί........................................................................................................17
2.2.1. Ιοντικός Δεσμός..............................................................................................17
2.2.2. Ομοιοπολικός Δεσμός.....................................................................................17
2.2.3. Μεταλλικός Δεσμός.........................................................................................18
2.2.4. Δεσμοί van der Waals και Υδρογόνου............................................................18
2.3. Δυνάμεις μεταξύ Ατόμων, Ενέργεια Δεσμού............................................................19
2.4. Γεωμετρική Ταξινόμηση των Ατόμων.......................................................................21
2.4.1. Κρυσταλλικά Υλικά..........................................................................................21
2.4.2. Άμορφα Υλικά.................................................................................................22
2.5. Κρυσταλλικές Ατέλειες..............................................................................................23
2.5.1. Σημειακές Ατέλειες..........................................................................................23
2.5.2. Γραμμικές Ατέλειες..........................................................................................23
2.5.3. Επιφανειακές και Χωρικές Ατέλειες................................................................25
2.6. Βιβλιογραφία.............................................................................................................25
3. Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες.................................................................................26
3.1. Γενικά........................................................................................................................26
3.2. Φυσικές Ιδιότητες......................................................................................................26
3.2.1. Πυκνότητα και Πορώδες.................................................................................26
3.2.2. Απορροφητικότητα, Διαπερατότητα, Υγροσκοπικότητα.................................26
3.2.3. Θερμική Διαστολή και Συστολή.......................................................................27
3.2.4. Θερμική Αγωγιμότητα.....................................................................................27
3.3. Μηχανικές Ιδιότητες..................................................................................................28
3.3.1. Ελαστικές Ιδιότητες.........................................................................................30
3.4. Αντοχή, Άλλες Μηχανικές Ιδιότητες..........................................................................30
3.4.1.1. Αντοχή σε Θλίψη, Εφελκυσμό και Διάτμηση.....................................31
3.4.1.2. Καμπτική Αντοχή ή Μέτρο Θραύσης ή Αντοχή σε Εφελκυσμό από
Κάμψη.............................................................................................................31
3.4.1.3. Αντοχή σε Πολυαξονική Φόρτιση......................................................31
3.4.1.4. Τα Φαινόμενα Ερπυσμού και Χαλάρωσης........................................32
3.4.1.5. Κόπωση.............................................................................................32
3.4.1.6. Αντοχή σε Κρούση.............................................................................33
3.4.1.7. Θερμική Αντοχή και Αντοχή σε Πυρκαϊά...........................................33
3.4.1.8. Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια................................................................34
3.4.1.9. Δυσθραυστότητα, Πλαστικότητα και Πλαστιμότητα...........................35
3.4.1.10. Απόσβεση........................................................................................35
3.5. Βιβλιογραφία.............................................................................................................36
4. Φυσικοί Λίθοι..................................................................................................................38
4.1. Προέλευση Φυσικών Λίθων, Πετρώματα.................................................................38
4.2. Φυσικοί Λίθοι............................................................................................................39
4.3. Βιβλιογραφία.............................................................................................................41
5. Κονίες και Κονιάματα....................................................................................................42
5.1. Κονίες, Γενικά............................................................................................................42
5.2. Αερικές Κονίες...........................................................................................................42
5.2.1. Άργιλος, Πηλός...............................................................................................42
5.2.2. Άσβεστος........................................................................................................43
5.2.3. Μαγνησιακή Άσβεστος, Δολομmκή Άσβεστος...............................................44
5.2.4. Μαγνησιακή Κονία..........................................................................................44
5.2.5. Γύψος..............................................................................................................44
5.3. Υδραυλικές Κονίες....................................................................................................45
5.3.1. Υδραυλική Ασβεστος......................................................................................45
5.3.2. Ρωμαϊκή Κονία................................................................................................45
5.3.3. Ποζολανικές Κονίες.........................................................................................46
5.3.4. Φυσικό Τσιμέντο.............................................................................................46
5.3.5. Τεχνητά Τσιμέντα............................................................................................46
5.4. Κονιάματα.................................................................................................................46
5.4.1. Γενικά, Ταξινόμηση, Ιδιότητες.........................................................................46
5.4.2. Μέθοδοι Μέτρησης Αντοχής...........................................................................48
5.5. Βιβλιογραφία.............................................................................................................49
6. Σκυρόδεμα......................................................................................................................50
6.1. Εισαγωγή..................................................................................................................50
6.2. Δομή του Σκυροδέματος...........................................................................................50
6.2.1. Αδρανή............................................................................................................51
6.2.2. Τσιμεντοπολτός..............................................................................................51
6.2.2.1. Τα Στερεά του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού................................52
6.2.2.2. Τα Κενά του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού...................................53
6.2.2.3. Το Νερό του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού...................................54
6.2.2.4. Σχέσεις Δομής-Ιδιοτήτων του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού........55
6.2.3. Μεταβατική Ζώνη του Σκυροδέματος.............................................................57
6.2.3.1. Δομή της Μεταβατικής Ζώνης...........................................................57
6.2.3.2. Αντοχή της Μεταβατικής Ζώνης........................................................58
6.2.3.3. Επιρροή της Μεταβατικής Ζώνης στις Ιδιότητες του Σκυροδέματος.58
6.3. Αντοχή.......................................................................................................................59
6.3.1. Σχέση Αντοχής-Πορώδους και Μορφές Αστοχίας στο Σκυρόδεμα................59
6.3.2. Παράγοντες που Επηρεάζουν την Αντοχή σε Θλίψη.....................................59
6.3.2.1. Χαρακτηριστικά και Αναλογίες Υλικών..............................................60
6.3.2.2. Συνθήκες Συντήρησης.......................................................................63
6.3.2.3. Μέθοδος Πειραματικού Ελέγχου Αντοχής.........................................65
6.3.3. Το Σκυρόδεμα υπό Φόρτιση...........................................................................66
6.3.3.1. Συμπεριφορά σε Μονοαξονική Θλίψη...............................................66
6.3.3.2. Συμπεριφορά σε Μονοαξονικό Εφελκυσμό.......................................69
6.3.3.3. Σχέση μεταξύ Θλιπτικής και Εφελκυστικής Αντοχής.........................71
6.3.3.4. Συμπεριφορά σε Πολυαξονική Φόρτιση............................................71
6.3.4. Χαρακτηριστική και Συμβατική Αντοχή...........................................................73
6.4. Παραμορφώσεις.......................................................................................................74
6.4.1. Ελαστικότητα...................................................................................................75
6.4.1.1. Παράγοντες που Επηρεάζουν το Μέτρο Ελαστικότητας...................75
6.4.2. Συστολή Ξήρανσης Ερπυσμός.......................................................................77
6.4.2.1. Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Συστολή Ξήρανσης και τον Ερπυσμό..................................................................................................................79
6.4.2.2. Υπολογισμός Χρόνιων Παραμορφώσεων.........................................82
6.4.3. Παραμορφώσεις λόγω Θερμοκρασιακών Μεταβολών...................................84
6.5. Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια........................................................................................85
6.5.1. Υδατοπερατότητα...........................................................................................85
6.5.2. Φυσικά Αίτια Μείωσης της Ανθεκτικότητας σε Διάρκεια.................................86
6.5.2.1. Ρηγμάτωση λόγω Κρυστάλλωσης Αλάτων στους Πόρους...............88
6.5.2.2. Δράση Παγετού.................................................................................88
6.5.2.3. Επίδραση Πυρκαϊάς..........................................................................91
6.5.3. Χημικές Διεργασίες.........................................................................................92
6.5.3.1. Υδρόλυση των Συστατικών του Τσιμεντοπολτού.............................93
6.5.3.2. Αντιδράσεις Ανταλλαγής Μάζας........................................................93
6.5.3.3. Σχηματισμός Προϊόντων που Προκαλούν Διόγκωση........................94
6.5.3.4. Επίδραση Θαλασσινού Νερού..........................................................98
6.5.4. Βιολογική Επίδραση.......................................................................................99
6.6. Τσιμέντο..................................................................................................................100
6.6.1. Το Τσιμέντο Portland....................................................................................100
6.6.1.1. Παρασκευή......................................................................................100
6.6.1.2. Χημική Σύνθεση...............................................................................101
6.6.1.3. Λεπτότητα........................................................................................102
6.6.2. Ενυδάτωση του Τσιμέντου Portland.............................................................103
6.6.2.1. Μηχανισμός Ενυδάτωσης...............................................................103
6.6.2.2. Θερμότητα Ενυδάτωσης..................................................................104
6.6.3. Μείωση Ρευστότητας, Πήξη και Σκλήρυνση.................................................105
6.6.4. Τύποι Τσιμέντου Portland.............................................................................106
6.6.5. Ειδικοί Τύποι Τσιμέντων...............................................................................109
6.6.5.1. Διογκούμενα Τσιμέντα.....................................................................109
6.6.5.2. Τσιμέντα Ταχείας Πήξης και Σκλήρυνσης.......................................109
6.6.5.3. Λευκά ή Έγχρωμα Τσιμέντα............................................................110
6.6.5.4. Αργιλικό Τσιμέντα............................................................................110
6.7. Αδρανή....................................................................................................................110
6.7.1. Προέλευση Φυσικών Αδρανών Κανονικού Βάρους.....................................111
6.7.2. Ειδικοί Τύποι Αδρανών.................................................................................111
6.7.2.1. Ελαφρά Αδρανή...............................................................................111
6.7.2.2. Βαριά Αδρανή..................................................................................112
6.7.2.3. Αδρανή Σκωρίας Υψικαμίνων..........................................................112
6.7.2.4. Αδρανή Ιπτάμενης Τέφρας..............................................................112
6.7.2.5. Αδρανή από Ανακύκλωση...............................................................113
6.7.3. Χαρακτηριστικά των Αδρανών......................................................................113
6.7.3.1. Πραγματική και Φαινόμενη Πυκνότητα............................................113
6.7.3.2. Υγρασία και Ικανότητα Απορρόφησης............................................114
6.7.3.3. Καθαρότητα.....................................................................................114
6.7.3.4. Μηχανικές Ιδιότητες.........................................................................115
6.7.3.5. Σχήμα, Επιφανειακή Υφή................................................................116
6.7.3.6. Κοκκομετρική Διαβάθμιση, Μέγιστος Κόκκος..................................116
6.7.4. Αποθήκευση, Δειγματοληψία και Έλεγχοι των Αδρανών.............................122
6.8. Πρόσμικτα και Πρόσθετα........................................................................................123
6.8.1. Χημικά Πρόσμικτα Επιφανειακής Δράσης....................................................123
6.8.1.1. Αερακτικά.........................................................................................124
6.8.1.2. Ρευστοποιητικά................................................................................124
6.8.1.3. Υπερρευστοποιητικά.......................................................................125
6.8.2. Χημικά Πρόσμικτα Ελέγχου της Πήξης.........................................................125
6.8.2.1. Επιταχυντικά της Πήξης..................................................................126
6.8.2.2. Επιβραδυντικά της Πήξης................................................................127
6.8.3. Ορυκτά Πρόσθετα.........................................................................................127
6.8.3.1. Φυσικά Υλικά...................................................................................128
6.8.3.2. Παραπροϊόντα.................................................................................128
6.8.3.3. Πλεονεκτήματα Ορυκτών Πρόσθετων.............................................129
6.8.4. Στεγανοποιητικά Πρόσμικτα.........................................................................130
6.8.5. Συμπεράσματα..............................................................................................130
6.9. Το Σκυρόδεμα σε Νεαρή Ηλικία..............................................................................131
6.9.1. Ανάμιξη και Μεταφορά..................................................................................131
6.9.2. Εργασιμότητα................................................................................................132
6.9.2.1. Μέτρηση της Εργασιμότητας...........................................................132
6.9.2.2. Παράγοντες που Επηρεάζουν την Εργασιμότητα...........................136
6.9.3. Διάστρωση, Συμπύκνωση, Τελείωμα...........................................................136
6.9.4. Εκτοξευόμενο Σκυρόδεμα.............................................................................140
6.9.5. Συντήρηση, Αφαίρεση Ξυλοτύπων...............................................................141
6.9.6. Απόμιξη, Εξίδρωση.......................................................................................142
6.9.7. Αρχικές Μεταβολές Όγκου............................................................................143
6.9.8. Χρόνος Πήξης...............................................................................................144
6.9.9. Ακραίες θερμοκρασίες..................................................................................145
6.9.9.1. Σκυροδέτηση σε Χαμηλές Θερμοκρασίες........................................146
6.9.9.2. Σκυροδέτηση σε Υψηλές Θερμοκρασίες.........................................147
6.9.10. Ρηγμάτωση.................................................................................................147
6.9.11. Ανακεφαλαίωση..........................................................................................149
6.10. Ταξινόμηση, Απαιτήσεις, Προδιαγραφές και Συμμόρφωση.................................149
6.10.1. Ταξινόμηση.................................................................................................149
6.10.2. Απαιτήσεις..................................................................................................151
6.10.3. Προδιαγραφές.............................................................................................154
6.10.4. Έλεγχος και Κριτήρια Συμμόρφωσης βάσει του Κανονισμού Τεχνολογίας
Σκυροδέματος (1997)..............................................................................................154
6.10.4.1. Κριτήρια Συμμόρφωσης................................................................154
6.10.4.2. Απαιτούμενη Αντοχή.....................................................................159
6.10.4.3. Επανέλεγχος Σκληρυμένου Σκυροδέματος...................................160
6.10.4.4. Έλεγχος Κατηγορίας Κάθισης.......................................................162
6.10.5. Έλεγχος και Κριτήρια Συμμόρφωσης βάσει του ΕΝ 206-1........................162
6.10.5.1. Έλεγχος Συμμόρφωσης για Σχεδιαζόμενο Σκυρόδεμα.................162
6.10.5.2. Έλεγχος Συμμόρφωσης για Προδιαγραφόμενο Σκυρόδεμα.........164
6.11. Μελέτη Σύνθεσης Σκυροδέματος..........................................................................164
6.11.1. Γενικά..........................................................................................................164
6.11.2. Διαδικασία Μελέτης Σύνθεσης....................................................................165
6.11.2.1. Αριθμητικό Παράδειγμα Μελέτης Σύνθεσης Σκυροδέματος..........170
6.12. Μέθοδοι Μη-καταστροφικού Ελέγχου (Έμμεσες Μέθοδοι)..................................171
6.12.1. Το Κρουσίμετρο Αναπήδησης Schmidt......................................................171
6.12.2. Δοκιμή Ταχύτητας Υπερήχων.....................................................................173
6.12.3. Εξόλκευση Ηλου.........................................................................................174
6.12.4. Δοκιμή Διείσδυσης......................................................................................175
6.12.5. Άλλες Μέθοδοι, Συνδυασμοί Μεθόδων......................................................176
6.13. Προηγμένα και Νέα Σκυροδέματα........................................................................177
6.13.1. Ελαφροσκυροδέματα..................................................................................177
6.13.1.1. Σκυρόδεμα με Ελαφρά Αδρανή.....................................................177
6.13.1.2. Κυψελωτό Σκυρόδεμα...................................................................181
6.13.1.3. Σκυρόδεμα Χωρίς Λεπτόκοκκα.....................................................182
6.13.2. Σκυρόδεμα Υψηλής Αντοχής......................................................................183
6.13.2.1. Υλικά, Αναλογίες Σύνθεσης...........................................................184
6.13.2.2. Ιδιότητες.........................................................................................184
6.13.3. Σκυρόδεμα Υψηλής Εργασιμότητας...........................................................185
6.13.4. Ινοπλισμένο Σκυρόδεμα.............................................................................186
6.13.4.1. Υλικά, Αναλογίες Σύνθεσης...........................................................187
6.13.4.2. Ιδιότητες.........................................................................................190
6.13.4.3. Εφαρμογές.....................................................................................191
6.13.5. Σκυρόδεμα με Πολυμερή............................................................................191
6.13.5.1. Πολυμερικό Σκυρόδεμα.................................................................192
6.13.5.2. Σκυρόδεμα που Περιέχει Πολυμερή..............................................192
6.13.5.3. Σκυρόδεμα Εμποτισμένο με Πολυμερή.........................................193
6.13.6. Διογκούμενο Σκυρόδεμα.............................................................................194
6.13.7. Βαριά Σκυροδέματα....................................................................................194
6.13.8. Σκυρόδεμα για Ογκώδεις Κατασκευές........................................................195
6.14. Βιβλιογραφία.........................................................................................................196
7. Χάλυβας και άλλα μέταλλα.........................................................................................203
7.1. Εισαγωγή................................................................................................................203
7.2. Κύρια Χαρακτηριστικά και Ιδιότητες των Μετάλλων...............................................203
7.2.1.1. Βασικές Μηχανικές Ιδιότητες...........................................................204
7.3. Σίδηρος...................................................................................................................207
7.3.1. Μεταλλουργία Σιδήρου.................................................................................208
7.3.2. Χυτοσίδηρος - Ιδιότητες, Εφαρμογές............................................................209
7.4. Χάλυβας..................................................................................................................209
7.4.1. Παραγωγή Χάλυβα.......................................................................................210
7.4.1.1. Μέθοδοι Bessemer και Thomas......................................................210
7.4.1.2. Βασική Κάμινος Οξυγόνου..............................................................211
7.4.1.3. Κάμινος Ανοικτής Εστίας.................................................................211
7.4.1.4. Ηλεκτρική Κάμινος...........................................................................212
7.4.2. Δομή και Σύνθεση του Χάλυβα.....................................................................212
7.4.3. Κατεργασία...................................................................................................213
7.4.3.1. Μηχανική Κατεργασία......................................................................213
7.4.3.2. Θερμική Κατεργασία........................................................................216
7.4.4. Δομικός Χάλυβας..........................................................................................217
7.4.4.1. Κατηγορίες.......................................................................................217
7.4.4.2. Μηχανική Συμπεριφορά σε Συνηθισμένες Θερμοκρασίες..............218
7.4.4.3. Συμπεριφορά σε Ακραίες Θερμοκρασίες........................................221
7.4.4.4. Επίδραση της Κατεργασίας.............................................................222
7.4.4.5. Στρωματική Απόσχιση.....................................................................225
7.4.5. Χάλυβας Οπλισμού Σκυροδέματος..............................................................226
7.4.5.1. Τύποι Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος......................................226
7.4.5.2. Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά, Σήμανση............................................228
7.4.5.3. Μηχανικές και Άλλες Ιδιότητες.........................................................231
7.4.5.4. Απαιτήσεις και Δοκιμές....................................................................234
7.4.5.5. Χαρακτηριστικά Χαλύβων της Αγοράς............................................237
7.4.5.6. Αποθήκευση, Μεταφορά και Διαμόρφωση Χάλυβα Οπλισμού.......237
7.4.6. Χάλυβας Προέντασης...................................................................................238
7.4.6.1. Τύποι Χαλύβων Προέντασης..........................................................238
7.4.6.2. Μηχανικές και Άλλες Ιδιότητες.........................................................239
7.5. Άλλα Μέταλλα.........................................................................................................241
7.5.1. Αλουμίνιο......................................................................................................241
7.5.2. Μόλυβδος.....................................................................................................243
7.5.3. Χαλκός..........................................................................................................244
7.5.4. Ψευδάργυρος................................................................................................244
7.5.5. Κασσίτερος...................................................................................................244
7.5.6. Νικέλιο, Χρώμιο, Κάδμιο, Τιτάνιο..................................................................244
7.6. Διάβρωση των Μετάλλων και Προστασία..............................................................245
7.6.1. Είδη Διάβρωσης Μετάλλων..........................................................................245
7.6.1.1. Χημική Διάβρωση............................................................................245
7.6.1.2. Ηλεκτρολυτική Διάβρωση................................................................245
7.6.1.3. Γαλβανική Διάβρωση.......................................................................246
7.6.1.4. Διάβρωση υπό Τάση.......................................................................246
7.6.1.5. Διάβρωση Ορισμένων Μετάλλων....................................................246
7.6.2. Αντιδιαβρωτική Προστασία...........................................................................246
7.6.2.1. Αντιδιαβρωτικοί Χάλυβες.................................................................246
7.6.2.2. Επιμετάλλωση.................................................................................248
7.6.2.3. Επικάλυψη.......................................................................................248
7.6.2.4. Επίχριση..........................................................................................249
7.6.2.5. Καθοδική Προστασία.......................................................................249
7.7. Βιβλιογραφία...........................................................................................................249
8. Ξύλο...............................................................................................................................252
8.1. Γενικά......................................................................................................................252
8.2. Προέλευση, Κατεργασία, Αποθήκευση...................................................................252
8.2.1. Υλοτομία, Προκατεργασία και Συγκομιδή.....................................................252
8.2.2. Κατεργασία...................................................................................................253
8.2.2.1. Έκπλυση..........................................................................................253
8.2.2.2. Ξήρανση..........................................................................................254
8.2.2.3. Πρίση...............................................................................................259
8.2.3. Αποθήκευση..................................................................................................259
8.3. Δομή, Σύσταση και Ελαττώματα.............................................................................260
8.3.1. Δομή και Σύσταση.........................................................................................260
8.3.1.1. Μακροσκοπική Δομή.......................................................................260
8.3.1.2. Μικροσκοπική Δομή........................................................................261
8.3.1.3. Σύσταση...........................................................................................262
8.3.2. Ελαττώματα του Ξύλου.................................................................................263
8.4. Βασικές Ιδιότητες....................................................................................................264
8.4.1. Φυσικές Ιδιότητες..........................................................................................264
8.4.2. Μηχανικές Ιδιότητες......................................................................................267
8.4.2.1. Βραχυχρόνια Μονοαξονική Φόρτιση...............................................267
8.4.2.2. Κάμψη, Διάτμηση............................................................................271
8.4.2.3. Ερπυσμός........................................................................................272
8.4.2.4. Επαναλαμβανόμενη Φόρτιση..........................................................273
8.4.2.5. Ταχύτητα Φόρτισης, Κρούση, Σκληρότητα......................................274
8.4.3. Προσδιορισμός Ιδιοτήτων του ξύλου στα Πλαίσια του Ευρωκώδικα 5........275
8.5. Επιρροή του Περιβάλλοντος, Μέτρα Προστασίας και Συντήρησης........................276
8.5.1. Υγρασία.........................................................................................................277
8.5.2. Θερμότητα.....................................................................................................279
8.5.3. Ηλιακή Ακτινοβολία, Χημικοί Παράγοντες....................................................280
8.5.4. Βιολογικοί Παράγοντες.................................................................................281
8.5.4.1. Μύκητες...........................................................................................281
8.5.4.2. Έντομα.............................................................................................281
8.5.4.3. Προστασία και Συντήρηση...............................................................282
8.6. Προηγμένες Τεχνολογίες του Ξύλου.......................................................................282
8.6.1.1. Άτμιση..............................................................................................282
8.6.1.2. Υψίσυχνα Ρεύματα..........................................................................283
8.6.1.3. Συγκόλληση.....................................................................................284
8.6.1.4. Πλαστικοποίηση..............................................................................284
8.6.1.5. Εμποτισμός με Πολυμερή...............................................................284
8.7. Χρήσεις και Μορφές Δομικής Ξυλείας....................................................................285
8.8. Βιβλιογραφία...........................................................................................................288
9. Κεραμικά.......................................................................................................................290
9.1. Εισαγωγή................................................................................................................290
9.2. Παρασκευή Κεραμικών...........................................................................................290
9.3. Ιδιότητες Λιθοσωμάτων..........................................................................................291
9.3.1. Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά και Τύποι Λιθοσωμάτων..................................291
9.3.2. Βασικές Μηχανικές Ιδιότητες........................................................................292
9.3.2.1. Θλιπτική Αντοχή..............................................................................292
9.3.2.2. Σχέση Τάσης-Παραμόρφωσης και Μέτρο Ελαστικότητας...............293
9.3.3. Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες.......................................................................294
9.3.3.1. Βάρος, Πυκνότητα, Όγκος, Επιφάνεια............................................294
9.3.3.2. Υγρασία, Υδαταπορροφητικότητα...................................................295
9.4. Οπτόπλινθοι............................................................................................................295
9.4.1. Γενικά, Μορφή, Ιδιότητες..............................................................................295
9.4.2. Ποιοτικός Έλεγχος........................................................................................298
9.4.3. Πυρίμαχες Πλίνθοι........................................................................................299
9.5. Άλλοι Τύποι Πλίνθων..............................................................................................299
9.5.1. Πλίνθοι από Σκυρόδεμα................................................................................299
9.5.2. Ασβεστοπυριτικές Πλίνθοι............................................................................301
9.6. Κεραμίδια, Πλάκες Επίστρωσης.............................................................................301
9.7. Βιβλιογραφία...........................................................................................................303
10. Τοιχοποιία..................................................................................................................304
10.1. Γενικά....................................................................................................................304
10.2. Αξονική Θλίψη......................................................................................................304
10.2.1. Τυποποιημένες Δοκιμές και Μηχανισμός Αστοχίας...................................304
10.2.2. Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Θλιπτική Αντοχή....................................305
10.2.2.1. Τύπος και Ύφος Λιθοσωμάτων.....................................................305
10.2.2.2. Αντοχή Κονιάματος και Λιθοσωμάτων..........................................306
10.2.2.3. Πάχος Αρμών................................................................................306
10.2.3. Θλιπτική Αντοχή Τοιχοποιίας Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 6.................307
10.2.3.1. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Γενικής Εφαρμογής και
Πλήρεις Αρμούς............................................................................................307
10.2.3.2. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Λεπτής Στρώσης (1-3 mm)
και Πλήρεις Αρμούς......................................................................................309
10.2.3.3. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Ελαφροκονίαμα και Πλήρεις Αρμούς..............................................................................................................309
10.2.4. Παραμορφωσιακά Χαρακτηριστικά Τοιχοδομών........................................310
10.3. Εφελκυσμός από Κάμψη εκτός Επιπέδου...........................................................312
10.3.1. Μορφές Αστοχίας, Πειραματικός Προσδιορισμός.......................................312
10.3.2. Συνάφεια Μεταξύ Λιθοσωμάτων και Κονιάματος.......................................314
10.3.2.1. Τύπος Κονιάματος και Λιθοσωμάτων...........................................314
10.3.2.2. Αρχικός Ρυθμός Απορρόφησης, Περιεχόμενη Υγρασία, Θερμοκρασία Λιθοσωμάτων.........................................................................................314
10.3.2.3. Αντοχή Κονιάματος, Ρευστότητα, Συγκράτηση Νερού..................315
10.3.2.4. Ποιότητα Κτισίματος, Επιφανειακή Κατάσταση Λιθοσωμάτων.....315
10.3.2.5. Συντήρηση.....................................................................................315
10.3.3. Λόγος Εφελκυστικών Αντοχών...................................................................315
10.3.4. Διαξονική Κάμψη........................................................................................316
10.4. Διάτμηση εντός Επιπέδου....................................................................................316
10.5. Εφελκυσμός εντός Επιπέδου...............................................................................319
10.6. Συνδυασμοί Δράσεων...........................................................................................321
10.7. Περιβαλλοντικές Επιδράσεις................................................................................322
10.7.1. Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια..........................................................................322
10.7.2. Θερμομόνωση............................................................................................322
10.7.3. Αντοχή σε Πυρκαϊά.....................................................................................323
10.8. Βιβλιογραφία.........................................................................................................323
11. Πολυμερή....................................................................................................................326
11.1. Εισαγωγή.............................................................................................................326
11.2. Παρασκευή και Ταξινόμηση των Πολυμερών......................................................326
11.3. Μορφοποίηση των Πολυμερών............................................................................327
11.4. Βασικές Ιδιότητες των Πολυμερών.......................................................................328
11.5. Επίδραση του Περιβάλλοντος..............................................................................332
11.6. Εφαρμογές Άοπλων Πολυμερών.........................................................................333
11.7. Ινοπλισμένα Πολυμερή.........................................................................................334
11.7.1. Ίνες..............................................................................................................335
11.7.1.1. Ίνες Γυαλιού...................................................................................335
11.7.1.2. Ίνες Άνθρακα.................................................................................335
11.7.1.3. Ίνες Αραμιδίου...............................................................................335
11.7.2. Μέθοδοι Παρασκευής Ινοπλισμένων Πολυμερών......................................336
11.7.2.1. Μέθοδοι Ανοικτού Καλουπιού.......................................................336
11.7.2.2. Μέθοδοι Κλειστού Καλουπιού.......................................................337
11.7.3. Διαθέσιμες Μορφές Ινοπλισμένων Πολυμερών.........................................339
11.7.4. Ιδιότητες και Συμπεριφορά των Ινοπλισμένων Πολυμερών.......................339
11.7.4.1. Μηχανική Συμπεριφορά................................................................339
11.7.4.2. Περιβαλλοντικές Επιδράσεις.........................................................340
11.7.4.3. Στοιχεία Κόστους και Αξιολόγηση των Ινοπλισμένων Πολυμερών
......................................................................................................................340
11.7.5. Εφαρμογές..................................................................................................341
11.8. Κυψελωτά Πολυμερή............................................................................................342
11.8.1. Μηχανική Συμπεριφορά..............................................................................343
11.8.2. Θερμική Συμπεριφορά................................................................................345
11.9. Βιβλιογραφία.........................................................................................................351
1. Εισαγωγή
1.1. Γενικά
Δομικά υλικά ονομάζονται τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τεχνικών έργων. Χωρίζονται σε φυσικά και τεχνικά, ανάλογα με το αν είναι απ' ευθείας διαθέσιμα στη φύση (π.χ. λίθοι, ξύλο, πηλός κ.τ.λ.) ή αν παράγονται με τεχνικά μέσα (π.χ. σκυρόδεμα, χάλυβας, πολυμερή, γυαλί κ.τ.λ.). Όπως φαίνεται στο Σχ. 1.1, τα τεχνικά υλικά
χωρίζονται, ανάλογα με τις βασικές τους χαρακτηριστικές ιδιότητες, σε κεραμικά (π.χ. σκυρόδεμα, πλίνθοι), μέταλλα (π.χ. χάλυβας, αλουμίνιο, χαλκός) και πολυμερή (π.χ. πολυστυρένιο, πολυουρεθάνη, εποξειδικές ρητίνες), ενώ ως τέταρτη ομάδα μπορεί να διακρίνει κανείς τα σύνθετα υλικά, που αποτελούνται από συνδυασμούς των παραπάνω (Ashby and
Jones 1980).
Σχ. 1.1: Οι βασικές κατηγορίες των τεχνικών δομικών υλικών.
Η επιλογή των κατάλληλων υλικών για κάθε κατασκευή απαιτεί μία σειρά από
γνώσεις των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των υλικών, αλλά και γνώσεις σχετικές με το
περιβάλλον. Ειδικότερα, πρέπει να ληφθούν υπ' όψη οι εξωτερικοί παράγοντες που επιδρούν στην κατασκευή, ο τρόπος που συμπεριφέρονται τα δομικά υλικά στις εξωτερικές
επιδράσεις και, τέλος, οικονομικοί παράγοντες, δηλαδή το κόστος προμήθειας
και μεταφοράς των υλικών στον τόπο του έργου, το κόστος συντήρησης, η ύπαρξη
αποθεμάτων, οι ενεργειακές απαιτήσεις παρασκευής των υλικών κ.τ.λ.
Οι κύριοι παράγοντες που επιδρούν στα δομικά έργα και οι οποίοι πρέπει να ληφθούν υπ' όψη από το μηχανικό στην επιλογή και σχεδιασμό των δομικών υλικών χωρίζονται στις εξής κατηγορίες (Λεγάκις 1992): (α) Φυσικοί και μηχανικοί, στους οποίους ανήκουν μεταξύ άλλων η θερμότητα, το ψύχος και οι μεταβολές της θερμοκρασίας, η ηλιακή
ακτινοβολία, το νερό, ο άνεμος, και τα διάφορα μόνιμα και μεταβλητά φορτία, (β) Χημικοί,
στους οποίους ανήκουν τα οξέα της ατμόσφαιρας, τα διαλυμένα στο νερό άλατα και οι τυχόν χημικές ουσίες που βρίσκονται σε επαφή με τις κατασκευές (π.χ. χημικά απόβλητα
στις εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού), (γ) Οργανικοί, στους οποίους ανήκουν τα βακτήρια, οι μύκητες, τα έντομα, τα φυτά κ.τ.λ.
Σήμερα διακρίνει κανείς στην Ελληνική και διεθνή αγορά μία πληθώρα δομικών υλικών (εντυπωσιακή μάλιστα είναι η ύπαρξη ακόμη και εγκυκλοπαιδειών ειδικά για δομικά
υλικά, π.χ. Moavenzadeh 1990), ενώ οι ρυθμοί ανακάλυψης και παραγωγής νέων προϊόντων είναι εκρηκτικοί. Έτσι, εκτός από τη "θαυματουργή" κονία με τις εξαιρετικές συνδετικές ιδιότητες που λέγεται τσιμέντο και που σε συνδυασμό με λίθους (αδρανή) άνοιξε το
δρόμο στα σκυροδέματα (που αργότερα συνδυάστηκαν με χαλύβδινες ράβδους για να
οδηγήσουν στο οπλισμένο σκυρόδεμα, το υλικό που σήμερα καλύπτει το μεγαλύτερο μερίδιο της Ελληνικής αλλά και της παγκόσμιας αγοράς), το δομικό χάλυβα και τα πατροπα ράδοτα ξύλο και πλίνθους, ο μηχανικός έχει σήμερα στη διάθεσή του μία τεράστια ποικιλία
υλικών. Σε αυτήν προστίθενται καθημερινά νέα υλικά, όπως τα σκυροδέματα ειδικών απαιτήσεων (π.χ. ινοπλισμένα, υψηλής επιτελεστικότητας, ελαφροσκυροδέματα), οι χάλυβες
υψηλής αντοχής, προηγμένες μορφές ξύλου (όπως είναι το συγκολλητό και το οπλισμένο
ξύλο), προηγμένα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες, υλικά τύπου "σάντουιτς", υλικά ξηρής
δόμησης (π.χ. με βάση τη γύψο) κ.τ.λ.
1.2. Οργάνωση του Βιβλίου
Η εξαντλητική περιγραφή της τεράστιας ποικιλίας των δομικών υλικών είναι εξαιρετικά δύσκολη αλλά και άστοχη, γιατί αφενός η βάση δεδομένων για τα δομικά υλικά διευρύ νεται καθημερινά, αφετέρου διακινδυνεύεται "να χαθεί το δάσος για χάρη του δένδρου".
Στην αρχή του βιβλίου (μετά το εισαγωγικό κεφάλαιο) προτάσσονται δύο κεφάλαια που
πραγματεύονται συνοπτικά τη δομή των υλικών (γενικά) και βασικές φυσικές και μηχανικές
ιδιότητες που έχουν ως ένα βαθμό γενική εφαρμογή για την περιγραφή και αξιολόγηση
των περισσότερων δομικών υλικών. Το υπόλοιπο βιβλίο είναι χωρισμένο σε κεφάλαια, καθένα από τα οποία είναι αφιερωμένο σε μία βασική κατηγορία δομικών υλικών με την εξής
σειρά: φυσικοί λίθοι, κονίες και κονιάματα, σκυρόδεμα, χάλυβας και άλλα μέταλλα, ξύλο,
κεραμικά, τοιχοποιίες και πολυμερή. Το κεφάλαιο περί σκυροδέματος δικαίως καταλαμβάνει σημαντικό όγκο του βιβλίου, μιας και το υλικό αυτό θεωρείται ως το κατ' εξοχήν υλικό
δόμησης τόσο για τη χώρα μας όσο και σε διεθνές επίπεδο.
1.3. Βιβλιογραφία
Ashby, Μ. F and Jones, D. R. Η. (1980). Engineering Materials 1: An Introduction to their
Properties and Applications, Pergamon Press, Oxford.
Λεγάκις, A. A. (1992). Δομικά Υλικά, τόμ. 1, Ίδρυμα Ευγενίδου, Βιβλιοθήκη του Τεχνικού,
Αθήνα.
Moavenzadeh, F., editor (1990). Concise Encyclopedia of Building and Construction
Materials, The MIT Press, Cambridge, MA - Pergamon Press, Oxford.
2. Δομή των Υλικών
2.1. Εισαγωγή
Για να εξηγηθούν και να κατανοηθούν βασικές μακροσκοπικές ιδιότητες των υλικών
είναι απαραίτητο να εξεταστεί η δομή τους, δηλαδή οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων κάθε υλικού (οι δυνάμεις που συγκρατούν τα άτομα), η γεωμετρική ταξινόμηση των ατόμων (ο
τρόπος τοποθέτησης τους) και οι ατέλειες που εμφανίζονται στη γεωμετρική ταξινόμηση
των ατόμων.
2.2. Ατομικοί Δεσμοί
Τα άτομα που αποτελούν ένα υλικό συνδέονται μεταξύ τους με πρωτεύοντες (ισχυρούς) ή δευτερεύοντες (σχετικά ασθενείς) δεσμούς ή και με συνδυασμούς αυτών. Στην
πρώτη κατηγορία ανήκουν ο ιοντικός, ο ομοιοπολικός και ο μεταλλικός δεσμός, ενώ στη
δεύτερη κατηγορία ανήκουν ο δεσμός van der Waals και ο δεσμός υδρογόνου (π.χ. Illston
et al. 1981).
2.2.1.
Ιοντικός Δεσμός
Στο δεσμό αυτό ηλεκτρικά θετικά άτομα αποδίδουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια σε
ηλεκτρικά αρνητικά άτομα δημιουργώντας έτσι ηλεκτρικά ιόντα. Οι δυνάμεις δεσμού προκύπτουν από την (ηλεκτροστατική) αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο ιόντων. Η σχηματική
απεικόνιση του ιοντικού δεσμού δίνεται στο Σχ. 2.1.
Σχ. 2.1: Σχηματική απεικόνιση του ιοντικού δεσμού.
2.2.2.
Ομοιοπολικός Δεσμός
Σχ. 2.2: Σχηματική απεικόνιση του ομοιοπολικού δεσμού.
Ο ομοιοπολικός δεσμός, ο οποίος κυριαρχεί στις ενώσεις του πυριτίου (π.χ. λίθοι,
πλίνθοι, γυαλί, ορισμένα συστατικά του τσιμέντου), οφείλεται στο ότι τα άτομα μοιράζονται
τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού τους φλοιού με άλλα άτομα. Έτσι, κάθε άτομο εμφανίζει στον
εξωτερικό του φλοιό έναν πλήρη αριθμό ηλεκτρονίων. Ο δεσμός παριστάνεται σχηματικά
στο Σχ. 2.11.
Επισημαίνεται ότι ο ιοντικός δεσμός παρουσιάζεται μεταξύ ισχυρά θετικών και αρνητικών φορτισμένων στοιχείων, ενώ ο ομοιοπολικός δεσμός παρουσιάζεται μεταξύ ατόμων
του ιδίου τύπου ή άλλων γειτονικών στοιχείων του περιοδικού συστήματος.
2.2.3.
Μεταλλικός Δεσμός
Ο μεταλλικός δεσμός συναντάται, όπως δηλώνει και το όνομά του, μόνο στα μέταλλα,
δηλαδή σε στοιχεία που έχουν λίγα σχετικά ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα τα
οποία απέχουν πολύ από τον πυρήνα. Λόγω του αδύνατου δεσμού με τον πυρήνα, τα
ηλεκτρόνια αυτά κινούνται ελεύθερα (νέφος ηλεκτρονίων) ανάμεσα στα μεταλλικά ιόντα
(Σχ. 2.3).
Σχ. 2.3: Σχηματική απεικόνιση του μεταλλικού δεσμού.
Η ευχέρεια της κίνησης των ηλεκτρονίων εξηγεί και τη σχετικά υψηλή θερμική (και
ηλεκτρική) αγωγιμότητα των μετάλλων. Επίσης, η απλότητα στη δομή των ενώσεων με μεταλλικούς δεσμούς είναι υπεύθυνη σε σημαντικό βαθμό για την πλάστιμη συμπεριφορά
των μετάλλων (δηλαδή την ικανότητά τους να αναπτύσουν μεγάλες παραμορφώσεις πριν
τη θραύση τους).
2.2.4.
Δεσμοί van der Waals και Υδρογόνου
Ο δεσμός van der Waals είναι σχετικά ασθενής δεσμός μεταξύ ευσταθών ατόμων με
πλήρη εξωτερική στοιβάδα και οφείλεται κυρίως στην εμφάνιση πολικότητας, δηλαδή στην
ιδιότητα στιγμιαίου προσανατολισμού του ηλεκτρικού φορτίου (Σχ. 2.5).
Ιδιαίτερα σημαντική είναι η αλληλεπίδραση δίπολων τα οποία αναπτύσσονται λόγω
της ύπαρξης ατόμων υδρογόνου. Οι αντίστοιχοι μοριακοί δεσμοί, που αναφέρονται ως δεσμοί υδρογόνου, είναι μία τάξη μεγέθους ισχυρότεροι από άλλους δεσμούς van der Waals,
αλλά και αρκετά ασθενέστεροι (10-20 φορές) από τους πρωτεύοντες δεσμούς. Στους δεσμούς υδρογόνου οφείλεται η ρευστή κατάσταση του νερού (Σχ. 2.5). Δεσμοί υδρογόνου
συναντώνται επίσης μεταξύ των μορίων των πολυμερών, τα άτομα των οποίων συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρούς ιοντικούς δεσμούς. Έτσι εξηγείται και το ότι πολλά πολυμερή
χαρακτηρίζονται από την ιδιότητα που επιτρέπει την κατεργασία τους με αύξηση της θερμοκρασίας, διότι η τελευταία μπορεί σχετικά εύκολα να προκαλέσει χαλάρωση των μικρών
ενδομοριακών δυνάμεων.
Σχ. 2.4: Ο δεσμός υδρογόνου, (α) Μόριο νερού και αντίστοιχο δίπολο,
(β) Δομή του νερού.
Σχ. 2.5: Σχηματική απεικόνιση δεσμού van der Waals.
2.3. Δυνάμεις μεταξύ Ατόμων, Ενέργεια Δεσμού
Κάθε ατομικός δεσμός χαρακτηρίζεται από ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις λόγω
αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων και των πυρήνων. Χάρη στις δυνάμεις αυτές τα υλικά
"αντιδρούν" στις παραμορφώσεις λόγω εξωτερικών φορτίων, θερμοκρασιακών μεταβολών
κ.τ.λ. Οι ενέργειες που αντιστοιχούν στις δυνάμεις αυτές χαρακτηρίζονται με τη σειρά τους
ως ελκτικές ή απωθητικές ενέργειες αλληλεπίδρασης και αυξάνονται ή μειώνονται, αντίστοιχα, με την αύξηση της απόστασης μεταξύ των ατόμων. Μάλιστα, όταν τα άτομα βρίσκονται σε θέση ισορροπίας, οπότε οι μεταξύ τους ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις εξουδετερώνονται, η συνολική ενέργεια αλληλεπίδρασης (που ισούται με το άθροισμα των επιμέρους ενεργειών) παίρνει την ελάχιστη τιμή της. Τα παραπάνω δίνονται σχηματικά στο
Σχ. 2.6.
Με βάση τη σχέση δύναμης δεσμού F και απόστασης μεταξύ δύο ατόμων r (Σχ.
2.6.γ), η δυσκαμψία S τou δεσμού υπολογίζεται ως εξής:
S=
dF d 2 U
= 2
dr
dr
Για μικρές μεταβολές του r από την τιμή r0, η δυσκαμψία S είναι σταθερή και ίση με
 
2
S 0=
d U
dr 2
r −r0
Με άλλα λόγια, ο δεσμός είναι ελαστικός. Αυτή η διαπίστωση αποτελεί και τη φυσική
εξήγηση του νόμου του Hooke, όπως περιγράφεται παρακάτω.
Σχ. 2.6: (α) Ατομικός δεσμός, (β) ενέργεια δεσμού, (γ) δύναμη δεσμού.
Σχ. 2.7: Υπολογισμός μέτρου ελαστικότητας βάσει της δυσκαμψίας ατομικών
δεσμών.
Ας φανταστούμε ότι τα άτομα εκατέρωθεν μίας διατομής με επιφάνεια Α ενός στερεού
σώματος συγκρατούνται μέσω ελαστικών δεσμών (ελατηρίων), όπως δείχνεται στο Σχ.
2.7. Για απλούστευση, θεωρούμε ότι τα άτομα καταλαμβάνουν τις κορυφές κύβων πλευράς r0. Η συνολική δύναμη που ασκείται ανά μονάδα επιφάνειας ορίζεται ως ορθή τάση σ,
και για την περίπτωση απομάκρυνσης των ατόμων κατά (r-r0) ισούται με
S= N S 0 r −r 0 
όπου Ν είναι ο αριθμός των δεσμών ανά μονάδα επιφάνειας, ίσος με Μ . Διαιρώντας
την επιμήκυνση (r-r0) με το αρχικό μήκος r0 υπολογίζουμε την ορθή παραμόρφωση ε, κι
έτσι καταλήγουμε στη σχέση
S=
S0
ε= Ε ε
r0
όπου Ε ορίζεται το μέτρο ελαστικότητας (χαρακτηριστική ιδιότητα του υλικού), ενώ η
τελευταία σχέση εκφράζει το νόμο του Hooke.
2.4. Γεωμετρική Ταξινόμηση των Ατόμων
Τα στερεά σώματα κατατάσσονται με βάση την ταξινόμηση των ατόμων σε κρυσταλλικά και άμορφα (π.χ. Κερμανίδης και Μαστρογιάννης 1980). Στα κρυσταλλικά υλικά
(όπως είναι π.χ. τα μέταλλα και πολλά φυσικά ορυκτά), οι δομικές μονάδες (άτομα, μόρια)
καταλαμβάνουν αυστηρά καθορισμένες θέσεις στο χώρο, σύμφωνα με ένα γεωμετρικό
υπόδειγμα που λέγεται κρυσταλλικό σύστημα. Όλα σχεδόν τα κρυσταλλικά σώματα εμφανίζονται με τη μορφή συσσωμάτων κρυστάλλων μεγέθους κλάσματος του χιλιοστού έως
μερικά εκατοστά και όχι ως ενιαίοι κρύσταλλοι. Στα άμορφα υλικά (π.χ. σημαντικό ποσοστό του τσιμεντοπολτού, ξύλο, οπτόπλινθοι, πολυμερή), οι δομικές μονάδες κατέχουν τυχαίες θέσεις στη μάζα του στερεού. Η ταξινόμηση των ατόμων στα υλικά αυτά είναι δυνατόν να παρουσιάσει τοπική κανονικότητα (κρυσταλλική δομή), η οποία όμως δεν επεκτείνεται σε όλο το σώμα.
2.4.1.
Κρυσταλλικά Υλικά
Για την περιγραφή των κρυσταλλικών υλικών είναι σκόπιμο να ξεκινήσει κανείς από
τον στοιχειώδη κρύσταλλο ή στοιχειώδες κύτταρο, με περιοδική επανάληψη του οποίου σε
ορισμένες διευθύνσεις μπορεί να προκύψει κάθε κρύσταλλος. Ο Bravais έδειξε το 1848 ότι
υπάρχουν 14 διαφορετικά στοιχειώδη κύτταρα, όπως δείχνεται στο Σχ. 2.8.
Η παράπλευρη επανάληψη, προς όλες τις διευθύνσεις, των στοιχειωδών κυττάρων,
έτσι ώστε γειτονικά κύτταρα να έχουν κοινές πλευρές, σχηματίζει τα κρυσταλλικά πλέγματα. Τα 14 στοιχειώδη κύτταρα κατατάσσονται στα παρακάτω 7 κρυσταλλογραφικά συστήματα (Σχ. 2.8): κυβικό, τετραγωνικό ρομβοεδρικό, εξαγωνικό, ορθορομβικό, μονοκλινές,
τρικλινές. Σημειώνεται ότι από τους 14 τύπους κρυστάλλων που απαντώνται στα υλικά, τα
μέταλλα κρυσταλλώνονται κατά κανόνα σύμφωνα με το κυβικό χωροκεντρωμένο, το κυβικό ενδοκεντρωμένο και το εξαγωνικό σύστημα.
Ευθείες και επίπεδα που διέρχονται από το κέντρο ενός μεγάλου αριθμού ατόμων
του κρυσταλλικού πλέγματος ονομάζονται κρυσταλλικοί άξονες και κρυσταλλικά επίπεδα,
αντίστοιχα. Τα στοιχεία αυτά έχουν άμεση σχέση με την εμφάνιση διαφορετικών τιμών ορισμένων μηχανικών ιδιοτήτων (π.χ. μέτρο ελαστικότητας, αντοχή) σε μερικά υλικά, ανάλογα
με τη διεύθυνση μέτρησης της ιδιότητας.
Σχ. 2.8: Στοιχειώδη κύτταρα: Ρ = απλό, F = εδροκεντρωμένο, Β = χωροκεντρωμένο, C = μερικά εδροκεντρωμένο, R = απλό ρομβοεδρικό (Moffatt et
al. 1964).
2.4.2.
Άμορφα Υλικά
Ενώ θα αναμενόταν τα περισσότερα υλικά να εμφανίζονται σε κρυσταλλική δομή,
αφού αυτή παρουσιάζει τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, αρκετά υλικά αποτελούνται
από άτομα και μόρια ταξινομημένα μέσα στην ύλη κατά μάλλον τυχαίο τρόπο. Τυπικά παραδείγματα της δομής άμορφων υλικών, όπως τα πολυμερή και το γυαλί, δίνονται στο Σχ.
2.9 (Ashby and Jones 1980).
Σχ. 2.9: Σχηματική παράσταση της δομής αμόρφων υλικών: (αρ.) Γυαλί,
(δε.) Πολυμερές (π.χ.εποξειδική ρητίνη), όπου οι μακρομοριακές αλυσίδες ενώνονται ανά διαστήματα με ομοιοπολικούς δεσμούς.
Χαρακτηριστικό της δομής πολλών αμόρφων υλικών (π.χ. πολυμερή) είναι η ύπαρξη
μακρομοριακών αλυσίδων, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους ανά διαστήματα με ισχυρούς
ομοιοπολικούς δεσμούς (Σχ. 2.10) και είναι υπεύθυνες για πολλές από τις μηχανικές
ιδιότητες των υλικών αυτών.
Σχ. 2.10: Μακρομοριακές αλυσίδες και ενδιάμεσοι ομοιοπολικοί δεσμοί στα
πολυμερή.
2.5. Κρυσταλλικές Ατέλειες
Η δομή των πραγματικών κρυσταλλικών υλικών παρουσιάζει διάφορες ατέλειες, οι
οποίες επηρεάζουν σημαντικά τις ιδιότητες των υλικών. Για παράδειγμα, η θεωρητική
αντοχή ενός ιδανικού κρυστάλλου είναι κατά 103 περίπου φορές μεγαλύτερη από την
αντοχή του αντίστοιχου πραγματικού σώματος (π.χ. McClintock and Argon 1966). Ανάλογα με τις διαστάσεις και τη γεωμετρική τους μορφή, οι ατέλειες χαρακτηρίζονται σε σημειακές, γραμμικές, επιφανειακές και χωρικές.
2.5.1.
Σημειακές Ατέλειες
Οι ατέλειες αυτές έχουν τοπικό χαρακτήρα και περιορίζονται σε χώρο με διαστάσεις
της τάξης των ατόμων του κρυστάλλου. Παρουσιάζονται κυρίως όταν άτομα άλλης ύλης
καταλαμβάνουν ενδιάμεσες θέσεις στο πλέγμα του κρυστάλλου, όταν κανονικές θέσεις
ατόμων παραμένουν κενές και όταν άτομα της ύλης διαχέονται σε ενδιάμεσες θέσεις του
πλέγματος ή αντικαθίστανται από άλλα (μεγαλύτερα ή μικρότερα) άτομα (Σχ. 2.11).
Σχ. 2.11: Σημειακές ατέλειες σε κρυσταλλικό υλικό.
Οι σημειακές ατέλειες είναι σε σημαντικό βαθμό υπεύθυνες για τη μηχανική συμπεριφορά
ορισμένων μετάλλων, όπως είναι τα κράματα, τα οποία δημιουργούνται με την προσθήκη
διαφορετικών ατόμων στη δομή μετάλλων.
2.5.2.
Γραμμικές Ατέλειες
Όπως δηλώνει και το όνομα τους, οι γραμμικές ατέλειες, οι οποίες δημιουργούνται
κατά κανόνα στο στάδιο κρυστάλλωσης της ύλης, αναπτύσσονται μέσα στο κρυσταλλικό
πλέγμα κατά μήκος γραμμών. Ονομάζονται και καταναγκασμοί, και είναι υπεύθυνες για την
ικανότητα μερικών υλικών, όπως τα μέταλλα, να διαρρέουν λόγω διατμητικών τάσεων
(που όπως θα δούμε στο επόμενο κεφάλαιο, είναι οι εσωτερικές δυνάμεις ανά μονάδα επιφάνειας που ασκούνται εφαπτομενικά σε κάποιο "επίπεδο" του υλικού).
Σχ. 2.12: Γεωμετρική παραγωγή καταναγκασμού και ολίσθηση λόγω διατμητικών τάσεων.
Για κατανόηση, θεωρούμε το ιδανικό κρυσταλλικό πλέγμα του Σχ. 2.12.α, στο οποίο
εισάγεται μία επιφάνεια από άτομα της ίδιας ή άλλης ύλης (Σχ. 2.12.β). Η γραμμή που
ενώνει τις κορυφές του πλέγματος της επιφάνειας F λέγεται γραμμή καταναγκασμού. Τα
άτομα γύρω από τις γραμμές καταναγκασμού δεν κατέχουν ιδανικές θέσεις και βρίσκονται
σε κατάσταση σχετικά ασταθούς ισορροπίας. Έτσι με την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων
μετατοπίζονται σχετικά εύκολα κατά μήκος της επιφάνειας g, μεταξύ των επιπέδων 1 και 2
(Σχ. 2.12).
Ο καταναγκασμός που περιγράφεται παραπάνω λέγεται βαθμιδωτός και αποτελεί ειδική περίπτωση, με τις μετατοπίσεις των ατόμων να είναι κάθετες στη γραμμή καταναγκασμού. Άλλες περιπτώσεις δίνονται στο Σχ. 2.13. Ας σημειωθεί πάντως ότι στην ύπαρξη
των γραμμικών ατελειών οφείλονται πολλές από τις εξαιρετικές ιδιότητες των μεταλλικών
υλικών, όπως είναι η ικανότητά τους να διαμορφώνονται με μηχανικούς τρόπους (π.χ.
εξέλαση, πρέσσες κ.τ.λ.), αλλά όμως και το ότι η πραγματική αντοχή τους είναι κατά πολύ
μικρότερη από τη θεωρητική.
Σχ. 2.13: (α) Ιδανικό κρυσταλλικό πλέγμα, (β) βαθμιδωτός καταναγκασμός,
(γ) ελικοειδής καταναγκασμός, (δ) βαθμιδωτός καταναγκασμός και (ε) μικτός καταναγκασμός.
2.5.3.
Επιφανειακές και Χωρικές Ατέλειες
Στις επιφανειακές ατέλειες ανήκουν οι οριακές επιφάνειες των κόκκων και αυτές των
φάσεων (περιοχές με σταθερή ατομική και χημική σύνθεση που μπορούν να ξεχωριστούν
με μηχανικά μέσα) των πολυφασικών υλικών. Ένας από τους χαρακτηριστικούς ρόλους
τέτοιων ατελειών στην πλαστική παραμόρφωση των υλικών (ανάπτυξη μόνιμων παραμορφώσεων, που δηλαδή δεν αναιρούνται κατά την αφαίρεση της φόρτισης, υπό σχεδόν σταθερή τάση) είναι η παρεμπόδιση, ως ένα βαθμό, της κίνησης των γραμμικών ατελειών. Οι
χωρικές ατέλειες είναι μακροσκοπικά σημεία ασυνέχειας σε τρεις διαστάσεις. Τέτοιες είναι,
για παράδειγμα, οι περιοχές συσσώρευσης κενών θέσεων ατόμων, οι ρωγμές κ.τ.λ. Προκύπτουν κυρίως κατά την παραγωγή των υλικών και επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφορά τους μέσω της διάδοσης ρωγμών, που έχει ως αποτέλεσμα τη θραύση των υλικών.
2.6. Βιβλιογραφία
Ashby, Μ. F and Jones, D. R. Η. (1980). Engineering Materials 1: An Introduction to their
Properties and Applications, Pergamon Press, Oxford.
Illston, J. M., Dinwoodie, J. M. and Smith, A. A. (1981). Concrete, Timber and Metals, Van
Nostrand Reinhold, London.
Κερμανίδης, Θ. Β. και Μαστρογιάννης, Ε. Ν. (1980). Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.
McClintock, F. Α. and Argon, Α. S., editors (1966). Mechanical Behavior of Materials,
Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, USA.
Moffatt, W. G., Pearsall, G. W. and Wulff, J. (1964). The Structure and Properties of
Materials, John Wiley and Sons.
26
3. Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες
3.1. Γενικά
Κάθε δομικό υλικό χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένες ιδιότητες. Από αυτές, οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες έχουν ιδιαίτερη σπουδαιότητα για το μηχανικό, γιατί είναι
καθοριστικές για την ποιότητα, την ασφάλεια και τη διάρκεια των τεχνικών έργων. Η
σχετικά συνοπτική περιγραφή βασικών ιδιοτήτων των δομικών υλικών αποτελεί το αντικείμενο του παρόντος κεφαλαίου.
3.2. Φυσικές Ιδιότητες
Παρακάτω ορίζονται οι εξής ιδιότητες: πυκνότητα, πορώδες, απορροφητικότητα,
διαπερατότητα, υγροσκοπικότητα, θερμική διαστολή ή συστολή και θερμική αγωγιμότητα (π.χ. Wendehorst 1975, Taylor 1983, Σίδερης 1984, Λεγάκις 1992).
3.2.1.
Πυκνότητα και Πορώδες
Ως φαινόμενη πυκνότητα ορίζεται ο λόγος της μάζας m ενός υλικού προς τον φαινόμενο όγκο V που καταλαμβάνει. Στη μελέτη των δομικών υλικών μερικές φορές ενδιαm
φέρει η πραγματική πυκνότητα ή πυκνότητα στερεών ρ σ, που ορίζεται ως ρσ =
,
V −V κ
V
όπου Vκ = όγκος των κενών. Επίσης συχνά γίνεται χρήση του πορώδους a= κ . Τα
V
παραπάνω συνοψίζονται στο Σχ. 3.1.
Σχ. 3.1: Πυκνότητα και πορώδες.
3.2.2.
Απορροφητικότητα, Διαπερατότητα, Υγροσκοπικότητα
Οι ιδιότητες αυτές εμφανίζονται κυρίως στα πορώδη υλικά (π.χ. σκυρόδεμα) και
εξαρτώνται από την πυκνότητα, το πορώδες και το είδος, μέγεθος και βαθμό επικοινω νίας των πόρων. Απορροφητικότητα είναι η ιδιότητα που έχουν τα δομικά υλικά να
απορροφούν (χωρίς εξωτερική πίεση) κάποιο ρευστό, το οποίο συνήθως είναι νερό
(οπότε και η αντίστοιχη ιδιότητα λέγεται υδαταπορροφητικότητα). Η ιδιότητα αυτή μετράται συνήθως με τη μάζα επί τοις % που απορροφά η μονάδα μάζας του υλικού μετά
από εμβάπτιση (έως ότου σταθεροποιηθεί το βάρος, π.χ. για 24 ώρες) σε νερό. Ορίζε-
Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες
27
m υ−mξ
, όπου mυ = μάζα μετά την εμβάπτιση του υλικού και m ξ = ξηρή
mξ
μάζα (που προσδιορίζεται σε θερμοκρασία μέχρι 100 °C).
ται ως Y =100
Διαπερατότητα είναι η ιδιότητα που χαρακτηρίζει την αντίσταση που προβάλλει
ένα υλικό στη δίοδο ενός ρευστού όταν βρίσκεται σε επαφή με αυτό υπό ορισμένη πίεση. Στην περίπτωση που το ρευστό είναι νερό η παραπάνω ιδιότητα ονομάζεται υδατοπερατότητα, και μετράται συνήθως με τη μάζα του νερού που διαπερνά στη μονάδα του
χρόνου, υπό ατμοσφαιρική πίεση, μοναδιαία επιφάνεια μίας πλάκας μοναδιαίου πάχους
από το εξεταζόμενο υλικό. Την υδατοπερατότητα επί το πάχος του υλικού ονομάζουμε
συντελεστή υδραγωγιμότητας. Συχνά στην πράξη χρησιμοποιείται το αντίστροφο της
υδατοπερατότητας, που ονομάζεται υδατοστεγανότητα. Η διαπερατότητα γενικά ποσοτικοποιείτάι με το συντελεστή διαπερατότητας k, βάσει του νόμου του Darcy:
3.1
dq
ΔhA
=k
dt
Lμ
όπου dq/dt = ρυθμός ροής του ρευστού, μ = ιξώδες, Δh = διαφορά πίεσης, Α =
επιφάνεια και L = πάχος στοιχείου. Η παραπάνω ιδιότητα στην περίπτωση υδρατμών
ονομάζεται υδρατμοδιαπερατότητα, και προσδιορίζεται π.χ. βάσει της Αμερικάνικης
Προδιαγραφής ASTM Ε96.
Υγροσκοπικότητα είναι η ιδιότητα που έχουν τα δομικά υλικά να απορροφούν
υγρασία από την ατμόσφαιρα, όταν η σχετική υγρασία αυτής είναι δεδομένη, και μετράται με τρόπο ανάλογο προς αυτόν της υδαταπορροφητικότητας. Η παραμένουσα
υγρασία σε ένα υλικό μετά την εξισορρόπηση με την υγρασία του περιβάλλοντος λέγεται
υγρασία ισορροπίας.
3.2.3.
Θερμική Διαστολή και Συστολή
Η μεταβολή θερμοκρασίας κατά ΔΤ (σε °C) έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή των
διαστάσεων δομικών στοιχείων με βάση το νόμο Δt =a t ΔT , όπου Δt = μεταβολή
διάστασης, t = αρχική διάσταση στοιχείου και α = συντελεστής θερμικής διαστολής ή συστολής. Ο συντελεστής α είναι μερικές φορές συνάρτηση της αρχικής θερμοκρασίας του
στοιχείου, αλλά για το συνηθισμένο φάσμα θερμοκρασιών σε τεχνικά έργα μπορεί να
θεωρηθεί (κατά πολύ καλή προσέγγιση) σταθερός.
3.2.4.
Θερμική Αγωγιμότητα
Είναι η ικανότητα που έχουν τα υλικά να επιτρέπουν τη διέλευση της θερμότητας
μέσω της μάζας τους και περιγράφεται από το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ
(μονάδες: W/mK στο σύστημα SI, μερικές φορές και kcal/mh°C = 1.16W/mK). Ο συντελεστής αυτός εκφράζει το ποσό θερμότητας Qλ που διαφεύγει στη μονάδα του χρόνου
(συνήθως μία ώρα) μέσω επιφάνειας 1m2 υλικού πάχους 1m, όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επιφανειών του εν λόγω υλικού είναι 1 °C (Σχ. 3.2).
Η συνολική θερμότητα Q που διέρχεται μέσω σώματος επιφάνειας Α και πάχους d
σε χρόνο t, όταν η θερμοκρασιακή διαφορά των δύο παράλληλων επιφανειών του είναι
Δ Τ, προκύπτει από τη σχέση
Q= λ
ΔΤ
At
d
28
Σχ. 3.2: Σχηματική παράσταση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας.
Ο συντελεστής λ μειώνεται με την αύξηση του πορώδους, ενώ αυξάνεται με το ποσοστό υγρασίας που περιέχει ένα υλικό, με την αύξηση της θερμοκρασίας (λόγω διαστολής των πόρων) και συνήθως με την αύξηση των διαστάσεων. Επίσης υλικά με κλειστούς και μικρούς πόρους έχουν μικρότερο λ από εκείνα με ανοικτούς και μεγάλους
πόρους.
Το αντίστροφο του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας κ = 1/λ ονομάζεται συντελεστής θερμικής αντίστασης. Η θερμική αντίσταση (ή αντίσταση θερμοδιαφυγής) σώματος
πάχους d είναι R = κd = d/λ. Αν το στοιχείο αποτελείται από n διαδοχικά στρώματα διαφόρων υλικών (π.χ. τοιχοποιίες με θερμομόνωση, στοιχεία τύπου "σάντουιτς") με συντελεστές (λi = 1, 2, ... , π) και πάχη di, αντίστοιχα, η θερμική αντίσταση θα είναι
n
R=∑
i =1
di
λi
Στην αντίσταση αυτή θα πρέπει να προστεθούν οι αντιστάσεις εισόδου, 1/α 1, και
εξόδου, 1/α2, δηλαδή οι αντιστάσεις των στρωμάτων (π.χ. αέρας) που βρίσκονται σε
επαφή με τις δύο παρειές του σώματος. Έτσι, η συνολική θερμική αντίσταση δίνεται
από τη σχέση
n
R=
d
1
1
∑ i 
α 1 i=1 λi α 2
Η μέτρηση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας στο εργαστήριο γίνεται συνήθως βάσει της μεθόδου "θερμής πλάκας", η οποία περιγράφεται λεπτομερώς από το
Πρότυπο ΕΛΟΤ-514. Εναλλακτικά μπορεί να εφαρμοστεί και η μέθοδος του "μετρητή
ροής θερμότητας" (συγκριτική μέθοδος γρήγορης μέτρησης που εφαρμόζεται κυρίως σε
ινώδη, κυψελωτά και κοκκώδη μονωτικά υλικά), η οποία περιγράφεται στην Αμερικάνικη
Προδιαγραφή ASTM C518. Περισσότερες λεπτομέρειες για τις μεθόδους υπολογισμού
των θερμικών ιδιοτήτων δομικών στοιχείων μπορούν να βρεθούν σε συγγράμματα "Οικοδομικής", καθώς επίσης και στα Πρότυπα ΕΛΟΤ-1367.1-2, ΕΛΟΤ-1368 και ΕΛΟΤ1382. Οι σχετικές με τη θερμομόνωση και ιδιαίτερα με τα θερμομονωτικά υλικά Ευρωπαϊκές προδιαγραφές δίνονται στα Πρότυπα ΕΝ 822-825.
3.3. Μηχανικές Ιδιότητες
Οι μηχανικές ιδιότητες είναι εκείνες που προσδιορίζουν τη συμπεριφορά των υλι-
Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες
29
κών σε καταπονήσεις λόγω φορτίων ή περιβαλλοντικών επιδράσεων. Η συμπεριφορά
αυτή εξαρτάται από τον τρόπο που δρουν οι καταπονήσεις, αποτέλεσμα του οποίου είναι η ανάπτυξη εσωτερικών δυνάμεων στα υλικά που ονομάζονται τάσεις. Τάση σε ένα
"σημείο" υλικού ορίζεται η εσωτερική δύναμη που αναπτύσσεται στην περιοχή του σημείου ανά μονάδα επιφάνειας γύρω από αυτό. Ανάλογα με το αν οι τάσεις δρούν κάθετα
ή εφαπτομενικά στην επιφάνεια διακρίνονται σε ορθές (σ) και διατμητικές (τ), όπως
δείχνεται παραστατικά στο Σχ. 3.3. Οι ορθές τάσεις που τείνουν να απομακρύνουν τα
άτομα του υλικού προκαλούν εφελκυσμό και ονομάζονται εφελκυστικές, ενώ αυτές που
τείνουν να τα πλησιάσουν μεταξύ τους προκαλούν θλίψη και ονομάζονται θλιπτικές.
Σχ. 3.3: (α) Ορθές και (β) διατμητικές τάσεις.
Σχ. 3.4: (α) Ορθές και (β) διατμητικές παραμορφώσεις.
Αποτέλεσμα των τάσεων που αναπτύσσονται σε ένα στοιχείο είναι η μεταβολή των
διαστάσεων του, δηλαδή η ανάπτυξη παραμορφώσεων. Ο ορισμός των ορθών (ε) και
διατμητικών (γ) παραμορφώσεων δίνεται παραστατικά στο Σχ. 3.4.
Η λεπτομερής ανάλυση των τάσεων και παραμορφώσεων που αναπτύσσονται
στα υλικά ξεφεύγει από το σκοπό του παρόντος βιβλίου. Παρακάτω περιγράφονται συ-
30
νοπτικά οι ελαστικές ιδιότητες καθώς και η μηχανική αντοχή και συμπεριφορά γενικότερα των υλικών σε διάφορες καταπονήσεις, ενώ για πλήρη κάλυψη του θέματος ο αναγνώστης παραπέμπεται στη σχετική βιβλιογραφία (π.χ. Cottrell 1964, Timoshenko and
Goodier 1970, lllston et al. 1979, Κερμανίδης 1980, John 1983, Gere and Timoshenko
1990, Μαστρογιάννης 1994, Τριανταφύλλου 2005).
3.3.1.
Ελαστικές Ιδιότητες
Όταν οι παραμορφώσεις που αναπτύσσονται σε ένα υλικό είναι μικρές και δεν ξεπερνούν ορισμένα όρια, τότε είναι ανάλογες με τις αντίστοιχες τάσεις (γραμμική ελαστικότητα). Για την απλή περίπτωση εφελκυσμού (ή θλίψης) η αναλογία αυτή εκφράζεται
από το νόμο του Hooke
σ =Ε ε
όπου το μέτρο ελαστικότητας (ή μέτρο Young) Ε έχει μονάδες τάσης. Η αντίστοιχη
σχέση για την περίπτωση διάτμησης είναι
τ =G γ
όπου G = μέτρο διάτμησης. Για υλικά ομοιογενή (δηλαδή με τις ίδιες ιδιότητες σε
κάθε σημείο) και ισότροπα (που έχουν τις ίδιες ιδιότητες σε κάθε διεύθυνση) τα μέτρα Ε
και G αποτελούν χαρακτηριστικές ιδιότητες. Συχνά επίσης χρησιμοποιείται και μία τρίτη
σταθερά για κάθε υλικό, ο λόγος Poisson (ή συντελεστής εγκάρσιας παραμόρφωσης) ν,
που ορίζεται ως ο αρνητικός λόγος της παραμόρφωσης εγκάρσια στη διεύθυνση φόρτισης προς την παραμόρφωση παράλληλα με τη διεύθυνση φόρτισης για δοκίμια υλικών
σε μονοαξονική καταπόνηση (εφελκυσμός ή θλίψη). Μάλιστα, μεταξύ των τριών παραπάνω ελαστικών σταθερών ισχύει η σχέση
G=
E
21v
Τα ανισότροπα υλικά παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά σε διαφορετικές
διευθύνσεις και χαρακτηρίζονται από περισσότερες από δύο ανεξάρτητες ελαστικές
σταθερές.
3.4. Αντοχή, Άλλες Μηχανικές Ιδιότητες
Σχ. 3.5: Απλοί τρόποι φόρτισης υλικών, (α) εφελκυσμός, (β) θλίψη, (γ)
διάτμηση, (δ) κάμψη και (ε) στρέψη.
Ως αντοχή ενός υλικού ορίζεται γενικά η ικανότητά του να μεταφέρει φορτία. Η
ιδιότητα αυτή εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι η γεωμετρία του δομικού
στοιχείου που είναι κατασκευασμένο από το υλικό αυτό, ο τρόπος φόρτισης και το ίδιο
το υλικό. Μερικοί απλοί τρόποι φόρτισης δίνονται στο Σχ. 3.5. Σε κάθε τύπο φόρτισης
αντιστοιχεί και μία συγκεκριμένη ανάπτυξη και κατανομή τάσεων και παραμορφώσεων.
Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες
31
Το υλικό αστοχεί όταν οι τάσεις (ή παραμορφώσεις) φθάσουν μερικές κρίσιμες (ή οριακές) τιμές, χαρακτηριστικές για κάθε υλικό και τύπο φόρτισης.
3.4.1.1.
Αντοχή σε Θλίψη, Εφελκυσμό και Διάτμηση
Για τις απλές περιπτώσεις εφελκυσμού, θλίψης και διάτμησης, η αντοχή ενός υλικού καθορίζεται (συνήθως) από τη μέγιστη τάση του διαγράμματος τάσεων - παραμορφώσεων που αντιστοιχεί στις φορτίσεις αυτές (Σχ. 3.6).
Σχ. 3.6: Ενδεικτικά διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης και αντίστοιχη
αντοχή για (α) μονοαξονική φόρτιση (εφελκυσμός, θλίψη) και (β)
διάτμηση.
3.4.1.2.
Καμπτική Αντοχή ή Μέτρο Θραύσης ή Αντοχή σε Εφελκυσμό από Κάμψη
Ορίζεται ως η μέγιστη εφελκυστική τάση που υπολογίζεται σε δοκίμιο υπό κάμψη
(δοκός) σύμφωνα με την τεχνική θεωρία της κάμψης (δηλαδή υποθέτοντας γραμμική
κατανομή των τάσεων καθ' ύψος της διατομής), κατά τη στιγμή της θραύσης του δοκιμίου. Σχετικό είναι το Σχ. 3.7.
Σχ. 3.7: Ορισμός καμπτικής αντοχής.
3.4.1.3.
Αντοχή σε Πολυαξονική Φόρτιση
Η φόρτιση στα δομικά υλικά είναι πολλές φορές πολυαξονική, δηλαδή οι τάσεις μετασχηματίζονται σε δύο (διαξονική ένταση) ή τρεις (τριαξονική ένταση) ορθές τάσεις, οι
οποίες ενεργούν σε κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις απουσία διατμητικών τάσεων και
λέγονται κύριες τάσεις (Σχ. 3.8).
Ο συνδυασμός των κυρίων τάσεων κατά την αστοχία ενός υλικού ορίζει ένα σημείο
στον λεγόμενο τασικό χώρο (ορθογώνιο σύστημα αξόνων στο επίπεδο, για διαξονική
ένταση, και στο χώρο, για τριαξονική ένταση, με άξονες τις κύριες τάσεις), ενώ όλα τα
δυνατά αυτά σημεία ορίζουν την περιβάλλουσα αστοχίας, που είναι καμπύλη ή επιφάνεια, για διαξονική ή τριαξονική ένταση, αντίστοιχα. Η περιβάλλουσα αστοχίας περιγράφεται συνήθως από εξίσωση της μορφής
32
F σ 1, σ 2, σ 3 =0
που εκφράζει και το κριτήριο αστοχίας.
Σχ. 3.8: Κύριες τάσεις σε (α) διαξονική και (β) τριαξονική εντατική
κατάσταση.
3.4.1.4.
Τα Φαινόμενα Ερπυσμού και Χαλάρωσης
Ερπυσμός είναι το φαινόμενο που χαρακτηρίζει την ιδιότητα ορισμένων υλικών να
εμφανίζουν συνεχή αύξηση των παραμορφώσεων με το χρόνο, ενώ οι αντίστοιχες
τάσεις παραμένουν σταθερές. Στο φαινόμενο αυτό οφείλεται η αύξηση των παραμορφώσεων σε κατασκευές που καταπονούνται σε μακροχρόνια φορτία (π.χ. υποστυλώματα φορτιζόμενα από το ίδιο βάρος κτιρίων). Συνέπεια του φαινομένου του ερπυσμού είναι η αστοχία υλικών μετά πάροδο ορισμένου χρόνου υπό σταθερή τάση που είναι μικρότερη από την αντίστοιχη αντοχή σε βραχυχρόνια φόρτιση.
Αντίθετο με τον ερπυσμό είναι το φαινόμενο της χαλάρωσης, που χαρακτηρίζει την
ιδιότητα ορισμένων υλικών να εμφανίζουν συνεχή μείωση των τάσεων με το χρόνο, ενώ
οι αντίστοιχες παραμορφώσεις παραμένουν σταθερές. Τα φαινόμενα αυτά περιγράφονται παραστατικά στο Σχ. 3.9.
Σχ. 3.9: Τα φαινόμενα (α) του ερπυσμού και (β) της χαλάρωσης.
3.4.1.5.
Κόπωση
Η καταπόνηση ενός υλικού σε εναλλασσόμενη δυναμική φόρτιση καθορισμένης
συχνότητας με τάση που δεν ξεπερνά συγκεκριμένα όρια (ελάχιστη-μέγιστη τάση) ονομάζεται κόπωση. Παραδείγματα κόπωσης έχουμε σε γέφυρες, όπου τα δομικά στοιχεία
(π.χ. δοκοί) υποβάλλονται σε περιοδική καταπόνηση λόγω των φορτίων των οχημάτων.
Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες
33
Η φόρτιση ενός υλικού σε κόπωση δείχνεται παραστατικά στο Σχ. 3.10. Ως αντοχή ενός
υλικού σε κόπωση ορίζεται συνήθως ο αριθμός N1 των κύκλων φόρτισης (δεδομένης
συχνότητας) πριν την αστοχία για δεδομένες ακραίες τάσεις (σmin, σmax), ή η μέγιστη
τάση σmax που αντιστοιχεί σε δεδομένο αριθμό Ν κύκλων φόρτισης (καθορισμένης συχνότητας) και δεδομένη ελάχιστη τάση σmin.
Σχ. 3.10: Φόρτιση υλικού σε κόπωση (η συνάρτηση της φόρτισης είναι ενδεικτική).
3.4.1.6.
Αντοχή σε Κρούση
Η αντίσταση που προβάλλει ένα υλικό σε θραύση λόγω τοπικής κρούσης (π.χ.
κρούση οχήματος σε βάθρο γέφυρας από σκυρόδεμα) ονομάζεται αντοχή σε κρούση. Η
μέτρηση της ιδιότητας αυτής γίνεται συχνά με τη συσκευή Charpy. Η δοκιμή περιλαμβάνει ένα εκκρεμές που ανυψώνεται σε ορισμένο ύψος και κατόπιν αφήνεται να πέσει
ελεύθερο σε επίμηκες δοκίμιο που φέρει εγκοπή στο μέσο και στηρίζεται στα δύο άκρα.
Μετά τη θραύση του δοκιμίου η μάζα του εκκρεμούς συνεχίζει την κίνηση μέχρι κάποιο
άλλο ύψος, οπότε μπορεί να μετρηθεί η διαφορά των δυναμικών ενεργειών στην αρχική
και τελική θέση του εκκρεμούς, η οποία ισούται με την ενέργεια που απορροφά το δοκίμιο κατά τη θραύση. Η ενέργεια αυτή διαιρούμενη με την επιφάνεια θραύσης του δοκιμίου δίνει την ενέργεια που απορροφάται κατά την κρούση ανά μονάδα επιφάνειας, και
αποτελεί ένα μέτρο σύγκρισης της αντοχής ενός υλικού σε κρούση. Σημειώνεται ότι καθοριστικοί για τα αποτελέσματα της δοκιμής παράγοντες είναι η ταχύτητα κρούσης, η
θερμοκρασία του δοκιμίου, και το σχήμα και οι διαστάσεις της εγκοπής.
3.4.1.7.
Θερμική Αντοχή και Αντοχή σε Πυρκαϊά
Θερμική αντοχή ονομάζεται η ικανότητα των υλικών να διατηρούν σχεδόν αμετάβλητες βασικές μηχανικές τους ιδιότητες (π.χ. αντοχές, μέτρο ελαστικότητας) σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Πολλά υλικά ουσιαστικά αχρηστεύονται σε θερμοκρασίες
πολύ χαμηλότερες από το σημείο ανάφλεξης (π.χ. ξύλο, ορισμένα πολυμερή) ή από το
σημείο τήξης (π.χ. μέταλλα, ορισμένα πολυμερή, γυαλί).
Με τον όρο αντοχή σε πυρκαϊά αποδίδεται η ικανότητα των υλικών να μην παραμορφώνονται σημαντικά και να διατηρούν σημαντικό ποσοστό της αντοχής τους όταν
υποβάλλονται σε πυρκαϊά και στο συνδυασμό πυρκαϊάς και νερού πυρόσβεσης (που
έχει ως αποτέλεσμα την απότομη ψύξη του υλικού) επί αρκετές ώρες. Με βάση το ενδεχόμενο ανάφλεξης τα υλικά διακρίνονται σε άκαυστα (π.χ. κεραμικά, μέταλλα), πυρανθεκτικά (υλικά που καίγονται με δυσκολία και μόνο παρουσία φλογών, όπως το ξύλο
που έχει διαποτιστεί με ειδικά υγρά) και καύσιμα (υλικά που συντηρούν από μόνα τους
την καύση, όπως είναι τα περισσότερα υλικά οργανικών ενώσεων).
34
3.4.1.8.
Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια
Ανθεκτικότητα σε διάρκεια είναι η ικανότητα των υλικών να αντιστέκονται στην αλλοίωση των φυσικών, μηχανικών και χημικών χαρακτηριστικών τους κάτω από τη
δράση κλιματικών συνθηκών της ατμόσφαιρας και εν γένει περιβαλλοντικών επιδράσεων (π.χ. υγρασία, ηλιακή ακτινοβολία, άνεμος, θερμοκρασιακές μεταβολές, παγετός, χημικές ουσίες). Βάσει του παραπάνω ορισμού η ανθεκτικότητα σε διάρκεια συμπεριλαμβάνεται μόνο εν μέρει στις μηχανικές ιδιότητες των υλικών.
Ειδικά για την περίπτωση του παγετού αναφέρεται ότι κατά την πήξη του το νερό
που είναι ενδεχομένως εγκλωβισμένο στους πόρους ενός υλικού αυξάνεται σε όγκο, με
αποτέλεσμα την άσκηση ισχυρών δυνάμεων στα τοιχώματα των πόρων και γενικά στη
μάζα του υλικού. Έτσι αντοχή σε παγετό είναι η ικανότητα ενός κορεσμένου με νερό υλικού να υποστεί διαδοχικούς κύκλους (περίπου 25-40) πήξης και τήξης του νερού χωρίς
να παρουσιάσει εμφανή σημεία βλάβης (η απώλεια βάρους λόγω απότριψης να μην ξεπερνά π.χ. το 5% του αρχικού βάρους) και χωρίς να μειωθεί η μηχανική του αντοχή
πάνω από περίπου 25% της αρχικής της τιμής. Από τα πορώδη υλικά ανθεκτικότερα σε
παγετό είναι εκείνα που έχουν κλειστούς πόρους και τα υλικά με μεγάλους και σχετικά
ευθύγραμμους πόρους (σε αντίθεση αυτών με μικρούς και δαιδαλώδεις).
Ένα άλλο φαινόμενο που σχετίζεται άμεσα με την ανθεκτικότητα των υλικών σε
διάρκεια αφορά στην επιφανειακή φθορά (π.χ. σε οδοστρώματα, δάπεδα, πεζοδρόμια,
ή άλλες κατασκευές που υφίστανται τη μηχανική δράση ανέμου, νερού κ.τ.λ.). Το φαινόμενο της επιφανειακής φθοράς σχετίζεται με τη σκληρότητα ενός υλικού, δηλαδή την
αντίσταση που προβάλλει η επιφάνειά του στη χάραξη από άλλο σώμα. Η σκληρότητα
ενός υλικού καθορίζεται συνήθως από τη σκληρομετρική κλίμακα του Mohs. Η κλίμακα
αυτή έχει 10 βαθμίδες, σε κάθε μία από τις οποίες αντιστοιχεί ένα γνωστό ορυκτό που
χαράζει το αμέσως προηγούμενο και χαράζεται από το αμέσως επόμενο (Πίνακας 3.1).
Επειδή η μέθοδος Mohs είναι κατάλληλη κυρίως για πετρώματα και προϊόντα τους
και γενικά δίνει χονδρικά αποτελέσματα, συνήθως χρησιμοποιούνται ακριβέστερες
μέθοδοι, που ποικίλουν ανάλογα με το είδος της σκληρότητας της οποίας επιδιώκεται
προσδιορισμός. Έτσι, σε υλικά όπως το σκυρόδεμα, οι λίθοι (π.χ. αδρανή) και οι πλίνθοι (π.χ. τούβλα), στα οποία ενδιαφέρει ιδιαίτερα η αντίσταση σε απότριψη, μία συνηθισμένη δοκιμή είναι η δοκιμή Los Angeles. Αυτή συνίσταται στην τοποθέτηση ορισμένης
ποσότητας υλικού μέσα σε περιστρεφόμενο χαλύβδινο τύμπανο που περιέχει σφαίρες
από χυτοσίδηρο. Μετά από ορισμένο αριθμό περιστροφών (με ορισμένη επίσης ταχύτητα) υπολογίζεται η % απώλεια βάρους λόγω απότριψης, και το ποσοστό αυτό αποτελεί
δείκτη σκληρότητας.
Ορυκτό
Στεατίτης
Γύψος
Ασβεστίτης
Φθορίτης
Απατίτης
Άστριος
Χαλαζίας
Τοπάζιο
Κορούνδιο
Διαμάντι
Σκληρότητα
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Πίνακας 3.1: Σκληρομετρική κλίμακα του Mohs.
Άλλες μέθοδοι, που εφαρμόζονται κυρίως σε μεταλλικά υλικά, περιλαμβάνουν
μέτρηση του ίχνους που αφήνει στην επιφάνεια του υπό εξέταση υλικού ένα σώμα ορισμένων διαστάσεων και ποιότητας όταν υποστεί ορισμένη πίεση. Τέτοιες μέθοδοι
Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες
35
μέτρησης της σκληρότητας είναι οι μέθοδοι Brinell (χρησιμοποιείται χαλύβδινη σφαίρα),
Rockwell (χρήση χαλύβδινης σφαίρας ή κώνου από διαμάντι) και Vickers (χρήση τετραγωνικής πυραμίδας από διαμάντι).
3.4.1.9.
Δυσθραυστότητα, Πλαστικότητα και Πλαστιμότητα
Δυσθραυστότητα ονομάζεται η ικανότητα ενός υλικού να απορροφά ενέργεια κατά
την παραμόρφωση του μέχρι τη θραύση, και ποσοτικοποιείται υπολογίζοντας το εμβαδόν της επιφάνειας που περικλείεται από την καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης (Σχ.
3.11). Το εμβαδόν αυτό (όχι κατ' ανάγκη μέχρι τη θραύση) ονομάζεται γενικά και ειδική
ενέργεια παραμόρφωσης, η ολοκλήρωση της οποίας στο συνολικό όγκο του υλικού δίνει τη συνολική ενέργεια παραμόρφωσης.
Σχ. 3.11: Ορισμός της δυσθραυστότητας.
Ως πλαστικότητα ενός υλικού ορίζεται η ικανότητά του να αναπτύσσει πλαστικές
παραμορφώσεις, δηλαδή σημαντικές μόνιμες παραμορφώσεις υπό σχεδόν σταθερή
τάση, χωρίς να θραύεται. Η πλαστικότητα ποσοτικοποιείται με την πλαστιμότητα ή καλύτερα με το δείκτη πλαστιμότητας με, που για υλικά υπολογίζεται διαιρώντας την παραμόρφωση κατά τη θραύση προς αυτήν κατά τη διαρροή, μ ε = εu/εy, όπως αυτές ορίζονται
στο Σχ. 3.12.
Σχ. 3.12: Πλαστιμότητα υλικού.
Τόσο η μεγάλη δυσθραυστότητα όσο και η μεγάλη πλαστιμότητα είναι ιδιαίτερα
επιθυμητές ιδιότητες των υλικών, διότι σχετίζονται με την ικανότητά τους να απορροφούν ενέργεια κατά τη διάρκεια έντονης καταπόνησης, όπως είναι π.χ. ο σεισμός.
3.4.1.10. Απόσβεση
Όταν ένα υλικό καταπονείται σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση, οπότε αλλάζει το
πρόσημο των τάσεων και παραμορφώσεων κατά τη διάρκεια κύκλων φόρτισης- απο-
36
φόρτισης-επαναφόρτισης, μέρος της ενέργειας παραμόρφωσης χάνεται με τη μορφή
π.χ. θερμότητας. Η ιδιότητα αυτή των υλικών ονομάζεται απόσβεση. Η απόσβεση ποσοτικοποιείται μέσω του συντελεστή απόσβεσης ή απώλειας η, που ισούται με
η=
D
2π U
όπου D είναι η απώλεια ενέργειας σε έναν πλήρη κύκλο φόρτισης-αποφόρτισηςεπαναφόρτισης και U είναι η μέγιστη ενέργεια παραμόρφωσης αν η συμπεριφορά του
υλικού ήταν γραμμικά ελαστική μέχρι τη μέγιστη παραμόρφωση. Ο ορισμός αυτός εξηγείται στο Σχ. 3.13.
Τυπικές τιμές του η είναι 10-2 - 3·10-2 για σκυρόδεμα, 2·10-4 - 2·10-3 για χάλυβα και
0.5-1.5 για ελαστομερή υλικά (π.χ. νεοπρένιο, καουτσούκ). Η απόσβεση εκφράζει την
ικανότητα του υλικού να απορροφά ενέργεια κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενης φόρτισης, όπως αυτή λόγω σεισμού, ανέμου κ.τ.λ., και αποτελεί ιδιαίτερα επιθυμητή ιδιότητα για τέτοιου είδους φορτίσεις.
Σχ. 3.13: Ορισμός του συντελεστή απόσβεσης η.
3.5. Βιβλιογραφία
Cottrell, Α. Η. (1964). Mechanical Properties of Matter, Wiley.
European Standard EN 822 (1994). Thermal Insulating Products for Building
Applications - Determination of Length and Width, European Committee for
Standardization.
European Standard EN 823 (1994). Thermal Insulating Products for Buit'ding
Applications - Determination of Thickness, European Committee for Standardization.
European Standard EN 824 (1994). Thermal Insulating Products for Building
Applications - Determination of Squareness, European Committee for Standardization.
European Standard EN 825 (1994). Thermal Insulating Products for Building
Applications - Determination of Flatness, European Committee for Standardization.
Gere, J. M. and Timoshenko, S. P. (1990). Mechanics of Materials, 3rd edition, PWSKent Publishing Company, Boston.
Illston, J. M., Dinwoodie, J. M. and Smith, A. A. (1979). Concrete, Timber and Metals,
Van Nostrand Reinhold, London.
John, V. B. (1983). Introduction to Engineering Materials, 2nd edition, MacMillan
Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες
37
Education, London.
Κερμανίδης, Θ. (1980). Μαθήματα Αντοχής Υλικών I, II, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.
Λεγάκις, Α. Α. (1992). Δομικά Υλικά, τόμ. 1, Ίδρυμα Ευγενίδου, Βιβλιοθήκη του Τεχνικού, Αθήνα.
Μαστρογιάννης, Ε. (1994). Παραδόσεις Μηχανικής των Υλικών, τόμοι Α, Β, Εκδόσεις
Πανεπιστημίου Πατρών.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-514. Θερμομόνωση - Προσδιορισμός Θερμικής Αγωγιμότητας - Μέθοδος Θερμής Πλάκας.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-1367.1. Θερμομόνωση - Μέθοδοι Υπολογισμού - Μέρος 1: Θερμικές
Ιδιότητες Κτιριακών Τμημάτων και Κτιριακών Στοιχείων σε Μόνιμη Κατάσταση.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-1367.2. Θερμομόνωση - Μέθοδοι Υπολογισμού - Μέρος 2: Θερμογέφυρες Ορθογωνικών Διατομών σε Επίπεδες Κατασκευές.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-1368. Θερμομόνωση - Φυσικές Ποσότητες και Ορισμοί.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-1382. Θερμομόνωση - Μεταφορά Μάζας - Φυσικά Μεγέθη και Ορισμοί.
Σίδερης, Κ. Κ. (1984). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, τόμ. Α', Δημοκρ. Πανεπ. Θράκης,
Ξάνθη.
Taylor, G. D. (1983). Materials of Construction, 2nd edition, Construction Press,
London.
Timoshenko, S. P. and Goodier, J. N. (1970). Theory of Elasticity, 3rd edition, McGraw
Hill, New York.
Τριανταφύλλου, Αθ. Χ. (2005). Μηχανική των Υλικών, τόμοι I, II, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.
Wendehorst, R. (1975). Baustoffkunde, Verlag, Hannover.
38
4. Φυσικοί Λίθοι
4.1. Προέλευση Φυσικών Λίθων, Πετρώματα
Οι φυσικοί λίθοι είναι δομικά στοιχεία που αποτελούνται από κόκκους ύλης, συνδεδεμένους μεταξύ τους με ορυκτό συγκολλητικό υλικό, και κενά. Προέρχονται από τα
θραύσματα των πετρωμάτων του στερεού φλοιού της γης. Η κατάταξη των φυσικών λίθων με βάση την προέλευση τους ταυτίζεται με την κατάταξη των πετρωμάτων από τα
οποία προέρχονται. Η ευρεία και λεπτομερής κάλυψη των πετρωμάτων αποτελεί αντικείμενο της επιστήμης της Γεωλογίας και ξεφεύγει από το σκοπό του παρόντος βιβλίου.
Η συνοπτική περιγραφή που ακολουθεί δίνεται για λόγους πληρότητας (BPR 1950). Τα
πετρώματα αποτελούνται από ένα ή περισσότερα ορυκτά (ουσίες με καθορισμένη χημική σύνθεση) και διαιρούνται ανάλογα με τη γεωλογική τους προέλευση σε πυριγενή (ή
εκρηξιγενή), ιζηματογενή (ή στρωσιγενή) και μεταμορφωσιγενή (ή κρυσταλλοσχιστώδη).
Τα πυριγενή, που είναι κατά κανόνα πολύ σκληρά και ομοιογενή πετρώματα, προήλθαν από την ψύξη και στερεοποίηση του διάπυρου μάγματος πάνω, κάτω ή κοντά
στην επιφάνεια της γης και αποτελούν το 95% περίπου του στερεού φλοιού της. Ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους διακρίνονται σε πλουτώνεια, που στερεοποιήθηκαν
βραδέως σε μεγάλο βάθος στο εσωτερικό του φλοιού της γης και δημιούργησαν κρυστάλλους σχετικά μεγάλου μεγέθους (π.χ. γρανίτης, συηνίτης, γάββρος, διορίτης), σε
φλεβώδη, που στερεοποιήθηκαν συντομότερα και σε μικρό βάθος από την επιφάνεια
της γης δημιουργώντας μικρότερους κρυστάλλους (π.χ. πορφύρης, δολερίτης, πηγματίτης), και σε ηφαιστειογενή, που στερεοποιήθηκαν ταχέως στην επιφάνεια της γης δημιουργώντας πολύ μικρούς κρυστάλλους ή άμορφη μάζα συμπαγούς ή κυψελωτής μορφής (π.χ. κίσσηρη, βασάλτης, διαβάσης, τραχείτης). Ανάλογα με την περιεκτικότητά
τους σε Si02 τα πυριγενή πετρώματα διακρίνονται σε όξινα (SiO2 > 65%), μέσα (SiO2 μεταξύ 55-66%) και βασικά (SiO2 < 55%). Η κατάταξη των πυριγενών πετρωμάτων βάσει
της κρυσταλλικής δομής και της περιεκτικότητας σε SiO2 είναι ιδιαίτερα χρήσιμη, διότι ο
συνδυασμός όξινου χαρακτήρα και μικροκρυσταλλικής ή άμορφης δομής είναι αυτό που
καθορίζει αν σημαντικές κατηγορίες λίθινων προϊόντων, όπως είναι τα αδρανή σκυροδέματος, είναι τρωτές στην αλκαλικότητα του σκυροδέματος.
Τα ιζηματογενή πετρώματα, που αποτελούν το 5% περίπου του στερεού φλοιού
της γης. παρουσιάζουν συνήθως διάταξη κατά στρώσεις και σχηματίστηκαν κατά έναν
από τους ακόλουθους τρόπους: (α) καθίζηση και απόθεση ασβεστούχων, πυριτικών και
άλλων διαλυμάτων στον πυθμένα θαλασσών ή λιμνών (χημικά ιζήματα, π.χ. γύψος,
ανυδρίτης) (β) καθίζηση και απόθεση προϊόντων της βιολογικής λειτουργίας του ζωικού
ή του φυτικού κόσμου (βιογενή ιζήματα, π.χ. ασβεστόλιθος, δολομίτης, γη διατομών) και
(γ) μεταφορά από τον άνεμο, το νερό ή τους παγετώνες διαφόρων αποθέσεων (μηχανικά ιζήματα). Ανάλογα με το αν τα σώματα που αποτελούν τα μηχανικά ιζήματα έχουν
συγκολληθεί μεταξύ τους (με συγκολλητική ύλη όπως η πυρίτια, το οξείδιο του σιδήρου,
η άργιλος, το ανθρακικό ασβέστιο κ.τ.λ.) ή όχι, τα πετρώματα αυτά διακρίνονται σε συμπαγή ή θραυσματογενή (π.χ. κροκαλοπαγή, λατυποπαγή, ψαμίτης, φλύσχης, αργιλικός σχιστόλιθος) και σε χαλαρά (π.χ. κροκάλες, λατύπες, άμμος, άργιλος, ηφαιστειακές
γαίες).
Φυσικοί Λίθοι
39
Τα μεταμορφωσιγενή πετρώματα προέρχονται από αλλοιώσεις των δύο πρώτων
κατηγοριών λόγω της επίδρασης θερμότητας, υψηλών πιέσεων, χημικών δράσεων
υγρών ή αερίων κ.τ.λ. Παρουσιάζουν σχιστότητα ανάλογη αυτής των ιζηματογενών
(π.χ. σχίστης, φυλλίτης) και κρυσταλλικό ιστό ανάλογο των πυριγενών (π.χ. γνεύσιος,
μαρμαρυγιακός σχιστόλιθος).
Τα σημαντικότερα πετρώματα και βασικά χαρακτηριστικά τους δίνονται στον Πίνακα 4.1 (BPR 1950, Wendehorst 1975, Σίδερης 1984).
4.2. Φυσικοί Λίθοι
Πέτρωμα
Πυριγενή
Γρανίτης
Συηνίτης
Διορίτης, Γάββρος
Πορφυρίτης
Βασάλτης
Βασαλτική λάβα
Διαβάσης
Ιζηματογενή
Ασβεστόλιθος
Δολομίτης
Αργιλ. σχιστόλιθος
Κροκαλοπαγή
Ψαμμίτης
Μεταμορφωσιγενή
Γνεύσιος
Σχιστής
Κρυστ. σχιστόλιθος
Χαλαζίτης
Μάρμαρα
Σερπεντίνης
Πυκνότητα Υδαταπορρο- Θλιπτική Ανθεκτικότητα
(kg/m3)
φητικότητα αντοχή
σε διάρκεια
(% κ.β.)
(MPa)
2650
2740
2900
2700
3000
2250
2850
0.3
0.4
0.3
0.5
0.2
7.0
0.2
150
180
230
250
320
100
210
Καλή
Καλή
Καλή
Καλή
Καλή
Καλή
Καλή
2650
2700
2750
2700
2600
0.9
1.1
0.5
1.2
2.0
100
140
150
70
100
Μέτρια
Μέτρια
Πτωχή
Μέτρια
Μέτρια
2750
2850
2750
2700
2650
2650
0.3
0.4
0.5
0.3
0.2
0.6
220
200
280
210
120
200
Καλή
Καλή
Καλή
Καλή
Καλή
Μέτρια
Πίνακας 4.1: Μέσες τιμές βασικών χαρακτηριστικών των κυριοτέρων πετρωμάτων.
Για να χρησιμοποιηθούν σε τεχνικά έργα τα θραύσματα των πετρωμάτων (φυσικοί
λίθοι) είναι συνήθως απαραίτητη η κατεργασία τους. Ανάλογα με το σκοπό για τον
οποίο προορίζονται και ανάλογα με την κατεργασία που έχουν υποστεί, οι φυσικοί λίθοι
διακρίνονται σε αργούς, ημιλάξευτους, λαξευτούς, ογκόλιθους και πλάκες (Λεγάκις
1992). Οι αργοί λίθοι χρησιμοποιούνται όπως παράγονται στα λατομεία ή με μικρή μόνο
κατεργασία κατά την τοποθέτησή τους για την καλύτερη προσαρμογή τους στις κατασκευές (όπως είναι, για παράδειγμα, οι ξηρολιθοδομημένοι τοίχοι αντιστήριξης). Οι ημιλάξευτοι λίθοι έχουν υποστεί κατεργασία μόνο στις επιφάνειες που είναι ορατές μετά τη
δόμησή τους (π.χ. όψεις λιθοδομών, γωνιόλιθοι διασταυρώσεων τοίχων). Οι λαξευτοί λίθοι έχουν υποστεί επιμελημένη κατεργασία του σχήματος (που είναι συνήθως πρισματικό) και των επιφανειών τους. Έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε μνημειακές κατασκευές
και κατασκευές όπου για λόγους αισθητικής οι λιθοδομές δεν έχουν καλυφθεί με επίχρισμα. Σε αντίθεση με τους λίθους των παραπάνω κατηγοριών που έχουν διαστάσεις της
τάξης των 15-50 cm, οι ογκόλιθοι είναι αρκετά μεγάλου μεγέθους και έχουν υποστεί μικρή συνήθως επεξεργασία, χρησιμοποιούνται δε κυρίως για λιθορριπές σε λιμενικά
έργα ενώ είναι ακατάλληλοι για δόμηση. Ως πλάκες (π.χ. σχιστόλιθοι, μάρμαρα) χαρακτηρίζονται οι φυσικοί λίθοι των οποίων οι δύο διαστάσεις είναι πολύ μεγαλύτερες από
το πάχος. Παλαιότερα χρησιμοποιούνταν για στεγάσεις κτιρίων, επιστρώσεις δρόμων
40
κ.ά., σήμερα όμως η χρήση τους έχει κυρίως διακοσμητικό χαρακτήρα (π.χ. επίστρωση
δαπέδων, επένδυση τοίχων κ.τ.λ.). Οι πλάκες προέρχονται από ιζηματογενή (π.χ. αργιλικός και μαρμαρυγιακός σχιστόλιθος) ή μεταμορφωσιγενή (π.χ. μάρμαρα) πετρώματα
και ανάλογα με τη χρήση τους έχουν υποστεί διάφορα στάδια κατεργασίας (προλείανση,
λείανση, στίλβωση).
Βασικά χαρακτηριστικά των μαρμάρων, τα οποία αποτελούνται κυρίως από ανθρακικό ασβέστιο σε συνδυασμό με μικρή αναλογία οξειδίων, είναι η λεπτοκοκκώδης
δομή, η εξαιρετική επιφανειακή υφή (ιδιαίτερα μετά από στίλβωση) και οι πολύ καλές
μηχανικές ιδιότητες (π.χ. θλιπτική αντοχή, αντοχή σε απότριψη). Μερικές από τις ιδιότητες των κυριοτέρων Ελληνικών μαρμάρων δίνονται στον Πίνακα 4.2 (Βιάζης 1995).
Τύπος μαρμάρου
Πεντέλης λευκό
Θάσου χιονόλευκο
Ajax λευκό
Βέροιας λευκό
Τρανοβάλτου λευκό
Ζάστενας λευκό
Νάξου κρυστάλλινο
Στενωπού λευκό
Αγίας Μαρίνας ημίλευκο
Καβάλας κρυστάλλινο
Φαλακρού όρους ημίλ.
Καναλιών ημίλευκο
Πάρνωνος ημίλευκο
Πάρου ημίλευκο
Cipollino verde antico
Πράσινο Τήνου imperiale
Πράσινο Λάρισας
Αλιβερίου γκρι
Ιωαννίνων μπεζ σπέσιαλ
Λυγουρίου μπεζ
Μυκηνών
Καρναζεΐκων
Σκύρου
Ερέτριας κόκκινο
Rosso antico Μάνης
Ερμιόνης κόκκινο-καφέ
Τροιζηνίας καφέ
Πτελεού ροζ
Βυτίνας μαύρο
Χίου καφέ
Όνυχας Κρήτης
Πυκνότητα Υδαταπορρο- Θλιπτική
(kg/m3)
φητικότητα αντοχή
(% κ.β.)
(MPa)
2710
0.06
109
2880
0.68
99
2825
0.62
98
2720
0.02
99
2710
0.08
93
2740
0.12
112
2710
0.13
108
2710
0.07
95
2710
0.12
86
2730
0.05
73
2650
0.06
97
2720
0.22
86
2720
0.06
98
2770
0.14
91
2755
0.12
125
2670
0.48
128
2800
0.41
113
2715
0.10
95
2685
0.29
154
2755
0.11
92
2710
0.12
96
2710
0.26
98
2720
0.14
83
2685
0.28
111
2710
0.13
128
2710
0.14
97
2700
0.30
92
2630
0.06
121
2800
0.06
94
2720
0.08
105
2700
0.09
73
Εφελκυστική αντο- Αντοχή σε
χή από κάμψη
απότριψη
(MPa)
(mm)
26
4.33
19
5.66
22
5.88
21
6.94
29
4.44
32
4.79
25
4.81
15
7.97
16
5.58
13
6.96
18
5.84
19
5.76
28
6.45
18
6.14
24
5.72
34
3.21
24
2.50
17
2.94
38
3.00
18
6.12
14
4.25
14
3.22
14
5.12
14
3.93
32
7.47
16
3.83
14
4.35
32
7.12
19
3.76
23
3.78
18
6.68
Πίνακας 4.2: Φυσικές και μηχανικές ιδιότητες Ελληνικών μαρμάρων.
Οι φυσικοί λίθοι σήμερα βρίσκουν σχετικά λίγες εφαρμογές ως "αυτοδύναμα" υλικά
δόμησης σε κατασκευές που φέρουν φορτία. Μία από αυτές αφορά τη χρήση τους υπό
μορφή λιθοσωμάτων σε κατασκευές από φέρουσα τοιχοποιία (τα λιθοσώματα, γενικά,
μελετώνται στο Κεφάλαιο 9 και η τοιχοποιία στο Κεφάλαιο 10). Οι σχετικές προδιαγραφές για τα φυσικά αυτά λιθοσώματα δίνονται στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 771-6.
Το σημαντικότερο προϊόν των φυσικών λίθων αποτελούν τα αδρανή υλικά. Τα
αδρανή (χαλίκι, άμμος), που αποτελούν βασικό συστατικό του σκυροδέματος, προέρχονται κατά κανόνα από ιζηματογενή πετρώματα, που καλύπτουν το 75% της επιφάνειας
του στερεού φλοιού της γης (έναντι 25% περίπου για τα πυριγενή). Η μελέτη τους γίνεται λεπτομερειακά στο Κεφάλαιο 6.
Φυσικοί Λίθοι
41
4.3. Βιβλιογραφία
BPR (U.S.A. Bureau of Public Roads Manual) (1950), The Identification of Rock Types.
Βιάζης, Γ. Α. (1995). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, Αθήνα.
European Standard prEN 771-1 (1992). Specification for Masonry Units - Part 6: Natural
Stone Masonry Units, European Committee for Standardization.
Λεγάκις, A. A. (1992). Δομικά Υλικά, τόμ. 1, Ίδρυμα Ευγενίδου, Βιβλιοθήκη του Τεχνικού, Αθήνα.
Σίδερης, Κ. Κ. (1984). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, τόμ. Α', Δημοκρ. Πανεπ. Θράκης,
Ξάνθη.
Wendehorst, R. (1975). Baustoffkunde, Verlag, Hannover.
42
5. Κονίες και Κονιάματα
5.1. Κονίες, Γενικά
Κονίες είναι τα υλικά τα οποία όταν αναμιχθούν και υποστούν κατεργασία υπό ορισμένες αναλογίες με ένα ρευστό μέσο (συνήθως νερό) μεταβάλλονται σε εύπλαστο
πολτό με συγκολλητικές ιδιότητες. Ο πολτός αυτός αποτελεί μετά την πήξη και σκλήρυνση το συνδετικό υλικό των κονιαμάτων (π.χ. τσιμεντοκονίαμα, ασβεστοκονίαμα). Με τον
όρο πήξη εννοούμε το φαινόμενο (που οφείλεται σε ξήρανση ή σε φυσικούς, χημικούς ή
φυσικοχημικούς παράγοντες) κατά τη διάρκεια του οποίου ο πολτός μετατρέπεται από
εύπλαστη μάζα σε υλικό με κάποια στερεότητα και μηχανική αντοχή. Κατά την αρχική
πήξη ο πολτός έχει χάσει το μεγαλύτερο μέρος της πλαστικότητάς του και το μεγαλύτερο μέρος από τις συγκολλητικές του ιδιότητες, ενώ κατά την τελική πήξη ο πολτός αρχίζει να εμφανίζει μηχανική αντοχή. Με τον όρο σκλήρυνση εννοούμε το φαινόμενο που
ακολουθεί χρονικά την πήξη και κατά τη διάρκεια του οποίου ο πολτός μεταβάλλεται σε
στερεό σώμα αποκτώντας την (σχεδόν) τελική του αντοχή.
Ανάλογα με τη συμπεριφορά τους προς το νερό μετά την σκλήρυνση, οι κονίες κατατάσσονται σε: (α) Αερικές (άργιλος, πηλός, υδράσβεστος, μαγνησιακή άσβεστος, δολομmκή άσβεστος, μαγνησιακή κονία, γύψος), οι οποίες πήζουν και σκληρύνονται στον
ατμοσφαιρικό αέρα και συντηρούνται μόνο στο περιβάλλον αυτού, ενώ διαλύονται στο
νερό ή ακόμα και σε υγρό περιβάλλον (β) Υδραυλικές (υδραυλική άσβεστος, ρωμαϊκή
κονία, ποζολανικές κονίες, τσιμέντα), οι οποίες μετά τη σκλήρυνσή τους συντηρούνται
σε νερό ή περιοδικά υγραινόμενο περιβάλλον και άρα είναι αδιάλυτες στο νερό. Η
υδραυλικότητα οφείλεται σε συστατικά όπως τα οξείδια του πυριτίου (SiΟ2), του αργιλίου
(ΑΙ2O3) και του σιδήρου (Fe2Ο3). Η σκλήρυνση των υδραυλικών κονιών είναι φυσικοχημική διεργασία κατά την οποία τα ένυδρα των διαφόρων φάσεων παρουσιάζουν κατά
μεγάλο μέρος κολλοειδή μορφή που μετατρέπεται με την πάροδο του χρόνου σε μικροκρυσταλλική, σε αντίθεση με τις αερικές κονίες, στις οποίες η σκλήρυνση παρουσιάζεται
ευθύς εξ αρχής σε κρυσταλλική μορφή.
Τέλος, ανάλογα με την προέλευσή τους οι κονίες διακρίνονται σε φυσικές, οι οποίες χρησιμοποιούνται αυτούσιες όπως συναντώνται στη φύση (π.χ. πηλός, ποζαλανικές
κονίες) και σε τεχνητές, οι οποίες παρασκευάζονται βιομηχανικά (π.χ. τσιμέντο, άσβεστος, γύψος).
5.2. Αερικές Κονίες
5.2.1.
Άργιλος, Πηλός
Η άργιλος, που αποτελεί το κύριο συστατικό όλων των πρώτων υλών για την παρασκευή προϊόντων όπτησης και όλων των πυρίμαχων επιχρισμάτων, είναι μίγμα διαφόρων ορυκτών σε μορφή πλακοειδών κόκκων με μέγιστη διάμετρο 2μm. Τα ορυκτά
αυτά είναι κυρίως ένυδρες πυριτικές ενώσεις του αργιλίου αναμιγμένες με οξείδια του σιδήρου και άλλες προσμίξεις που καθορίζουν το χρώμα, και προέρχονται από την αποσάρθρωση πυριτικών πετρωμάτων, όπως για παράδειγμα ο καολίνης (που προέρχεται
από τους άστριους και σε καθαρή μορφή έχει το χημικό τύπο 2SiO2▪AI2O3▪2H2O ή
Κονίες και Κονιάματα
43
S2AH2), ο μοντμοριλλονίτης, ο ιλλίτης και ο αλλοϋσίτης.
Το μίγμα αργίλου και λεπτής άμμου ονομάζεται πηλός, και όταν αναμιχθεί με κατάλληλη ποσότητα νερού σχηματίζει πολτό μεγάλης πλαστικότητας. Η πήξη και σκλήρυνση του πολτού οφείλεται στην εξάτμιση του νερού και χαρακτηρίζεται από συστολή
που είναι ανάλογη της περιεκτικότητας σε άργιλο. Ο διαποτισμός του πηλού με νερό
επαναφέρει το υλικό στην αρχική κατάσταση πλαστικότητας. Το υλικό αυτό αποτελεί την
πρώτη ύλη για την κατασκευή πλίνθων και προϊόντων κεραμευτικής.
5.2.2.
Άσβεστος
Άσβεστος (ή κεκαυμένη άσβεστος ή καυστική άσβεστος) ονομάζεται το οξείδιο του
ασβεστίου, CaO (χρώματος λευκού), το οποίο προέρχεται από τη διάσπαση του ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3 → CaO + C02) στους 900 °C περίπου, με απαιτήσεις θερμότητας της τάξης των 880 Wh/kg CaO. To CaCO3 είναι το κύριο συστατικό των ασβεστόλιθων, οι οποίοι περιέχουν και ξένες προσμίξεις, όπως π.χ. MgO, SiO2, ΑΙ2O3, Fe2O3. Η
όπτηση του ασβεστολίθου γίνεται στις ασβεστοκάμινους. Η απώλεια του CO2 στην παραπάνω αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός μεγάλου δικτύου τριχοειδών
πόρων, το οποίο δημιουργεί πορώδες μέχρι και 55% και καθιστά τη μάζα σπογγώδη
(Σίδερης 1984).
Η άσβεστος έχει μεγάλη χημική συγγένεια με το νερό και λόγω του μεγάλου πορώδους μπορεί να προσλαμβάνει νερό με έκλυση μεγάλης ποσότητας θερμότητας (320
Wh/kg CaO) κατά την αντίδραση: CaO + Η2O → Ca(OH)2. Το αποτέλεσμα της αντίδρασης ονομάζεται υδράσβεστος. Η αντίδραση της ενυδάτωσης ονομάζεται σβέση και η ταχύτητα της σβέσης προσδιορίζει τη δραστικότητα της ασβέστου. Η θερμοκρασία πύρωσης είναι καθοριστική για την τελική δομή της ασβέστου και κατά συνέπεια για την ταχύ τητα της σβέσης. Για θερμοκρασίες πύρωσης 800-900 °C, 900-1050 °C και >1050 °C το
πορώδες της ασβέστου είναι 45-55%, 35-45% και <35%, αντίστοιχα, ενώ η παραγόμενη
άσβεστος χαρακτηρίζεται ταχείας, ημιταχείας και βραδείας σβέσης, αντίστοιχα. Σημειώνεται ότι με την αύξηση της ταχύτητας σβέσης μειώνονται οι διαστάσεις των ένυδρων τεμαχιδίων της υδρασβέστου και άρα βελτιώνεται η ποιότητά της, δηλαδή αυξάνεται η πλαστικότητα, που επιτρέπει την εύκολη και σωστή κατεργασία των ασβεστοκονιαμάτων.
Η σβέση της ασβέστου μπορεί να είναι υγρή ή ξηρή, οπότε η υδράσβεστος που
προκύπτει είναι πολτός (ασβεστοπολτός) που περιέχει συνήθως 35-40% κ.β. στερεή
ύλη ή ξηρή σκόνη με μικρά υπολείμματα υγρασίας (<1% κ.β.), αντίστοιχα. Στην υγρή
σβέση ο λόγος νερού/άσβεστο είναι περίπου 3:1 κ.β., και εξαρτάται κυρίως από τη δραστικότητα και το ποσοστό των ξένων προσμίξεων. Το μίγμα αναδεύεται για 15 περίπου
λεπτά και κατόπιν προστίθεται νερό σε αναλογία 20% Ca(OH)2 και 80% νερό (κ.β.) για
να δημιουργηθεί γάλα ασβέστου, το οποίο αποθηκεύεται σε λάκκους. Στη φάση αυτή,
που λέγεται ψύραση του πολτού υδρασβέστου και διαρκεί 15-20 ημέρες, συνεχίζεται η
σβέση και βελτιώνεται η λεπτότητα, η οποία προσδίδει στον ασβεστοπολτό πλαστικότητα. Θεωρείται ότι η φύραση έχει πρακτικώς συμπληρωθεί όταν εμφανιστούν στην επιφάνεια του ασβεστοπολτού ρωγμές πλάτους περίπου 1 cm. Το στάδιο της φύρασης
απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή, γιατί τυχόν μη σβησμένοι κόκκοι (ιδιαίτερα ασβέστου βραδείας σβέσης) μετατρέπονται σε Ca(OH)2 μετά την παρασκευή των επιχρισμάτων, και
λόγω της διόγκωσης που επακολουθεί προκαλούν ζημιές στα κονιάματα. Για την ξηρή
σβέση η θεωρητικά απαιτούμενη ποσότητα του προστιθέμενου νερού είναι ίση με 32%
του βάρους της ασβέστου. Λόγω όμως της αύξησης της θερμοκρασίας σε υψηλά επίπεδα σημαντική ποσότητα νερού εξατμίζεται, με αποτέλεσμα το νερό που χρειάζεται τελικά
να ανέρχεται στο διπλάσιο περίπου της θεωρητικής ποσότητας.
44
Ο ασβεστοπολτός αποτελείται από λεπτότατα σωματίδια που δεν υπερβαίνουν τα
2 μm. Κατά την ξήρανσή τους τα σωματίδια αυτά παρουσιάζουν δυνάμεις συνάφειας και
αναπτύσσουν σημαντική αντοχή. Η σκλήρυνση της υδρασβέστου επιτυγχάνεται με
ενανθράκωση του Ca(OH)2 κατά την αντίδραση: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (παρουσία H2O). Εξαιτίας της μικρής περιεκτικότητας του ατμοσφαιρικού αέρα σε CO2 (περίπου 0.03% κ.ό.) η παραπάνω αντίδραση προχωρεί πολύ αργά, με αποτέλεσμα να
διαρκεί αρκετούς μήνες (για τα επιχρίσματα). Οι κρύσταλλοι που σχηματίζονται κατά την
ενανθράκωση του Ca(OH)2 διαλύονται στο νερό (δηλαδή στην υγρασία) και κρυσταλλώνονται εκ νέου. Οι νέοι αυτοί κρύσταλλοι εμπλέκονται και συσσωματώνονται μεταξύ
τους, δίνοντας στα κονιάματα της ασβέστου μεγαλύτερη αντοχή (Σίδερης 1984).
Σημαντικά πλεονεκτήματα της αερικής κονίας ασβέστου αποτελούν η υψηλή πλαστικότητα, η υψηλή πρόσφυση και η μεγάλη ογκοσταθερότητα. Γι' αυτό και βρίσκει αρκετές εφαρμογές σε ασβεστοκονιάματα (υδράσβεστος και άμμος), ασβεστοτσιμεντοκονιάματα (τσιμέντο, υδράσβεστος και άμμος) γυψασβεστοκονιάματα (υδράσβεστος, γύψος και άμμος), θηροκονιάματα (υδράσβεστος, θηράίκή γη και άμμος) και γαλακτώματα
υδροχρωματισμών (υδράσβεστος, νερό και ενδεχομένως κόλλα). Εκτός από την παρασκευή υδρασβέστου, η κεκαυμένη άσβεστος χρησιμοποιείται για την παρασκευή ασβεστοπυριτικών πλίνθων (CaO και πυριτική άμμος) και αεριοσκυροδεμάτων (CaO, τσιμέντο, λεπτοαλεσμένη πυριτική άμμος και αερακτικό, όπως π.χ. η σκόνη αλουμινίου).
5.2.3.
Μαγνησιακή Άσβεστος, Δολομmκή Άσβεστος
Παρασκευάζονται με πύρωση μαγνησιακών και δολομmκών ασβεστόλιθων. Η
ύπαρξη MgO στις ασβέστους αυτές επιφέρει μείωση της δραστικότητάς τους και αλλοίωση του χρώματος τους από άσπρο σε γκρι. Τα αντίστοιχα κονιάματα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στην προσβολή από καιρικές συνθήκες, ενώ τα δολομmκά κονιάματα είναι λιγότερο κατάλληλα για επιχρίσματα λόγω της αρκετά αργής πήξης και σκλήρυνσής τους.
5.2.4.
Μαγνησιακή Κονία
Ονομάζεται και κονία Sorel, και παρασκευάζεται με πύρωση του μαγνησίτη (μεγάλα αποθέματα του οποίου συναντώνται στην Εύβοια) σε θερμοκρασία 700-800 °C,
σύμφωνα με την αντίδραση: MgCO3 → MgO + CO2. To MgO κονιοποιείται και αναμιγνύεται με υδατικό διάλυμα MgCI2, και το μίγμα μετατρέπεται σε σκληρή μάζα η οποία επιδέχεται λείανση. Περίσσεια MgCI2 προκαλεί υγροσκοπικότητα, ενώ προσθήκη μικρότερης από την απαιτούμενη ποσότητας MgCI2 μετατρέπει τη μάζα σε πορώδη.
Τα κονιάματα με βάση τη μαγνησιακή κονία περιέχουν συνήθως οργανικές ή ανόργανες ύλες (π.χ. πριονίδι, τεμαχίδια φελλού, κισσηρόσκονη) και παρουσιάζουν μεγάλη
σταθερότητα όγκου. Το κονίαμα με πριονίδι και κονία Sorel έχει τύχει εφαρμογής στην
παρασκευή πλακών επιστρώσεων και επενδύσεων, και στην κατασκευή δαπέδων χωρίς αρμούς. Δομικά προϊόντα από τέτοια κονιάματα είναι γνωστά και ως "ξυλόλιθοι".
5.2.5.
Γύψος
Όπως και η άσβεστος, η γύψος ανήκει στις παλαιότερες κονίες και έχει χρησιμοποιηθεί ευρύτατα από την αρχαιότητα (ο αρχαίος φιλόσοφος Θεόφραστος, 327 - 287
π.Χ., αφιερώνει ένα ολόκληρο κεφάλαιο για τη γύψο στην πραγματεία του "Περί λίθων").
Όλα τα είδη γύψου παρασκευάζονται με όπτηση σε διάφορες θερμοκρασίες πετρώματος γύψου (φυσική γύψος), που βρίσκεται στη φύση στη μορφή ένυδρου θειϊκού ασβεστίου (CaSO4▪2H2O) με διάφορες προσμίξεις (CaCO3, MgCO3, SiO2, ΑΙ2O3, Fe2O3
Κονίες και Κονιάματα
45
κ.τ.λ.). Πριν από μία δεκαετία περίπου η παγκόσμια ποσότητα εξόρυξης γύψου ανερχόταν περίπου σε 70 εκατ. τόνων ετησίως (Σακούλας 1993), ενώ οι σημερινές ποσότητες είναι ακόμα μεγαλύτερες. Τα καλύτερα κοιτάσματα γύψου βρίσκονται στην περιοχή
του Παρισιού, ενώ στη χώρα μας πλούσια κοιτάσματα βρίσκονται στη Δυτική Ελλάδα,
στην Κρήτη και στα Δωδεκάνησα.
Το προϊόν της όπτησης φυσικής γύψου σε 125-180 °C ονομάζεται πλαστική γύψος (CaSO4▪½H2O). Έχει πυκνότητα 2600-2700 kg/m3 και διατίθεται σε μορφή λευκής
σκόνης. Όταν αναμιχθεί με ποσότητα νερού 60-80% περίπου του βάρους της σχηματίζει
πλαστικό και εργάσιμο πολτό που πήζει και σκληρύνεται (λόγω κρυστάλλωσης του σχηματιζόμενου CaSO4▪2H2O) σε διάστημα μερικών λεπτών (10-30 λεπτά), με ταυτόχρονη
αύξηση της θερμοκρασίας και του όγκου του κατά 1% περίπου του αρχικού όγκου.
Ανάλογα με το λόγο νερού προς γύψο, το τελικό προϊόν έχει θλιπτική αντοχή της τάξης
των 5-15 MPa και εφελκυστική αντοχή 2-7 MPa, λόγω δε της διαλυτότητάς του στο νερό
χρησιμοποιείται μόνο σε εφαρμογές εσωτερικών χώρων. Τέτοιες είναι, για παράδειγμα,
τα ασβεστογυψοκονιάματα, όπου η παρουσία γύψου επιταχύνει την πήξη, οι διακοσμητικοί λίθοι και οι γυψοσανίδες, που η χρήση τους είναι ιδιαίτερη αυξανόμενη τα τελευταία
χρόνια στην κατασκευή ψευδοροφών, διαχωριστικών τοίχων, επιχρισμάτων τοίχων
κ.τ.λ. Περισσότερες λεπτομέρειες ειδικά για τις γυψοσανίδες δίνονται π.χ. στο άρθρο
του Σακούλα (1993).
Σπανιότερα χρησιμοποιείται και η κονία ανυδρίτη ή τραχεία γύψος (CaSO4), που
παρασκευάζεται με λεπτή άλεση ανυδρίτη (φυσική άνυδρη γύψος) ή από την όπτηση
φυσικής γύψου γύρω στους 1000 °C. Έχει πυκνότητα 2800-2900 kg/m3 και διατίθεται
(μόνο από το εξωτερικό) σε μορφή σκόνης με χρώμα κίτρινο έως κόκκινο. Με 40-50%
κ.β. νερό παρέχει πολτό που πήζει βαθμιαία μετά από αρκετές ημέρες χωρίς να προκαλείται αύξηση της θερμοκρασίας και μεταβολή του όγκου. Το τελικό προϊόν έχει περίπου
διπλάσιες αντοχές από την πλαστική γύψο και έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή
υποστρωμάτων δαπέδων ή δαπέδων χωρίς αρμούς (Κορωναίος 1985).
5.3. Υδραυλικές Κονίες
5.3.1.
Υδραυλική Ασβεστος
Η υδραυλική άσβεστος παρασκευάζεται από την όπτηση αργιλούχων ασβεστόλιθων σε καμίνια συνεχούς λειτουργίας και σε θερμοκρασία 1000-1200 °C. Το προϊόν
σβήνεται (ξηρή σβέση) και διατίθεται στην αγορά σε μορφή σκόνης τεφρού χρώματος.
Λόγω της μεγάλης περιεκτικότητας σε ελεύθερη άσβεστο, η υδραυλική άσβεστος
σπάνια χρησιμοποιείται αυτούσια για υδραυλικά κονιάματα, αλλά συνήθως αναμιγνύεται
με ποζολάνες (το ελεύθερο SiO2 των οποίων δεσμεύει την ελεύθερη άσβεστο). Είναι γενικά προϊόν με λιγοστές χρήσεις και σήμερα έχει εκτοπιστεί από το τσιμέντο.
5.3.2.
Ρωμαϊκή Κονία
Ονομάζεται και υδραυλική άσβεστος υψηλής υδραυλικότητας, προέρχεται δε από
την όπτηση αργιλούχων ασβεστόλιθων, με 40% περίπου άργιλο, στις ίδιες περίπου
συνθήκες όπως η υδραυλική άσβεστος. Το όνομά της προέρχεται από τους Ρωμαίους
που την χρησιμοποίησαν σε δομικά έργα όπως υδραγωγεία, θέατρα κ.ά. Κύριο χαρακτηριστικό της κονίας αυτής είναι η ταχεία πήξη, η οποία αρχίζει σε 15-30 min και τελειώνει σε 60 min περίπου. Στην Ελλάδα δεν παρασκευάζεται ούτε χρησιμοποιείται,
αλλά και διεθνώς έχει αντικατασταθεί ουσιαστικά από το τσιμέντο.
46
5.3.3.
Ποζολανικές Κονίες
Η ονομασία ποζολάνη προήλθε από την περιοχή Pozzuoli της Ιταλίας, όπου οι
Ρωμαίοι είχαν ανακαλύψει ότι το έδαφος παρουσίαζε υδραυλικές ιδιότητες και το χρησιμοποιούσαν στα κονιάματά τους (Ρωμαϊκή κονία). Σήμερα ποζολάνες ονομάζονται οι
λεπτότατες κονίες πυριτικής σύστασης (SiO2) με οξείδια του αργιλίου, του σιδήρου, του
ασβεστίου κ.ά. σε μικρότερη αναλογία. Ενώ χαρακτηρίζονται από σχετικά μικρή υδραυλικότητα, οι ποζολάνες ενυδατώνονται όπως και τα τσιμέντα όταν αναμιχθούν με κάποιο
φυσικό διεγέρτη (π.χ. άσβεστος, γύψος, τσιμέντο). Κατά την ενυδάτωσή τους, που ονομάζεται ποζολανική αντίδραση, αντιδρούν χημικά (με αργό σχετικά ρυθμό) με το υδροξείδιο του ασβεστίου σχηματίζοντας παρόμοια προϊόντα με αυτά της ενυδάτωσης του
τσιμέντου (ένυδρες ασβεστοπυριτικές ενώσεις).
Χωρίζονται σε φυσικές ποζολάνες, όπως είναι οι ηφαιστειογενείς (π.χ. θηραϊκή γη,
Μηλαϊκή γη) και οι ιζηματογενείς (π.χ. γη διατομών), και σε τεχνητές ποζολάνες, που
προέρχονται από την θερμική κατεργασία αργού υλικού που περιέχει CaO και υδραυλικούς παράγοντες, όπως είναι η ιπτάμενη τέφρα (η οποία λαμβάνεται από τα φίλτρα των
εργοστασίων ηλεκτρικής ενέργειας με καύσιμη ύλη το λιγνίτη) και η σκωρία υψικαμίνου.
Τέτοιες κονίες χρησιμοποιούνται πολλές φορές ως πρόσθετα του τσιμέντου ή του σκυροδέματος, γι' αυτό και λεπτομερέστερη περιγραφή τους δίνεται στο επόμενο κεφάλαιο.
5.3.4.
Φυσικό Τσιμέντο
Παρασκευάστηκε μετά τη Ρωμαϊκή κονία και αποτελεί τον πρόδρομο του τεχνητού
τσιμέντου (Portland). Προέρχεται από την όπτηση αργιλούχων ασβεστόλιθων με περιεκτικότητα 20-25% κ.β. σε άργιλο. Το προϊόν της όπτησης αλέθεται σε λεπτή σκόνη και
αποτελεί το φυσικό τσιμέντο. Λόγω της έλλειψης σταθερότητας στη σύσταση των πετρωμάτων που έχουν χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή φυσικού τσιμέντου, οι ιδιότητες του τελευταίου υπολείπονται αυτών των τεχνητού και γι' αυτό το φυσικό τσιμέντο σήμερα ουσιαστικά δεν χρησιμοποιείται.
5.3.5.
Τεχνητά Τσιμέντα
Τα τεχνητά τσιμέντα είναι αυτά που σήμερα μονοπωλούν την αγορά τσιμέντων.
Αποτελούν την κονία του σκυροδέματος, γι' αυτό και η λεπτομερής και εκτεταμένη περιγραφή τους αναβάλλεται για το επόμενο κεφάλαιο.
5.4. Κονιάματα
5.4.1.
Γενικά, Ταξινόμηση, Ιδιότητες
Κονίαμα ονομάζεται γενικά κάθε μίγμα μίας ή περισσοτέρων κονιών με άμμο (διαμέτρου συνήθως μέχρι 4 mm) και νερό. Με βάση τη χρήση τους, τα κονιάματα διακρίνονται σε κονιάματα φερόντων δομικών στοιχείων (π.χ. λιθοδομές, οπτοπλινθοδομές) και
σε κονιάματα μη φερόντων δομικών στοιχείων (π.χ. κονιάματα επιχρισμάτων). Με βάση
τις ιδιότητες των κονιών στις οποίες βασίζονται, χωρίζονται κυρίως σε αερικά και
υδραυλικά, ενώ με βάση την ποσότητα της χρησιμοποιούμενης κονίας διακρίνονται σε
κανονικά (που περιέχουν όση κονία απαιτείται για να πληρωθούν τα κενά της άμμου),
ισχνά (στα οποία η χρήση μικρότερης από την κανονική ποσότητας κονίας οδηγεί σε μικρότερες αντοχές και έχει ως αποτέλεσμα επιφάνειες που "τρίβονται" σχετικά εύκολα)
και παχειά (που είναι πλούσια σε κονία με αποτέλεσμα να χαρακτηρίζονται από σημαντική συστολή λόγω ξήρανσης που προκαλεί ρωγμές στις επιφάνειες).
Κονίες και Κονιάματα
47
Το νερό των κονιαμάτων πρέπει να είναι καθαρό και ελεύθερο επιβλαβών προσμίξεων όπως τα οξέα, μερικά άλατα (π.χ. θειικά και χλωριούχα) και τα σάκχαρα. Το θαλασσινό νερό καλό είναι να αποφεύγεται, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις επιχρισμάτων, όπου
τα άλατα μπορεί να διαλυθούν στο νερό της βροχής και να σχηματίσουν εξανθήματα
(Taylor 1983). Η άμμος, φυσική ή τεχνητή (θραυστή) που θα χρησιμοποιηθεί για την
παρασκευή κονιαμάτων πρέπει να προέρχεται από υγιή και ανθεκτικά πετρώματα και
να μην περιέχει σκουριές, μαρμαρυγία, απολιθώματα, βιομηχανικά απορρίμματα και
ποσότητες παιπάλης (πολύ λεπτή σκόνη, που περιγράφεται λεπτομερέστερα στην
ενότητα περί αδρανών του επομένου κεφαλαίου) πάνω από 5-6% κ.β. (Λεγάκις 1992).
Η κοκκομετρική διαβάθμιση της άμμου πρέπει να έχει περιεκτικότητα λεπτών υλικών
(διαμέτρου < 0.25 mm) 10-25% κ.β. και μέγιστη διάμετρο το πολύ ίση με το 1/3 του
πάχους του κονιάματος (Wendehorst 1975).
Τα κυριότερα κονιάματα είναι τα εξής (π.χ. Δαπόντε 1991): (α) τσιμεντοκονιάματα
(χρησιμοποιούνται, μεταξύ άλλων, για την παρασκευή σκυροδέματος) (β) ασβεστοκονιάματα (με αναλογία υδρασβέστου προς άμμο περίπου 1:1.5-2.5 για επιχρίσματα,
1:2.5-3 για οπτοπλινθοδομές και 1:3-4 για αργολιθοδομές, και θλιπτική αντοχή γύρω
στο 0.5-1 MPa) (γ) ασβεστοτσιμεντοκονιάματα (δ) θηροκονιάματα (έχουν βάση τη θηραϊκή γη και την άσβεστο ή το τσιμέντο και χρησιμοποιούνται γενικά σε κατασκευές που
βρίσκονται σε υγρό περιβάλλον) (ε) ασβεστογυψοκονιάματα (δίνουν λείες επιφάνειες και
είναι κατάλληλα για εσωτερικά επιχρίσματα, έχουν δε τυπική αναλογία: 0.62 m3
υδράσβεστο, 0.38 m3 άμμο, 0.20 m3 νερό και 75 kg γύψο, για την παρασκευή 1 m3 νωπού κονιάματος) και (στ) μαρμαροκονιάματα (με κύριο αδρανές τη μαρμαρόσκονη και
κονία ασβέστου ή τσιμέντου και ενδεχομένως με μικρή ποσότητα γύψου).
Για την κατασκευή τοιχοδομών σήμερα χρησιμοποιούνται μόνο τσιμεντοκονιάματα ή ασβεστοτσιμεντοκονιάματα, τα οποία σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 6 (Eurocode
No. 6 1994) διακρίνονται σε κονιάματα γενικής εφαρμογής (με πυκνότητα γύρω στα
1900-2100 kg/m3), σε κονιάματα λεπτής στρώσης (πάχους 1-3 mm) και σε ελαφροκονιάματα (σε αυτά αντί κανονικής άμμου χρησιμοποιείται λεπτόκοκκη κίσσηρη, περλίτης,
ή άλλο ελαφρύ αδρανές, με αποτέλεσμα η πυκνότητα του ξηρού κονιάματος να μην ξεπερνά τα 1500 kg/m3). Σύμφωνα πάντοτε με τον παραπάνω κανονισμό, τα κονιάματα
τοιχοδομών ταξινομούνται είτε βάσει της αντοχής τους, οπότε χαρακτηρίζονται από το
γράμμα Μ (mortar = κονίαμα) και τη χαρακτηριστική τους αντοχή σε θλίψη (δηλαδή αυτή
με πιθανότητα υποσκελισμού 5%), είτε βάσει της σύστασής τους, π.χ. 1:1:5
τσιμέντο:άσβεστος:άμμος. Οι κατηγορίες αντοχής είναι: Μ1, Μ2.5, Μ5, Μ7.5, Μ10,
Μ12.5, Μ15, Μ20 και Μ30. Οι κατώτατες ποιότητες κονιαμάτων για άοπλη τοιχοποιία,
για αρμούς με οπλισμό και για (άοπλους) αρμούς οπλισμένης τοιχοποιίας είναι M1,
Μ2.5 και Μ5, αντίστοιχα. Περισσότερες λεπτομέρειες για τις προδιαγραφές κονιαμάτων
τοιχοδομών δίνονται στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 998-2. Στον Πίνακα 5.1 δίνονται ενδεικτικά συνιστώμενες αναλογίες όγκων για την επίτευξη της αντίστοιχης ποιότητας κονιάματος για φέρουσες τοιχοποιίες.
Σχετικά με τη συμπεριφορά των ασβεστοτσιμεντοκονιαμάτων σε τοιχοδομές, τα
παρακάτω αξίζουν ιδιαίτερης μνείας: (α) Αύξηση του ποσοστού τσιμέντου αυξάνει την
αντοχή, το μέτρο ελαστικότητας, την πυκνότητα, την ανθεκτικότητα σε διάρκεια αλλά και
τη συστολή λόγω ξήρανσης (αναλύεται λεπτομερώς στο επόμενο κεφάλαιο), ενώ
μειώνει την πλαστιμότητα. (β) Κονιάματα με καλά διαβαθμισμένη θραυστή άμμο μπορεί
να δώσουν υψηλές αντοχές, μικρή διαπερατότητα, ικανοποιητική πρόσφυση αλλά και
μικρή εργασιμότητα, ενώ αυτά με λεπτόκοκκη και σχετικά λεία άμμο δίνουν μεγάλη εργασιμότητα, αλλά γενικά μικρές αντοχές και μειωμένη ικανότητα πρόσφυσης, (γ) Η προσθήκη ασβέστου (αντί τσιμέντου) μειώνει το κόστος, αυξάνει την πλαστικότητα, την ικανότητα πρόσφυσης και την ικανότητα συγκράτησης νερού (περιορίζοντας την απορ-
48
ρόφησή του από τις πλίνθους), ενώ μειώνει τη θλιπτική αντοχή και γενικά την ανθεκτι κότητα σε διάρκεια.
Ποιότητα
κονιάματος
Μ2.5
Μ5
Μ10
Μ20
Χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή (MPa)
2.5
5
10
20
Τσιμέντο Άσβεστος Άμμος
1
1
1
1
3
2
0.5
--
9
6
5
3
Πίνακας 5.1: Κατ' όγκον αναλογίες των συστατικών κονιαμάτων τοιχοδομών.
Τα κονιάματα επιχρισμάτων είναι ουσιαστικά ασβεστοκονιάματα στα οποία έχει
προστεθεί τσιμέντο (για την 1η και τη 2η στρώση, δηλαδή το "πεταχτό" και το "χονδρό")
ή μαρμαρόσκονη σε συνδυασμό με λευκό τσιμέντο (για την 3η στρώση, δηλαδή το "λεπτό"). Η αντοχή των επιχρισμάτων παίζει γενικά δευτερεύοντα ρόλο. Μεγαλύτερη σημασία έχει η πρόσφυση, η αποφυγή ρηγματώσεων και, ειδικότερα στα εξωτερικά επιχρίσματα, η υδατοστεγανότητα. Η αρχή πάντως που ακολουθείται στο σχεδιασμό κονιαμάτων για επιχρίσματα είναι ότι οι κατώτερες στρώσεις γίνονται με ισχυρότερα στρώματα από τις επόμενες. Ενδεικτικές ελάχιστες ποσότητες τσιμέντου ανά 1 m3 κονιάματος
είναι τα 250 kg για το πεταχτό και το χονδρό εξωτερικών επιφανειών, και τα 100 kg για
το χονδρό εσωτερικών επιφανειών και το λεπτό. Στοιχεία για τη διάμετρο των κόκκων
της άμμου σε κονιάματα επιχρισμάτων δίνονται στον Πίνακα 5.2 (Wendehorst 1975). Η
πρόσφυση των κονιαμάτων στην επιφάνεια των δομικών στοιχείων οφείλεται κατά κύριο
λόγο σε μηχανική εμπλοκή και όχι στη δημιουργία χημικών δεσμών. Έτσι, πορώδεις και
τραχειές επιφάνειες δημιουργούν ισχυρότερη πρόσφυση, αλλά ταυτόχρονα ασκούν
εντονότερη απορρόφηση του νερού των κονιαμάτων. Γι' αυτό συνιστάται πριν από την
εφαρμογή του κονιάματος οι επιφάνειες να διαβρέχονται.
Χρήση κονιάματος Είδος επιχρίσματος
Εξωτερικά επιχρίσματα 1 η στρώση (πεταχτό)
2η στρώση (χονδρό)
3η στρώση (λεπτό)
Εσωτερικά επιχρίσματα 1 η στρώση (πεταχτό)
2η στρώση (χονδρό)
3η στρώση (λεπτό)
Κοκκομετρική διαβάθμιση της άμμου (mm)
0-7
0-5
0-3 έως 0-7
0-3 έως 0-7 (0.5 για οροφές)
0-3
0-1 έως 0-2
Πίνακας 5.2: Διάμετρος κόκκων της άμμου κονιαμάτων για επιχρίσματα.
Μία ειδική κατηγορία κονιαμάτων αποτελούν και τα οργανικά κονιάματα, τα οποία
παρασκευάζονται από ειδικές κονίες οργανικής σύστασης (π.χ. ακρυλικές), λεπτόκοκκα
αδρανή (συνήθως άμμο, αλλά όχι κατ' ανάγκη) και υγρό επεξεργασίας που μπορεί να
είναι νερό ή οργανικής προέλευσης. Σε αυτά υπάρχει ακόμα η δυνατότητα η ίδια η "κονία" να είναι σε υγρή φάση και να παίζει το ρόλο του υγρού επεξεργασίας. Συνήθης τύπος τέτοιων κονιαμάτων είναι τα ρητινοκονιάματα, τα οποία αποτελούνται από κάποια
πολυμερική ρητίνη (π.χ. εποξειδική) και άμμο, και έχουν ως κύριο χαρακτηριστικό τις
εξαιρετικές συγκολλητικές ιδιότητες, τις υψηλές αντοχές (σε θλίψη και εφελκυσμό) και
την πολύ καλή ανθεκτικότητα σε διάρκεια. Τέτοια κονιάματα βρίσκουν εφαρμογές στο
πεδίο των επισκευών και ενισχύσεων. Τα κονιάματα που χρησιμοποιούνται γενικώς στο
παραπάνω πεδίο χαρακτηρίζονται ως επισκευαστικά κονιάματα. Τα υλικά αυτά έχουν
συχνά ως βάση το τσιμέντο, αλλά περιέχουν και διάφορα υδατοδιαλυτά πρόσμικτα πολυμερικής σύστασης (π.χ. ακρυλικά υλικά), τα οποία προσδίδουν αυξημένη πρόσφυση,
αντοχή, σταθερότητα όγκου (συνεπώς δεν ρηγματώνονται) και ανθεκτικότητα σε διάρκεια.
5.4.2.
Μέθοδοι Μέτρησης Αντοχής
Κονίες και Κονιάματα
49
Η μέτρηση της αντοχής κονιαμάτων γίνεται αφενός βάσει πειραμάτων κάμψης
τριών σημείων σε πρισματικά δοκίμια (Σχ. 5.1.α), αφετέρου βάσει πειραμάτων θλίψης
στα τεμάχια που προκύπτουν από τη θραύση των παραπάνω δοκιμίων (Σχ. 5.1.β). Τα
δοκίμια, διαστάσεων 40x40x160 mm, φορτίζονται στο μέσον του ανοίγματος (που είναι
100 mm) με συγκεντρωμένο φορτίο, η μέγιστη τιμή του οποίου χρησιμοποιείται για τον
υπολογισμό της εφελκυστικής αντοχής από κάμψη (η τιμή αυτή καταγράφεται τη στιγμή
της θραύσης των πρισμάτων στο μέσον). Χρησιμοποιούνται τρία δοκίμια για τη μέτρηση
της εφελκυστικής αντοχής από κάμψη και άρα έξη για τη μέτρηση της θλιπτικής αντοχής. Περισσότερες λεπτομέρειες δίνονται στην Ευρωπαϊκή Προδιαγραφή ΕΝ 101511.100 mm
Σχ. 5.1: (α) Δοκιμή κάμψης τριών σημείων για τη μέτρηση της εφελκυστικής αντοχής (από κάμψη) και (β) δοκιμές θλίψης.
Κλείνοντας το κεφάλαιο αυτό τονίζεται ότι βασικά χαρακτηριστικά της δομής και
της συμπεριφοράς των κονιαμάτων και ιδιαίτερα των τσιμεντοκονιαμάτων, που αποτελούν τη συγκολλητική ύλη μεταξύ των χονδρών αδρανών του σκυροδέματος, θα κατανοηθούν πληρέστερα στο επόμενο κεφάλαιο, που είναι αφιερωμένο στο σκυρόδεμα.
5.5. Βιβλιογραφία
Δαπόντε, I. Α. (1991). Παραδόσεις Τεχνολογίας Δομικών Υλικών, τόμ. 3, Β' Έκδοση,
Παν. Θεσσαλονίκης.
Eurocode No. 6 (1994). Common Unified Rules for Masonry Structures.
Κορωναίος, Α. Γ. (1985). Τεχνικά Υλικά, τόμ. 1, Ε. Μ. Πολυτεχνείο, Αθήνα.
Λεγάκις, Α. Α. (1992). Δομικά Υλικά, τόμ. 1, Ίδρυμα Ευγενίδου, Βιβλιοθήκη του Τεχνικού, Αθήνα.
European Standard prEN 998-2 (1993). Specification for Mortar for Masonry - Part 2:
Masonry Mortar, European Committee for Standardization.
European Standard prEN 1015-11 (1993). Methods of Test for Mortar for Masonry · Part
11: Determination of Flexural and Compressive Strength of Hardened Mortar, European
Committee for Standardization.
Σακούλας, Π. (1993). Τεχνικά Χρονικά, τεύχος Νοεμβρ.-Δεκ., 39-72.
Σίδερης, Κ. Κ. (1984). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, τόμ. Α, Δημοκρ. Πανεπ. Θράκης,
Ξάνθη.
Taylor, G. D. (1983). Materials of Construction, 2nd edition, Construction Press,
London. Wendehorst, R. (1975). Baustoffkunde, Verlag, Hannover.
50
6. Σκυρόδεμα
6.1. Εισαγωγή
Το σκυρόδεμα είναι το υλικό που παρουσιάζει την ευρύτερη χρήση από όλα τα
άλλα δομικά υλικά τόσο στη χώρα μας όσο και διεθνώς, με παγκόσμια κατανάλωση που
κυμαίνεται γύρω στα 5.5 δισεκατομμύρια τόννους ετησίως (Mehta and Monteiro 1993)
και ετήσιο κύκλο εργασιών στη χώρα μας της τάξης των 20 δισεκατομμυρίων δραχμών.
Αυτό οφείλεται κυρίως στον εξαιρετικά ευνοϊκό συνδυασμό ιδιοτήτων και κόστους, και ειδικότερα: (α) στην εξαιρετική συμπεριφορά του υλικού στο νερό (ακόμα και σήμερα
σώζονται υδραγωγεία από σκυρόδεμα της Ρωμαϊκής εποχής) και γενικά στην πολύ μεγάλη ανθεκτικότητά του σε διάρκεια και σε περιβαλλοντικές επιδράσεις (β) στην ευκολία
με την οποία κατασκευές από σκυρόδεμα μορφώνονται σε μία τεράστια ποικιλία σχημάτων και μεγεθών και (γ) στο χαμηλό κόστος του, στη μεγάλη και άμεση διαθεσιμότητα
των συστατικών του και στη σχετικά χαμηλή ενέργεια που απαιτείται για την παρασκευή
του.
6.2. Δομή του Σκυροδέματος
Η δομή του σκυροδέματος (τύπος, ποσότητα, μέγεθος, σχήμα και κατανομή των
διαφόρων φάσεων) είναι εξαιρετικά ανομοιογενής και περίπλοκη, και ακόμα και σήμερα
δεν έχουν γίνει κατανοητές πλήρως οι σχέσεις δομής-ιδιοτήτων του υλικού. Παρόλα
αυτά, η κατανόηση των βασικών στοιχείων της δομής του σκυροδέματος θεωρείται ιδιαίτερα απαραίτητη για να εξηγηθούν οι διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν τις σημαντικότερες ιδιότητές του (αντοχή, ελαστικότητα, συστολή, ερπυσμός, ρηγμάτωση, ανθεκτικότητα σε διάρκεια).
Μία πρώτη μακροσκοπική εξέταση του υλικού (δηλαδή μέ γυμνό μάτι, οπότε διακρίνονται οι φάσεις με διαστάσεις περίπου μέχρι 0.2 mm) δείχνει ότι το σκυρόδεμα αποτελείται από αδρανή (άμμος, χαλίκι, σκύρα) διαφόρων σχημάτων και μεγεθών που είναι
συγκολλημένα μεταξύ τους μέσω του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού, που είναι το προϊόν της αντίδρασης του νερού με το τσιμέντο. Η πολυπλοκότητα της δομής του σκυροδέματος αποκαλύπτεται σε μικροσκοπικό επίπεδο (δηλαδή με παρατήρηση μέσω ηλεκτρονικού οπτικού μικροσκοπίου, οπότε επιτυγχάνεται μεγέθυνση μέχρι 10 5 περίπου),
όπου παρατηρούνται τα παρακάτω φαινόμενα: Πρώτον, διακρίνεται μία τρίτη φάση, η
μεταβατική ζώνη, η οποία αντιπροσωπεύει την περιοχή της διεπιφάνειας μεταξύ των μεγάλων αδρανών και του τσιμεντοπολτού και έχει πάχος 10-50 μm περίπου. Η ζώνη
αυτή είναι γενικά ασθενέστερη από τα προαναφερθέντα συστατικά του σκυροδέματος
και επηρεάζει σημαντικότατα τη μηχανική συμπεριφορά του. Δεύτερον, η κάθε μία από
τις παραπάνω τρεις φάσεις είναι από τη φύση της πολυφασική. Για παράδειγμα, τα
αδρανή αποτελούνται από διάφορα ορυκτά, μικρορωγμές και κενά, ενώ ο τσιμεντοπολτός αλλά και η μεταβατική ζώνη αποτελούνται από διάφορα στερεά σωματίδια, πόρους
και μικρορωγμές. Τρίτον, η δομή του σκυροδέματος δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται με το χρόνο, την υγρασία του περιβάλλοντος και τη θερμοκρασία. Οι διάφορες
φάσεις της δομής του σκυροδέματος περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω, ενώ περισσότερες λεπτομέρειες ειδικά για τα αδρανή και το τσιμέντο δίνονται σε επόμενες ενότη-
Σκυρόδεμα
51
τες.
6.2.1.
Αδρανή
Τα αδρανή (που ονομάζονται έτσι γιατί είναι χημικά αδρανή προς το τσιμέντο) καθορίζουν κυρίως το βάρος, το μέτρο ελαστικότητας και τη μεταβολή όγκου του σκυροδέματος. Ιδιαίτερα σημαντικοί παράγοντες για τις ιδιότητες του σκυροδέματος είναι το
πορώδες, το σχήμα και η υφή των αδρανών. Τα συλλεκτά αδρανή, που προέρχονται
απ' ευθείας από τη φύση ή με συλλογή από ρέμματα κ.τ.λ., είναι γενικά στρογγυλόμορφα με λεία επιφάνεια, ενώ τα θραυστά αδρανή, που προέρχονται από θραύση πετρωμάτων, είναι γενικά κυβόμορφα, γωνιώδη, πλακοειδή ή επιμήκη με τραχειά επιφάνεια.
Με εξαίρεση τα περισσότερα ελαφρά αδρανή με κυψελωτή δομή (π.χ. κίσσηρη), τα
αδρανή έχουν γενικά μεγαλύτερη αντοχή από' τις άλλες φάσεις του σκυροδέματος κι
έτσι δεν επηρεάζουν την αντοχή του άμεσα αλλά έμμεσα (μέσω του σχήματος και του
μεγέθους τους).
6.2.2.
Τσιμεντοπολτός
Ο τσιμεντοπολτός είναι το προϊόν της αντίδρασης του τσιμέντου με νερό. Το τσιμέντο τύπου Portland που χρησιμοποιείται στην Ελλάδα είναι βιομηχανικό προϊόν σε
μορφή γκριζοπράσινης σκόνης που αποτελείται από κόκκους διαστάσεων 1-50 μm. Παρασκευάζεται με άλεσμα σβώλων διαμέτρου λίγων εκατοστών που λέγονται κλίνκερ με
μικρή ποσότητα προσμίξεων (π.χ. γύψος, μηλαϊκή γη, θηραϊκή γη, ιπτάμενη τέφρα
κ.τ.λ.). Το κλίνκερ αποτελείται κυρίως από τέσσερεις βασικές σύνθετες χημικές ενώσεις
(άλατα) σε ποσοστά που πρέπει να βρίσκονται στα παρακάτω όρια και με την εξής χημική σύσταση: 40-80% C3S (πυριτικό τριασβέστιο, άσπρο), 0-30% C2S (πυριτικό διασβέστιο, άσπρο), 7-15% C3A (αργιλικό τριασβέστιο, άσπρο), και 4-15% C4AF (αργιλοσιδηρικό τετρασβέστιο, σκούρο καφέ ή γκριζοπράσινο), όπου χρησιμοποιούνται οι συντομογραφίες C = CaO, S = SiO2, A = ΑΙ2O3, F = Fe2O3 (Lea 1971).
Σχ. 6.1: Προσομοίωμα του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού.
Μερικά μόλις λεπτά μετά την ανάμιξη του τσιμέντου με το νερό κάνουν την εμφάνιση τους οι βελονοειδείς κρύσταλλοι του ένυδρου θειοαργιλικού ασβεστίου (κρύσταλλοι
ετρινγκίτη) και μερικές ώρες αργότερα σχηματίζονται οι μεγάλοι πρισματικοί κρύσταλλοι
υδροξειδίου του ασβεστίου, ενώ οι πολύ μικροί κρύσταλλοι ινώδους μορφής των ένυδρων του πυριτικού ασβεστίου αρχίζουν να γεμίζουν τον κενό χώρο που καλυπτόταν
52
από νερό και κόκκους τσιμέντου. Μερικές ημέρες αργότερα οι κρύσταλλοι ετρινγκίτη είναι πιθανόν να διασπαστούν σχηματίζοντας θειικά ένυδρα εξαγωνικής πλακοειδούς
μορφής. Η ίδια πλακοειδής μορφή είναι χαρακτηριστική και των ένυδρων του αργιλικού
ασβεστίου, τα οποία σχηματίζονται σε τσιμεντοπολτούς που προήλθαν από την ενυδάτωση τσιμέντου αυξημένου σε περιεκτικότητα C3A ή μειωμένου σε περιεκτικότητα θειικών.
Ένα σχηματικό προσομοίωμα των σημαντικότερων φάσεων του ενυδατωμένου
τσιμεντοπολτού δίνεται στο Σχ. 6.1, όπου Α παριστάνει συγκέντρωση της σχεδόν άμορφης μάζας σωματιδίων C-S-H, με ενδοσωματιδιακή απόσταση 0.5-3.0 nm, Η παριστάνει κρυστάλλους όπως π.χ. CH, C4ASH18 και C4AH19, πλάτους της τάξης του 1 μm (S
= SO3, Η = Η2O), και C παριστάνει τα τριχοειδή κενά (μεγέθους 10 nm έως 1 μm) που
παραμένουν όταν τα προϊόντα της ενυδάτωσης δεν καλύπτουν πλήρως το χώρο που
κατείχε αρχικά το νερό. Όπως δείχνει και το Σχ. 6.1, οι διάφορες φάσεις του τσιμεντοπολτού χαρακτηρίζονται από ανομοιόμορφη κατανομή, μέγεθος και σχήμα. Αυτή η ανομοιογένεια επηρεάζει σημαντικά την αντοχή και άλλες μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος.
6.2.2.1.
Τα Στερεά του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού
Παρακάτω περιγράφονται τα τέσσερα βασικά στερεά συστατικά του ενυδατωμένου
τσιμεντοπολτού.
Ένυδρο πυριτικό ασβέστιο (C-S-H). Είναι το σημαντικότερο συστατικό του τσιμεντοπολτού και καλύπτει το 50-60% κατ ' όγκον του στερεού ιστού. Στο συστατικό αυτό,
του οποίου η μορφολογία ποικίλει από ελάχιστα κρυσταλλικές ίνες έως δικτυωτού τύπου δομή, ο λόγος C/S είναι μεταξύ 1.5 και 2.0 ενώ η περιεκτικότητα σε Η ποικίλει. Η
δομή του C-S-H δεν έχει ακόμα εξακριβωθεί επακριβώς, αλλά υπάρχουν αρκετά προσομοιώματα στη διεθνή βιβλιογραφία. Τα προσομοιώματα των Powers (1958) και
Brunauer (1962) βασίζονται στις υποθέσεις ότι το υλικό έχει στρωσιγενή δομή (με διάμετρο πόρων της τάξης των 18 Å) με πολύ μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας (της τάξης των
100-700 m2/g) και ότι η αντοχή του οφείλεται κυρίως σε δυνάμεις van der Waals. To
προσομοίωμα των Feldman and Sereda (1970) στηρίζεται στην υπόθεση ότι το C-S-H
αποτελείται από ακανόνιστες ή τεθλασμένης μορφής στρώσεις με τυχαία διάταξη ώστε
μεταξύ τους να δημιουργούνται κενά διαφόρων μορφών και μεγεθών (5-25 Å).
Υδροξείδιο ασβεστίου. Οι κρύσταλλοι του υδροξειδίου του ασβεστίου αποτελούν
το 20-25% του όγκου των στερεών του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. Σε αντίθεση με
το C-S-H, το συστατικό αυτό έχει καθορισμένη στοιχειομετρία, Ca(OH)2. Σχηματίζει μεγάλους κρυστάλλους μορφής εξαγωνικού πρίσματος και συγκριτικά με το C-S-H η λόγω
των δεσμών van der Waals συνεισφορά του στην αντοχή του τσιμεντοπολτού είναι περιορισμένη. Επίσης, η παρουσία υψηλού ποσοστού Ca(OH)2 (που χαρακτηρίζεται από
σχετικά μεγάλη διαλυτότητα) στον τσιμεντοπολτό επιδρά δυσμενώς στην ανθεκτικότητα
του τελευταίου σε όξινα διαλύματα.
Θειοαργιλικά ασβέστια. Καταλαμβάνουν μόνο το 15-20% του όγκου των στερεών του τσιμεντοπολτού και έτσι δεν επηρεάζουν τις σχέσεις δομής-ιδιοτήτων σημαντικά.
Η παρουσία μονοθειικών ένυδρων στο σκυρόδεμα το καθιστά τρωτό στη δράση χημικών ενώσεων του θείου.
Άνυδροι κόκκοι κλίνκερ. Ενδέχεται να υπάρχουν ακόμα και μετά την πάροδο μεγάλου χρονικού διαστήματος από την ενυδάτωση του τσιμέντου. Κατά τη διάρκεια της
ενυδάτωσης διαλύονται πρώτα τα μικρά σωματίδια τσιμέντου, ενώ τα μεγαλύτερα μικραίνουν. Λόγω δε του περιορισμένου διαθέσιμου χώρου μεταξύ των σωματιδίων της
Σκυρόδεμα
53
ενυδάτωσης, τα προϊόντα αυτής τείνουν να κρυσταλλώνονται πολύ κοντά στα ενυδατούμενα σωματίδια κλίνκερ, με αποτέλεσμα μερικές φορές να τα επικαλύπτουν. Έτσι, λόγω
περιορισμού του διαθέσιμου χώρου η περαιτέρω ενυδάτωση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός πυκνού προϊόντος με μορφολογία πολύ παρόμοια αυτής του αρχικού
κλίνκερ.
6.2.2.2.
Τα Κενά του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού
Οι διάφοροι τύποι κενών του τσιμεντοπολτού περιγράφονται παραστατικά στο Σχ.
6.2 και αναπτύσσονται παρακάτω.
Σχ. 6.2: Τυπικές διαστάσεις των διαφόρων στερεών και κενών του τσιμεντοπολτού.
Ενδοστρωσιακά κενά στο C-S-H. Όπως προαναφέρθηκε, τα κενά μεταξύ των
διαφόρων στρώσεων C-S-H έχουν εξαιρετικά μικρές διαστάσεις και συνεπώς δεν επηρεάζουν την αντοχή και τη διαπερατότητα του τσιμεντοπολτού (Powers 1968). Είναι
όμως πιθανό τα κενά αυτά να δεσμεύσουν νερό μέσω δεσμών υδρογόνου, που όταν
απομακρυνθεί μπορεί να συμβάλλει (όπως εξηγείται παρακάτω) στη συστολή ξήρανσης
και στον ερπυσμό του σκυροδέματος.
Τριχοειδή κενά. Αντιπροσωπεύουν το πορώδες, δηλαδή χώρο που δεν καταλαμβάνεται από τα στερεά συστατικά του τσιμεντοπολτού, και εξαρτώνται σε όγκο και μέγεθος από την αρχική απόσταση μεταξύ των άνυδρων κόκκων τσιμέντου (αμέσως μετά
την ανάμιξη του νερού με το τσιμέντο), δηλαδή από το λόγο νερού προς τσιμέντο κατά
βάρος (Ν/Τ), και από το βαθμό ενυδάτωσης. Η διάμετρος των πόρων σε τσιμεντοπολτούς που βρίσκονται σε προχωρημένα στάδια ενυδάτωσης και χαρακτηρίζονται από μικρό λόγο Ν/Τ είναι περίπου 10-50 nm. Σε τσιμεντοπολτούς που βρίσκονται σε αρχικά
στάδια ενυδάτωσης και έχουν μεγάλο λόγο Ν/Τ, η διάμετρος των πόρων μπορεί να
φθάσει τα 3-5 μm. Ενδεικτικές κατανομές του μεγέθους των πόρων διαφόρων τσιμεντοπολτών δίνονται στο Σχ. 6.3, όπως μετρήθηκαν βάσει της τεχνικής της διείσδυσης
υδραργύρου (Mehta and Manmohan 1980). Τονίζεται ότι αυτό που επηρεάζει σημαντικές ιδιότητες του σκυροδέματος είναι η κατανομή των πόρων και όχι το συνολικό πορώδες: οι τριχοειδείς πόροι μεγέθους άνω των 50 nm, δηλαδή οι μακροπόροι, επιδρούν
δυσμενώς στην αντοχή και στην υδατοστεγανότητα του σκυροδέματος, ενώ πόροι μεγέθους κάτω των 50 nm, οι μικροπόροι, είναι καθοριστικής σημασίας για τη συστολή ξήρανσης και τον ερπυσμό (Mindess and Young 1981).
Κενά αέρα. Σε αντίθεση με τα τριχοειδή κενά που έχουν ακανόνιστο σχήμα, τα
κενά αέρα (φυσαλίδες) είναι περίπου σφαιρικά. Τέτοια κενά είτε παγιδεύονται κατά την
ανάμιξη του σκυροδέματος (αυτά έχουν διάμετρο έως 3 nm), είτε εισάγονται εσκεμμένα,
όπως θα εξηγηθεί παρακάτω, για να βελτιωθεί η ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε
διάρκεια (σε αυτή την περίπτωση η διάμετρος τους είναι 50-200 μm). Τα κενά αέρα είναι
54
κατά πολύ μεγαλύτερα από τα τριχοειδή, γι' αυτό και έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην
αντοχή και στη διαπερατότητα του τσιμεντοπολτού.
Σχ. 6.3: Κατανομή του μεγέθους των πόρων σε ενυδατωμένους τσιμεντοπολτούς (Mehta and Manmohan 1980).
6.2.2.3.
Το Νερό του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού
Όπως τα στερεά και τα κενά, το νερό συναντάται στον τσιμεντοπολτό σε διάφορες
μορφές. Η ταξινόμηση του νερού του τσιμεντοπολτού βασίζεται στο βαθμό δυσκολίας (ή
ευκολίας) με την οποία μπορεί να απομακρυνθεί από αυτόν και είναι χρήσιμη για την
κατανόηση των φαινομένων που σχετίζονται με μεταβολές όγκου του σκυροδέματος.
Έτσι, εκτός από τους υδρατμούς, που βρίσκονται σε άδειους ή μερικά γεμάτους
πόρους, διακρίνονται και οι παρακάτω μορφές, που φαίνονται στο Σχ. 6.4.
Σχ. 6.4: Διάφορες μορφές νερού στη δομή του C-S-H (Feldman and Sereda
1970).
Σκυρόδεμα
55
Τριχοειδές νερό. Βρίσκεται σε πόρους με διάμετρο πάνω από 50Å. Δεν υφίσταται την επίδραση των ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονται στις επιφάνειες των στερεών και από άποψη συμπεριφοράς διαιρείται σε δύο κατηγορίες: στο ελεύθερο νερό,
που βρίσκεται σε μεγάλους πόρους διαμέτρου > 50 nm και του οποίου η απομάκρυνση
δεν προκαλεί μεταβολές όγκου, και στο νερό που συγκρατείται σε τριχοειδείς πόρους μικρής διαμέτρου (5-50 nm) και του οποίου η απομάκρυνση προκαλεί συστολή του συστήματος.
Προσροφώμενο νερό. Βρίσκεται φυσικά δεσμευμένο (σε διαστάσεις της τάξης
μερικών μοριακών στρώσεων) στις επιφάνειες των στερεών του τσιμεντοπολτού λόγω
της δράσης των ελκτικών δυνάμεων των τελευταίων. Σημαντικό ποσοστό του αποβάλλεται με ξήρανση σε σχετική υγρασία 30% και είναι κυρίως υπεύθυνο για τη συστολή
του τσιμεντοπολτού λόγω ξήρανσης.
Ενδοστρωσιακά νερό. Πρόκειται για μία μονομοριακή στρώση νερού που δεσμεύεται μεταξύ των στρώσεων του C-S-H μέσω ισχυρών δεσμών υδρογόνου. Αποβάλλεται μόνο με ισχυρή ξήρανση (κάτω από 10% σχετική υγρασία), με αποτέλεσμα τη σημαντική συστολή του C-S-H.
Χημικά δεσμευμένο νερό. Αποτελεί τμήμα των στερεών προϊόντων της ενυδάτωσης και δεν χάνεται με την ξήρανση.
6.2.2.4.
Σχέσεις Δομής-Ιδιοτήτων του Ενυδατωμένου Τσιμεντοπολτού
Οι σχέσεις δομής-ιδιοτήτων του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού που περιγράφονται παρακάτω είναι καθοριστικές για τα βασικά μηχανικά χαρακτηριστικά του σκυροδέματος.
Αντοχή. Η αντοχή των στερεών προϊόντων του τσιμεντοπολτού οφείλεται κυρίως
στις ελκτικές δυνάμεις van der Waals. Όπως ισχύει για κάθε πορώδες μέσο, η αντοχή
του τσιμεντοπολτού οφείλεται στη στερεά φάση του μόνο και έτσι αυξάνεται με τη μείωση του πορώδους. Εδώ σημειώνεται ότι τα ενδοστρωσιακά κενά του C-S-H καθώς και
οι μικροπόροι δεν επηρεάζουν την αντοχή, η οποία εξαρτάται κυρίως από τους τριχοειδείς μακροπόρους και από τυχόν μικρορωγμές. Με δεδομένο ότι τα προϊόντα της ενυδάτωσης καταλαμβάνουν όγκο πολλαπλάσιο του αρχικού όγκου του τσιμέντου από το
οποίο προήλθαν είναι εύκολο να καταλήξει κανείς στο συμπεράσμα ότι το τριχοειδές
πορώδες μειώνεται με την αύξηση του βαθμού ενυδάτωσης και με τη μείωση του λόγου
Ν/Τ. Τα παραπάνω καταδεικνύονται στο Σχ. 6.5, που έχει στηριχθεί στην υπόθεση ότι 1
cm3 τσιμέντου παράγει 2 cm3 προϊόντων ενυδάτωσης (Powers 1958) και ότι το τσιμέντο
έχει πυκνότητα 3140 kg/m3.
Για τσιμεντοπολτούς που έχουν υποστεί κανονική ενυδάτωση, ο Powers (1968)
έχει δείξει ότι η θλιπτική αντοχή τους S (σε MPa) εξαρτάται από το λόγο του όγκου στερεών προς το συνολικό (στερεά + κενά)·x (x = 1 - α, α = πορώδες) βάσει της σχέσης S
= k·x3, όπου k = 235 MPa. Έτσι, για δεδομένο βαθμό ενυδάτωσης εύκολα υπολογίζει
κανείς την επίδραση του λόγου Ν/Τ αρχικά στο πορώδες και κατόπιν στην αντοχή.
Σταθερότητα όγκου. Σε συνθήκες υγρασίας περιβάλλοντος ο κορεσμένος (με
νερό) τσιμεντοπολτός υφίσταται απώλεια νερού και συστέλλεται. Αυτό δείχνεται παραστατικά στο Σχ. 6.6 (L. Hermite 1962). Το σημαντικότερο ποσοστό της συστολής οφείλεται στην απώλεια του προσροφώμενου νερού, το οποίο όταν ευρίσκεται εγκλωβισμένο μεταξύ δύο επιφανειών του στερεού ιστού δημιουργεί πίεση διαχωρισμού. Η πίεση αυτή ελαττώνεται με την απομάκρυνση του προσροφώμενου νερού, με αποτέλεσμα
τη συστολή του συστήματος. Η συστολή που επέρχεται λόγω της απομάκρυνσης του
τριχοειδούς νερού στους μικρούς πόρους (5-50 nm) οφείλεται στο ότι η παρουσία του
56
νερού αυτού στο σύστημα προκαλεί υδροστατικό εφελκυσμό, ενώ η απομάκρυνσή τρυ
προκαλεί θλιπτικές τάσεις στο στερεό ιστό των τριχοειδών πόρων, με αποτέλεσμα τη
συστολή του συστήματος.
(α) 100 cm3 τσιμέντου, σταθερός λόγος Ν/Τ = 0.63, μεταβλητός βαθμός
ενυδάτωσης
(β) 100 cm3 τσιμέντου, 100% ενυδάτωση, μεταβλητός λόγος Ν/Τ
Σχ. 6.5: Μεταβολή τριχοειδούς πορώδους με (α) το βαθμό ενυδάτωσης και
(β) με το λόγο Ν/Τ.
Σχ. 6.6: (α) Απώλεια νερού συναρτήσει σχετικής υγρασίας και (β) συστολή τσιμεντοπολτού συναρτήσει απώλειας νερού.
Οι ίδιοι μηχανισμοί (που προκαλούν συστολή ξήρανσης) είναι επίσης υπεύθυνοι
για τον ερπυσμό του τσιμεντοπολτού. Στην περίπτωση αυτή οι εξωτερικές τάσεις εξωθούν το προσροφώμενο νερό και το τριχοειδές νερό των μικρών πόρων, με αποτέλεσμα
την ανάπτυξη ερπυστικών παραμορφώσεων ακόμα και σε σχετική υγρασία 100%.
Σκυρόδεμα
57
Ανθεκτικότητα σε διάρκεια. Ο ενυδατωμένος τσιμεντοπολτός είναι αλκαλικός και
συνεπώς η αντίδρασή του με όξινα διαλύματα έχει δυσμενείς επιπτώσεις. Φαίνεται λοιπόν ότι η διαπερατότητά του είναι εξέχουσας σημασίας για την ανθεκτικότητα του υλικού. Η διαπερατότητα σχετίζεται άμεσα με το τριχοειδές πορώδες ή με το λόγο στερεών
προς κενά, και άρα μειώνεται με την αύξηση της αντοχής του τσιμεντοπολτού (Σχ. 6.7,
Powers 1958).
Σχ. 6.7: Σχέση θλιπτικής αντοχής, υδατοδιαπερατότητας και λόγου στερεών προς κενά.
Σημειώνεται ότι το πορώδες που αντιστοιχεί στα ενδοστρωσιακά κενά του C-S-H
και στους μικρούς τριχοειδείς πόρους δεν επηρεάζει τη διαπερατότητα του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. Αντίθετα, η αύξηση του βαθμού ενυδάτωσης προκαλεί μείωση
της διαπερατότητας, παρόλο που η αύξηση των παραπάνω κενών είναι σημαντική.
6.2.3.
Μεταβατική Ζώνη του Σκυροδέματος
Η ύπαρξη μεταβατικής ζώνης μεταξύ του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού και των
αδρανών δίνει εξήγηση σε μία σειρά από φαινόμενα, όπως τα παρακάτω:
●
Το σκυρόδεμα είναι ψαθυρό σε εφελκυσμό αλλά σχετικά δύσθραυστο σε θλίψη.
●
Ενώ τα διάφορα συστατικά του σκυροδέματος (τσιμεντοπολτός, αδρανή) συμπεριφέρονται σε θλίψη γραμμικά ελαστικά μέχρι τη θραύση, το σκυρόδεμα χαρακτηρίζεται
από ανελαστική συμπεριφορά.
●
Ο ενυδατωμένος τσιμεντοπολτός έχει πάντα μεγαλύτερη αντοχή από το σκυρόδεμα (για την ίδια περιεκτικότητα σε τσιμέντο, την ίδια ηλικία ενυδάτωσης και τον ίδιο λόγο
Ν/Τ) και η αντοχή του σκυροδέματος μειώνεται όσο αυξάνονται οι διαστάσεις των χονδρών αδρανών.
●
Η διαπερατότητα του σκυροδέματος είναι μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτήν του αντίστοιχου τσιμεντοπολτού, ακόμα και αν τα αδρανή είναι ιδιαίτερα μικρής διαπερατότητας
●
Σε περίπτωση πυρκαϊάς, το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος μειώνεται ταχύτερα από τη θλιπτική αντοχή.
6.2.3.1.
Δομή της Μεταβατικής Ζώνης
Το κύριο χαρακτηριστικό της δομής της μεταβατικής ζώνης είναι η ύπαρξη υψηλότερου λόγου Ν/Τ κοντά στα χονδρά αδρανή απ' ότι μακρυά από αυτά, που έχει ως
αποτέλεσμα την ανάπτυξη προσανατολισμένων κρυστάλλων (κάθετα στην επιφάνεια
58
των αδρανών) με μεγαλύτερες διαστάσεις απ' ότι στον υπόλοιπο τσιμεντοπολτό και άρα
την αύξηση του πορώδους (Maso 1980).
6.2.3.2.
Αντοχή της Μεταβατικής Ζώνης
Όπως και στην περίπτωση του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού, η συνάφεια μεταξύ
των προϊόντων ενυδάτωσης της μεταβατικής ζώνης και των αδρανών οφείλεται σε ελκτικές δυνάμεις van der Waals, και επομένως η αντοχή της ζώνης αυτής εξαρτάται από
τον όγκο και το μέγεθος των κενών. Με την πρόοδο της ενυδάτωσης και όσο αυξάνεται
η ηλικία του τσιμεντοπολτού τμήμα των κενών συμπληρώνεται από μικρότερους κρυστάλλους, μερικοί από τους οποίους ενδέχεται να είναι προϊόν αργών αντιδράσεων μεταξύ συστατικών του τσιμεντοπολτού και των αδρανών. Τέτοιες αντιδράσεις μειώνουν
τις συγκεντρώσεις των κρυστάλλων CH, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από μικρή συνάφεια
(με τα αδρανή), και έτσι συνεισφέρουν στην αύξηση της αντοχής της μεταβατικής
ζώνης.
Ένας άλλος λόγος στον οποίο οφείλεται η σχετικά μικρή αντοχή της μεταβατικής
ζώνης είναι η ύπαρξη μικρορωγμών, των οποίων η ποσότητα εξαρτάται από πολλούς
παράγοντες, όπως το μέγεθος και η διαβάθμιση των αδρανών, η περιεκτικότητα σε τσιμέντο, ο λόγος Ν/Τ, ο βαθμός συμπύκνωσης του φρέσκου τσιμεντοπολτού, οι συνθήκες
συντήρησης, η υγρασία περιβάλλοντος κ.ά. Για παράδειγμα, σκυρόδεμα με κακή διαβάθμιση αδρανών ενδέχεται να παρουσιάσει προβλήματα διαχωρισμού των συστατικών
του κατά τη συμπύκνωση, με αποτέλεσμα το σχηματισμό λεπτών στρωμάτων νερού
γύρω από τα αδρανή (που είναι παχύτερα όσο μεγαλύτερα είναι τα αδρανή) και ιδιαίτερα στο κάτω μέρος τους. Η μεταβατική ζώνη που αντιστοιχεί σε τέτοιους σχηματισμούς
είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε ρηγματώσεις λόγω εφελκυστικών τάσεων που προέρχονται
από διαφορικές παραμορφώσεις μεταξύ αδρανών και ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού
(π.)(. λόγω ξήρανσης ή ψύξης του σκυροδέματος). Έτσι, η μεταβατική ζώνη στο σκυρόδεμα εμφανίζει μικρορωγμές προτού καν αυτό φορτιστεί. Παράγοντες που επιφέρουν
αύξηση του μεγέθους και του αριθμού των μικρορωγμών είναι η συστολή ξήρανσης, τα
μόνιμα φορτία που επιφέρουν υψηλές τάσεις και τα κρουστικά φορτία.
6.2.3.3.
Επιρροή της Μεταβατικής Ζώνης στις Ιδιότητες του Σκυροδέματος
Η αντοχή της μεταβατικής ζώνης αποτελεί και το πάνω όριο της αντοχής του σκυροδέματος. Η ανάπτυξη και επέκταση ρωγμών στη ζώνη αυτή γίνεται σχετικά εύκολα,
ενώ έχει παρατηρηθεί ότι για θλιπτικές τάσεις της τάξης του 40-70% της αντοχής του
σκυροδέματος η ρηγμάτωση στη μεταβατική ζώνη είναι κάπως έντονη, γεγονός που
οδηγεί στη μη-γραμμική συμπεριφορά του υλικού ακόμα και όταν τα συστατικά αδρανή
και τσιμεντοπολτός είναι ελαστικά. Για ακόμα μεγαλύτερες τάσεις, οι συγκεντρώσεις
τάσεων στους μεγάλους πόρους του τσιμεντοπολτού αυξάνονται σημαντικά, με αποτέλεσμα τη ρηγμάτωση του τελευταίου. Περαιτέρω αύξηση των τάσεων επιφέρει διάδοση των ρωγμών του τσιμεντοπολτού μέχρις ότου αυτές ενωθούν με τις ρωγμές της μεταβατικής ζώνης, οπότε και αναπτύσσεται συνεχές δίκτυο ρωγμών που οδηγεί στην
πλήρη αστοχία του συστήματος. Η παραπάνω ακολουθία φαινομένων απαιτεί σημαντική ενέργεια, ενώ στην περίπτωση εφελκυστικών τάσεων οι ρωγμές διαδίδονται ταχύτατα και υπό χαμηλότερες τάσεις.
Η δομή της μεταβατικής ζώνης επηρεάζει άμεσα και το μέτρο ελαστικότητας του
σκυροδέματος. Η ζώνη αυτή παρέχει τις "γέφυρες" μέσω των οποίων οι τάσεις μεταφέρονται μεταξύ τσιμεντοπολτού και αδρανών. Αύξηση των κενών και των μικρόρωγμών στη μεταβατική ζώνη σημαίνει μείωση της παραπάνω ικανότητας γεφύρωσης, με
αποτέλεσμα την άμεση μείωση της δυσκαμψίας του συστήματος (που επέρχεται ταχύτε-
Σκυρόδεμα
59
ρα από τη μείωση της αντοχής).
Τέλος, τα χαρακτηριστικά της μεταβατικής ζώνης επηρεάζουν και την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε διάρκεια. Η ύπαρξη μικρορωγμών στη ζώνη αυτή αλλά και στη
μεταβατική ζώνη μεταξύ τσιμεντοπολτού και ράβδων οπλισμού (στο οπλισμένο σκυρόδεμα) είναι ο κύριος λόγος που το σκυρόδεμα είναι πιο διαπερατό από τα αδρανή και
τον τσιμεντοπολτό. Αύξηση της διαπερατότητας διευκολύνει την κυκλοφορία νερού και
αέρα, που αποτελούν βασικές προϋποθέσεις για τη διάβρωση του χάλυβα οπλισμού.
6.3. Αντοχή
Ο όρος "αντοχή" στο σκυρόδεμα αναφέρεται στη μέγιστη τάση που μπορεί να μεταφέρει το υλικό, η οποία προκαλεί θραύση. Η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος (η
οποία είναι ιδιαίτερα μεγάλη, γι' αυτό και συχνά στην πράξη τα στοιχεία από σκυρόδεμα
σχεδιάζονται έτσι ώστε να εκμεταλλευόμαστε την ιδιότητα αυτή) αποτελεί τη σημαντικότερη ιδιότητα για το υλικό, γιατί με αυτή σχετίζονται άμεσα όλες σχεδόν οι άλλες
ιδιότητες, όπως είναι το μέτρο ελαστικότητας, η διαπερατότητα (και η στεγανότητα) και η
ανθεκτικότητά του σε περιβαλλοντικές επιδράσεις.
6.3.1.
Σχέση Αντοχής-Πορώδους και Μορφές Αστοχίας στο Σκυρόδεμα
Παραπάνω αναφέρθηκε ότι η θλιπτική αντοχή του τσιμεντοπολτού σχετίζεται με το
λόγο χ του όγκου στερεών του προς το συνολικό όγκο του με τη σχέση (π.χ. Powers
1958).
n
n
f cp = f cp ,o x = f cp , o 1−α 
όπου fcp = θλιπτική αντοχή τσιμεντοπολτού, fcp,0 = θλιπτική αντοχή τσιμεντοπολτού
για μηδενικό πορώδες, α = πορώδες και n ≈ 3. Η σχέση αυτή μάλιστα ισχύει με μικροτροποποιήσεις για όλα σχεδόν τα ομοιογενή υλικά (π.χ. Neville 1981, Lemaitre and
Chaboche 1990). Η εφαρμογή της όμως στο σκυρόδεμα, που εκτός από τον τσιμεντοπολτό αποτελείται και από αδρανή τα οποία περιβάλλει η μεταβατική ζώνη, είναι κάπως
παρακινδυνευμένη. Για το κοινό σκυρόδεμα, όπου τα αδρανή είναι μικρού πορώδους
και υψηλής αντοχής, η θλιπτική αντοχή καθορίζεται κυρίως από την αντοχή της μεταβατικής ζώνης και από την αντοχή του τσιμεντοπολτού.
6.3.2.
Παράγοντες που Επηρεάζουν την Αντοχή σε Θλίψη
Ο πλέον καθοριστικός παράγοντας για τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος αφορά τη σχέση του λόγου Ν/Τ με το πορώδες. Ο απευθείας και ακριβής προσδιορισμός
του πορώδους στις διάφορες φάσεις του σκυροδέματος (π.χ. τσιμεντοπολτός, μεταβατική ζώνη) είναι πολύ δύσκολος για πρακτικές εφαρμογές, γι' αυτό και η ανάπτυξη επακριβών μαθηματικών προσομοιωμάτων για την πρόβλεψη της αντοχής του υλικού σε
θλίψη είναι σχεδόν αδύνατη. Αντίθετα, εμπειρία πολλών ετών έχει καθιερώσει πρακτικούς κανόνες που δίνουν αρκετά χρήσιμες πληροφορίες για τους παράγοντες που επηρεάζουν τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος. Οι παράγοντες αυτοί, που δίνονται παραστατικά στο Σχ. 6.8, σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά και τις αναλογίες των συστατικών του σκυροδέματος, με τις συνθήκες συντήρησης και με τον τρόπο διεξαγωγής των
πειραματικών ελέγχων για τον προσδιορισμό της αντοχής.
60
Σχ. 6.8: Οι παράγοντες που επηρεάζουν την αντοχή του σκυροδέματος.
6.3.2.1.
Χαρακτηριστικά και Αναλογίες Υλικών
Η σύνθεση και οι ιδιότητες των συστατικών του σκυροδέματος εξετάζονται λεπτομερώς σε επόμενες ενότητες, οι σημαντικοί όμως παράγοντες για την αντοχή του σκυροδέματος αναπτύσσονται αμέσως παρακάτω.
Σχ. 6.9: Σχέση θλιπτικής αντοχής και λόγου Ν/T για διαφορετικούς βαθμούς ενυδάτωσης.
Λόγος νερού προς τσιμέντο. Η σημαντικότατη επίδραση του λόγου Ν/Τ στη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος περιγράφεται από το νόμο του Abrams, που διατυπώθηκε από τον ίδιο το 1918:
f c=
k1
k 2N /T
όπου k1 και k2 είναι εμπειρικές σταθερές. Τυπικές καμπύλες που περιγράφονται
Σκυρόδεμα
61
από την παραπάνω σχέση δίνονται στο Σχ. 6.9 (PCA 1988).
Αύξηση του λόγου Ν/Τ προκαλεί αύξηση του πορώδους (Σχ. 6.5) και άρα μείωση
της αντοχής του τσιμεντοπολτού, ενώ ταυτόχρονα μειώνεται και η αντοχή της μεταβατικής ζώνης, κυρίως λόγω της αύξησης του μεγέθους των κρυστάλλων του υδροξειδίου
του ασβεστίου.
Εγκλωβισμένος αέρας. Η παρουσία κενών αέρα στη δομή του σκυροδέματος.
οφείλεται είτε σε κακή συμπύκνωση είτε στη χρήση αερακτικών πρόσθετων, που σχηματίζουν στη μάζα του σκυροδέματος μικροσκοπικές φυσαλίδες. Έτσι αυξάνεται το πορώδες και μειώνεται η αντοχή, όπως δείχνει το Σχ. 6.10 (Cordon 1979).
Σχ. 6.10: Επιρροή εγκλωβισμένου αέρα στην αντοχή του σκυροδέματος συναρτήσει (α) του λόγου Ν/Τ και (β) της περιεκτικότητας του αναμίγματος σε τσιμέντο.
Για δεδομένο λόγο Ν/Τ ο εγκλωβισμένος αέρας μειώνει γενικά την αντοχή του σκυροδέματος, ενώ για μικρές περιεκτικότητες σε τσιμέντο (σκυρόδεμα χαμηλής αντοχής)
μπορεί να παρατηρηθεί και αύξηση της αντοχής, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε
ογκώδεις κατασκευές όπως τα φράγματα. Αυτό οφείλεται στο ότι από τη μία μεριά ο
εγκλωβισμένος αέρας μειώνει την αντοχή του τσιμεντοπολτού λόγω αύξησης του πορώδους, ενώ από την άλλη βελτιώνει την εργασιμότητα και διευκολύνει τη συμπύκνωση
του νωπού σκυροδέματος, αυξάνοντας έτσι την αντοχή της μεταβατικής ζώνης (ιδιαίτερα σε σκυροδέματα πτωχά σε νερό και τσιμέντο).
Τύπος τσιμέντου. Οι διάφοροι τύποι Ελληνικών τσιμέντων περιγράφονται σε
επόμενη ενότητα. Ο γενικός κανόνας είναι ότι ο ρυθμός αύξησης της αντοχής του σκυροδέματος αυξάνεται με το βαθμό άλεσης (δηλ. με την αύξηση της λεπτότητας των κόκκων του τσιμέντου), οι αντοχές όμως μετά παρέλευση αρκετού χρόνου (π.χ. πάνω από
τρεις μήνες) είναι ουσιαστικά ανεξάρτητες από τον τύπο τσιμέντου. Αυτό ισχύει και για
τα τσιμέντα άλλων χωρών, όπως για παράδειγμα των Η.Π.Α. (PCA 1988).
Αδρανή. Είναι γεγονός ότι το είδος των αδρανών που χρησιμοποιούνται στα κοινά
σκυροδέματα δεν επηρεάζει ιδιαίτερα την αντοχή του σκυροδέματος, επειδή τα (συνηθισμένα) αδρανή χαρακτηρίζονται από αντοχή σαφώς μεγαλύτερη αυτής του τσιμεντοπολτού και της μεταβατικής ζώνης. Μερικά όμως χαρακτηριστικά των αδρανών, όπως
είναι το μέγεθος, το σχήμα, η επιφανειακή υφή, η διαβάθμιση (κατανομή μεγέθους των
κόκκων) και η ορυκτολογική τους σύσταση ενδέχεται να επηρεάσουν την αντοχή του
σκυροδέματος είτε έμμεσα, μεταβάλλοντας τις απαιτήσεις νερού ως προς τσιμέντο, είτε
άμεσα, επιδρώντας στα χαρακτηριστικά της μεταβατικής ζώνης.
Η μεταβολή του μεγέθους του μέγιστου κόκκου καλά διαβαθμισμένων αδρανών
δεδομένης ορυκτολογικής σύστασης μπορεί να έχει διάφορα αποτελέσματα στην αντο-
62
χή του σκυροδέματος. Για την ίδια περιεκτικότητα τσιμέντου και εργασιμότητα, σκυροδέματα με μεγάλα αδρανή έχουν μειωμένες απαιτήσεις σε νερό, αλλά ταυτόχρονα χαρακτηρίζονται από ασθενέστερες μεταβατικές ζώνες (με εντονότερη μικρορηγμάτωση). Το
ποιός από τους παραπάνω δύο παράγοντες υπερισχύει εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό
από το λόγο Ν/Τ, όπως δίνεται στο Σχ. 6.11 (Cordon and Gillespie 1963). Για σκυροδέματα υψηλής σχετικά αντοχής (δηλ. με μικρό Ν/Τ), η μείωση της αντοχής με την αύξηση του μεγέθους των αδρανών είναι σχετικά έντονη, επειδή για μικρούς λόγους Ν/Τ το
μειωμένο πορώδες της μεταβατικής ζώνης αρχίζει να παίζει σημαντικό ρόλο στην αντοχή του σκυροδέματος. Επίσης, επειδή η μεταβατική ζώνη επηρεάζει την εφελκυστική
αντοχή του σκυροδέματος περισσότερο από τη θλιπτική, για δεδομένη σύνθεση σκυροδέματος με σταθερό λόγο Ν/Τ ο λόγος εφελκυστικής προς θλιπτική αντοχή αυξάνεται με
τη μείωση του μεγέθους του μέγιστου κόκκου αδρανών.
Σχ. 6.11: Ο ρόλος του μεγέθους μέγιστου κόκκου αδρανών στην αντοχή του
σκυροδέματος για διάφορους λόγους Ν/Τ.
Για τον ίδιο μέγιστο κόκκο αδρανών και τον ίδιο λόγο Ν/Τ, μεταβολή της κοκκομετρικής διαβάθμισης των αδρανών επηρεάζει την αντοχή του σκυροδέματος λόγω μεταβολής της ρευστότητας και των χαρακτηριστικών εξίδρωσης του αναμίγματος. Έτσι, αύξηση της περιεκτικότητας των χονδρών αδρανών εις βάρος των λεπτών (όχι όμως και
πλήρης αντικατάσταση των λεπτών με χονδρά) επιφέρει αύξηση της ρευστότητας (δηλ.
της εργασιμότητας, που όπως θα δούμε παρακάτω ποσοτικοποιείται με την κάθιση του
αναμίγματος), η οποία με τη σειρά της επιφέρει μείωση της αντοχής.
Σκυροδέματα των οποίων τα αδρανή έχουν τραχειές επιφάνειες (π.χ. θραυστά
αδρανή) εμφανίζουν σε νεαρές ηλικίες κάπως αυξημένες αντοχές (κυρίως σε εφελκυσμό) σε σχέση με τα αντίστοιχα σκυροδέματα που περιέχουν κάπως λεία (π.χ. συλλεκτά) αδρανή, λόγω της καλύτερης πρόσφυσης μεταξύ αδρανών και ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού. Με την αύξηση όμως του βαθμού ενυδάτωσης, οπότε και ενεργοποιείται η
χημική συνάφεια μεταξύ αδρανών και τσιμεντοπολτού, η επίδραση της τραχύτητας αυτής στην αντοχή του σκυροδέματος μειώνεται. Γεγονός είναι πάντως ότι για δεδομένη
περιεκτικότητα του σκυροδέματος σε τσιμέντο η απαιτούμενη ποσότητα νερού, ώστε να
επιτευχθεί η επιθυμητή εργασιμότητα, σε σκυρόδεμα με αδρανή που έχουν τραχειά υφή
είναι συνήθως μεγαλύτερη της αντίστοιχης για την περίπτωση αδρανών με σχετικά λείες
επιφάνειες, οπότε και αντισταθμίζεται το πλεονέκτημα της βελτιωμένης συνάφειας.
Τέλος, όσον αφορά στην ορυκτολογική σύσταση των αδρανών, είναι γενικά αποδεκτό σήμερα ότι χρήση ασβεστολιθικών αδρανών (που ευτυχώς αφθονούν στον Ελληνικό χώρο) έναντι πυριτικών δίνει σκυροδέματα με αυξημένες αντοχές.
Νερό ανάμιξης. Η ποιότητα του νερού ανάμιξης του σκυροδέματος είναι σπανίως
Σκυρόδεμα
63
καθοριστική για την αντοχή του. Μερικές φορές όμως βλαβερές ουσίες στο νερό ενδέχεται να προκαλέσουν μείωση της αντοχής, διάβρωση του οπλισμού και εξανθήματα (εναποθέσεις λευκών αλάτων στην επιφάνεια κατασκευών από σκυρόδεμα).
Νερό που περιέχει βιομηχανικά ή αστικά λύματα πρέπει γενικά να αποφεύγεται.
Επίσης νερό με ίχνη ζάχαρης (που σταματούν τελείως την ενυδάτωση), με οξέα (που
δεσμεύουν το απαραίτητο για την πήξη CaO), με λάδια και λίπη (που εμποδίζουν την
καλή πρόσφυση αδρανών και τσιμεντοπολτού) και με οργανικές ουσίες (που αναστέλλουν την πήξη) είναι επιζήμιο. Αλμυρά ή υφάλμυρα νερά περιέχουν χλωριούχα και θειικά άλατα που επιφέρουν λίγο μεγαλύτερες αρχικές αντοχές αλλά κατά 15-20% μικρότερες τελικές αντοχές. Το θαλασσινό νερό ενδέχεται σε μερικές περιπτώσεις να προκαλέσει διάβρωση του χάλυβα στο οπλισμένο και ιδιαίτερα στο προεντεταμένο σκυρόδεμα, του οποίου οι χάλυβες είναι πολύ ευαίσθητοι σε διάβρωση, γι' αυτό και στο τελευταίο πρέπει να αποφεύγεται, ενώ στο πρώτο επιτρέπεται να χρησιμοποιείται μόνο
εφόσον αυτό προβλέπεται ρητά στη σύμβαση του έργου (Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997). Στην περίπτωση χρησιμοποίησης θαλασσινού νερού για την παραγωγή άοπλου σκυροδέματος η απαιτούμενη αντοχή θα πρέπει να αυξάνεται, σύμφωνα
με τον παραπάνω Κανονισμό, κατά 15%. Ως γενικό κανόνα μπορεί πάντως ο μηχανικός
να θεωρεί ότι το πόσιμο νερό είναι κατάλληλο για ανάμιξη με το σκυρόδεμα. Περισσότερες λεπτομέρειες για την καταλληλότητα του νερού ανάμιξης του σκυροδέματος δίνονται
στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 1008 (παλαιότερα ίσχυε το Πρότυπο ΕΛΟΤ-345).
Πρόσμικτα και πρόσθετα. Η επίδραση αερακτικών στην αντοχή του σκυροδέματος έχει ήδη αναφερθεί. Ρευστοποιητικά ή υπερρευστοποιητικά πρόσμικτα, που έχουν
σκοπό τη μείωση του νερού του αναμίγματος και την αύξηση της ρευστότητας, έχουν
γενικά θετική επίδραση στο βαθμό ενυδάτωσης και στην ανάπτυξη αντοχής στα αρχικά
στάδια της ενυδάτωσης. Επιταχυντικά ή επιβραδυντικά της πήξης πρόσμικτα επηρεάζουν σημαντικά τις αρχικές αντοχές (τις αυξάνουν ή τις μειώνουν, αντίστοιχα) όχι όμως
και τις τελικές. Ορυκτά πρόσθετα, όπως οι φυσικές ποζολάνες, η ιπτάμενη τέφρα και η
σκωρία υψικαμίνου, συνήθως επιβραδύνουν το ρυθμό ανάπτυξης της αντοχής αλλά
επιφέρουν αύξηση της τελικής αντοχής (ιδιαίτερα της εφελκυστικής), γεγονός που οφείλεται στην ικανότητά τους να αντιδρούν με το ένυδρο υδροξείδιο του ασβεστίου του τσιμεντοπολτού σχηματίζοντας πρόσθετες ποσότητες C-S-H που ενδέχεται να μειώσουν
το πορώδες τόσο του τσιμεντοπολτού όσο και της μεταβατικής ζώνης (π.χ. Neville
1981).
6.3.2.2.
Συνθήκες Συντήρησης
Με τον όρο συντήρηση εννοούμε τις διαδικασίες που αποσκοπούν στη διατήρηση
του σκυροδέματος, αμέσως μετά την τοποθέτησή του σε καλούπια, κάτω από συνθήκες
ελεγχόμενου χρόνου, υγρασίας και θερμοκρασίας που ευνοούν την ενυδάτωση.
Χρόνος. Για δεδομένο λόγο Ν/Τ και υγρές συνθήκες συντήρησης υπό σταθερή
υγρασία η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται με το χρόνο όσο διαρκεί η ενυδάτωση.
Ο Πρότυπος Κανονισμός της Ευρω-διεθνούς Επιτροπής Σκυροδέματος (Comite EuroInternational du Beton, CEB) έχει δώσει την παρακάτω σχέση για την εξέλιξη της αντοχής σκυροδέματος (σε συντήρηση στους 20 °C) με το χρόνο (CEB-FIP 1990):
6.1
f cm  t= β cc t f cm=e
  f
s 1−
28
t / t1
cm
όπου fcm(t) = μέση θλιπτική αντοχή σε ηλικία f ημερών, fcm = μέση θλιπτική αντοχή
σε ηλικία 28 ημερών, s = σταθερά που εξαρτάται από τον τύπο τσιμέντου, έτσι ώστε s =
0.20 για ταχύπηκτο τσιμέντο υψηλής αντοχής, s = 0.25 για κανονικό ή ταχύπηκτο τσι-
64
μέντο και s = 0.38 για βραδύπηκτο τσιμέντο, και t 1 = 1 ημέρα. Για παράδειγμα, η αντοχή
σκυροδέματος με κανονικό ή ταχύπηκτο τσιμέντο στις 3, 7, 90 και 360 ημέρες είναι
60%, 78%, 112% και 120%, αντίστοιχα, της αντοχής 28 ημερών.
Υγρασία. Απαραίτητη προϋπόθεση για την αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος με το χρόνο είναι η συντήρηση κάτω από συνθήκες υγρασίας (π.χ. πλημμύρισμα
των στοιχείων, συνεχής διαβροχή, τύλιγμα με πλαστικές μεμβράνες κ.τ.λ.). Αυτό φαίνεται στο Σχ. 6.12, το οποίο δίνει επίσης την επίδραση του χρόνου υγρής συντήρησης
στην εξέλιξη της αντοχής (Mehta and Monteiro 1993).
Σχ. 6.12: Επίδραση του χρόνου υγρής συντήρησης στην αντοχή του σκυροδέματος.
Έτσι, για παράδειγμα, σκυρόδεμα μετά από υγρή συντήρηση 7 ημερών (που αποτελεί και τον ελάχιστο χρόνο που συνιστάται από όλους τους σύγχρονους κανονισμούς)
έχει αντοχή 28 ημερών περίπου διπλάσια από το αντίστοιχο με μηδενική υγρή συντήρηση. Λεπτομέρειες για τη διαδικασία της συντήρησης του σκυροδέματος δίνονται στην
Ενότητα 6.10.5.
Θερμοκρασία. Η αύξηση της θερμοκρασίας κατά τη συντήρηση του σκυροδέματος έχει γενικά ως αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας των αντιδράσεων ενυδάτωσης, με αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης της αντοχής. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η αντοχή 28 ημερών σκυροδέματος που διαστρώνεται και συντηρείται στους
5 °C είναι περίπου ίση με το 80% της αντίστοιχης αντοχής σκυροδέματος για διάστρωση και συντήρηση στους 20-40 °C. Η διαφορά αυτή βέβαια δεν υφίσταται για την αντοχή
σε μεγαλύτερες ηλικίες, οπότε έχει σχεδόν ολοκληρωθεί η ενυδάτωση. Αντίθετα μάλιστα, πολλοί ερευνητές έχουν δείξει ότι η τελική αντοχή αυξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας διάστρωσης και συντήρησης. Για παράδειγμα, δοκίμια που παρασκευάστηκαν στους 5 °C και 20 °C, συντηρήθηκαν στις θερμοκρασίες αυτές για 2-3 ώρες και κατόπιν συντηρήθηκαν σε υγρασία και θερμοκρασία 20 °C μέχρις ελέγχου της αντοχής
τους, έδωσαν μεγαλύτερες τελικές αντοχές κατά 20% και 15%, αντίστοιχα, από την
αντοχή δοκιμίων που παρασκευάστηκαν στους 40 °C, συντηρήθηκαν στη θερμοκρασία
αυτή για 2-3 ώρες και μετά ακολούθησαν τη διαδικασία συντήρησης των προηγούμενων
δοκιμίων. Η αύξηση αυτή οφείλεται στο ότι οι χαμηλότερες θερμοκρασίες συντήρησης
επιφέρουν αύξηση της ομοιομορφίας της δομής (και ιδιαίτερα του πορώδους) του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού.
Δοκίμια που παρασκευάστηκαν στους 20 °C και κατόπιν συντηρήθηκαν σε θερμοκρασίες -10 °C, 5 °C και 12 °C για 28 ημέρες, έδωσαν αντοχές (28 ημερών) περίπου
5%, 50% και 60%, αντίστοιχα, της αντοχής δοκιμίων που συντηρήθηκαν στους 20 °C.
Είναι λοιπόν προφανές ότι μείωση της θερμοκρασίας συντήρησης επιφέρει μείωση της
Σκυρόδεμα
65
αντοχής, ενώ για ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες οι ρυθμοί ενυδάτωσης είναι σχεδόν
μηδενικοί. Περισσότερα στοιχεία σχετικά με θερμοκρασίες διάστρωσης και συντήρησης,
ιδιαίτερα δε σε σχέση με τους κανονισμούς, δίνονται σε παρακάτω ενότητα.
6.3.2.3.
Μέθοδος Πειραματικού Ελέγχου Αντοχής
Τα αποτελέσματα του πειραματικού προσδιορισμού της αντοχής του σκυροδέματος επηρεάζονται, μεταξύ άλλων, και από διάφορες παραμέτρους της δοκιμής, όπως είναι το σχήμα, το μέγεθος και η υγρασία των δοκιμίων, καθώς και ο τρόπος φόρτισης.
Σχήμα, μέγεθος και υγρασία δοκιμίων. Κατά τη δοκιμή θλίψης, το δοκίμιο σκυροδέματος αναπτύσσει εγκάρσιες παραμορφώσεις (διόγκωση), οι οποίες εμποδίζονται
σημαντικά λόγω δυνάμεων τριβής στην περιοχή των επιφανειών επαφής με τις άκαμπτες πλάκες της μηχανής φόρτισης. Η εγκάρσια αυτή παρεμπόδιση επιβραδύνει την
ανάπτυξη και επέκταση κατακόρυφων μικρορωγμών και άρα αυξάνει τη θλιπτική αντοχή
του σκυροδέματος. Ο "εγκιβωτισμός" αυτός του υλικού είναι έντονος μόνο στις ακραίες
περιοχές του δοκιμίου, γι' αυτό και η επίδρασή του στο αποτέλεσμα της δοκιμής μειώνεται αυξάνοντας το λόγο ύψους προς βάση. Η επίδραση των συνοριακών συνθηκών
στην αντοχή ουσιαστικά εκμηδενίζεται για λόγο 2:1. Η θλιπτική αντοχή κυλίνδρου
150x300 mm είναι περίπου ίση με 75-85% της αντοχής κύβου 150 mm (το ποσοστό αυξάνεται με την αντοχή του σκυροδέματος). Εκτός από την τιμή της αντοχής, το σχήμα
του δοκιμίου επηρεάζει και τη μορφή αστοχίας, γεγονός που οφείλεται στην καμπύλωση
των τροχιών των κυρίων τάσεων, που προκύπτει λόγω δυνάμεων τριβής στα άκρα και
μπορεί να φθάσει, για κυβικά δοκίμια, μέχρι το μέσο του ύψους τους. Σε δοκίμια με λόγο
ύψους προς βάση τουλάχιστον 2:1 οι τροχιές των κυρίων τάσεων στο μέσο του ύψους
είναι σχεδόν ευθύγραμμες, οπότε και οι επιφάνειες θραύσης είναι παράλληλες ή σχηματίζουν μικρές γωνίες με τη διεύθυνση φόρτισης, σε αντίθεση με τα κυβικά δοκίμια που
θραύονται με μορφή διπλού κώνου (Σχ. 6.13).
Σχ. 6.13: Επίδραση του σχήματος του δοκιμίου στη μορφή αστοχίας: (α)
κύβος, (β) κύλινδρος.
Επειδή η πιθανότητα να βρεθεί μία αδύνατη περιοχή από όπου θα αρχίσει η αστοχία του δοκιμίου αυξάνεται με το μέγεθος του, η αντοχή μειώνεται με το μέγεθος. Έτσι, η
66
αντοχή κύβων πλευράς 150 mm και 300 mm είναι κατά μέσο όρο 5% μεγαλύτερη και
10% μικρότερη, αντίστοιχα, από αυτή κύβων πλευράς 200 mm. Επίσης, η αντοχή κυλίνδρων 50x100 mm, 75x150 mm και 200x400 mm είναι κατά μέσο όρο 10% μεγαλύτερη,
6% μεγαλύτερη και 4% μικρότερη, αντίστοιχα, από αυτή κυλίνδρου 150x300 mm.
Δοκίμια με αρκετή υγρασία έχουν γενικά μικρότερη αντοχή από ξηρά δοκίμια, γεγονός που μάλλον οφείλεται στο ότι τα μόρια νερού στους πόρους του σκληρυμένου
τσιμεντοπολτού αυξάνουν τις απρστάσεις μεταξύ των κρυστάλλων μειώνοντας έτσι τις
ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους, άρα και την αντοχή. Έτσι, εντελώς ξηρά δοκίμια έχουν
αντοχή μέχρι 20% περίπου μεγαλύτερη από αυτή δοκιμίων κορεσμένων σε νερό.
Συνθήκες φόρτισης. Η φόρτιση των δοκιμίων στο εργαστήριο μέχρι τη θραύση
διαρκεί 2-3 λεπτά (30 sec κατ' ελάχιστον), ενώ στην πράξη τα περισσότερα δομικά στοιχεία από σκυρόδεμα υπόκεινται αφενός σε μόνιμα φορτία που διαρκούν πολλά χρόνια,
αφετέρου σε επαναλαμβανόμενες ή και "ξαφνικές" φορτίσεις. Η παρουσίαση της επίδρασης των συνθηκών φόρτισης στην αντοχή του σκυροδέματος αναβάλλεται για την
αμέσως επόμενη παράγραφο.
6.3.3.
Το Σκυρόδεμα υπό Φόρτιση
Λόγω της πολυπλοκότητας που χαρακτηρίζει τη δομή του σκυροδέματος, οι μηχανισμοί αστοχίας του είναι αρκετά περίπλοκοι και εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την
κατανομή των τάσεων. Μία κάπως απλουστευμένη περιγραφή τους δίνεται παρακάτω.
6.3.3.1.
Συμπεριφορά σε Μονοαξονική Θλίψη
Το σκυρόδεμα αστοχεί σε θλίψη λόγω ανάπτυξης και επέκτασης ρωγμών στη
μάζα του σκληρυμένου τσιμεντοπολτού. Πολλές από τις ρωγμές αυτές προϋπάρχουν
στη μεταβατική ζώνη (ο αριθμός τους και το πλάτος τους εξαρτώνται κυρίως από τη συντήρηση και από τα χαρακτηριστικά εξίδρωσης του σκυροδέματος, καθώς και από την
αντοχή της μεταβατικής ζώνης) και ενώνονται με άλλες που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Η σχέση τάσης-παραμόρφωσης του υλικού (Σχ. 6.14.α) περιγράφει
γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι το 30% περίπου της τελικής αντοχής fc, ενώ
κατά το αρχικό αυτό στάδιο φόρτισης οι ρωγμές της μεταβατικής ζώνης παραμένουν ως
έχουν. Για τάσεις μεταξύ 30% και 50% της fc οι ρωγμές αυτές αυξάνονται κάπως σε μήκος, πλάτος και αριθμό, χωρίς να εισέρχονται στον σκληρυμένο τσιμεντοπολτό, ενώ η
καμπύλη σ-ε γίνεται όλο και περισσότερο μη-γραμμική. Για μεγαλύτερες τάσεις και μέχρι
0.754, που ονομάζεται και κρίσιμη τάση (Chen 1982), η ρηγμάτωση επεκτείνεται με αυξανόμενους ρυθμούς στον τσιμεντοπολτό. Μετά την κρίσιμη τάση το σύστημα γίνεται
ασταθές, με την έννοια ότι οι παραμορφώσεις αυξάνονται σχετικά απότομα, ενώ οι επιφάνειες θραύσης τείνουν να γίνουν συνεχείς. Έτσι, για τάσεις 0.75-0.94 η σχέση σ-ε εμφανίζει βαθμιαία αύξηση καμπυλότητας, ενώ για ακόμα μεγαλύτερες τάσεις γίνεται σχεδόν οριζόντια και ακολούθως αποκτά αρνητική κλίση μέχρι την τελική θραύση του υλικού. Σημειώνεται ότι η κρίσιμη τάση αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την ανάπτυξη
παραμορφώσεων που σχετίζονται με τη μεταβολή όγκου του υλικού. Όπως δείχνει και
το Σχ. 6.14.β, ο όγκος του υλικού μειώνεται σχεδόν γραμμικά μέχρι την κρίσιμη τάση,
πέρα από την οποία η μεταβολή όγκου αλλάζει πρόσημο και αυξάνεται με γρήγορους
ρυθμούς, λαμβάνοντας την τιμή μηδέν όταν η τάση γίνει περίπου ίση με 4· Η πρόοδος
της ρηγμάτωσης του υλικού δίνεται παραστατικά στο Σχ. 6.15 (Glucklich 1968).
Σκυρόδεμα
67
Σχ. 6.14: Τυπικά διαγράμματα θλιπτικής τάσης συναρτήσει (α) αξονικής
και εγκάρσιας παραμόρφωσης, και (β) παραμόρφωσης όγκου.
Σχ. 6.15: Σχηματική απεικόνιση της συμπεριφοράς του σκυροδέματος σε
μονοαξονική θλίψη.
Όταν η θλιπτική τάση ξεπερνά την κρίσιμη τιμή (προσεγγιστικά), η συμπεριφορά
του σκυροδέματος εξαρτάται σημαντικά από τη διάρκεια της φόρτισης, λόγω του φαινομένου του ερπυσμού (ανάπτυξη παραμορφώσεων υπό σταθερή τάση). Έτσι, όταν τα
φορτία είναι μόνιμα και προκαλούν σημαντικές τάσεις, οι ρωγμές της μεταβατικής ζώνης
επεκτείνονται προς τη μάζα του τσιμεντοπολτού προκαλώντας αστοχία του υλικού υπό
τάση που είναι μικρότερη της μονοαξονικής αντοχής σε βραχυχρόνια φόρτιση. Για παράδειγμα, τάση ίση με 0.9fc πρακαλεί αστοχία του υλικού μετά από μία ώρα, ενώ ο αντίστοιχος χρόνος για τάση 0.75fc είναι 30 περίπου χρόνια. Τυπικές σχέσεις μεταξύ αντοχής σε βραχυχρόνια και μακροχρόνια φόρτιση δίνονται στο Σχ. 6.16 (Rusch 1960).
Σχετικά με την ταχύτητα φόρτισης, είναι γενικά αποδεκτό ότι η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται με το ρυθμό επιβολής του φορτίου. Λαμβάνοντας ως αντοχή αναφοράς αυτήν που αντιστοιχεί σε ταχύτητα 0.25 MPa/sec, τότε για ταχύτητες φόρτισης από
0.001 MPa/sec μέχρι 100 MPa/sec οι Jones and Richart (1936) προτείνουν τον υπολογισμό της αντοχής σε ταχύτητα R πολλαπλασιάζοντας την αντοχή σε 0.25 MPa/sec επί
(1.04 + 0.07log10R). Οι λεπτομέρειες για την ταχύτητα φόρτισης κατά τη δοκιμή θλίψης
σκυροδέματος καθορίζονται στο σχετικό Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 12390-3.
68
Σχ. 6.16: Σχέση μεταξύ βραχυχρόνιας και μακροχρόνιας αντοχής σε μονοαξονική θλίψη.
Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζει η συμπεριφορά του σκυροδέματος σε κρούση,
όπου παρατηρείται σημαντική αύξηση της αντοχής με την αύξηση της ταχύτητας επιβολής του κρουστικού φορτίου. Παρ' ότι υπάρχει κάποια συσχέτιση μεταξύ αντοχής σε
κρούση και θλιπτικής αντοχής, έχει αποδειχθεί ότι για δοκίμια με την ίδια θλιπτική αντοχή, η αντοχή σε κρούση αυξάνεται με το βαθμό τραχύτητας των χονδρόκοκκων αδρανών και με τη μείωση των διαστάσεων των αδρανών. Η μεγάλη δε εξάρτησή της από τα
χαρακτηριστικά της μεταβατικής ζώνης οδηγεί στο συμπέρασμα ότι σχετίζεται άμεσα με
την αντοχή του σκυροδέματος σε εφελκυσμό. Ο Κανονισμός CEB-FIP (1990) έδωσε την
παρακάτω σχέση για τον υπολογισμό της θλιπτικής αντοχής σε κρούση fc,imp:
f c ,imp
=
f cm
{
σ̇ α
 
σ̇ 0
βs 3
s
σ̇
σ˙0
για∣σ̇∣≤106 MPa / sec
για∣σ̇∣106 MPa / sec
}
όπου fcm = θλιπτική αντοχή σε ταχύτητα σ0 = 1 MPa/sec, σ = ρυθμός επιβολής θλιπτικής τάσης, as = 1/(5 + 0.9fcm ) ( fcm σε MPa) και logβs = 6as - 2.
Σχ. 6.17: Συμπεριφορά σκυροδέματος σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση.
Τέλος, η επίδραση επαναλαμβανόμενης ή ανακυκλιζόμενης φόρτισης είναι δυσμενής για την αντοχή του σκυροδέματος όταν η ανώτατη τάση υπερβαίνει το 60% περίπου
της θλιπτικής αντοχής (σπάνια σε συνηθισμένες κατασκευές). Το φαινόμενο αστοχίας
στην περίπτωση αυτή οφείλεται στην προοδευτική μικρορηγμάτωση της μεταβατικής
Σκυρόδεμα
69
ζώνης και του σκληρυμένου τσιμεντοπολτού. Η απόκριση του σκυροδέματος σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση δίνεται στο Σχ. 6.17 (Karson and Jirsa 1969). Χαρακτηριστικό της
απόκρισης είναι η ανάπτυξη μη-γραμμικότητας και βρόγχων υστέρησης, αλλά και ότι η
περιβάλλουσα καμπύλη που ορίζεται από τις μέγιστες τιμές των τάσεων σε κάθε κύκλο
φόρτισης σχεδόν ταυτίζεται με την καμπύλη τάσης- παραμόρφωσης σε μονοτονική φόρτιση.
6.3.3.2.
Συμπεριφορά σε Μονοαξονικό Εφελκυσμό
Η αστοχία δοκιμίων σκυροδέματος σε μονοαξονικό εφελκυσμό οφείλεται στην
επέκταση ρωγμών κάθετα στη διεύθυνση της φόρτισης. Τέτοιες ρωγμές μειώνουν τη
διατομή των δοκιμίων και επιφέρουν συγκεντρώσεις τάσεων. Τελικά η αστοχία του υλικού προκαλείται λόγω της απότομης επέκτασης λίγων σχετικά ρωγμών, έτσι ώστε να είναι αρκετά δύσκολο να καταγραφεί πειραματικά το τμήμα της καμπύλης τάσης- παραμόρφωσης μετά τη μέγιστη τάση. Ο λόγος εφελκυστικής προς θλιπτική αντοχή για το
σκυρόδεμα είναι μόλις 0.07-0.13, κάτι που οδηγεί στο να θεωρείται συνήθως η εφελκυστική αντοχή πρακτικά ίση με μηδέν. Μερικές φορές όμως μία εκτίμηση του μεγέθους
της είναι απαραίτητη, όπως π.χ. για τον υπολογισμό των φορτίων που προκαλούν ρηγμάτωση.
Η άμεση μέτρηση της εφελκυστικής αντοχής του σκυροδέματος είναι αρκετά περίπλοκη, γιατί απαιτεί ή τη χρήση ειδικών δοκιμίων με αρπάγες εφελκυσμού ή την επικόλληση πρισματικών δοκιμίων σε μεταλλικές πλάκες εφαρμογής του φορτίου (Σχ. 6.18),
αλλά και συχνά μη ακριβής, λόγω της ανάπτυξης δευτερευουσών τάσεων.
Η πλέον συνηθισμένη δοκιμή της αντοχής του σκυροδέματος σε εφελκυσμό (η διεξαγωγή της οποίας γίνεται κατά ΕΝ 12390-6) είναι αυτή του έμμεσου εφελκυσμού από
διάρρηξη (λέγεται και "Βραζιλιάνικη δοκιμή"), κατά την οποία κυλινδρικό δοκίμιο μήκους
L = 300 mm και διαμέτρου D = 150 mm υποβάλλεται σε θλίψη υπό ομοιόμορφα κατανεμημένες δυνάμεις Ρ κατά μήκος δύο αντιδιαμετρικών γενέτειρων της παράπλευρης επιφάνειας (Σχ. 6.19.α). Αποτέλεσμα των δυνάμεων αυτών είναι η ανάπτυξη ομοιόμορφα
κατανεμημένων εφελκυστικών τάσεων κάθετα στο επίπεδο που ορίζεται από τις δύο γενέτειρες, μεγέθους
σ h=
2P
πLD
Σχ. 6.18: Πειραματικές διατάξεις άμεσων πειραματικών ελέγχων εφελκυστικής αντοχής.
Η τιμή της τάσης σh στη μέγιστη δύναμη Ρ, δηλαδή κατά την αστοχία του δοκιμίου
70
(με κύριο χαρακτηριστικό τη διάρρηξη του κυλίνδρου σε δύο τμήματα, Σχ. 6.19.α), ονομάζεται αντοχή σε εφελκυσμό από διάρρηξη, fctsp. Συγκριτικά με τη δοκιμή άμεσου εφελκυσμού, η δοκιμή διάρρηξης υπερεκτιμά την εφελκυστική αντοχή κατά 10-15%.
Σχ. 6.19: Έμμεσες δοκιμές εφελκυσμού (α) από διάρρηξη (όπου δίνεται
και η κατανομή των τάσεων στην επιφάνεια αστοχίας), και (β) από κάμψη.
Μία άλλη εύκολη δοκιμή έμμεσου εφελκυσμού είναι η δοκιμή πρισμάτων
150x150x600 ή 750 mm, που υποβάλλονται σε κάμψη ως αμφιέρειστες δοκοί ανοίγματος 450 mm με φορτίο στη μέση ή δύο φορτία στα τρίτα του ανοίγματος (Σχ. 6.19.β). Η
δοκιμή αυτή περιγράφεται λεπτομερώς στο Πρότυπο ΕΛΟΤ-739. Η μέγιστη εφελκυστική
τάση σmax κατά τη θραύση του δοκιμίου ("μέτρο θραύσης" ή "αντοχή σε εφελκυσμό από
κάμψη") δίνεται ως
σ max =
6 M max
2
bh
όπου Mmax είναι η ροπή θραύσης του δοκιμίου, ενώ b και h είναι το πλάτος και
ύψος του δοκιμίου, αντίστοιχα. Η παραπάνω εξίσωση υποθέτει γραμμική κατανομή των
τάσεων καθ' ύψος της διατομής, κάτι που δεν είναι απόλυτα σωστό λόγω της μη-γραμμικότητας της καμπύλης τάσεων-παραμορφώσεων του σκυροδέματος και επειδή οι διαστάσεις του δοκιμίου δεν δικαιολογούν την εφαρμογή της τεχνικής θεωρίας κάμψης
(στην οποία στηρίζεται η παραπάνω εξίσωση). Επιπλέον, η μέγιστη εφελκυστική τάση
αναπτύσσεται μόνο στην ακραία ίνα του δοκιμίου και όχι σε όλα τα σημεία της διατομής
(όπως στην περίπτωση άμεσου εφελκυσμού, οπότε και η πιθανότητα ύπαρξης περιοχών αδυναμίας είναι μεγαλύτερη), γι' αυτό και η έμμεση εφελκυστική αντοχή από κάμψη
είναι μεγαλύτερη αυτής από άμεσο εφελκυσμό κατά 50-100%.
Σύμφωνα με τον Ελληνικό Κανονισμό Οπλισμένου Σκυροδέματος (2000) η αντοχή
σε εφελκυσμό από κάμψη, fct,fl, θεωρείται διπλάσια από την άμεση εφελκυστική αντοχή
(fctm = 0.5fct,fl), ενώ για την εκτίμησή της μπορεί να χρησιμοποιηθεί και η σχέση (CEB-FIP
1990):
Σκυρόδεμα
71
f ctk , fl f ct , fl
12.56
≈
=1 0.7
f ctk
f ctm
h
όπου fctm = μέση τιμή της άμεσης εφελκυστικής αντοχής (fctm = 0.9Act,sp, όπου fct,sp =
μέση τιμή της εφελκυστικής αντοχής από διάρρηξη), fct,fl, = μέση αντοχή σε εφελκυσμό
από κάμψη, ο δείκτης k δηλώνει τις χαρακτηριστικές τιμές των παραπάνω μεγεθών
(όπως θα εξηγηθεί καλύτερα παρακάτώ, ως χαρακτηριστική αντοχή ορίζεται αυτή για
την οποία η πιθανότητα υποσκελισμού της, δηλαδή εύρεσης μικρότερης τιμής, αν όλη υποθετικά - η ποσότητα του σκυροδέματος μετατρεπόταν σε δοκίμια, είναι το πολύ 5%)
και h = ύψος διατομής στοιχείου σε mm. Τέλος σημειώνεται ότι η διασπορά των εφελκυστικών αντοχών ως προς τη μέση τιμή είναι σχετικά μεγάλη, ενώ το 90% των τιμών της
εφελκυστικής αντοχής κυμαίνεται μεταξύ 0.7fctm και 1.3fctm (CEB-FIP 1990).
6.3.3.3.
Σχέση μεταξύ Θλιπτικής και Εφελκυστικής Αντοχής
Ενώ η συσχέτιση της εφελκυστικής με τη θλιπτική αντοχή είναι δεδομένη (αύξηση
της μίας προκαλεί αύξηση και της άλλης), η ακριβής σχέση μεταξύ αυτών εξαρτάται από
διάφορους παράγοντες, όπως είναι η μέθοδος πειραματικού προσδιορισμού της εφελκυστικής αντοχής, ο χρόνος συντήρησης, η ποιότητα του σκυροδέματος, τα χαρακτηριστικά των αδρανών (π.χ. χαρακτηριστικά εξωτερικής επιφάνειας, ορυκτολογική σύσταση) και τα τυχόν πρόσμικτα ή πρόσθετα. Γενικά, ο λόγος εφελκυστικής προς θλιπτική
αντοχή μειώνεται με το χρόνο συντήρησης, αυξάνεται μειώνοντας το μέγεθος του μέγιστου κόκκου των αδρανών, αυξάνεται με τη χρήση πρόσθετων ή προσμίξεων (όπως είναι η ιπτάμενη τέφρα) και μειώνεται με την αύξηση της θλιπτικής αντοχής.
Με βάση τον Ελληνικό Κανονισμό Ωπλισμένου Σκυροδέματος (2000) και τον Ευρωκώδικα 2 (1994),
6.2
2/ 3
f ctm≈0.3 f ck
όπου fck = χαρακτηριστική τιμή της θλιπτικής αντοχής και όλες οι τιμές είναι σε
Mpa.
6.3.3.4.
Συμπεριφορά σε Πολυαξονική Φόρτιση
Η φόρτιση στο σκυρόδεμα είναι συχνά πολυαξονική, δηλαδή οι τάσεις μετασχηματίζονται σε δύο (διαξονική ένταση) ή τρεις (τριαξονική ένταση) κύριες τάσεις που ενεργούν σε κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις. Τυπικές καμπύλες της συμπεριφοράς του
σκυροδέματος σε διαξονική φόρτιση (σ1 σ2) δίνονται στο Σχ. 6.20 για διαξονική θλίψη,
συνδυασμό θλίψης-εφελκυσμού και διαξονικό εφελκυσμό, ενώ η αντίστοιχη περιβάλλουσα αστοχίας δίνεται στο Σχ. 6.21.α (Kupfer et al. 1969).
Η μικρή αύξηση (το πολύ 27% περίπου όταν η μία τάση είναι 80% της άλλης και
16% περίπου όταν οι δύο τάσεις είναι ίσες) της θλιπτικής αντοχής λόγω της ταυτόχρονης δράσης θλιπτικής ορθής τάσης στην εγκάρσια διεύθυνση οφείλεται στον περιορισμό
των μικρορωγμών, που έχει ως αποτέλεσμα τήν επιβράδυνση· του σχηματισμού και της
επέκτασης τους. Στην περίπτωση θλίψης-εφελκυσμού η θλιπτική αντοχή μειώνεται σχεδόν γραμμικά όσο αυξάνεται η εφελκυστική τάση, ενώ στην περίπτωση διαξονικού εφελκυσμού η εφελκυστική αντοχή είναι περίπου σταθερή. Η μορφή αστοχίας επηρεάζεται
από τα πρόσημα των κυρίων τάσεων: όταν αυτές είναι θλιπτικές, η θραύση συνοδεύεται
από πολλές μικρορωγμές κάθετες στην αφόρτιστη διεύθυνση, ενώ αν μία τουλάχιστον
από αυτές είναι εφελκυστική, η θραύση οφείλεται στο σχηματισμό μίας μεγάλης ρωγμής
κάθετης στην αλγεβρικά μεγαλύτερη (δηλ. στην πιο εφελκυστική) τάση.
72
Σχ. 6.20: Πειραματικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης του σκυροδέματος σε
διαξονική φόρτιση: (α) διαξονική θλίψη, (β) συνδυασμός εφελκυσμού-θλίψης και (γ) διαξονικός εφελκυσμός.
Η συμπεριφορά του σκυροδέματος σε τριαξονική φόρτιση είναι αρκετά πιο περίπλοκη. Μία αρκετά συνηθισμένη φόρτιση στην πράξη περιλαμβάνει την ανάπτυξη τριαξονικής θλίψης όπου η μία από τις τρεις κύριες τάσεις είναι σημαντικά μεγαλύτερη από
τις άλλες (π.χ. θλίψη σκυροδέματος σε υποστυλώματα με πυκνή διάταξη συνδετήρων).
Στην περίπτωση αυτή ο περιορισμός της εγκάρσιας διαστολής του δοκιμίου (κάθετα στη
διεύθυνση της μεγαλύτερης θλιπτικής τάσης) αυξάνει σημαντικά αφενός την αντοχή του,
περιορίζοντας τη μικρορηγμάτωση παράλληλα στην διεύθυνση της κύριας φόρτισης
(αξονική), αφετέρου την αξονική παραμόρφωση στη θραύση (Σχ. 6.22, Richart et al.
1928). Η θραύση προκαλείται με τον ίδιο μηχανισμό όπως και στην μονοαξονική θλίψη,
δηλαδή με την ανάπτυξη πολλών μικρορωγμών παράλληλα στη μεγαλύτερη κύρια θλιπτική τάση. Η περιβάλλουσα αστοχίας για το σκυρόδεμα σε τριαξονική ένταση δίνεται
στο Σχ. 6.21.β.
Σκυρόδεμα
73
Σχ. 6.21: Περιβάλλουσα αστοχίας σκυροδέματος σε (α) διαξονική και (β)
τριαξονική φόρτιση.
Σχ. 6.22: Πειραματικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης σκυροδέματος σε
τριαξονική φόρτιση.
6.3.4.
Χαρακτηριστική και Συμβατική Αντοχή
Τυχόν διαφορές στην ποιότητα των υλικών και στην αναλογία τους στο ανάμιγμα,
αλλά και στον τρόπο διάστρωσης, συμπύκνωσης και συντήρησης, καθιστούν το σκυρόδεμα ανομοιογενές υλικό με θλιπτική αντοχή fc που θεωρείται τυχαία μεταβλητή που
περιγράφεται από κανονική κατανομή (δεχόμενοι ότι δεν υπάρχει συστηματική αιτία που
να επηρεάζει την αντοχή) με μέση τιμή fcm και τυπική απόκλιση s. Επειδή, γενικά, καθοριστικά για την ασφάλεια ενός έργου από σκυρόδεμα είναι τα αδύναμα σημεία του, ο
σχεδιασμός του βασίζεται σε μία αντοχή μικρότερη της μέσης, που λέγεται χαρακτηριστική αντοχή, fck. Αυτή ορίζεται θεωρώντας ότι αν ολόκληρη η ποσότητα του σκυροδέματος μετατρέπονταν σε δοκίμια, μόνο το 5% αυτών (10% κατά τον Αμερικάνικο Κανονισμό ACI318) θα είχαν αντοχή μικρότερη της fck. Με βάση λοιπόν τα χαρακτηριστικά
της κανονικής κατανομής πιθανοτήτων, ισχύει
6.3
f ck = f cm−1.64 s
74
Συνεπώς, δύο σκυροδέματα με διαφορετικό έλεγχο ποιότητας (και επομένως διαφορετικό s) προσφέρουν τον ίδιο βαθμό ασφάλειας αν έχουν την ίδια fck, και επομένως
αυτό με το χειρότερο έλεγχο ποιότητας (άρα και με τη μεγαλύτερη s) θα πρέπει να έχει
μεγαλύτερη fcm και επομένως μεγαλύτερο κόστος.
Επειδή η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος εξαρτάται από πολλούς παράγοντες,
ως βάση για τον έλεγχο ποιότητας του σκυροδέματος ορίζεται η συμβατική αντοχή, f28,
δηλαδή αυτή που μετράται με δοκίμια τυποποιημένης μορφής και διαστάσεων, που παρασκευάζονται από το νωπό σκυρόδεμα κατά τη διάρκεια της διάστρωσης, συντηρούνται με καθορισμένο τρόπο και δοκιμάζονται σε θλίψη με τυποποιημένο τρόπο. Για την
πρώτη ημέρα μετά τη διάστρωση η ελεύθερη επιφάνεια των δοκιμίων πρέπει να διατηρείται υγρή. Το ξεκαλούπωμα γίνεται σε μία ημέρα και τα δοκίμια τοποθετούνται σε
θάλαμο ελεγχομένων συνθηκών (20 °C ± 2 °C, σχετική υγρασία 95%) μέχρι και την 28η
ημέρα, οπότε και δοκιμάζονται σε υγρή κατάσταση. Πρόσθετες λεπτομέρειες για την παρασκευή και συντήρηση δοκιμίων σκυροδέματος δίνονται σήμερα στο Πρότυπο ΕΝ
12390-2 (παλαιότερα ίσχυε το Πρότυπο ΕΛΟΤ-671).
Σύμφωνα με το Πρότυπο ΕΝ 206-1, ως συμβατικά δοκίμια καθορίζονται ο κύλινδρος διαμέτρου 150 mm και ύψους 300 mm (που καθορίζεται επίσης από τον Αμερικάνικο Κανονισμό ACI 318, τον Γερμανικό Κανονισμό DIN 1045 και τον Κανονισμό
CEB) και ο κύβος πλευράς 150 mm (του Αγγλικού Κανονισμού). Παλαιότερα εχρησιμοποιείτο και ο κύβος πλευράς 200 mm (που καθορίζεται επίσης από το DIN 1045). Η
αντιστοιχία μεταξύ των συμβατικών αντοχών που δίνουν τα παραπάνω δοκίμια δίνεται
στον Πίνακα 6.1. Για ενδιάμεσες τιμές του Πίνακα 6.1 γίνεται γραμμική παρεμβολή.
Ο κύλινδρος προσφέρεται για την καταγραφή της καμπύλης τάσεων - παραμορφώσεων και προσφέρεται για δοκιμή σε εφελκυσμό από διάρρηξη. Μειονεκτήματά του
είναι η απαίτηση "καπελώματος" της πάνω επιφάνειας (με τσιμεντοκονίαμα ή γυψοκονίαμα ή κονίαμα με λειωμένο θειάφι ) ώστε να είναι τελείως ομαλή και επίπεδη πριν την
εφαρμογή του θλιπτικού φορτίου για να μην προκληθεί μείωση της αντοχής, και η σχετικά μικρή επιφάνεια διατομής του, που είναι ευαίσθητη σε συγκεντρώσεις χονδρόκοκκων
αδρανών, οδηγώντας σε μεγάλη διασπορά των αποτελεσμάτων της δοκιμής. Ο κύβος
των 150 mm συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της αποφυγής του καπελώματος με το μικρό
όγκο και βάρος αλλά έχει το μειονέκτημα της μικρής επιφάνειας διατομής. Βασικά πλεονεκτήματα του κύβου 200 mm ήταν ότι πλησίαζε περισσότερο τις συνηθισμένες διαστάσεις των δομικών στοιχείων και ότι, λόγω μεγέθους, η αντοχή ήταν λιγότερο ευαίσθητη στις συνθήκες συντήρησης, ενώ ως μειονεκτήματα αναφέρονται το μεγάλο βάρος
και ο όγκος, που επέφεραν δυσκολίες μεταφοράς, η σχετικά μεγάλη ποσότητα υλικού
που απαιτούνταν για την παρασκευή του και η ανάγκη χρήσης ισχυρών μηχανών πειραματικού ελέγχου.
Αντοχή κυλίνδρου 150x300 mm (MPa) 9.2 12.8 18.4 25.4 39.5
Αντοχή κύβου 150 mm (MPa)
12.6 16.8 23.6 31.5 47.2
Αντοχή κύβου 200 mm (MPa)
12.0 16.0 22.4 30.0 45.0
Πίνακας 6.1: Αντιστοιχία συμβατικών αντοχών κυλινδρικών και κυβικών δοκιμίων.
6.4. Παραμορφώσεις
Το σκυρόδεμα χαρακτηρίζεται από ελαστική και ανελαστική συμπεριφορά λόγω
εξωτερικών φορτίων, καθώς επίσης και από παραμορφώσεις που οφείλονται στα φαινόμενα της συστολής λόγω ξήρανσης, των συστολο-διαστολών λόγω θερμοκρασιακών
μεταβολών και του ερπυσμού (και κατ' επέκταση της χαλάρωσης).
Σκυρόδεμα
6.4.1.
75
Ελαστικότητα
Η καμπύλη τάσεων-παραμορφώσεων για το σκυρόδεμα σε θλίψη έχει περιγραφεί
παραπάνω, όπου και εξηγούνται οι λόγοι που οδηγούν σε ρηγμάτωση, αποτέλεσμα της
οποίας είναι η μη-γραμμικότητα της σχέσης σ-ε και κατ' επέκταση η μεταβολή του
μέτρου ελαστικότητας με τη φόρτιση. Στην τυπική καμπύλη του Σχ. 6.23 δίνονται τρεις
τρόποι ορισμού του μέτρου ελαστικότητας. Το αρχικό μέτρο ελαστικότητας, Eco, δίνεται
από την κλίση της καμπύλης στην αρχή των αξόνων, το εφαπτομενικό (ή στιγμιαίο)
μέτρο ελαστικότητας, Ect, δίνεται από την κλίση της εφαπτομένης της καμπύλης στο σημείο που αναφερόμαστε, και το επιβατικό (ή τέμνον) μέτρο ελαστικότητας, Ecs, δίνεται
από την κλίση του ευθύγραμμου τμήματος που ενώνει την αρχή των αξόνων με το σημείο αναφοράς, που για το σκυρόδεμα είναι το σημείο όπου η τάση είναι ίση με 40% της
μέγιστης. Εκτός από τα προαναφερθέντα, που υπολογίζονται βάσει στατικής φόρτισης
δοκιμίων, υπάρχει και το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας, Ecd, που είναι περίπου ίσο με
το αρχικό μέτρο ελαστικότητας και μετράται μέσω δοκιμής με υπέρηχους.
Σχ. 6.23: Ορισμός μέτρων ελαστικότητας για το σκυρόδεμα.
Πέραν του ότι το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος μπορεί να μετρηθεί πειραματικά βάσει τυποποιημένων δοκιμών (π.χ. ASTM C469-83), στην πράξη ενδιαφέρει
περισσότερο η συσχέτιση του με τη θλιπτική αντοχή (και, σύμφωνα με τον Αμερικάνικο
Κανονισμό, με την πυκνότητά του).
Σύμφωνα με τον Ελληνικό Κανονισμό Ωπλισμένου Σκυροδέματος (2000), στους
υπολογισμούς χρησιμοποιείται η μέση τιμή του επιβατικού μέτρου ελαστικότητας σε 28
ημέρες, Ecm, που δίνεται συναρτήσει της χαρακτηριστικής αντοχής fck
6.4
E cm =9500 √3 f ck +8
όπου Ecm και fck σε MPa. Σημειώνεται ότι η παραπάνω εμπειρική σχέση είναι προσεγγιστική και δεν λαμβάνει υπόψη αρκετές σημαντικές παραμέτρους που επηρεάζουν
το μέτρο ελαστικότητας- ισχύει δε για σκυροδέματα αντοχής μέχρι 80 MPa.
Η δεύτερη ελαστική σταθερά του σκυροδέματος, ο λόγος Poisson, κυμαίνεται μεταξύ 0.15 και 0.2, και μετράται πειραματικά σύμφωνα με τις τυποποιημένες μεθόδους
μέτρησης του μέτρου ελαστικότητας.
6.4.1.1.
Παράγοντες που Επηρεάζουν το Μέτρο Ελαστικότητας
Ενώ στα ομοιογενή υλικά υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ μέτρου ελαστικότητας και
πυκνότητας, στο σκυρόδεμα, που είναι ανομοιογενές και πολυφασικό, το μέτρο ελαστικότητας καθορίζεται από το ποσοστό κατ' όγκο, την πυκνότητα και το μέτρο ελαστικότη-
76
τας των κυρίων συστατικών του (αδρανή, τσιμεντοπολτός), καθώς και από τα χαρακτηριστικά της μεταβατικής ζώνης. Τέλος σχετίζεται με τον τρόπο πειραματικού ελέγχου. Οι
διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν το μέτρο ελαστικότητας δίνονται στο Σχ. 6.24 και
εξηγούνται παρακάτω.
Σχ. 6.24: Διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν το μέτρο ελαστικότητας
του σκυροδέματος.
Αδρανή. Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό των αδρανών, ιδιαίτερα των χονδρών,
που επηρεάζει άμεσα το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος είναι το πορώδες,
αφού αυτό καθορίζει το μέτρο ελαστικότητάς τους και κατ' επέκταση την ικανότητά τους
να περιορίζουν τις παραμορφώσεις του τσιμεντοπολτού. Για τα κοινά σκυροδέματα με
ασβεστολιθικά αδρανή, το μέτρο ελαστικότητας των αδρανών (που κυμαίνεται γύρω στα
25-85 GPa) ξεπερνά κατά πολύ αυτό του τσιμεντοπολτού (περίπου 5-10 GPa), οπότε
και οι τάσεις στα αδρανή είναι μεγαλύτερες, δηλαδή η "ροή" του φορτίου γίνεται κυρίως
μέσα από αυτά. Το αντίθετο συμβαίνει στα σκυροδέματα με ελαφρά αδρανή, των οποίων το μέτρο ελαστικότητας είναι συνήθως μικρότερο από αυτό του τσιμεντοπολτού.
Άλλα χαρακτηριστικά επίσης, όπως το μέγεθος του μέγιστου κόκκου, το σχήμα, η επιφανειακή υφή, η κοκκομετρική διαβάθμιση και η ορυκτολογική σύσταση επηρεάζουν τη
μικρορηγμάτωση στη μεταβατική ζώνη, και επομένως καθορίζουν και τη μορφή της καμπύλης τάσεων-παραμορφώσεων.
Τσιμεντοπολτός. Το μέτρο ελαστικότητας του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού καθορίζεται από το πορώδες του, και επομένως οι παράγοντες που σχετίζονται με αυτό,
όπως ο λόγος Ν/Τ, η περιεκτικότητα σε αέρα, η ύπαρξη ορυκτών πρόσθετων και ο βαθμός ενυδάτωσης (Σχ. 6.8) επηρεάζουν άμεσα το μέτρο ελαστικότητας.
Μεταβατική ζώνη. Σημαντικό ρόλο στη μορφή της καμπύλης σ-ε παίζουν τα
διάφορα κενά, οι μικρορωγμές και η ύπαρξη προσανατολισμένων κρυστάλλων υδροξειδίου του ασβεστίου, που απαντώνται συχνά στη μεταβατική ζώνη. Οι παράγοντες που
επηρεάζουν το πορώδες της μεταβατικής ζώνης άρα και το μέτρο ελαστικότητας δίνονται στο Σχ. 6.8.
Παράμετροι πειραματικού ελέγχου. Είναι ενδιαφέρον ότι δοκίμια σκυροδέματος
σε υγρή κατάσταση εμφανίζουν αύξηση του μέτρου ελαστικότητας έναντι ομοίων δοκιμίων σε ξηρή κατάσταση που είναι της τάξης του 15%, ενώ ακριβώς το αντίθετο συμβαίνει
με την αντοχή. Αυτό μάλλον οφείλεται στο ότι το προσροφώμενο από τους κρυστάλλους
C-S-H νερό έχει την ικανότητα μεταφοράς φορτίων και επομένως συνεισφέρει στην αύξηση του μέτρου ελαστικότητας, ενώ παράλληλα προκαλεί πιέσεις διαχωρισμού των CS-H που μειώνουν τις ελκτικές δυνάμεις van der Waals, άρα και την αντοχή.
Σκυρόδεμα
77
Ακόμα, η κλίση σε κάθε σημείο της καμπύλης σ-ε, που είναι αντιστρόφως ανάλογη
του βαθμού ρηγμάτωσης, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα φόρτισης. Εξαιρετικά μεγάλες ταχύτητες φόρτισης προκαλούν την ανάπτυξη πολύ μικρών παραμορφώσεων κατά την αστοχία, δίνοντας έτσι μεγάλο μέτρο ελαστικότητας. Αντίθετα, στις μικρές ταχύτητες φόρτισης οι παραμορφώσεις αυξάνονται λόγω ερπυσμού, μειώνοντας
έτσι το μέτρο ελαστικότητας.
6.4.2.
Συστολή Ξήρανσης Ερπυσμός
Όπως εξηγήθηκε στην Ενότητα 6.2.2, ο κορεσμένος με νερό τσιμεντοπολτός σε
συνθήκες υγρασίας περιβάλλοντος υφίσταται απώλεια νερού και συστέλλεται. Ομοίως,
όταν ο τσιμεντοπολτός είναι υπό μόνιμη τάση, σημαντικό ποσοστό τού φυσικά προσροφώμενου νερού στους κρυστάλλους C-S-H εξωθείται, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ερπυστικών παραμορφώσεων. Έτσι, τόσο η συστολή ξήρανσης όσο και ο ερπυσμός είναι
φαινόμενα που οφείλονται κυρίως στην απομάκρυνση προσροφώμενου νερού από
τον ενυδατωμένο τσιμεντοπολτό. Η βασική διαφορά είναι ότι στην πρώτη περίπτωση κινητήρια δύναμη είναι η διαφορά σχετικής υγρασίας μεταξύ του σκυροδέματος και του
περιβάλλοντος, οπότε η συστολή είναι ομοιόμορφη προς όλες τις διευθύνσεις, ενώ στη
δεύτερη είναι η δράση μόνιμου φορτίου, οπότε η παραμόρφωση είναι παράλληλη στη
διεύθυνση της τάσης (ενώ οι εγκάρσιες παραμορφώσεις αυξάνονται με σταθερό λόγο
Poisson).
Το φαινόμενο του ερπυσμού είναι κάπως πιο περίπλοκο, και υποστηρίζεται ότι
οφείλεται σε κάποιο βαθμό και στις μικρορηγματώσεις της μεταβατικής ζώνης λόγω
εξωτερικών φορτίων και συρτολής ξήρανσης. Τέλος, μία πρόσθετη αιτία ερπυσμού του
σκυροδέματος είναι η καθυστερημένη ελαστική απόκριση των αδρανών. Καθότι ο
τσιμεντοπολτός είναι συγκολλημένος με τα αδρανή, οι τάσεις σε αυτόν μειώνονται σταδιακά και τμήμα του φορτίου μεταφέρεται στα αδρανή τα οποία παραμορφώνονται ελαστικά, συνεισφέροντας έτσι στον ερπυσμό.
Η επίδραση των συνθηκών φόρτισης και υγρασίας στη συστολή ξήρανσης και τον
ερπυσμό γίνεται κατανοητή εξετάζοντας τις περιπτώσεις του Πίνακα 6.15. Η δράση σταθερής τάσης σε συνθήκες 100% σχετικής υγρασίας προκαλεί αύξηση της παραμόρφωσης με το χρόνο, φαινόμενο που ονομάζεται βασικός ερπυσμός. Κατόπιν θεωρούμε την
περίπτωση σταθερής παραμόρφωσης, αποτέλεσμα της οποίας είναι η ανάπτυξη τάσεων, που όμως μειώνονται με το χρόνο (χαλάρωση). Στην τρίτη περίπτωση ένα ελεύθερο
δοκίμιο σκυροδέματος εκτίθεται σε συνθήκες χαμηλής σχετικής υγρασίας, με αποτέλεσμα τη συστολή ξήρανσης που αυξάνεται με το χρόνο. Αν η παραμόρφωση του δοκιμίου παρεμποδίζεται, θα επέλθει ανάπτυξη εφελκυστικών τάσεων, οι οποίες είναι συχνά
υπεύθυνες για τη ρηγμάτωση του αφόρτιστου σκυροδέματος. Στην ευνοϊκή δε περίπτωση που το δοκίμιο ευρίσκεται υπό σταθερή παραμόρφωση, η συστολή ξήρανσης επιφέρει μείωση των τάσεων. Επίσης, έχει παρατηρηθεί ότι όταν το σκυρόδεμα φορτίζεται
σε συνθήκες χαμηλής σχετικής υγρασίας, η συνολική παραμόρφωση είναι μεγαλύτερη
από το άθροισμα της ελαστικής, της παραμόρφωσης λόγω βασικού ερπυσμού και της
παραμόρφωσης λόγω συστολής ξήρανσης. Η πρόσθετη αυτή παραμόρφωση χαρακτηρίζει το φαινόμενο του ερπυσμού ξήρανσης. Στην πράξη, η διαφοροποίηση μεταξύ βασικού ερπυσμού και ερπυσμού ξήρανσης ελάχιστα ενδιαφέρει, ενώ αυτό που υπολογίζεται είναι το άθροισμά τους, δηλαδή ο συνολικός ερπυσμός.
Ακολουθεί ο σχολιασμός της αλληλεπίδρασης μεταξύ συστολής ξήρανσης και χαλάρωσης. Για οριακές συνθήκες που παρεμποδίζουν την παραμόρφωση του δοκιμίου οι
εφελκυστικές τάσεις λόγω συστολής ξήρανσης μειώνονται λόγω χαλάρωσης, ενώ στην
περίπτωση σταθερής παραμόρφωσης οι τάσεις λόγω συστολής ξήρανσης έχουν το ίδιο
78
πρόσημο με αυτές λόγω χαλάρωσης. Σημειώνεται τέλος ότι συχνά στην πράξη αναφερόμαστε στον ερπυσμό λόγω μοναδιαίας τάσης, που ονομάζεται ειδικός ερπυσμός, και
στο λόγο μεταξύ ερπυστικών και ελαστικών παραμορφώσεων, που ονομάζεται συντελεστής ερπυσμού.
Μηχανισμός
Βασικός ερπυσμός
Διάγραμμα
Παραμόρφωση συναρτήσει χρόνου
Τάση συναρτήσει χρόνου
Σημειώσεις
Όχι μετακίνηση υγρασίας μεταξύ σκυροδέματος
και περιβάλλοντος
Σταθερή τάση
Χαλάρωση τάσεων
Σταθερή παραμόρφωση
Συστολή ξήρανσης
(ανεμπόδιστη)
Το μέλος παραμορφώνεται
ανεμπόδιστα,
χωρίς να αναπτύσσονται
τάσεις
Συστολή ξήρανσης
(παρεμπόδιση)
Ανάπτυξη εφελκυστικών
τάσεων
Συστολή ξήρανσης
(υπό σταθερή παραμόρφωση)
Το προηγούμενο παράδειγμα αποτελεί ειδική
περίπτωση με ε0 = 0
Ερπυσμός και συστολή ξήρανσης
Η συνολική παραμόρφωση είναι το άθροισμα
της ελαστικής, του βασικού ερπυσμού, της συστολής ξήρανσης και του
ερπυσμού ξήρανσης
Συστολή ξήρανσης
και
χαλάρωση
τάσεων
(παρεμπόδιση)
Η τάση χαλάρωσης είναι
αντίθετη στην τάση λόγω
συστολής ξήρανσης.
Συστολή ξήρανσης
και
χαλάρωση
τάσεων (υπό σταθερή παραμόρφωση)
Οι τάσεις λόγω συστολής ξήρανσης και χαλάρωσης έχουν την ίδια
φορά
Πίνακας 6.2: Συνδυασμοί συνθηκών φόρτισης, παρεμπόδισης και υγρασίας.
Τυπικές καμπύλες της συμπεριφοράς του σκυροδέματος σε σχέση με τα φαινόμενα συστολής ξήρανσης και ερπυσμού δίνονται στο Σχ. 6.25, όπου επισημαίνεται η μερική αναστρεψιμότητα που χαρακτηρίζει τα φαινόμενα αυτά. Η συνολική συστολή ξήρανσης (Σχ. 6.25.α) δίνεται από το άθροισμα της αναστρέψιμης συστολής, που ανακτάται
σε εναλλαγές ύγρανσης-ξήρανσης, και της μη αναστρέψιμης συστολής, που είναι μη
ανακτήσιμη και οφείλεται στην ανάπτυξη χημικών δεσμών στη δομή του C-S-H. Ομοί-
Σκυρόδεμα
79
ως, αποφόρτιση δοκιμίων σκυροδέματος μετά από μακροχρόνια φόρτιση υπό σταθερή
τάση επιφέρει σχεδόν πλήρη αναίρεση των ελαστικών παραμορφώσεων και σταδιακή
μείωση των ερπυστικών, που είναι όμως μερική, και λέγεται ανάκτηση ερπυσμού (Σχ.
6.25.β). Έτσι και ο ερπυσμός διακρίνεται σε αναστρέψιμο και μη αναστρέψιμο. Ποσοστό
του αναστρέψιμου ερπυσμού αποδίδεται στην καθυστερημένη ελαστική αποφόρτιση
των αδρανών, των οποίων οι παραμορφώσεις είναι ελαστικές και τελικά αναιρούνται
πλήρως.
Σχ. 6.25: Αναστρεψιμότητα (α) συστολής ξήρανσης και (β) ερπυσμού.
6.4.2.1.
Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Συστολή Ξήρανσης και τον Ερπυσμό
Οι διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν την κίνηση του νερού στη δομή του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού είναι αυτοί που ουσιαστικά καθορίζουν τη συστολή ξήρανσης και τον ερπυσμό, και περιγράφονται παρακάτω.
Υλικά και αναλογίες σύνθεσης. Η κύρια αιτία συστολής ξήρανσης και ερπυσμού
σχετίζεται με τον τσιμεντοπολτό, χωρίς όμως να υπάρχει και άμεση αναλογία της έντασης των φαινομένων αυτών με το ποσοστό του κατ' όγκο, διότι αυτό πομ παίζει κύριο
ρόλο στο μέγεθος των παραμορφώσεων είναι ο βαθμός παρεμπόδισής τους από τα
αδρανή. Πολλές θεωρίες υπολογισμού των χρόνιων παραμορφώσεων του σκυροδέματος στηρίζονται στην υπόθεση ότι ο βαθμός παρεμπόδισής τους καθορίζεται από το
μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος, που με τη σειρά του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μέτρο ελαστικότητας των αδρανών.
Όπως φαίνεται και από τα πειραματικά δεδομένα του Σχ. 6.26.α, τόσο ο λόγος της
συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος, Sc, προς αυτή του τσιμεντοπολτού, Sp, όσο και
ο αντίστοιχος λόγος για τον ειδικό ερπυσμό, Cc/Cp, εξαρτώνται από την περιεκτικότητα
του σκυροδέματος σε αδρανή και περιγράφονται από παρόμοιες σχέσεις, της παρακάτω μορφής (Powers 1961, Neville 1964):
80
Sc
Cc
n
=1−g α
=1−g  και
Cp
Sp
όπου g = κατ' όγκον αναλογία των αδρανών, και n, α = εκθέτες που εξαρτώνται
κυρίως από το μέτρο ελαστικότητας των αδρανών (π.χ. π - 1.2 - 1.7, L' Hermite 1962).
Σχ. 6.26: Ο ρόλος των αδρανών (α) στη συστολή ξήρανσης και (β) στον
ερπυσμό.
Σχετικό με το ρόλο του μέτρου ελαστικότητας των αδρανών στις χρόνιες παραμορφώσεις του σκυροδέματος είναι το Σχ. 6.27 (Troxell et al. 1958), στο οποίο δείχνεται ότι
τόσο η συστολή ξήρανσης όσο και ο ερπυσμός μειώνονται κατά 2.5 περίπου φορές
όταν αδρανή μικρού μέτρου ελαστικότητας αντικατασταθούν με αδρανή μεγάλου μέτρου
ελαστικότητας. Άλλα χαρακτηριστικά των αδρανών, εκτός από το μέτρο ελαστικότητας
που είναι το σημαντικότερο, τα οποία επηρεάζουν τις χρόνιες παραμορφώσεις του σκυροδέματος είναι η διαβάθμισή τους, το μέγεθος μέγιστου κόκκου, το σχήμα και η επιφανειακή υφή.
Σχ. 6.27: Ο ρόλος του τύπου αδρανών (α) στη συστολή ξήρανσης και (β)
στον ερπυσμό.
Όσον αφορά στη λεπτότητα και σύνθεση του τσιμέντου που επιδρούν στο ρυθμό
ενυδάτωσης, αρκετοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι οι παράγοντες αυτοί δεν επηρεάζουν
τον όγκο και τα χαρακτηριστικά των προϊόντων ενυδάτωσης, άρα ούτε και τη συστολή
ξήρανσης. Βεβαίως, αν ο τύπος τσιμέντου επιδρά στην αντοχή του σκυροδέματος τη
Σκυρόδεμα
81
στιγμή της φόρτισης θα επηρεάσει και τον ερπυσμό του. Σε νεαρές ηλικίες, σκυροδέματα με τσιμέντο γρήγορης ανάπτυξης της αντοχής έχουν μικρότερο ερπυσμό από τα αντίστοιχα με κανονικό τσιμέντο Portland, ενώ το αντίθετο ισχύει όταν χρησιμοποιούνται
ποζολανικά τσιμέντα ή τσιμέντο με σκωρία υψικαμίνου.
Η επίδραση της περιεκτικότητας σε τσιμέντο και νερό στις χρόνιες παραμορφώσεις
δεν είναι άμεση, αλλά σχετίζεται με την περιεκτικότητα του σκυροδέματος σε αδρανή.
Έτσι αναμένεται ότι τόσο η αύξηση του λόγου Ν/Τ για σταθερή περιεκτικότητα τσιμέντου, όσο και η αύξηση της περιεκτικότητας τσιμέντου για σταθερό λόγο Ν/Τ, επιφέρουν αύξηση της συστολής ξήρανσης και του ερπυσμού. Η τελευταία παρατήρηση
δεν ισχύει πάντα για την περίπτωση του ερπυσμού, διότι η αύξηση της περιεκτικότητας
σε τσιμέντο (για σταθερό Ν/Τ) επιφέρει μεν μείωση της περιεκτικότητας σε αδρανή, και
άρα αύξηση του ερπυσμού, προκαλεί δε αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος, η
οποία μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με τον ερπυσμό.
Σχ. 6.28: Χρονική εξάρτηση (α) της συστολής ξήρανσης και (β) του ερπυσμού.
Σχ. 6.29: Επίδραση της σχετικής υγρασίας (α) στη συστολή ξήρανσης και
(β) στον ερπυσμό.
Τέλος, τα διάφορα πρόσμικτα και πρόσθετα συχνά αυξάνουν τον όγκο των μικρών
πόρων του τσιμεντοπολτού, διευκολύνοντας έτσι την κίνηση του νερού μέσω αυτών και
προκαλώντας αύξηση των χρόνιων παραμορφώσεων.
Χρόνος, υγρασία. Η μετακίνηση του νερού του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού
από τους μικρότερους προς τους μεγαλύτερους πόρους ή προς την ατμόσφαιρα είναι
μία διαδικασία που εξελίσσεται χρονικά, και μάλιστα με ρυθμούς που αυξάνονται όσο
μειώνεται η ατμοσφαιρική υγρασία, με αποτέλεσμα η συστολή ξήρανσης και ο ερπυσμός να εξαρτώνται από το χρόνο έκθεσης ή φόρτισης, αντίστοιχα (Σχ. 6.28, Troxell et
82
al. 1958), αλλά και από τη σχετική υγρασία (Σχ. 6.29, CEB-FIP 1990).
Γεωμετρία. Η ευκολία με την οποία το νερό μεταφέρεται από το εσωτερικό του
σκυροδέματος προς την ατμόσφαιρα καθορίζεται από το μήκος της διαδρομής που διανύει, και επομένως τόσο το σχήμα όσο και οι διαστάσεις των δομικών στοιχείων παίζουν ιδιαίτερο ρόλο στις χρόνιες παραμορφώσεις. Η γεωμετρία ποσοτικοποιείται με το
λεγόμενο ιδεατό μέγεθος, h, που ισούται με το λόγο της επιφάνειας της διατομής ενός
στοιχείου, Ac, προς την ημιπερίμετρο, u/2, που είναι εκτεθειμένη στην ατμόσφαιρα. Οι
σχέσεις συστολής ξήρανσης και ερπυσμού με το ιδεατό μέγεθος δίνονται στο Σχ. 6.30
(CEB-FIP 1990).
Συντήρηση, θερμοκρασία, μέγεθος τάσεων. Οι παράγοντες αυτοί επηρεάζουν
σημαντικά τα χαρακτηριστικά της μεταβατικής ζώνης και έτσι είναι περισσότερο καθοριστικοί για τον ερπυσμό απ' ότι για τη συστολή ξήρανσης. Για παράδειγμα, εναλλαγές ξήρανσης-ύγρανσης κατά τη συντήρηση αυξάνουν τον ερπυσμό λόγω μικρορηγμάτωσης
στη μεταβατική ζώνη. Η θερμοκρασία μπορεί να επιφέρει διαφορετικά αποτελέσματα
στον ερπυσμό ανάλογα με το πότε επιδρά: υψηλές θερμοκρασίες κατά τη συντήρηση
του σκυροδέματος αυξάνουν την αντοχή και μειώνουν τον ερπυσμό, ενώ όταν επιδρούν
κατά τη διάρκεια της φόρτισης ο ερπυσμός αυξάνεται. Όσον αφορά, τέλος, στο μέγεθος
των τάσεων, οι ερπυστικές παραμορφώσεις αυξάνονται αναλογικά με τις τάσεις, αρκεί
οι τελευταίες να μην ξεπερνούν τη γραμμική περιοχή του διαγράμματος σ-ε (δηλαδή το
40% περίπου της αντοχής, για θλιπτικές τάσεις), ενώ η αύξηση είναι εντονότερη για μεγαλύτερες τάσεις (περίπου 35% μεγαλύτερες παραμορφώσεις για τάση ίση με 60% της
θλιπτικής αντοχής).
Σχ. 6.30: Επίδραση του ιδεατού μεγέθους (α) στη συστολή ξήρανσης και
(β) στον ερπυσμό.
6.4.2.2.
Υπολογισμός Χρόνιων Παραμορφώσεων
Παρακάτω περιγράφονται οι μέθοδοι υπολογισμού των χρόνιων παραμορφώσεων
βάσει του Κανονισμού CEB, ο οποίος πλεονεκτεί έναντι του Ελληνικού Κανονισμού,
επειδή ο τελευταίος δίνει τιμές μόνο για τις τελικές τιμές των παραμορφώσεων αυτών.
Συστολή ξήρανσης. Η συστολή ξήρανσης σε χρόνο t (ημέρες) σκυροδέματος,
που κατά την έναρξη του φαινομένου έχει ηλικία ts (ημέρες), μπορεί να υπολογιστεί ως
εξής:
ε cs=10−6 [16010 β sc 9−0.1 f cm ] β RH β s t−t s 
όπου: βsc = συντελεστής που εξαρτάται από τον τύπο τσιμέντου, και ισούται με 4
Σκυρόδεμα
83
για βραδύπηκτα τσιμέντα, με 5 για κανονικά ή ταχύπηκτα τσιμέντα και με 8 για ταχύπηκτα τσιμέντα υψηλής αντοχής,
βRH = συντελεστής που εξαρτάται από τη σχετική υγρασία της ατμόσφαιρας, RH
(%),
−1.55 β sRH
β RH =
0.25
με β sRH =1−
για
για
RH

100
ενώ β s t−t s=

40 ≤ΡΗ 99
RH ≥99
3
t−t s
t1
2
t−t s
h
350

h0
t1
 
με h0= 100 mm και t1 = 1 ημέρα (χρόνος αναφοράς).
Ενδεικτικές τιμές της συστολής ξήρανσης σε πολύ μεγάλο χρόνο (π.χ. t = 70
χρόνια) για ξηρές συνθήκες εσωτερικού χώρου (RH = 50%) είναι -0.00060 και -0.00050
για h < 150 mm και h > 600 mm, αντίστοιχα. Οι αντίστοιχες τιμές για υγρές συνθήκες
υπαίθρου (RH - 80%) είναι -0.00033 και -0.00028. Για ενδιάμεσες τιμές του h μπορεί να
γίνει γραμμική παρεμβολή. Τέλος σημειώνεται ότι οι παραπάνω τιμές συστολής ξήρανσης έχουν εφαρμογή σε σκυρόδεμα κατηγορίας κάθισης S2 ή S3 (βλ. 6.10.2), ενώ για
σκυρόδεμα άλλης κατηγορίας πρέπει να πολλαπλασιάζονται επί 0.7.
Ερπυσμός. Για σταθερή τάση σco [< 0.4fcm(to)] που εφαρμόζεται σε χρόνο to, η συνολική παραμόρφωση (ελαστική + ερπυστική) σε χρόνο t ισούται με
ε co t , t 0 =σ co
[
φt , t 0
1

E c t 0
E c28
]
όπου το (αρχικό) μέτρο ελαστικότητας σε χρόνο t0 είναι
E c t 0= β Ε t 0  E c28= β cc t 0 E c28
και Ec28 είναι το αρχικό μέτρο ελαστικότητας σε ηλικία 28 ημερών, ίσο με 1.05Ecm.
Η σταθερά βcc(t0) υπολογίζεται από την εξίσωση 6.1 (σελ. 63) και ο συντελεστής ερπυσμού είναι
φt ,t 0 =φ RH β  f cm  β t 0  β t−t 0 
RH
1
β t 0=
100
5.3
t 0 0.2 ,
οπου: φ RH =1
, β  f cm =
,
0.1
f
0.1

h

cm
0.46 3
t1
h0
1−

 
t−t 0
t1
β c t−t 0 =
t−t 0
β H
t1
0.3
[ 
RH
και β H =150 1 1.2
100
]
18
h
250≤1500
h0
Η επίδραση του τύπου του τσιμέντου και της θερμοκρασίας κατά τη συντήρηση
στον ερπυστικό συντελεστή λαμβάνεται υπόψη τροποποιώντας το t0 σύμφωνα με την
84
παρακάτω σχέση:

t 0=t 0,T 1
9

t
2 0,T
t 1,T
α

≥0.5 μέρες
όπου: t1,T = 1 ημέρα, α = εκθέτης που εξαρτάται από τον τύπο τσιμέντου, ίσος με
-1 για βραδύπηκτα τσιμέντα, με 0 για κανονικά ή ταχύπηκτα τσιμέντα και με 1 για ταχύπηκτα τσιμέντα υψηλής αντοχής και t0,T = ενεργή ηλικία του σκυροδέματος κατά τη φόρτιση, ίση με

−
n
t 0,T =∑ Δt i e

4000
−13.65
T  Δt i 
273
T0
i=1
με T(Δti) = θερμοκρασία (σε °C) κατά την περίοδο Δti, που ισούται με τον αριθμό
των ημερών που επικρατεί η T, και Τ0 = 1 °C.
Τέλος, για μεγαλύτερες τάσεις, στην περιοχή 0.4fcm(t0) - 0.6fcm(t0), Ο συντελεστής
∣σco∣
ερπυσμού προσαυξάνεται πολλαπλασιάζοντας με e 1.5 f
−0.4
cm
Τυπικές τιμές του συντελεστή ερπυσμού για κοινό σκυρόδεμα μετά από φόρτιση
πολλών χρόνων (t = 70 χρόνια) δίνονται στον Πίνακα 6.3 (στον οποίο μπορεί να γίνει
και γραμμική παρεμβολή για ενδιάμεσες τιμές του h). Σημειώνεται ότι οι τιμές του Πίνακα 6.3 έχουν εφαρμογή σε συνήθη σκυροδέματα κατηγορίας κάθισης S2 ή S3 (βλ.
6.10.2) υπό θερμοκρασία περιβάλλοντος +10 έως +20 °C, ενώ για σκυρόδεμα άλλης
κατηγορίας κάθισης οι τιμές πρέπει να πολλαπλασιάζονται επί 0.7.
Ξηρές ατμο- Υγρές ατμοΗλικία κατά σφ. συνθήκες σφ. συνθήκες
τη φόρτιση, εσωτ. χώρου
υπαίθρου
t0 (ημέρες)
(RH= 50%)
(RH= 80%)
Ιδεατό μέγεθος, h (mm)
≤50 150 ≥600 ≤50 150 ≥600
1
5.5 4.6 3.7 3.6 3.2 2.9
7
3.9 3.1 2.6 2.6 2.3 2.0
28
3.0 2.5 2.0 1.9 1.7 1.5
90
2.4 2.0 1.6 1.5 1.4 1.2
365
1.8 1.5 1.2 1.1 1.0 1.0
Πίνακας 6.3: Συντελεστής ερπυσμού φ (t = 70 χρόνια, t0).
6.4.3.
Παραμορφώσεις λόγω Θερμοκρασιακών Μεταβολών
Όπως η πλειονότητα των υλικών, το σκυρόδεμα διαστέλλεται λόγω θέρμανσης και
συστέλλεται λόγω ψύξης. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του σκυροδέματος, ac,
εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από αυτόν των αδρανών, την κατ' όγκο αναλογία των αδρανών στο ανάμιγμα και τις συνθήκες υγρασίας. Ισούται δε με 6-13·10-6/°C, με συχνά χρησιμοποιούμενη στην πράξη τιμή το 10·10-6/°C. Τυπικές τιμές του αc για διάφορα αδρανή
και υγρές συνθήκες συντήρησης είναι (·10-6/°C): άμμος και χαλίκια (ασβεστολιθικά): 1012, γρανίτης: 9, χαλαζίτης: 12.5, γάββρος: 7, δολερίτης και τέφρα υψικαμίνου: 9. Οι παράγοντες που επηρεάζουν το ac είναι επίσης καθοριστικοί και για το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του σκυροδέματος λc, ο οποίος γενικά αυξάνεται με την πυκνότητα,
την υγρασία και τη θερμοκρασία του σκυροδέματος, και άρα εξαρτάται σημαντικά από
το πορώδες του σκληρυμένου τσιμεντοπολτού. Σαν ενδεικτική τιμή του λ c αναφέρονται
Σκυρόδεμα
85
τα 2 W/mK.
Σε περιπτώσεις κατασκευών με μεγάλες διαστάσεις (π.χ. φράγματα) συμβαίνει
πολλές φορές να αυξάνεται η θερμοκρασία του σκυροδέματος κατά την ενυδάτωση του
τσιμεντοπολτού (λίγες ημέρες μετά τη σκυροδέτηση), με αποτέλεσμα την ανάπτυξη
εφελκυστικών παραμορφώσεων και τη ρηγμάτωση (θερμική ρηγμάτωση) λόγω διαφοράς θερμοκρασίας των εξωτερικών επιφανειών (ψυχρότερες) με το εσωτερικό (θερμότερο) των στοιχείων. Το μέγεθος των εφελκυστικών παραμορφώσεων και τάσεων που πιθανόν να οδηγήσουν σε ρηγμάτωση εξαρτάται από το βαθμό περιορισμού των παραμορφώσεων της κατασκευής, το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος, το συντελεστή
θερμικής διαστολής, την αύξηση της θερμοκρασίας λόγω ενυδάτωσης και τη χαλάρωση
των τάσεων λόγω ερπυσμού. Συνηθισμένη μέθοδος περιορισμού τέτοιων τάσεων είναι
ο περιορισμός της θερμοκρασιακής μεταβολής, που επιτυγχάνεται με πρόψυξη του σκυροδέματος χρησιμοποιώντας κατά τη σκυροδέτηση τεμαχίδια πάγου στη μάζα του, κρύο
νερό ή ακόμα και κρύα αδρανή. Άλλη μέθοδος ικανοποιητικής αποτελεσματικότητας είναι η μερική αντικατάσταση τσιμέντου με ποζολάνες (π.χ. Carlson et al. 1979).
6.5. Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια
Όπως όλα σχεδόν τα σύνθετα τεχνητά υλικά έτσι και το σκυρόδεμα, και κυρίως το
οπλισμένο, έχει πεπερασμένο χρόνο ζωής, πέρα από τον οποίο κρίνεται λειτουργικά
ανεπαρκές. Έτσι, το πρόβλημα της ανθεκτικότητας σε διάρκεια θεωρείται σήμερα διεθνώς ίσως το σημαντικότερο πρόβλημα των κατασκευών σκυροδέματος, γι' αυτό και η
επίλυσή του μελετάται τουλάχιστον με την ίδια σοβαρότητα που επιδεικνύεται στα προβλήματα - μηχανικής συμπεριφοράς και αντοχής. Η άποψη αυτή ενισχύεται θεωρώντας
αφενός το αρκετά μεγάλο κόστος των επισκευών ή ανακατασκευών έργων από σκυρόδεμα, αφετέρου την άμεση σχέση μεταξύ ανθεκτικότητας των υλικών σε διάρκεια και
σεβασμού προς το περιβάλλον.
6.5.1.
Υδατοπερατότητα
Το πλέον καθοριστικό στοιχείο για την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε διάρκεια είναι το νερό. Για παράδειγμα, το εξαιρετικά μικρό μέγεθος των μορίων του νερού
έχει ως αποτέλεσμα τη διείσδυσή του ακόμα και σε εξαιρετικά λεπτούς πόρους του σκυροδέματος, κι έτσι τυχόν αλλαγές στη δομή του, όπως η μετατροπή του λόγω ψύξης σε
πάγο, επιφέρουν μεταβολή του όγκου του προκαλώντας την ανάπτυξη τάσεων που
μπορεί να οδηγήσουν σε ρηγμάτωση. Επιπλέον, λόγω της εξαιρετικά καλής διαλυτικής
του ικανότητας, το νερό μπορεί να μεταφέρει χημικές ουσίες που ενδέχεται να προκαλέσουν βλάβες στο σκυρόδεμα. Η ροή του νερού (ή άλλων ρευστών) μέσα από τη μάζα
του σκυροδέματος ελέγχεται από τη διαπερατότητα, που στο Κεφάλαιο 3 ορίζεται ως η
ιδιότητα που χαρακτηρίζει το ρυθμό μεταφοράς ρευστών μέσω των πόρων στερεών
σωμάτων, και που, ειδικά για το νερό, ονομάζεται υδατοπερατότητα, και χαρακτηρίζεται
από το συντελεστή k [εξίσωση 3.1 (σελ. 27)].
Πριν ασχοληθούμε με την υδατοπερατότητα του σκυροδέματος θα αναφερθούμε
στην υδατοπερατότητα των συστατικών του. Στο σκληρυμένο τσιμεντοπολτό η υδατοπερατότητα εξαρτάται από το μέγεθος και το βαθμό συνέχειας των τριχοειδών πόρων, που
ελαττώνονται με το βαθμό ενυδάτωσης και με το λόγο Ν/Τ. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι
για Ν/Τ = 0.7, ο συντελεστής υδατοπερατότητας είναι της τάξης του 10 -3 - 10-4 mm/sec
λίγο μετά τη διάστρωση, μειώνεται σε 10x10 -8 mm/sec στις 6 ημέρες, σε 50x10-10
mm/sec στις 13 ημέρες και σε 6x10-10 mm/sec τελικά, σε μεγάλη ηλικία (Powers et al.
1954), χωρίς να υπάρχει αναλογία μεταξύ υδατοπερατότητας και ηλικίας. Για παράδειγ-
86
μα, μείωση του τριχοειδούς πορώδους από 40% σε 30% αντιστοιχεί σε μεγάλη μείωση
του συντελεστή υδατοπερατότητας, από 110x10-11 mm/sec σε 20x10-11 mm/sec, ενώ περαιτέρω μείωση του πορώδους σε 20% δίνει ελάχιστη μόνο μείωση του συντελεστή
υδατοπερατότητας. Αυτό οφείλεται στο ότι ακόμα και μικρή μείωση του πορώδους κατά
τα αρχικά στάδια της ενυδάτωσης έχει ως αποτέλεσμα τη διακοπή της συνέχειας σημαντικού ποσοστού πόρων, ιδιαίτερα μάλιστα των μεγαλύτερων. Έτσι μία τιμή τριχοειδούς
πορώδους γύρω στο 30% θεωρείται οριακή όσον αφορά στο συντελεστή υδατοπερατότητας, καθιστώντας την επικοινωνία των τριχοειδών πόρων πολύ περιορισμένη και το
μέγεθος τους μικρό. Για λόγους Ν/Τ 0.4, 0.5, 0.6 και 0.7 αυτό επιτυγχάνεται μετά από
υγρή συντήρηση 3, 14, 180 και 365 περίπου ημερών, αντίστοιχα, με συντελεστή υδατοπερατότητας της τάξης του 10-11 mm/sec. Είναι λοιπόν προφανές ότι η συνεισφορά του
τσιμεντοπολτού στην υδατοπερατότητα σκυροδέματος με καλή συντήρηση είναι μικρή,
αρκεί βέβαια ο λόγος Ν/Τ να είναι κάτω από μία ορισμένη τιμή (της τάξης του 0.5).
Το πορώδες των συνηθισμένων αδρανών είναι γενικά μικρό, γύρω στο 3-10%,
αλλά ο συντελεστής υδατοπερατότητας είναι της ίδιας τάξης με αυτόν του τσιμεντοπολτού. Αυτό οφείλεται στο ότι η διάμετρος των πόρων των αδρανών είναι σχετικά μεγάλη,
πάνω από 10μm, ενώ αυτή των τριχοειδών πόρων του τσιμεντοπολτού είναι σαφώς μικρότερη, γύρω στα 10-100 nm.
Παρότι οι συντελεστές υδατοπερατότητας τσιμεντοπολτού και αδρανών είναι παρόμοιοι, ο συντελεστής για το σκυρόδεμα είναι κατά πολύ μεγαλύτερος και μάλιστα αυξάνεται με το μέγιστο κόκκο των αδρανών. Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη μικρορωγμών
στη μεταβατική ζώνη (λόγω συστολής ξήρανσης, διαφορικών θερμοκρασιακών συστολών κ.τ.λ.) οι οποίες είναι αρκετά μεγαλύτερες από τους τριχοειδείς πόρους και παρέχουν ένα νέο δίκτυο πόρων. Ενδεικτικά, ο συντελεστής υδατοπερατότητας σκυροδέματος με Ν/Τ = 0.5 είναι περίπου 10-9 mm/sec.
Συνοψίζοντας, η διαπερατότητα του σκυροδέματος είναι καθοριστική για την ανθεκτικότητά του σε διάρκεια. Επειδή μάλιστα είναι, όπως και η αντοχή, άμεσα συνδεδεμένη με το τριχοειδές πορώδες, οι ίδιοι παράγοντες που επηρεάζουν την αντοχή του
σκυροδέματος είναι, σε πρώτη προσέγγιση, σημαντικοί και για την ανθεκτικότητα του
σκυροδέματος σε διάρκεια. Οι παράγοντες αυτοί συνοψίζονται στους εξής: σύσταση του
τσιμέντου (συχνά τα τσιμέντα με πρόσμικτα είναι πιο ευπαθή), λόγος Ν/Τ, πορώδες, συντήρηση, συμπύκνωση, ύπαρξη ρωγμών.
6.5.2.
Φυσικά Αίτια Μείωσης της Ανθεκτικότητας σε Διάρκεια
Τα φυσικά αίτια που μπορεί να μειώσουν την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε
διάρκεια κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες που σχετίζονται με την επιφανειακή
φθορά και τη ρήγμάτωση, και δίνονται στο Σχ. 6.31. Από αυτά, η ρηγμάτωση του σκυροδέματος λόγω μεταβολών θερμοκρασίας και υγρασίας αναπτύχθηκε παραπάνω, ενώ
αυτή λόγω εξωτερικών φορτίσεων παρουσιάζεται εκτενώς στη βιβλιογραφία του οπλισμένου σκυροδέματος. Τα υπόλοιπα αίτια αναπτύσσονται παρακάτω.
Η επιφανειακή (ή μηχανική) φθορά του σκυροδέματος μπορεί να προκληθεί λόγω
απότριψης, υδροφθοράς και σπηλαίωσης. Η απότριψη προκαλείται από την κυκλοφορία πεζών ή οχημάτων (π.χ. σε βιομηχανικά δάπεδα) η υδροφθορά οφείλεται στη
δράση του νερού που συνήθως περιέχει αιωρούμενα σωματίδια (π.χ. σε βάθρα γεφυρών, φράγματα, υπερχειλιστές)· και η σπηλαίωση εμφανίζεται όταν νερό κινείται με μεγάλη ταχύτητα παράλληλα σε επιφάνεια της οποίας η γεωμετρία αλλάζει ξαφνικά (π.χ.
συμβολή αγωγών), με αποτέλεσμα το σχηματισμό και την καταστροφή φυσαλίδων, φαινόμενο που επιφέρει κρουστικά κύματα προκαλώντας κοιλότητες και ανωμαλίες.
Σκυρόδεμα
87
Σχ. 6.31: Φυσικά αίτια μείωσης της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος σε
διάρκεια. Επιφανειακή Φθορά
Η απότριψη του σκυροδέματος ξεκινά από το συστατικό με τη μικρότερη αντοχή,
τον σκληρυμένο τσιμεντοπολτό, και προχωρεί σταδιακά έως ότου αποκαλυφθούν τα
αδρανή, που με τη σειρά τους αφαιρούνται δημιουργώντας ανώμαλες επιφάνειες, επιρρεπείς σε περαιτέρω φθορά. Η ανθεκτικότητα σε απότριψη αυξάνεται με τη μείωση του
λόγου Λ//Τ(Σχ. 6.32.α), διότι έτσι αυξάνεται η αντοχή του επιφανειακού στρώματος και
βελτιώνεται η συνάφεια τσιμεντοπολτού και αδρανών. Επίσης εξαρτάται από το είδος
των αδρανών (Σχ. 6.32.β). Κατά τον Liu (1981), γενικά σκυροδέματα με σκληρά αδρανή
(π.χ. τσέρτης) είναι πιο ανθεκτικά σε απότριψη από αυτά με τις ίδιες αναλογίες υλικών
που περιέχουν μαλακά αδρανή (π.χ. ασβεστόλιθος). Η σκληρότητα των αδρανών δεν
επηρεάζει την απότριψη σκυροδεμάτων μεγάλης αντοχής, διότι στην περίπτωση αυτή ο
τσιμεντοπολτός φθείρεται πολύ αργά και η αποκάλυψη των αδρανών γίνεται στο τελευταίο στάδιο της αστοχίας. Άλλος παράγοντας που επηρεάζει την ανθεκτικότητα σε
απότριψη είναι η μέγιστη διάσταση κόκκου των αδρανών, γεγονός που οφείλεται στο ότι
αδρανή με μικρές διαστάσεις στοιβάζονται πιο κοντά στην επιφάνεια και επομένως δίνουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε απότριψη απ' ότι κόκκοι μεγάλων διαστάσεων
(Τάσιος και Αλιγιζάκη 1993). Ουσιώδης παράγοντας είναι επίσης η συντήρηση του σκυροδέματος, σκοπός της οποίας είναι η αποφυγή πρόωρης ρηγμάτωσης, με αποτέλεσμα
τη δημιουργία σκληρών επιφανειών ικανοποιητικής αντοχής. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι
σκυρόδεμα που συντηρήθηκε για 7 ημέρες έχει 60-80% μεγαλύτερη αντοχή σε σχέση με
σκυρόδεμα που συντηρήθηκε για 3 ημέρες (ACI 302.1 R-80). Ακόμα, η ανθεκτικότητα
του σκυροδέματος σε απότριψη αυξάνεται με τη βελτίωση των διαδικασιών τελειώματος
("φινίρισμα") της επιφάνειας. Αυτό επιτυγχάνεται καθυστερώντας την εξομάλυνση της
επιφάνειας μέχρι να εξαφανιστεί όλο το επιφανειακό νερό εξίδρωσης, με αποτέλεσμα η
επιφάνεια να μην περιέχει μεγάλο ποσοστό τσιμεντοπολτού και πολύ λεπτών αδρανών.
Πρόσθετα μέτρα αύξησης της ανθεκτικότητας είναι η δημιουργία επιφανειακών στρώσεων με χρήση χημικών πρόσθετων που μειώνουν το λόγο Ν/Τ, ή ορυκτών πρόσθετων
(π.χ. πυριτική παιπάλη) που μειώνουν το πορώδες.
Τα παραπάνω ισχύουν και για το φαινόμενο της υδροφθοράς, που εξαρτάται επίσης σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα του νερού, και από την ποσότητα, το μέγεθος,
το σχήμα, το βάρος, την ταχύτητα και το είδος της κίνησης των σωματιδίων που μεταφέρονται σε αυτό (CEB 1982).
Το φαινόμενο της σπηλαίωσης χαρακτηρίζεται από ανομοιόμορφη φθορά, η
οποία σε πρώτη φάση είναι περιορισμένη αλλά κατόπιν γίνεται αρκετά έντονη, λόγω του
88
μεγάλου τυρβώδους που εμφανίζεται τοπικά. Σε αντίθεση με τις προηγούμενες δράσεις,
η ανθεκτικότητα σε σπηλαίωση αυξάνεται με το ποσοστό λεπτόκοκκου υλικού, ενώ η
αύξηση της θλιπτικής αντοχής του σκυροδέματος δεν είναι κατ' ανάγκη ευεργετική.
Ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος (1997) έχει προδιαγράψει ότι για σκυρόδεμα ανθεκτικό σε επιφανειακή φθορά θα πρέπει να χρησιμοποιούνται χονδρόκοκκα
αδρανή (κοκκομετρική καμπύλη στο κάτω μισό της υποζώνης Δ, όπως εξηγείται στην
Ενότητα 6.7.3), η κάθιση να είναι μικρότερη από 50 mm, η περιεκτικότητα σε τσιμέντο
να είναι τουλάχιστον 350 kg/m3 και το σκυρόδεμα να είναι κατηγορίας αντοχής τουλάχιστον C25/30 (οι κατηγορίες αντοχής ορίζονται στην Ενότητα 6.10.1).
Σχ. 6.32: Επίδραση (α) του λόγου Ν/Τ και (β) του τύπου αδρανών στην
επιφανειακή φθορά.
6.5.2.1.
Ρηγμάτωση λόγω Κρυστάλλωσης Αλάτων στους Πόρους
Κάτω από ορισμένες συνθήκες, τα άλατα που πιθανόν να βρίσκονται στους
πόρους του σκυροδέματος κρυσταλλώνονται προκαλώντας ρηγμάτωση λόγω ανάπτυξης εσωτερικών τάσεων. Το φαινόμενο είναι συχνό όταν η μία πλευρά δομικών στοιχείων, όπως οι τοίχοι αντιστήριξης, από σκυρόδεμα σχετικά μεγάλης διαπερατότητας είναι
σε επαφή με διαλύματα αλάτων, ενώ η άλλη πλευρά "αναπνέει", είναι δηλαδή ελεύθερη,
επιτρέποντας την εξάτμιση νερού από τους πόρους. Ο μηχανισμός αυτός είναι σχετικός
και με τη φθορά άλλων κατασκευών, όπως οι τοιχοποιίες και τα λιθόκτιστα μνημςία.
Η πίεση λόγω κρυστάλλωσης των αλάτων αυξάνεται με το λόγο της συγκέντρωσης του διαλύματος προς τη συγκέντρωση κορεσμού, C/Cs. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι
για C/Cs = 2, η κρυστάλλωση του χλωριούχου νατρίου (NaCI) σε 0 °C, 25 °C και 50 °C
προκαλεί πίεση 55 MPa, 60 MPa και 65 MPa, αντίστοιχα. Για C/Cs = 10, η πίεση λόγω
κρυστάλλωσης είναι 185 MPa και 220 MPa, στους 0 °C και 50 °C, αντίστοιχα (Winkler
1975).
6.5.2.2.
Δράση Παγετού
Παρότι η επίδραση του παγετού στο σκυρόδεμα αφορά κυρίως στις χώρες με ψυχρά κλίματα, το φαινόμενο παρουσιάζει ενδιαφέρον και για τη χώρα μας, ιδιαίτερα στις
βόρειες ηπειρωτικές περιοχές. Η φθορά λόγω επίδρασης παγετού εμφανίζεται με διάφορες μορφές, με πιο συνηθισμένες τη ρηγμάτωση σε όλη την επιφάνεια του σκυροδέματος, με εύρος και πλάτος ρωγμών μέχρι 0.25 mm και 35 mm, αντίστοιχα, την αποφλοίωση, που χαρακτηρίζεται από την αφαίρεση μεγάλων κομματιών από την επιφάνεια,
Σκυρόδεμα
89
και την απολέπιση, που διακρίνεται από την αφαίρεση επιφανειακά μικρών κομματιών
μορφής λεπίδων δημιουργώντας μικρές κοιλότητες. Όταν ο παγετός επιδράσει σε σκυρόδεμα μικρής ηλικίας το τελευταίο έχει υγρή εμφάνιση, είναι σκουρόχρωμο και έχει
πολύ μικρή αντοχή (Τάσιος και Αλιγιζάκη 1993).
Μηχανισμοί φθοράς από παγετό. Ο παγετός επιδρά δυσμενώς κυρίως στον
σκληρυμένο τσιμεντοπολτό. Το φαινόμενο προκαλείται επειδή όταν το νερό γίνεται
πάγος ο όγκος του αυξάνεται κατά 9%, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη υδραυλικών
πιέσεων, το μέγεθος των οποίων εξαρτάται από την απόσταση μέχρι κάποια διαδρομή
διαφυγής, από τη διαπερατότητα του γειτονικού τσιμεντοπολτού και από το ρυθμό ψύξης του νερού. Μία άλλη αιτία του φαινομένου είναι η ανάπτυξη ωσμωτικής πίεσης λόγω
μερικής ψύξης υδατοδιαλυμάτων (π.χ. διαλύματα αλάτων) στους τριχοειδείς πόρους σε
θερμοκρασίες χαμηλότερες από το σημείο ψύξης του νερού (Mehta and Monteiro 1993).
Ένας ακόμα λόγος διόγκωσης του σκυροδέματος σχετίζεται με τριχοειδή φαινόμενα,
που χαρακτηρίζονται από διαφυγή του νερού από τους πολύ μικρούς πόρους προς
τους μεγαλύτερους. Επειδή τα μόρια του νερού στους πολύ μικρούς πόρους είναι αρκετά "δυσκίνητα", η αναδιάταξή τους για το σχηματισμό πάγου είναι δύσκολη και έτσι η
θερμοκρασία ψύξης είναι αρκετά χαμηλότερη από αυτήν του νερού μεγαλύτερων
πόρων. Έτσι το νερό των μεγάλων πόρων παγώνει πριν από αυτό των μικρών, και συνεπώς έχει μικρότερη τάση ατμού (χαμηλότερη ενέργεια). Για να υπάρξει ισορροπία πίεσης (θερμοδυναμική ισορροπία) το νερό μετακινείται από τους μικρότερους πόρους
προς τους μεγαλύτερους, όπου και παγώνει, αυξάνοντας έτσι τις εσωτερικές τάσεις
στον σκληρυμένο τσιμεντοπολτό και προκαλώντας θραύση (Litvan 1976). Η ανακατανομή του νερού για εξισορρόπηση των πιέσεων ατμού μπορεί να γίνει και με εξαέρωση
(μετάβαση από τη στερεή στην αέρια κατάσταση). Όταν στα κενά του πάγου, που δημιουργούνται από τη διαφυγή ατμού, εισχωρήσει νερό και παγώσει, τότε η διαστολή του
πάγου θα προκαλέσει θραύση. Τέλος σημειώνεται ότι η διόγκωση σε μερικές περιοχές
λόγω ψύξης αντισταθμίζεται σε κάποιο βαθμό από τη συστολή άλλων περιοχών (π.χ.
λόγω απώλειας του προσροφώμενου νερού από τη δομή του C-S-H).
Σε ορισμένες περιπτώσεις, η δυσμενής επίδραση του παγετού στο σκυρόδεμα
σχετίζεται και με ορισμένους τύπους αδρανών. Η συμπεριφορά των αδρανών σε εναλλαγές ψύξης-απόψυξης εξαρτάται από την κατανομή του μεγέθους των πόρων τους και
από τη διαπερατότητά τους, αφού οι μηχανισμοί ανάπτυξης εσωτερικών πιέσεων λόγω
ψύξης είναι ίδιοι με αυτούς που αναφέρονται παραπάνω. Σε σχέση με την ανθεκτικότητα σε παγετό, τα αδρανή μπορούν να χαρακτηριστούν ως μικρής, μεσαίας και μεγάλης
διαπερατότητας. Στα αδρανή μικρής διαπερατότητας (και μεγάλης αντοχής) η απόκριση
στις πιέσεις λόγω παγετού είναι ελαστική, χωρίς ρηγματώσεις. Στα αδρανή μεσαίας διαπερατότητας (με σημαντικό αριθμό μικρών πόρων μέχρι περίπου 500 nm) η ρηγμάτωση αποφεύγεται όταν υπάρχουν διαδρομές διαφυγής του νερού είτε προς άδειους
πόρους, είτε προς την επιφάνεια των αδρανών. Καθοριστικό λοιπόν για τη συμπεριφορά των αδρανών σε παγετό είναι το κρίσιμο μέγεθος, που εξαρτάται από το ρυθμό ψύξης, το βαθμό κορεσμού και τη διαπερατότητα. Αδρανή μεγέθους που ξεπερνά το κρίσιμο ρηγματώνονται. Τέλος, τα αδρανή μεγάλης διαπερατότητας ενδέχεται να επηρεάσουν δυσμενώς την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος λόγω μείωσης της αντοχής της
μεταβατικής ζώνης, που προκαλείται κατά τη διαφυγή του νερού από το εσωτερικό των
κόκκων. Είναι ενδιαφέρον να παρατηρήσουμε ότι στην περίπτωση αυτή τα αδρανή παραμένουν άθικτα.
Δράση αντιπαγωτικών αλάτων. Τα αντιπαγωτικά άλατα (π.χ. το CaCl2 και το
NaCI) χρησιμοποιούνται συνήθως σε δρόμους, πεζοδρόμια, εξώστες και εξωτερικές
σκάλες, αλλά μπορεί από τυχαία αίτια να μεταφερθούν και σε άλλα δομικά στοιχεία. Η
προσθήκη τους στην επιφάνεια του σκυροδέματος προκαλεί απότομη πτώση της θερ-
90
μοκρασίας με ταχύτητα μέχρι και 14 °C/λεπτό, που οφείλεται στο ότι η θερμότητα που
απαιτείται για την τήξη του πάγου ή του χιονιού αφαιρείται από το σκυρόδεμα. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της περιοχής κοντά στην επιφάνεια και του εσωτερικού του
σκυροδέματος προκαλεί την ανάπτυξη εσωτερικών τάσεων, που μπορεί να οδηγήσουν
σε ρηγμάτωση. Ακόμα, η ανάπτυξη ωσμωτικών πιέσεων στους πόρους του σκυροδέματος που περιέχουν αντιπαγωτικά άλατα, λόγω διάχυσης των μορίων του νερού σε γειτονικούς πόρους ώστε να εξισορροπηθεί η συγκέντρωση του διαλύματος των αλάτων με
τη συγκέντρωση του καθαρού νερού, μπορεί να προκαλέσει φθορά. Τέλος, με την ανακατανομή του νερού λόγω του φαινομένου της ώσμωσης τα αντιπαγωτικά άλατα επηρεάζουν το σημείο πήξης του νερού, με αποτέλεσμα γειτονικές περιοχές του σκυροδέματος να υφίστανται την επίδραση του παγετού σε διαφορετικούς χρόνους, γεγονός που
οδηγεί στην ανάπτυξη διαφορικών τάσεων. Γενικά λοιπόν, η ταυτόχρονη επίδραση παγετού και αντιπαγωτικών αλάτων είναι συχνά περισσότερο επιζήμια στο σκυρόδεμα απ'
ότι η απλή επίδραση παγετού.
Παράγοντες που επηρεάζουν την ανθεκτικότητα σε παγετό. Η ικανότητα του
σκυροδέματος να υποστεί τη δράση παγετού χωρίς φθορά εξαρτάται κυρίως από την
ποιότητά του, και συγκεκριμένα από χαρακτηριστικά του τσιμεντοπολτού και των αδρανών όπως είναι η δομή του πορώδους, η θέση διαδρόμων διαφυγής του νερού ώστε να
εκτονωθεί η εσωτερική πίεση, ο βαθμός κορεσμού, το μέγεθος των αδρανών και η εφελκυστική αντοχή. Η παρουσία διαδρόμων διαφυγής επιτυγχάνεται σχετικά εύκολα με την
προσθήκη αερακτικών, ενώ το πορώδες ελέγχεται με τις κατάλληλες αναλογίες σύνθεσης, την κατάλληλη συντήρηση, το είδος τσιμέντου και τα τυχόν πρόσμικτα ή πρόσθετα.
Άλλοι παράγοντες σχετικοί με την ανθεκτικότητα σε διάρκεια είναι οι συνθήκες του περιβάλλοντος (π.χ. βαθμός κορεσμού) και η ηλικία του σκυροδέματος.
Κενά αέρα, προσθήκη αερακτικών. Η προστασία του σκυροδέματος από τον παγετό βελτιώνεται αυξάνοντας τον όγκο των κενών αέρα στη μάζα του τσιμεντοπολτού. Τα
κενά αυτά αυξάνονται με τη χρήση λεπτόκοκκων αδρανών και με τη χρήση λεπτοαλεσμένου τσιμέντου ή ορυκτών πρόσθετων (π.χ. ιπτάμενη τέφρα), ενώ μειώνονται όταν η
ανάμιξη είναι πολύ σύντομη ή πολύ μεγάλης διάρκειας, όταν μεσολαβεί μεγάλος χρόνος
μεταξύ ανάμιξης και σκυροδέτησης και όταν η δόνηση είναι μεγάλης διάρκειας. Ο ευκολότερος ίσως τρόπος προστασίας του σκυροδέματος από παγετό είναι η αύξηση των
κενών αέρα, που επιτυγχάνεται εμπλουτίζοντας το σκυρόδεμα με τεχνητούς πόρους σε
αποστάσεις της τάξης του 0.1 mm. Αυτό γίνεται εισάγοντας κατά την ανάμιξη αερακτικά
πρόσμικτα, σε ποσοστό γύρω στο 0.05% κ.β. του τσιμέντου. Τα πρόσμικτα αυτά σχηματίζουν κενά διαμέτρου 0.05-1 mm, τα οποία διατίθενται ως χώρος διαστολής. Επειδή
γενικά το ποσοστό τσιμεντοπολτού στο σκυρόδεμα μειώνεται με την αύξηση της μέγιστης διάστασης αδρανών, η απαιτούμενη ποσότητα αερακτικών για την προστασία από
παγετό είναι συνάρτηση της διάστασης αυτής. Ενδεικτικές τιμές πρόσθετης απαιτούμενης περιεκτικότητας σε αέρα για μέγιστη διάσταση 25 mm, 16 mm, 12.5 mm και 8 mm
είναι 0.5%, 1.0%, 1.5% και 2.5%, αντίστοιχα (Τάσιος και Αλιγιζάκη 1993). Σύμφωνα με
τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, ο οποίος έχει προδιαγράψει τη χρήση αερακτικών στις ψυχρές περιοχές της χώρας σε όλα τα ανεπίχριστα σκυροδέματα ανωδομών και σε όλα τα σκυροδέματα που διαστρώνονται τους χειμερινούς μήνες, η ποσότητα αερακτικού πρόσμικτου πρέπει να είναι τέτοια ώστε η συνολική περιεκτικότητα κενών
αέρα στο σκυρόδεμα να είναι 6.0%, 4.5%, 3.5% και 3.0%, για μέγιστο κόκκο αδρανών 8
mm, 16 mm, 31.5 mm και 63 mm, αντίστοιχα. Εδώ τονίζεται ότι η χρήση αερακτικών
μπορεί να μειώσει την αντοχή του σκυροδέματος, λόγω αύξησης του πορώδους για
κάθε 1% αύξηση του όγκου κενών στο σκυρόδεμα η μείωση της αντοχής είναι γύρω στο
5%. Ας σημειωθεί πάντως ότι λόγω της καλύτερης εργασιμότητας που επιφέρει η χρήση
αερακτικών, κάποιο μικρό ποσοστό μείωσης της αντοχής αντισταθμίζεται από τη μείω-
Σκυρόδεμα
91
ση του λόγου Ν/Τ. Τέλος, τα αερακτικά σε συνδυασμό με ορισμένα ρευστοποιητικά
πρόσμικτα οδηγούν σε χημικές αντιδράσεις που καταστρέφουν τους τεχνητούς πόρους
και πρέπει να αποφεύγονται.
Είδος τσιμέντου, πρόσθετα. Τα σκυροδέματα με ανάμικτα τσιμέντα είναι γενικά
ιδιαίτερα ευαίσθητα στην επίδραση παγετού στις μικρές ηλικίες, μπορεί όμως σε μεγαλύτερες ηλικίες να παρουσιάσουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε παγετό από τα τσιμέντα
Portland. Ακόμα, τα διάφορα πρόσθετα στο τσιμέντο, όπως είναι η σκωρία υψικαμίνου
και η ιπτάμενη τέφρα, συνήθως δεν βελτιώνουν την ανθεκτικότητα σε παγετό. Σε μερικές περιπτώσεις μάλιστα έχουν αρνητικές επιπτώσεις, επειδή αλλάζουν τη δομή του
πορώδους και την καθιστούν πιο άτακτη. Εξαίρεση αποτελεί η χρήση πυριτικής παιπάλης σε ποσοστό μέχρι περίπου 10% κ.β. τσιμέντου (χωρίς ταυτόχρονη χρήση αερακτικών), η οποία αυξάνει την ποσότητα των πόρων με μέγεθος 0.35μm έως 20μm, αυξάνοντας ταυτόχρονα και τη θλιπτική αντοχή.
Λόγος Ν/Τ. Οπως έχει προαναφερθεί, ο λόγος Ν/Τ επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το
πορώδες, ιδιαίτερα μάλιστα τους μεγαλύτερους πόρους, και επομένως το ποσό του διαθέσιμου για ψύξη νερού είναι μεγαλύτερο όσο αυξάνεται ο λόγος Ν/Τ (Σχ. 6.33) και όσο
μικραίνει η ηλικία του σκυροδέματος.
Σχ. 6.33: Επίδραση του λόγου Ν/Τ στην ανθεκτικότητα του σκυροδέματος
σε παγετό (Τάσιος και Αλιγιζάκη 1993).
Μέγεθος αδρανών. Όπως έχει εξηγηθεί παραπάνω, η ανθεκτικότητα σε παγετό
αυξάνεται όταν μειώνεται η μέγιστη διάσταση των τυχόν απορροφητικών αδρανών που
χρησιμοποιούνται. Από την άλλη μεριά όμως, χρήση μεγάλης ποσότητας λεπτόκοκκων
αδρανών απαιτεί την προσθήκη μεγάλων ποσοτήτων νερού για βελτίωση της εργασιμότητας, μειώνοντας έτσι την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε επίδραση παγετού.
Ακόμα, τα μικρά αδρανή φθάνουν ευκολότερα στον κρίσιμο βαθμό κορεσμού.
Συνθήκες περιβάλλοντος. Όσο ο βαθμός κορεσμού του σκυροδέματος ξεπερνά μία
κρίσιμη τιμή τόσο μειώνεται η ανθεκτικότητα σε παγετό, και επομένως το υγρό περιβάλλον έχει δυσμενείς επιπτώσεις.
Ηλικία του σκυροδέματος. Η ανθεκτικότητα σε διάρκεια αυξάνεται με την ηλικία,
διότι έτσι ολοκληρώνεται η διαδικασία της ενυδάτωσης με αποτέλεσμα τη μείωση του
νερού των πόρων και την αύξηση της αντοχής του τσιμεντοπολτού.
6.5.2.3.
Επίδραση Πυρκαϊάς
92
Η ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε πυρκαϊά είναι γενικά εξαιρετική. Εξαρτάται
από πολλούς παράγοντες, οι οποίοι σχετίζονται με την ποιότητα του τσιμεντοπολτού και
των αδρανών, που αποσυντίθενται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, με το μέγεθος των
δομικών στοιχείων και με το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας κατά την πυρκαϊά.
Η επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας στον ενυδατωμένο τσιμεντοπολτό
εξαρτάται από το βαθμό ενυδάτωσης και το βαθμό κορεσμού των πόρων. Γενικά, όσο
περισσότερο είναι το νερό στη μάζα του τσιμεντοπολτού τόσο η αύξηση της θερμοκρασίας σε αυτόν καθυστερεί. Το μόνο πρόβλημα που μπορεί να εμφανιστεί λόγω ύπαρξης
μεγάλου ποσοστού νερού είναι όταν ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας είναι πολύ
μεγάλος και ο τσιμεντοπολτός έχει μικρή υδατοπερατότητα. Στις περιπτώσεις αυτές, η
πίεση ατμών στο εσωτερικό του υλικού ενδέχεται να αυξάνεται γρηγορότερα από την
απελευθέρωση του ατμού στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα τη ρηγμάτωση και την
αποφλοίωση του σκυροδέματος. Σχετικά με το μηχανισμό αστοχίας του τσιμεντοπολτού
λόγω πυρκαϊάς είναι γνωστό ότι το ενδοστρωσιακά νερό και μέρος τού χημικά δεσμευμένου νερού στο C-S-H εξατμίζεται όταν η θερμοκρασία φθάνει τους 300 °C περίπου,
ενώ γύρω στους 500 °C αρχίζει η αποσύνθεση των υδροξειδίων του ασβεστίου, οπότε
προχωρά και η αφυδάτωση τόυ τσιμεντοπολτού (η αντίστοιχη μείωση αντοχής του σκυροδέματος είναι της τάξης του 30%). Η πλήρης αποσύνθεση του C-S-H γίνεται γύρω
στους 900 °C (Mehta and Monteiro 1993).
Βασικά χαρακτηριστικά των αδρανών που επηρεάζουν τη συμπεριφορά τους σε
υψηλές θερμοκρασίες είναι το πορώδες και η ορυκτολογική τους σύσταση. Ανάλογα με
το βαθμό θέρμανσης, το μέγεθος κόκκου, τη διαπερατότητα και την υγρασία τους, αδρανή με μεγάλο πορώδες μπορεί να ρηγματωθούν όπως κατά τη δράση παγετού, ενώ
αδρανή μικρού πορώδους είναι ανθεκτικότερα. Επιπλέον, η ορυκτολογική σύσταση των
αδρανών είναι καθοριστική για διαφορικές διογκώσεις μεταξύ αυτών και του τσιμεντοπολτού (λόγω αύξησης της θερμοκρασίας), για την αντοχή της μεταβατικής ζώνης και,
τέλος, για τυχόν μετασχημάτισμούς φάσεων που συνεπάγονται ξαφνικές διογκώσεις.
6.5.3.
Χημικές Διεργασίες
Η φθορά του σκυροδέματος λόγω χημικών διεργασιών οφείλεται κυρίως σε αντιδράσεις μεταξύ των χημικώς ενεργών συστατικών του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού
και διαφόρων ουσιών του περιβάλλοντος. Εξαίρεση αποτελούν οι αντιδράσεις αλκαλίων- αδρανών, που γίνονται μεταξύ των αλκαλίων του τσιμεντοπολτού και μερικών ουσιών που βρίσκονται σε ορισμένους τύπους αδρανών, η καθυστερημένη ενυδάτωση
των κρυσταλλικών CaO και MgO, όταν βρίσκονται σε μεγάλες ποσότητες στο τσιμέντο,
και η ηλεκτροχημική διάβρωση των οπλισμών.
Λόγω του υψηλού pH (μεταξύ 12.5 και 13.5) των διαλυμάτων που βρίσκονται
στους πόρους του τσιμεντοπολτού, το οποίο οφείλεται στις μεγάλες συγκεντρώσεις
ιόντων Na+, Κ+ και ΟΗ-, το όξινο περιβάλλον προκαλεί γενικά χημική αστάθεια στα συστατικά του τσιμεντοπολτού (κυρίως ένυδρα του ασβεστίου), ο βαθμός της οποίας εξαρτάται από το pH του διαβρωτικού μέσου που επιδρά στον τσιμεντοπολτό και από τη διαπερατότητα του σκυροδέματος. Η αστάθεια αυτή οφείλεται στη σημαντική μείωση του
pH (π.χ. κάτω από 6) και συχνά έχει καταστροφικά αποτελέσματα, όπως είναι η αύξηση
του πορώδους και της διαπερατότητας, η μείωση της αντοχής, η ρηγμάτωση κ.τ.λ.
Ανάλογα με το μηχανισμό που προκαλεί τη φθορά του σκυροδέματος, η χημική
διάβρωση μπορεί να οφείλεται στην υδρόλυση των συστατικών του τσιμεντοπολτού, σε
αντιδράσεις ανταλλαγής μάζας και στο σχηματισμό προϊόντων που προκαλούν διόγκωση (Σχ. 6.34). Κάθε μία από τις επιδράσεις εξετάζεται συνοπτικά παρακάτω. Τέλος γίνε-
Σκυρόδεμα
93
ται ειδική μνεία στην επίδραση του θαλασσινού νερού, μιάς και στη χώρα μας η φθορά
κατασκευών σκυροδέματος σε άμεση επαφή ή κοντά στη θάλασσα είναι εκτεταμένη.
Σχ. 6.34: Χημικές διεργασίες μείωσης της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος σε διάρκεια.
6.5.3.1.
Υδρόλυση των Συστατικών του Τσιμεντοπολτού
Μαλακό νερό. Το νερό της βροχής, των λιμνών, των ποταμών και αυτό που προέρχεται από την τήξη πάγου ή χιονιού περιέχει ελάχιστα ή καθόλου ιόντα ασβεστίου, και
χαρακτηρίζεται ως μαλακό. Σε επαφή με το σκυρόδεμα, το μαλακό νερό διαλύει τα προϊόντα του ασβεστίου (όπως είναι το υδροξείδιο του ασβεστίου) που περιέχονται στον
ενυδατωμένο τσιμεντοπολτό, με αποτέλεσμα να διασπώνται και τα λιγότερο σταθερά
ενυδατωμένα προϊόντα του τσιμέντου (ώστε να εξισορροπηθεί η απώλεια ασβεστίου),
προκαλώντας έτσι τη χαλάρωση του ιστού του σκυροδέματος (Biczok 1967). Εκτός από
τη μείωση της αντοχής, η απόπλυση του υδροξειδίου του ασβεστίου επιφέρει και προβλήματα αισθητικής. Το προϊόν της απόπλυσης αντιδρά μερικές φορές με το CO2 της
ατμόσφαιρας δημιουργώντας λευκές κηλίδες ανθρακικού ασβεστίου, γνωστές ως εξανθήματα. Ο βαθμός απόπλυσης εξαρτάται από τη σκληρότητα του νερού, την ταχύτητα
ροής του, τη θερμοκρασία του και την πίεσή του (σε περιπτώσεις διείσδυσης στο σκυρόδεμα), από την ποιότητα του σκυροδέματος, την κατάσταση της επιφάνειας του και
την ηλικία του, καθώς και από το είδος τσιμέντου.
6.5.3.2.
Αντιδράσεις Ανταλλαγής Μάζας
Οι μηχανισμοί φθοράς του σκυροδέματος με βάση την ανταλλαγή ιόντων περιγράφονται παρακάτω.
Σχηματισμός διαλυτών αλάτων ασβεστίου. Η ανταλλαγή κατιόντων μεταξύ όξινων διαλυμάτων και των συστατικών του τσιμεντοπολτού δίνει ευδιάλυτα άλατα ασβεστίου τα οποία αποπλένονται. Τα όξινα διαλύματα μπορεί να προέρχονται, για παράδειγμα, από υδροχλωρικό, θειικό ή νιτρικό οξύ της χημικής βιομηχανίας, από οξικό ή
γαλακτικό οξύ των τροφίμων και από ανθρακικό οξύ (υδάτινο διάλυμα διοξειδίου του άνθρακα) που περιέχεται σε επιφανειακά ή υπόγεια εδαφικά νερά (ακόμα και το νερό της
βροχής που έχει απορροφήσει CO2 από την ατμόσφαιρα είναι ελαφρώς όξινο).
Χαρακτηριστική περίπτωση σχηματισμού διαλυτών αλάτων ασβεστίου είναι όταν
το ανθρακικό οξύ αντιδρά με το υδροξείδιο του ασβεστίου που βρίσκεται στον τσιμεντοπολτό δίνοντας ανθρακικό ασβέστιο, που με τη σειρά του αντιδρά με διοξείδιο του άνθρακα (αν υπάρχει σε σχετικά μεγάλη ποσότητα στο νερό που έρχεται σε επαφή με το
94
σκυρόδεμα, όταν δηλαδή το pH του νερού αυτού είναι μικρότερο από περίπου 7) και
νερό σχηματίζοντας το ευδιάλυτο όξινο δισανθρακικό άλας του ασβεστίου, το οποίο
αποπλένεται.
Σχηματισμός αδιάλυτων αλάτων ασβεστίου. Τα προϊόντα της αντίδρασης ορισμένων διαλυμάτων οξέων (π.χ. οξαλικό, ταννικό, υδροφθορικό, φωσφορικό, χουμικό)
με συστατικά του τσιμεντοπολτού περιέχουν αδιάλυτα άλατα ασβεστίου τα οποία δεν
προσβάλλουν το σκυρόδεμα, εκτός αν ο όγκος τους αυξάνεται ή αν απομακρύνονται
λόγω επιφανειακής φθοράς.
Επίδραση διαλυμάτων μαγνησίου. Τα χλωριούχα, θειικά ή δισανθρακικά άλατα
του μαγνησίου, που βρίσκονται σε εδαφικά ή θαλασσινά νερά, αντιδρούν με το υδροξείδιο του ασβεστίου του τσιμεντοπολτού σχηματίζοντας ευδιάλυτα άλατα ασβεστίου που
αποπλένονται. Χαρακτηριστικό των ιόντων μαγνησίου είναι ότι η επίδραση τους επεκτείνεται και στο C-S-H, το βασικότερο συστατικό του τσιμεντοπολτού, στο οποίο γίνεται
βαθμιαία αντικατάσταση ιόντων ασβεστίου με ιόντα μαγνησίου, με αποτέλεσμα τη φθορά λόγω αλλοίωσης βασικών χαρακτηριστικών του τσιμεντοπολτού. Η καταστροφική
επίδραση του MgSO4 περιγράφεται σε επόμενη ενότητα.
6.5.3.3.
Σχηματισμός Προϊόντων που Προκαλούν Διόγκωση
Παρακάτω περιγράφονται τα φαινόμενα που οδηγούν στο σχηματισμό προϊόντων
που προκαλούν διόγκωση στο σκυρόδεμα, αποτέλεσμα της οποίας είναι η ανάπτυξη
εσωτερικών τάσεων και παραμορφώσεων.
Επίδραση θειικών αλάτων. Τα θειικά άλατα (νατρίου, ασβεστίου, αμμωνίου και
μαγνησίου) είναι τα πλέον επικίνδυνα για τη φθορά του σκυροδέματος. Το θειικό
ασβέστιο (γύψος) μπορεί να βρεθεί στο σκυρόδεμα διαλυμένο σε νερό που μεταφέρεται
από το έδαφος ή να σχηματιστεί υπό την επίδραση θειικού άλατος στο υδροξείδιο του
ασβεστίου του τσιμέντου. Η βλαβερή επίδραση της γύψου οφείλεται στο ότι καταλαμβάνει μεγαλύτερο όγκο από τα συστατικά που τη δημιούργησαν, κυρίως όμως αντιδρά
με το αργιλικό τριασβέστιο του τσιμέντου σχηματίζοντας ετρινγκίτη που καταλαμβάνει
μεγαλύτερο όγκο, δημιουργώντας ρωγμές.
Τα θειικά άλατα μαγνησίου και αμμωνίου αντιδρούν με το υδροξείδιο του ασβεστίου του τσιμέντου, διασπώντας έτσι τα προϊόντα ενυδάτωσης του τσιμέντου μέχρι να
αντισταθμιστεί η απώλεια του Ca(OH)2. Η σοβαρότερη φθορά οφείλεται στη διάσπαση
του ένυδρου πυριτικού τριασβεστίου.
Οι παράμετροι που επηρεάζουν τη δράση θειικών αλάτων στο σκυρόδεμα είναι κυρίως οι περιβαλλοντικές συνθήκες (δηλ. η ποσότητα διαθέσιμων θειικών), η διαπερατότητα του σκυροδέματος, ο τύπος τσιμέντου και η διαθέσιμη ποσότητα νερού (CEB
1992). Τα διαλύματα θειικών αλάτων θεωρούνται ότι έχουν ασθενή βαθμό προσβολής
για συγκέντρωση SO42- στο νερό από 200-600 mg/l, μέτριο για 600-3000 mg/l και ισχυρό για 3000-6000 mg/l (ΕΝ 206-1). Η αύξηση της ανθεκτικότητας του, σκυροδέματος σε
θειικά άλατα επιτυγχάνεται με τη μείωση της διαπερατότητας, που εξασφαλίζεται με
χρήση μικρού λόγου Ν/Τ, μεγάλων ποσοτήτων τσιμέντου, και κατάλληλη συμπύκνωση
και συντήρηση. Επίσης, για την παρασκευή σκυροδέματος ανθεκτικού σε επίδραση θειικών αλάτων συνιστάται η χρήση ειδικών τσιμέντων όπως είναι τα αργιλικά και τα υπερθειικά. Τέλος, τσιμέντα με πρόσθετα (π.χ. σκωρία υψικαμίνου η ποζολάνες) έχουν μεγάλη ανθεκτικότητα σε επίδραση θειικών αλάτων. Πάντως, όσο ο λόγος Ν/Τ μειώνεται,
τόσο ο ρόλος του τύπου τσιμέντου αμβλύνεται.
Αντίδραση αλκαλίων-αδρανών. Υπό ορισμένες συνθήκες υγρασίας, πάνω από
75% περίπου, τα αλκάλια (άλατα νατρίου, καλίου κ.τ.λ.), που περιέχονται στο τσιμέντο ή
Σκυρόδεμα
95
προέρχονται από τα αδρανή (π.χ. αδρανή κοντά σε παραλίες) ή μεταφέρονται στο σκυρόδεμα (π.χ. από διαλύματα σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις, από θαλασσινό νερό, από
αντιπαγωτικά άλατα κ.τ.λ.), αντιδρούν με ορισμένους τύπους αδρανών σχηματίζοντας
προϊόντα που διογκώνονται, προκαλώντας έτσι ρηγμάτωση· η δράση των αλκαλίων δίνεται παραστατικά στο Σχ. 6.35. Η περιεκτικότητα του τσιμέντου σε αλκάλια (που είναι
υπεύθυνα για το υψηλό pH του νερού των πόρων) εκφράζεται συμβατικά από τις συγκεντρώσεις των οξειδίων των αλκαλίων Na2O και Κ2O (σπανιότερα), και είναι 0.15- 1.5%
κ.β. τσιμέντου (Τάσιος και Αλιγιζάκη 1993). Η κρίσιμη περιεκτικότητα αλκαλίων πάνω
από την οποία οι αντιδράσεις με ορισμένα αδρανή μπορεί να προκαλέσουν φθορά είναι
περίπου 0.6% (για συνηθισμένες περιεκτικότητες τσιμέντου στο σκυρόδεμα).
Σχ. 6.35: Αντίδραση αλκαλίων-αδρανών: (α) μηχανισμός, (β) άτακτη ρηγμάτωση.
Χημικά Ενεργά (με αλκάλια) αδρανή είναι αυτά που περιέχουν πυρίτιο (σε άμορφη
ή κρυσταλλική μορφή), όπως για παράδειγμα τα αδρανή που προέρχονται από βασάλτη, χαλαζία, οπάλλιο λίθο, σχιστόλιθο, γνευσίτη, ανδεσίτη κ.τ.λ. Η αντίδραση του πυριτίου με τα αλκάλια σχηματίζει ένα διαυγές και παχύρευστο πήγμα (πήγμα πυριτίου) μεγάλης πυκνότητας, που όταν ξηραίνεται γίνεται λευκό. Η απορρόφηση νερού (π.χ. των
πόρων) από το πήγμα προκαλεί διόγκωση και ανάπτυξη ρωγμών. Η ταχύτητα της αντίδρασης αυξάνεται με αύξηση της συγκέντρωσης υδροξυλίων (αύξηση του pH) και με
αύξηση της θερμοκρασίας και υγρασίας, ενώ η διόγκωση μειώνεται με αύξηση του πορώδους των αδρανών, με μείωση των διαστάσεών τους και με χρήση τσιμέντων με ορυκτά πρόσθετα (π.χ. ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνου, πυριτική παιπάλη). Ενδεικτικά
αναφέρεται ότι αντικατάσταση τού 40% του τσιμέντου με σκωρία υψικαμίνου μειώνει τη
διόγκωση περίπου στο 1/4.
Ενδείξεις για την πραγματοποίηση αλκαλοπυριτικής αντίδρασης είναι η άτακτη
ρηγμάτωση (Σχ. 6.35.β), που είναι παρόμοια με αυτή λόγω συστολής ξήρανσης (αλλά
εμφανίζεται σε μεγαλύτερη ηλικία), ο σχηματισμός επιφανειακών αποτινάξεων (όπως
αυτές λόγω παγετού) και η εμφάνιση του πήγματος στις επιφανειακές ρωγμές, το οποίο
με τη βροχή διαλύεται και απομακρύνεται (Τάσιος και Αλιγιζάκη 1993).
Ενυδάτωση κρυσταλλικών MgO και CaO. Όταν το τσιμέντο είναι πλούσιο σε
MgO και CaO η ενυδάτωση των κρυστάλλων αυτών προκαλεί το σχηματισμό προϊόντων μεγάλου όγκου που μπορεί να οδηγήσουν σε ρηγμάτωση.
Διάβρωση οπλισμών. Το σημαντικότερο πρόβλημα του (οπλισμένου) σκυρο-
96
δέματος στη χώρα μας από άποψη ανθεκτικότητας σε διάρκεια είναι η διάβρωση του
οπλισμών. Αποτέλεσμα της διάβρωσης είναι ο σχηματισμός προϊόντων οξείδωσης, τα
οποία λόγω αύξησης όγκου μπορεί να προκαλέσουν ρηγμάτωση.
Μηχανισμοί. Οι ράβδοι οπλισμού προστατεύονται παθητικά από τη διάβρωση
μέσω ενός λεπτού επιφανειακού στρώματος ένυδρου οξειδίου του σιδήρου που σχηματίζεται λόγω της υψηλής αλκαλικότητας του σκυροδέματος (pH ≈ 13), που με τη σειρά
της οφείλεται στο Ca(OH)2. Το στρώμα αυτό μπορεί να διατρηθεί τοπικά (διάβρωση
κατά βελονισμό) από ιόντα χλωρίου, όταν η συγκέντρωσή τους είναι μεγαλύτερη από
0.5% περίπου κ.β. τσιμέντου, ή να διαλυθεί (αποπαθητικοποίηση του χάλυβα), λόγω
μείωσης της αλκαλικότητας του σκυροδέματος γύρω από τον οπλισμό σε τιμές του pH
γύρω στο 9. Τα χλωριόντα μπορεί να προέρχονται από την ατμόσφαιρα (ιδίως σε παραθαλάσσιες περιοχές), από το εσωτερικό του σκυροδέματος, αν έχουν χρησιμοποιηθεί
συλλεκτά αδρανή ή θαλασσινό νερό ανάμιξης και από τυχόν αντιπαγωτικά άλατα. Η μείωση του pH του σκυροδέματος κάτω του 9 προκαλείται από την αντίδραση του Ca(OH)2
του τσιμεντοπολτού με το CO2 της ατμόσφαιρας, που διαχέεται σταδιακά προς το εσωτερικό του σκυροδέματος μεσω των πόρων. Η αντίδραση αυτή σχηματίζει ανθρακικό
ασβέστιο και λέγεται ενανθράκωση. Η ενανθράκωση επιταχύνει σε μεγάλο βαθμό τη
δράση των χλωριόντων: To Ca(OH)2 του τσιμεντοπολτού αντιδρά με τα χλωριόντα και
τα δεσμεύει, περιορίζοντας έτσι την ποσότητα που διαχέεται προς τον οπλισμό κάτω
του 0.5% περίπου που χρειάζεται για την καταστροφή του προστατευτικού οξειδίου. Με
την αντίδραση όμως του Ca(OH)2 κατά την ενανθράκωση τα δεσμευμένα χλωριόντα
απελευθερώνονται προσβάλλοντας έτσι το χάλυβα.
Σχ. 6.36: Ηλεκτροχημικές διεργασίες διάβρωσης (Φαρδής 1991).
Η απώλεια του προστατευτικού οξειδίου του οπλισμού μπορεί να οδηγήσει σε
οξείδωση, η οποία είναι μία ηλεκτροχημική αντίδραση με ηλεκτρολύτη το νερό των
πόρων. Εκεί που καταστρέφεται το προστατευτικό οξείδιο δημιουργείται άνοδος, απ'
όπου τα κατιόντα σιδήρου διαλύονται στο νερό των πόρων αφήνοντας πίσω τους ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια αυτά κινούνται μέσω της ράβδου οπλισμού προς την
κάθοδο, που μπορεί να σχηματιστεί σε οποιοδήποτε σημείο της ράβδου. Στην κάθοδο,
που μπορεί να είναι και το σύνολο της επιφάνειας της ράβδου, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια
συνδυάζονται με το νερό των πόρων του σκυροδέματος και με το διαλυμένο σε αυτό
οξυγόνο (της αέριας φάσης των πόρων), δίνοντας υδροξύλιο, (ΟΗ) -. Τα ανιόντα υδροξυ-
Σκυρόδεμα
97
λίου κινούνται μέσω του νερού των πόρων προς την άνοδο, όπου αντιδρούν με τα διαλυμένα κατιόντα σιδήρου, σχηματίζοντας έτσι οξείδια του σιδήρου (σκουριά) και ανασυνθέτοντας το νερό που είχε ηλεκτρολυθεί στην κάθοδο (Σχ. 6.36). Εδώ τονίζεται ότι η
ύπαρξη του νερού είναι τελείως απαραίτητη για την αντίδραση, παρόλο που η συνολική
αντίδραση είναι μόνο μεταξύ οξυγόνου και σιδήρου.
Η διάβρωση του χάλυβα μειώνει τη διατομή των ράβδων οπλισμού (άρα και την
αποτελεσματικότητα τους) αλλά και την ολκιμότητά τους. Επιπλέον, επειδή τα προϊόντα
της διάβρωσης του χάλυβα καταλαμβάνουν αρκετά μεγαλύτερο όγκο (κατά 2-6 φορές)
από αυτόν που τα δημιούργησε, η σκουριά προκαλεί εσωτερικές τάσεις στο σκυρόδεμα
που την περιβάλλει προκαλώντας διάρρηξη κατά ακτινικά επίπεδα που διέρχονται από
τον άξονα της ράβδου. Όταν μάλιστα η επικάλυψη των ράβδων με σκυρόδεμα είναι μικρού πάχους και/ή ο εγκάρσιος στη διαβρωμένη ράβδο οπλισμός είναι λίγος (ή ανύπαρκτος), η ρηγμάτωση αυτή φθάνει στην επιφάνεια του σκυροδέματος (με μεγάλου εύρους
ρωγμές κατά μήκος των ράβδων) αποτινάσσοντας την επικάλυψη, μειώνοντας τη συνάφεια του οπλισμού με το σκυρόδεμα και εκθέτοντας ακόμα περισσότερο τον οπλισμό
σε διάβρωση.
Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι για να γίνει οξείδωση του οπλισμού πρέπει
οι πόροι του σκυροδέματος να είναι μερικά και όχι τελείως γεμάτοι με νερό, ώστε να είναι δυνατή η συνεχής παροχή αέρα για τη διάχυση οξυγόνου στο εσωτερικό της μάζας
του σκυροδέματος. Έτσι μάλιστα εξηγείται γιατί δομικά στοιχεία σκυροδέματος που είναι
μόνιμα βυθισμένα στο νερό ή βρέχονται συνεχώς από αυτό δεν έχουν πρόβλημα
διάβρωσης. Ακόμα, αν η σχετική υγρασία του περιβάλλοντος είναι χαμηλή (π.χ. κάτω
από 50%) ενώ οι μικροπόροι είναι μονίμως γεμάτοι με νερό, οι τριχοειδείς πόροι δεν
έχουν στα τοιχώματά τους ένα συνεχές στρώμα νερού για να παίξει το ρόλο του ηλεκτρολύτη. Έτσι είναι συχνές οι περιπτώσεις σε περιοχές της Ελλάδας με ξηρό κλίμα να
έχει ενανθρακωθεί πλήρως το σκυρόδεμα που περιβάλλει τον οπλισμό χωρίς αυτός να
έχει διαβρωθεί.
Η ύπαρξη νερού στους πόρους είναι απαραίτητη και κατά το προπαρασκευαστικό
στάδιο της διάβρωσης, για τη μεταφορά τυχόν χλωριόντων από το εξωτερικό προς τις
ράβδους, αλλά και για την αντίδραση του CO2 με το εν διαλύσει Ca(OH)2 κατά την ενανθράκωση. Η μεταφορά των χλωριόντων γίνεται ταχύτερα όταν οι πόροι είναι σχεδόν γεμάτοι με νερό, δηλαδή για σχετική υγρασία περιβάλλοντος κοντά στο 100% ή όταν το
δομικό στοιχείο είναι μερικά βυθισμένο σε νερό οπότε οι πόροι του υπόλοιπου είναι σχεδόν πάντα γεμάτοι (λόγω τριχοειδούς ανύψωσης). Αντίθετα, η ενανθράκωση προϋποθέτει μερικά γεμάτους πόρους, ώστε να επιτρέπεται η διάχυση του CO2 προς το εσωτερικό, με αποτέλεσμα ο ρυθμός ενανθράκωσης να είναι μέγιστος για σχετικές υγρασίες
γύρω στο 50% (Φαρδής 1991).
Επειδή το σκυρόδεμα αποβάλλει το νερό (με εξάτμιση) δυσκολότερα από ότι το
απορροφά, όταν αυξομειώνεται η σχετική υγρασία και/ή όταν το σκυρόδεμα διαβρέχεται
περιοδικά, η μέση ποσότητα νερού στους πόρους του είναι μεγαλύτερη από αυτήν που
αντιστοιχεί στη μέση σχετική υγρασία περιβάλλοντος. Η επιπλέον ποσότητα νερού επιβραδύνει την ενανθράκωση, γι' αυτό και σκυρόδεμα σε επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον ενανθρακώνεται σε μικρότερο βάθος από το αντίστοιχο σε επαφή με εσωτερικούς
χώρους. Η διαφορά εσωτερικού-εξωτερικού είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση για
διεργασίες που ευνοούνται από υψηλό βαθμό κορεσμού πόρων με νερό, όπως είναι η
διείσδυση χλωριόντων και η εξέλιξη της διάβρωσης μετά την αποπαθητικοποίηση του
οπλισμού. Έτσι, όταν υπεύθυνη για τη διάβρωση είναι η ενανθράκωση (απουσία χλωριόντων), ο κίνδυνος διάβρωσης είναι μέγιστος για σχετική υγρασία περιβάλλοντος
γύρω στο 80%, ενώ μειώνεται στο 1/2 όταν η σχετική υγρασία είναι 60% ή 95%, και στο
98
1/5 όταν αυτή είναι 50% ή σχεδόν 100%. Παρουσία χλωριόντων όμως ο κίνδυνος
διάβρωσης είναι μέγιστος για σχετική υγρασία περίπου 90%, ενώ μειώνεται στο 1/2
όταν η σχετική υγρασία είναι 60% ή 95%, και στο 1/3 όταν αυτή είναι 50% ή σχεδόν
100% (Φαρδής 1991). Το ξηρό λοιπόν κλίμα (όπως αυτό της χώρας μας) δεν ευνοεί τη
διάβρωση των οπλισμών αυτό που την προκαλεί συνήθως είναι οι εναλλαγές ύγρανσης-ξήρανσης.
Μέτρα προστασίας. Εξαιτίας του σημαντικού κόστους των επισκευών στα τεχνικά
έργα, η λήψη μέτρων κατά της διάβρωσης πρέπει να γίνεται κατά το στάδιο της μελέτηςκατασκευής. Σε συνηθισμένες περιπτώσεις αυτό επιτυγχάνεται σχετικά εύκολα με την
κατάλληλη επιλογή του πάχους της επικάλυψης των οπλισμών και (δυσκολότερα) με τη
βελτίωση της ποιότητας του σκυροδέματος. Η σημαντικότερη παράμετρος σχετικά με
την ποιότητα του σκυροδέματος είναι η διαπερατότητα, η μείωση της οποίας επιτυγχάνεται με επιλογή χαμηλού λόγου Ν/Τ (με μέγιστη τιμή 0.5 γενικά και 0.4 παρουσία
χλωριόντων) και υψηλής περιεκτικότητας τσιμέντου (τουλάχιστον 300 kg/m3). Εξίσου
σημαντική και αρκετά αποτελεσματική από πλευράς κόστους είναι η εξασφάλιση καλής
συμπύκνωσης και υγρής συντήρησης. Επισημαίνεται επίσης ότι τα ποζολανικά τσιμέντα
οδηγούν γενικά σε ταχύτερη ενανθράκώση και διείσδυση χλωριόντων, επειδή δίνουν μεγαλύτερο τελικό πορώδες αλλά και επειδή διαθέτουν μικρότερη συνολική ποσότητα
CaO για να αντιδράσει και να κατακρατήσει το CO2 και τα χλωριόντα.
Η σημασία της σχετικής υγρασίας για τη διάβρωση αναπτύχθηκε προηγουμένως,
και είναι σαφές ότι ο μηχανικός μπορεί να διαμορφώσει τη γεωμετρία των δομικών στοιχείων έτσι ώστε να αποφεύγεται η συγκέντρωση νερού στην επιφάνεια του σκυροδέματος και η διείσδυση στο εσωτερικό του. Ακόμα, ενώ γενικά τα υλικά χρωματισμών που
παρέχουν ουσιαστική μείωση της διαπερατότητας του σκυροδέματος δεν είναι (μέχρι
σήμερα τουλάχιστον) οικονομικά εφαρμόσιμα, τα συνηθισμένα επιχρίσματα, και ιδιαίτερα αυτά που είναι πλούσια σε άσβεστο (που δεσμεύει το CO2 και τα χλωριόντα),
μειώνουν σημαντικά το ενδεχόμενο διάβρωσης. Μάλιστα, πολύ αποτελεσματική είναι
και η εφαρμογή του επιχρίσματος έστω και με καθυστέρηση (αρκετών ετών), διότι ανακόπτει τις διεργασίες διάβρωσης.
Αλλες λύσεις μείωσης του κινδύνου διάβρωσης (αλλά υψηλού κόστους) περιλαμβάνουν τη χρήση ράβδων με επικάλυψη εποξειδικής ρητίνης ή γαλβανισμένων (ή και μη
μεταλλικών, σε ειδικές περιπτώσεις) την καθοδική προστασία των οπλισμών, την επικάλυψη των επιφανειών με αδιαπέρατες μεμβράνες ή με στρώσεις αδιαπέρατου σκυροδέματος ειδικής σύνθεσης (Allen et al. 1993), την επαναλκαλοποίηση και τη χρήση χημικών πρόσμικτων (π.χ. νιτρώδες ασβέστιο, αμινοαλκοόλες), τα οποία είναι γνωστά ως
"αναστολείς διάβρωσης".
6.5.3.4.
Επίδραση Θαλασσινού Νερού
Τα προβλήματα ανθεκτικότητας κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος (π.χ.
αποβάθρες, λιμενοβραχίονες, κρηπιδότοιχοι, γέφυρες) σε διάρκεια λόγω της επίδρασης
του θαλασσινού νερού είναι αρκετά εκτεταμένα στη χώρα μας. Το φαινόμενο είναι αρκετά περίπλοκο, διότι συνδυάζει πολλές φυσικές και χημικές επιδράσεις, όπως η υδροφθορά, η επίδραση των αλάτων του θαλασσινού νερού, η επίδραση αλκαλίων, η δράση
παγετού (στα ψυχρά κλίματα), η επίδραση του CO2 της ατμόσφαιρας και του διαλυμένου στο θαλασσινό νερό κ.τ.λ. Παρακάτω αναφερόμαστε μόνο στην επίδραση των
διαφόρων αλάτων, αφού οι άλλες επιδράσεις έχουν ήδη μελετηθεί παραπάνω.
Τα διαλυμένα στο θαλασσινό νερό χλωριούχα και θειικά άλατα αντιδρούν με τα συστατικά του τσιμεντοπολτού σχηματίζοντας: χλωριούχο ασβέστιο, που προκύπτει από
Σκυρόδεμα
99
την αντίδραση χλωριούχου μαγνησίου με υδροξείδιο του ασβεστίου και είναι ευδιάλυτο
θειικό ασβέστιο, που προκύπτει από την αντίδραση θειικού μαγνησίου με υδροξείδιο
του ασβεστίου και είναι μερικά διαλυτό (εδώ υπενθυμίζεται ότι τα ευδιάλυτα, έστω και
μερικά, άλατα προκαλούν απόπλυση)· υδροξείδιο του μαγνησίου, που σχηματίζεται
από την αντίδραση αλάτων του μαγνησίου με υδροξείδιο του ασβεστίου και δρα ως στεγανωτικό επίχρισμα προστατεύοντας το σκυρόδεμα από τη δράση του θαλασσινού νερού' και ετρινγκίτη, που παρουσία χλωριόντων συνήθως δεν διογκώνεται, αλλά αποπλένεται προκαλώντας χαλάρωση της δομής του σκυροδέματος.
Οι διάφορες επιδράσεις του θαλασσινού νερού εμφανίζονται σε κατασκευές που
είναι σε επαφή με το νερό με διαφορετική ένταση, ανάλογα με τη θέση που μελετάμε.
Έτσι, στη ζώνη της κατασκευής συνεχώς κάτω από το νερό το σκυρόδεμα είναι προστατευμένο και υπόκειται γενικά μόνο στην επίδραση των ιόντων χλωρίου, θείου και μαγνησίου. Η μεγαλύτερη φθορά εμφανίζεται στην παλιρροιακή ζώνη (μεταξύ της πάνω
και κάτω παλιρροιακής στάθμης), λόγω της ταυτόχρονης δράσης των κυμάτων, της χημικής επίδρασης των αλάτων, της ενανθράκωσης λόγω του CO2 του αέρα, και ενδεχομένως του παγετού (σε ψυχρές περιοχές). Στην εκτεθειμένη ζώνη το σκυρόδεμα επηρεάζεται από την υγρασία και τα σταγονίδια του νερού που μεταφέρουν χλωριόντα, από
την ενανθράκωση και από την ενδεχόμενη κρυστάλλωση αλάτων λόγω εξάτμισης του
νερού (Mehta 1980).
Σημαντικοί παράγοντες για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος σε
διάρκεια λόγω δράσης θαλασσινού νερού είναι η μείωση της διαπερατότητας και η αύξηση της επικάλυψης των οπλισμών. Έτσι είναι επιτακτική η ανάγκη καλής συμπύκνωσης, αύξησης της ποσότητας τσιμέντου και μείωσης του λόγου Ν/Τ (Neville and Brooks
1987). Ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος (1997) έχει προδιαγράψει για σκυροδέματα στη θάλασσα μέγιστο λόγο Ν/Τ ίσο με 0.48, ελάχιστη ποσότητα τσιμέντου 400
kg/m3 και ελάχιστη επικάλυψη οπλισμών 60 mm (για σκυροδέματα εκτεθειμένα σε αέρα
κορεσμένα με θαλάσσια άλατα, δηλαδή σε παραθαλάσσιο περιβάλλον, οι αντίστοιχες
απαιτήσεις είναι μέγιστος λόγο Ν/Τ ίσος με 0.60 και ελάχιστη ποσότητα τσιμέντου 330
kg/m3). Τέλος, σημαντικός παράγοντας για τη μείωση της φθοράς από το θαλασσινό
νερό είναι η χρήση ποζολανικών προσμίξεων στο τσιμέντο, οι οποίες σε κατάλληλες
αναλογίες δεσμεύουν ορισμένα συστατικά του σκυροδέματος περιορίζοντας την
απόπλυση.
6.5.4.
Βιολογική Επίδραση
Η φθορά του σκυροδέματος λόγω βιολογικών επιδράσεων μπορεί να προκληθεί
από τη δράση διαφόρων φυτικών ή ζωικών μικροοργανισμών, που για την ανάπτυξή
τους δεσμεύουν συστατικά από την επιφάνεια στοιχείων σκυροδέματος κοντά στη
θάλασσα, στο εσωτερικό αγωγών αποχέτευσης και γενικά σε υγρό περιβάλλον (Τάσιος
και Αλιγιζάκη 1993).
Οι ρίζες των φυτών εισδύουν στις μικρορωγμές του σκυροδέματος και ασκώντας
δυνάμεις διάρρηξης προκαλούν πρόσθετη ρηγμάτωση. Η σήψη τους δίνει χουμικό οξύ
που προκαλεί διάβρωση, ενώ η έκκριση οξέων προκαλεί χημική φθορά του τσιμεντοπολτού. Τα βρύα και οι λειχήνες έχουν ελαφρώς διαβρωτική δράση παρουσία ανθρακικού οξέος, αλλά γενικά η παρουσία τους δεν είναι βλαβερή. Τα φύκια είναι δυνατόν να
προκαλέσουν φθορά όταν βρίσκονται σε περιοχή που διαβρέχεται και ξηραίνεται, διότι
συγκρατούν θαλασσινό νερό με αυξημένη συγκέντρωση αλάτων λόγω εξάτμισης. Συχνά
πάντως προστατεύουν το σκυρόδεμα και τον οπλισμό από διάβρωση, έπειδή καταναλώνουν το οξυγόνο του νερού προτού διεισδύσει στο σκυρόδεμα.
100
Η κυριότερη μορφή βιολογικής επίδρασης είναι τα βακτήρια που αναπτύσσονται
σε αγωγούς αποχέτευσης και σε απορρίματα. Κάτω από αναερόβιες συνθήκες (χωρίς
οξυγόνο) διασπούν τα θειικά άλατα και από θειικά ιόντα και υδρογόνο συνθέτουν
υδρόθειο, το οποίο αντιδρώντας με τα άλατα του τσιμεντοπολτού σχηματίζει ευδιάλυτα
άλατα, προκαλώντας απόπλυση. Επίσης είναι δυνατόν κάτω από αερόβιες συνθήκες τα
βακτήρια να συνθέσουν θειικά άλατα. Ακόμα, μερικά βακτήρια χρησιμοποιούν το
υδρόθειο ως πρώτη ύλη για το σχηματισμό βλαβερών οξέων, όπως είναι το θειικό οξύ,
που μειώνει κατά πολύ το pH του σκυροδέματος.
Η φθορά του σκυροδέματος λόγω βακτηρίων μπορεί να περιοριστεί με τη λήψη
μέτρων όπως: καθάρισμα των αγωγών ώστε να περιοριστεί η διατιθέμενη ποσότητα
θείου· αποτροπή δημιουργίας υδροθείου με περιορισμό της ποσότητας θειικών αλάτων,
μείωση της τυρβώδους ροής κ.τ.λ.· αφαίρεση του υδροθείου π.χ. με εξαερισμό, προσθήκη χλωρίνης, προσθήκη αλάτων βαρέων μετάλλων κ.τ.λ.· εξουδετέρωση του θειικού
οξέος με προσθήκη αέριας αμμωνίας· προσθήκη βακτηριογόνων στο νερό των αγωγών
προσθήκη διαφόρων ουσιών κατά την παρασκευή του σκυροδέματος (π.χ. ένυδρος θειικός χαλκός, σκόνη μεταλλικού χαλκού)· και εφαρμογή βαφών ή επιχρισμάτων (Τάσιος
και Αλιγιζάκη 1993).
6.6. Τσιμέντο
Το τσιμέντο που χρησιμοποιείται για την παρασκευή του σκυροδέματος είναι βιομηχανικό κοκκώδες υλικό σε μορφή σκόνης που όταν αναμιχθεί με νερό σε κατάλληλη
αναλογία σχηματίζει πολτό που πήζει, σκληρύνεται και κατόπιν διατηρεί το σχήμα και
την αντοχή του ακόμα και μέσα στο νερό. Παρακάτω εξετάζονται η παρασκευή, η σύνθεση και η ενυδάτωση του τσιμέντου Portland, καθώς επίσης και ορισμένοι τύποι τσιμέντων ειδικών απαιτήσεων.
6.6.1.
Το Τσιμέντο Portland
Στην Ελλάδα χρησιμοποιείται κυρίως τσιμέντο τύπου Portland, που παράγεται
από το άλεσμα κλίνκερ, προϊόν του σύγχρονου ψησίματος ασβεστολίθου και αργίλου
(που αποτελούν τις απαραίτητες πρώτες ύλες για την παρασκευή των κυρίων συστατικών του τσιμέντου). Ανακαλύφθηκε το 1824 από τον Άγγλο L. Aspdin, που το ονόμασε
Portland γιατί είχε το χρώμα των εδαφών της περιοχής Portland της Αγγλίας. Η παραγωγή τσιμέντου στη χώρα μας πλησιάζει τα 15 εκατομμύρια τόννους ετησίως, από τα
οποία το 50% περίπου εξάγεται (στοιχεία 1996).
6.6.1.1.
Παρασκευή
Το τσιμέντο Portland είναι το προϊόν μίας σειράς εργασιών που περιλαμβάνουν:
(α) Εξόρυξη ασβεστολιθικών πετρωμάτων και αργιλικών εδαφών ή πετρωμάτων, τα
οποία τεμαχίζονται (σε σπαστήρες) σε κόκκους διαμέτρου μερικών εκατοστών, (β)
Ανάμιξη των τεμαχισμένων κόκκων, που ονομάζεται και προομοιογενοποίηση. (γ) Άλεσμα σε τριβεία ώστε να προκύψει λεπτόκοκκο μίγμα (φαρίνα) κόκκων διαμέτρου μερικών χιλιοστών, το οποίο αποθηκεύεται σε σιλό. (δ) Εισαγωγή του μίγματος στο πάνω
μέρος ελαφρά κεκλιμένης κυλινδρικής καμίνου που περιστρέφεται αργά γύρω από τον
άξονά της. Η θερμοκρασία στην κάμινο είναι 600 °C περίπου, και οφείλεται στην καύση
κάρβουνου ή στη λειτουργία καυστήρα πετρελαίου στο κάτω άκρο, όπου η θερμοκρασία
φθάνει τους 1500 °C περίπου, και από όπου εξέρχεται το προϊόν του ψησίματος σε
μορφή μαυροπράσινων κόκκων διαμέτρου 5-25 mm (κλίνκερ). (ε) Άλεσμα του κλίνκερ,
το οποίο μετά την ψύξη του αναμιγνύεται με γύψο, σε ποσοστό 2-3% περίπου, με σκο-
Σκυρόδεμα
101
πό τη ρύθμιση του χρόνου πήξης, δίνοντας τελικά το καθαρό τσιμέντο Portland, του
οποίου οι κόκκοι έχουν διάμετρο της τάξης των 75μm. Η διαδικασία παρασκευής τσιμέντου Portland δίνεται σχηματικά στο Σχ. 6.37.
Στην Ελλάδα, κατά την τελευταία φάση, το κλίνκερ αλέθεται μαζί με ποζολάνες, οι
οποίες έχουν υδραυλικές ιδιότητες και μειώνουν το κόστος, και μπορεί να είναι: (α) φυσικές ποζολάνες, όπως η μηλαϊκή και η θηραϊκή γη (ηφαιστειακά υλικά)· (β) ιπτάμενη
τέφρα (παραπροϊόν της καύσης του λιγνίτη στους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς Μεγαλόπολης, Πτολεμάίδας και Καρδιάς) και (γ) σκωρία υψικαμίνου (κοκκοποιημένη σκωρία που παράγεται κατά την κατεργασία σιδηρομεταλλεύματος σε υψικάμινο). Μερικές
φορές κατά την ανάμιξη προστίθενται και ειδικά φυσικά ή τεχνικά ανόργανα ορυκτά υλικά, τα πληρωτικά (filler), με σκοπό τη βελτίωση φυσικών ιδιοτήτων του τσιμέντου και
κατ' επέκταση του σκυροδέματος (βελτίωση εργασιμότητας, μείωση διαπερατότητας).
Τα υλικά αυτά μπορεί να είναι αδρανή ή να έχουν ασθενείς υδραυλικές ιδιότητες. Παράδειγμα πληρωτικού αποτελεί η άχνη ασβεστολίθου (λεπτή άμμος λατομείου). Τέλος,
στα συστατικά του τσιμέντου προστίθεται σε μικρές ποσότητες και το θειικό ασβέστιο
(σε μορφή γύψου ή ανυδρίτη) για τη ρύθμιση της ταχύτητας πήξης. Ας σημειωθεί εδώ
ότι η γύψος σε ποσοστό μέχρι περίπου 3% κ.β. τσιμέντου επιβραδύνει την πήξη, ενώ σε
μεγαλύτερο ποσοστό δρα ως επιταχυντικό.
Σχ. 6.37: Σχηματικό διάγραμμα παρασκευής τσιμέντου Portland.
Κατά μία παλαιότερη μέθοδο παρασκευής τσιμέντου το άλεσμα των πρώτων υλών
γινόταν παρουσία νερού, γι' αυτό και η μέθοδος αυτή ονομαζόταν υγρή. Η ξηρή μέθοδος που περιγράφεται παραπάνω υπερτερεί σαφώς της υγρής, διότι έχει απαιτήσεις
ενέργειας της τάξης των 0.9 kWh για την παρασκευή ενός κιλού κλίνκερ, ενώ η αντίστοιχη ποσότητα θερμότητας για την υγρή μέθοδο ανέρχεται σε 1.6 kWh/kg. Στοιχεία του
1996 από Ελληνικές τσιμεντοβιομηχανίες αναφέρουν ότι για την παρασκευή ενός σάκκου τσιμέντου (50 kg) απαιτούνται 10 kg κάρβουνο και περίπου 5 kWh.
6.6.1.2.
Χημική Σύνθεση
Η χημική σύνθεση του τσιμέντου εξαρτάται αφενός από τη σύνθεση των πετρωμάτων που χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες, αφετέρου από το χρόνο και τη θερμοκρασία του ψησίματος. Γενικά, οι χημικές αντιδράσεις που γίνονται κατά την παρασκευή
του τσιμέντου μπορούν να περιγραφούν συνοπτικά όπως στην (6.27), όπου δίνονται και
τα τέσσερα βασικά συστατικά του:
3CaO▪SiO2
Ασβεστόλιθος → CaO + CO2
2CaO▪SiO2
→
Άργιλος → SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + H2O
3CaO▪Al2O3
4CaO▪Al2O3▪Fe2O3
(C3S)
(C2S)
(C3A)
(C4AF)
Τα πυριτικά ασβέστια είναι τα κυριότερα συστατικά του τσιμέντου επειδή καθορίζουν την αντοχή του τσιμεντοπολτού. Βρίσκονται σε ποσοστό 55% και 15% περίπου
102
κ.β. για το C3S και το C2S, αντίστοιχα. To C3S συνεισφέρει στη γρήγορη ενυδάτωση του
τσιμέντου, στην καλή αρχική και τελική αντοχή, και στην ανάπτυξη υψηλής θερμότητας
ενυδάτωσης. Αντίστοιχα, το C2S συνεισφέρει στην αργή ενυδάτωση, στην καλή τελική
αντοχή και στην ανάπτυξη χαμηλής θερμότητας ενυδάτωσης. Σημειώνεται ότι στην
πραγματικότητα τα πυριτικά ασβέστια στο τσιμέντο δεν βρίσκονται σε καθαρή μορφή,
αλλά περιέχουν οξείδια που επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την κρυσταλλική δομή τους
και τις υδραυλικές τους ιδιότητες.
Το αργιλικό τριασβέστιο (C3A) βρίσκεται σε ποσοστό 12% περίπου κ.β. και συνεισφέρει στη γρήγορη ενυδάτωση, στην ανάπτυξη υψηλής θερμότητας ενυδάτωσης, στην
αρχική αντοχή (σημαντικά), στην ανάπτυξη μεγάλων συστολών κατά την ενυδάτωση και
στην προσβολή του τσιμεντοπολτού από θειικά, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ετρινγκίτη που διογκώνεται και οδηγεί σε διάρρηξη.
Το αργιλοσιδηρικό τετρασβέστιο (C4AF) βρίσκεται σε ποσοστό της τάξης του 9%
κ.β. και επηρεάζει τις ιδιότητες του τσιμεντοπολτού σε χαμηλότερο βαθμό: συνεισφέρει
ελάχιστα στην ενυδάτωση, προκαλεί ασήμαντη ανάπτυξη αντοχής, χαρακτηρίζεται από
μέση θερμότητα ενυδάτωσης και προσδίδει έντονο χρώμα (σκούρο καφέ ή γκριζοπράσινο).
Εκτός από τα παραπάνω συστατικά, το τσιμέντο περιέχει σε πολύ μικρές ποσότητες και άλλα οξείδια, όπως: Οξείδιο του μαγνησίου (MgO), στο οποίο οφείλεται βασικά
το γκριζοπράσινο χρώμα του τσιμέντου και το οποίο κατά την ενυδάτωση διογκώνεται
και μπορεί να προκαλέσει διάρρηξη (γι' αυτό και πρέπει να περιορίζεται στο 5% το πολύ
κ.β. τσιμέντου). Οξείδια του νατρίου και του καλίου (Na2O, Κ2O), που ενδέχεται να αντιδράσουν με ορισμένα αδρανή προκαλώντας ζημιές στο σκυρόδεμα, και που μπορεί να
επιδράσουν δυσμενώς στην πήξη του τσιμεντοπολτού (γι' αυτό πρέπει να είναι το πολύ
1% κ.β. του τσιμέντου).
Μία γενική ιδέα για τη χημική σύνθεση του τσιμέντου Portland δίνει ο Πίνακας 6.4.
Οι διαδικασίες για τη λεπτομερή χημική ανάλυση του τσιμέντου περιγράφονται στο
Πρότυπο ΕΛΟΤ-196.2.
Οξείδιο
CaO SiO2 Αl2Ο3 Fe2O3 MgO SO3 K2O, Na2O Άλλα
Ποσοστό κ.β. 64 22 6
3
1.5 2
0.5
1
Πίνακας 6.4: Τυπική χημική σύνθεση τσιμέντου Portland.
6.6.1.3.
Λεπτότητα
Η λεπτότητα άλεσης του τσιμέντου μετράται με τη βοήθεια της συσκευής Blaine
από την ειδική επιφάνεια των κόκκων (σε cm2/kg). Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, που
βασίζεται στην διαπερατότητα του τσιμέντου στον αέρα, γνωστή ποσότητα αέρα διοχετεύεται στη μάζα του τσιμέντου υπό σταθερή πίεση. Η ειδική επιφάνεια των κόκκων
υπολογίζεται από το χρόνο ροής του αέρα, με κατάλληλη βαθμονόμηση της συσκευής.
Τυπικές τιμές της λεπτότητας στα κοινά τσιμέντα είναι από 2600 cm2/kg (που είναι και το
ελάχιστο όριο) έως 5000 cm2/kg (Οικονόμου 1993). Επειδή κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου οι κόκκοι αντιδρούν με το νερό από την επιφάνεια προς το κέντρο, όσο μεγαλύτερη είναι η λεπτότητα του τσιμέντου τόσο ταχύτερη είναι η ενυδάτωση (ενώ φυσικά αυξάνεται το κόστος παραγωγής) και άρα τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή σε μικρό χρονικό διάστημα. Πέρα όμως από κάποιο όριο η γρήγορη ενυδάτωση του τσιμέντου παρεμποδίζει την κυκλοφορία του νερού και την ομοιόμορφη αντίδραση όλων των κόκκων,
με δυσμενή αποτελέσματα. Τέλος, όπως έχει ήδη προαναφερθεί, η τελική αντοχή δεν
εξαρτάται από τη λεπτότητα, με την προϋπόθεση ότι η ενυδάτωση είναι πλήρης.
Σκυρόδεμα
6.6.2.
103
Ενυδάτωση του Τσιμέντου Portland
Ενυδάτωση ονομάζεται η χημική αντίδραση του τσιμέντου με το νερό, αποτέλεσμα
της οποίας είναι ο σχηματισμός προϊόντων με χαρακτηριστικά πήξης και σκλήρυνσης.
6.6.2.1.
Μηχανισμός Ενυδάτωσης
Η ενυδάτωση του τσιμέντου αρχίζει αμέσως μετά την ανάμιξη και προχωρεί από
την επιφάνεια των κόκκων προς το εσωτερικό τους με συνεχώς επιβραδυνόμενους ρυθμούς, συνεχίζεται δε για διάστημα πολλών ετών. Λόγω της διαφορετικής τους σύνθεσης, τα συστατικά του τσιμέντου ενυδατώνονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Έτσι, τα αργιλικά συστατικά είναι κυρίως υπεύθυνα για την απώλεια ρευστότητας και την πήξη του
τσιμεντοπολτού, ενώ τα πυριτικά, που καταλαμβάνουν και το μεγαλύτερο ποσοστό, παίζουν κυρίαρχο ρόλο στη σκλήρυνση, δηλαδή στο ρυθμό ανάπτυξης της αντοχής.
Τα προϊόντα της αντίδρασης των βασικών συστατικών του τσιμέντου (C3S, C2S,
C3A και C4AF) με νερό δίνονται παρακάτω. Ας σημειωθεί ότι ο ακριβής τρόπος διεξαγωγής των αντιδράσεων δεν είναι γνωστός, ενώ αντίθετα η αρχική και τελική μορφή των
ενώσεων είναι καθορισμένη (π.χ. Οικονόμου 1993).
Για το C3S:
2(3CaO ▪ SiO2) + 6Η2O → 3CaO ▪ 2SiO2 ▪ 3H2O + 3Ca(OH)2
Για το C2S:
2(2CaO ▪ SiO2) + 4H2O → 3CaO ▪ 2SiO2 ▪ 3H2O + Ca(OH)2
Για το C3A:
3CaO ▪ Al2O3 + 6H2O → 3CaO ▪ Al2O3 ▪ 6H2O
Για το C4AF: 4CaO ▪ Al2O3 ▪ Fe2O3 + 2Ca(OH)2 +10H2O → 3CaO ▪ Al2O3 ▪ 6H2O
+ 3CaO ▪ Fe2O3 ▪ 6H2O
Τα προϊόντα της ενυδάτωσης (που περιγράφονται λεπτομερώς στην Ενότητα
6.2.2) σχηματίζουν το πήγμα, που καταλαμβάνει όγκο κατά 60% περίπου μεγαλύτερο
από αυτόν του τσιμέντου. Έτσι, με την πρόοδο της ενυδάτωσης γεμίζουν τα κενά και
δημιουργούνται επαφές μεταξύ των κόκκων και των κρυστάλλων του πήγματος. Υπενθυμίζεται ότι αποτέλεσμα της ενυδάτωσης είναι η ανάπτυξη κυρίως δεσμών van der
Waals, που έχουν μικρή ένταση και σχετικά μεγάλη ακτίνα δράσης συνδέοντας γειτονικούς κρυστάλλους, και ιοντικών δεσμών, που ουσιαστικά αναπτύσσονται μόνο στα σημεία επαφής των κρυστάλλων αλλά έχουν μεγαλύτερη ένταση. Σε αυτούς τους δεσμούς
οφείλεται η μονολιθικότητα και η αντοχή του τσιμεντοπολτού, η οποία παρακολουθεί την
πρόοδο της ενυδάτωσης όπως δίνεται στο Σχ. 6.38 για τα κύρια συστατικά του τσιμέντου και στο Σχ. 6.39 για τον τσιμεντοπολτό συνολικά (Bogue 1955).
Σε σπάνιες περιπτώσεις, όταν το C3A στο τσιμέντο είναι χαμηλής δραστικότητας
(όπως π.χ. στα τσιμέντα που αποθηκεύονται σε υγρό περιβάλλον) και η γύψος που
αναμιγνύεται με το κλίνκερ (αν αυτό είναι ακόμα θερμό) αποβάλλει μέρος του νερού
σχηματίζοντας ημιυδρίτη, είναι δυνατόν να εμφανιστεί μία πρόωρη σκλήρυνση του αναμίγματος. Αυτή δεν οφείλεται στην ενυδάτωση των συστατικών του τσιμέντου και δεν
συνοδεύεται από ανάπτυξη αντοχής, αλλά οφείλεται στην ένωση του ασταθούς ημιυδρίτη με νερό, που δίνει την εντύπωση πήξης του αναμίγματος. Το φαινόμενο αυτό, που
λέγεται ψευδόπηξη, μπορεί να θεραπευτεί με έντονη ανάμιξη του τσιμεντοπολτού με ή
χωρίς την προσθήκη νερού.
Τέλος, το νερό που συνδέεται χημικά με το τσιμέντο αποτελεί το 25-30% του
βάρους του τελευταίου, ενώ αυτό που συγκρατείται στους πόρους του τσιμεντοπολτού
αποτελεί το 10-15%. Για να γίνει πλήρης ενυδάτωση ο λόγος Ν/Τ πρέπει να είναι περίπου 0.42, οπότε και παραμένουν τριχοειδείς πόροι άδειοι από νερό καταλαμβάνοντας
όγκο περίπου ίσο με 8% του όγκου του τσιμεντοπολτού. Στην περίπτωση υγρής συντή-
104
ρησης, που γίνεται προσθήκη νερού εκ των υστέρων, αυτό θα πάει αρχικά στους
άδειους τριχοειδείς πόρους και από εκεί θα απορροφηθεί για την ενυδάτωση του τυχόν
άνυδρου τσιμέντου. Η πλήρης ενυδάτωση, στην περίπτωση αυτή, επιτυγχάνεται για αρχικό λόγο Ν/Τ περίπου ίσο με 0.36. Έτσι προκύπτει ότι ο ελάχιστος για την ενυδάτωση
λόγος Ν/Τ είναι 0.36-0.42, ανάλογα με το αν το σκυρόδεμα διαβρέχεται εκ των υστέρων
ή όχι. Βεβαίως κάποια περίσσεια νερού είναι πάντα απαραίτητη, λόγω της απορρόφησης νερού από τους ξυλότυπους και τα αδρανή, λόγω της ανομοιόμορφης κατανομής
του νερού στη μάζα του τσιμεντοπολτού και ορισμένες φορές για να βελτιωθεί η εργασιμότητα του νωπού σκυροδέματος.
Σχ. 6.38: Συμβολή των συστατικών του τσιμέντου στην εξέλιξη της αντοχής του τσιμεντοπολτού.
Σχ. 6.39: Εξέλιξη της αντοχής του τσιμεντοπολτού.
6.6.2.2.
Θερμότητα Ενυδάτωσης
Η ενυδάτωση των συστατικών του τσιμέντου είναι εξώθερμη χημική αντίδραση
κατά την οποία εκλύονται σημαντικές ποσότητες θερμότητας, κυρίως τις πρώτες ημέρες
μετά την ανάμιξη. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι το 50% περίπου της συνολικής θερμότητας εκλύεται μέχρι την τρίτη ημέρα, το 75% περίπου μέχρι την έβδομη και το 85-90%
Σκυρόδεμα
105
περίπου μέχρι τους 6 μήνες (Neville and Brooks 1981). Η συνολική ποσότητα θερμότητας εξαρτάται από τη σύσταση του τσιμέντου και είναι, σε πρώτη προσέγγιση, ίση με το
άθροισμα των ποσοτήτων θερμότητας που αντιστοιχούν στην ενυδάτωση των συστατικών του τσιμέντου ξεχωριστά, οπότε και ο έλεγχος της είναι εν μέρει δυνατός με κατάλληλη σύνθεση του τσιμέντου. Ενδεικτικές τιμές δίνονται στον Πίνακα 6.5 (Verbeck and
Foster 1950).
Συστατικό
C3S
C2S
C3A
C4AF
3 ημέρες
58
12
212
69
90 ημέρες
104
42
311
98
13 χρόνια
122
59
324
102
Πίνακας 6.5: Θερμότητες ενυδάτωσης (cal/g) των συστατικών του τσιμέντου.
Ο ρυθμός της θερμότητας ενυδάτωσης κατά τα στάδια της πήξης και αρχικής
σκλήρυνσης του τσιμεντοπολτού είναι έντονος στα πρώτα λεπτά της ενυδάτωσης (γεγονός που αντιστοιχεί στην ενυδάτωση αργιλικών και θειικών συστατικών), κατόπιν
μειώνεται απότομα, έπειτα αρχίζει να αυξάνεται (αρχική πήξη) σχεδόν γραμμικά μέχρι
τις πρώτες 4-8 ώρες ενυδάτωσης (ενώ σχηματίζεται ετρινγκίτης), οπότε ολοκληρώνεται
η τελική πήξη, και τέλος αρχίζει πάλι να μειώνεται με την έναρξη της σκλήρυνσης (Σχ.
6.40).
Σχ. 6.40: Ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας κατά την πήξη και αρχική
σκλήρυνση.
Για συγκεκριμένη σύνθεση τσιμέντου, η συνολική θερμότητα ενυδάτωσης εξαρτάται σημαντικά από τη θερμοκρασία (π.χ., για τα συνηθισμένα τσιμέντα είναι περίπου
75 cal/g τσιμέντου στους 5 °C και περίπου 160 cal/g στους 40 °C). Τέλος, η θερμότητα
ενυδάτωσης είναι πιθανό να αποτελέσει αιτία ρηγμάτωσης, όπως π.χ. σέ ογκώδη στοιχεία από σκυρόδεμα (π.χ. μεγάλα θεμέλια, βάθρα, φράγματα), όπου η θερμότητα που
παράγεται στο εσωτερικό καθυστερεί να μεταφερθεί στην επιφάνεια και από εκεί στο
περιβάλλον, με αποτέλεσμα να ρηγματώνεται το σκυρόδεμα λόγω διαφορικής θερμικής
συστολής. Για την αποφυγή αυτής της ρηγμάτωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί τσιμέντο
με μειωμένη περιεκτικότητα σε C3S και C3A. Αντίθετα, σε περίπτωση σκυροδέτησης σε
χαμηλές θερμοκρασίες η θερμότητα ενυδάτωσης μπορεί να παίξει ευεργετικό ρόλο, γιατί
με κατάλληλη μόνωση μπορεί να προστατεύσει το έργο από τον παγετό κατά τα πρώτα
στάδια της πήξης.
6.6.3.
Μείωση Ρευστότητας, Πήξη και Σκλήρυνση
Ακολουθεί μία σύντομη περιγραφή των φυσικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με τις
106
χημικές διεργασίες που περιγράφονται παραπάνω. Μία πρώτη ιδιότητα του τσιμεντοπολτού που βρίσκεται σε πλαστική μορφή, η μείωση της ρευστότητας, σχετίζεται με
το φαινόμενο μείωσης της κάθισης, που περιγράφεται σε επόμενη ενότητα. Σημειώνεται
ότι η πλαστικότητα του τσιμεντοπολτού οφείλεται στο ελεύθερο νερό, η σταδιακή
απώλεια του οποίου, λόγω των αρχικών αντιδράσεων ενυδάτωσης, της προσρόφησής
του στις επιφάνειες των ελάχιστα κρυσταλλικών προϊόντων ενυδάτωσης (όπως ο ετρινγκίτης και το C-H-S) και της εξάτμισης, προκαλεί μείωση της ρευστότητας, και, τελικά,
πήξη και σκλήρυνση.
Μία δεύτερη ιδιότητα είναι η πήξη, που σημαίνει στερεοποίηση του πλαστικού τσιμεντοπολτού. Η αρχή της στερεοποίησης ονομάζεται αρχική πήξη (ή αρχή πήξης) και
συμπίπτει χρονικά με το σημείο που ο τσιμεντοπολτός παύει να είναι εργάσιμος. Το τελευταίο στάδιο της στερεοποίησης ονομάζεται τελική πήξη. Οι χρόνοι αρχικής και τελικής πήξης προσδιορίζονται με τη συσκευή Vicat, που μετράει την αντίσταση τσιμεντοπολτού ορισμένης ρευστότητας στη διείσδυση τυποποιημένης βελόνας που φέρει
βάρος 300 g. Η αρχική πήξη θεωρείται (αυθαίρετα) ότι έχει επέλθει όταν η διείσδυση σε
στρώση τσιμεντοπολτού πάχους 40 mm φθάσει τα 35 mm. Η τελική πήξη ταυτίζεται με
τη χρονική στιγμή κατά την οποία η βελόνα σημαδεύει την πάνω επιφάνεια της
στρώσης χωρίς όμως να διεισδύει. Ο ελάχιστος χρόνος αρχής πήξης σύμφωνα με το
Πρότυπο ΕΛΟΤ-196.3 δίνεται στον Πίνακα 6.7.α, ενώ κατά την Αμερικάνικη Προδιαγραφή ASTM C150-84 ο ελάχιστος χρόνος αρχικής πήξης είναι 45 λεπτά και ο μέγιστος
χρόνος τελικής πήξης είναι 375 λεπτά, μετρημένοι με τη βελόνα Vicat (ASTM C191-82).
Περισσότερες λεπτομέρειες για τον προσδιορισμό των χρόνων πήξης μέσω της συσκευής Vicat δίνονται στο Πρότυπο ΕΛΟΤ-196.3.
Μία τρίτη ιδιότητα είναι η σκλήρυνση, που σχετίζεται με το φαινόμενο της αύξησης της αντοχής με το χρόνο λόγω της σταδιακής πλήρωσης των πόρων του τσιμεντο πολτού με προϊόντα ενυδάτωσης. Οι σχέσεις χημικών διεργασιών κατά την ενυδάτωση
με τις παραπάνω ιδιότητες δίνονται παραστατικά στο Σχ. 6.41 (Soroka 1979).
Σχ. 6.41: (α) Ρυθμός σχηματισμού προϊόντων ενυδάτωσης και (β) επίδραση
στο χρόνο πήξης, το πορώδες, τη διαπερατότητα και την αντοχή του τσιμεντοπολτού.
6.6.4.
Τύποι Τσιμέντου Portland
Με βάση το Πρότυπο ΕΛΟΤ-197.1, τα Ελληνικά τσιμέντα χαρακτηρίζονται από τον
τύπο και από έναν αριθμό που χαρακτηρίζει την αντοχή. Εαν το τσιμέντο είναι υψηλής
πρώιμης αντοχής, στα προηγούμενα προστίθεται το γράμμα R, άλλως προστίθεται το
Σκυρόδεμα
107
γράμμα Ν (κανονικής πρώιμης αντοχής). Οι τύποι τσιμέντων σύμφωνα με το παραπάνω Πρότυπο δίνονται στον Πίνακα 6.6 και περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω.
Τύπος CEM I: Τσιμέντο Portland. Αποτελείται από κλίνκερ αλεσμένο με δευτερεύοντα συστατικά (π.χ. φυσική ποζολάνη, ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνου, πληρωτικά) σε ποσοστό μέχρι 5% κ.β.
Τύπος CEM II: Σύνθετο τσιμέντο Portland. Παράγεται με συνάλεση κλίνκερ (6594% κ.β.), άλλων κυρίων συστατικών (π.χ. ποζολάνη, ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνου, άχνη ασβεστολίθου) και δευτερευόντων συστατικών (0-5%). Το τσιμέντο αυτό είναι
φθηνότερο από το CEM I.
Τύπος CEM III: Σκωριοτσιμέντο. Παράγεται με συνάλεση κλίνκερ (5-64%), σκωρίας υψικαμίνου (36-95%) και δευτερευόντων συστατικών (0-5%).
Τύπος CEM IV: Ποζολανικό τσιμέντο. Περιέχει κλίνκερ (45-89%), φυσική ποζολάνη και/ή ιπτάμενη τέφρα και/ή πυριτική παιπάλη (11-55%) και δευτερεύοντα συστατικά (0-5%). Λόγω μικρότερης περιεκτικότητας σε C3S και C3A και μεγαλύτερης σε ποζολάνες χαρακτηρίζεται από μικρότερη θερμότητα ενυδάτωσης και δίνει μικρότερη αρχική
αντοχή αλλά παρόμοια τελική.
Τύπος CEM V: Σύνθετο τσιμέντο. Περιέχει κλίνκερ (20-64%) σκωρία υψικαμίνου
(18-50%), ποζολάνη και/ή ιπτάμενη τέφρα (18-50%) και δευτερεύοντα συστατικά (05%).
Ας σημειωθεί ότι στα παραπάνω ποσοστά δεν συμπεριλαμβάνονται το θειικό
ασβέστιο (π.χ. γύψος) ή τυχόν άλλα πρόσθετα, τα οποία προστίθενται επί πλέον ανάλογα με τις απαιτήσεις της παραγωγής.
Εκτός από τα παραπάνω τσιμέντα, στην Ελλάδα εξακολουθεί να παράγεται και το
τσιμέντο Portland ανθεκτικό στα θειικά (SR) Τύπου IV (καλύπτεται από τον Ελληνικό
Κανονισμό Τσιμέντων του 1980), το οποίο δεν περιέχει ποζολάνες αλλά έχει περιεκτικότητα σε C3A μικρότερη από 3.5% και σε SO3 το πολύ 2.5%. Χρησιμοποιείται για σκυρόδεμα σε πολύ διαβρωτικό περιβάλλον (π.χ. μονάδες βιολογικού καθαρισμού, σωλήνες αποχέτευσης, στοιχεία θεμελίωσης σε επαφή με διαβρωτικά υπόγεια νερά).
Σύμφωνα με το Πρότυπο ΕΝ 197.1, τα τσιμέντα κατατάσσονται με βάση τη χαρακτηριστική τους αντοχή σε θλίψη στις κατηγορίες 32.5, 42.5 και 52.5, με υποκατηγορία
Ν (κανονικής πρώιμης αντοχής) ή R (υψηλής πρώιμης αντοχής). Η αντοχή μετράται σε
κυβικά δοκίμια τσιμεντοκονιάματος πλευράς 40 mm, με λόγους (κ.β.)
τσιμέντο:άμμο:νερό 1:3:0.5, αντίστοιχα. Τα δοκίμια συντηρούνται μία ημέρα σε χώρο με
σχετική υγρασία 100% και τις υπόλοιπες σε νερό θερμοκρασίας 20-22 °C. Περισσότερες λεπτομέρειες για τη μέτρηση της αντοχής τσιμέντων δίνονται στο Πρότυπο ΕΛΟΤ196.1. Η αντοχή των τσιμέντων σε θλίψη καθώς και φυσικές ιδιότητες πρέπει να συμφωνούν με τις απαιτήσεις του Πίνακα 6.7.α. Οι απαιτήσεις ως προς τις χημικές ιδιότητες
καθορίζονται στο Πρότυπο ΕΛΟΤ-196.1. Το τελευταίο δίνει και μία σειρά από κριτήρια
συμμόρφωσης για τις μηχανικές, φυσικές και χημικές ιδιότητες του τσιμέντου.
Επειδή οι συνδυασμοί αντοχών και συνθέσεων δεν είναι όλοι εφικτοί, οι συνηθέστεροι τύποι τσιμέντων που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα είναι το CEM I 42.5 (χρησιμοποιείται από αρκετές βιομηχανίες έτοιμου σκυροδέματος και στην προκατασκευή,
επειδή εξασφαλίζει ταχύτερη ανάπτυξη της αντοχής), το CEM II 32.5 (χρησιμοποιείται
από βιομηχανίες παρασκευής έτοιμου σκυροδέματος και για την παρασκευή κονιαμάτων και επιχρισμάτων, καλύπτει δε σημαντικό ποσοστό της αγοράς) και το CEM II
42.5 (συνήθως εκεί όπου υπάρχει ανάγκη για χαμηλή θερμότητα ενυδάτωσης).
Σύνθεση (επί της % κατά μάζα)α
ΔευτεΚλίνκερ Σκωρία υψι- Πυριτική Ποζολάνη Ιπτάμενες
Ψημένος Ασβεστόλι- ρεύοντα συκαμίνου παιπάλη
τέφρες
σχιστόλιθος
θος
Κ
S
Dβ
P
Q
V
W
T
L
LL στατικά
CEM I Τσιμέντο Πόρτλαντ
CEM I
95-100
0-5
CEM II Τσιμέντο Πόρτλαντ με Σκωρία Υψικαμίνων CEM II/A-S 80-94
6-20
0-5
CEM II/B-S 65-79
21-35
0-5
Τσιμέντο Πόρτλαντ με πυριτική παιπάλη
CEM II/A-D 90-94
6-10
0-5
Τσιμέντο Πόρτλαντ με ποζολάνη
CEM ΙΙ/Α-Ρ 80-94
6-20
0-5
CEM ΙΙ/Β-Ρ 65-79
21-35
0-5
CEM II/A-Q 80-94
6-20
0-5
CEM ΙΙ/Β-Q 65-79
21-35
0-5
Τσιμέντο Πόρτλαντ με ιπτάμενη τέφρα
CEM II/A-V 80-94
6-20
0-5
CEM II/B-V 65-79
21-35
0-5
CEM II/A-W 80-94
6-20
0-5
CEM II/Β-W 65-79
21-35
0-5
Τσιμέντο Πόρτλαντ με ψημένο σχιστόλιθο
CEM ΙΙ/Α-Τ 80-94
6-20
0-5
CEM ΙΙ/Β-Τ 65-79
21-35
0-5
Τσιμέντο Πόρτλαντ με ασβεστόλιθο
CEM ΙΙ/Α-L 80-94
6-20
0-5
CEM II/B-L 65-79
21-35
0-5
CEM II/A-LL 80-94
6-20 0-5
CEM ll/B-LL 65-79
21-35 0-5
Τσιμέντο Πόρτλαντ - σύνθετογ
CEM ll/A-M 80-94
6-20
0-5
CEM ll/B-M 65-79
21-35
0-5
CEM III Σκωριοτσιμέντο
CEM Ill/A
35-64
0-5
CEM lll/B
20-34
0-5
CEM lll/C
5-19
0-5
CEM IV Ποζολανικό τσιμέντογ
CEM IV/A
65-89
11-35
0-5
CEM IV/B
45-64
36-55
0-5
CEM V Σύνθετο τσιμέντογ
CEM V/A
40-64
18-30
CEM V/B
20-38
31-50
α) Οι τιμές του πίνακα αναφέρονται στο σύνολο των κυρίων και δευτερευόντων συστατικών
β) Το ποσοστό της πυριτικής παιπάλης περιορίζεται στο 10%
γ) Στα τσιμέντα Πόρτλαντ-σύνθετα CEM ΙΙ/Α-Μ και CEM ΙΙ/Β-Μ,στα ποζολανικά τσιμέντα CEM IV/A και CEM IV/Β και στα σύνθετα τσιμέντα CEM V/A και CEM V/B τα
κύρια συστατικά πλην του κλίνγκερ πρέπει να δηλώνονται στην ονομασία του τσιμέντου (για παράδειγμα βλέπε κεφάλαιο 8).
Κύριοι
τύποι
Ονομασία των 27 προϊόντων (τόποι κοινών τσιμέντων)
Πίνακας 6.6: Τα 27 προϊόντα στην οικογένεια των κοινών τσιμέντων.
Σκυρόδεμα
109
Σχετικά με την αποθήκευση του τσιμέντου επισημαίνεται ότι η ποιότητα του τελευταίου μπορεί να υποβαθμιστεί (κατά την αποθήκευση) λόγω μερικής ενυδάτωσης των
κόκκων του. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν η αποθήκευση γίνεται μέσα σε χάρτινους σάκκους που εκτίθενται σε υγρό περιβάλλον, ή μέσα σε σιλό με θερμοκρασίες πάνω από
50-60 °C, οπότε αφυδατώνεται η γύψος και το νερό που ελευθερώνεται αντιδρά με τα
συστατικά του κλίνκερ. Στην πρώτη περίπτωση το τσιμέντο απορροφά και CO2 από την
ατμόσφαιρα, σχηματίζοντας αδιάλυτους σκληρούς σβώλους. Επειδή η απώλεια αντοχής
μετά από αποθήκευση στην ύπαιθρο για τρεις μήνες ξεπερνά το 10%, η μακροχρόνια
αποθήκευση σε σάκκους πρέπει να γίνεται σε κλειστούς και ξηρούς χώρους, πάνω σε
υπερυψωμένο δάπεδο.
Αντοχή σε θλίψη (MPa)
Πρώιμη αντοχή
Τυπική
αντοχή
2 ημέρες 7 ημέρες 28 ημέρες
-≥16
32.5 - 52.5
≥10
-32.5 - 52.5
≥10
-42.5 - 62.5
≥20
-42.5 - 62.5
≥20
-≥52.5
≥30
-≥52.5
Κατηγορία
αντοχής
32.5 Ν
32.5 R
42.5 Ν
42.5 R
52.5 Ν
52.5 R
Χρόνος
αρχής
πήξης
(min)
≥75
≥75
≥60
≥60
≥45
≥45
Σταθερότητα όγκου
(διαστολή)
(mm)
≤10
≤10
≤10
≤10
≤10
≤10
Πίνακας 6.7.α: Μηχανικές και φυσικές απαιτήσεις οριζόμενες ως χαρακτηριστικές
τιμές (με βάση το Πρότυπο ΕΝ 197.1).
Κατηγορία
35
45
55
Πίνακας
1980).
6.6.5.
2 ημέρες
-≥10
≥15
6.7.β:
7 ημέρες
≥15
---
28 ημέρες
25 - 45
35 - 55
≥45
Απαιτήσεις
αντοχής
σε
MPa
(Ελληνικός
Κανονισμός
Τσιμέντων
Ειδικοί Τύποι Τσιμέντων
Σε ορισμένές περιπτώσεις, τα τσιμέντα τύπου Portland που αναφέρονται παραπάνω (με ή χωρίς ποζολάνες) δεν.ικανοποιούν τις κατασκευαστικές ανάγκες, γι' αυτό
και στη θέση τους χρησιμοποιούνται τσιμέντα ειδικών τύπων.
6.6.5.1.
Διογκούμενα Τσιμέντα
Τα τσιμέντα αυτά διογκώνονται κατά την ενυδάτωση μετά την πήξη. Όταν η
διόγκωση είναι τέτοια ώστε οι τάσεις που αναπτύσσονται είναι της τάξης του 0.2-0.7
MPa, χρησιμοποιούνται κυρίως για την αντιμετώπιση της συστολής ξήρανσης και ονομάζονται τσιμέντα αντισταθμιστικά της συστολής. Για μεγαλύτερες τάσεις, γύρω στα 7
MPa, το τσιμέντο ονομάζεται αυτο-φορτιζόμενο, και σε μερικές χώρες έχει χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή χημικά προεντεταμένων στοιχείων. Τα διογκούμενα τσιμέντα παρασκευάζονται με κατάλληλη τροποποίηση της σύνθεσης του κλίνκερ (προσθέτοντας
ενώσεις του αργιλίου και του θείου) ώστε η παραγωγή ετρινγκίτη κατά την ενυδάτωση
να είναι αυξημένη. Βασικά μειονεκτήματά τους είναι η μικρή ανθεκτικότητα σε θειικά και
η σχετικά γρήγορη πήξη τους.
6.6.5.2.
Τσιμέντα Ταχείας Πήξης και Σκλήρυνσης
Βρίσκουν εφαρμογή σε περιπτώσεις επισκευών που πρέπει να γίνουν ταχύτατα
(π.χ. στεγανοποιήσεις) και ορισμένες φορές στο εκτοξευόμενο σκυρόδεμα. Στην αρχική
τους μορφή τα τσιμέντα αυτά όφειλαν τη γρήγορη πήξη τους στο συνδυασμό τσιμέντου
110
Portland με ημιυδρίτη ή αργιλικό τσιμέντο, που πήζουν σε χρόνους της τάξης των μερικών λεπτών. Βασικά μειονεκτήματα όμως τέτοιων τσιμέντων ήταν η μικρή τελική αντοχή
και ανθεκτικότητα σε διάρκεια.
Πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί στην Ιαπωνία και στις Η.Π.Α. τα λεγόμενα τσιμέντα
ελεγχόμενης πήξης, τα οποία έχουν χρόνο πήξης 3-5 λεπτά, που αυξάνεται όμως εύκολα με χρήση επιβραδυντικών όπως το κιτρικό οξύ, το θειική κάλιο, το υδροξείδιο του
ασβεστίου κ.τ.λ. Οι ιδιότητες των τσιμέντων αυτών οφείλονται στη συνάλεση κλίνκερ με
φθοριοαργιλικό ασβέστιο (20-25%) και θειικό ασβέστιο (10-15%). Με εξαίρεση τη μικρή
ανθεκτικότητα σε δράση θειικών, το τσιμέντο ελεγχόμενης πήξης έχει μηχανικές και φυσικές ιδιότητες παρόμοιες με αυτές του κοινού τσιμέντου Portland.
Δύο άλλοι τύποι τσιμέντων που είναι ακόμα στο στάδιο της ανάπτυξης σε ορισμένες χώρες του εξωτερικού είναι jo τσιμέντο υπερταχείας ανάπτυξης αντοχής και το
σιδηρικό τσιμέντο. Και τα δύο περιέχουν ενώσεις αργιλίου, ενώ το δεύτερο και σιδήρου,
οι οποίες είναι υπεύθυνες για το γρήγορο σχηματισμό κατά την ενυδάτωση μεγάλων
ποσοτήτων ετρινγκίτη. Τα τσιμέντα αυτά δίνουν αντοχές σε 8 και 24 ώρες 15 και 25
MPa, αντίστοιχα, ενώ η τελική τους αντοχή είναι περίπου 50 MPa.
6.6.5.3.
Λευκά ή Έγχρωμα Τσιμέντα
Τα λευκά ή έγχρωμα τσιμέντα χρησιμοποιούνται όπου το επιβάλλουν απαιτήσεις
αισθητικής (π.χ. ανεπίχριστα διακοσμητικά στοιχεία). Το λευκό τσιμέντο παρασκευάζεται από την άλεση κλίνκερ με μειωμένη περιεκτικότητα σε στοιχεία σιδήρου (λιγότερο
από 0.5% Fe2O3) σε μύλους ειδικών προδιαγραφών, με αποτέλεσμα να κοστίζει αρκετά
παραπάνω από το κοινό.
Προσθήκη ειδικών χρωστικών ουσιών στο τσιμέντο, αβλαβών για τα χαρακτηριστικά του (π.χ. πήξη, σκλήρυνση) και ανθεκτικών σε διάρκεια, δίνει το έγχρωμο τσιμέντο.
Κατά μία άλλη μέθοδο ο χρωματισμός επιτυγχάνεται κατά την παρασκευή του κλίνκερ,
χρησιμοποιώντας έγχρωμα οξείδια σε ποσοστό 5-10%.
6.6.5.4.
Αργιλικό Τσιμέντα
Τα αργιλικά τσιμέντα περιέχουν κυρίως CaO και ΑΙ2O3, και χαρακτηρίζονται από
γρήγορη ανάπτυξη αντοχής (ακόμα και σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες) και εξαιρετική αντοχή στην επίδραση θειικών. Κύριο μειονέκτημά τους είναι η συχνά εμφανιζόμενη
σταδιακή μείωση της αντοχής με το χρόνο λόγω της αστάθειας που εμφανίζουν ορισμένα από τα προϊόντα της ενυδάτωσης, γι' αυτό και η χρήση τους σε δομικά έργα
πρέπει να αποφεύγεται. Λόγω της καλής συμπεριφοράς τους σε υψηλές θερμοκρασίες
η χρήση τους περιορίζεται στις αντίστοιχες εφαρμογές του σκυροδέματος (π.χ. κατασκευή έγχυτων κλιβάνων).
6.7. Αδρανή
Ο ρόλος των αδρανών είναι ιδιαίτερα σημαντικός για τα χαρακτηριστικά του σκυροδέματος, του οποίου καταλαμβάνουν το 60-80% του όγκου. Η επίδρασή τους στην
αντοχή, τις παραμορφώσεις και την ανθεκτικότητα σε διάρκεια έχει ήδη αναλυθεί στα
προηγούμενα. Στην ενότητα αυτή περιγράφονται βασικά χαρακτηριστικά των φυσικών
αδρανών, που χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον για την κατασκευή δομικών στοιχείων από σκυρόδεμα, αλλά (για λόγους πληρότητας) και άλλων, σπανιότερων τύπων
αδρανών.
Με βάση το μέγεθος, τα αδρανή χωρίζονται σε χονδρά και λεπτά, ανάλογα με το
Σκυρόδεμα
111
αν η μέγιστη διάσταση του κόκκου τους ξεπερνά ή όχι τα 5 mm περίπου. Με βάση το
βάρος, χωρίζονται σε αδρανή κανονικού βάρους, με πυκνότητα κόκκων μεταξύ 20003000 kg/m3, σε ελαφρά αδρανή, με πυκνότητα κόκκων που δεν ξεπερνά τα 2000 kg/m3
ή με φαινόμενη πυκνότητα σωρού ≤1200 kg/m3, και σε βαριά αδρανή, με πυκνότητα
κόκκων πάνω από 3000 kg/m3 (ο προσδιορισμός γίνεται μετά από ξήρανση σε
κλίβανο). Με βάση την προέλευση, χωρίζονται σε φυσικά, που προέρχονται από τη
φύση, και τεχνητά, που παρασκευάζονται με ειδική επεξεργασία ορισμένων υλικών (π.χ.
διογκωμένη άργιλος), από βιομηχανικά παραπροϊόντα (π.χ. σκωρία υψικαμίνου,
ιπτάμενη τέφρα), ή από ανακύκλωση (π.χ. σκυροδέματος). Τα φυσικά αδρανή μπορεί
να είναι συλλεκτά (που στη χώρα μας λέγονται και απλώς "φυσικά"), όταν προέρχονται
απευθείας από τη φύση, ή θραυστά, όταν προέρχονται από τη θραύση πετρωμάτων (τα
τελευταία περιγράφονται λεπομερώς και από το Πρότυπο ΕΛΟΤ-408). Τέλος, με βάση
το σχήμα τους, τα αδρανή χωρίζονται σε στρογγυλά, κυβοειδή, γωνιώδη, πλακοειδή και
επιμήκη (π.χ. Mehta and Monteiro 1993, Οικονόμου 1993).
Η καταλληλότητα των αδρανών για χρήση τους στην παραγωγή σκυροδέματος καθορίζεται στα Ευρωπαϊκά Πρότυπα ΕΝ 12620 (για τα κανονικού βάρους και τα βαριά
αδρανή) και ΕΝ 13055-1 (για τα ελαφρά αδρανή).
6.7.1.
Προέλευση Φυσικών Αδρανών Κανονικού Βάρους
Τα φυσικά αδρανή (φυσικοί λίθοι) κανονικού βάρους είναι αυτά που χρησιμοποιούνται κατά κανόνα για την παρασκευή σκυροδέματος και προέρχονται από διάφορα πετρώματα (βλ. Κεφ. 4). Τα αδρανή των κοινών σκυροδεμάτων προέρχονται από ιζηματογενή πετρώματα που είναι συνήθως ασβεστολιθικής ή πυριτικής ορυκτολογικής σύστασης. Η συλλογή των αδρανών (κυρίως των λεπτόκοκκων) μπορεί να γίνει από εδαφικά
στρώματα, αφού πρώτα γίνει διαχωρισμός (π.χ. με πλύσιμο) ανεπιθύμητων συστατικών
όπως η άργιλος. Συνήθως όμως τα αδρανή προέρχονται από λατομεία με ειδικό εξοπλισμό για τη θραύση των κόκκων σε διάφορα μεγέθη.
6.7.2.
Ειδικοί Τύποι Αδρανών
Παρακάτω περιγράφονται βασικά χαρακτηριστικά ειδικών τύπων αδρανών με περιορισμένες εφαρμογές μέχρι σήμερα σε έργα ειδικών απαιτήσεων.
6.7.2.1.
Ελαφρά Αδρανή
Το χαμηλό βάρος τους (πυκνότητα κόκκων ≤2000 kg/m3 ή φαινόμενη πυκνότητα
σωρού ≤1200 kg/m3) οφείλεται στο μεγάλο πορώδες, ενώ η αντοχή τους σε θλίψη συνήθως αυξάνεται., με την πυκνότητα υψωμένη σε δύναμη της τάξης του 1.5 (Triantafillou
and Gibson 1990). Τα σημαντικότερα από τα ελαφρά αδρανή περιγράφονται συνοπτικά
παρακάτω, ενώ τα σκυροδέματα που προέρχονται από αυτά περιγράφονται στην
Ενότητα 6.13.1.
Κίσσηρη. Προέρχεται από τη θραύση ανοικτόχρωμου ηφαιστειακού πετρώματος
που δημιουργήθηκε από την απότομη ψύξη λάβας με σύγχρονη αποβολή αερίων, και
αποτελεί το κυριότερο και φθηνότερο ελαφρό αδρανές στη χώρα μας. Η πυκνότητά της
κυμαίνεται γύρω στα 400-800 kg/m3, ανάλογα με το μέγεθος των κόκκων. Αποτελείται
(προσεγγιστικά) από 70% SiO2, 12% ΑΙ2O3, 2.5% CaO, 4% Κ2O, 3.5% Na2O και άλλα
οξείδια σε μικρότερη περιεκτικότητα (LAVA). Συναντάται στα νησιά της Δωδεκανήσου
Γυαλί (από το οποίο εξορύσσεται σε μεγάλες ποσότητες), Νίσηρο, Θήρα και Μήλο, ενώ
εξάγεται σε μεγάλες ποσότητες στο εξωτερικό.
112
Περλίτης. Προέρχεται και αυτός από την απότομη ψύξη λάβας που δίνει προϊόντα
όπως το φυσικό γυαλί, πλούσια σε οξείδια του πυριτίου και του αργιλίου. Θέρμανση των
κόκκων στους 900-1200 °C προκαλεί τήξη και διόγκωση κατά 10 περίπου φορές, η
οποία οφείλεται στους υδρατμούς λόγω του χημικά ενωμένου νερού. Η πυκνότητα του
περλίτη κυμαίνεται γύρω στα 100-400 kg/m3. Συναντάται σε μεγάλα αποθέματα στη
Μήλο.
Διογκωμένη άργιλος, διογκωμένος σχιστόλιθος. Η διογκωμένη άργιλος ονομάζεται και σπογγοκέραμος, και προέρχεται από την απότομη θέρμανση αργίλων που
περιέχουν οξείδια του σιδήρου σε θερμοκρασίες μέχρι 1200 °C. Η διόγκωση, που
φθάνει μέχρι το πενταπλάσιο του αρχικού όγκου, οφείλεται στην αποσύνθεση των οξειδίων του σιδήρου και την αποβολή αερίων. Η πυκνότητα των αδρανών αυτών είναι περίπου 300-800 kg/m3. Τα ίδια περίπου ισχύουν και για την παρασκευή αδρανών διογκωμένου σχιστολίθου.
Διογκωμένη σκωρία υψικαμίνου. Τα παραπροϊόντα των υψικαμίνων περιέχουν
αργιλικά, ασβεστολιθικά και πυριτικά συστατικά, που με ψύξη μετατρέπονται σε υαλώδη
μάζα. Θέρμανση των προϊόντων αυτών στους 1600 °C περίπου τα μετατρέπει, με τη
διείσδυση υδρατμών, σε αφρώδη μάζα μεγάλου πορώδους, που σε σπαστήρες και τριβεία αποκτά το κατάλληλο μέγεθος κόκκων. Η πυκνότητα της διογκωμένης σκωρίας
υψικαμίνου (που στην Ελλάδα φέρει και το μάλλον "παραπλανητικό" όνομα σκωριοκίσσηρη) είναι 600-1100 kg/m3.
6.7.2.2.
Βαριά Αδρανή
Προέρχονται από πετρώματα μεγάλου βάρους, έχουν πυκνότητα κόκκων > 3000
kg/m3, είναι γενικά δυσεύρετα και ακριβά, και χρησιμοποιούνται μόνο σε περιπτώσεις
όπου το μεγάλο βάρος σκυροδέματος είναι αναγκαίο (π.χ. θωρακίσεις κατασκευών για
ραδιενεργές ακτινοβολίες, εγκαταστάσεις πυρηνικών εφαρμογών, ειδικά θεμέλια μηχανών). Τα βαριά αδρανή προέρχονται από ορυκτά όπως ο βαρίτης (με φαινόμενη πυκνότητα περίπου 2600 kg/m3), ο μαγνητίτης (2700 kg/m3), ο αιματίτης (3000 kg/m3), ο λιμωνίτης (2300 kg/m3) και ο ιλμενίτης (2600 kg/m3). Σπανιότερα προέρχονται και από τεχνητά υλικά όπως ο φωσφορούχος σίδηρος (3700 kg/m3), ακόμα και ο σίδηρος (4500
kg/m3), που όμως λόγω μεγάλου βάρους έχει την τάση να διαχωρίζεται κατά την ανάμιξη των συστατικών του σκυροδέματος.
6.7.2.3.
Αδρανή Σκωρίας Υψικαμίνων
Τα παραπροϊόντα των υψικαμίνων είναι δυνατόν να δώσουν μετά από αργή ψύξη
και τεμαχισμό αδρανή με ιδιότητες που καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από τη σύσταση
της σκωρίας και το ρυθμό ψύξης. Με χαμηλούς ρυθμούς ψύξης παρασκευάζονται αδρανή πυκνότητας 1100-1400 kg/m3, που σε ορισμένες χώρες (π.χ. Η.Π.Α., Αγγλία) χρησιμοποιούνται για την παρασκευή σκυροδέματος για προκατασκευασμένα προϊόντα
όπως πλίνθοι, πάσσαλοι κ.τ.λ. Συχνά η παρουσία ενώσεων στη σκωρία όπως ο θειούχος σίδηρος μπορεί να προκαλέσει προβλήματα ανθεκτικότητας σε διάρκεια.
6.7.2.4.
Αδρανή Ιπτάμενης Τέφρας
Η ιπτάμενη τέφρα, παραπροϊόν της καύσης λιγνίτη στους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς, αποτελείται ουσιάστικά από κόκκους αργιλοπυριτικής σύστασης. Σύντηξη των
κόκκων σε 1000-1200 °C μπορεί να δώσει αδρανή, που όμως μέχρι σήμερα έχουν παραχθεί σε εμπορική βάση σε ελάχιστες χώρες του κόσμου, όπως η Αγγλία.
Σκυρόδεμα
6.7.2.5.
113
Αδρανή από Ανακύκλωση
Στα πλαίσια των προσπαθειών για την αύξηση της χρήσης ανακυκλωμένων προϊόντων, σε ορισμένες χώρες (π.χ. Η.Π.Α., Γερμανία, Ολλανδία, Αυστρία) έχει δοκιμαστεί
η χρήση συντριμμάτων από κατεδαφίσεις κατασκευών σκυροδέματος ως χονδρόκοκκο
αδρανή. Τέτοια σκυροδέματα έχουν δώσει αντοχές και μέτρα ελαστικότητας που ξεπερνούν τα 2/3 των αντιστοίχων για τα κοινά σκυροδέματα, ενώ παρουσιάζουν ικανοποιητική εργασιμότητα και ανθεκτικότητα σε διάρκεια (Frondistou-Yannas 1980). Από οικονομική βέβαια άποψη, η ανακύκλωση αυτή συμφέρει μόνο σε χώρες ή περιοχές που τα
κοινά αδρανή σπανίζουν.
Σχετικά με την ανακύκλωση άλλων προϊόντων, όπως τό γυαλί, διάφορα μέταλλα,
και οργανικές ενώσεις, σχετικές έρευνες έχουν δείξει ότι αυτά είναι ακατάλληλα για να
χρησιμοποιηθούν ως αδρανή, λόγω προβλημάτων ανθεκτικότητας σε διάρκεια (γυαλί,
αλουμίνιο), εργασιμότητας (γυαλί), πήξης και σκλήρυνσης (οργανικές ενώσεις).
6.7.3.
Χαρακτηριστικά των Αδρανών
Η γνώση των βασικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων των αδρανών (π.χ. πυκνότητα, υγρασία, καθαρότητα, μηχανικές ιδιότητες, διαβάθμιση, μορφή) είναι απαραίτητη για την ορθή επιλογή τους κατά τη σύνθεση του σκυροδέματος. Οι σχέσεις μεταξύ
των χαρακτηριστικών αυτών και των ιδιοτήτων του σκυροδέματος δίνονται στο διάγραμμα του Σχ. 6.42.
Σχ. 6.42: Σχέσεις μεταξύ βασικών χαρακτηριστικών των αδρανών και επίδραση στο σκυρόδεμα.
6.7.3.1.
Πραγματική και Φαινόμενη Πυκνότητα
Ως πραγματική πυκνότητα ή πυκνότητα στερεών (ρ σ) ορίζεται για τα αδρανή η πυκνότητα του πετρώματος, δηλαδή ο λόγος της μάζας προς τον όγκο των κόκκων (χωρίς
τα κενά μεταξύ τους). Η πραγματική πυκνότητα των συνηθισμένων αδρανών κυμαίνεται
μεταξύ 2400 και 3000 kg/m3· για συμπαγή ασβεστόλιθο είναι περιπού 2600-2700 kg/m3,
114
για γρανίτη 2700 kg/m3, για ψαμμίτη 2650 kg/m3 και για σχετικά αποσαρθρωμένο ασβεστόλιθο μεταξύ 2400 και 2600 kg/m3. Ελλείψει ακριβέστερων στοιχείων, η πραγματική
πυκνότητα μπορεί να θεωρηθεί ίση με 2600 kg/m3.
Η φαινόμενη πυκνότητα ρ, δηλαδή η πυκνότητα του σωρού, ισούται με τη μάζα
προς τον όγκο του σωρού των αδρανών (μαζί με τα κενά) και εξαρτάται από το βαθμό
συμπύκνωσής τους. Η φαινόμενη πυκνότητα μετράται συνήθως μετά από κοπάνισμα με
σιδερένια ράβδο, και για τα κοινά αδρανή μπορεί να θεωρηθεί ότι έχει μέση τιμή ίση με
1700 kg/m3. Ο λόγος ρ/ρσ ονομάζεται βαθμός πυκνότητας και δίνει μία γενική εικόνα της
γεωμετρικής ποιότητας των αδρανών.
6.7.3.2.
Υγρασία και Ικανότητα Απορρόφησης
Ανάλογα με το βαθμό υγρασίας τους τα αδρανή διακρίνονται, όπως δείχνει και το
Σχ. 6.43, σε: (α) εντελώς ξηρά, χωρίς καθόλου υγρασία (π.χ. μετά από ξήρανση σε
φούρνο στους 100-110 °C)· (β) ξηρά, χωρίς εξωτερική υγρασία αλλά με λίγη εσωτερική·
(γ) κορεσμένα και επιφανειακά ξηρά, χωρίς καθόλου επιφανειακή υγρασία αλλά με κορεσμένους τους εσωτερικούς πόρους και (δ) υγρά, με κάποια ποσότητα επιφανειακής
υγρασίας και κορεσμένους όλους τους εσωτερικούς πόρους.
Σχ. 6.43: Αδρανή σε διάφορες φάσεις υγρασίας.
Ανάλογα με την υγρασία τους, τα αδρανή μπορούν να διαθέσουν νερό στο ανάμιγμα του σκυροδέματος ή να απορροφήσουν από αυτό. Ως ικανότητα απορρόφησης
υγρασίας ορίζεται η συνολική ποσότητα υγρασίας που απαιτείται για τη μετατροπή των
αδρανών από εντελώς ξηρά σε κορεσμένα και επιφανειακά ξηρά, η ποσότητα αυτή σχετίζεται άμεσα με το πορώδες και την αντοχή των αδρανών. Η ποσότητα υγρασίας που
απαιτείται για τη μετατροπή από ξηρά σε κορεσμένα και επιφανειακά ξηρά ονομάζεται
ενεργή υγρασία, ενώ, τέλος, η ποσότητα νερού που απαιτείται για να γίνουν τα κορεσμένα και επιφανειακά ξηρά αδρανή υγρά ονομάζεται επιφανειακή υγρασία. Η επιφανειακή υγρασία των χονδρόκοκκων αδρανών δεν είναι σημαντική γιατί η ειδική επιφάνειά τους είναι μικρή, αντίθετα με τα λεπτόκοκκα αδρανή (άμμος) που έχουν σχετικά
μεγάλη ειδική επιφάνεια και μπορούν να συγκρατήσουν σημαντική υγρασία.
Ο έλεγχος της άμμου από άποψη κατάστασης υγρασίας γίνεται γεμίζοντας με
άμμο ένα πρότυπο μεταλλικό κόλουρο κώνο ύψους 75 mm, διαμέτρου βάσης 90 mm
και κορυφής 40 mm, συμπυκνώνοντας την άμμο σε τρεις στρώσεις και αφαιρώντας τον
κώνο. Αν η άμμος σκορπίσει είναι ξηρή, αν διατηρήσει πλήρως το σχήμα της είναι υγρή,
ενώ αν σκορπίσει μόνο μερικά είναι περίπου κορεσμένη και επιφανειακά ξηρή. Χαρακτηριστικό της υγρής άμμου είναι η αύξηση όγκου ("φούσκωμα") του σωρού, που οφείλεται σε επιφανειακές τάσεις μεταξύ των κόκκων λόγω υγρασίας.
6.7.3.3.
Καθαρότητα
Βλαβερές ουσίες για τα αδρανή χαρακτηρίζονται αυτές που ενδέχεται να επηρεάσουν δυσμενώς την εργασιμότητα, την πήξη και σκλήρυνση, και την ανθεκτικότητα σε
διάρκεια. Η συνηθέστερη από αυτές είναι η παιπάλη, που ορίζεται ως το λεπτόκοκκο
Σκυρόδεμα
115
υλικό με διάμετρο το πολύ 0.075 mm, δηλαδή πηλός ή άργιλος ή σκόνη από το ίδιο
πέτρωμα. Όταν είναι κολλημένη στην επιφάνεια των χονδρών κόκκων η παιπάλη εμποδίζει την πρόσφυση μεταξύ αδρανών και τσιμεντοπολτού, όταν σχηματίζει μικρούς
σβώλους δημιουργεί σημεία αδυναμίας στη μάζα του σκυροδέματος μειώνοντας έτσι
την αντοχή, ενώ όταν είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένη στα αδρανή μειώνει την αντοχή
αλλά αυξάνει την πυκνότητα και την πλαστικότητα (Troxell et al. 1968). Σημειώνεται ότι
ένα μικρότατο ποσοστό παιπάλης είναι γενικά χρήσιμο για τη βελτίωση της εργασιμότητας του σκυροδέματος και ιδιαίτερα της συνεκτικότητας. Σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, η παιπάλη δεν πρέπει να ξεπερνά, σε μεν θραυστές άμμους
όπου πρόκειται για καθαρό λιθοσύντριμμα, το 16% του ξηρού βάρους της άμμου, σε δε
συλλεκτές άμμους όπου πρόκειται για πηλό και άργιλο το 5%, και να περιορίζεται στο
1% κ.β. των υπολοίπων αδρανών ("ρυζάκι", γαρμπίλι, σκύρα). Για άοπλα σκυροδέματα
χωρίς ειδικές απαιτήσεις επιτρέπεται παιπάλη στην άμμο μέχρι 20% κ.β. Η παιπάλη
απομακρύνεται με πλύσιμο των αδρανών.
Στις βλαβερές ουσίες περιλαμβάνονται και ορισμένες οργανικές ουσίες, όπως οργανικά υλικά φυσικής ή ζωικής προέλευσης, οι λιγνίτες και οι γαιάνθρακες. Οι ουσίες αυτές μπορεί να επιβραδύνουν την πήξη ή να δημιουργήσουν ρηγματώσεις και αποφλοιώσεις λόγω διαφόρων χημικών αντιδράσεων.
Οι θειούχες ενώσεις μεταξύ των αδρανών έχουν επίσης δυσμενείς επιδράσεις
στην τελική αντοχή του σκυροδέματος (π.χ. θειούχος μόλυβδος ή ψευδάργυρος), ενώ
σε σχετικά μεγάλες ποσότητες μπορούν να προκαλέσουν ρηγματώσεις λόγω διόγκωσης (π.χ. θειούχος σίδηρος). Η αντίδράση των θειούχων ενώσεων γίνεται με το τσιμέντο
και επομένως η δράση τους εξαρτάται όχι μόνο από τη δική τους ποσότητα αλλά και
από την περιεκτικότητα του σκυροδέματος σε τσιμέντο.
Βλαβερές ουσίες είναι επίσης τα διάφορα ευδιάλυτα θειικά άλατα (π.χ. γύψος, θειικό μαγνήσιο) και τα αλκάλια, των οποίων η επίδραση έχει αναλυθεί στην Ενότητα 6.5.3.
Για την περίπτωση φυσικών αδρανών από θάλασσα που δεν έχουν πλυθεί, ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος έχει προδιαγράψει ότι η χρησιμοποίησή τους για
την παρασκευή οπλισμένου σκυροδέματος επιτρέπεται υπό την προϋπόθεση ότι η περιεκτικότητά τους σε χλωριούχα άλατα, εκφρασμένη σε ισοδύναμο ποσοστό άνυδρου
χλωριούχου ασβεστίου, δεν υπερβαίνει το 1% του βάρους του τσιμέντου, αλλά απαγορεύεται σε προεντεταμένο σκυρόδεμα, εκτός αν προηγηθεί πλύση.
6.7.3.4.
Μηχανικές Ιδιότητες
Η θλιπτική αντοχή, η αντοχή σε επιφανειακή φθορά και το μέτρο ελαστικότητας
των αδρανών αποτελούν ιδιότητες που όλες εξαρτώνται από το πορώδες, και είναι, για
τα συνηθισμένα αδρανή, σαφώς ανώτερες από τις αντίστοιχες του σκυροδέματος. Για
παράδειγμα, οι θλιπτικές αντοχές και τα μέτρα ελαστικότητας των περισσότερων συμπαγών ασβεστόλιθων, του χαλαζιακού ψαμμίτη, του γρανίτη, του βασάλτη, του χαλαζίτη κ.τ.λ., κυμαίνονται γύρω στα 150-300 MPa και 60-90 GPa, αντίστοιχα, ενώ μερικοί
ιζηματογενείς ασβεστόλιθοι και ψαμμίτες έχουν μικρότερες αντοχές, της τάξης των 100
MPa και 50 MPa, αντίστοιχα. Η ελάχιστη αντοχή αδρανών για την παρασκευή κοινού
σκυροδέματος στη χώρα μας είναι 65 MPa (Πρότυπο ΕΛΟΤ-408). Επίσης, αδρανή με
αντοχή μεταξύ 45 MPa και 65 MPa ή μικρότερη από 45 MPa μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σκυρόδεμα φέροντος οργανισμού ή για επιχρισμένο οικοδομικό σκυρόδεμα,
αντίστοιχα, όταν ικανοποιούν τις απαιτήσεις αδρανών του Κανονισμού Τεχνολογίας
Σκυροδέματος και εφόσον από τη μελέτη σύνθεσης αποδειχθεί ότι επιτυγχάνεται η
απαιτούμενη αντοχή του σκυροδέματος για το οποίο προορίζονται.
116
Σχετικά με την αντοχή σε επιφανειακή φθορά και κρούση, ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος έχει προδιαγράψει ότι το αποτέλεσμα του ελέγχου σύμφωνα με τη
μέθοδο Los Angeles (Κεφ. 3) δεν πρέπει να υπερβαίνει το 40%. Ως ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα για τον έλεγχο Los Angeles ο παραπάνω Κανονισμός ορίζει τα 30 kg για
γαρμπίλι και τα 40 kg για τα σκύρα.
Εκτός από τις παραπάνω μηχανικές ιδιότητες, τα αδρανή πρέπει να έχουν σταθερότητα όγκου και να μην αποσαρθρώνονται υπό την επίδραση των καιρικών συνθηκών,
να μην παρουσιάζουν δηλαδή έντονες αυξομειώσεις όγκου και/ή απώλεια υλικού λόγω
ύγρανσης, ξήρανσης, ψύξης και απόψυξης. Αδρανή με την παραπάνω ιδιότητα χαρακτηρίζονται ως υγιή. Γενικά, αδρανή με κατανομή πόρων που επιτρέπει την συγκράτηση
μεγάλης ποσότητας υγρασίας αλλά εμποδίζει την εύκολη απομάκρυνσή της ενδέχεται
να μην είναι υγιή. Τονίζεται πάντως ότι το συνολικό πορώδες δεν αποτελεί δείκτη "υγείας", όπως για παράδειγμα στην περίπτωση της κίσσηρης, η οποία μπορεί να απορροφήσει μεγάλες ποσότητες υγρασίας χωρίς πρόβλημα. Η "υγεία" των αδρανών προσδιορίζεται π.χ. βάσει της Αμερικάνικης Προδιαγραφής ASTM C88, κατά την οποία μετράται
η απώλεια υλικού σε πέντε εναλλαγές ύγρανσης-ξήρανσης παρουσία κορεσμένου διαλύματος θειικών η άμμος πρέπει να παρουσιάζει απώλεια μικρότερη από 10% και τα
χονδρότερα αδρανή μικρότερη από 12%. Αν το υλικό δεν καλύπτει τις απαιτήσεις αυτές
τότε μπορεί να ελεγχθεί το παρασκευαζόμενο σκυρόδεμα σε εναλλαγές ψύξης-απόψυξης π.χ. κατά την Αμερικάνικη Προδιαγραφή ASTM C290 και να κριθεί ικανοποιητικό αν
παρουσιάζει συντελεστή ανθεκτικότητας μεγαλύτερο του 80%. Η ελάχιστη απαιτούμενη
ποσότητα για την εξέταση της "υγείας" των αδρανών είναι 10 kg, 20 kg και 30 kg για
άμμο, γαρμπίλι και σκύρα, αντίστοιχα.
6.7.3.5.
Σχήμα, Επιφανειακή Υφή
Το σχήμα και η επιφανειακή υφή των αδρανών επηρεάζουν τις ιδιότητες κυρίως
του νωπού σκυροδέματος και σε μικρότερο βαθμό και του σκληρυμένου. Τα γωνιώδη
και επιμήκη αδρανή με τραχεία επιφάνεια χρειάζονται μεγαλύτερη ποσότητα τσιμεντοπολτού από τα στρογγυλεμένα για την παρασκευή εργάσιμου σκυροδέματος, με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους. Από την άλλη, η αύξηση της πολυγωνικότητας των
κόκκων βελτιώνει τη στήριξη μεταξύ τους και την πρόσφυση με το κονίαμα. Η άποψη
που επικρατεί γενικά είναι ότι τα αδρανή πρέπει να έχουν σφαιρικό ή κυβοειδές σχήμα
με γωνιώδη και τραχειά επιφάνεια. Το Πρότυπο ΕΛΟΤ-408, υιοθετώντας τη σχετική Γερμανική προδιαγραφή, απαιτεί το ποσοστό των κόκκων με λόγο μεγαλύτερης διάστασης
(μήκος) προς μικρότερη (πλάτος) μεγαλύτερο από 3:1 να μην ξεπερνά το 50%.
6.7.3.6.
Κοκκομετρική Διαβάθμιση, Μέγιστος Κόκκος
Τα αδρανή αποτελούνται από κόκκους διαφόρων μεγεθών, με κοκκομετρική διαβάθμιση η οποία έχει μεγάλη σημασία για τη μελέτη σύνθεσης του σκυροδέματος. Καλά
διαβαθμισμένα αδρανή, με διαστάσεις κόκκων που καλύπτουν ολόκληρο το φάσμα, παρουσιάζουν λίγα κενά μεταξύ τους και άρα απαιτούν μικρή ποσότητα τσιμεντοπολτού,
με αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους και την αύξηση της ογκοσταθερότητας του σκυροδέματος. Ακόμα, για δεδομένη ποσότητα νερού στο ανάμιγμα του νωπού σκυροδέματος, καλά διαβαθμισμένα αδρανή βελτιώνουν την εργασιμότητα.
Η κοκκομετρική διαβάθμιση καθορίζεται από ομάδα πρότυπων κόσκινων, που
κατά τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος μπορεί να είναι της Γερμανικής σειράς
(των DIN 4187 και 4188) ή της Αμερικάνικης σειράς (της ASTM Ε11). Τα Γερμανικά και
τα Αμερικάνικα κόσκινα έχουν τετράγωνες βροχίδες και συμβολίζονται, τα μεν Γερμανικά με □..., όπου μετά το □ γράφεται η πλευρά της βροχίδας σε mm, τα δε Αμερικάνικα
Σκυρόδεμα
117
με ..." για ανοίγματα από 9.5 mm και πάνω, όπου πριν το " γράφεται η πλευρά της βροχίδας σε ίντσες, και με Νο... για μικρότερα ανοίγματα, όπου μετά το Νο γράφεται ο αριθμός των βροχίδων ανά ίντσα μήκους. Η Αμερικάνικη σειρά κόσκινων συμπληρώνεται με
το πρώτο κόσκινο της Γερμανικής, δηλαδή αυτό με άνοιγμα 0.25 mm. Τα όρια διαβάθμισης αδρανών, σύμφωνα με τις δύο σειρές κόσκινων δίνονται στους Πίνακες 6.8-6.11.
Η κοκκομετρική διαβάθμιση προσδιορίζεται με βάση την εξής διαδικασία: Από το
ποσοστό (κ.β.) των αδρανών που συγκρατεί κάθε κόσκινο υπολογίζεται το ποσοστό
που περνάει. Κατόπιν σχεδιάζεται η κοκκομετρική καμπύλη σε ημιλογαριθμικό χαρτί, με
τις διαμέτρους των κόσκινων στον οριζόντιο (λογαριθμικό) άξονα και το ποσοστό που
περνάει από κάθε κόσκινο στον κατακόρυφο. Με βάση εμπειρία από τα ντόπια αδρανή,
αλλά και τις προδιαγραφές αρκετών χωρών, ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος
καθόρισε τις υποζώνες των Πινάκων 6.8-6.11 και των διαγραμμάτων στα Σχ. 6.44-6.47,
και όρισε ότι για οπλισμένο σκυρόδεμα η κοκκομετρική καμπύλη πρέπει να βρίσκεται
στην υποζώνη Δ ή και στην υποζώνη Ε για σκυροδέματα κατηγορίας C30/37 ή μικρότερης. Η υποζώνη Ζ του Σχ. 6.44 αφορά στο άοπλο σκυρόδεμα. Τα διαγράμματα των Σχ.
6.44-6.47 δίνονται συναρτήσει του μέγιστου κόκκου, που ορίζεται ως η διάσταση, Dmax,
του μικρότερου κόσκινου μίας σειράς από το οποίο διέρχεται το 95% τουλάχιστον της
ποσότητας του αδρανούς. Γενικά, κοκκομετρικές καμπύλες κάτω από την υποζώνη Δ
αντιστοιχούν σε αρκετά χονδρόκοκκο 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 Κανονισμού Τεχνολογίας Σκυροδέματος 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 Δ, 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 Δ.
Κόσκινα
Ονομασία Άνοιγμα (mm)
□0.25
0.25
□1
1
□2
2
□4
4
□8
8
□ 16
16
□31.5
31.5
Υποζώνη Δ
2-13
10-30
18-40
30-52
45-68
70-87
100
Διερχόμενα %
Υποζώνη Ε Υποζώνη Ζ
13-17
17-23
30-44
44-58
40-55
55-67
52-67
67-76
68-80
80-86
87-93
93-96
100
100
Πίνακας 6.8.α: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος θραυστών
αδρανών μέγιστου κόκκου 31.5 mm για τη σειρά των Γερμανικών κόσκινων.
Κόσκινα
Ονομασία Άνοιγμα (mm)
□0.25
0.25
Νο50
0.3
Νο30
0.6
Νο16
1.18
Νο8
2.36
Νο4
4.75
3/8"
9.5
1/2"
12.5
1"
25.0
1 1/2"
37.5
Υποζώνη Δ
2-13
3-14
6-23
12-32
21-43
33-56
51 - 73
61 -80
95 -100
100
Διερχόμενα %
Υποζώνη Ε Υποζώνη Ζ
13-17
17-23
14-20
20-27
23-34
34-44
32-47
47-60
43-58
58-69
56-70
70-78
73-84
84-89
80-89
89-93
100
100
100
100
Πίνακας 6.8.β: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος θραυστών
αδρανών μέγιστου κόκκου 1" για τη σειρά των Αμερικάνικων κόσκινων.
118
Κόσκινα
Ονομασία Άνοιγμα (mm)
□0.25
0.25
□1
1
□2
2
□4
4
□8
8
□ 16
16
□31.5
31.5
□63
63
Διερχόμενα %
Υποζώνη Δ Υποζώνη Ε
2-11
11-16
6-26
26-39
11-34
34-49
19-42
42-59
30-56
56-71
46-71
71-84
72-90
90-96
100
100
Πίνακας 6.9.α: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος θραυστών
αδρανών μέγιστου κόκκου 63 mm για τη σειρά των Γερμανικών κόσκινων.
Κόσκινα
Ονομασία Άνοιγμα (mm)
□0.25
0.25
Νο50
0.3
Νο30
0.6
Νο16
1.18
Νο8
2.36
Νο4
4.75
3/8"
9.5
1/2"
12.5
3/4"
19.0
1"
25.0
1 1/2"
37.5
2"
50.0
Διερχόμενα %
Υποζώνη Δ Υποζώνη Ε
2-11
11-16
3-13
13-19
4-20
20-30
7-29
29-42
12-36
36-51
21-45
45-62
34-60
60-74
41-66
66-80
51-75
75-87
60-84
84-93
95-100
95-100
100
100
Πίνακας 6.9.β: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος θραυστών
αδρανών μέγιστου κόκκου 1 1/2" για τη σειρά των Αμερικάνικων κοσκίνων.
Κόσκινα
Ονομασία Ανοιγμα (mm)
□0.25
0.25
□1
1
□2
2
□4
4
□8
8
□ 16
16
Διερχόμενα %
Υποζώνη Δ Υποζώνη Ε
2-13
13- 18
12-32
32-49
21 -42
42-62
36-63
63-80
60-85
85-94
100
100
Πίνακας 6.10.α: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος θραυστών
αδρανών μέγιστου κόκκου 31.5 mm για τη σειρά των Γερμανικών κόσκινων.
Κόσκινα
Ονομασία Άνοιγμα (mm)
□0.25
0.25
Νο50
0.3
Νο30
0.6
Νο16
1.18
Νο8
2.36
Νο4
4.75
3/8"
9.5
1/2"
12.5
3/4"
19.0
Διερχόμενα %
Υποζώνη Δ Υποζώνη Ε
2-13
13-18
3-14
14-22
8-23
23-37
14-34
34-52
24-47
47-66
42-68
68-84
70-91
91-97
95-100
100
100
100
Πίνακας 6.10.β: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος θραυστών
αδρανών μέγιστου κόκκου 1/2" για τη σειρά των Αμερικάνικων κόσκινων.
Σκυρόδεμα
Κόσκινα
Ονομασία Άνοιγμα (mm)
□0.25
0.25
□1
1
□2
2
□4
4
□8
8
119
Διερχόμενα %
Υποζώνη Δ Υποζώνη Ε
5-11
11-21
21-42
42-57
36-57
57-71
61-74
74-85
95-100
100
Πίνακας 6.11.α: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος θραυστών
αδρανών μέγιστου κόκκου 63 mm για τη σειρά των Γερμανικών κόσκινων.
Κόσκινα
Ονομασία Άνοιγμα (mm)
□0.25
0.25
Νο50
0.3
Νο30
0.6
Νο16
1.18
Νο8
2.36
Νο4
4.75
3/8"
9.5
Διερχόμενα %
Υποζώνη Δ Υποζώνη Ε
5-11
11-21
7-15
15-26
15-30
30-43
25-45
45-60
42-61
61-74
69-80
80-88
100
100
Πίνακας 6.11.β: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος θραυστών
αδρανών μέγιστου κόκκου 3/8" για τη σειρά των Αμερικάνικων κόσκινων.
Σχ. 6.44: Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου
κόκκου □31.5 ή 1" (Διάγραμμα I).
Η κοκκομετρική διαβάθμιση των αδρανών, όσο καλή και αν είναι, είναι απίθανο να
διατηρηθεί κατά τα στάδια της φόρτωσης, μεταφοράς και ζύγισης πριν την τελική ανάμιξη του σκυροδέματος. Για να εξασφαλίζεται η ομοιογένεια του μίγματος, τα αδρανή
πρέπει να χωρίζονται σε δύο-τρία κλάσματα (τρία για σκυρόδεμα με χαρακτηριστική
αντοχή κύβου fck,cube ≥ 30 MPa) που ζυγίζονται χωριστά και αναμιγνύονται μόνο κατά την
τελική ανάμιξη του σκυροδέματος. Το πρώτο κλάσμα αποτελεί την άμμο, που ορίζεται
ως το υλικό που διέρχεται τουλάχιστον κατά το 95% κ.β. από το κόσκινο □4 ή Νο4 και
100% από το κόσκινο □8 ή 3/8". Για λόγους αντοχής του σκυροδέματος σύμφωνα με
τον Κανονισμό, το ποσοστό άμμου που περνάει από το κόσκινο □0.25 δεν πρέπει να
ξεπερνά το 24% ή το 30% του ξηρού βάρους της άμμου για σκυρόδεμα χαρακτηριστικής αντοχής κύβου fck,cube ≥ 30 MPa ή fck,cube < 30 MPa, αντίστοιχα, για οπλισμένο σκυρόδεμα, ή το 37% του ξηρού βάρους της άμμου για άοπλο σκυρόδεμα χωρίς ειδικές
120
απαιτήσεις (π.χ. στεγανότητας, ανθεκτικότητας σε διάρκεια). Για μέγιστο κόκκο αδρανών 1" ή 31.5 mm και 1 1/2" ή 63 mm απαιτούνται δύο ακόμα χωριστά κλάσματα αδρανών, το γαρμπίλι και τα σκύρα, ενώ για μέγιστο κόκκο 1/2" ή 16 mm και 3/8" ή 8 mm αρκεί ένα μόνο επιπλέον κλάσμα (γαρμπιλιού). Στο δεύτερο κλάσμα (γαρμπίλι ή σκύρα) το
ποσοστό άμμου πρέπει να είναι μικρό, γι' αυτό ο Κανονισμός απαιτεί το ποσοστό του
κλάσματος αυτού που διέρχεται από το □2 ή Νο8 να μην ξεπερνά το 25% του βάρους
του κλάσματος και το ποσοστό που διέρχεται από το □1 ή Νο16 το 2%.
Σχ. 6.45: Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου
κόκκου □63 ή 1 1/2" (Διάγραμμα II).
Σχ. 6.46: Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου
κόκκου □16 ή 1/2" (Διάγραμμα III).
Σκυρόδεμα
121
Σχ. 6.47: Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου
κόκκου □8 ή 3/8" (Διάγραμμα IV).
Οι κατάλληλες αναλογίες των τριών κλασμάτων αδρανών (λ1, λ2 και λ3, για την
άμμο, το γαρμπίλι και τα σκύρα, αντίστοιχα, με λ 1 + λ2 + λ3 = 1) μπορούν να υπολογιστούν με βάση την κοκκομετρική καμπύλη, καταστρώνοντας τόσες εξισώσεις όσες και ο
αριθμός των κόσκινων (σε περίπτωση κλασμάτων με διαφορετικές πυκνότητες οι αναλογίες αναφέρονται σε ποσοστά φαινομένων όγκων). Για παράδειγμα, αν Χ 1, Χ2 και Χ3
είναι τα διερχόμενα ποσοστά των τριών κλασμάτων από το κόσκινο i, τότε το τελικό
διερχόμενο ποσοστό από το κόσκινο αυτό θα είναι λ 1Χ1 + λ2Χ2 + λ3X3. Οι παραπάνω εξισώσεις είναι γενικά περισσότερες από τις ζητούμενες αναλογίες και συνεπώς η επίλυση
στοχεύει στη λύση εκείνη που αντιστοιχεί σε κοκκομετρική καμπύλη η οποία πλησιάζει
όσο περισσότερο γίνεται την δεδομένη. Μαθηματικά αυτό μπορεί να γίνει με τη μέθοδο
των ελαχίστων τετραγώνων, πρακτικά όμως η επίλυση μπορεί να γίνει όπως δείχνει το
παρακάτω παράδειγμα. Ας σημειωθεί ότι η προσέγγιση της κοκκομετρικής καμπύλης
στις μικρότερες διαμέτρους έχει μεγαλύτερη σημασία για τις ιδιότητες του τελικού υλικού.
Ως χαρακτηριστικός δείκτης μίας κοκκομετρικής καμπύλης χρησιμοποιείται συχνά
το εμβαδόν του πάνω (ή του κάτω) από την καμπύλη τμήματος του διαγράμματος, το
οποίο για ανοίγματα κόσκινων που ισαπέχουν πάνω στον οριζόντιο άξονα ισούται με το
άθροισμα των αποστάσεων της κοκκομετρικής καμπύλης από τον πάνω οριζόντιο άξονα. Ειδικά για την άμμο και για τα Αμερικάνικα κόσκινα, ο δείκτης αυτός, δηλαδή το
άθροισμα των ποσοστών χονδρότερων από τη σειρά των Αμερικάνικων κόσκινων, διαιρεμένος διά 100 λέγεται μέτρο λεπτότητας FM (Fineness Modulus), και δίνει προσεγγιστικά τη σειρά από κάτω του κοσκινού που βρίσκεται κοντύτερα στη μέση διάμετρο των
αδρανών (π.χ. FM = 3 σημαίνει ότι η μέση διάμετρος των αδρανών αντιστοιχεί στο 3°
από κάτω κόσκινο των Αμερικάνικων προδιαγραφών, δηλ. στο Ν ο30). Η κοκκομετρική
διαβάθμιση και ο υπολογισμός του μέτρου λεπτότητας μίας άμμου δίνονται στο παράδειγμα του Πίνακα 6.12.
122
Πρότυπο κόσκινο
Αμερικάνικης σειράς
Νο4
Νο8
Νο16
Νο30
Νο50
□0.25
Συγκροτούμενο % Διερχόμενο % % Χονδρότερο
5
30
31
14
12
6
95
65
34
20
8
2
5
35
66
80
92
98
Πίνακας 6.12: Παράδειγμα κοκκομετρικής διαβάθμισης και υπολογισμού μέτρου λεπτότητας άμμου. (Άθροισμα = 3.76, FM= 3.76, μέση διάμετρος περίπου ίση με 1
mm.)
Τέλος, η διάσταση του μέγιστου κόκκου των αδρανών επηρεάζει σε κάποιο βαθμό
το κόστος των υλικών για τη σύνθεση σκυροδέματος δεδομένων απαιτήσεων. Γενικά,
όσο μεγαλύτερος είναι ο μέγιστος κόκκος τόσο μικρότερη είναι η ειδική επιφάνεια των
αδρανών, και άρα τόσο μικρότερη είναι η ποσότητα τσιμεντοπολτού που απαιτείται για
την παρασκευή του σκυροδέματος, με αποτέλεσμα τη μείώση του κόστους. Συχνά
βέβαια ο μέγιστος κόκκος περιορίζεται από κατασκευαστικούς κανόνες, που επιβάλλουν
τη συσχέτισή του με την ελάχιστη διάσταση του δομικού στοιχείου και τις αποστάσεις
των οπλισμών. Ο μέγιστος κόκκος επηρεάζει την αντοχή του σκυροδέματος, όπως περιγράφεται λεπτομερώς στην Ενότητα 6.3.2. Στη χώρα μας, ο μέγιστος κόκκος θραυστών αδρανών είναι περίπου 30 mm.
Αριθμητικό Παράδειγμα Υπολογισμού Αναλογιών Κλασμάτων Αδρανών
Έστω ότι τα διερχόμενα (%) των τριών κλασμάτων αδρανών (άμμος, γαρμπίλι,
σκύρα) από τα διάφορα κόσκινα και η επιθυμητή κοκκομετρική καμπύλη έχουν ως εξής:
Άμμος
□0.25 □1
□2
□4
□8
40
70
78
90
100
□16 □31.5
Γαρμπίλι
0
0
25
60
85
100
Σκύρα
0
0
0
0
5
45
100
Επιθυμητή κοκκομ. καμπύλη
5
10
20
35
50
75
100
Να βρεθούν οι αναλογίες των τριών κλασμάτων αδρανών, έτσι ώστε η κοκκομετρική καμπύλη που προκύπτει να πλησιάζει κατά το δυνατόν την επιθυμητή.
Με βάση τα παραπάνω δεδομένα, καταστρώνονται οι εξής εξισώσεις:
0.40 λ1 =0.05
0.70 λ1 =0.10
0.78 λ10.25 λ 2=0.20
0.90 λ1 0.60 λ2 =0.35
λ1 0.85 λ20.05 λ 3=0.50
λ1 λ2 0.45 λ3=0.75
λ1 λ2 λ3=1
Από τις δύο πρώτες εξισώσεις προκύπτει λ1 = 0.12, λ1 = 0.14. Προσεγγιστικά δεχόμαστε λ1 = 0.13. Από τις δύο επόμενες προκύπτει λ 2 = 0.40, λ2 = 0.38, οπότε δεχόμαστε λ2 = 0.39. Τέλος, με γνωστά τα λ2 και από την τελευταία εξίσωση προκύπτει λ3 =
0.48. Με τις τιμές αυτές, η κοκκομετρική καμπύλη που προκύπτει δίνεται ως εξής:
Κοκκομετρική καμπύλη
6.7.4.
□0.25 □1
□2
□4
□8 □16 □31.5
5
9
20
34
49
74
100
Αποθήκευση, Δειγματοληψία και Έλεγχοι των Αδρανών
Σκυρόδεμα
123
Κατά τη μεταφορά και αποθήκευση των κλασμάτων των αδρανών θα πρέπει να
αποφεύγεται ο διαχωρισμός των κόκκων (όπως π.χ. συμβαίνει όταν αδειάζεται από μεγάλο ύψος ή αναμοχλεύεται χονδρόκοκκο κλάσμα), να μην ανακατεύονται διαφορετικά
κλάσματα (όπως π.χ. συμβαίνει όταν δύο σωροί εφάπτονται χωρίς ενδιάμεσο χώρισμα)
και να αποφεύγεται η ρύπανσή τους από επιβλαβείς προσμίξεις (π.χ. χώμα, λύματα).
Σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, οι δειγματοληψίες των
αδρανών εργοταξιακών σκυροδεμάτων από τους σωρούς για τον έλεγχο της κοκκομετρικής διαβάθμισης πρέπει να γίνονται κάθε 80 m3 άμμου, 40 m3 γαρμπιλιού και 80 m3
σκύρων, με ελάχιστη ποσότητα δείγματος 20 kg για την άμμο, 30 kg για το γαρμπίλι και
40 kg για τα σκύρα. Αν όμως κατά τη διάστρωση μίας ημέρας καταναλίσκονται μεγαλύτερες ποσότητες αδρανών, οι δειγματοληψίες πρέπει να επαναλαμβάνονται στην αρχή
κάθε διάστρωσης. Επίσης οι δειγματοληψίες πρέπει να επαναλαμβάνονται κάθε φορά
που η κάθιση του σκυροδέματος παρουσιάζει ουσιώδη μεταβολή, χωρίς να έχουν μεταβληθεί οι αναλογίες των υλικών. Η ποσότητα κάθε δείγματος πρέπει να συλλέγεται από
10 τουλάχιστον διαφορετικά σημεία της συνολικής ποσότητας του υλικού που ελέγχεται,
αποφεύγοντας το κάτω πέμπτο των σωρών. Αν το δείγμα δεν συμφωνεί με τις απαιτήσεις λαμβάνονται άλλα δύο δείγματα και ελέγχεται ο μέσος όρος των τριών δειγμάτων,
και αν οι προδιαγραφές δεν ικανοποιούνται, απορρίπτεται η συνολική ποσότητα των
αδρανών που ελέγχεται. Ας σημειωθεί ότι σε περίπτωση που η ασυμφωνία περιορίζεται
μόνο στην ομοιομορφία της διαβάθμισης των κλασμάτων, είναι δυνατόν να μην απορριφθεί η ποσότητα των αδρανών, αλλά: (α) να επαναληφθεί η μελέτη σύνθεσης των αδρανών (β) να γίνει λογιστική διόρθωση των αναλογιών της μελέτης σύνθεσης, αν δεν
υπάρχει διαθέσιμος χρόνος για την επανάληψή της και οι αποκλίσεις στη διαβάθμιση
των αδρανών περιορίζονται σε 10% για τα κόσκινα τα μεγαλύτερα των □4 ή Νο4, σε 8%
για τα κόσκινα της άμμου (πλην του □0.25) και σε 5% για το κόσκινο □0.25.
6.8. Πρόσμικτα και Πρόσθετα
Πολλές φορές κατά την ανάμιξη των συστατικών του σκυροδέματος πρςστίθενται
υλικά σε μικρές ποσότητες σχετικά με την ποσότητα τσιμέντου, με σκοπό την τροποποίηση ορισμένων χαρακτηριστικών του όσο αυτό είναι νωπό (π.χ. εργασιμότητα, χρόνος
πήξης) ή ακόμα και μετά τη σκλήρυνση (π.χ. ανάπτυξη αντοχής, ανθεκτικότητα σε διάρκεια). Τα υλικά αυτά ονομάζονται πρόσμικτα. Συχνά επίσης προστίθενται λεπτόκοκκα
ανόργανα υλικά, με στόχο τη βελτίωση ή την επίτευξη συγκεκριμένων ιδιοτήτων. Τα τελευταία ονομάζονται πρόσθετα.
Η ταξινόμηση των πρόσμικτων ή πρόσθετων υλικών ανάλογα με το σκοπό που
εξυπηρετούν είναι αρκετά δύσκολη, διότι πολλά από αυτά επιτελούν πάνω από μία λειτουργίες. Έτσι, τα υλικά αυτά διακρίνονται ανάλογα με τη δράση τους σε χημικά πρόσμικτα που δρούν αμέσως στην επιφάνεια των κόκκων του τσιμέντου, σε χημικά πρόσμικτα
που επηρεάζουν τις αντιδράσεις μεταξύ τσιμέντου και νερού από λίγα λεπτά έως αρκετές ώρες μετά την προσθήκη τους, και σε ορυκτά πρόσθετα, που συνήθως επιδρούν
αμέσως στα ρεολογικά χαρακτηριστικά του νωπού σκυροδέματος αλλά εμφανίζουν χημική δραστηριότητα αρκετές ημέρες ή και μήνες μετά την ανάμιξη των συστατικών του
σκυροδέματος.
Από άποψη προδιαγραφών, λεπτομέρειες για τα πρόσμικτα δίνονται στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 934-2, και για τα πρόσθετα στα Πρότυπα ΕΝ 12620, ΕΝ 12878, ΕΝ
450 και ΕΝ113263.
6.8.1.
Χημικά Πρόσμικτα Επιφανειακής Δράσης
124
Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται τα πρόσμικτα που χρησιμοποιούνται στο
ανάμιγμα του σκυροδέματος για τον εγκλωβισμό αέρα, οπότε λέγονται αερακτικά, ή για
τη μείωση του νερού, οπότε λέγονται ρευστοποιητικά. Γενικά αποτελούνται από μόρια
που περιλαμβάνουν οργανικές αλυσίδες των οποίων το ένα άκρο είναι υδρόφιλο και περιέχει μία ή περισσότερες πολικές ομάδες (π.χ. -COO-, -SO3-, -ΝΗ3+), και το άλλο
υδρόφοβο. Τα χημικά πρόσμικτα επιφανειακής δράσης προσροφώνται στις διεπιφάνειες μεταξύ αέρα και νερού ή νερού και τσιμέντου, με προσανατολισμό μορίων που
καθορίζει αν η δράση τους θα επιφέρει εγκλωβισμό αέρα ή αύξηση της ρευστότητας.
6.8.1.1.
Αερακτικά
Η δράση των αερακτικών συνίσταται στη δημιουργία και κατόπιν εγκλωβισμό φυσαλίδων αέρα διαμέτρου 10-1000 μm στη μάζα του τσιμεντοπολτού. Αυτό οφείλεται στο
ότι οι πολικές ομάδες της διεπιφάνειας αέρα-νερού προσανατολίζονται προς την κατεύθυνση του νερού, μειώνοντας την επιφανειακή τάση και προκαλώντας τη δημιουργία
φυσαλίδων. Ταυτόχρονα, οι πολικές ομάδες στη διεπιφάνεια νερού-τσιμέντου ενώνονται
με τους στερεούς κόκκους του τσιμέντου, ενώ οι ομάδες χωρίς πολικότητα προσανατολίζονται προς την κατεύθυνση του νερού κάνοντας την επιφάνεια του τσιμέντου υδρόφοβη (που σημαίνει ότι μεγάλες δόσεις αερακτικού επιβραδύνουν σημαντικά την ενυδάτωση), έτσι ώστε οι σχηματιζόμενες φυσαλίδες αέρα να μπορούν να εκτοπίσουν το νερό
και να παραμείνουν προσκολημένες στους κόκκους (Lea 1971).
Τα αερακτικά χρησιμοποιούνται κυρίως για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας του
σκυροδέματος σε εναλλαγές ψύξης-απόψυξης μέσω της χρήσης των φυσαλίδων ως
χώρων διαστολής του νερού κατά την πήξη και για την παρασκευή του κυψελωτού σκυροδέματος. Ως δευτερεύουσα δράση τους αναφέρεται και η βελτίωση της εργασιμότητας
λόγω μείωσης της εσωτερικής τριβής μεταξύ των στερεών κόκκων, ιδιαίτερα σε αναμίγματα που περιέχουν αδρανή μεγάλης τραχύτητας. Τα πρόσμικτα που χρησιμοποιούνται
ως αερακτικά προέρχονται συνήθως από άλατα ρητινών του ξύλου, από πετρελαϊκά
οξέα και από ορισμένα συνθετικά απορυπαντικά.
6.8.1.2.
Ρευστοποιητικά
Σε αντίθεση με τα αερακτικά, οι πολικές ομάδες στα ρευστοποιητικά είναι ενωμένες
με πολικές ή υδρόφιλες αλυσίδες. Κατά την ανάμιξη με το νερό και το τσιμέντο, οι πολικές αλυσίδες προσροφώνται στους κόκκους του τσιμέντου μειώνοντας την επιφανειακή
τάση και κάνοντας τους κόκκους υδρόφιλους, με αποτέλεσμα την παρουσία διπόλων νερού ομοιόμορφα γύρω από κάθε κόκκο τσιμέντου και την αποφυγή συσσωματώσεων.
Τα ρευστοποιητικά πρόσμικτα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση της
ρευστότητας χωρίς μεταβολή της αντοχής, για την αύξηση της αντοχής για δεδομένη
ρευστότητα (μειώνοντας το νερό ανάμιξης κατά 5-15%) και για τη μείωση του ποσοστού
τσιμέντου για δεδομένη ρευστότητα και αντοχή. Αυτό καταδεικνύεται στο παράδειγμα
του Πίνακα 6.13 (Hewlett 1978), όπου γίνεται φανερό ότι τα παραπάνω τρία πλεονεκτήματα δεν εμφανίζονται ταυτόχρονα.
Σκυρόδεμα
Τσιμέντο
(kg/m3)
Αναφοράς (χωρίς ρευστοποιητικά) 300
Αυξημένης ρευστότητας*
300
Αυξημένης αντοχής*
300
Με λιγότερο τσιμέντο*
270
Λόγος
Ν/Τ
0.62
0.62
0.56
0.62
Κάθιση
(mm)
50
100
50
50
Αντοχή (Mpa)
7 ημερών 28 ημερών
25
37
26
38
34
46
25.5
37.5
Πίνακας 6.13: Πλεονεκτήματα χρήσης ρευστοποιητικών πρόσμικτων - παράδειγμα.
* Χρησιμοποιήθηκε σταθερή δόση ρευστοποιητικού.
Σκυρόδεμα
125
Τα ρευστοποιητικά προκαλούν συνήθως επιβράδυνση της πήξης, ιδιαίτερα όταν
χρησιμοποιούνται σε μεγαλύτερες ποσότητες απ' ότι χρειάζεται για την αύξηση της ρευστότητας. Έτσι πολλά από αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για τη μείωση του
λόγου Ν/Τ όσο και ως επιβραδυντικά της πήξης. Επίσης συχνά προκαλούν και αύξηση
της αντοχής σε νεαρές ηλικίες, λόγω της πιο ομοιόμορφης διασποράς των κόκκων τσιμέντου. Υλικά που χρησιμοποιούνται ως ρευστοποιητικά είναι ορισμένα άλατα, παράγωγα ενώσεων όπως η λιγνίνη, ορισμένα ανθρακοξυλικά οξέα και οι πολυσακχαρίδες.
6.8.1.3.
Υπερρευστοποιητικά
Τα υπερρευστοποιητικά αποτελούν ειδική κατηγορία χημικών πρόσμικτων επιφανειακής δράσης που αυξάνουν τη ρευστότητα μιγμάτων 3-4 φορές περισσότερο απ' ότι
τα συνηθισμένα ρευστοποιητικά, επιτρέποντας μείωση του νερού ανάμιξης κατά 2025% χωρίς απώλεια ρευστότητας. Χαρακτηριστικό της δομής τους είναι η ύπαρξη μακριών αλυσίδων μεγάλου μοριακού βάρους με πολυάριθμες πολικές ομάδες. Το ισχυρό
αρνητικό φορτίο που επιφέρουν στους κόκκους του τσιμέντου έχει ως αποτέλεσμα τη
σημαντική μείωση της επιφανειακής τάσης του νερού και τη μεγάλη αύξηση της ρευστότητας.
Τα υπερρευστοποιητικά προστίθενται στο ανάμιγμα (επί τόπου στο έργο, διότι η
δράση τους διαρκεί 20-30 λεπτά) σε ποσοστά συνήθως 0.4-0.8% και έως 1.2% κ.β. τσιμέντου, χωρίς να προκαλούν επιβράδυνση της πήξης. Αντίθετα, η εξαιρετική διασπορά
των κόκκων τσιμέντου επιφέρει επιτάχυνση της ενυδάτωσης με αποτέλεσμα την ταχεία
πήξη και σκλήρυνση. Το φαινόμενο αυτό παρεμποδίζεται προσθέτοντας ουσίες λιγνίνης
ή άλλο επιβραδυντικό. Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα της ομοιόμορφης διασποράς των
κόκκων τσιμέντου είναι η αύξηση της αντοχής, με αποτέλεσμα σκυροδέματα με υπερρευστοποιητικά να εμφανίζουν μεγαλύτερες αντοχές από τα αντίστοιχα σκυροδέματα
αναφοράς (χωρίς πρόσμικτα) με τον ίδιο λόγο Ν/Τ. Ενδεικτικό της δράσης των υπερρευστοποιητικών είναι το παράδειγμα του Πίνακα 6.14. Τα υπερρευστοποιητικά αποτελούνται συνήθως από άλατα μελαμίνης ή ενώσεις φορμαλδεΰδης και χρησιμοποιούνται
κυρίως στα σκυροδέματα υψηλής αντοχής.
Σκυρόδεμα
Τσιμέντο Λόγος Κάθιση
(kg/m3)
Ν/Τ
(mm) 1 ημέρ.
Αναφοράς (χωρίς πρόσθετο)
360
0.60
225
10
Αυξημένης αντοχής με 2% κ.β. τσι- 360
0.45
225
20
μέντου υπερευστοποιητικό
Αυξημένης αντοχής χωρίς πρόσθετο 360
0.45
30
16
Αντοχή (MPa)
3 ημερ. 7 ημερ. 28 ημερ.
21
32
45
35
43
55
28
37
52
Πίνακας 6.14: Πλεονεκτήματα χρήσης υπερρευστοποιητικών πρόσμικτων - παράδειγμα.
6.8.2.
Χημικά Πρόσμικτα Ελέγχου της Πήξης
Μία άλλη κατηγορία χημικών πρόσμικτων περιλαμβάνει αυτά που χρησιμοποιούνται ως επιταχυντικά της πήξης, αυτά που χρησιμοποιούνται ως επιβραδυντικά της πήξης και αυτά που ενώ σε μικρές ποσότητες δρουν ως επιταχυντικά, σε μεγαλύτερες ποσότητες δρουν ως επιβραδυντικά.
Η δράση των χημικών πρόσμικτων ελέγχου της πήξης του σκυροδέματος είναι αρκετά περίπλοκη και σχετίζεται κυρίως με τη διάλυση των άνυδρων συστατικών του τσιμέντου και σε πολύ μικρότερο βαθμό με την κρυστάλλωση των ένυδρων. Για να κατανοηθεί αυτό θεωρούμε ότι ο τσιμεντοπολτός αποτελείται από ανιόντα (πυριτικά, αργιλικά) και κατιόντα (ασβεστίου), η διαλυτότητα των οποίων εξαρτάται από τον τύπο και τη
126
συγκέντρωση των όξινων και βασικών ιόντων του διαλύματος τσιμέντου-νερού. Προσθήκη κατάλληλων χημικών πρόσμικτων στο διάλυμα επιδρά στον τύπο και στη συγκέντρωση των ιόντων, επηρεάζοντας έτσι τη διαλυτότητα των συστατικών του τσιμέντου σύμφωνα με τους παρακάτω κανόνες: (α) ένα επιταχυντικά πρόσμικτο θα
πρέπει να ευνοεί τη διάλυση των κατιόντων και ανιόντων του τσιμέντου, ιδιαίτερα αυτών
με τους χαμηλότερους ρυθμούς διάλυσης κατά τα πρώτα στάδια της ενυδάτωσης (π.χ.
πυριτικά ιόντα) (β) ένα επιβραδυντικό πρόσμικτο θα πρέπει να εμποδίζει τη διάλυση
των κατιόντων και ανιόντων του τσιμέντου, ιδιαίτερα αυτών με τους υψηλότερους ρυθμούς διάλυσης κατά τα πρώτα στάδια της ενυδάτωσης (π.χ. αργιλικά ιόντα) (γ) η παρουσία μονοσθενών κατιόντων (π.χ. Κ+, Na+) μειώνει τη διαλυτότητα των ιόντων ασβεστίου (φαινόμενο που επικρατεί για μικρές συγκεντρώσεις), αλλά ευνοεί τη διαλυτότητα
των ιόντων πυριτίου και αργιλίου (φαινόμενο που επικρατεί για μεγάλες συγκεντρώσεις)
και (δ) η παρουσία ορισμένων ανιόντων (π.χ. CI-, ΝΟ3-, SO42-) μειώνει τη διαλυτότητα
των ιόντων πυριτίου και αργιλίου (φαινόμενο που επικρατεί για μικρές συγκεντρώσεις),
αλλά ευνοεί τη διαλυτότητα των ιόντων ασβεστίου (φαινόμενο που επικρατεί για μεγάλες
συγκεντρώσεις).
Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι το αποτέλεσμα της δράσης ενός χημικού
πρόσμικτου καθορίζεται από μία σειρά συμπληρωματικών ή αντίθετων φαινομένων,
που εξαρτώνται από τον τύπο και τη συγκέντρωση των ιόντων που παρέχονται από το
πρόσμικτο στο σύστημα. Έτσι, μικρές συγκεντρώσεις (π.χ. 0.1-0.3% κ.β. τσιμέντου)
αλάτων ασθενών βάσεων και ισχυρών οξέων (π.χ. CaCI2) ή ισχυρών βάσεων και ασθενών οξέων (π.χ. Κ2CO3) έχουν επιβραδυντικό χαρακτήρα, ενώ μεγαλύτερες συγκεντρώσεις (πάνω από 1%) έχουν επιταχυντικά χαρακτήρα. Η γύψος δρα πάντα ως επιβραδυντικό της πήξης ακόμα και σε μεγάλες ποσότητες, αποτελώντας εξαίρεση της
αναστρεψιμότητας του παραπάνω φαινομένου λόγω της μικρής διαλυτότητας στο νερό.
Αντίθετα, χρήση ευδιάλυτων θειικών (π.χ. ημιυδρίτης) σε μεγάλες ποσότητες επιταχύνει
την πήξη και ευνοεί την ανάπτυξη αντοχής σε μικρές ηλικίες.
Όσον αφορά στη δράση οργανικών ενώσεων, οι οποίες παρουσιάζουν ιδιαίτερο
ενδιαφέρον όταν η χρήση CaCI2 δεν επιτρέπεται για λόγους προστασίας των οπλισμών
του σκυροδέματος από διάβρωση, ορισμένα οργανικά οξέα (π.χ. φορμικό οξύ) και τα
ευδιάλυτα άλατά τους δρουν ως επιταχυντικά, ενώ άλλα οργανικά οξέα έχουν επιβραδυντική δράση.
Τέλος, ορισμένες ενώσεις δρουν ως ισχυρά επιβραδυντικά της πήξης του σκυροδέματος με μηχανισμούς που διαφέρουν από αυτούς που περιγράφονται παραπάνω
και σχετίζονται με την καθυστέρηση του σχηματισμού δεσμών μεταξύ των προϊόντων
της ενυδάτωσης (πρόσμικτα επιφανειακής δράσης, όπως είναι οι ενώσεις λιγνίνης), και
με το σχηματισμό αδιάλυτων προϊόντων γύρω από τους κόκκους τσιμέντου.
6.8.2.1.
Επιταχυντικά της Πήξης
Τα επιταχυντικά πρόσμικτα χρησιμοποιούνται συνήθως όταν η σκυροδέτηση γίνεται σε χαμηλές θερμοκρασίες, οπότε η πήξη και σκλήρυνση του τσιμεντοπολτού γίνεται
με αργούς ρυθμούς. Επίσης χρησιμοποιούνται όταν επιδιώκεται γρήγορη απομάκρυνση
των ξυλοτύπων (π.χ. στην προκατασκευή), όταν είναι αναγκαία η ταχεία περάτωση του
έργου ή όταν το στοιχείο πρόκειται να παραλάβει εξωτερικά φορτία σε μικρό χρόνο μετά
τη σκυροδέτηση. Η δράση των επιταχυντικών πρόσμικτων αναπτύχθηκε παραπάνω,
και προσεγγιστικά συνοψίζεται στο ότι διευκολύνουν την ενυδάτωση του αργιλικού
ασβεστίου ή των πυριτικών ενώσεων του τσιμέντου. Αποτέλεσμα της χρήσης τους είναι
η αύξηση της θερμοκρασίας λίγο χρόνο μετά τη σκυροδέτηση, η αύξηση της συστολής
ξήρανσης και σε ορισμένες περιπτώσεις η μείωση της αντοχής του σκυροδέματος, γι'
Σκυρόδεμα
127
αυτό και η χρήση τους πρέπει να γίνεται μόνο όταν αυτό είναι τελείως απαραίτητο.
Αρκετά συνηθισμένο, μέχρι πρότινος, επιταχυντικά της πήξης του σκυροδέματος
ήταν το χλωριούχο ασβέστιο, σε ποσοστά της τάξης του 0.5-2% κ.β., με δράση όπως
περιγράφεται ακολούθως (Ramachandran 1980). To CaCI2 μειώνει τόσο τον αρχικό
όσο και τον τελικό χρόνο πήξης κατά 40-150%, ανάλογα με την χρησιμοποιούμενη ποσότητα, αυξάνοντας παράλληλα την αρχική θλιπτική αντοχή (π.χ. κατά 30-100% στις
πρώτες τρεις ημέρες). Η τελική θλιπτική αντοχή αλλά και οι αντοχές σε εφελκυσμό και
κάμψη μειώνονται από ελάχιστα έως περίπου 15%. Η θερμότητα ενυδάτωσης αυξάνεται
κατά 30% περίπου σε 24 ώρες ενώ η τελική της τιμή παραμένει σχεδόν ίδια με αυτήν
του σκυροδέματος αναφοράς. Η ανθεκτικότητα στην επίδραση θειικών μειώνεται, ενώ
ευνοείται η τυχόν αντίδραση αλκαλίων με αδρανή. Επίσης, δόσεις πάνω από περίπου
1% συχνά οδηγούν σε προβλήματα διάβρωσης του οπλισμού, ενώ σε προεντεταμένα
σκυροδέματα η διάβρωση εμφανίζεται για πολύ μικρότερες δόσεις, οπότε γενικά στο
οπλισμένο και στο προεντεταμένο σκυρόδεμα η χρήση CaCI2 πρέπει να αποφεύγεται. Ο
ερπυσμός και η συστολή ξήρανσης αυξάνονται, και το μέτρο ελαστικότητας παρουσιάζει
αύξηση στις νεαρές ηλικίες ενώ η τελική του τιμή είναι περίπου ίδια με αυτήν του σκυροδέματος αναφοράς. Τέλος βελτιώνεται η ανθεκτικότητα σε παγετό στις αρχικές ηλικίες,
ενώ η τελική μειώνεται, και περιορίζεται η εξίδρωση.
6.8.2.2.
Επιβραδυντικά της Πήξης
Τα επιβραδυντικά πρόσμικτα χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις σκυροδέτησης σε
υψηλές θερμοκρασίες, για τον έλεγχο της πήξης ώστε να αποφεύγονται αρμοί διακοπής, όταν η σκυροδέτηση απαιτεί περισσότερο χρόνο απ' ότι συνήθως (π.χ. σε περιπτώσεις τσιμεντενέσεων ή πασσάλων), όταν απαιτείται αύξηση του χρόνου μεταφοράς
και γενικά όπου απαιτείται επιβράδυνση του ρυθμού ενυδάτωσης, σε ποσοστά της
τάξης του 0.2 - 0.3% κ.β. τσιμέντου. Η δράση τους στηρίζεται στο ότι απομονώνουν τα
αργιλικά άλατα (κυρίως το αργιλικό τριασβέστιο) και καθυστερούν την επαφή τους με το
νερό, και εξαρτάται σημαντικά από τη θερμοκρασία (είναι πιο έντονη σε χαμηλές θερμοκρασίες) και την περιεκτικότητα του τσιμέντου σε αργιλικό τριασβέστιο. Αποτέλεσμα της
χρήσης τους μπορεί να είναι και η αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος, ιδιαίτερα
κατά τις πρώτες ημέρες. Αυτό οφείλεται αφενός στη μείωση του νερού ανάμιξης, αφού
τα επιβραδυντικά συχνά εμφανίζουν και ρευστοποιητικά αποτέλεσμα επειδή αυξάνουν
την περιεκτικότητα του σκυροδέματος σε αέρα, αφετέρου στην αναστολή της ενυδάτωσης των χαμηλής αντοχής αργιλικών ενώσεων του τσιμέντου, με αποτέλεσμα την ενίσχυση της παρουσίας των πυριτικών (Hewlett 1978).
Επιβραδυντικές ιδιότητες εμφανίζουν εκτός από τη γύψο και η ζάχαρη, καθώς και
ευδιάλυτα άλατα ψευδαργύρου. Σημειώνεται πάντως ότι αυξημένες ποσότητες ζάχαρης,
γύρω στο 0.4-1% κ.β. τσιμέντου μπορεί να εμποδίσουν την πήξη και σκλήρυνση του
σκυροδέματος τελείως.
6.8.3.
Ορυκτά Πρόσθετα
Υλικά πυριτικής συνήθως σύστασης, σε μορφή σκόνης, χρησιμοποιούνται αρκετά
συχνά και σε μεγάλες αναλογίες, μεταξύ 10-100% κ.β. τσιμέντου, είτε ως προσμίξεις για
την παρασκευή τσιμέντου, είτε ως πρόσθετα κατά την ανάμιξη των συστατικών του σκυροδέματος, με κύριο σκοπό τη μείωση του κόστους και τη βελτίωση ορισμένων χαρακτηριστικών του σκυροδέματος. Τέτοια υλικά μπορεί να είναι φυσικά, οπότε προέρχονται από απλή σχετικά επεξεργασία φυσικών πρώτων υλών (π.χ. ποζολάνες που προέρχονται από θραύση και κονιορτοποίηση ορισμένων ηφαιστειογενών πετρωμάτων), ή
128
βιομηχανικά παραπροϊόντα που ενδεχομένως υπόκεινται και σε κάποια επεξεργασία
(π.χ. ξήρανση, κονιορτοποίηση). Βασικά στοιχεία για τα υλικά αυτά δίνονται παρακάτω.
6.8.3.1.
Φυσικά Υλικά
Οι φυσικές ποζολάνες προέρχονται κυρίως από κονιορτοποίηση ηφαιστειακών πετρωμάτων και ορυκτών που σχηματίστηκαν από την ταχεία ψύξη του μάγματος. Η ποζολανική ιδιότητα των κονιών αυτών οφείλεται στην αντίδραση των ασταθών αργιλοπυριτικών συστατικών τους με το Ca(OH)2, σχηματίζοντας προϊόντα παρόμοια με αυτά της
ενυδάτωσης του τσιμέντου. Υλικό με ποζολανικές ιδιότητες είναι και η διατομική γη, που
αποτελείται βασικά από άμορφο ένυδρο πυρίτιο προερχόμενο από τους σκελετούς ορισμένων μικροσκοπικών υδρόβιων φυτών.
Ηφαιστειακές γαίες. Ποζολάνες όπως η θηραϊκή γη και η μηλαϊκή γη αποτελούν
χαρακτηριστικά παραδείγματα υλικών της χώρας μας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κυρίως ως πρόσθετα του τσιμέντου για την παρασκευή σκυροδέματος. Μετά την
κονιορτοποίηση των ηφαιστειακών πετρωμάτων, οι κόκκοι είναι συνήθως μικρότεροι
από 45 μm και χαρακτηρίζονται από μεγάλη επιφανειακή τραχύτητα. Ιδιαίτερο τύπο
ηφαιστειακής ποζολάνης αποτελεί ο ορυκτός ζεόλιθος, που χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα συμπαγή μορφή και μεγάλη αντοχή· συναντάται κυρίως σε ορισμένες περιοχές της
Ιταλίας και της Γερμανίας. Τέλος αναφέρεται ότι ποζολανικές ιδιότητες και δομή σχεδόν
ίδια με αυτήν των ηφαιστειακών γαιών μπορεί να αποδοθούν και σε αργιλικά ή σχιστολιθικά ορυκτά (που προέρχονται από αλλαγές στη δομή αργιλοπυριτικών συστατικών
ηφαιστειακών γαιών) μετά από θέρμανση σε 600-900 °C.
Διατομική γη. Η διατομική γη απαντάται κυρίως σε εναποθέσεις στις Η.Π.Α. (Καλιφόρνια), Γερμανία, Δανία, Αλγερία και Καναδά. Κύριο χαρακτηριστικό της ενυδάτωσής
της είναι οι μεγάλες απαιτήσεις σε νερό, που μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα
αντοχής και ανθεκτικότητας σε διάρκεια.
6.8.3.2.
Παραπροϊόντα
Ορισμένα βιομηχανικά παραπροϊόντα με ποζολανικές ιδιότητες χρησιμοποιούνται
σε σημαντικό βαθμό σήμερα ως πρόσθετα, ιδιαίτερα σε βιομηχανικές χώρες όπως οι
Η.Π.Α., η Ρωσία, η Γαλλία, η Γερμανία,, η Ιαπωνία και η Αγγλία, αλλά και σε λιγότερο
βιομηχανικές χώρες όπως η Ελλάδα. Τα σημαντικότερα από αυτά περιγράφονται παρακάτω.
Ιπτάμενη τέφρα. Όπως έχει προαναφερθεί, η ιπτάμενη τέφρα αποτελεί παραπροϊόν της καύσης του λιγνίτη στους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς. Αποτελείται ουσιαστικά
από σφαιρικούς κόκκους αργιλοπυριτικής σύστασης με υαλώδη δομή σε ποσοστό 6085%, κρυσταλλική δομή σε ποσοστό 10-30% και κάποιο μικρό ποσοστό άνθρακα της
τάξης του 5%. Ιπτάμενες τέφρες μικρής περιεκτικότητας σε CaO (< 10%) μοιάζουν να
αποτελούνται από μικρότατα γυάλινα σφαιρίδια, ενώ τέφρες μεγάλης περιεκτικότητας σε
CaO (> 10%), που είναι συνήθεις στη χώρα μας, έχουν χρώμα σκούρο που οφείλεται
στην επικάλυψη της επιφάνειας των σφαιριδίων με θειικά αλκάλια. Η διάμετρος των κόκκων έχει κατανομή από < 1 μm έως 100 μm, με ποσοστό κόκκων κάτω από 20 μm που
υπερβαίνει το 50%. Επισημαίνεται ότι η κατανομή του μεγέθους των κόκκων, η μορφολογία τους και τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας τους παίζουν καθοριστικό ρόλο για τις
απαιτήσεις σε νερό ανάμιξης, την εργασιμότητα και το ρυθμό ανάπτυξης της αντοχής
του σκυροδέματος.
Σκωρία υψικαμίνου. Η κονιορτοποίηση των παραπροϊόντων υψικαμίνων σιδηρομεταλλευμάτων σε μορφή σκωρίας δίνει λεπτότατους κόκκους με δομή που μοιάζει αρ-
Σκυρόδεμα
129
κετά με αυτήν της ιπτάμενης τέφρας. Σήμερα είναι γενικά αποδεκτό ότι κόκκοι σκωρίας
με διάμετρο < 10 μm συνεισφέρουν σημαντικά στην ανάπτυξη αντοχής σε σκυρόδεμα
ηλικίας μέχρι 28 ημερών, ότι κόκκοι διαμέτρου μεταξύ 10 και 45 μm συνεισφέρουν στην
αντοχή σε μεγαλύτερες ηλικίες, ενώ μεγαλύτεροι κόκκοι ενυδατώνονται πολύ δύσκολα.
Πυριτική παιπάλη. Η πυριτική παιπάλη είναι παραπροϊόν της βιομηχανίας πυριτικών μετάλλων και σιδηροπυριτικών κραμάτων, και σχηματίζεται από την οξείδωση και
συμπύκνωση ατμών SiO2 σε μορφή μικρότατων σφαιριδίων με μέση διάμετρο της τάξης
του 0.1 μm, δηλαδή δύο τάξεις μεγέθους μικρότερη από τη διάμετρο των κόκκων
ιπτάμενης τέφρας ή σκωρίας υψικαμίνου. Σε αυτό οφείλεται τόσο η μεγάλη ποζολανικότητα της πυριτικής παιπάλης όσο και οι σχετικά μεγάλες απαιτήσεις σε νερό.
6.8.3.3.
Πλεονεκτήματα Ορυκτών Πρόσθετων
Τα ευεργετικά αποτελέσματα της χρήσης ποζολάνων στο σκυρόδεμα, ορισμένα
από τα οποία έχουν ήδη αναφερθεί σε προηγούμενες ενότητες, περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω.
Λόγω του μικρού μεγέθους των κόκκων τους, ορυκτά πρόσθετα όπως η ιπτάμενη
τέφρα και η σκωρία υψικαμίνου βελτιώνουν συνήθως την εργασιμότητα του νωπού σκυροδέματος, μειώνοντας έτσι τις απαιτήσεις σε νερό. Η βελτίωση της εργασιμότητας δεν
συνοδεύεται από τη δυνατότητα μείωσης του νερού ανάμιξης όταν χρησιμοποιούνται
πρόσθετα μεγάλης ειδικής επιφάνειας, όπως είναι η πυριτική παιπάλη. Ακόμα, τα ορυκτά πρόσθετα μειώνουν γενικά τα ενδεχόμενα διαχωρισμού των συστατικών του σκυροδέματος και εξίδρωσης.
Αποτέλεσμα της καθυστερημένης ενυδάτωσης των ορυκτών πρόσθετων και της
μειωμένης θερμότητας ενυδάτωσης που αντιστοιχεί στην ποζολανική αντίδραση (κατά
50% περίπου έναντι αυτής που εκλύεται κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου Portland) είναι η μείωση της θερμοκρασίας κατά την ενυδάτωση σκυροδέματος με ποζολάνες. Η
μείωση αυτή είναι ουσιαστικά ανάλογη της ποσότητας τσιμέντου που αντικαθιστάται
από πρόσθετα και παίζει καθοριστικό ρόλο στην παρεμπόδιση της μικρορηγμάτωσης
του σκυροδέματος λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών κατά την ενυδάτωση.
Μειώνοντας τη διάμετρο των πόρων του σκυροδέματος και άρα τη διαπερατότητα,
τα ορυκτά πρόσθετα επιφέρουν συχνά βελτίωση της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος
σε διάρκεια. Παρόμοια βελτίωση επέρχεται και με τη μερική αντικατάσταση τσιμέντου
πλούσιου σε αλκάλια με ορυκτά πρόσθετα, γεγονός που μειώνει το ενδεχόμενο αντίδρασης των αλκαλίων με ορισμένα αδρανή. Ακόμα, είναι γενικά αποδεκτό ότι χρήση
ορυκτών πρόσθετων στο σκυρόδεμα βελτιώνει την ανθεκτικότητά του στη δράση όξινου
ή θαλασσινού νερού και νερού με θειικά. Σχετικά με τη δράση θειικών, η χρήση ιπτάμενης τέφρας μικρής περιεκτικότητας σε CaO αυξάνει την ανθεκτικότητα σε διάρκεια, ενώ
το αντίθετο μπορεί να συμβεί στην περίπτωση ιπτάμενης τέφρας μεγάλης περιεκτικότητας σε CaO. Η επίδραση σκωρίας υψικαμίνου στην ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε
θειικά είναι γενικά ευεργετική, εκτός αν η σκωρία είναι πλούσια σε αργίλιο και/ή προστίθεται σε μικρή ποσότητα. Τέλος, οι ποζολάνες μεγάλης δραστικότητας, όπως είναι η πυριτική παιπάλη, επιδρούν ευμενώς στην ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε θειικά και
οξέα.
Η επίδραση των ορυκτών πρόσθετων στην αντοχή του σκυροδέματος εξαρτάται
από την ηλικία και τη λεπτότητα των κόκκων τους. Πρόσθετα μεγάλης δραστικότητας
αυξάνουν την αντοχή τόσο σε μικρές όσο και σε μεγάλες ηλικίες, ενώ τα συνηθισμένα
πρόσθετα (π.χ. ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνου) μειώνουν κάπως την αντοχή σε μικρές ηλικίες αλλά την αυξάνουν σε μεγαλύτερες. Η αύξηση της αντοχής οφείλεται βασι-
130
κά στη μείωση του μεγέθους των πόρων και στην παραγωγή (κατά την ενυδάτωση των
ποζολάνων) τού μεγάλης αντοχής C-S-H. Έτσι η ιδιότητα αυτή έχει οδηγήσει στην
ανάπτυξη σκυροδεμάτων υψηλής αντοχής, που εξετάζονται λεπτομερέστερα στην
Ενότητα 6.13.2.
6.8.4.
Στεγανοποιητικά Πρόσμικτα
Ορισμένα από τα πρόσμικτα ή πρόσθετα που έχουν προαναφερθεί (μόνα τους ή
σε συνδυασμό) ή και άλλα υλικά χρησιμοποιούνται σε αναλογίες 0.5-3% κ.β. τσιμέντου
με σκοπό τη μείωση της διέλευσης του νερού μέσα από το σκυρόδεμα. Η δράση τους
βασικά αποσκοπεί στη μείωση του πορώδους (π.χ. μειώνοντας το λόγο Ν/Τ), στην αποφυγή μεγάλων κοιλοτήτων και ρηγματώσεων (π.χ. βελτιώνοντας την εργασιμότητα και
περιορίζοντας την απόμιξη και τυχόν συστολές) και στη μείωση της συνάφειας ή την
ανάπτυξη υδραπωθητικών δυνάμεων μεταξύ τσιμεντοκονιάματος και νερού. Ως στεγανοποιητικά πρόσμικτα του σκυροδέματος μπορεί να χρησιμοποιηθούν (Οικονόμου
1993): (α) λεπτόκοκκα αδρανή (π.χ. χαλαζίας, μπεντονίτης, ανθρακικό ασβέστιο) που
απλώς γεμίζουν τους πόρους· (β) ανόργανα υλικά (π.χ. θηραϊκή γη, άργιλος, ορυκτά
πυριτικά άλατα) που κατά την ενυδάτωση διογκώνονται και φράζουν τους πόρους· (γ)
αδιάλυτοι σάπωνες σε μορφή σκόνης ή γαλακτώματος (π.χ. στεατικός ψευδάργυρος,
στεατικό ασβέστιο) ή άλλες υδρόφοβες ενώσεις (δ) ρητινικά ή στεατικά άλατα του αμμωνίου σε μορφή πολτού ή γαλακτώματος, με υδραπωθητικές ιδιότητες και (ε) υγροί υδρογονάνθρακες ή ελαιώδη προϊόντα του πετρελαίου σε μορφή γαλακτώματος, που αποσυντίθενται στη μάζα του σκυροδέματος και φράζουν τους πόρους. Η χρήση των στεγανοποιητικών πρέπει να γίνεται με προσοχή, διότι μερικά από αυτά ενδέχεται να
μειώσουν την αντοχή του σκυροδέματος.
6.8.5.
Συμπεράσματα
Η χρήση πρόσμικτων ή πρόσθετων στο σκυρόδεμα έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, ιδιαίτερα σε έργα ειδικών απαιτήσεων και/ή προδιαγραφών. Τόσο η διεθνής όσο και η εγχώρια αγορά είναι σχεδόν κατακλυσμένη από μεγάλη ποικιλία προϊόντων, πολλά από τα οποία όμως διατίθενται με οδηγίες χρήσης από τον παρασκευαστή αλλά χωρίς πολλές λεπτομέρειες σχετικά με τη σύνθεση, τυχόν παρενέργειες κ.τ.λ.,
με αποτέλεσμα η λανθασμένη χρήση τους να έχει οδηγήσει ορισμένες φορές στο παρελθόν σε προβλήματα. Τα προβλήματα συχνά οφείλονται στην "ασυμβατότητα" μεταξύ
ορισμένων πρόσμικτων και του τύπου τσιμέντου που χρησιμοποιείται, ή μεταξύ πρόσμικτων που χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, τα αερακτικά, ορισμένα προϊόντα λιγνίνης και τα υπερρευστοποιητικά είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε αλληλεπιδράσεις
μεταξύ αργιλικών, θειικών και αλκαλικών ιόντων που υπάρχουν κατά τα πρώτα στάδια
της ενυδάτωσης. Επίσης, η ενδεχόμενη απόφραξη ενός κατάλληλου συστήματος
πόρων, λόγω υπερρευστοποιητικών ή πολύ λεπτόκοκκων ορυκτών πρόσθετων, μπορεί
να αποβεί μοιραία για σκυροδέματα με ιδιαίτερες απαιτήσεις αντοχής σε παγετό. Γι'
αυτό και η γνώση των βασικών ιδιοτήτων και των επιδράσεων των πρόσμικτων ή
πρόσθετων στο σκυρόδεμα θεωρείται τελείως απαραίτητη για το μηχανικό.
Ακόμα, τα υλικά αυτά αυξάνουν σε γενικές γραμμές το κόστος του σκυροδέματος,
ενός υλικού που έχει ευρύτατη χρήση στη δόμηση κυρίως λόγω του χαμηλού κόστους,
γι' αυτό και η γενική άποψη σήμερα είναι τα πρόσμικτα ή πρόσθετα να χρησιμοποιούνται μόνο όταν είναι τελείως απαραίτητα. Ας τονιστεί επίσης ότι, γενικά, τα υλικά αυτά
δεν διορθώνουν τυχόν λάθη που οφείλονται σε κακό ποιοτικό έλεγχο και/ή λανθασμένες
αναλογίες σύνθεσης των συστατικών του σκυροδέματος.
Σκυρόδεμα
131
6.9. Το Σκυρόδεμα σε Νεαρή Ηλικία
Όλες οι ενέργειες που αφορούν στο σκυρόδεμα σε νεαρή ηλικία είναι απόλυτα καθοριστικές για την ποιότητά του (π.χ. αντοχή, ανθεκτικότητα σε διάρκεια). Ως νεαρή ηλικία θεωρείται για τα κοινά σκυροδέματα το διάστημα των πρώτων 1-2 ημερών, στο
οποίο το σκυρόδεμα πήζει (σε 6-10 ώρες) και αναπτύσσει ικανοποιητική αντοχή που να
επιτρέπει την απομάκρυνση των ξυλοτύπων.
Γενικά, οι ενέργειες που παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των ιδιοτήτων του
σκυροδέματος είναι η ανάμιξη των συστατικών, η μεταφορά προς το εργοτάξιο και προς
τη θέση διάστρωσης, η διάστρωση, η συμπύκνωση, το τελείωμα, η συντήρηση και η
αφαίρεση των ξυλοτύπων. Σχετικά με τις ενέργειες αυτές είναι ορισμένα χαρακτηριστικά
του σκυροδέματος και φαινόμενα που επηρεάζουν την ποιότητά του. Αυτά είναι η εργασιμότητα, η απώλεια κάθισης, η απόμιξη, η εξίδρωση, η πλαστική συστολή, ο χρόνος
πήξης, οι ακραίες θερμοκρασίες κατά τη διάστρωση και συντήρηση, και η ρηγμάτωση
σε νεαρή ηλικία, τα οποία εξετάζονται στην ενότητα αυτή.
6.9.1.
Ανάμιξη και Μεταφορά
Η ανάμιξη του σκυροδέματος γίνεται μηχανικά με αναμικτήρες (μπετονιέρες) είτε
στο εργοτάξιο, είτε σε εγκαταστάσεις μακριά από αυτό (έτοιμο σκυρόδεμα). Το εργοστασιακό σκυρόδεμα έχει καλύτερο έλεγχο ποιότητας και μικρότερο κόστος από το εργοταξιακό. Η χρήση του διευκολύνει σημαντικά τη σκυροδέτηση, γι' αυτό και σήμερα έχει ουσιαστικά εκτοπίσει το εργοταξιακό.
Η μέτρηση του τσιμέντου, των αδρανών και των τυχών πρόσμικτων ή πρόσθετων
σε στερεή μορφή γίνεται κατά βάρος (σε μικρά έργα τα αδρανή μπορεί να μετρώνται και
κατ' όγκο, αρκεί να επιβεβαιώνεται συχνά η πυκνότητά τους), ενώ το νερό και τα τυχόν
υγρά πρόσμικτα μετρώνται ή κατ' όγκο ή κατά βάρος (το ίδιο ισχύει και για τα ελαφρά
αδρανή στην περίπτωση ελαφορσκυροδέματος). Σύμφωνα με το Πρότυπο ΕΝ 206-1, η
μέτρηση του νερού, του τσιμέντου, των αδρανών και τυχόν πρόσθετων σε ποσοστό
άνω του 5% κ.β. του τσιμέντου πρέπει να γίνεται με ακρίβεια ± 3%, των δε πρόσμικτων
ή πρόσθετων σε ποσοστό ≤ 5% κ.β. τού τσιμέντου με ακρίβεια +5% (ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος είχε προδιαγράψει ακρίβεια ± 2% για το νερό και το τσιμέντο
και ± 3% για τα αδρανή και τυχόν πρόσμικτα ή πρόσθετα).
Για την ανάμιξη του σκυροδέματος προστίθενται στον αναμικτήρα τα χονδρόκοκκο
αδρανή, κατόπιν τα λεπτόκοκκα και μετά το τσιμέντο, και αναμιγνύονται για περίπου 1
min. Ακολουθεί η προσθήκη νερού σε μικρές δόσεις και των τυχόν πρόσμικτων, εκτός
από τα ρευστοποιητικά ή τα υπερρευστοποιητικά (τα οποία καλό είναι να προστεθούν
σε επόμενη φάση, λίγο πριν τη διάστρωση, λόγω της σχετικά μικρής διάρκειας δράσης
τους) και η ανάμιξη συνεχίζεται για τουλάχιστον 1 min. Αν τα ρευστοποιητικά ή υπερρευστοποιητικά πρόσμικτα προστεθούν μετά την κύρια ανάμιξη θα πρέπει να γίνει επανανάμιξη του σκυροδέματος έως ότου επιτευχθεί πλήρης διασκορπισμός του πρόσμικτου στο ανάμιγμα. Στην περίπτωση δε που η επανανάμιξη γίνει σε όχημα-μπετονιέρα,
θα πρέπει να διαρκεί τουλάχιστον 1 min ανά κυβικό σκυροδέματος και όχι λιγότερο από
5 min.
Η μεταφορά του έτοιμου σκυροδέματος στο έργο γίνεται με οχήματα, και, σύμφωνα με τον Κανονισμό CEB-FIP (1990) αλλά και την PCA (1988), πρέπει να διαρκεί το
πολύ 45 λεπτά, αν γίνεται με κοινό φορτηγό (σπανίως), ή το πολύ 90 λεπτά, αν γίνεται
με ειδικό όχημα-μπετονιέρα μέσα σε περιστρεφόμενο κάδο, για να αποφευχθεί η μείωση της ρευστότητας (απώλεια κάθισης). Για ζεστό ή ξηρό καιρό, ή για δυνατό άνεμο, ο
μέγιστος χρόνος μεταφοράς είναι το μισό των παραπάνω τιμών. Εννοείται ότι αν έχει
132
προστεθεί κατά την ανάμιξη του έτοιμου σκυροδέματος ρευστοποιητικά ή υπερρευστοποιητικά, η μεταφορά (και διάστρωση) πρέπει να γίνει όσο διαρκεί η δράση του (σε
χρόνο της τάξης των 20 λεπτών). Ο κάδος του οχήματος-μπετονιέρα πρέπει να περιστρέφεται κατά τη μεταφορά του έτοιμου σκυροδέματος με συχνότητα 2-6 στροφών/λεπτό, για να αποφευχθεί απόμιξη των συστατικών ή πρόωρη πήξη. Σε περίπτωση που η
απόσταση μεταφοράς στο εργοτάξιο είναι μεγάλη ώστε να μην επιτρέπει την τήρηση
των παραπάνω ορίων τα υλικά μπορεί να προστεθούν στις σωστές αναλογίες χωρίς να
αναμιχθούν, η δε ανάμιξη να γίνει κατά την διαδρομή, με συχνότητα 6-18 στροφών/λεπτό. Για την ανάμιξη κατά τη μεταφορά απαιτούνται 50-100 περιστροφές του κάδου
(που επιτρέπεται να γεμίζει μόνο μέχρι το 65% του όγκου του για να αποφευχθεί υπερχείλιση), μετά τις οποίες η συχνότητα μειώνεται στο 1/3 για να αποφευχθεί απόμιξη.
Ακόμα, όταν οι αποστάσεις μεταφοράς είναι πολύ μεγάλες, είναι δυνατή η προσθήκη νερού στο ανάμιγμα κατά τη διαδρομή, ή ακόμα και αφού φθάσει το όχημα στο εργοτάξιο.
6.9.2.
Εργασιμότητα
Κάποια στοιχεία σχετικά με την εργασιμότητα του σκυροδέματος έχουν ήδη αναφερθεί. Ως εργασιμότητα ορίζεται η ιδιότητα εκείνη που καθορίζει την "προσπάθεια" (δηλαδή το έργο) που απαιτείται για τη μεταφορά, διάστρωση, συμπύκνωση και τελείωμα
του σκυροδέματος χωρίς απόμιξη των υλικών. Η εργασιμότητα εξαρτάται βασικά από
την ευκολία ροής, δηλαδή τη ρευστότητα του νωπού σκυροδέματος, και τη συνοχή της
μάζας (την ικανότητα του νωπού σκυροδέματος να συγκρατεί τόσο το νερό όσο και τα
αδρανή σε μία ομοιόμορφη μάζα), δηλαδή τη συνεκτικότητα. Όπως και η ανθεκτικότητα σε διάρκεια, η εργασιμότητα δεν αποτελεί θεμελιώδη ιδιότητα του σκυροδέματος,
αλλά σχετίζεται με τον τύπο της κατασκευής και τις μεθόδους διάστρωσης, συμπύκνωσης και τελειώματος. Για παράδειγμα, σκυρόδεμα που θεωρείται ικανοποιητικής εργασιμότητας για την κατασκευή ενός φράγματος μπορεί να είναι τελείως ακατάλληλο (από
άποψη εργασιμότητας) για την κατασκευή υποστυλωμάτων και δοκών. Τονίζεται ότι η
σημασία της εργασιμότητας στην τεχνολογία του σκυροδέματος είναι τεράστια, αφού είναι γνωστό πλέον ότι σκυροδέματα που διαστρώνονται ή συμπυκνώνονται δύσκολα συνήθως εμφανίζουν προβληματική αντοχή και ανθεκτικότητα σε διάρκεια.
6.9.2.1.
Μέτρηση της Εργασιμότητας
Επειδή η εργασιμότητα εξαρτάται από τις συνθήκες του έργου, είναι αναμενόμενο
ότι κανένας πειραματικός έλεγχος δεν είναι αρκετός από μόνος του για τη μέτρησή της.
Ο πρακτικότερος και πιο συνηθισμένος τρόπος μέτρησης της εργασιμότητας είναι η δοκιμή κάθισης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ιδιαίτερα για αναμίγματα μικρής ρευστότητας,
διεξάγεται η δοκιμή Vebe. Μία άλλη δοκιμή που προσδιορίζει κυρίως την ευκολία συμπύκνωσης του σκυροδέματος είναι η δοκιμή βαθμού συμπύκνωσης, ενώ μερικές φορές εκτελείται και η δοκιμή μέτρου εξάπλωσης, ιδιαίτερα για σκυροδέματα μεγάλης ρευστότητας. Οι παραπάνω πειραματικοί έλεγχοι είναι οι βασικότεροι και αυτοί που προβλέπει το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 206-1, γι' αυτό και παρακάτω δίνεται σύντομη περιγραφή τους. Επισημαίνεται πάντως ότι ο "με το μάτι" ή με ένα απλό μυστρί ή φτυάρι
έλεγχος είναι πολύ σημαντικός και οδηγεί συχνά σε ορθή εκτίμηση της εργασιμότητας,
αρκεί να υπάρχει σχετική εμπειρία.
Η εργασιμότητα του σκυροδέματος πρέπει να ελέγχεται πριν τη διάστρωση, μετά
την αποφόρτωση συγκεκριμένης ποσότητας του αναμίγματος ή του φορτίου του αυτοκινήτου - μπετονιέρα (το 1/3, σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, 0.3
m3, σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 12350-1).
Σκυρόδεμα
133
Δοκιμή κάθισης. Τα μόνα όργανα που χρειάζονται για τη δοκιμή κάθισης είναι
ένας μεταλλικός κόλουρος κώνος (ύψους 300 mm, διαμέτρου βάσης 200 mm και κορυφής 100 mm), μία μεταλλική ράβδος (κυκλικής διατομής, με διάμετρο 16 mm και μήκος
600 mm, με στρογγυλευμένα άκρα) και μία άκαμπτη, επίπεδη, οριζόντια και μη απορροφητική επιφάνεια (Πρότυπα ΕΝ 12350-2, ΕΛΟΤ-521, ASTM C143-78). Ο κώνος γεμίζεται με σκυρόδεμα, που συμπυκνώνεται σε τρεις (περίπου ίσου πάχους) στρώσεις με τη
ράβδο. Κάθε στρώση συμπυκνώνεται με 25 ραβδισμούς ομοιόμορφα κατανεμημένους
στην επιφάνεια του σκυροδέματος. Κατά τη συμπύκνωση της κατώτερης στρώσης είναι
αναγκαίο να δίνεται μικρή κλίση στη ράβδο κατά την έμπηξή της στο σκυρόδεμα της περιμέτρου του κώνου και βαθμιαία να κατακορυφώνεται, καθώς οι κτύποι προχωρούν με
σπειροειδή κίνηση προς το κέντρο. Οι μισοί περίπου ραβδισμοί πρέπει να κατανέμονται
στην περίμετρο. Η ράβδος πρέπει να βυθίζεται σε όλο το ύψος της κατώτερης
στρώσης· στη δεύτερη και τρίτη στρώση πρέπει να βυθίζεται σε όλη τη στρώση και
μόλις που να περνά στην αμέσως κατώτερη. Στην ανώτερη στρώση ο κώνος πρέπει να
γεμίζεται με περίσσεια σκυροδέματος πριν από την έναρξη των ραβδισμών και να συμπληρώνεται κατά τη διάρκεια της συμπύκνωσης έτσι ώστε να υπάρχει πάντοτε περίσσεια. Ύστερα από τη συμπύκνωση της ανώτατης στρώσης με τους 25 ραβδισμούς, το
σκυρόδεμα που πλεονάζει στο πάνω χείλος του κώνου αποκόπτεται και η επιφάνειά του
επιπεδώνεται με παλινδρομικές κινήσεις και κυλίσεις της ράβδου συμπύκνωσης. Στη
συνέχεια καθαρίζεται η περιοχή γύρω από τη βάση του κώνου και ο κώνος προσεκτικά
ανασύρεται κατακόρυφα, μέσα σε 5-10 sec. Όλη η διαδικασία της δοκιμής, από την
έναρξη του γεμίσματος μέχρι την αφαίρεση του κώνου, πρέπει να ολοκληρώνεται σε 2.5
το πολύ λεπτά. Αμέσως μετά την αφαίρεση του κώνου η μάζα του σκυροδέματος "κάθεται" λόγω του βάρους της. Η μείωση του ύψους της μάζας του σκυροδέματος, με προσέγγιση 10 mm, ονομάζεται κάθιση (θα πρέπει να υπολογίζεται ως ο μέσος όρος των
μετρήσεων δύο δοκιμών στο ίδιο δείγμα). Η δοκιμή δείχνεται παραστατικά στο Σχ. 6.48.
Σχ. 6.48: Η δοκιμή κάθισης.
Ας σημειωθεί ότι η δοκιμή θεωρείται αναξιόπιστη όταν η κάθιση του σκυροδέματος
οφείλεται σε διατμητική αστοχία, χαρακτηριστικό της οποίας είναι ο σχηματισμός της
πάνω επιφάνειας του σκυροδέματος σε μορφή διαγώνιου επίπεδου αστοχίας.
Το σκυρόδεμα με μικρή κάθιση (< 40 mm) λέγεται ύφυγρο, ενώ αυτό με μεγάλη
κάθιση (> 160 mm) λέγεται ρευστό. Το ύφυγρο σκυρόδεμα είναι γενικά χαλαρό και χωρίς καλή συμπύκνωση παρουσιάζει κενά, χρησιμοποιείται δε για άοπλα ογκώδη στοιχεία και στην προκατασκευή. Το ρευστό σκυρόδεμα επειδή ρέει πολύ εύκολα ενδέχεται
να υποστεί απόμιξη κατά τη μεταφορά και τη δόνηση, και συμπυκνώνεται με απλό κοπάνισμα, ενώ χρησιμοποιείται για οπλισμένα στοιχεία με μικρές διαστάσεις διατομής και
134
μεγάλη πυκνότητα οπλισμού. Ο μεγαλύτερος όγκος σκυροδεμάτων στην πράξη έχει ενδιάμεση κάθιση, χαρακτηριστικό του πλαστικού σκυροδέματος. Το σκυρόδεμα αυτό ρέει
σχετικά δύσκολα, έχει καλή συνοχή και συμπυκνώνεται με δονητή, χρησιμοποιείται δε
σε στοιχεία συνηθισμένων διαστάσεων με συνηθισμένη πυκνότητα οπλισμού. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι η κάθιση ενός σκυροδέματος C20/25 χωρίς ή με υπερρευστοποιητικό είναι 50-70 mm ή 120-140 mm, αντίστοιχα.
Η δοκιμή κάθισης δίνει γενικά ένα καλό μέτρο της ρευστότητας (και όχι τόσο της
συνεκτικότητας) του νωπού σκυροδέματος, είναι ιδανική για τον γρήγορο και εύκολο
τρόπο ελέγχου της ομοιομορφίας των διαφόρων παρτίδων έτοιμου σκυροδέματος, θεωρείται όμως ακατάλληλη για ύφυγρα ή ρευστά σκυροδέματα. Βέβαια, τα ύφυγρα σκυροδέματα εφαρμόζονται σχεδόν αποκλειστικά σε προκατασκευασμένα στοιχεία, όπου η
συμπύκνωση εξασφαλίζεται με ισχυρούς δονητές, ή σε άοπλα ογκώδη στοιχεία, όπου η
διάστρωση και η συμπύκνωση είναι πολύ εύκολη, οπότε η εργασιμότητα του σκυροδέματος δεν είναι κρίσιμη και έτσι δεν μας ενδιαφέρει ο ακριβής προσδιορισμός της.
Εξάλλου, η ρευστότητα των ρευστών σκυροδεμάτων επιτυγχάνεται γενικά με ρευστοποιητικά και όχι αυξάνοντας την ποσότητα νερού, οπότε δεν μας ενδιαφέρει η κάθιση
ως τρόπος εξακρίβωσης της τελευταίας.
Δοκιμή Vebe. Η συσκευή που χρησιμοποιείται για τη δοκιμή Vebe (το όνομα της
οποίας προήλθε από τα αρχικά του Σουηδού μηχανικού V. Bahrner που την ανέπτυξε)
δίνεται σχηματικά στο Σχ. 6.49.α. Αποτελείται από μία δονητική τράπεζα, ένα κυλινδρικό
δοχείο διαμέτρου 240 mm και ύψους 200 mm, έναν κώνο κάθισης και ένα γυάλινο ή διαφανή πλαστικό δίσκο στερεωμένο σε μία ελεύθερα κινούμενη ράβδο που χρησιμοποιείται ως σημείο αναφοράς. Ο κώνος τοποθετείται μέσα στο κυλινδρικό δοχείο, γεμίζεται
με σκυρόδεμα και κατόπιν αφαιρείται, ενώ η δονητική τράπεζα τίθεται σε κίνηση και το
σκυρόδεμα συμπυκνώνεται παίρνοντας τη μορφή του κυλινδρικού δοχείου. Ο χρόνος,
σε sec, από τη στιγμή της απομάκρυνσης του κώνου και της ταυτόχρονης έναρξης της
δόνησης, μέχρι την πλήρη επιπεδότητα της πάνω επιφάνειας του σκυροδέματος ονομάζεται χρόνος Vebe. Η επιπεδότητα της επιφάνειας του σκυροδέματος διαπιστώνεται
από το διαφανή δίσκο (βάρους 2.75 kg) που τοποθετείται αρχικά στο πάνω μέρος της
επιφάνειας και παρακολουθεί την παραμόρφωση του σκυροδέματος η επιπεδότητα επιτυγχάνεται όταν ο δίσκος καλυφθεί πλήρως από το σκυρόδεμα. Η δοκιμή περιγράφεται
στα Πρότυπα ΕΝ 12350-3 και ΕΛΟΤ-520, ενώ καλύπτεται και από τους κανονισμούς
άλλων χωρών (π.χ. ACI 211.3-75).
Δοκιμή βαθμού συμπύκνωσης. Η δοκιμή συμπύκνωσης αποσκοπεί στη μέτρηση του βαθμού συμπύκνωσης που επιτυγχάνεται όταν το σκυρόδεμα υπόκειται σε δεδομένο έργο. Η μετρούμενη ποσότητα, δηλαδή ο βαθμός συμπύκνωσης, δίνεται από το
λόγο της πυκνότητας του σκυροδέματος στο τέλος της δοκιμής προς την πυκνότητά του
όταν είναι τέλεια συμπυκνωμένο. Η συσκευή της δοκιμής αποτελείται από έναν κύλινδρο, πάνω από τον οποίο ευρίσκονται δύο κολουροκωνικά δοχεία με θυρίδες στη βάση
τους, τοποθετημένα το μεγαλύτερο πάνω από το μικρότερο και σε ορισμένη απόσταση
(Σχ. 6.49.β). Αρχικά, το πάνω δοχείο γεμίζεται πλήρως με σκυρόδεμα χωρίς να γίνει συμπύκνωση, και τυχόν ποσότητα που περισσεύει αφαιρείται με ράβδο ώστε η πάνω επιφάνεια να γίνει επίπεδη. Ανοίγοντας τη θυρίδα, το σκυρόδεμα πέφτει στο αμέσως
επόμενο δοχείο, που ξεχειλίζει, οπότε εξασφαλίζεται μία ποσότητα σκυροδέματος σε δεδομένο βαθμό συμπύκνωσης χωρίς τη μεσολάβηση του ανθρώπινου παράγοντα. Ακολούθως ανοίγει η θυρίδα του δοχείου και το σκυρόδεμα πέφτει στον κύλινδρο, όπου και
πάλι τυχόν ποσότητα που περισσεύει αφαιρείται με ράβδο. Η πυκνότητα του σκυροδέματος στον κύλινδρο προσδιορίζεται διαιρώντας τη μάζα του προς το γνωστό όγκο
του κυλίνδρου, ενώ η πυκνότητα του τέλεια συμπυκνωμένου σκυροδέματος υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ίδιο κύλινδρο και συμπυκνώνοντας το σκυρόδεμα σε τέσσε-
Σκυρόδεμα
135
ρεις στρώσεις. Η δοκιμή περιγράφεται στο Πρότυπο ΕΝ 12350-4, ενώ καλύπτεται και
από τους κανονισμούς άλλων χωρών (π.χ. ACI 211.3-75).
Σχ. 6.49: (α) Συσκευή Vebe, (β) συσκευή δοκιμής μέτρου συμπύκνωσης.
Μία δεύτερη και αρκετά απλούστερη δοκιμή μέτρου συμπύκνωσης συνίσταται
στην πλήρωση δοχείου διαστάσεων βάσης 200x200 mm και ύψους 400 mm με σκυρόδεμα, χωρίς να γίνει συμπύκνωση. Μόλις το δοχείο γεμίσει πλήρως δονείται έως ότου
το σκυρόδεμα συμπυκνωθεί τελείως, και κατόπιν υπολογίζεται ο λόγος του αρχικού
ύψους του δοκιμίου σκυροδέματος (400 mm) προς τον τελικό, που χαρακτηρίζεται ως
βαθμός συμπύκνωσης κατά Walz.
Δοκιμή μέτρου εξάπλωσης. Η δοκιμή αυτή περιλαμβάνει τη χρήση μεταλλικού
κόλουρου κώνου με διάμετρο βάσης 200 mm, διάμετρο κορυφής 130 mm και ύψος 200
mm, που γεμίζεται με σκυρόδεμα σε δύο στρώσεις, κάθε μία από τις οποίες συμπυκνώνεται με ράβδο διατομής 40x40 mm (με 10 ελαφρά κτυπήματα). Το καλούπι με το
σκυρόδεμα βρίσκεται πάνω σε τετραγωνική βάση πλευράς 700 mm και βάρους 16 kg,
την τράπεζα εξάπλωσης, που έχει τη δυνατότητα να πέφτει ελεύθερα κατά ορισμένο
ύψος (40 mm) μεταδίδοντας την κρούση στη μάζα του σκυροδέματος (Σχ. 6.50).
Σχ. 6.50: Τράπεζα εξάπλωσης
Αρχικά επιπεδώνεται η πάνω επιφάνεια του σκυροδέματος και μετά από 30 sec ο
κώνος αφαιρείται αργά, οπότε το σκυρόδεμα εξαπλώνεται. Κατόπιν η τράπεζα ανυψώνεται και αφήνεται να πέσει ελεύθερα 15 φορές (με κάθε κύκλο να διαρκεί περίπου 4
sec), έτσι ώστε να σκυρόδεμα να εξαπλωθεί περαιτέρω. Η μέση τιμή των διαμέτρων της
μάζας του σκυροδέματος, όπως αυτή διαμορφώνεται τελικά, παράλληλα στις πλευρές
της τράπεζας εξάπλωσης, ονομάζεται μέτρο εξάπλωσης. Σημειώνεται πάντως ότι η επι-
136
φάνεια της μάζας του σκυροδέματος πρέπει να είναι ομοιόμορφη και συνεκτική, αλλιώς
η δοκιμή εξάπλωσης θεωρείται ακατάλληλη για το δεδομένο σκυρόδεμα. Λεπτομέρειες
για τη δοκιμή εξάπλωσης δίνονται στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 12350-5.
6.9.2.2.
Παράγοντες που Επηρεάζουν την Εργασιμότητα
Η εργασιμότητα του σκυροδέματος εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι το ποσοστό του νερού, το ποσοστό και η λεπτότητα του τσιμέντου, η μορφή, η διαβάθμιση και το ποσοστό των αδρανών, η παρουσία πρόσμικτων, ο χρόνος, η θερμοκρασία κ.τ.λ. Πολλοί από τους παράγοντες αυτούς έχουν ήδη περιγραφεί σε προηγούμενες ενότητες, ενώ εδώ δίνονται ορισμένα πρόσθετα στοιχεία.
Το ποσοστό νερού αποτελεί τον σημαντικότερο παράγοντα, γιατί μειώνει τις τριβές
μεταξύ των κόκκων. Για δεδομένη ποσότητα νερού, μείωση της περιεκτικότητας σε τσιμέντο δίνει τραχεία αναμίγματα που δημιουργούν προβλήματα στο τελείωμα. Σημαντική
αύξηση της ποσότητας τσιμέντου ή χρήση πολύ λεπτόκοκκου τσιμέντου δίνει αναμίγματα εξαιρετικής ρευστότητας αλλά κολλώδη. Ο ρόλος του μέγιστου κόκκου αδρανών έχει
εξεταστεί λεπτομερώς παραπάνω. Ακόμα, χρήση πολύ λεπτής άμμου ή άμμου γωνιώδους μορφής θα οδηγήσει σε αυξημένες απαιτήσεις νερού για την ίδια ρευστότητα,
ενώ για ποσότητα νερού που θα ήταν ικανοποιητική για χονδρότερη ή στρογγυλόμορφη
άμμο, θα δώσει σκυροδέματα μεγάλης τραχύτητας και μειωμένης εργασιμότητας. Επίσης, ένας μεγάλος σχετικά λόγος χονδρών αδρανών προς λεπτά μπορεί να προκαλέσει
απόμιξη και γενικά αύξηση της τραχύτητας του αναμίγματος και μείωση της εργασιμότητας, ενώ αύξηση του ποσοστού λεπτών αδρανών θα βελτιώσει την εργασιμότητα αλλά
ενδέχεται να δημιουργήσει προβλήματα ανθεκτικότητας σε διάρκεια. Από τα πρόσμικτα
ή τα πρόσθετα, και για δεδομένη ποσότητα νερού, τα αερακτικά βελτιώνουν τη ρευστότητα και αυξάνουν τη συνεκτικότητα μειώνοντας την απόμιξη και την εξίδρωση, ενώ
οι ποζολάνες και τα ρευστοποιητικά αυξάνουν τη ρευστότητα. Τέλος, η εργασιμότητα
μειώνεται γενικά με την αύξηση της θερμοκρασίας και την πάροδο έστω και λίγου
χρόνου μετά την ανάμιξη των συστατικών του σκυροδέματος. Το φαινόμενο που σχετίζεται με την πάροδο του χρόνου ονομάζεται απώλεια κάθισης και περιγράφεται ακολούθως.
Ως απώλεια κάθισης ορίζεται η μείωση της ρευστότητας ενός αναμίγματος λόγω
της απομάκρυνσης του ελεύθερου νερού εξαιτίας των αρχικών αντιδράσεων ενυδάτωσης, της προσρόφησής του στις επιφάνειες των προϊόντων ενυδάτωσης, της απορρόφησής του από τα αδρανή, και της εξάτμισης, σε σύντομο σχετικά χρονικό διάστημα
μετά την ανάμιξη. Οι συνέπειες του φαινομένου συνήθως αντιμετωπίζονται με μικρή αύξηση της ποσότητας του νερού ανάμιξης, ή με προσθήκη επιπλέον νερού λίγο πριν τη
διάστρωση και με επανανάμιξη. Τονίζεται ότι η προσθήκη νερού πρέπει γενικά να αποφεύγεται, ή, αν επιβάλλεται, να γίνεται πάντοτε στα όρια του επιτρεπόμενου λόγου Ν/Τ.
Κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις η απώλεια κάθισης μπορεί να γίνει ασυνήθιστα μεγάλη κατά τα πρώτα 30-60 λεπτά μετά την ανάμιξη, δυσχεραίνοντας έτσι σημαντικά τις εργασίες σκυροδέτησης. Τέτοιες προϋποθέσεις είναι η χρήση τσιμέντου με συστατικά που προκαλούν ταχεία πήξη, η παρατεταμένη ανάμιξη, μεταφορά, διάστρωση
και συμπύκνωση (που πρέπει να αποφεύγονται σε κάθε περίπτωση), η χρήση υπερβολικής δόσης ορισμένων πρόσμικτων, και η σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας του
σκυροδέματος λόγω υψηλής θερμότητας ενυδάτωσης και/ή χρήσης υλικών που έχουν
αποθηκευθεί κάτω από υψηλές θερμοκρασίες.
6.9.3.
Διάστρωση, Συμπύκνωση, Τελείωμα
Σκυρόδεμα
137
Η εκφόρτωση του νωπού σκυροδέματος πρέπει να γίνεται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στη θέση τελικής διάστρωσης. Όταν αυτό δεν είναι δυνατόν, η μεταφορά από
τη μπετονιέρα ή το όχημα μεταφοράς στη θέση διάστρωσης μπορεί να γίνει με αντλίες,
κεκλιμένα επίπεδα και κάδους, σε συνδυασμό με δομικό γερανό, αναβατώρια, ή άλλα
μέσα που δεν προκαλούν απόμιξη. Τα κεκλιμένα επίπεδα (που πρέπει να έχουν κλίση 1
κατακόρυφα προς 2-3 οριζόντια) χρησιμοπούνται για μεταφορά σε μικρή απόσταση και
διάστρωση σε χαμηλότερη στάθμη (π.χ. θεμέλια), εφαρμόζονται δε μόνο για πλαστικά
σκυροδέματα, όπου δεν υπάρχει κίνδυνος απόμιξης. Οι κάδοι, σε συνδυασμό με δομικό
γερανό, χρησιμοποιούνται για μεταφορά σκυροδέματος οποιασδήποτε ρευστότητας
στους ορόφους πολυορόφων κτιρίων. Τα αναβατώρια, που στο παρελθόν ήταν ο κανόνας για σκυροδέτηση ορόφων σε πολυκατοικίες, μπορεί να χρησιμοποιηθούν για μεταφορά καθ1 ύψος ή σε συνδυασμό με καρότσια για οριζόντια μεταφορά. Σήμερα έχουν
εκτοπιστεί σχεδόν ολοκληρωτικά από τις αντλίες.
Οι αντλίες χρησιμοποιούνται ευρύτατα τόσο στην Ελλάδα όσο και διεθνώς για τη
μεταφορά του σκυροδέματος στη θέση διάστρωσης, που μπορεί να απέχει μέχρι 300 m
περίπου σε οριζόντια απόσταση και μέχρι 50 m περίπου σε κατακόρυφη απόσταση από
το όχημα-μπετονιέρα, με απόδοση μέχρι 100 m 3/ώρα. Οι συνηθισμένες αντλίες σε αυτοκίνητο μεταφέρουν το σκυρόδεμα 20 m περίπου οριζόντια ή προς τα πάνω και 8 m περίπου προς τα κάτω. Οι σωλήνες μεταφοράς, που είναι συνήθως μεταλλικοί, πρέπει να
έχουν όσο το δυνατόν μικρότερη διάμετρο ώστε να ελαχιστοποιείται το βάρος του σωλήνα αλλά και του σκυροδέματος που περιέχει.
Περισσότερο κατάλληλο για άντληση είναι το πλαστικό σκυρόδεμα και ακολουθεί
το ρευστό, για το οποίο όμως υπάρχει το ενδεχόμενο απόμιξης. Το ύφυγρο σκυρόδεμα
είναι αντλήσιμο μόνο όταν η συνεκτικότητά του πλησιάζει αυτήν του πλαστικού, αλλιώς
χρειάζεται υπερρευστοποιητικό. Όσον αφορά στα αδρανή, οι στρογγυλοί κόκκοι διευκολύνουν γενικά την άντληση, ενώ η κοκκομετρική διαβάθμιση πρέπει να είναι τέτοια ώστε
τα κενά μεταξύ των αδρανών να είναι το πολύ 30%, και το νωπό σκυρόδεμα να έχει συνοχή. Αυτό, για τα συνηθισμένα Ελληνικά αδρανή (που είναι θραυστά με ανώμαλο σχήμα κόκκων), επιτυγχάνεται αν η κοκκομετρική καμπύλη βρίσκεται κοντά στο όριο των
υποζωνών Δ και Ε, και μάλιστα αν βρίσκεται λίγο πιο πάνω από το όριο αυτό μέχρι το
κόσκινο Π2 και λίγο πιο κάτω πέρα από το κόσκινο αυτό. Ειδικότερα, συνιστάται το
κλάσμα αδρανών από 0-2 mm να είναι τουλάχιστον 37%, αυτό από 2-4 mm να είναι
μέχρι 10%, το από 4-8 mm να είναι το πολύ 8% και το άθροισμα των διερχόμενων ποσοστών στα κόσκινα 4, 8 και 16 mm να είναι μεταξύ 180-200%. Επίσης, ο μέγιστος κόκκος δεν πρέπει να ξεπερνά τα 30 mm. Τέλος, για να εξασφαλιστεί αφενός η συνοχή του
αναμίγματος με πλήρωση των κενών με τσιμεντοπολτό, αφετέρου η ύπαρξη ενός λιπαντικού στρώματος από λεπτόκοκκο υλικό στα τοιχώματα του σωλήνα, συνιστάται να είναι η συνολική ποσότητα πολύ λεπτών υλικών (τσιμέντο συν αδρανή λεπτότερα από
0.25 mm) τουλάχιστον 500 kg/m3 και ο λόγος βάρους νερού προς βάρος πολύ λεπτών
υλικών από 0.33-0.40 (ACI 304.2R-71).
Για διάστρωση κάτω από την επιφάνεια νερού βάθους πάνω από 1 m μπορεί να
χρησιμοποιηθούν κάδοι που αδειάζουν από τον πάτο, κατακόρυφοι σωλήνες διαμέτρου
200-300 mm και αντλίες. Στις δύο τελευταίες περιπτώσεις το άκρο του σωλήνα πρέπει
να είναι βυθισμένο στο ήδη διαστρωμένο σκυρόδεμα, ώστε το νέο σκυρόδεμα να μην
έρχεται σε επαφή με το νερό, αλλά να εκτοπίζει το παλαιό προς τα πλάγια και πάνω. Σε
ορισμένα μικρά σχετικά έργα γεμίζονται υφασμάτινοι σάκκοι με πλαστικό σκυρόδεμα και
τοποθετούνται μέσα στο νερό, συνδεόμενοι μεταξύ τους με την κονία που διαφεύγει από
τις τρύπες του υφάσματος. Για να αποφευχθεί απόπλυση του τσιμέντου, το σκυρόδεμα
δεν συμπυκνώνεται μετά τη διάστρωση, γι' αυτό και ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος (1997) έχει προδιαγράψει μεγαλύτερη ρευστότητα σκυροδέματος (με κάθιση
138
150-200 mm) και χρήση αδρανών με κοκκομετρική καμπύλη κοντά στο μέσο της υποζώνης Δ και μέγιστο κόκκο □31.5 ή 1" (εκτός από την περίπτωση που η διάστρωση γίνεται με σάκκους, οπότε ο μέγιστος κόκκος δεν ενδιαφέρει). Σύμφωνα πάντοτε με τον
ίδιο κανονισμό, η περιεκτικότητα τσιμέντου πρέπει να είναι τουλάχιστον 350 kg/m3 και ο
λόγος Ν/Τ το πολύ 0.6.
Για να αποφευχθεί απόμιξη των συστατικών του σκυροδέματος κατά τη διάστρωση το σκυρόδεμα πρέπει να αδειάζεται σε οριζόντιες στρώσεις του ιδίου περίπου
πάχους (κάθε μία από τις οποίες συμπυκνώνεται επαρκώς προτού διαστρωθεί η επόμενη) ή σε κοντινούς σωρούς. Τονίζεται ότι η διάστρωση σε μεγάλους σωρούς και το
άπλωμα κατόπιν με δονητή προκαλεί απόμιξη. Ακόμα, η διάστρωση πλακών σε δύο
στρώσεις (στάρωμα) πρέπει να αποφεύγεται εφόσον το πάχος δεν υπερβαίνει τα 0.60
m. Επίσης, το ύψος ελεύθερης πτώσης του σκυροδέματος κατά τη διάστρωση πρέπει
να περιορίζεται για μεν τις πλάκες, τις δοκούς και τις στέγες σε 1 m, για δε τα κατακόρυφα στοιχεία (υποστυλώματα, τοιχώματα) σε 2.5 m. Επιπλέον, η διάστρωση του σκυροδέματος σε κατακόρυφα στοιχεία συνιστάται να γίνεται με κατακόρυφο σωλήνα που τροφοδείται στην κορυφή του μέσω χωνιού, καθ' ύψος του στοιχείου. Τέλος, ο ρυθμός
διάστρωσης πρέπει να είναι αρκετά γρήγορος ώστε η τελευταία στρώση να είναι ακόμα
σε πλαστική κατάσταση όταν διαστρώνεται η επόμενη, ώστε να εμποδίζεται ο σχηματισμός επιφανειών αδυναμίας, όπως αυτές που σχηματίζονται όταν γίνεται διάστρωση
νωπού σκυροδέματος σε ήδη σκληρυμένο (αρμοί εργασίας).
Συμπύκνωση ονομάζεται η διαδικασία κατά την οποία το σκυρόδεμα αμέσως
μετά τη διάστρωση υποβάλλεται σε δόνηση (με δονητές) ή (σπανιότερα) σε κοπάνισμα
(π.χ. με ράβδους, πήχεις κ.τ.λ.) ώστε να ελαττωθεί το ποσοστό των πόρων στη μάζα
του και να αποβληθεί ο αέρας που εγκλωβίστηκε κάτω από ράβδους οπλισμού (βελτιώνοντας τη συνάφεια χάλυβα-σκυροδέματος) και μεγάλους κόκκους αδρανών, ή μεταξύ κόκκων και επιφάνειας ξυλοτύπων. Αν ληφθεί υπόψη ότι για κάθε 1% φυσαλίδων
αέρα που εγκλωβίζεται στο σκυρόδεμα έχουμε μείωση της αντοχής κατά περίπου 4-5%,
αντιλαμβανόμαστε ότι η συμπύκνωση αποτελεί ιδιαίτερα σημαντική εργασία για το
νωπό σκυρόδεμα.
Η δόνηση γίνεται σε ύφυγρο ή πλαστικό σκυρόδεμα, ενώ το ρευστό σκυρόδεμα
υποβάλλεται σε κοπάνισμα ή ελαφριά δόνηση (π.χ. με κτύπημα των ξυλοτύπων) ώστε
να αποφευχθεί απόμιξη. Η δόνηση του σκυροδέματος στα έργα γίνεται συνήθως με
εσωτερικούς δονητές (ή δονητές μάζας), ενώ η δόνηση προκατασκευασμένων στοιχείων ή στοιχείων με εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα οπλισμού ή με πολύ μικρές διαστάσεις
γίνεται συνήθως με εξωτερικούς δονητές, που τοποθετούνται στα καλούπια. Η αποτελεσματικότητα των δονητών οφείλεται στη δημιουργία κυμάτων στη μάζα του σκυροδέματος, τα οποία μειώνουν (ή μηδενίζουν) στιγμιαία την εσωτερική τριβή μεταξύ των κόκκων, με αποτέλεσμα να συμπεριφέρεται το σκυρόδεμα στιγμιαία ως ένα πυκνό διάλυμα,
τα πιο πυκνά συστατικά του οποίου (δηλαδή τα αδρανή) καθιζάνουν ενώ ο εγκλωβισμένος αέρας αποβάλλεται (με το σχηματισμό φυσαλίδων που ανέρχονται στην ελεύθερη επιφάνεια), δίνοντας στο νωπό σκυρόδεμα μία πυκνότερη δομή.
Οι εσωτερικοί δονητές αποτελούνται βασικά από μία χαλύβδινη φιάλη μήκους 300500 mm και διαμέτρου 20-170 mm, μέσα στην οποία περιστρέφεται ένα έκκεντρο με συχνότητα 130-250 Hz, προκαλώντας περιστροφική παλμική κίνηση του δονητή σε εύρος
της τάξης των 0.4-0.8 mm. Η περιστροφή του έκκεντρου γίνεται με βενζινοκινητήρα ή κινητήρα πεπιεσμένου αέρα έξω από τη φιάλη (οπότε η μετάδοση της κίνησης από το
σωλήνα στο έκκεντρο γίνεται με εύκαμπτο σωλήνα μήκους 4-6 m), ή με ηλεκτροκινητήρα στο εσωτερικό της φιάλης. Ο δονητής βυθίζεται κατακόρυφα στο σκυρόδεμα, σε
αποστάσεις 1.5 φορά την ακτίνα δράσης του ή περίπου το δεκαπλάσιο της διαμέτρου
Σκυρόδεμα
139
της φιάλης, και αμέσως σχεδόν αφού φθάσει στο προβλεπόμενο βάθος μέσα στο σκυρόδεμα αποσύρεται με ταχύτητα εξόδου ίση περίπου με την ταχύτητα εισόδου (περίπου
50-100 mm/sec). Η συμπύκνωση πρέπει να γίνεται ανά στρώσεις πάχους το πολύ 600
mm, με το δονητή να εισέρχεται κάθε φορά 50 mm περίπου μέσα στην προηγούμενη
στρώση, ώστε να εξασφαλίζεται η συνοχή των στρώσεων (Σχ. 6.51). Η συνεκτικότητα
του σκυροδέματος πρέπει να είναι τέτοια ώστε ο δονητής να βυθίζεται μόνο με το βάρος
του, όταν δε αποσύρεται να κλείνει η τρύπα στο σκυρόδεμα μόνη της. Για σκυρόδεμα
χωρίς πρόσμικτα αυτό επιτυγχάνεται με λόγο Ν/Τ μεταξύ 0.4-0.6. Τέλος, σύμφωνα
πάντα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, η δόνηση σιδηροπλισμού του
οποίου ένα τμήμα είναι ήδη βυθισμένο σε σκυρόδεμα πρέπει να αποφεύγεται, όπως
πρέπει να αποφεύγεται γενικά και η επαναδόνηση του σκυροδέματος, εκτός αν αυτό είναι αρκετά πλαστικό ώστε να βυθίζεται ο δονητής μόνο με το βάρος του.
Σχ. 6.51: Δόνηση με εσωτερικούς δονητές.
Οι εξωτερικοί δονητές έχουν παρόμοια λειτουργία με τους εσωτερικούς, αλλά ταλαντώνονται στα 50-150 Hz. Σπανιότερα, και για μικρά προκατασκευασμένα στοιχεία,
μπορεί να χρησιμοποιηθούν και δονητικές τράπεζες, πάνω στις οποίες τοποθετούνται
τα καλούπια και οι οποίες ταλαντώνονται κατακόρυφα μέσω έκκεντρου σε συχνότητα
25- 120 Hz και με εύρος ταλάντωσης τέτοιο ώστε η επιτάχυνση να φθάνει τα 4-7 g.
Το τελείωμα γίνεται συνήθως σε επίπεδες επιφάνειες (π.χ. πλάκες), και στοχεύει
στην εξομάλυνση και βελτίωση της ποιότητας της επιφάνειας του σκυροδέματος. Συνήθως επιτυγχάνεται με τη χρήση ευθύγραμμης δοκού ορθογωνικής διατομής (π.χ. καδρόνι), που σύρεται στην επιφάνεια και ταυτόχρονα μετακινείται πάνω-κάτω, παρασύροντας έτσι το σκυρόδεμα από περιοχές που περισσεύει προς τυχόν κοιλότητες. Σε ορισμένες περιπτώσεις η επιπεδότητα βελτιώνεται περαιτέρω με "σαρώστρες" που έχουν
επίπεδη επιφάνεια σε επαφή με το σκυρόδεμα. Αυτές χρησιμοποιούνται πριν την άνοδο
του νερού που τυχόν περισσεύει στην επιφάνεια του σκυροδέματος, με σκοπό τη βύθιση αδρανών που προεξέχουν και την πλήρωση μικροκοιλοτήτων. Σε εμφανή δάπεδα με
ιδιαίτερες απαιτήσεις εξομάλυνσης και επιπεδότητας το τελείωμα περιλαμβάνει και ένα
τελικό στάδιο κατά το οποίο η επιφάνεια του σκυροδέματος εξομαλύνεται περαιτέρω και
συμπυκνώνεται με ειδικό μηχάνημα που φέρει επίπεδες ξύλινες ή μεταλλικές λεπίδες
που περιστρέφονται σε επαφή με το σκυρόδεμα εξομαλύνοντας κάθε ατέλεια. Σημειώνεται ότι η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα την άνοδο τσιμεντοπολτού στην
επιφάνεια, γi' αυτό και η εφαρμογή της πρόωρα ή για μεγάλο χρονικό διάστημα μπορεί
να έχει δυσμενείς επιπτώσεις στην αντοχή της επιφάνειας του σκυροδέματος. Τέλος, η
επιφάνεια μπορεί να υποστεί πρόσθετο τελείωμα, ανάλογα με τυχόν απαιτήσεις ανθεκτικότητας σε διάρκεια κ.τ.λ.
140
6.9.4.
Εκτοξευόμενο Σκυρόδεμα
Η διαδικασία διάστρωσης του σκυροδέματος που εξέρχεται με μεγάλη ταχύτητα
από σωλήνα (που καταλήγει σε ακροφύσιο) κάθετα προς σταθερή επιφάνεια ονομάζεται
εκτόξευση. Το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (ή gunite), μετά την κρούση στην επιφάνεια συμπυκνώνεται και δεν ρέει, ακόμα και όταν αυτή είναι κάθετη. Χρησιμοποιείται ευρέως για
την κατασκευή "μανδυών" σε επισκευές κατασκευών από σκυρόδεμα ή φέρουσα τοιχοποιία, σε λεπτότοιχες κατασκευές (π.χ. κελύφη, προεντεταμένες δεξαμενές), στην επικάλυψη των τοιχωμάτων σε σήραγγες, για τη σταθεροποίηση πρανών κ.τ.λ., και διαστρώνεται σε στρώσεις συνολικού πάχους της τάξης των 100 mm. Βασικό του πλεονέκτημα είναι ότι μπορεί να διαστρωθεί ταχύτατα χωρίς την χρήση ξυλοτύπων (π.χ. επισκευές, επικαλύψεις, σταθεροποιήσεις), ενώ ως μειονέκτημα μπορεί να αναφερθεί το
μεγαλύτερο κόστος, λόγω της χρήσης αυξημένης ποσότητας τσιμέντου, αλλά και ότι η
ποιότητά του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δεξιοτεχνία και την εμπειρία του χειριστή του εξοπλισμού εκτόξευσης.
Υπάρχουν δύο μέθοδοι εφαρμογής του εκτοξευόμενου σκυροδέματος. Κατά τη
μέθοδο ξηρής ανάμιξης, τσιμέντο και υγρά αδρανή αναμιγνύονται και τροφοδοτούνται
μέσω ρεύματος πεπιεσμένου αέρα σε σωλήνα, το άκρο του οποίου καταλήγει σε ακροφύσιο. Το σκυρόδεμα τροφοδοτείται με νερό που εισέρχεται υπό πίεση λίγο πριν την
έξοδο από το ακροφύσιο και κατόπιν το ανάμιγμα ελευθερώνεται με μεγάλη ταχύτητα
προς τα έξω. Κατά τη μέθοδο υγρής ανάμιξης, όλα τα συστατικά αναμιγνύονται ταυτόχρονα και οδηγούνται σε δοχείο του συστήματος εκτόξευσης. Από εκεί μεταφέρονται
μέσω αντλίας σε σωλήνα· με ακροφύσιο, λίγο πριν την έξοδο του οποίου τροφοδοτείται
αέρας υπό πίεση ώστε να επιτευχθεί η μεγάλη ταχύτητα εκτόξευσης. Η μέθοδος υγρής
ανάμιξης πλεονεκτεί γενικά έναντι αυτής της ξηρής ανάμιξης γιατί δίνει καλύτερο έλεγχο
της ποσότητας του νερού ανάμιξης (και τυχόν πρόσμικτων, αν χρησιμοποιούνται), αλλά
και επειδή εξασφαλίζει καλύτερες συνθήκες εργασίας λόγω της λιγότερης σκόνης που
παράγεται. Η μέθοδος ξηρής ανάμιξης είναι καταλληλότερη για την εκτόξευση σε μεγάλες αποστάσεις από τη θέση ανάμιξης των υλικών ή για την εκτόξευση ελαφροσκυροδέματος. Πάντως σημειώνεται ότι και οι δύο μέθοδοι μπορούν να δώσουν άριστα αποτελέσματα.
Το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα πρέπει να είναι γενικά χαμηλής ρευστότητας ώστε
μετά την κρούση στην εξωτερική επιφάνεια να συγκρατείται σε οποιαδήποτε θέση, αλλά
ταυτόχρονα και αρκετά υγρό ώστε να συμπυκνώνεται με την κρούση χωρίς σημαντικές
απώλειες λόγω ανάκλασης. Είναι αυτονόητο ότι λόγω της τάσης των χονδρόκοκκων
αδρανών να αναπηδούν μετά την κρούση, κάποια ποσότητα του υλικού σπαταλάται. Η
ποσότητα αυτή, που θεωρείται ακατάλληλη για διάστρωση, είναι μεγαλύτερη στις αρχικές στρώσεις, και σε κατακόρυφες επιφάνειες μπορεί να φθάσει το 50%. Μία από τις
δυσμενείς επιπτώσεις της απώλειας των χονδρότερων αδρανών είναι η ανάπτυξη σημαντικών συστολών ξήρανσης.
Το συνηθισμένο εύρος του λόγου Ν/Τ στο εκτοξευόμενο σκυρόδεμα είναι γύρω
στο 0.35-0.50, ενώ ο μέγιστος κόκκος αδρανών σπανίως ξεπερνά τα 20-25 mm. Επίσης, το ποσοστό χονδρών αδρανών στο ανάμιγμα είναι μικρότερο από το αντίστοιχο
στο κοινό σκυρόδεμα. Τέλος, εξαιτίας του μεγάλου λόγου επιφάνειας προς όγκο η ξήρανση του εκτοξευόμενου σκυροδέματος είναι αρκετά γρήγορη, γι' αυτό η ανάγκη σωστής συντήρησης είναι επιτακτική (ACI 506.3R-82, ACI 506-66).
Στη χώρα μας οι προδιαγραφές για το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (υλικά,
σύνθεση,παραγωγή και μεταφορά, προετοιμασία και εκτόξευση, δειγματοληψίες και
έλεγχοι, κατασκευαστικές λεπτομέρειες) καθορίζονται στο Σχέδιο Προδιαγραφής για το
Εκτοξευόμενο Σκυρόδεμα (2002), έως ότου υιοθετηθούν τα Ευρωπαϊκά Πρότυπα ΕΝ
Σκυρόδεμα
141
14487-1 και ΕΝ 14488-1.
6.9.5.
Συντήρηση, Αφαίρεση Ξυλοτύπων
Όπως έχει προαναφερθεί, με τον όρο συντήρηση εννοούμε τις διαδικασίες που
αποσκοπούν στη διατήρηση του σκυροδέματος, αμέσως μετά την τοποθέτησή του σε
καλούπια, κάτω από συνθήκες ελεγχόμενου χρόνου, υγρασίας και θερμοκρασίας που
ευνοούν την ενυδάτωση. Σκοπός της συντήρησης είναι η προστασία του σκυροδέματος
κατά τα αρχικά στάδια της ενυδάτωσης κυρίως από πρόωρη ξήρανση (π.χ. λόγω ηλιακής ακτινοβολίας, ανέμου κ.τ.λ.), αλλά και από άλλες επιρροές όπως ο παγετός, η
απόπλυση λόγω βροχής ή τρεχούμενου νερού, και τυχόν βλαβερές χημικές ουσίες. Έτσι
η συντήρηση αποσκοπεί βασικά στο να εξασφαλίσει στο σκυρόδεμα το νερό που απαιτείται για την ενυδάτωση, είτε με αναπλήρωση του νερού που εξατμίζεται, είτε με παρεμπόδιση της εξάτμισης. Αυτό επιτυγχάνεται όπως περιγράφεται παρακάτω (Φαρδής
1991, Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997): (α) Με λινάτσες, που αμέσως
μετά το τέλος της διάστρωσης καλύπτουν τις ελεύθερες επιφάνειες του σκυροδέματος
και διατηρούνται υγρές για 7 τουλάχιστον ημέρες. Αυτό μπορεί να γίνει με πλαστικούς
σωλήνες μικρής διαμέτρου που απλώνονται πάνω στις λινάτσες και τις διαβρέχουν με
νερό που ρέει από μικρές τρύπες στο πλάι τους. Αν οι λινάτσες αφαιρεθούν πριν από
14 ημέρες μετά τη διάστρωση, για το διάστημα από 7-14 ημέρες το σκυρόδεμα θα
πρέπει να διαβρέχεται μέχρι κορεσμού της επιφάνειας δύο φορές την ημέρα, για δε το
διάστημα από 14-28 ημέρες μία φορά την ημέρα. Τα παραπάνω ισχύουν και για τις κατακόρυφες επιφάνειες, αφού αφαιρεθούν τα καλούπια. Η μέθοδος είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική, ιδίως το καλοκαίρι, γιατί αφενός διατηρεί το σκυρόδεμα υγρό, αφετέρου το
προφυλάσσει από τον ήλιο. (β) Με πλημμύρισμα οριζόντιων ελεύθερων επιφανειών
(π.χ. πλάκες πατωμάτων, δάπεδα, οδοστρώματα κ.τ.λ.) με νερό βάθους 10-20 mm,
που συγκρατείται με δρομικό μονότουβλο ή με μικρό ανάχωμα από άμμο, χώμα κ.τ.λ.
στο όριο της επιφάνειας, (γ) Με βύθισμα προκατασκευασμένων στοιχείων σε δεξαμενές
νερού, (δ) Με ψεκασμό της ελεύθερης επιφάνειας του σκυροδέματος με περιστροφικούς
ψεκαστήρες συνεχούς λειτουργίας (όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται για πότισμα), (ε)
Με επικάλυψη της ελεύθερης επιφάνειας με πλαστικές μεμβράνες ώστε να παρεμποδίζεται η εξάτμιση του νερού, (στ) Με επάλειψη των ελεύθερων επιφανειών με υγρό που
σχηματίζει λεπτή και αδιαπέρατη από το νερό μεμβράνη, παρεμποδίζοντας την εξάτμιση και προστατεύοντας συγχρόνως το σκυρόδεμα από τον ήλιο. Σημειώνεται ότι για το
νερό συντήρησης ισχύουν οι ίδιες απαιτήσεις με το νερό ανάμιξης (Πρότυπο ΕΛΟΤ345).
Όπως έχει προαναφερθεί, η ενυδάτωση και η σκλήρυνση του σκυροδέματος επιβραδύνονται στις χαμηλές θερμοκρασίες και επιταχύνονται στις υψηλές, γι' αυτό και γενικά οι πλέον κατάλληλες θερμοκρασίες για συντήρηση είναι μεταξύ 15-25 °C. Για σκυροδέτηση σε ακραίες θερμοκρασίες έχουν εφαρμοστεί σε ορισμένες χώρες αρκετά
προηγμένες μέθοδοι συντήρησης, όπως η επικάλυψη του σκυροδέματος με θερμομονωτικά υφάσματα ή η χρήση ηλεκτρικά θερμαινόμενων καλουπιών, για προστασία από
παγετό, και η ψύξη του σκυροδέματος με νερό που ρέει σε σωλήνες που διαπερνούν τη
μάζα του, για προστασία από υψηλές θερμοκρασίες.
Τέλος αναφέρεται ότι σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, η
συντήρηση πρέπει να διαρκεί τουλάχιστον 7 ημέρες, για δε σκυρόδεμα με απαιτήσεις
μεγάλης αντοχής σε επιφανειακή φθορά ή αυξημένης υδατοστεγανότητας ή ανθεκτικότητας σε χημικές ουσίες κ.τ.λ., τουλάχιστον 14.
Η αφαίρεση των ξυλοτύπων (ο όρος εδώ χρησιμοποιείται για όλα τα είδη καλουπιών ανεξαρτήτως υλικού κατασκευής) πρέπει να γίνεται μόνο εφόσον το σκυρόδεμα
142
έχει αποκτήσει αρκετή αντοχή ώστε να φέρει όλα τα φορτία που δρούν κατά την αφαίρεση, καθώς και αυτά που πρόκειται να δράσουν μέχρι την ηλικία των 28 ημερών. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται σε περιπτώσεις όπου σε στοιχεία των οποίων οι ξυλότυποι θα
αφαιρεθούν στηρίζονται αυτοί των υπερκείμενων κατασκευών, ή όταν στις οριζόντιες
επιφάνειες των στοιχείων αυτών προβλέπεται να αποθηκευτούν υλικά. Κατά τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, όταν η εξέλιξη της αντοχής δεν παρακολουθείται με
δοκίμια, οι ξυλότυπρι δεν θα πρέπει να αφαιρούνται πριν από τους χρόνους που δίνο νται στον Πίνακα 6.15 (οι τιμές είναι προσεγγιστικές). Στους παραπάνω χρόνους δεν
προσμετράται το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι
κάτω από 5 °C, ώστε να ληφθεί υπόψη ότι η ενυδάτωση και σκλήρυνση του σκυροδέματος επιβραδύνεται σημαντικά για χαμηλές θερμοκρασίες. Επίσης, όταν μετά από
παρέλευση δύο ή περισσοτέρων ημερών το διαστρωμένο σκυρόδεμα δεν έχει σκληρυνθεί και παραμορφώνεται υπό την πίεση του δακτύλου, εκτός των άλλων μέτρων που πιθανόν θα ληφθούν, ο χρόνος αφαίρεσης των ξυλοτύπων θα πρέπει να επιμηκυνθεί κατά
τις αντίστοιχες ημέρες που παρατηρείται το φαινόμενο αυτό.
Στοιχεία κατασκευής
Πλευρικοί ξυλότυποι δοκών, πλακών, υποστυλωμάτων, τοιχωμάτων
- Ξυλότυποι πλακών και δοκών
- Ξυλότυποι πλακών και δοκών ανοίγματος > 5 m
- Υποστυλώματα ασφαλείας δοκών, και πλακών ανοίγματος > 5 m
Κατηγορία αντοχής τσιμέντου
32.5 Ν 42.5 Ν 42.5 R
32.5 R 52.5 Ν
52.5 R
3
2
2
8
5
4
16
10
8
28
28
22
Πίνακας 6.15: Ελάχιστοι χρόνοι αφαίρεσης ξυλοτύπων (ημέρες).
6.9.6.
Απόμιξη, Εξίδρωση
Ως απόμιξη ορίζεται ο διαχωρισμός των συστατικών του σκυροδέματος λόγω διαφοράς ειδικού βάρους, έτσι ώστε να παύουν να είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένα. Η
απόμιξη μπορεί να εμφανιστεί σε δύο μορφές. Η πρώτη, που συμβαίνει συνήθως σε
σχετικά ξηρά αναμίγματα, χαρακτηρίζεται από διαχωρισμό των χονδρόκοκκων αδρανών
από τη μάζα του σκυροδέματος (π.χ. λόγω υπερβολικής δόνησης, μεγάλης διαδρομής
κατά την άντληση κ.τ.λ.), και η δεύτερη, που συμβαίνει συνήθως σε σχετικά υγρά αναμίγματα, χαρακτηρίζεται από την άνοδο του νερού με τσιμέντο και λεπτή άμμο προς την
επιφάνεια του σκυροδέματος, προκαλώντας το φαινόμενο που λέγεται εξίδρωση.
Χαρακτηριστικό της εξίδρωσης είναι η εμφάνιση στην επιφάνεια του σκυροδέματος νερού που τελικά εξατμίζεται, προκαλώντας έτσι μείωση όγκου του στοιχείου, αλλά
και κάποια αύξηση της αντοχής. Συνήθως όμως το νερό κινείται προς την πάνω επιφάνεια του στοιχείου συμπαρασύροντας τσιμέντο και λεπτότατα αδρανή (λεπτή άμμος,
παιπάλη), με αποτέλεσμα αφενός το ανάμιγμα να γίνεται πτωχότερο σε τσιμέντο, αφετέρου να δημιουργείται στην επιφάνεια αυτή λεπτή στρώση τσιμεντοκονιάματος μεγάλου πορώδους και μικρής αντοχής (λόγω του μεγάλου λόγου Ν/Τ), το οποίο ρηγματώνεται και αποφλοιώνεται σχετικά εύκολα και του οποίου η επιφάνεια μοιάζει με "σκονισμένη". Σε περίπτωση διάστρωσης σε ήδη σκληρυμένο σκυρόδεμα η στρώση αυτή θα
πρέπει να αφαιρείται με μεταλλικές βούρτσες και πλύσιμο (και σπανιότερα με αμμοβολή
ή σιδηροβολή).
Πρόσθετη συνέπεια της εξίδρωσης είναι η παγίδευση νερού και λεπτόκοκκων συστατικών σε θύλακες που σχηματίζονται στις κάτω επιφάνειες χονδρών αδρανών αλλά
και κάτω από τυχόν ράβδους οπλισμού, με αποτέλεσμα το σχηματισμό περιοχών αδυναμίας (μειωμένης αντοχής κ.τ.λ.) και τη μείωση της συνάφειας χάλυβα - σκυροδέματος.
Σκυρόδεμα
143
Ο βαθμός απόμιξης εκτιμάται γενικά μόνο με οπτικό έλεγχο σε πυρήνες σκληρυμένου σκυροδέματος, ενώ ο ρυθμός και η συνολική ποσότητα εξίδρωσης μετρώνται εργαστηριακά βάσει της Προδιαγραφής ASTM C232-71. Σύμφωνα με την προδιαγραφή
αυτή, δείγμα σκυροδέματος διαστρώνεται και συμπυκνώνεται σε κυλινδρικό δοχείο διαμέτρου 250 mm και ύψους 280 mm, και το νερό εξίδρωσης αφαιρείται κάθε 10 λεπτά για
τα πρώτα 40 λεπτά, και κάθε 30 λεπτά ακολούθως. Η εξίδρωση ποσοτικοποιείται διαιρώντας την ποσότητα νερού εξίδρωσης προς την αρχική ποσότητα νερού στο ανάμιγμα.
Καθοριστικοί παράγοντες για τον περιορισμό ή την αποφυγή απόμιξης είναι η χρήση καλά διαβαθμισμένων αδρανών και η προσεκτική μεταφορά, διάστρωση και συμπύκνωση του σκυροδέματος, όπως έχει περιγραφεί παραπάνω. Πρόσθετα μέτρα περιορισμού της απόμιξης περιλαμβάνουν συνήθως τη μικρή αύξηση της ποσότητας του νερού, τη μείωση του μέγιστου κόκκου αδρανών και την αύξηση των λεπτόκοκκων. Η εξίδρωση περιορίζεται αυξάνοντας την ποσότητα τσιμέντου και χρησιμοποιώντας ορυκτά
πρόσθετα ή αερακτικό. Τέλος, η άρση των δυσμενών αποτελεσμάτων της εξίδρωσης
μπορεί να γίνει αποκαθιστώντας την ομοιογένεια του αναμίγματος με αναμόχλευση και
αναδόνηση στην αρχή της πήξης, αρκεί οι ενέργειες αυτές να γίνουν σε τέτοια χρονική
στιγμή που να μην καταστραφεί η κρυσταλλική δομή του τσιμεντοπολτού.
6.9.7.
Αρχικές Μεταβολές Όγκου
Λίγες μόλις ώρες (π.χ. μία έως δύο) μετά τη διάστρωση του σκυροδέματος παρατηρείται μία μείωση του όγκου του, που επειδή συμβαίνει όταν το υλικό είναι ακόμα σε
πλαστική μορφή, ονομάζεται πλαστική συστολή ή συστολή πήξης. Η συστολή αυτή
οφείλεται στην απώλεια νερού λόγω εξάτμισης, εξίδρωσης, απορρόφησης από τους ξυλοτύπους κ.τ.λ., και συχνά έχει ως αποτέλεσμα τη ρηγμάτωση εξωτερικών επιφανειών
(συνήθως σε πλάκες) η συστολή των οποίων παρεμποδίζεται από το σκυρόδεμα στο
εσωτερικό που παραμένει απαραμόρφωτο. Οι ρωγμές λόγω πλαστικής συστολής σε
πλάκες είναι συνήθως παράλληλες μεταξύ τους σε αποστάσεις 0.3-1 m και έχουν βάθος
25-50 mm.
Οι παράγοντες που συντελούν στην πλαστική συστολή είναι η υψηλή θερμοκρασία
του περιβάλλοντος και του σκυροδέματος, η χαμηλή υγρασία και η μεγάλη ταχύτητα
ανέμου. Για να αποφευχθεί η ρηγμάτωση λόγω πλαστικής συστολής θα πρέπει ο ρυθμός εξάτμισης του νερού να μην ξεπερνά το 0.5 kg/m2 περίπου εξωτερικής επιφάνειας
σκυροδέματος για κάθε ώρα. Ο ρυθμός αυτός μπορεί να εκτιμηθεί από τα διαγράμματα
του Σχ. 6.52 (ACI 305.R-77).
Παρόμοιο φαινόμενο με την πλαστική συστολή είναι και αυτό της πλαστικής κάθισης, που χαρακτηρίζεται από μείωση όγκου του σκυροδέματος σε μορφή κάθισης (κυρίως σε επίπεδα στοιχεία, π.χ. πλάκες), και μπορεί να οδηγήσει σε ρηγμάτωση πάνω
από εμπόδια στην ομοιόμορφη κάθιση (π.χ. ράβδοι οπλισμού, μεγάλα αδρανή).
Τα μέτρα περιορισμού της πλαστικής συστολής περιλαμβάνουν διαβροχή των ξυλοτύπων (και των αδρανών, αν είναι ξηρά), προστασία του σκυροδέματος από τον ήλιο
και τον άνεμο (με προσωρινά παραπετάσματα), ελαχιστοποίηση του χρόνου μεταξύ
διάστρωσης και συντήρησης, γενικά σωστή συντήρηση (π.χ. διαβροχή, επικάλυψη με
υγρές λινάτσες, πλημμύρισμα κ.τ.λ.), και αναμόχλευση ή αναδόνηση του σκυροδέματος
ενώ είναι ακόμα σε πλαστική κατάσταση (οπότε βελτιώνεται και η συνάφεια με το χάλυβα και αυξάνεται γενικά η αντοχή λόγω "ανακούφισης" των τάσεων γύρω από τα χονδρά αδρανή). Η ρηγμάτωση λόγω πλαστικής κάθισης μπορεί να εμποδιστεί με περιορισμό της εξίδρωσης, με αύξηση του πάχους επικάλυψης των οπλισμών και με αναδόνη-
144
ση.
Σχ. 6.52: Εκτίμηση ρυθμού εξάτμισης από επιφάνεια σκυροδέματος.
Σκυρόδεμα που συντηρείται με πλημμύρισμα ή πολύ καλή διαβροχή εμφανίζει
διόγκωση, λόγω απορρόφησης του νερού από τον τσιμεντοπολτό, που όμως είναι γενικά μία τάξη μεγέθους μικρότερη από τις συστολές. Εξαίρεση αποτελούν τα ελαφροσκυροδέματα, όπου η διόγκωση μπορεί να φθάσει το 20-80% της συστολής ξήρανσης
μετά από 10 χρόνια.
6.9.8.
Χρόνος Πήξης
Η πήξη του σκυροδέματος, δηλαδή η αρχή της στερεοποίησης, εξαρτάται άμεσα
από αυτήν του τσιμεντοπολτού. Όπως έχει αναφερθεί στην Ενότητα 6.6.3, η πήξη του
τσιμεντοπολτού αποτελεί ένα από τα βασικά φαινόμενα της ενυδάτωσης. Ο χρόνος αρχικής και τελικής πήξης, όπως έχουν ήδη οριστεί, δεν προσδιορίζουν κάποια αλλαγή
στα φυσικο-χημικά χαρακτηριστικά του τσιμεντοπολτού, αλλά απλώς καθορίζουν προσεγγιστικά το όριο πέρα από το οποίο το σκυρόδεμα δεν είναι εργάσιμο (ο χρόνος αρχικής πήξης) και την αρχή ανάπτυξης μηχανικής αντοχής (ο χρόνος τελικής πήξης). Σχετικό είναι το διάγραμμα του Σχ. 6.53 (Mindess and Young 1981).
Η μέτρηση του χρόνου πήξης του σκυροδέματος γίνεται, σύμφωνα με την Αμερικάνικη Προδιαγραφή ASTM C403-77, σε ποσότητα τσιμεντοπολτού που αφαιρείται από
το ανάμιγμα, συμπυκνώνεται σε δοχείο καθορισμένων διαστάσεων και διατρυπάται από
βελόνα σε βάθος 25 mm, ενώ ταυτόχρονα μετράται η αντίσταση στη διείσδυση (σε
MPa). Οι χρόνοι πήξης προσδιορίζονται βάσει της καμπύλης αντίστασης-χρόνου, θεωρώντας τις αντιστάσεις κατά την αρχική και τελική πήξη ίσες με 3.5 MPa και 27.6 MPa,
αντίστοιχα.
Η πήξη του σκυροδέματος επιταχύνεται γενικά με τη χρήση ταχύπηκτων τσιμέντων, με τη μείωση του λόγου Ν/Τ και με την αύξηση της θερμοκρασίας, και καθυστε-
Σκυρόδεμα
145
ρεί με επιβραδυντικά πρόσμικτα. Επισημαίνεται ότι οι χρόνοι πήξης του σκυροδέματος
δεν συμπίπτουν με αυτούς του τσιμεντοπολτού που περιέχει την ίδια ποσότητα τσιμέντου, επειδή διαφέρει ο λόγος Ν/Τ.
Σχ. 6.53: Πήξη και σκλήρυνση του σκυροδέματος.
6.9.9.
Ακραίες θερμοκρασίες
Οι ακραίες θερμοκρασίες στο σκυρόδεμα νεαρής ηλικίας μπορεί να δημιουργήσουν σημαντικά προβλήματα, γι' αυτό τόσο η κατανόηση της δράσης τους όσο και η
γνώση μέτρων αντιμετώπισης είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στο μηχανικό. Ο ρόλος της θερμοκρασίας στην ενυδάτωση και ανάπτυξη αντοχής του σκυροδέματος καταδεικνύεται
από τη συνάρτηση ωρίμανσης, που ορίζεται ως εξής:
t
M t=∫ T 10 dt
0
όπου M(t) είναι ο δείκτης ωρίμανσης (ή ενεργός ηλικία) σκυροδέματος ηλικίας t
(από την ανάμιξη), σε θερμοκρασία Τ. Ο δείκτης Μ(t) δίνει ένα μέτρο της ταχύτητας ενυδάτωσης, που με τη σειρά της συνδέεται με την αντοχή του σκυροδέματος. Έτσι, η παραπάνω εξίσωση δείχνει ότι η ενυδάτωση έχει διπλάσια ταχύτητα στους 30 °C απ' ότι
στους 10 °C, και ότι σταματά στους -10 °C.
Ακόμα, με γνωστή τη σχέση δείκτη ωρίμανσης-αντοχής, ο δείκτης ωρίμανσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την εκτίμηση της αντοχής σκυροδέματος δεδομένης ηλικίας και θερμοκρασίας. Η σχέση ωρίμανσης-αντοχής μπορεί να βρεθεί με βαθμονόμηση
της εξίσωσης σε δοκίμια σκυροδέματος της ίδιας σύνθεσης, αλλά με διαφορετικούς συνδυασμούς χρόνου και θερμοκρασίας. Μία τέτοια σχέση δίνεται στο Σχ. 6.54.β, που προήλθε από βαθμονόμηση του δείκτη ωρίμανσης στα δεδομένα του Σχ. 6.54.α. Ας σημειωθεί πάντως ότι η παραπάνω μέθοδος θα πρέπει να χρησιμοποιείται με επιφυλακτικότητα, διότι αγνοεί παράγοντες όπως η υγρασία συντήρησης, η θερμότητα ενυδάτωσης, η
μεταβλητότητα στη σύνθεση του σκυροδέματος και η θερμοκρασία στα αρχικά στάδια
της συντήρησης.
146
Σχ. 6.54: (α) Επίδραση θερμοκρασίας συντήρησης στην αντοχή σκυροδέματος που για τις πρώτες 24 ώρες συντηρήθηκε στους 10 °C. (β) Σχέση
ωρίμανσης-θλιπτικής αντοχής.
6.9.9.1.
Σκυροδέτηση σε Χαμηλές Θερμοκρασίες
Η ψύξη του νερού ανάμιξης πριν από την πήξη του σκυροδέματος προκαλεί αύξηση όγκου και σταματά τελείως την ενυδάτωση, ενώ τυχόν απόψυξη οδηγεί σε πήξη και
σκλήρυνση στη διογκωμένη μορφή (εκτός αν γίνει έγκαιρη αναδόνηση), με αποτέλεσμα
τη σημαντική αύξηση του πορώδους. Η ψύξη μετά την πήξη του τσιμεντοπολτού, που
συνοδεύεται από διόγκωση, μπορεί να έχει από καταστροφικά έως ασήμαντα αποτελέσματα, ανάλογα με τον αν γίνεται πριν ή μετά από σημαντική ανάπτυξη της αντοχής.
Για να αποφευχθεί λοιπόν η ψύξη του νερού ανάμιξης λίγο μετά τη διάστρωση, φαινόμενο που ονομάζεται παγοπληξία, και επιπλέον, για να μην γίνει σημαντική επιβράδυνση
της ενυδάτωσης, που μπορεί να σταματήσει και τελείως σε θερμοκρασία περιβάλλοντος
γύρω στους -10 °C, ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος απαγορεύει τη σκυροδέτηση σε θερμοκρασίες κάτω από -15 °C, επιβάλλει η σκυροδέτηση κάτω από 0 °C να
γίνεται μόνο με χρήση αερακτικού πρόσμικτου, και ορίζει ότι για θερμοκρασίες περιβάλλοντος κάτω από 5 °C η θερμοκρασία του σκυροδέματος κατά τη διάστρωση και για τις
2-3 επόμενες ημέρες να είναι τουλάχιστον 13 °C, 10 °C και 7 °C, για μέγιστο κόκκο
αδρανών μέχρι 016 ή 1/2" (σκυρόδεμα λεπτών διατομών), □31.5 ή 1" (σκυρόδεμα κανονικών διατομών) και □63 ή 1 1/2" (σκυρόδεμα μεγάλων διατομών, με ελάχιστη διάσταση
400 mm), αντίστοιχα. Επισημαίνεται εδώ και η ευνοϊκή επίδραση της θερμότητας ενυδάτωσης, ιδιαίτερα για μεγάλες διατομές.
Πρόσθετα μέτρα για την αύξηση της θερμοκρασίας του σκυροδέματος που λαμβάνονται σε ορισμένες χώρες με ψυχρά κλίματα περιλαμβάνουν θέρμανση του νερού
ανάμιξης (μέχρι 60 °C περίπου) και σπανιότερα και των αδρανών, μέσω της διέλευσης
θερμού αέρα ή ατμού σε σωλήνες που περνούν από το σωρό των αδρανών (ACI
306.R-78). Πάντως η θερμοκρασία του σκυροδέματος, εφόσον αυτό θερμαίνεται πριν
διαστρωθεί, δεν επιτρέπεται να υπερβαίνει τους 32 °C. Λεπτομερείς οδηγίες για τη σκυροδέτηση σε χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος δίνονται στο Πρότυπο ΕΛΟΤ- 515.
Τέλος αναφέρεται ότι η θερμοκρασία του νωπού σκυροδέματος, Τ, μπορεί είτε να
μετρηθεί με θερμόμετρο είτε να υπολογιστεί προσεγγιστικά από τη σχέση
Σκυρόδεμα
T=
147
0.22T α W αT τ W τ T v W v T α W vα
0.22W α W τ W v W vα
όπου το Τ δηλώνει θερμοκρασία, το W βάρος ανά μονάδα όγκου σκυροδέματος
(σε kg/m3), και οι δείκτες τ, ν και να αναφέρονται σε ξηρά αδρανή, τσιμέντο, νερό ανάμιξης και νερό (υγρασία) αδρανών, αντίστοιχα.
6.9.9.2.
Σκυροδέτηση σε Υψηλές Θερμοκρασίες
Οι υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος αυξάνουν σημαντικά την ταχύτητα ενυδάτωσης επιταχύνοντας την πήξη, με αποτέλεσμα τη μείωση της τελικής αντοχής (λόγω
της ανομοιομορφίας που έχει η δομή του σκληρυμένου τσιμεντοπολτού). Σε συνδυασμό
μάλιστα με χαμηλή σχετική υγρασία και/ή άνεμο μεγάλης ταχύτητας, οι υψηλές θερμοκρασίες αυξάνουν την απώλεια κάθισης, τη ρηγμάτωση λόγω πλαστικής συστολής και
τις απαιτήσεις σε νερό ανάμιξης για δεδομένη ρευστότητα, ενώ δυσχεραίνουν σημαντικά τον εγκλωβισμό του αέρα σε περίπτωση χρήσης αερακτικού.
Θερμοκρασίες περιβάλλοντος πάνω από 32 °C καθιστούν τη διάστρωση, τη συντήρηση αλλά και την ποιότητα του σκυροδέματος ιδιαίτερα προβληματικές, γι' αυτό και
πρέπει να αποφεύγονται. Αν δεν μπορεί να αποφευχθεί η σκυροδέτηση σε υψηλές σχετικά θερμοκρασίες συνιστάται η χρήση επιβραδυντικών πήξης και υπερρευστοποιητικών. Πρόσθετα μέτρα (που λαμβάνονται κυρίως σε χώρες με πολύ θερμά κλίματα) είναι
η χρήση κρύου νερού ανάμιξης ή νερού με κομμάτια πάγου (ACI 305.R-77). Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τις απαιτήσεις για σκυροδέτηση σε υψηλές θερμοκρασίας
δίνονται στο Πρότυπο ΕΛΟΤ-517.
6.9.10. Ρηγμάτωση
Σχ. 6.55: Τυπικές μορφές ρηγμάτωσης σε κατασκευές σκυροδέματος (σχηματικά).
Σε προηγούμενες ενότητες περιγράψαμε ορισμένους τύπους ρηγμάτωσης του
σκυροδέματος λόγω συστολής ξήρανσης, θερμοκρασιακών μεταβολών, διάβρωσης του
οπλισμού, πλαστικής συστολής και πλαστικής κάθισης, που δεν εξαρτώνται από τα
εξωτερικά φορτία. Ένα άλλο φαινόμενο, που μπορεί να εμφανιστεί με μορφή τριχοειδών
ρωγμών μικρού μήκους και πολύ μικρού βάθους (λιγότερο από 1 mm) στην επιφανεια-
148
κή στρώση του σκυροδέματος ονομάζεται "σκάσιμο". Η ρηγμάτωση αυτή συμβαίνει συνήθως όταν η εξωτερική επιφάνεια είναι πλουσιότερη σε νερό από το εσωτερικό, ως
αποτέλεσμα ανεπαρκούς συντήρησης και τελειώματος. Παρουσιάζεται αρκετές εβδομάδες μετά τη σκυροδέτηση και συνήθως πριν από τη ρηγμάτωση λόγω συστολής ξήρανσης, και γίνεται εμφανέστερη όταν η επιφάνεια του σκυροδέματος έχει διαβραχεί.
Μία αρκετά συστηματική ταξινόμηση των κυριότερων τύπων, αιτιών και μέτρων
αποφυγής ρηγμάτωσης δίνεται στον Πίνακα 6.16 (εξαιρώντας τη δράση εξωτερικών
φορτίων), ενώ οι βασικές μορφές ρηγμάτωσης δείχνονται στο Σχ. 6.55 (Concrete
Society of U.K. 1982).
Τύπος Γρά Υποδιαίρωγμής μμα
ρεση
(Σχ.
6.55)
Α
Πλαστική Β
κάθιση
C
D
Πλαστική
συστολή
Ε
F
Πρόωρη
θερμική
συστολή
G
Η
Μακροχρόνια
συστολή I
ξήρανσης
J
Σκάσιμο
Κ
Διάβρωση οπλι-L
σμού
Αντίδραση αδρανών αλ-Μ
καλίων
Συνήθης θέση
Κύριο
αίτιο (εκτός από
παρεμπόδιση
παραμορφώσεων)
Άλλα
αίτια
Μέτρα θεραΧρόνος
πείας
εμφάνισης
(υπόθεση:
αδύνατος ο
επανασχεδιασμός). Μείωση
παρεμπόδισης
σε όλες τις
περιπτώσεις
Πάνω από
Υψηλές διατομές
οπλισμούς
Συνθήκες
Μείωση εξίδρω-10
λεπτά
Επάνω άκρο υποαπότομης
Τοξοειδής
Μεγάλη εξίδρωση
σης (αερακτικό)μέχρι
3
στυλώματος
αρχικής ξήή αναδόνηση ώρες
ρανσης
Αλλαγή
Πλάκες με διαδοκίβάθους
δες
Οδοστρώματα,
Διαγώνια
πλάκες
Απότομη αρχική
Πλάκες
οπλισμ.ξήρανση
Βελτίωση αρχι-30 λεπτά
Τυχαία
Μικρή εξίσκυροδέματος
κής
μέχρι
δρωση
Ομοίως, και οπλισυντήρησης
6 ώρες
Πάνω από Πλάκες
οπλισμ.
σμός κοντά στην
οπλισμούς σκυροδέματος
επιφάνεια
Εξωτερική
Μεγάλη
έκλυση
παρεμπόδι-Παχειά τοιχώματα
θερμότητας
1
ημέρα
ση
Απότομη
Μείωση
θερμέχρι
2-3
Εσωτερική
ψύξη
μότητας, μόνωεβδομάδες
Μεγάλες διαφορές
παρεμπόδι-Παχειές πλάκες
ση
θερμότητας
ση
Λεπτές πλάκες και
Κακοί αρμοί
τοιχώματα
Μείωση
ποΜεγάλη συΜερικές
σότητας νερού,
στολή, κακή
εβδομάδες
βελτίωση
συσυντήρηση
ή μήνες
ντήρησης
Επιφάνεια Όψεις σκυροδέμα-Αδιαπέρατα
Ρευστά ανα1-7 ημέρες,
σε καλούπι τος
καλούπια
μίγματα
Βελτίωση
μπορεί και
συντήρησης
Ελεύθερη
Παρατεταμένη επι-Κακή
πολύ
αρκαι τελειώματος
οριζ. επι-Πλάκες
πέδωση με μυστρί συντήρηση
γότερα
φάνεια
Κακή
Υποστυλώματα,
ποιότητα
Πάνω από
Μικρή επικάλυψη
Εξάλειψη αιτίων
δοκοί
σκυροδέμα2 χρόνια
τος
Υγρές περιοχές
Ενεργά αδρανή,
τσιμέντο πλούσιο
σε αργιλικά
Εξάλειψη αιτίων
Πάνω από
5 χρόνια
Πίνακας 6.16: Ταξινόμηση τύπων ρηγμάτωσης (εξαιρούνται αυτοί λόγω εξωτ. φορτίων).
Σκυρόδεμα
Ιδιότητες
149
Τύπος τσι- Χαρακτημέντου
ριστ.
αδρανών
Τύπος Αναλο- Διάστρω- Τελείωμα Συντήρηση
πρόσμιγίες
ση, συκτου
σύνθε- μπύκνωση
σης
Εργασιμότητα
Ρευστότητα
Μέτρια
Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Συνεκτικότητα
Μέτρια
Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Χρόνος πήξης
Μεγάλη
Οχι ή αμελ. Μεγάλη
Μέτρια
Αντοχή
Αρχική
Μεγάλη
Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Μεγάλη
Τελική
Όχι ή αμελ. Όχι ή αμελ. Μέτρια
Μεγάλη
Διαπερατότητα
Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Συστολή
Πλαστική
Όχι ή αμελ. Όχι ή αμελ. Όχι ή αμελ. Μέτρια
Ξήρανσης
Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Μέτρια
Μεγάλη
Θερμική
Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Εξωτερική εμφάνιση
Όχι ή αμελ. Όχι ή αμελ. Όχι ή αμελ. Μέτρια
Ανθεκτικότητα σε παγετό Όχι ή αμελ. Μέτρια
Μεγάλη
Μεγάλη
Ανθεκτικότητα σε φθορά Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Συντ. θερμ. διαστολής Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Όχι ή αμελ. Όχι ή αμελ.
Μέτρια
Όχι ή αμελ.
Όχι ή αμελ. Όχι ή αμελ.
Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Όχι ή αμελ. Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Μέτρια
Όχι ή αμελ.
Όχι ή αμελ.
Μεγάλη
Μέτρια
Μεγάλη
Όχι ή αμελ.
Όχι ή αμελ.
Όχι ή αμελ.
Μέτρια
Μεγάλη
Μέτρια
Μέτρια
Όχι ή αμελ.
Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Μεγάλη
Μέτρια
Μεγάλη
Όχι ή αμελ.
Πίνακας 6.17: Επίδραση διαφόρων παραγόντων στις ιδιότητες του σκυροδέματος.
6.9.11. Ανακεφαλαίωση
Στην ενότητα αυτή έγινε μία προσπάθεια να τονιστεί ότι οι ενέργειες που αφορούν
στο σκυρόδεμα σε νεαρή ηλικία (από τη μεταφορά μέχρι και τη συντήρηση) είναι απόλυτα καθοριστικές για τις ιδιότητες του υλικού. Αντίστοιχες παρατηρήσεις δόθηκαν σε
προηγούμενες ενότητες και για την επίδραση των συστατικών του σκυροδέματος. Όλοι
αυτοί οι βασικοί παράγοντες και ιδιαίτερα η δράση τους ταξινομούνται κάπως ποιοτικά
(και όχι με μεγάλη ακρίβεια) στον Πίνακα 6.17 (Mehta and Monteiro 1993).
6.10. Ταξινόμηση, Απαιτήσεις, Προδιαγραφές και Συμμόρφωση
6.10.1. Ταξινόμηση
Με βάση το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 206-1, το σκυρόδεμα κατατάσσεται σε
διάφορες κατηγορίες, ανάλογα με: (α) τις συνθήκες έκθεσης σε εξωτερικό περιβάλλον,
(β) τα χαρακτηριστικά εργασιμότητας και (γ) την αντοχή. Η ταξινόμηση με βάση τη
δράση του περιβάλλοντος δίνεται στον Πίνακα 6.17, σε συνδυασμό με τον Πίνακα 6.19.
Με βάση την εργασιμότητα, η οποία μπορεί να ποσοτικοποιείται μέσω δοκιμής κάθισης,
Vebe, συμπύκνωσης ή εξάπλωσης, όπως αυτές περιγράφονται παραπάνω, η κατάταξη
(του νωπού σκυροδέματος) σε μία από τις αντίστοιχες κατηγορίες γίνεται βάσει των Πινάκων 6.20-6.24. Τέλος, με βάση τη χαρακτηριστική τιμή της συμβατικής αντοχής κυλίνδρου 150x300 mm ή κύβου 150 mm, η ταξινόμηση γίνεται σε μία από τις εξής κατηγορίες αντοχής: C8/10, C12/15, C16/20, C20/25, C25/30, C30/37, C35/45, C40/50, C45/55,
C50/60, C55/67, C60/75, C70/85, C80/95, C90/105 και C100/115 (π.χ. το C20/25 έχει
χαρακτηριστική τιμή συμβατικής αντοχής κυλίνδρου fck,cyl = 20 MPa και κύβου fck,cube = 25
MPa). Ας σημειωθεί ότι οι ίδιες κατηγορίες προβλέπονταν και στον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος (1997), με εξαίρεση αυτές από C55/67 και πάνω, οι οποίες αντιστοιχούν σε σκυροδέματα υψηλής αντοχής.
150
Κατηγορία
Περιβάλλον
Παραδείγματα
1 Χωρίς κίνδυνο διάβρωσης
Για άοπλο σκυρόδεμα: κάθε κατηγορία εκτός Σκυρόδεμα στο εσωτερικό κτιρίων με πολύ χαμηαπό περιπτώσεις ψύξης- απόψυξης ή χημικής λή υγρασία αέρα
προσβολής
Για οπλισμένο σκυρόδεμα: Πολύ ξηρό
2 Διάβρωση λόγω ενανθράκωσης
XC1 Ξηρό ή μονίμως υγρό
Σκυρόδεμα στο εσωτερικό κτιρίων με χαμηλή
υγρασία αέρα Σκυρόδεμα μονίμως βυθισμένο σε
νερό
XC2 Υγρό, σπανίως ξηρό
Επιφάνειες σκυροδέματος σε μακροχρόνια διαβροχή. Πολλές θεμελιώσεις.
XC3 Μέτρια υγρασία
Σκυρόδεμα στο εσωτερικό κτιρίων με μέτρια ή
υψηλή υγρασία αέρα.
Εμφανές σκυρόδεμα προστατευμένο από βροχή.
XC4 Κύκλοι ύγρανσης - ξήρανσης
Επιφάνειες σκυροδέματος σε επαφή με νερό, που
δεν εμπίπτουν στην κατηγορία XC2
3 Διάβρωση λόγω χλωριόντων άλλων από αυτά της θάλασσας (π.χ. αντιπαγωτικά άλατα)
XD1 Μέτρια υγρασία
Επιφάνειες σκυροδέματος εκτεθειμένες σε χλωριόντα της ατμόσφαιρας
XD2 Υγρό, σπανίως ξηρό
Πισίνες
Σκυρόδεμα εκτεθειμένο σε βιομηχανικά λύματα με
χλωριόντα
XD3 Κύκλοι ύγρανσης - ξήρανσης
Τμήματα γεφυρών εκτεθειμένα σε χλωριόντα
Οδοστρώματα, πλάκες χώρων στάθμευσης
4 Διάβρωση λόγω χλωριόντων της θάλασσας
XS1 Χλωριόντα μεταφερόμενα με τον αέρα, όχι Παραθαλάσσιες κατασκευές
άμεση επαφή με θαλασσινό νερό
XS2 Μόνιμα βυθισμένο σκυρόδεμα
Τμήματα θαλασσίων κατασκευών
XS3 Παλιρροιακή ζώνη ή ζώνη κυματισμών
Τμήματα θαλασσίων κατασκευών
5 Δράση ψύξης-απόψυξης με ή χωρίς αντιπαγωτικά άλατα
XF1
Μερικός κορεσμός σε νερό χωρίς αντιπαγωτι- Κατακόρυφες επιφάνειες εκτεθειμένες σε βροχή
κά άλατα
και παγετό
XF2
Μερικός κορεσμός σε νερό με αντιπαγωτικά Κατακόρυφες επιφάνειες έργων οδοποιίας εκτεάλατα
θειμένες σε παγετό και αντιπαγωτικά άλατα μεταφερόμενα μέσω αέρα
XF3
Υψηλός βαθμός κορεσμού σε νερό χωρίς αντι- Οριζόντιες επιφάνειες εκτεθειμένες σε βροχή και
παγωτικά άλατα
παγετό
XF4
Υψηλός βαθμός κορεσμού σε νερό με αντιπα- Καταστρώματα γεφυρών και οδοστρώματα εκτεγωτικά άλατα ή
θειμένα σε αντιπαγωτικά άλατα
Επιφάνειες σκυροδέματος σε άμεση επαφή με
αντιπαγωτικά
άλατα και παγετό
Ζώνη διαβροχής θαλασσίων κατασκευών εκτεθειμένων σε παγετό
6 Χημική προσβολή
ΧΑ1 Ασθενώς δραστικό σύμφωνα με τον Πίνακα
6.19
ΧΑ2 Μέτρια δραστικό σύμφωνα με τον Πίνακα 6.19
ΧΑ3 Ισχυρά δραστικό σύμφωνα με τον Πίνακα 6.19
ΧΟ
Πίνακας 6.18: Κατηγορίες έκθεσης του σκυροδέματος στο περιβάλλον
Σκυρόδεμα
Χημικοί παράγοντες και απαιτή- Μέθοδοι Προσδιορισεις
σμού
151
Βαθμός προσβολής(6)
Ασθενής
Μέτριος
Ισχυρός
ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΕΚΤΟΣ ΘΕΙΙΚΩΝ
pH (μόνο για νερό)
ISO 4316
6,5-5,5
5,5-4,5
4,5-4,0
CO2 mg/l
pr ΕΝ 13 577/99
15-40
40-100
>100(8)
+
ΝΗ4 mg/l
ISO 7150-1 ή 7150-2 15-30
30-60
60-100
Mg2+ mg/l
ISO 7980
300-1000
1000-3000
>3000(8)
(2)
Βαθμός οξύτητας (μόνο για εδάφη) ΣΚ-391
>200
Απαιτήσεις
Τύπος τσιμέντου
CEM l,ll(5),lll,IV
CEM l,ll(5),lll,IV CEM l,ll(5),lll,IV
Μέγιστος λόγος Ν/Τ
0,60
0,55
0,50
Ελάχιστη περιεκτικότητα τσιμέντου
300
330
370
Kg/m3
ΘΕΙΙΚΑ
2(3)
Στο νερό: SO4 mg/l
ΕΝ 196-2
200-600
600-3000
3000-6000
Στο έδαφος: SO42- (1) mg/Kg
ΣΚ-390
2000-3000(4)
3000-12000 12000-24000
Απαιτήσεις
Τύπος τσιμέντου
CEM CEM SR(7) SR(7)
SR(7)
(5)
l,ll
lll,IV
Μέγιστος λόγος Ν/Τ
0,55 0.60 0,60 0,55
0,50
Ελάχιστη περιεκτικότητα τσιμέντου
340 320 300 330
370
Kg/m3
(1)
Εδάφη με διαπερατότητα μικρότερη των 10 m/s μπορούν να καταταγούν σε κατώτερη κατηγορία.
(2)
Για βαθμό οξύτητας μικρότερο από 200 δεν υπάρξει προσβολή.
(3)
Για νερό με περιεκτικότητα σε SO42- μικρότερη από 200mg/l και για έδαφος με περιεκτικότητα σε
2SO4 μικρότερη από 2000 mg/kg δεν απαιτούνται ιδιαίτερα μέτρα.
(4)
Εάν υπάρχει κίνδυνος σωρευτικής αύξησης του SO42- λόγω τριχοειδούς προσρόφησης ή επανειλημμένων κύκλων διύγρανσης - ξήρανσης TO έδαφος κατατάσσεται στη κατηγορία της μέιριας προσβολής.
(5)
Εκτός των τύπων ll/B-L, II/B-LL.
(6)
Απαιτείται ειδική μελέτη για: α) τιμές εκτός των ορίων του πίνακα, β) άλλους χημικούς παράγοντες προσβολής, γ) μεγάλες ταχύτητες ροής νερού σε συνδυασμό με τους χημικούς παράγοντες του πί νακα 12.4.
(7)
SR τσιμέντο Πόρτλαντ ανθεκτικό στα θειικά σύμφωνα με το Π.Δ. 244/80.
(8)
Απαιτείται ειδική μελέτη και ενδεχόμενη επιφανειακή προστασία του σκυροδέματος.
Πίνακας 6.19: Βαθμός προσβολής και απαιτήσεις για σκυρόδεμα που προσβάλλεται
από χημικά (Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997).
6.10.2. Απαιτήσεις
Το Ευρωπαϊκό Πρότυπο 206-1 θέτει μία σειρά από απαιτήσεις τις οποίες πρέπει
να ικανοποιεί το σκυρόδεμα, ώστε να εξασφαλίζεται η ικανοποιητική συμπεριφορά των
κατασκευών για τον προκαθορισμένο χρόνο ζωής τους (συνήθως 50 χρόνια). Οι απαιτήσεις αυτές αναφέρονται στα επιμέρους υλικά του σκυροδέματος (τσιμέντο, αδρανή,
νερό, πρόσμικτα και πρόσθετα), στις κατηγορίες έκθεσης στο περιβάλλον, στη σύνθεση
του σκυροδέματος, στο νωπό σκυρόδεμα και στο σκληρυμένο σκυρόδεμα.
Σχετικά με τα επιμέρους υλικά του σκυροδέματος, οι απαιτήσεις συνοψίζονται
στο να εξασφαλίζεται η καταλληλότητα των υλικών αυτών όπως προδιαγράφουν τα σχετικά Ευρωπαϊκά Πρότυπα, τα περισσότερα εκ των οποίων έχουν ήδη αναφερθεί στις
Ενότητες 6.6 - 6.8 για το τσιμέντο, τα αδρανή και τα πρόσμικτα/πρόσθετα, αντίστοιχα,
και στην Ενότητα 6.3.2 για το νερό ανάμιξης.
Οι απαιτήσεις σχετικά με τις κατηγορίες έκθεσης συνοψίζονται ουσιαστικά στον
καθορισμό επιτρεπόμενης κατηγορίας υλικών, μέγιστης τιμής του λόγου Ν/Τ, ελάχιστης
περιεκτικότητας τσιμέντου ανά 1 m3 σκυροδέματος, ελάχιστης κατηγορίας αντοχής και,
σε ορισμένες περιπτώσεις, ελάχιστης περιεκτικότητας αέρα, σύμφωνα με τις προτει-
152
νόμενες τιμές του Πίνακα 6.24 (για σκυροδέματα με τσιμέντο CEM I).
Οι απαιτήσεις σχετικά με το νωπό σκυρόδεμα και το σκληρυμένο σκυρόδεμα
αναφέρονται κυρίως στα Ευρωπαϊκά Πρότυπα βάσει των οποίων θα γίνουν οι μετρήσεις
εργασιμότητας, προσδιορισμού περιεκτικότητας τσιμέντου, λόγου Ν/Τ, αέρα και μέγιστου κόκκου αδρανών, για το νωπό σκυρόδεμα, αντοχών, πυκνότητας, υδατοπερατότητας και αντοχής σε πυρκαϊά για το σκληρυμένο.
Κατηγορία Κάθιση σε mm
S1
10-40
S2
50-90
S3
100-150
S4
160-210
S5
≥220
Πίνακας 6.20: Κατηγορίες κάθισης.
Κατηγορία
Κατηγορία Χρόνος Vebe
σε sec
V0*
≥31
V1
30-21
V2
20-11
V3
10-6
V4*
5-3
Πίνακας 6.21: Κατηγορίες Vebe.
C0*
Βαθμός συμπύκνωσης
≥1.46
F1*
≤340
C1
1.45-1.26
F2
350-410
C2
1.25-1.11
F3
420-480
C3
1.10-1.04
F4
490-550
F5
560-620
F6*
≥630
Πίνακας 6.22: Κατηγορίες συμπύκνωσης.
Κατηγορία
Εξάπλωση σε
mm
Πίνακας 6.23: Κατηγορίες εξάπλωσης.
Λόγω της έλλειψης ευαισθησίας των δοκιμών ποσοτικοποίησης της εργασιμότητας πέρα από συγκεκριμένα όρια, συνιστάται να γίνεται χρήση κάθε δοκιμής για τις παρακάτω περιπτώσεις: (α) κάθιση ≥10 mm
και ≤210 mm, χρόνος Vebe ≤30 sec και >5 sec, βαθμός συμπύκνωσης ≥1.04 και <1.46, εξάπλωση >340
mm και ≤620 mm.
Τέλος, αρκετές από τις απαιτήσεις σχετικά με τη σύνθεση του σκυροδέματος αναφέρονται στην Ενότητα 6.11, ενώ κάποιες έχουν ήδη καλυφθεί στα προηγούμενα, σε
ενότητες που αφορούν στα επιμέρους συστατικά του σκυροδέματος (τσιμέντο, αδρανή,
νερό, πρόσμικτα και πρόσθετα).
Κατηγορία έκθεσης
Χωρίς κίν-Διάβρωση λόγω ενανθράκω-Διάβρωση λόγω χλωριόντων
Δράση ψύξης-απόψυξης
Δράση χημικών
δυνο
σης
Θαλασσινό νερό
Χλωριόντα πλην αυδιάβρωσης
τών της θάλασσας
ΧΟ
XC1 XC2
XC3 XC4 XS1
XS2
XS3 XD1
XD2
XD3 XF1
XF2
XF3 XF4
ΧΑ1
ΧΑ2 ΧΑ3
Μέγιστο Ν/Τ
0,65 0,60
0,55 0,50 0,50 0,45 0,45 0,55
0,55
0,45 0,55
0,55 0,50 0,45
0,55
0,50 0,45
Ελάχιστη αντοχή
C12/15
C20/25 C25/30 C30/37C30/37C30/37 C35/45 C35/45C30/37 C30/37 C35/45C30/37 C25/30 C30/37C30/37 C30/37 C30/37C35/45
Ελάχιστη περιεκτ. τσιμ.
260
280
280
300
300
320
340
300
300
320
300
300
320
340
300
320
360
(kg/m3)
Ελάχιστη περ. αέρα
4,0α
4,0α
4,0α
(%)
Άλλες απαιτήσεις
Αδρανή κατά ΕΝ 12620 με
Τσιμέντο ανεπαρκή αντοχή σε ψύξη θεκτικό σε θειαπόψυξη
ικάβ
α)
Όπου δεν γίνεται χρήση αερακτικού το σκυρόδεμα θα πρέπει να ελεγχθεί έναντι ψύξης-απόψυξης βάσει κατάλληλης δοκιμής και να συγκριθεί με αντίστοιχο
αποδεδειγμένα καλής συμπεριφοράς.
β)
Όταν το SO42- οδηγεί σε κατηγορίες έκθεσης ΧΑ2 και ΧΑ3, η χρήση τσιμέντου ανθεκτικού σε θειικά είναι απαραίτητη. Όπου το τσιμέντο ταξινομείται με βάση
την αντοχή έναντι θειικών, θα πρέπει να χρησιμοποιείται τσιμέντο μέτριας ή υψηλής αντοχής έναντι θειικών για την κατηγορία έκθεσης ΧΑ2 (και για την κατηγορία έκ θεσης ΧΑ1) και υψηλής αντοχής έναντι θειικών για την κατηγορία έκθεσης ΧΑ3.
Πίνακας 6.24: Συνιστώμενες κατά ΕΝ 206-1 οριακές τιμές για τη σύνθεση και τις ιδιότητες του σκυροδέματος με τσιμέντο CEM
I βάσει της κατηγορίας έκθεσης.
154
6.10.3. Προδιαγραφές
Με βάση το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 206-1, ο προδιαγράφων το σκυρόδεμα που
πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σε ένα τεχνικό έργο (συνήθως ο μελετητής μηχανικός) καθορίζει όλες τις απαιτήσεις για το σκυρόδεμα με βάση τον τύπο εφαρμογής, τις συνθήκες συντήρησης, τις διαστάσεις της κατασκευής, τις περιβαλλοντικές δράσεις και τους
περιορισμούς λόγω κατηγορίας έκθεσης. Το σκυρόδεμα μπορεί να προδιαγράφεται ως
σχεδιαζόμενο (στην περίπτωση αυτή προδιαγράφονται οι απαιτούμενες ιδιότητες και
τα χαρακτηριστικά του σκυροδέματος στον παραγωγό, ο οποίος έχει την ευθύνη τήρησης των σχετικών απαιτήσεων) ή ως προδιαγραφόμενο (στην περίπτωση αυτή προδιαγράφονται η σύνθεση και τα επιμέρους υλικά του σκυροδέματος στον παραγωγό, ο
οποίος και πάλι έχει την ευθύνη τήρησης των σχετικών απαιτήσεων) με βάση είτε προκαταρκτικές δοκιμές (δοκιμαστικά αναμίγματα) είτε τη γνώση και εμπειρία που έχει αποκτηθεί για σκυροδέματα παρομοίων προδιαγραφών.
Οι προδιαγραφές για το σχεδιαζόμενο σκυρόδεμα περιλαμβάνουν την κατηγορία
αντοχής, την κατηγορία έκθεσης, το μέγιστο κόκκο αδρανών, την κατηγορία εργασιμότητας και τη μέγιστη περιεκτικότητα σε χλώριο, καθώς επίσης και τυχόν πρόσθετες απαιτήσεις σχετικές με: ειδικούς τύπους τσιμέντων ή και αδρανών, αντοχή σε παγετό (π.χ.
μέσω της χρήσης αερακτικών), θερμοκρασία νωπού σκυροδέματος, ρυθμό ανάπτυξης
αντοχής, επιβράδυνση της πήξης, χαμηλή διαπερατότητα, αντοχή σε απότριψη, αντοχή
σε εφελκυσμό από διάρρηξη, ειδικό τελείωμα επιφανειών, κ.τ.λ.
Οι προδιαγραφές για το προδιαγραφόμενο σκυρόδεμα περιλαμβάνουν την περιεκτικότητα, τον τύπο και την αντοχή του τσιμέντου, το λόγο Ν/Τ ή την κατηγορία εργασιμότητας (σπανιότερα δε συγκεκριμένη τιμή για τον δείκτη μέτρησης της εργασιμότητας),
την κατηγορία, το μέγιστο κόκκο και τη μέγιστη περιεκτικότητα χλωρίου στα αδρανή, καθώς επίσης τον τύπο και την ποσότητα τυχόν πρόσμικτων ή προσθέτων.
6.10.4. Έλεγχος και Κριτήρια Συμμόρφωσης βάσει του Κανονισμού Τεχνολογίας
Σκυροδέματος (1997)
6.10.4.1. Κριτήρια Συμμόρφωσης
Η ποιότητα του σκληρυμένου σκυροδέματος ελέγχεται με στατιστική επεξεργασία
μετρήσεων της θλιπτικής αντοχής δοκιμίων (με την ίδια μορφή και διαστάσεις όπως
αυτά που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη σύνθεσης του σκυροδέματος) που αποτελούν το 0.01-0.1% μόνο του όγκου του σκυροδέματος που ελέγχεται, τα οποία λαμβάνονται στην έξοδο του αναμικτήρα (για εργοταξιακό σκυρόδεμα) ή στην έξοδο του αυτοκινήτου μεταφοράς (για εργοστασιακό ή έτοιμο σκυρόδεμα). Με βάση τις τιμές της θλιπτικής αντοχής, που θεωρείται τυχαία μεταβλητή με μέσο όρο και τυπική απόκλιση
(που, ενδεικτικά, είναι s = 5 MPa για θραυστά αδρανή και s = 6 MPa για συλλεκτά αδρανή), αποφασίζεται αν η ποσότητα του σκυροδέματος που ελέγχεται θα γίνει αποδεκτή ή
θα απορριφθεί, βάσει κριτηρίων (κριτήρια συμμόρφωσης) που καθορίζονται λεπτομερώς από τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος (1997).
Το ερώτημα που πρέπει να απαντηθεί για τον έλεγχο μίας παρτίδας σκυροδέματος
είναι: "περιορίζεται στην επιθυμητή τιμή ρ = 5% το ποσοστό της συνολικής ποσότητας
της παρτίδας με αντοχή κάτω από την προδιαγραμμένη χαρακτηριστική τιμή fck;". Η
απάντηση μπορεί να δοθεί βάσει των συμβατικών αντοχών των δοκιμίων μίας παρτίδας
και των κριτηρίων συμμόρφωσης που ορίζει ο Κανονισμός. Λόγω της φυσικής διασποράς των αντοχών και της στατιστικής φύσης του προβλήματος υπάρχει πιθανότητα να
Σκυρόδεμα
155
δοθεί αρνητική απάντηση στο ερώτημα και να απορριφθεί η παρτίδα, ενώ το πραγματικό ποσοστό υποαντοχής είναι μικρότερο από 5% ("λάθος τύπου I", κίνδυνος παραγωγού), ή, αντίθετα, να δοθεί καταφατική απάντηση και να γίνει αποδεκτή η παρτίδα, ενώ
το πραγματικό ποσοστό υποαντοχής είναι μεγαλύτερο από 5% ("λάθος τύπου II", κίνδυνος ιδιοκτήτη). Το διάγραμμα που για το συγκεκριμένο κριτήριο συμμόρφωσης δίνει την
πιθανότητα αποδοχής μίας παρτίδας σκυροδέματος ως συνάρτηση του πραγματικού
ποσοστού υποαντοχής, ρ, λέγεται καμπύλη λειτουργίας. Είναι προφανές ότι το ιδανικό
κριτήριο συβμόρφωσης θα έδινε πιθανότητα αποδοχής 100% για ρ < 5%, και πιθανότητα αποδοχής 0 για ρ > 5%, οπότε η καμπύλη λειτουργίας θα αποτελείτο από ένα ορι ζόντιο τμήμα με τεταγμένη 100% για ρ < 5%, ένα οριζόντιο τμήμα με τεταγμένη 0 για ρ >
5%, και ένα κατακόρυφο τμήμα για ρ = 5%. Τέτοιο κριτήριο συμμόρφωσης δεν έχει βρεθεί ακόμα, και γι' αυτό περιοριζόμαστε σε κριτήρια που δίνουν ομαλή μεταβολή της πιθανότητας αποδοχής συναρτήσει του ποσοστού υποαντοχής, μέσα στα όρια οικονομικότητας και ασφάλειας που έχει προτείνει ο Κανονισμός CEB (Σχ. 6.56).
Σχ. 6.56: Καμπύλες λειτουργίας για διάφορα κριτήρια συμμόρφωσης (Κουφόπουλος 1996).
Οι σύγχρονοι κανονισμοί τεχνολογίας σκυροδέματος ορίζουν κριτήρια συμμόρφωσης που αποτελούνται από δύο απλούς κανόνες αποδοχής, της μορφής:
xn ≥ f ck k 1
xn ≥ f ck −k 3 S
x i≥ f ck −k 2 για i=1,2 ,3 , ... , n
όπου xi = αντοχή του i-οστού δοκιμίου, xo = μέση αντοχή των η δοκιμίων της δειγματοληψίας, k1, k2 = σταθερές (σε MPa), k3 = αδιάστατος συντελεστής και s = τυπική
απόκλιση της αντοχής, που δίνεται από τη σχέση:
156
6.5
s=

n
∑  x i− xn 2
i −1
n−1
Σε σχέση με τον έλεγχο του σκυροδέματος και τα κριτήρια συμμόρφωσης, ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος κάνει τη διάκριση μεταξύ του ελέγχου της ποιότητας
μίας συστηματικής και συνεχούς παραγωγής σκυροδέματος (π.χ. συνεχής έλεγχος έτοιμου σκυροδέματος από τον ίδιο τον παραγωγό ή έλεγχος εργοταξιακού σκυροδέματος,
που παράγεται για τις ανάγκες ενός μεγάλου έργου κοινής ωφελείας, από τον ίδιο τον
κατασκευαστή του) και του ελέγχου μίας σχετικά μικρής ποσότητας σκυροδέματος για
τις ανάγκες ενός μικρού έργου (π.χ. κοινού οικοδομικού).
Για την παρακολούθηση της ποιότητας του σκυροδέματος συνεχούς παραγωγής
(έτοιμο ή μεγάλων έργων) η καλή λειτουργία του συγκροτήματος παραγωγής ελέγχεται
εβδομαδιαία, η δε δειγματοληψία και ο έλεγχος γίνονται συχνά. Έτσι μπορεί ολόκληρη η
παραγωγή σκυροδέματος να θεωρηθεί ότι ανήκει στατιστικά στον ίδιο πληθυσμό. Εδώ
σημειώνεται ότι στις τεχνολογικά αναπτυγμένες χώρες το σκυρόδεμα ή ανήκει στην κατηγορία των μεγάλων έργων, ή, για μικρά έργα, έρχεται έτοιμο από εργοστάσια με εγγυημένη και σταθερή ποιότητα παραγωγής. Γι' αυτό και οι κανονισμοί των χωρών αυτών
αντιμετωπίζουν όλες τις περιπτώσεις με ενιαίους κανόνες, προσαρμοσμένους στις συνθήκες παραγωγής σκυροδέματος για μεγάλα έργα. Στην περίπτωση σκυροδέματος μεγάλων έργων ο κατασκευαστής είναι υποχρεωμένος:
●
Να συγκεντρώσει στον τόπο του έργου μεγάλη ποσότητα αδρανών ομοιόμορφης
ποιότητας, τουλάχιστον ένα μήνα πριν από την έναρξη παραγωγής σκυροδέματος.
●
Να εκπονήσει μελέτη σύνθεσης σκυροδέματος και να την εφαρμόσει για την παραγωγή 15 έως 60 αναμιγμάτων (ενδιάμεσος αριθμός μπορεί να είναι μόνο πολλαπλάσιος
του 10), με ποσότητα σκυροδέματος το καθένα τουλάχιστον τη μισή αυτής που θα περιέχει ένα τυπικό ανάμιγμα της περιόδου κατασκευής.
●
Να παρασκευάσει δύο δίδυμες ομάδες συμβατικών δοκιμίων από κάθε τέτοιο
ανάμιγμα και να δοκιμάσει σε θλίψη τη μία ομάδα στις 7 ημέρες από τη σκυροδέτηση
και την άλλη στις 28, με σκοπό τον υπολογισμό του λόγου των αντοχών 28 προς 7 ημερών κάι τον υπολογισμό της τυπικής απόκλισης s. Αν ο αριθμός ns των δοκιμίων αυτών
είναι μικρότερος από 60 αλλά τουλάχιστον ίσος με 15, το s που υπολογίζεται από αυτά
θα πρέπει να πολλαπλασιαστεί επί 1.27 για ns = 15, 1.18 για ns = 20, 1.09 για ns = 30,
1.05 για ns = 40, 1.02 για ns = 50 και 1.00 για ns = 60, για να δώσει το s των 60 δοκιμίων.
Να αναπροσαρμόσει τη μελέτη σύνθεσης αν η απαιτούμενη αντοχή fα (περιγράφεται
παρακάτω) με βάση την τιμή της s60 είναι μεγαλύτερη από αυτήν που είχε θεωρηθεί
στην αρχική μελέτη σύνθεσης.
Στην περίπτωση μικρών έργων, το σκυρόδεμα διαστρώνεται σε μικρές ποσότητες
και κατά αραιά διαστήματα, και ή έρχεται έτοιμο από εργοστάσια που παράγουν σκυρόδεμα ενδεχομένως μεταβλητής και όχι απόλυτα εγγυημένης ποιότητας (οι προδιαγραφές σχετικά με την παραγωγή, μεταφορά κ.τ.λ. του έτοιμου σκυροδέματος δίνονται στο
Πρότυπο ΕΛΟΤ-346), ή (σπανιότατα σήμερα) παρασκευάζεται στο εργοτάξιο με υλικά
που έρχονται συνήθως σε μικρές ποσότητες για κάθε διάστρωση. Συνεπώς, οι δειγματοληψίες και οι έλεγχοι συμμόρφωσης της κατηγορίας αυτής πρέπει να γίνονται αυτοδύναμα, θεωρώντας ότι διαφορετικές παρτίδες σκυροδέματος δεν ανήκουν στατιστικά
στον ίδιο πληθυσμό (δηλαδή δεν έχουν σταθερό μέσο όρο και τυπική απόκλιση). Για
την περίπτωση αυτή, δηλαδή του σκυροδέματος μικρών έργων, ο Κανονισμός Τεχνολο-
Σκυρόδεμα
157
γίας Σκυροδέματος θεωρεί την ποσότητα που διαστρώνεται σε μία ημέρα ως μία παρτίδα σκυροδέματος, που αντιπροσωπεύεται από 6 δοκίμια, αν είναι μέχρι 150 m3, ή από
12 δοκίμια, αν είναι πάνω από 150 m3. Τόσο ο επιβλέπων όσο και ο παραγωγός/κατασκευαστής έχουν δικαίωμα να ζητήσουν τη λήψη 12 δοκιμίων αντί 6, ακόμα και για παρτίδες σκυροδέματος μικρότερες από 150 m3, αρκεί να διατίθενται τουλάχιστον 12 φορτία
αυτοκινήτων ή αναμίγματα.
Ειδικά για έτοιμο σκυρόδεμα, αν η ποσότητα σκυροδέματος που θα διαστρωθεί
σε μία ημέρα δεν ξεπερνά τα 20 m3 και ολοκληρώνεται με το φορτίο ενός ή δύο αυτοκινήτων, τότε το φορτίο κάθε αυτοκινήτου θεωρείται ως μία παρτίδα από την οποία λαμβάνονται 3 δοκίμια ως εξής: το πρώτο μετά την αποφόρτωση του 15% περίπου του
φορτίου ή περίπου 1 m3, το δεύτερο από το μέσον περίπου του φορτίου και το τρίτο
πριν από την αποφόρτωση του τελευταίου 15% περίπου του φορτίου ή του τελευταίου
m3. Αν όμως η διάστρωση ολοκληρώνεται με περισσότερα από δύο αυτοκίνητα λαμβάνονται υπόψη δύο μόνο παρτίδες (που αντιπροσωπεύονται από 3 δοκίμια η κάθε
μία), δηλαδή τα φορτία δύο τυχαίων αυτοκινήτων, επιλογής του αγοραστή.
Επίσης, αν η σκυροδέτηση έτοιμου σκυροδέματος διαρκεί δύο ή περισσότερες διαδοχικές ημέρες, η ποσότητα που διαστρώνεται σε κάθε διήμερο θεωρείται ως μία παρτίδα και αντιπροσωπεύεται από 12 δοκίμια (6 κάθε ημέρα). Αν ο συνολικός αριθμός ημερών συνεχούς σκυροδέτησης είναι περιττός, η τελευταία ημέρα θεωρείται ως μία παρτίδα και αντιπροσωπεύεται από 6 δοκίμια. Στην περίπτωση που η σκυροδέτηση ενός διημέρου διακοπεί πριν ληφθούν 12 δοκίμια, τότε η παρτίδα του διημέρου αντιπροσωπεύεται από τα 6 πρώτα δοκίμια, ενώ τα υπόλοιπα αγνοούνται. Σκυρόδεμα το οποίο διαστρώνεται σε δύο όχι διαδοχικές ημέρες αποτελεί δύο παρτίδες και αντιπροσωπεύεται
από δύο δειγματοληψίες. Τέλος, αν το έργο απαιτεί διάστρωση χωρίς διακοπή για περισσότερες από μία ημέρες (όπως συμβαίνει σε κατασκευές με "ολισθαίνοντα" ξυλότυπο), το σκυρόδεμα χωρίζεται σε νοητές παρτίδες ανάλογα με τις φάσεις της κατασκευής
(π.χ. διάστρωση ημέρας, διάστρωση νύκτας). Επισημαίνεται ότι για να είναι στατιστικά
ανεξάρτητα, τα δοκίμια πρέπει να προέρχονται από διαφορετικά φορτία αυτοκινήτων,
για έτοιμο σκυρόδεμα, ή από διαφορετικά αναμίγματα, για εργοταξιακό. Αν αυτό δεν είναι δυνατό, περισσότερα δοκίμια μπορεί να προέρχονται από το ίδιο αυτοκίνητο ή
ανάμιγμα, αρκεί μεταξύ διαδοχικών αναμιγμάτων να έχει ξεφορτωθεί τουλάχιστον 1 m3
σκυροδέματος. Εδώ ας σημειωθεί ότι σχετικό με τη δειγματοληψία του νωπού σκυροδέματος είναι το Πρότυπο ΕΛΟΤ-516.
Τα 6 ή 12 δοκίμια της δειγματοληψίας υποβάλλονται στη συμβατική δοκιμή αντοχής σε θλίψη 28 ημέρες μετά τη λήψη τους και ακολουθεί ο έλεγχος της ισχύος των παρακάτω κανόνων:
Κριτήριο συμμόρφωσης Α (για 6 δοκίμια ανά παρτίδα)
x6≥ f ck 1.60 s ,
x j ≥ f ck −2.0 MPa 
s≥1.5 MPa
i=1,2 , ... ,6
1ος κανόνας αποδοχής
2ος κανόνας αποδοχής
Κριτήριο συμμόρφωσης Β (για 12 δοκίμια ανά παρτίδα)
x12≥ f ck 1.57 s ,
x j ≥ f ck −3.0 MPa
s≥2.2 MPa
i=1,2 , ...,12
3ος κανόνας αποδοχής
4ος κανόνας αποδοχής
Για αντοχές με κανονική κατανομή συχνότητας και για συνηθισμένες τιμές του s, ο
2ος και ο 4ος κανόνας αποδοχής ενεργοποιούνται σπάνια, και απλώς συμπεριλαμβάνονται στα κριτήρια συμμόρφωσης για την ανίχνευση ακραίων περιπτώσεων, όπου, λόγω
κακής παρακολούθησης, αλλάζουν σημαντικά οι αναλογίες σύνθεσης, ή η ανάμιξη δεν
158
είναι πλήρης κ.τ.λ., οπότε η αντοχή ξεφεύγει από την κανονική κατανομή συχνότητας.
Έτσι οι καμπύλες λειτουργίας των κριτηρίων Α και Β του Σχ. 6.56 καθορίζονται μόνο
από τον 1ο και 3ο κανόνα, αντίστοιχα. Όπως μάλιστα δείχνει το σχήμα αυτό, η αύξηση
του αριθμού των δοκιμίων από 6 σε 12 οδηγεί σε μικρότερη πιθανότητα λάθους τύπου II
για ρ > 5%, και σε μικρότερη πιθανότητα λάθους τύπου I για ρ < 5%. Συνεπώς, ο διπλασιασμός του αριθμού των δοκιμίων συμφέρει και τον ιδιοκτήτη και τον παραγωγό.
Αν παραβιάζονται ο 1ος ή ο 3ος κανόνας αποδοχής, ή αν ο 2ος ή ο 4ος κανόνας
δεν ικανοποιούνται από περισσότερα από ένα δοκίμια, τότε αμφισβητείται ολόκληρη η
παρτίδα και επανελέγχεται σύμφωνα με τις διατάξεις που αναφέρονται παρακάτω.
Τέλος, αν ο 2ος ή ο 4ος κανόνας αποδοχής παραβιάζονται από ένα μόνο δοκίμιο της
παρτίδας που ελέγχεται, τότε αμφισβητείται η ποιότητα μόνο του φορτίου αυτοκινήτου ή
του αναμίγματος από το οποίο προερχόταν το δοκίμιο αυτό, και επανελέγχεται το σκληρυμένο σκυρόδεμα του φορτίου ή του αναμίγματος αυτού σύμφωνα με τις διατάξεις που
αναφέρονται παρακάτω. Επισημαίνεται ότι απαραίτητη προϋπόθεση για τους επανελέγχους είναι να έχουν σημειωθεί οι θέσεις στην κατασκευή όπου διαστρώθηκε το σκυρόδεμα κάθε φορτίου ή αναμίγματος.
Για την περίπτωση 3 δοκιμίων ανά παρτίδα (διάστρωση έτοιμου σκυροδέματος
ποσότητας μικρότερης των 20 m3) ισχύει το παρακάτω κριτήριο συμμόρφωσης:
Κριτήριο συμμόρφωσης Ε (για 3 δοκίμια ανά παρτίδα)
6.6
x3≥ f ck 3.7 MPa 
x i≥ f ck
Αν δεν ικανοποιείται έστω και ένας από τους παραπάνω κανόνες αποδοχής, αμφισβητείται η αντοχή της παρτίδας του αντίστοιχου αυτοκινήτου και ακολουθεί επανέλεγχος, σύμφωνα με τις διατάξεις που αναφέρονται παρακάτω.
Για το σκυρόδεμα μεγάλων έργων που παρασκευάζεται επί τόπου σε κεντρικά
συγκροτήματα (και μετά τις προκαταρκτικές δειγματοληψίες δύο ομάδων, ελέγχους
κ.τ.λ. που αναφέρονται παραπάνω) ακολουθείται η εξής διαδικασία: Με την έναρξη της
κανονικής παραγωγής για το έργο, η ποσότητα σκυροδέματος μίας ημέρας θεωρείται
ως μία παρτίδα και αντιπροσωπεύεται από μία δειγματοληψία. Για την ακριβέστερη εκτίμηση του s, τις 3 πρώτες ημέρες λαμβάνονται 12 δοκίμια ανά παρτίδα. Μέχρι το τέλος
των δειγματοληψιών αυτών το s ολόκληρου του πληθυσμού θεωρείται ακόμα άγνωστο
και οι αντίστοιχες παρτίδες ελέγχονται αυτοδύναμα με το κριτήριο συμμόρφωσης Β (το
οποίο, στην περίπτωση αυτή, ονομάζεται κριτήριο συμμόρφωσης Γ). Η μη ικανοποίηση του 3ου κανόνα αποδοχής ή η παραβίαση του 4ου κανόνα αποδοχής από δύο ή περισσότερα δοκίμια καθιστά υποχρεωτικό τον επανέλεγχο ολόκληρης της παρτίδας, ενώ
η μη ικανοποίηση του 4ου κανόνα αποδοχής από ένα μόνο δοκίμιο οδηγεί σε επανέλεγχο μόνο του αντίστοιχου αναμίγματος. Η ποσότητα σκυροδέματος που διαστρώνεται
κάθε ημέρα μετά την 3η θεωρείται επίσης ως μία παρτίδα, αλλά επειδή έχουν συγκεντρωθεί αρκετά στοιχεία για την εκτίμηση του s του πληθυσμού της παραγωγής και σε
ένα καλά οργανωμένο εργοτάξιο η σταθερή ποιότητα του σκυροδέματος θεωρείται εξασφαλισμένη, αρκούν 3 δοκίμια για κάθε παρτίδα. Για να γίνει αποδεκτή η παρτίδα,
πρέπει να ικανοποιηθούν και οι δύο κανόνες αποδοχής του παρακάτω κριτηρίου συμμόρφωσης Δ. Αν έστω και ένας από τους κανόνες αυτούς παραβιάζεται, επανελέγχεται
η παρτίδα της μίας ημέρας σύμφωνα με τις διατάξεις που δίνονται στα επόμενα.
Κριτήριο συμμόρφωσης Δ (για δειγματοληψία 3 δοκιμίων)
x36 ≥ f ck 1.70 s
7ος κανόνας αποδοχής
Σκυρόδεμα
x3≥ f ck 1.83 s
159
8ος κανόνας αποδοχής
όπου x36 = μέσος όρος αντοχής των 3 δοκιμίων δειγματοληψίας και των 33
αμέσως προηγούμενων, x3 = μέσος όρος αντοχής των 3 δοκιμίων της δειγματοληψίας
και s = τυπική απόκλιση της τελευταίας ομάδας 60 δοκιμίων (μέχρι τη 10η ημέρα
διάστρωσης, που δεν θα έχουν συγκεντρωθεί 60 κανονικά δοκίμια, τα ήδη συγκεντρωμένα κανονικά δοκίμια θα συμπληρώνονται με τον αναγκαίο αριθμό από τα τελευταία
προκαταρκτικά δοκίμια, μέχρι το συνολικό αριθμό των 60).
Η συνολική καμπύλη λειτουργίας του κριτηρίου συμμόρφωσης Δ δίνει σημαντικά
μεγαλύτερη πιθανότητα αποδοχής για ρ < 5% από τα κριτήρια συμμόρφωσης Α και Β,
αλλά λίγο μικρότερη πιθανότητα αποδοχής για ρ > 5% από το κριτήριο συμμόρφωσης Β
(Σχ. 6.56).
Στην περίπτωση που η παραγωγή σκυροδέματος μεγάλων έργων γίνεται σε εργοστάσιο έτοιμου σκυροδέματος (κατόπιν συμφωνίας παραγωγού και κατασκευαστή), ο
Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος ορίζει ότι οι δειγματοληψίες για τον έλεγχο της
ποιότητας θα γίνονται στο εργοστάσιο παραγωγής και όχι στο εργοτάξιο.
Ο έλεγχος της παραγωγής έτοιμου σκυροδέματος από τον ίδιο τον παραγωγό
προϋποθέτει τη λήψη ενός δοκιμίου την ημέρα για κάθε κατηγορία σκυροδέματος που
παράγει το εργοστάσιο. Η δοκιμή θα γίνεται 28 ημέρες μετά τη δειγματοληψία και ανά 3
ημέρες θα υπολογίζονται ο μέσος όρος των αντοχών των 3 και των 36 τελευταίων ημερών, καθώς και η τυπική απόκλιση των 60 πιο πρόσφατων δειγμάτων. Αυτοί οι δύο
μέσοι όροι, η παραπάνω τυπική απόκλιση καθώς και οι αντίστοιχες τιμές του δεξιά
μέλους των ανισοτήτων 6.6 α και β (σελ. 158) θα καταγράφονται ανά τριήμερο υπό μορφή διαγραμμάτων χρονικής μεταβολής, τα οποία θα χρησιμεύουν για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της παραγωγής και θα είναι διαθέσιμα για επιθεώρηση από την αρμόδια κρατική αρχή.
6.10.4.2. Απαιτούμενη Αντοχή
Τα κριτήρια συμμόρφωσης Α και Β δίνουν γενικά πολύ μεγάλη πιθανότητα λάθους
τύπου II και σημαντική πιθανότητα λάθους τύπου I. Για να μειωθούν αυτά τα ενδεχόμενα σε επίπεδα ανεκτά από πλευράς ασφάλειας και οικονομίας, ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος καθόρισε την απαιτούμενη αντοχή fα στην οποία πρέπει να στοχεύει ως μέση αντοχή η μελέτη σύνθεσης του σκυροδέματος, έτσι ώστε η πιθανότητα
απόρριψης σκυροδέματος που στην πραγματικότητα έχει ανεκτό ποσοστό υποαντοχής
να είναι το πολύ 16% (με αντίστοιχη πιθανότητα αποδοχής 84%). Η καμπύλη λειτουργίας του κριτηρίου Α δίνει για πιθανότητα αποδοχής 84% ποσοστό υποαντοχής ρ = 1.6%,
που για αντοχή με κανονική κατανομή συχνοτήτων δίνει
f α = f cm= f ck +2.14 s
Το αντίστοιχο ποσοστό για το κριτήριο Β είναι ρ = 2.2%, ώστε
6.7
f α = f cm= f ck 2.01 s
Σύμφωνα λοιπόν με τον Κανονισμό, η μελέτη σύνθεσης σκυροδέματος θα πρέπει
να στοχεύει, για μεν το έτοιμο ή το εργοταξιακό σκυρόδεμα μικρών έργων στην fα της
πρώτης εξίσωσης, για δε το εργοταξιακό σκυρόδεμα μεγάλων έργων στην fα της δεύτερης εξίσωσης. Ελλείψει στοιχείων, στις παραπάνω εξισώσεις μπορεί να θεωρηθεί s = 5
MPa για θραυστά αδρανή ή s = 6 MPa για συλλεκτά. Για να χρησιμοποιηθεί μικρότερο s
(πάντως όχι μικρότερο από 3 MPa, ενώ μεγαλύτερο δεν επιτρέπεται) στις παραπάνω
εξισώσεις, θα πρέπει αυτό να έχει προκύψει από 60 τουλάχιστον δοκίμια διαφορετικών
160
αναμιγμάτων, που παρασκευάστηκαν με τα ίδια υλικά και μηχανήματα και έδωσαν σκυρόδεμα με χαρακτηριστική αντοχή κατά 7 MPa το πολύ διαφορετική από αυτή του έργου. Αν ο αριθμός η των δοκιμίων αυτών είναι μικρότερος από 60 αλλά τουλάχιστον
ίσος με 15, το s που υπολογίζεται από αυτά θα έχει μικρότερη αξιοπιστία, και γι' αυτό
πριν χρησιμοποιηθεί στις παραπάνω εξισώσεις θα πρέπει να πολλαπλασιαστεί επί 1.27
για n = 15, 1.18 για n = 20, 1.09 για n = 30, 1.05 για n = 40, 1.02 για n = 50 και 1.00 για
n = 60 (όπως έχει προαναφερθεί). Οι συντελεστές αυτοί είναι συντηρητικοί, κάτι που
έχει ως συνέπεια την αύξηση της απαιτούμενης αντοχής, άρα και του κόστους. Γι' αυτό
και η ύπαρξη στοιχείων για 60 τουλάχιστον δοκίμια είναι προς το όφελος του παραγω γού.
Για το έτοιμο σκυρόδεμα, ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος επιτρέπει
στον παραγωγό να καθορίσει ο ίδιος την απαιτούμενη αντοχή για τη μελέτη σύνθεσης,
βάζοντας ως ελάχιστο όριο τη μέση τιμή της εξίσωσης 6.3 (σελ. 73), η οποία εξασφαλίζει ποσοστό υποαντοχής 5% [έναντι του 1.6% ή 2.2% των δύο προηγούμενων εξισώσεων]. Βεβαίως είναι στην ευχέρεια του παραγωγού να καθορίσει υψηλότερη απαιτούμενη
αντοχή, ώστε να μειώσει τον κίνδυνο απόρριψης αποδεκτού σκυροδέματος σε ανεκτά
επίπεδα. Και για την περίπτωση του έτοιμου σκυροδέματος ισχύουν όλα τα παραπάνω
τόσο για τον καθορισμό του s από προϋπάρχοντα στοιχεία όσο και για το ελάχιστο όριο
των 3 MPa.
Ειδικά για μετά τις 3 πρώτες ημέρες παραγωγής εργοταξιακού σκυροδέματος μεγάλων έργων, ο Κανονισμός ορίζει ότι αφού συγκεντρωθούν στοιχεία αντοχής 60 τουλάχιστον δοκιμίων που ικανοποιούν τα κριτήρια συμμόρφωσης Β και Δ υπολογίζονται η
τυπική απόκλιση s60 και ο μέσος όρος των 60 δοκιμίων. Αν η s60 διαφέρει απ' αυτήν που
χρησιμοποιήθηκε στην εξίσωση 6.7 (σελ. 159) για τον υπολογισμό της fα περισσότερο
από 0.5 MPa, τότε χρειάζεται να αναθεωρηθεί η fα με βάση την τιμή της s60 (λαμβάνοντας την τουλάχιστον ίση με 3 MPa) και την εξίσωση 6.7 (σελ. 159), και στη συνέχεια να
μεταβληθεί αντίστοιχα η σύνθεση του μίγματος. Αν όμως η μέση αντοχή των 60 δοκιμίων προκύψει μεγαλύτερη από τη μέχρι τότε απαιτούμενη, τότε, δεδομένου ότι η παραγωγή σκυροδέματος στο εργοτάξιο είναι πλέον γνωστή και ελεγχόμενη, η fα μπορεί να
μειωθεί (με επιλογή και ευθύνη του παραγωγού) μέχρι και το κάτω όριο που καθορίζεται
από την εξίσωση 6.3 (σελ. 73) με τυπική απόκλιση την s60. Αν στη συνέχεια δύο συνεχείς δειγματοληψίες παραβιάσουν το κριτήριο συμμόρφωσης Δ, η fα επανέρχεται στην
τιμή που δίνει η εξίσωση 6.7 (σελ. 159). Αν οι δύο συνεχείς αποτυχίες ικανοποίησης του
κριτηρίου Δ συμβούν χωρίς να μειωθεί η fα κάτω απ' αυτήν της εξίσωση 6.7 (σελ. 159),
τότε η fα αυξάνεται σε
f α = f ck 2.42 s
η οποία αντιστοιχεί σε ποσοστό υποαντοχής περίπου 1%. Μελλοντικά, αφού συμπληρωθούν 60 δοκίμια που ικανοποιούν το κριτήριο Δ, επιτρέπεται να επανέλθει η fα
στην προηγούμενη τιμή της.
Ας σημειωθεί ότι οι παραπάνω αναθεωρήσεις της fα ανάλογα με την πορεία των
ελέγχων διευκολύνονται με τη χρήση δοκιμίων ηλικίας 7 ημερών αντί 28, και μετατροπή
των αποτελεσμάτων με βάση το λόγο αντοχών που υπολογίστηκε στο στάδιο των προκαταρκτικών δοκιμών.
6.10.4.3. Επανέλεγχος Σκληρυμένου Σκυροδέματος
Για τις περιπτώσεις που αμφισβητείται η ποιότητα του σκυροδέματος ενός μόνο
φορτίου ή αναμίγματος, ο Κανονισμός προβλέπει επανέλεγχο του σκληρυμένου σκυροδέματος, βάσει της διαδικασίας που ακολουθεί (επανέλεγχος φορτίου ή αναμίγμα-
Σκυρόδεμα
161
τος). Αρχικά η περιοχή του έργου όπου έχει διαστρωθεί το σκυρόδεμα αυτό υποβάλλεται σε εντατική συντήρηση για 14 έως 28 ημέρες (με πλημμύρισμα για τα οριζόντια στοιχεία, και με υγρές λινάτσες για τα κατακόρυφα), ώστε να βελτιωθεί η ενυδάτωση. Μετά
το τέλος της συντήρησης κόβονται 3 πυρήνες ("καρότα") διαμέτρου 100 + 5 mm και
ύψους μέχρι 125 mm (που στρογγυλεύεται σε 5 mm ως εξής: αν το πρώτο δεκαδικό είναι 3-7 γίνεται 5, αν είναι < 3 ή > 7 γίνεται 0), από τυχαίες θέσεις της αμφισβητούμενης
ποιότητας σκυροδέματος και μακριά από ακμές ή αρμούς ή θέσεις με οφθαλμοφανώς
μειωμένη αντοχή (π.χ. μεγάλα κενά, θέσεις απόμιξης, θέσεις συγκέντρωσης λεπτού υλικού). Πυρήνες που περιέχουν τμήματα οπλισμού διαμέτρου μεγαλύτερης από 8 mm
απορρίπτονται. Οι πυρήνες ελέγχονται σε θλίψη μετά από συντήρηση σε περιβάλλον
δωματίου για δύο ημέρες, κοπή του ύψους για επιπεδότητα σε 95 mm τουλάχιστον και
προετοιμασία. Η αντοχή τους ανάγεται σε συμβατική αντοχή κυλίνδρου 150x300 mm
σύμφωνα με το Πρότυπο ΕΛΟΤ-344 (ελαφρά τροποποιημένο, όπως καθορίζει ο Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος), πολλαπλασιάζοντας με (1.05λ1/ΚdΚt), όπου:
λ1 = συντελεστής μορφής, ίσος με 0.85 για λόγο ύψους προς διάμετρο πυρήνα,
h/d, ίσο με 1.0, ή με 0.91 για h/d = 1.25 (για ενδιάμεσες τιμές γίνεται γραμμική παρεμβολή και για την οριακή περίπτωση που h/d= 0.95 το λ1 είναι ίσο με 0.83).
Kd = συντελεστής πάχους, ίσος με 1.0 για πάχος ελεγχόμενου στοιχείου μεγαλύτερο ή ίσο από 250 mm, ή με 0.95, για πάχος μικρότερο ή ίσο από 150 mm (γραμμική παρεμβολή για ενδιάμεσες τιμές).
Κt = συντελεστής ηλικίας, ίσος με 1.0 αν οι έλεγχοι γίνουν πριν τη συμπλήρωση
δύο μηνών από τη σκυροδέτηση, 1.10 αν έχουν περάσει δύο μήνες, ή 1.15, αν έχουν
περάσει τρεις ή περισσότεροι.
Αν χρειάζεται αναγωγή των αντοχών πυρήνα σε κυβικό δοκίμιο πλευράς 150 mm,
τότε η παραπάνω διόρθωση ακολουθείται από αναγωγή κατά τον Πίνακα 6.1 (με γραμμική παρεμβολή για ενδιάμεσες τιμές). Αφού γίνει η αναγωγή αντοχών των 3 πυρήνων
σε συμβατικές αντοχές δοκιμίων της μορφής για την οποία έχει οριστεί η συμβατική
αντοχή, fck, ελέγχεται αν ο μέσος όρος τους ικανοποιεί (με περιθώριο ασφάλειας 0.5
MPa τουλάχιστον) τον 2ο ή 4ο κανόνα αποδοχής, ανάλογα με το αν η αρχική δειγματοληψία είχε γίνει με 6 ή 12 δοκίμια, αντίστοιχα. Αν ο έλεγχος αυτός δώσει θετικό αποτέλεσμα, τότε η αντοχή του αναμίγματος ή του φορτίου θεωρείται ικανοποιητική, διαφορετικά
αμφισβητείται η ποιότητα όλης της αντίστοιχης παρτίδας σκυροδέματος και απαιτείται
επανέλεγχος της τελευταίας.
Ο επανέλεγχος ολόκληρης παρτίδας σκυροδέματος γίνεται με κοπή 6 πυρήνων
κατά τα παραπάνω. Μετά την αναγωγή των αντοχών σε αντοχές συμβατικών δοκιμίων
ελέγχεται αν ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση των δοκιμίων ικανοποιούν τον 1ο κα νόνα αποδοχής. Αν ο έλεγχος αυτός δώσει αρνητικά αποτελέσματα, αποκόπτονται 6
ακόμα πυρήνες ώστε να συμπληρωθούν 12. Μετά την αναγωγή των αντοχών εξετάζεται
μήπως ο πυρήνας με τη μικρότερη αντοχή, xmin, έχει ληφθεί από θέση τόσο μειωμένης
αντοχής ώστε δεν μπορεί να θεωρηθεί στατιστικά ότι ανήκει στον ίδιο πληθυσμό με τους
υπόλοιπους. Έτσι, αν
xmin  x12−2.28 s
όπου x12 και s είναι ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση του δείγματος των 12 πυρήνων, ο πυρήνας αυτός συμπεριλαμβάνεται στο δείγμα, διαφορετικά ο πυρήνας αυτός
αγνοείται. Τέλος, ο επανέλεγχος γίνεται με βάση τον 3ο κανόνα αποδοχής, με μέσο όρο
x11 ή x12 και τυπική απόκλιση που υπολογίζεται από την εξίσωση 6.5 (σελ. 156) με n =
11 ή 12, αντίστοιχα.
162
Αν ο 3ος κανόνας αποδοχής ικανοποιείται, η παρτίδα γίνεται αποδεκτή. Διαφορετικά θεωρείται μειωμένης αντοχής, οπότε ακολουθεί λεπτομερής έλεγχος του αντίστοιχου
τμήματος της κατασκευής με συνδυασμό πρόσθετων πυρηνοληψιών, έμμεσων μετρήσεων αντοχής (π.χ. κρουσίμετρο, υπέρηχοι), ακριβέστερης ανάλυσης του δομικού συστήματος (πιθανόν με μειωμένα φορτία), και, αν είναι δυνατόν, δοκιμαστικών φορτίσεων. Με βάση τα αποτελέσματα των παραπάνω ελέγχων αποφασίζεται αν η κατασκευή
έχει ικανοποιητική αντοχή, αν απαιτείται ενίσχυση, ή ακόμα και κατεδάφισή της. Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με το θέμα αυτό δίνονται στον Κανονισμό Τεχνολογίας
Σκυροδέματος.
Τέλος επισημαίνεται ότι οι τρύπες στο σκυρόδεμα από τη λήψη των πυρήνων
πρέπει να γεμίσουν το συντομότερο δυνατό με κατάλληλο σκυρόδεμα μειωμένης συστολής ξήρανσης και αυξημένης ικανότητας πρόσφυσης.
6.10.4.4. Έλεγχος Κατηγορίας Κάθισης
Η κατηγορία κάθισης προδιαγράφεται από τον μηχανικό. Αν η κάθιση που μετράται βρίσκεται έξω από τα όρια αυτά, τότε γίνονται άλλες δύο δοκιμές σε νέο δείγμα
και υπολογίζεται ο μέσος όρος των τεσσάρων μετρήσεων (που πρέπει να γίνουν σε
διάστημα 15 λεπτών). Αν ο τελικός μέσος όρος ξεπερνά την επιθυμητή κάθιση περισσότερο από τις παραπάνω ανοχές, τότε ο επιβλέπων του έργου δικαιούται να θεωρήσει
τη διαφορά ως περίσσεια νερού στο ανάμιγμα και να επιστρέψει το φορτίο του σκυροδέματος, ενώ αν ο μέσος όρος είναι μικρότερος από τις ανοχές, ο επιβλέπων μπορεί να
παραλάβει το φορτίο αφού αποκατασταθεί η κάθιση επί τόπου, με την προσθήκη υπερρευστοποιητικού.
6.10.5. Έλεγχος και Κριτήρια Συμμόρφωσης βάσει του ΕΝ 206-1
Οι έλεγχοι συμμόρφωσης κατά ΕΝ 206-1 διαφοροποιούνται κάπως σε σχέση με
τους προαναφερθέντες κατά τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, έχοντας ως κεντρικό άξονα το σκυρόδεμα ως εργοστασιακό ή εργοταξιακό μεγάλων έργων, με σταθερή ποιότητα παραγωγής. Η παρουσίασή τους γίνεται συνοπτικά παρακάτω.
6.10.5.1. Έλεγχος Συμμόρφωσης για Σχεδιαζόμενο Σκυρόδεμα
Έλεγχος συμμόρφωσης θλιπτικής αντοχής. Η λήψη δειγμάτων για την παρασκευή δοκιμίων γίνεται τυχαία, με ελάχιστη συχνότητα αυτή που δίνει ο Πίνακας 6.25.
Στην περίπτωση χρήσης ρευστοποιητικών ή υπερρευστοποιητικών πρόσμικτων επιτρέπεται η λήψη δοκιμίων πριν από την προσθήκη αυτών, αρκεί να αποδεικνύεται μέσω
προκαταρκτικών δοκιμών ότι τα πρόσμικτα δεν επηρεάζουν δυσμενώς την αντοχή. Ως
αποτέλεσμα μίας δοκιμής θεωρείται αυτό που προκύπτει είτε από τη θραύση ενός συμβατικού δοκιμίου είτε ως μέση τιμή των αντοχών δύο ή περισσοτέρων συμβατικών δοκιμίων που κατασκευάσθηκαν από το ίδιο δείγμα. Στην τελευταία περίπτωση, αν οι επιμέρους τιμές αντοχής διαφέρουν από τη μέση τιμή πάνω από το 15% αυτής, τότε η συγκεκριμένη δειγματοληψία θεωρείται ως μη γενόμενη, εκτός και αν τα αποτελέσματα
μίας συγκεκριμένης δοκιμής τεκμηριωμένα απορρίπτονται.
Η συμμόρφωση του σκυροδέματος ελέγχεται βάσει αποτελεσμάτων που προέκυψαν σε διάστημα μικρότερο του ενός έτους βάσει των κριτηρίων 1 και 2 του Πίνακα
6.26, τα οποία πρέπει να ικανοποιούνται ταυτοχρόνως. Η τυπική απόκλιση θα πρέπει
να υπολογίζεται βάσει τουλάχιστον 35 διαδοχικών δοκιμών, για περίοδο άνω των τριών
μηνών αμέσως πριν από την περίοδο παραγωγής κατά την οποία εφαρμόζεται ο έλεγχος συμμόρφωσης. Τούτο είναι αποδεκτό αρκεί η τυπική απόκλιση των τελευταίων 15
Σκυρόδεμα
163
αποτελεσμάτων, s15, να βρίσκεται εντός του εύρους τιμών που ορίζεται από την τυπική
απόκλιση πολλαπλασιασμένη επί 0.63 και 1.37. Αν η s 15 βρίσκεται εκτός του εύρους αυτού, τότε ως τυπική απόκλιση θα λαμβάνεται αυτή που αντιστοιχεί στα τελευταία 35
αποτελέσματα. Εναλλακτικά, η τυπική απόκλιση μπορεί να αναθεωρείται σε συνεχή
βάση.
Παραγωγή
Ελάχιστος ρυθμός δειγματοληψίας
Για τα
Μετά τα πρώτα 50 m3 παραγωγής*
3
πρώτα 50 m Σκυρόδεμα με πιστοποιη- Σκυρόδεμα χωρίς πιστοποιηπαραγωγής τικό ελέγχου παραγωγής
τικό ελέγχου παραγωγής
Αρχική (διαθεσιμότητα < 3 δοκίμια
1/200 m3 ή
1/150 m3 ή 2/ημέρα παραγωγής
35 δοκιμών)
2/εβδομάδα παραγωγής
Συνεχής** (> 35 δοκιμές σε
1/400 m3 ή
λιγότερο από ένα έτος)
1/εβδομάδα παραγωγής
* Η λήψη δειγμάτων γίνεται από όλη την παραγωγή, ομοιόμορφα, με μέγιστο 1 δείγμα ανά 25 m3.
** Όπου η τυπική απόκλιση των τελευταίων 15 αποτελεσμάτων δοκιμών ξεπερνά το 1.35s, ο ρυθμός
δειγματοληψίας αυξάνεται για τις επόμενες 35 δοκιμές σε αυτόν που προβλέπεται για αρχική παραγωγή.
Πίνακας 6.25: Ελάχιστος ρυθμός δειγματοληψίας για τον έλεγχο συμμόρφωσης.
Η προαναφερθείσα δειγματοληψία γίνεται είτε από μεμονωμένα αναμίγματα είτε
από "οικογένειες" σκυροδεμάτων. Ως οικογένεια ορίζεται συγκεκριμένη ποσότητα παραγωγής με κοινά χαρακτηριστικά, π.χ. ίδιος τύπος τσιμέντου, παρόμοια αδρανή (ίδιας γεωλογικής προέλευσης και μεθόδου παραγωγής) και τυχόν πρόσθετα, σκυροδέματα με
περιορισμένο εύρος κατηγοριών αντοχής κ.τ.λ. Όταν λοιπόν ο έλεγχος συμμόρφωσης
γίνεται σε οικογένεια σκυροδεμάτων, αρχικά επιλέγεται ένα σκυρόδεμα αναφοράς (π.χ.
ο ευρύτερα χρησιμοποιούμενος τύπος σκυροδέματος της οικογένειας ή σκυρόδεμα με
αντοχή στο μέσον περίπου του εύρους των αντοχών της οικογένειας) και ακολούθως
βρίσκονται οι σχέσεις αντοχής του σκυροδέματος αναφοράς με τα υπόλοιπα της οικογένειας. Για την εφαρμογή του ελέγχου συμμόρφωσης το κριτήριο 1 εφαρμόζεται στο
σκυρόδεμα αναφοράς, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα ανηγμένα (στο σκυρόδεμα αναφοράς) αποτελέσματα για την οικογένεια σκυροδεμάτων, ενώ το κριτήριο 2 εφαρμόζεται σε
όλα τα πρωτότυπα πειραματικά αποτελέσματα. Το αν κάθε μεμονωμένος τύπος σκυροδέματος ανήκει στην οικογένεια ελέγχεται μέσω του κριτηρίου 3 του Πίνακα 6.27 για την
μέση τιμή όλων των μη ανηγμένων πειραματικών αποτελεσμάτων. Σε περίπτωση μη
ικανοποίησης του κριτηρίου το εν λόγω σκυρόδεμα τίθεται εκτός της οικογένειας και
ελέγχεται για συμμόρφωση ως μεμονωμένο.
Παραγωγή Αριθμός "n" αποτελεσμάτων θλιπτικής αντοχής
Αρχική
3
Συνεχής
15
Κριτήριο 1
Κριτήριο 2
Μέση τιμή "n" αποτε- Αντοχή κάθε δείγλεσμάτων fcm (MPa)
ματος fci Mpa)
≥fck+4
≥fck-4
≥fck+1.48s
≥fck-4
Πίνακας 6.26: Κριτήρια συμμόρφωσης για τη θλιπτική αντοχή.
Αριθμός "n" αποτελεσμάτων θλιπτικής αντοχής
ενός σκυροδέματος
2
3
4
5
6
Κριτήριο 3
Μέση τιμή (fcm) "n"
αποτελεσμάτων για
μεμονωμένο μέλος οικογένειας (σε MPa)
≥fck-1
≥fck+1
≥fck+2
≥fck+2.5
≥fck+3
Πίνακας 6.27: Κριτήριο συμμόρφωσης για μέλη οικογένειας σκυροδεμάτων.
164
Έλεγχος συμμόρφωσης αντοχής σε εφελκυσμό από διάρρηξη. Ισχύουν τα
προαναφερθέντα για τη θλιπτική αντοχή, με εξαίρεση τα περί οικογένειας σκυροδεμάτων, τα οποία δεν έχουν εφαρμογή στην περίπτωση ελέγχου συμμόρφωσης της
αντοχής σε εφελκυσμό από διάρρηξη. Τα κριτήρια συμμόρφωσης δίνονται στον Πίνακα
6.28.
Παραγωγή Αριθμός "n"
αποτελεσμάτων
Αρχική
3
Συνεχής
15
Κριτήριο 1
Κριτήριο 2
Μέση τιμή "n" αποτε- Αντοχή κάθε δείγλεσμάτων fctm (MPa)
ματος fcti (MPa)
≥fctk+0.5
≥fctk-0.5
≥fctk+1.48s
≥fctk-0.5
Πίνακας 6.28: Κριτήρια συμμόρφωσης για την αντοχή σε εφελκυσμό από διάρρηξη.
Έλεγχος συμμόρφωσης άλλων ιδιοτήτων. Ο έλεγχος συμμόρφωσης άλλων
ιδιοτήτων πλην των αντοχών (π.χ. πυκνότητα, λόγος Ν/Τ, περιεκτικότητα τσιμέντου,
αέρα και χλωρίων, κάθιση, χρόνος Vebe, βαθμός συμπύκνωσης, μέτρο ρευστότητας)
για σκυρόδεμα συγκεκριμένης περιόδου παραγωγής (που δεν ξεπερνά το ένα έτος) ικανοποιείται όταν: (α) ο αριθμός αποτελεσμάτων (εντός της συγκεκριμένης περιόδου) τα
οποία βρίσκονται εκτός των προδιαγραφομένων οριακών τιμών, ορίων κατηγορίας κ.τ.λ.
είναι μικρότερος από έναν μέγιστο επιτρεπόμενο και (β) όλα τα επιμέρους αποτελέσματα είναι εντός των ορίων μίας μέγιστης επιτρεπόμενης απόκλισης. Τα παραπάνω μέγιστα καθορίζονται σε πίνακες του ΕΝ 206-1.
6.10.5.2. Έλεγχος Συμμόρφωσης για Προδιαγραφόμενο Σκυρόδεμα
Ο έλεγχος συμμόρφωσης για το προδιαγραφόμενο σκυρόδεμα συνίσταται στη σύγκριση της ποσότητας τσιμέντου, του μέγιστου κόκκου και των αναλογιών (αν καθορίζονται) των αδρανών, του λόγου Ν/Τ και της ποσότητας τυχόν πρόσμικτων ή πρόσθετων,
όπως αυτά προδιαγράφονται, με τις πραγματικές τιμές, όπως αυτές δίνονται στο εκτυπωμένο δελτίο υλικών ανάμιξης της μονάδας παραγωγής (ή μετρώνται μέσω ανάλυσης
του νωπού σκυροδέματος). Αν οι διαφορές που προκύπτουν βρίσκονται εντός συγκεκριμένων ανοχών ο έλεγχος ικανοποιείται. Οι ανοχές αυτές είναι: ±3% για το τσιμέντο,
το νερό, τα αδρανή και τυχόν πρόσθετα σε ποσότητα > 5% κ.β. τσιμέντου, ±5% για τυ χόν πρόσμικτα και πρόσθετα σε ποσοστό < 5% κ.β. τσιμέντου και ±4% για το Ν/Τ.
6.11. Μελέτη Σύνθεσης Σκυροδέματος
6.11.1. Γενικά
Η εύρεση της αναλογίας των διαφόρων συστατικών στο σκυρόδεμα, δηλαδή η μελέτη σύνθεσης του σκυροδέματος, αποτελεί μία περισσότερο εμπειρική και λιγότερο
επιστημονική διαδικασία, σύμφωνα με την οποία υπολογίζονται οι σωστές ποσότητες
τσιμέντου, αδρανών, νερού και πρόσμικτων ή πρόσθετων (αν χρειάζονται), ώστε να
προκύψει σκυρόδεμα με το ελάχιστο δυνατό κόστος, ικανοποιώντας ταυτόχρονα συγκεκριμένες απαιτήσεις. Οι απαιτήσεις αφορούν σε μία σειρά από παραμέτρους επιτελεστικότητας, όπως είναι η αντοχή και η εργασιμότητα (δηλαδή να ξεπερνά η μέση συμβατική αντοχή σε 28 ημέρες την απαιτούμενη και η κάθιση να βρίσκεται εντός δεδομένων
ορίων), ενώ παράλληλα θα πρέπει να ικανοποιούνται συγκεκριμένες απαιτήσεις ως
προς το μέγιστο κόκκο αδρανών, την ελάχιστη ποσότητα τσιμέντου, το μέγιστο λόγο νερού προς τσιμέντο κ.τ.λ., ώστε να εξασφαλίζεται η προστασία των οπλισμών έναντι
διάβρωσης αλλά ενδεχομένως και άλλες ιδιότητες, όπως π.χ. η ανθεκτικότητα σε παγετό ή σε τυχόν βλαβερά χημικά.
Σκυρόδεμα
165
Το κόστος των υλικών του σκυροδέματος καθορίζεται κυρίως από το κόστος του
τσιμέντου, που είναι μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερο από αυτό των αδρανών. Επομένως,
είναι σκόπιμο όχι μόνο να χρησιμοποιείται η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα τσιμέντου
στο ανάμιγμα, αλλά και το ίδιο το τσιμέντο να είναι χαμηλού κόστους περιέχοντας προσμίξεις (π.χ. ποζολανικές), όπου φυσικά αυτό είναι δυνατό και στο βαθμό που επιτρέπεται, ώστε να μην επηρεάζονται δυσμενώς τα χαρακτηριστικά του σκυροδέματος.
Ως γενικές οδηγίες σχετικά με την επίτευξη της βέλτιστης εργασιμότητας (δηλαδή
της ρευστότητας και της συνεκτικότητας) του σκυροδέματος μπορούμε να αναφέρουμε
τις παρακάτω:
●
Η ρευστότητα δεν πρέπει να ξεπερνά αυτήν που απαιτείται για τη διάστρωση, συμπύκνωση και τελείωμα.
●
Για τη βελτίωση της συνεκτικότητας είναι προτιμότερο να αυξηθεί ο λόγος άμμου
προς χονδρά αδρανή αντί για την αναλογία των λεπτόκοκκων συστατικών της άμμου.
●
Για σκυροδέματα με μεγάλες απαιτήσεις ρευστότητας κατά τη διάστρωση είναι
προτιμότερο να χρησιμοποιούνται ρευστοποιητικά ή υπερρευστοποιητικά αντί για
πρόσθετο νερό, ώστε να αποφευχθούν δυσάρεστες επιπτώσεις στην αντοχή και στην
ανθεκτικότητα σε διάρκεια.
Όπως έχει προαναφερθεί, η ρευστότητα εκτιμάται συνήθως με την κάθιση, που είναι σχεδόν ανάλογη της περιεκτικότητας του αναμίγματος σε νερό. Η απαιτούμενη ποσότητα νερού για την επίτευξη δεδομένης κάθισης γενικά μειώνεται αυξάνοντας το μέγιστο κόκκο καλά διαβαθμισμένων αδρανών, μειώνοντας την περιεκτικότητα αδρανών με
γωνιώδεις και τραχειές επιφάνειες και αυξάνοντας την ποσότητα του εγλωβισμένου στο
ανάμιγμα αέρα.
Σε προηγούμενες ενότητες έχει εξηγηθεί ότι υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της
αντοχής του σκυροδέματος και της ανθεκτικότητας σε διάρκεια, γι' αυτό και η δεύτερη
επιτυγχάνεται έμμεσα, εκτός από ορισμένες περιπτώσεις που πρέπει να ληφθούν ειδικά
μέτρα (π.χ. χρήση αερακτικού ή άλλων πρόσμικτων). Γενικά, η αύξηση της αντοχής
ενός αναμίγματος επιτυγχάνεται μειώνοντας το λόγο Ν/Τ. Η μείωση αυτή είναι προτιμότερο να γίνεται χωρίς να αυξάνεται η ποσότητα του τσιμέντου αλλά μειώνοντας την
ποσότητα νερού (π.χ. με κατάλληλη διαβάθμιση των αδρανών ή χρησιμοποιώντας ρευστοποιητικά πρόσμικτα), ώστε να μειώνεται το κόστος αλλά και η πιθανότητα ρηγματώσεων λόγω μεγάλης θερμότητας ενυδάτωσης ή συστολής ξήρανσης.
6.11.2. Διαδικασία Μελέτης Σύνθεσης
Η μελέτη σύνθεσης μπορεί να γίνει μόνο εργαστηριακά, βάσει μίας διαδικασίας
διαδοχικών δοκιμών, χρησιμοποιώντας τα συγκεκριμένα υλικά που είναι διαθέσιμα για
την παρασκευή του σκυροδέματος. Σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, μελέτες σύνθεσης μπορούν να γίνονται μόνο από Εργαστήρια του Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε., από Εργαστήρια των Α.Ε.Ι. και από αναγνωρισμένα ιδιωτικά Εργαστήρια (διαπιστευμένα Εργαστήρια και Εργαστήρια που εποπτεύονται από το Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε.). Η μελέτη σύνθεσης κάθε ποιότητας σκυροδέματος πρέπει να γίνεται στην αρχή κάθε έργου
και να επαναλαμβάνεται: (α) όταν αλλάζει η πηγή λήψης αδρανών (β) όταν τα αδρανή
παρουσιάζουν διαφορετική διαβάθμιση από εκείνη που είχαν στη μελέτη σύνθεσης, με
αποκλίσεις που ξεπερνούν το 10% για τα κόσκινα τα μεγαλύτερα των □4 ή Νο4, το 8%
για τα κόσκινα της άμμου (πλην του □0.25) και το 5% για το κόσκινο □0.25 (γ) όταν αλλάζουν τα πρόσμικτα ή ο τύπος τσιμέντου ή η κατηγορία αντοχής τσιμέντου' (δ) όταν το
μίγμα παρουσιάζει τάσεις απόμιξης ή η κάθισή του δεν ικανοποιεί τις σχετικές απαιτή-
166
σεις μολονότι τηρούνται οι αναλογίες της μελέτης σύνθεσης.
Τα δεδομένα του προβλήματος είναι συνήθως η κάθιση, η απαιτούμενη αντοχή, ο
μέγιστος κόκκος αδρανών, η ελάχιστη περιεκτικότητα τσιμέντου, η μορφή των δοκιμίων
ελέγχου (κυβικά ή κυλινδρικά) και τυχόν ειδικές απαιτήσεις (π.χ. επιχρισμένο/ανεπίχριστο σκυρόδεμα, παραθαλάσσιο περιβάλλον, υδατοστεγανότητα κ.τ.λ.). Επειδή ο Ελληνικός Κανονισμός στερείται αριθμητικής διαδικασίας για τη μελέτη σύνθεσης, παρακάτω
περιγράφεται μία διαδικασία (εμπειρική σε μεγάλο βαθμό) βασισμένη στις Αμερικάνικες
Προδιαγραφές (ACI 211.1-91) και με δεδομένα από την Ελληνική πραγματικότητα,
όπου υπάρχουν, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση μίας προκαταρκτικής
σύνθεσης σκυροδέματος χωρίς ειδικές απαιτήσεις, η οποία θα πρέπει βεβαίως να
επιβεβαιωθεί με πειραματικούς ελέγχους. Η διαδικασία αυτή θεωρεί δεδομένο, εκτός
από τα παραπάνω, και το μέτρο λεπτότητας της άμμου.
Ως πρώτο βήμα προσδιορίζεται η απαιτούμενη περιεκτικότητα νερού στο ανάμιγμα, ανάλογα με το μέγιστο κόκκο αδρανών (ο οποίος εξαρτάται από το πάχος επικάλυψης των οπλισμών αλλά και το πάχος του στοιχείου που θα κατασκευαστεί με το υπό
μελέτη σκυρόδεμα - ο μέγιστος κόκκος δεν επιτρέπεται να ξεπερνά το 1/3 του πάχους
αυτού) και την επιθυμητή κάθιση, που κατά το Ελληνικό Κανονισμό, για συνήθη στοιχεία
από οπλισμένο σκυρόδεμα πρέπει να ξεπερνά τα 30 mm για συλλεκτά αδρανή και τα
50 mm για θραυστά αδρανή. Μικρότερες τιμές κάθισης επιτρέπονται μόνο για προκατασκευασμένα στοιχεία που συμπυκνώνονται με ισχυρά μέσα δόνησης, για δάπεδα ή για
άοπλα ογκώδη στοιχεία. Πιο συγκεκριμένες ελάχιστες τιμές κάθισης δίνονται στον Πίνακα 6.29.α (Troxell 1968), ενώ σαφή όρια των τιμών κάθισης δίνονται στον Πίνακα 6.29.β
(ACI 211.1-91). Οι τιμές αυτές ισχύουν για συνηθισμένα στοιχεία, συμπύκνωση με καλή
δόνηση, μέσες θερμοκρασίες και συνηθισμένες πυκνότητες οπλισμού (για τα οπλισμένα
στοιχεία). Για υψηλές θερμοκρασίες, μεγάλη πυκνότητα οπλισμού (ιδιαίτερα για οπλισμό
σε περισσότερες από μία στρώσεις), ή για συμπύκνωση χωρίς δονητή, οι τιμές αυτές
πρέπει να αυξάνονται κατά 50% περίπου. Ο προσδιορισμός του νερού γίνεται από τον
Πίνακα 6.30, που δίνει και τον αναπόφευκτο όγκο κενών. Οι τιμές του Πίνακα 6.30 ισχύουν για σκυρόδεμα θραυστών αδρανών χωρίς αερακτικά πρόσμικτα. Αντικατάσταση
των θραυστών αδρανών με στρογγυλευμένα (π.χ. συλλεκτά) συνεπάγεται μείωση της
ποσότητας νερού κατά 13 kg περίπου, ενώ χρήση ρευστοποιητικού επιτρέπει μείωση
του νερού περίπου κατά 5%.
Κατόπιν εκλέγεται ο λόγος Ν/Τ από τον Πίνακα 6.31, ανάλογα με την απαιτούμενη
μέση συμβατική αντοχή του σκυροδέματος σε 28 ημέρες και τον τύπο τσιμέντου. Οι τιμές του Πίνακα 6.31 ισχύουν για καλή συμπύκνωση με δονητή. Ως μέγιστος λόγος Ν/Τ
ορίζεται κατά τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος το 0.70 για επιχρισμένο σκυρόδεμα ή το 0.67 για ανεπίχριστο ή βαμμένο ή με επικάλυψη μαρμάρου. Οι τιμές για
σκυροδέματα ειδικών απαιτήσεων συνοψίζονται ως εξής:
●
Για σκυρόδεμα μειωμένης υδατοπερατότητας, 0.58 και 0.50, για μέγιστο κόκκο
αδρανών □31.5 ή 1" και □16 ή 1/2", αντίστοιχα.
●
Για σκυρόδεμα μέσα σε νερό (όχι διαβρωτικό), 0.60.
●
Για σκυρόδεμα στη θάλασσα, 0.48.
●
Για σκυρόδεμα σε παραθαλάσσιο περιβάλλον, 0.60.
●
Για σκυρόδεμα ανθεκτικό σε χημικές προσβολές ισχύει ο Πίνακας 6.19.
Στη συνέχεια, από την περιεκτικότητα νερού και το λόγο Ν/Τ υπολογίζεται η περιεκτικότητα του αναμίγματος σε τσιμέντο.
Σκυρόδεμα
167
Είδος στοιχείου
Ογκώδη άοπλα στοιχεία, οδοστρώματα
Δάπεδα, πεζοδρόμια, βάθρα
Πέδιλα θεμελίωσης, οπλισμένοι τοίχοι αντιστήριξης
Υποστυλώματα
Πλάκες, τοιχεία, δοκοί
Κάθιση (mm)
25
50
50
80
100
Πίνακας 6.29.α: Ελάχιστες συνιστώμενες τιμές κάθισης.
Πίνακας 6.29.β: Μέγιστες και ελάχιστες τιμές κάθισης (ACI 211.1-91).
Είδος στοιχείου
Μέγιστη *
κάθιση (mm)
Οπλισμένοι τοίχοι θεμελίων και πέδιλα
75
Άοπλα θεμέλια, τοιχεία εγκιβωτισμού, τοιχεία στο έδαφος 75
Δοκοί και οπλισμένα τοιχεία
100
Υποστυλώματα
100
Δάπεδα, πεζοδρόμια, πλάκες
75
Ογκώδη στοιχεία
50
Ελάχιστη
κάθιση (mm)
25
25
25
25
25
25
* Μπορεί να αυξηθεί κατά 25 mm για συμπύκνωση χωρίς δονητή.
Νερό σε kg/m3 σκυροδέματος για μέγιστο κόκκο αδρανών (mm)
Κάθιση (mm)
9.5 12.5 19 25 37.5 50 75 150
25-50
207 199 190 179 166 154 130 113
75-100
228 216 205 193 181 169 145 124
150-175
243 228 216 202 190 178 160 —
Όγκος κενών (%) 3
2.5 2
1.5 1
0.5 0.3 0.2
Πίνακας 6.30: Απαιτούμενη
μέγιστου κόκκου.
Ν/Τ
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
Σύνθετο Τσιμέντο Portland
(Τύπου CEM II / 32.5)
Κύβος
Κύλινδρος
150 mm
150x300 mm
43
36
34
27
28
22
23
18
19
15
ποσότητα
νερού
ανάμιξης
συναρτήσει
κάθισης
και
Τσιμέντο Portland
(Τύπου CEM I / 42.5)
Κύβος
Κύλινδρος
150 mm 150x300 mm
49
41
41
34
34
27
28
22
24
19
Πίνακας 6.31: Λόγος Ν/Τ συναρτήσει μέσης συμβατικής αντοχής 28 ημερών (MPa),
τύπου δοκιμίου και τύπου τσιμέντου.
Επισημαίνεται ότι για να επιτευχθεί ένα ικανοποιητικό επίπεδο ανθεκτικότητας
(αλλά, δευτερευόντως, και να εξασφαλισθούν ομαλές και λείες επιφάνειες σκυροδέματος), πρέπει η ποσότητα τσιμέντου στο ανάμιγμα να είναι μεγαλύτερη από μία ελάχιστη
τιμή, που σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος ορίζεται ως 270
kg/m3 για επιχρισμένο σκυρόδεμα χωρίς ειδικές απαιτήσεις και σε 300 kg/m3 για ανεπίχριστο (ή βαμμένο ή με επικάλυψη μαρμάρου). Οι ελάχιστες αυτές ποσότητες ισχύουν
για μέγιστο κόκκο αδρανών □31.5 ή 1" και □63 ή 1 1/2". Για μέγιστο κόκκο □8 ή 3/8" αυξάνονται σε 320 kg/m3 και 350 kg/m3, αντίστοιχα, ενώ για μέγιστο κόκκο □16 ή 1/2" αυξάνονται σε 300 kg/m3 και 330 kg/m3, αντίστοιχα. Οι ελάχιστες ποσότητες τσιμέντου για
σκυροδέματα ειδικών απαιτήσεων συνοψίζονται ως εξής:
●
Για σκυρόδεμα ανθεκτικό σε επιφανειακή φθορά 350 kg/m3.
168
●
Για σκυρόδεμα μειωμένης υδατοπερατότητας 350 kg/m3 και 400 kg/m3, για μέγιστο
κόκκο αδρανών □31.5 ή 1" και □16 ή 1/2", αντίστοιχα.
●
Για σκυρόδεμα μέσα σε νερό (όχι διαβρωτικό) 350 kg/m3.
●
Για σκυρόδεμα στη θάλασσα 400 kg/m3.
●
Για σκυρόδεμα σε παραθαλάσσιο περιβάλλον 330 kg/m3.
●
Για σκυρόδεμα ανθεκτικό σε χημικές προσβολές ισχύει ο Πίνακας 6.19.
Οι απαιτήσεις του Πίνακα 6.19 ισχύουν για ήπιες κλιματολογικές συνθήκες, για φυσικό νερό που έχει μολυνθεί από χημικές ουσίες και είναι στάσιμο ή ρέει με βραδύτητα,
όπως και για εδάφη που είναι υγρά ή υγραίνονται συχνά. Δεν ισχύουν για θαλασσινό
νερό, για υγρά βιομηχανικά απόβλητα, για αποθέσεις στερεών βιομηχανικών αποβλήτων και γενικά για εδάφη με περιεκτικότητα θειικών μεγαλύτερη από 100 mg θειοϊόντων
ανά kg εδαφικού υλικού ξηραμένου στον αέρα. Ακόμα, οι απαιτήσεις κάθε στήλης του
Πίνακα 6.19 ισχύουν ακόμα και αν ένας μόνο από τους αναγραφόμενους χημικούς παράγοντες βρίσκεται στην περιοχή που ορίζεται σ' αυτή τη στήλη. Αν συγχρόνως δύο ή
περισσότερες τιμές χημικών παραγόντων μίας στήλης βρίσκονται στο πάνω τέταρτο
(για το pH στο κάτω τέταρτο) των ορίων προσβολής, τότε ως βαθμός προσβολής θεωρείται ο επόμενος (δυσμενέστερος) του Πίνακα 6.19. Τέλος, οι ελάχιστες ποσότητες τσιμέντου που αναγράφονται στον Πίνακα 6.19 ισχύουν για αδρανή με μέγιστο κόκκο
□31.5 ή 1". Οι ποσότητες αυτές πρέπει να ελαττώνονται κατά 30 kg/m3 για αδρανή με
μέγιστο κόκκο □63 ή 1 1/2" και να αυξάνονται κατά 30 kg/m3 για αδρανή με μέγιστο κόκκο □16 ή 1/2".
Ακολούθως υπολογίζεται ο συνολικός στερεός όγκος των αδρανών σε 1 m3 αναμίγματος. Αυτό γίνεται αφαιρώντας από το 1 m3 τον όγκο του νερού, του τσιμέντου και
του αέρα των κενών:
Όγκος στερεών αδρανών /m3=1−
mT m N
−
−Όγκος αέρα
ρΤ 1000
όπου mT = μάζα τσιμέντου (kg/m3), ρΤ = πυκνότητα στερεών του τσιμέντου (συνήθως ίση με 3100 kg/m3) και mN = μάζα νερού (kg/m3).
Αν ενδιαφέρει μόνο η συνολική ποσότητα των αδρανών, η μετατροπή του όγκου
στερεών των αδρανών σε μάζα αδρανών γίνεται πολλαπλασιάζοντας με την πυκνότητα
στερεών αδρανών ρα. Διαφορετικά, μπορεί να υπολογιστούν οι ποσότητες των χονδρόκοκκων αδρανών (γαρμπίλι και σκύρα) και της άμμου στο ανάμιγμα ώστε να ελαχιστοποιηθεί το ποσοστό των κενών του μίγματος των αδρανών. Ο φαινόμενος όγκος
των χονδρόκοκκων καθορίζεται από τον Πίνακα 6.32 συναρτήσει του μέτρου λεπτότητας της άμμου και του μέγιστου κόκκου των αδρανών. Οι τιμές του Πίνακα 6.32 ισχύουν
για μη αντλητό σκυρόδεμα, ενώ για αντλητό σκυρόδεμα μειώνονται κατά 10%. Ο όγκος
αυτός μετατρέπεται σε μάζα πολλαπλασιάζοντας με την αντίστοιχη φαινόμενη πυκνότητα, και μετά σε όγκο στερεών, διαιρώντας τη μάζα με την πυκνότητα στερεών του μίγματος των χονδρόκοκκων αδρανών. Έπειτα, ο όγκος στερεών της άμμου υπολογίζεται με
αφαίρεση του όγκου στερεών του μίγματος των χονδρόκοκκων αδρανών από τον όγκο
στερεών των αδρανών που υπολογίστηκε από την παραπάνω εξίσωση. Τέλος, η μάζα
της άμμου υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τον όγκο στερεών της με την αντίστοιχη
πυκνότητα.
Σημειώνεται ότι οι παραπάνω υπολογισμοί ισχύουν για αδρανή εσωτερικά κορεσμένα και επιφανειακά ξηρά. Αν τα αδρανή έχουν μία ποσότητα επιφανειακής υγρασίας,
αυτή πρέπει να αφαιρεθεί από την ποσότητα του νερού ανάμιξης που έχει προσδιορι-
Σκυρόδεμα
169
στεί, ενώ ταυτόχρονα πρέπει να αυξηθεί το βάρος των αδρανών στο ανάμιγμα (διότι μία
συγκεκριμένη ποσότητα υγρών αδρανών αντιπροσωπεύει μία κάπως μικρότερη πραγματική ποσότητα αδρανών). Το αντίθετο πρέπει να γίνει αν τα αδρανή απορροφούν
υγρασία από το ανάμιγμα. Τα παραπάνω γίνονται πιο κατανοητά στο παράδειγμα που
δίνεται παρακάτω.
Μέγιστος
κόκκος (mm)
9.5
12.5
19
25
37.5
50
75
150
Μέτρο λεπτότητας άμμου, FM
2.4
2.6
2.8
3.0
0.50
0.59
0.66
0.71
0.75
0.78
0.82
0.87
0.48
0.57
0.64
0.69
0.73
0.76
0.80
0.85
0.46
0.55
0.62
0.67
0.71
0.74
0.78
0.83
0.44
0.53
0.60
0.65
0.69
0.72
0.76
0.81
Πίνακας 6.32: Φαινόμενος όγκος σκύρων και γαρμπιλιού ανά m3 σκυροδέματος.
Αν για την παρασκευή σκυροδέματος χρησιμοποιούνται και ορυκτά πρόσθετα,
αυτά λαμβάνονται υπόψη στην παραπάνω διαδικασία για τον προσδιορισμό του λόγου
Ν/Τ και της ελάχιστης ποσότητας τσιμέντου ως ισοδύναμη ποσότητα τσιμέντου, θεωρώντας ότι μία μονάδα βάρους τσιμέντου ισοδυναμεί (από άποψη ιδιοτήτων του σκυροδέματος) με k μονάδες βάρους του πρόσθετου, όπου k είναι ο συντελεστής ενεργότητας. Έτσι, η ισοδύναμη ποσότητα Τ ισούται με την πραγματική μάζα τσιμέντου συν k
επί τη μάζα του πρόσθετου. Οι τιμές του συντελεστή k εξαρτώνται από τον τύπο
πρόσθετου και καθορίζονται στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 206-1. Για ιπτάμενη τέφρα k
= 0.2 ή 0.4, αν αυτή συνδυάζεται με τσιμέντο τύπου CEM I 32.5 ή CEM I 42.5 και πάνω,
αντίστοιχα. Επιπλέον, σύμφωνα με το Πρότυπο. ΕΝ 206-1, αν η ποσότητα (μάζα)
ιπτάμενης τέφρας είναι πάνω από το 0.33 της ποσότητας τσιμέντου, η ποσότητα τέφρας
που ξεπερνά αυτό το 0.33 του τσιμέντου δεν λαμβάνεται υπόψη για τον υπολογισμό του
λόγου νερό / (τσιμέντο + k ∙ ιπτάμενη τέφρα). Η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα τσιμέντου βάσει της κατηγορίας έκθεσης του υπό παρασκευή σκυροδέματος μπορεί να
μειωθεί το πολύ κατά k ∙ (ελάχιστη ποσότητα τσιμέντου - 200) kg/m3, ενώ η ποσότητα
(τσιμέντο + ιπτάμενη τέφρα) δεν θα πρέπει να είναι μικρότερη από την ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα τσιμέντου για τις δεδομένες απαιτήσεις της σχετικής κατηγορίας έκθεσης. Για πυριτική παιπάλη σε συνδυασμό με τσιμέντο τύπου CEM I το k = 2, εκτός αν
η προδιαγραφείσα τιμή του λόγου Ν/Τ είναι μεγαλύτερη από 0.45 και, ταυτόχρονα, η κατηγορία έκθεσης είναι XC ή XF, οπότε k - 1. Η προαναφερθείσα για την ιπτάμενη τέφρα
τιμή 0.33 είναι 0.11 στην περίπτωση πυριτικής παιπάλης. Τέλος, η ποσότητα (τσιμέντο
+ k ∙ πυριτική παιπάλη) δεν θα πρέπει να είναι μικρότερη από την ελάχιστη ποσότητα
τσιμέντου για τις δεδομένες απαιτήσεις της σχετικής κατηγορίας έκθεσης, ενώ η ελάχιστη ποσότητα τσιμέντου δεν θα πρέπει να μειώνεται πάνω από 30 kg/m3 σε σκυροδέματα για τα οποία η κατηγορία έκθεσης προβλέπει ελάχιστη ποσότητα τσιμέντου
≤300 kg/m3.
Τονίζεται ότι η παραπάνω διαδικασία είναι εμπειρική και δίνει προσεγγιστικά αποτελέσματα, τα οποία θα πρέπει να ελεγχθούν στο εργαστήριο. Έτσι, το σκυρόδεμα που
παρασκευάζεται βάσει της παραπάνω μελέτης σύνθεσης θα πρέπει να ελεγχθεί κυρίως
ως προς την εργασιμότητα και την αντοχή, και ενδεχομένως ως προς τον όγκο κενών.
Οι τελικές αναλογίες σύνθεσης προκύπτουν συνήθως μετά από αρκετές δοκιμές.
Παράδειγμα εφαρμογής της παραπάνω διαδικασίας (προκαταρκτικής) μελέτης
σύνθεσης δίνεται παρακάτω, ενώ παραδείγματα τυπικών τελικών συνθέσεων σκυροδεμάτων, όπως αυτές προδιαγράφονται από γνωστή εταιρεία έτοιμου σκυροδέματος
170
έχουν ως εξής (οι τιμές που δίνονται πρέπει να λαμβάνονται ως ενδεικτικές):
Άμμος:
1000-1150 kg/m3
Γαρμπίλι:
140-160 kg/m3
Σκύρα:
600-800 kg/m3
Νερό:
170-200 kg/m3
Τσιμέντο:
275-400 kg/m3 ανάλογα με τις απαιτήσεις
Επιβραδυντικό:
0.4-0.5 lt/m3
Ρευστοποιητικό:
0.4-0.5 lt/m3
6.11.2.1. Αριθμητικό Παράδειγμα Μελέτης Σύνθεσης Σκυροδέματος
Ζητείται η προκαταρκτική μελέτη σύνθεσης για επιχρισμένο μη αντλητό σκυρόδεμα
κατηγορίας C16/20 (του οποίου η αντοχή ελέγχεται βάσει κυβικών δοκιμίων) από θραυστά αδρανή με μέγιστο κόκκο 25 mm, φαινόμενη πυκνότητα 1750 kg/m3, πυκνότητα
στερεών 2650 kg/m3 και ικανότητα απορρόφησης νερού από το ανάμιγμα 2% του
βάρους τους. Η άμμος έχει μέτρο λεπτότητας FM- 2.6, το τσιμέντο είναι Τύπου CEM II /
32.5, η μελέτη σύνθεσης γίνεται σε εργοστάσιο έτοιμου σκυροδέματος και η κάθιση
προδιαγράφεται ίση με 100 mm.
Από Πίνακα 6.30: Νερό = 193 kg/m3, όγκος κενών 1.5%
Απαιτούμενη μέση αντοχή: fα = fck + 2.14s = 20 + 2.14 ∙ 5 = 30.7 MPa (επισημαίνεται ότι η τιμή αυτή είναι συντηρητική, λόγω της μεγάλης υποτιθέμενης τυπικής απόκλισης).
Από Πίνακα 6.31: Ν/Τ = 0.56 < 0.70
Τσιμέντο: 193/0.56 = 345 kg/m3 > 270 kg/m3
Στερεός όγκος αδρανών/m3 = 1 - 345/3100 -193/1000 - 0.015 = 0.68
Για το μίγμα χονδρόκοκκων αδρανών (σκύρα, γαρμπίλι):
Από Πίνακα 6.32: Φαινόμενος όγκος: 0.69
Μάζα: 0.69 ∙ 1750 = 1205 kg/m3
Όγκος στερεών: 1205/2650 = 0.45
Για την άμμο:
Στερεός όγκος: 0.68 - 0.45 = 0.23
Μάζα: 0.23 ∙ 2650 = 610 kg/m3
Οι παραπάνω ποσότητες ισχύουν για επιφανειακά ξηρά και εσωτερικά κορεσμένα
αδρανή. Αφού τα αδρανή απορροφούν 2% του βάρους τους νερό, οι ποσότητές τους
πρέπει να μειωθούν σε 1205/1.02 = 1180 kg/m3 για τα χονδρόκοκκο και σε 610/1.02 =
600 kg/m3 για την άμμο. Η διαφορά τών 0.02∙(1205 + 610) = 36 kg/m3 είναι νερό που
πρέπει να προστεθεί στο ανάμιγμα. Επομένως, οι τελικές ποσότητες είναι:
Νερό:
229 kg/m3
Τσιμέντο:
345 kg/m3
Άμμος:
600 kg/m3
Σκύρα και γαρμπίλι: 1180 kg/m3
Σκυρόδεμα
Σύνολο:
171
2360 kg/m3
Ας σημειωθεί ότι αν η παραπάνω διόρθωση παραληφθεί, η απορρόφηση από τα
αδρανή θα μειώσει το νερό σε 157 kg/m3, οπότε θα είναι Ν/Τ = 0.45, με αποτέλεσμα να
αυξηθεί σημαντικά η μέση αντοχή αλλά να μειωθεί αρκετά η κάθιση.
6.12. Μέθοδοι Μη-καταστροφικού Ελέγχου (Έμμεσες Μέθοδοι)
Οι μέθοδοι μη-καταστροφικού ελέγχου του σκυροδέματος (ή έμμεσες μέθοδοι)
αποσκοπούν στην εκτίμηση ορισμένων ιδιοτήτων ή χαρακτηριστικών του υλικού σε παλαιές ή νέες κατασκευές βάσει πειραματικών διαδικασιών που δεν επιφέρουν ζημιά
(όπως είναι η θραύση πυρήνων). Γενικά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: (α) σε αυτές
που στηρίζονται στη μέτρηση μίας ιδιότητας του σκυροδέματος (π.χ. επιφανειακή σκληρότητα, μέτρο ελαστικότητας) βάσει της οποίας εκτιμάται η αντοχή, η ανθεκτικότητα σε
διάρκεια κ.τ.λ. και (β) σε αυτές που αποσκοπούν στον προδιορισμό διαφόρων χαρακτηριστικών, όπως η θέση, η διάμετρος και η κατάσταση των ράβδων οπλισμού, περιοχές
κακής συμπύκνωσης, περιεκτικότητα σε υγρασία κ.τ.λ. Οι μέθοδοι που ενδιαφέρουν περισσότερο είναι συνήθως αυτές που στηρίζονται σε σχέσεις μεταξύ αντοχής και άλλων
ιδιοτήτων, οι οποίες έχουν στατιστικό χαρακτήρα. Ας σημειωθεί ότι στη διασπορά των
τιμών της αντοχής προστίθεται και αυτή που προέρχεται από την ασάφεια της σχέσης
αντοχής-μετρούμενης ιδιότητας, καθώς και η διασπορά στη μέτρηση της ιδιότητας, δίνοντας συνολική διασπορά της τάξης του 20-30% (Malhotra 1984). Έτσι γενικά συνιστάται
η χρήση των μεθόδων αυτών να γίνεται από έμπειρο προσωπικό και σε συσχέτιση με
εργαστηριακές μεθόδους, το δε αποτέλεσμα να θεωρείται ενδεικτικό και χρήσιμο κυρίως
για σύγκριση της ποιότητας του σκυροδέματος από περιοχή σε περιοχή. Συνοπτική περιγραφή των σημαντικότερων μεθόδων μη-καταστροφικού ελέγχου δίνεται παρακάτω,
ενώ περισσότερες λεπτομέρειες μπορούν να βρεθούν στο τεύχος των Σπανός κ.α.
(2002).
6.12.1. Το Κρουσίμετρο Αναπήδησης Schmidt
Βασική αρχή της μεθόδου είναι ότι η αναπήδηση ελαστικής μάζας εξαρτάται από
τη σκληρότητα της επιφάνειας πάνω στην οποία γίνεται η κρούση. Το κρουσίμετρο αναπήδησης, που δείχνεται στο Σχ. 6.57, πιέζεται προς την επιφάνεια του σκυροδέματος,
με αποτέλεσμα το έμβολο που πιέζεται (προς το σκυρόδεμα) να προκαλεί την αναπήδηση της μάζας που είναι στερεωμένη στο εσωτερικό του μέσω ελατηρίου, που αρχικά είναι τεντωμένο. Η αναπήδηση της μάζας συσχετίζεται με την αντοχή του σκυροδέματος
μέσω καμπυλών, που έχουν προκύψει από πειράματα.
Επειδή τα αποτελέσματα της δοκιμής είναι ευαίσθητα στην παρουσία αδρανών ή
κενών στην επαφή με το έμβολο, συνιστάται να γίνονται περίπου 10-15 μετρήσεις στην
ίδια περιοχή του σκυροδέματος και να λαμβάνεται ο μέσος όρος. Επίσης, η κρούση
πρέπει να γίνεται πάντα κάθετα προς την επιφάνεια, η οποία πρέπει να είναι λεία. Η
θέση του κρουσίμετρου ως προς την κατακόρυφο επηρεάζει κάπως τα αποτελέσματα
και αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στις καμπύλες συσχετισμού.
Η σχέση αναπήδησης-αντοχής δεν είναι μοναδική, αλλά εξαρτάται από παράγοντες σχετικούς με την ποιότητα της επιφάνειας του σκυροδέματος, όπως είναι η συμπύκνωση, το τελείωμα, η ποιότητα και ποσότητα τσιμέντου, η ηλικία, η υγρασία, η θερμοκρασία περιβάλλοντος, το βάθος ενανθράκωσης κ.τ.λ. Γι' αυτό, οι καμπύλες συσχετισμού θα πρέπει να έχουν προκύψει από τη μέτρηση αντοχών πυρήνων από σκυρόδεμα
με τα ίδια ή παρόμοια χαρακτηριστικά (π.χ. σύσταση, σύνθεση) με το υπό εξέταση σκυρόδεμα. Τονίζεται πάντως ότι η ακρίβεια της μεθόδου με κατάλληλα βαθμονομημένο
172
κρουσίμετρο είναι της τάξης του ±15-20% για δοκίμια στο εργαστήριο και του ±25% για
πραγματικές κατασκευές (Malhotra and Carino 1991).
Τυπικά δεδομένα για τη συσχέτιση της αντοχής κύβου σκυροδέματος 28 ημερών
(fc), με την αναπήδηση κρουσίμετρου (που λέγεται και συντελεστής αναπήδησης) δίνονται στο Σχ. 6.58 (Τρέζος κ.α. 1993). Τα σκυροδέματα παρασκευάστηκαν από ασβεστολιθικά αδρανή, με τσιμέντα Ι/35 και ΙΙ/35, και λόγο N/Τ από 0.50-0.86.
Σχ. 6.57: Κρουσίμετρο αναπήδησης.
Σχ. 6.58: Αντοχή κυβικών δοκιμίων σε 28 ημέρες, συναρτήσει της ένδειξης του κρουσίμετρου.
Η σχέση που περιγράφει καλύτερα τα πειραματικά αποτελέσματα του Σχ. 6.58 είναι της μορφής:
Σκυρόδεμα
173
f c =−14.7961.058 R0.0147 R2
MPa 
στην οποία R είναι ο συντελεστής αναπήδησης. Ας σημειωθεί ότι στην περίπτωση
ενανθρακωμένου σκυροδέματος, η αντοχή του σκυροδέματος προσδιοριζόμενη με το
κρουσίμετρο αγνοώντας την ενανθράκωση είναι μεγαλύτερη από την πραγματική αντοχή. Ο λόγος αυτών των αντοχών είναι της τάξης του 1+0.04x, όπου x το βάθος ενανθράκωσης σε mm (Τρέζος κ.α. 1993).
6.12.2. Δοκιμή Ταχύτητας Υπερήχων
Η αρχή της δοκιμής ταχύτητας υπερήχων είναι ότι η ταχύτητα του ήχου, V, που
διαδίδεται μέσω στερεού σώματος συνδέεται με το μέτρο ελαστικότητας, Ε, και την πυκνότητα, ρ, του σώματος βάσει της σχέσης:
V=

E
ρ
Η σχέση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του μέτρου ελαστικότητας σκυροδέματος γνωστής πυκνότητας (δυναμικό μέτρο ελαστικότητας, Ecd), το
οποίο συσχετίζεται με την αντοχή. Ο εξοπλισμός της δοκιμής περιλαμβάνει βασικά έναν
πομπό σε επαφή με το σκυρόδεμα και ένα δέκτη επίσης σε επαφή με το σκυρόδεμα
αλλά σε ορισμένη απόσταση από τον πομπό (Σχ. 6.59). Ο πομπός παράγει υπέρηχους
(ηχητικά κύματα ταχύτητας πάνω από 20.000 m/sec) από έναν ηλεκτροακουστικό κρύσταλλο βάσει του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, ενώ ο δέκτης (που είναι επίσης ηλεκτροακουστικός) συλλαμβάνει τους υπέρηχους και τους μετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα, που
μέσω ενισχυτή καταγράφεται σε παλμογράφο. Ο χρόνος που απαιτείται για τη διάδοση
της ταλάντωσης από τον πομπό στο δέκτη μετράται ηλεκτρονικά με ακρίβεια ±0.1x10 -6
sec, και με γνωστή την απόσταση πομπού-δέκτη υπολογίζεται η ταχύτητα των υπερήχων (Jones 1962).
Η ευαισθησία των οργάνων, άρα και η ακρίβεια της μεθόδου, μεγιστοποιείται όταν
η μετάδοση γίνεται απευθείας (Σχ. 6.59.α), οπότε μετρώνται μόνο διαμήκη κύματα, ενώ
σε περιπτώσεις ημι-απευθείας μετάδοσης (Σχ. 6.59.β) ή επιφανειακής μετάδοσης (Σχ.
6.59.γ) το σήμα επηρεάζεται και από εγκάρσια ή επιφανειακά κύματα.
Σχ. 6.59: Μέθοδος μέτρησης ταχύτητας υπερήχων με (α) απευθείας μετάδοση, (β) ημι-απευθείας μετάδοση και (γ) επιφανειακή μετάδοση.
Όπως και στην προηγούμενη μέθοδο, η σχέση ταχύτητας-αντοχής εξαρτάται από
πολλούς παράγοντες, όπως τη διαβάθμιση, το μέγεθος, ο τύπος και το ποσοστό αδρανών, ο τύπος τσιμέντου, ο λόγος Ν/Τ, τα πρόσμικτα ή πρόσθετα, ο βαθμός συμπύκνωσης, οι συνθήκες συντήρησης, η ηλικία, η υγρασία και η θερμοκρασία του σκυροδέματος, το μέγεθος και σχήμα του δοκιμίου, η τυχόν παρουσία οπλισμού, η ύπαρξη ρωγ-
174
μών κ.τ.λ. Γι' αυτό, οι καμπύλες συσχετισμού ταχύτητας-αντοχής θα πρέπει να έχουν
προκύψει από τη μέτρηση αντοχών πυρήνων από σκυρόδεμα με τα ίδια ή πολύ παρόμοια χαρακτηριστικά με το υπό εξέταση σκυρόδεμα. Έτσι, η μέθοδος είναι χρήσιμη
περισσότερο για τον ποιοτικό έλεγχο παρόμοιων σκυροδεμάτων, οπότε θα διαγνωστεί η
πιθανή ελλιπής συμπύκνωση ή η μεταβολή στο λόγο Ν/Τ, και λιγότερο για την εκτίμηση
της αντοχής σκυροδέματος σε υφιστάμενες κατασκευές.
Σχ. 6.60: Αντοχή κυβικών δοκιμίων σε 28 ημέρες, συναρτήσει της ταχύτητας υπερήχων.
Τυπικά δεδομένα για τη συσχέτιση της αντοχής κύβου σκυροδέματος 28 ημερών
(fc), με την ταχύτητα υπερήχων δίνονται στο Σχ. 6.60 (Τρέζος κ.α. 1993). Τα σκυροδέματα παρασκευάστηκαν από ασβεστολιθικά αδρανή, με τσιμέντα 1/35 και 11/35, και
λόγο Ν/Τ από 0.50-0.86. Εδώ, η σχέση που περιγράψει καλύτερα τα πειραματικά αποτελέσματα είναι της μορφής:
f c =440.1−221.6 V 28.9 V
2
 MPa 
στην οποία V είναι η ταχύτητα υπερήχων.
6.12.3. Εξόλκευση Ηλου
Η μέθοδος στηρίζεται στην έμπηξη ενός ήλου με καθορισμένες διαστάσεις και δύναμη έμπηξης στη μάζα του σκυροδέματος, και στη μέτρηση της δύναμης που χρειάζεται για την εξόλκευσή του. Η δύναμη εξόλκευσης δίνει ένα μέτρο της πλευρικής πίεσης
που ασκείται στην επιφάνεια του ήλου και επομένως εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά
της αντοχής του υλικού. Η αντοχή του σκυροδέματος εκτιμάται βάσει της δύναμης εξόλκευσης και καμπυλών συσχέτισης.
Στη μέθοδο που εφαρμόζεται συνήθως στην Ελλάδα χρησιμοποιείται ήλος μήκους
40 mm και διαμέτρου 4 mm που εμπηγνύεται μέσω εκτοξευτήρα καψουλιού καθορισμένης ισχύος και εξολκύεται μετά από παρέλευση 10 λεπτών με ειδικό εξολκέα με μανόμετρο, που μετράει τη δύναμη εξόλκευσης (Τάσιος και Δεμίρη 1968). Το διάστημα
των 10 λεπτών μεταξύ έμπηξης και εξόλκευσης είναι απαραίτητο για την αποκατάσταση
της ηρεμίας και θερμοκρασίας του υλικού στα αρχικά επίπεδα. Τυπικές καμπύλες συσχέτισης δύναμης εξόλκευσης-αντοχής κύβου πλευράς 20 cm σε ηλικία 28 ημερών δίνονται στο Σχ. 6.61. Οι καμπύλες αυτές έχουν προκύψει από σκυροδέματα με ασβεστολιθικά αδρανή- πυριτικά αδρανή δίνουν ενδείξεις κατά 20-24% μεγαλύτερες, γι' αυτό και
Σκυρόδεμα
175
οι μετρούμενες ενδείξεις στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να πολλαπλασιάζονται επί
0.76-0.80 (π.χ. Οικονόμου 1993).
Σχ. 6.61: Αντοχή κυβικών δοκιμίων σε 28 ημέρες, συναρτήσει της δύναμης
εξόλκευσης ήλου.
Μία παραλλαγή της μεθόδου περιλαμβάνει την τοποθέτηση βύσματος στο σκυρόδεμα ενώ αυτό είναι ακόμα νωπό (ASTM C900-82). Η εξόλκευση του βύσματος στην
περίπτωση αυτή επιφέρει θραύση του σκυροδέματος στην περιοχή του βύσματος, με
επιφάνεια θραύσης που έχει χαρακτηριστική κωνική μορφή (Σχ. 6.62). Ο λόγος της δύναμης εξόλκευσης προς την επιφάνεια θραύσης αποτελεί ένα μέτρο της διατμητικής
αντοχής του σκυροδέματος, που συσχετίζεται με την αντοχή σε θλίψη. Και εδώ, η εκτίμηση της αντοχής γίνεται βάσει διαγραμμάτων συσχετισμού δύναμης εξόλκευσης αντοχής. Βασικό μειονέκτημα στην περίπτωση αυτή είναι ότι η τοποθέτηση των βυσμάτων θα πρέπει να έχει προβλεφθεί κατά τη σκυροδέτηση.
Σχ. 6.62: Εξόλκευση βύσματος
Λόγω της μικρής σχετικά περιοχής στην οποία γίνεται η δοκιμή εξόλκευσης, τα
αποτελέσματα χαρακτηρίζονται από μεγάλη διασπορά. Εντούτοις, η δοκιμή εξόλκευσης
ήλου ενδείκνυται ιδιαίτερα για την εκτίμηση της εξέλιξης της αντοχής του σκυροδέματος
σε νεαρές ηλικίες.
6.12.4. Δοκιμή Διείσδυσης
176
Η δοκιμή αυτή, που ονομάζεται και δοκιμή Windsor, εφαρμόζεται κυρίως σε άλλες
χώρες (π.χ. Η.Π.Α.), και στηρίζεται στην αρχή ότι η ευκολία διείσδυσης αντικειμένου στο
σκυρόδεμα υπό δεδομένες συνθήκες είναι αντιστρόφως ανάλογη της αντοχής του. Περιλαμβάνει την εκτόξευση ακίδας ειδικής μορφής μέσω ειδικού πιστολιού στο σκυρόδεμα
(Σχ. 6.63) και την εκτίμηση της αντοχής βάσει καμπυλών συσχέτισης του μήκους της
ακίδας που προεξέχει μετά την έμπηξη στο σκυρόδεμα με την αντοχή. Λεπτομέρειες της
μεθόδου δίνονται στην Αμερικάνικη Προδιαγραφή ASTM C803-82.
Σχ. 6.63: Επίδραση δοκιμής διείσδυσης στο σκυρόδεμα.
Όπως και η δοκιμή κρουσίμετρου, η δοκιμή διείσδυσης μετρά ουσιαστικά σκληρότητα, που όμως δεν περιορίζεται στην επιφάνεια. Γι' αυτό τα αποτελέσματα είναι λιγότερο ευαίσθητα σε παράγοντες όπως η επιφανειακή υγρασία, η εξωτερική υφή και το
βάθος ενανθράκωσης (Freedman 1969).
6.12.5. Άλλες Μέθοδοι, Συνδυασμοί Μεθόδων
Άλλες τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί πρόσφατα για την εκτίμηση χαρακτηριστικών του σκυροδέματος (κυρίως άλλων εκτός από την αντοχή) βασίζονται σε: (α) ηλεκτρομαγνητικές μεθόδους, κυρίως για την ανίχνευση οπλισμών με τα γνωστά ως μαγνητόμετρα (ανιχνεύουν τη θέση αλλά και τη διάμετρο των ράβδων οπλισμού σχετικά κοντά
στην επιφάνεια του σκυροδέματος), για τη μέτρηση υγρασίας και για την ανίχνευση περιοχών με πιθανή διάβρωση των οπλισμών (β) μεθόδους ακτινοβολίας, όπως η ακτινογραφία-γ και η ακτινογραφία-Χ, για την ανίχνευση οπλισμών, κοιλοτήτων ή άλλων ανωμαλιών κ.τ.λ. (γ) κρουστικές μεθόδους, που βασίζονται στη διάδοση κρουστικών κυμάτων, για τον εντοπισμό ασυνεχειών (δ) θερμογραφικές μεθόδους, όπως η υπέρυθρη
θερμογραφία, για την ανίχνευση κοιλοτήτων, ρωγμών, οπλισμών κ.τ.λ. και (ε) ακουστικές μεθόδους, που βασίζονται στη διάδοση ακουστικών κυμάτων και προσφέρονται κυρίως για εργαστηριακή έρευνα (Malhotra 1984, Bray and Stanley 1989, Malhotra and
Carino 1991).
Σε αρκετές περιπτώσεις, οι ιδιότητες του σκυροδέματος εκτιμώνται με μεγαλύτερη
ακρίβεια κάνοντας χρήση συνδυασμού διαφόρων μεθόδων μη-καταστροφικού ελέγχου.
Στην περίπτωση εφαρμογής δύο μεθόδων για την εκτίμηση της αντοχής, η τελική
αντοχή fc προκύπτει από τη σχέση
f c=
f c s 2  f c s1
s1s 2
1
2
στην οποία fci είναι η αντοχή σύμφωνα με τη μέθοδο i και si η αντίστοιχη τυπική
Σκυρόδεμα
177
απόκλιση, όπου i = 1 ή 2 για τη μέθοδο 1 ή 2, αντίστοιχα. Ο συνηθέστερος συνδυασμός
μεθόδων αφορά στη δοκιμή κρουσίμετρου με τη μέτρηση της ταχύτητας υπερήχων.
Ένας τέτοιος συνδυσμός οδήγησε στην ανάπτυξη της μεθόδου SONREB (RILEM
1983), σύμφωνα με την οποία η αντοχή του σκυροδέματος εκτιμάται βάσει νομογραφημάτων που περιλαμβάνουν την ένδειξη κρουσίμετρου και την ταχύτητα υπερήχων.
6.13. Προηγμένα και Νέα Σκυροδέματα
Το σκυρόδεμα που χρησιμοποιείται στα συνηθισμένα οικοδομικά έργα παρουσιάζει ορισμένες φορές μειονεκτήματα, που καθιστούν τη χρήση του σε ειδικές εφαρμογές δύσκολη. Στην ενότητα αυτή περιγράφονται συνοπτικά βασικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά μίας σειράς σκυροδεμάτων ειδικών απαιτήσεων. Τέτοιες απαιτήσεις προδιαγράφουν τη χρήση σκυροδεμάτων που μπορεί να είναι ελαφρά, υψηλής αντοχής, υψηλής εργασιμότητας, οπλισμένα με ίνες, με πολυμερή, διογκούμενα, βαριά, και για
ογκώδεις κατασκευές.
6.13.1. Ελαφροσκυροδέματα
Τα ελαφροσκυροδέματα χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: σε αυτά με ελαφρά αδρανή, που περιέχουν αδρανή μεγάλου πορώδους, στα κυψελωτά, που δεν περιέχουν,
κατά κανόνα, χονδρόκοκκο αδρανή ενώ ο τσιμεντοπολτός χαρακτηρίζεται από ιστό μεγάλου πορώδους, και στα σκυροδέματα χωρίς λεπτόκοκκα αδρανή, που παρασκευάζονται από συνηθισμένα αλλά χονδρόκοκκο αδρανή και εμφανίζουν σημαντικό πορώδες.
Από άποψη λειτουργίας, διακρίνονται σε δομικά σκυροδέματα, που έχουν ικανοποιητική
αντοχή για την κατασκευή φερόντων δομικών στοιχείων, μόνωσης, που έχουν πολύ μικρή αντοχή και χρησιμοποιούνται για θερμο-ηχο-μόνωση, και δόμησης-μόνωσης, που
έχουν μέτρια αντοχή και χρησιμοποιούνται για να φέρουν μικρά φορτία (π.χ. ίδιο βάρος)
αλλά και για θερμο-ηχο-μόνωση.
Σε σύγκριση με το κοινό σκυρόδεμα, τα ελαφροσκυροδέματα έχουν μεγαλύτερο
πορώδες, μικρότερο βάρος (με σημαντικά οφέλη στη μείωση των φορτίων στις κατασκευές, που εξασφαλίζει μείωση του κόστους θεμελίωσης και ξυλοτύπων), μικρότερη
γενικά αντοχή, μικρότερο μέτρο ελαστικότητας, μικρότερο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, καλύτερες ηχομονωτικές ικανότητες, ικανοποιητική ανθεκτικότητα σε διάρκεια
(με εξαίρεση αυτή σε επιφανειακή φθορά) και μεγαλύτερο κόστος (υλικού).
6.13.1.1. Σκυρόδεμα με Ελαφρά Αδρανή
Το σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή παρασκευάζεται αντικαθιστώντας εξ ολοκλήρου
ή μερικά τα συνηθισμένα αδρανή με ελαφρά. Χαρακτηρίζεται ως ελαφροσκυρόδεμα
μόνωσης αν έχει συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας μικρότερο από περίπου 0.3 W/mK,
και ως δομικό ελαφροσκυρόδεμα, που είναι και το πιο συνηθισμένο στην πράξη, αν η
(ξηρή) πυκνότητά του (αλλά και αυτή των ελαφρών αδρανών του) δεν ξεπερνά τα 2000
kg/m3 (Eurocode 2 1994) ή αν η αντοχή του σε 28 ημέρες ξεπερνά τα 17 MPa και η πυκνότητά του φθάνει μέχρι 1850 kg/m3 το πολύ κατά τις Αμερικάνικες Προδιαγραφές (ACI
213R-87).
Σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 206-1, το σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή
κατατάσσεται με βάση την πυκνότητα (μετά από ξήρανση σε 105 °C) σε μία από τις κατηγορίες του Πίνακα 6.33, ενώ με βάση τη χαρακτηριστική αντοχή, flck, κατατάσσεται
όπως και το κανονικού (ή και μεγάλου) βάρους σκυρόδεμα, με δύο διαφορές: (α) στην
κατηγορία αντοχής προστίθεται το γράμμα L και (β) ο λόγος χαρακτηριστικής αντοχής
κύβου προς χαρακτηριστική αντοχή κυλίνδρου είναι ελαφρά μικρότερος. Έτσι οι κατηγο-
178
ρίες αντοχής είναι: LC8/9, LC12/13, LC16/18, LC20/22, LC25/28, LC30/33, LC35/38,
LC40/44, LC45/50, LC50/55, LC55/60, LC60/66, LC70/77 και LC80/88. Σημειώνεται
πάντως ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν και διαφορετικές τιμές λόγου αντοχής κύβου
προς κυλίνδρου, αρκεί να υπάρξει κατάλληλη τεκμηρίωση. Οι ελάχιστες κατηγορίες
αντοχής για προεντεταμένο ελαφροσκυρόδεμα είναι LC 30/33 ή LC 25/28, ανάλογα με
το αν η τάνυση γίνεται πριν από τη σκλήρυνση ή μετά (Eurocode 2 1994).
Κατηγορία πυκνότητας
□1.0
Πυκνότητα μετά από ξήρανση, 800-1000
ρ (kg/m3)
□1.2
□1.4
□1.6
□1.8
□2.0
1001-1200 1201-1400 1401-1600 1601-1800 1801-2000
Πίνακας 6.33: Κατηγορίες πυκνοτήτων σκυροδέματος με ελαφρά αδρανή.
Αναλογίες σύνθεσης. Η μεγαλύτερη δυσκολία στη σύνθεση του σκυροδέματος με
ελαφρά αδρανή βρίσκεται στον προσδιορισμό της ποσότητας νερού ανάμιξης που
απορροφάται από τα αδρανή (που είναι της τάξης του 10-20%, και αν τα αδρανή είναι
αρκετά ξηρά προκαλεί σημαντική μείωση της εργασιμότητας), γι' αυτό και η χρήση μεθόδων σύνθεσης που βασίζονται στο λόγο Ν/Τ είναι δύσκολα εφαρμόσιμη. Η σύνθεση
του σκυροδέματος με ελαφρά αδρανή γίνεται ευκολότερα χρησιμοποιώντας έναν ισοδύναμο λόγο Ν/Τ, με βάση τα εξής: (α) Για ξηρά αδρανή, γίνεται ανάμιξη για ένα λεπτό
προτού προστεθεί το τσιμέντο με το 40-60% της ποσότητας του νερού ανάμιξης, η
οποία ισούται με την ισοδύναμη ποσότητα νερού συν την ποσότητα που απορροφούν
τα αδρανή σε 30 λεπτά (που μετράται σε χωριστό δείγμα). Εναλλακτικά, τα αδρανή βυθίζονται σε νερό για 30 λεπτά και κατόπιν στεγνώνουν για 5 λεπτά πριν προστεθεί το
τσιμέντο και το νερό η πρόσθετη ποσότητα νερού είναι αυτή που χρησιμοποιείται στον
υπολογισμό του ισοδύναμου λόγου Ν/Τ. (β) Για υγρά αδρανή, προσδιορίζεται η ποσότητα υγρασίας τους, m, και συγκρίνεται με την ποσότητα που απορροφούν σε 30 λεπτά, Ν30. Η ισοδύναμη ποσότητα νερού ισούται με τη συνολική μείον τη διαφορά (Ν 30
m) για m < Ν30, ή με την ποσότητα του πρόσθετου νερού για m > Ν30 (CEB-FIP 1990).
Επίσης, πρόσθετη δυσκολία στη σύνθεση αποτελεί το ότι, σε αντίθεση με το κοινό σκυρόδεμα, η φαινόμενη πυκνότητα των ελαφρών αδρανών εξαρτάται σημαντικά από τη
διαβάθμισή τους.
Για δεδομένη εργασιμότητα, το σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή χαρακτηρίζεται από
μικρότερη κάθιση. Η επίτευξη της κατάλληλης εργασιμότητας απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή
ώστε το ανάμιγμα να μην είναι πολύ ρευστό, κάτι που θα οδηγούσε σε απόμιξη των
αδρανών και επίπλευσή τους κοντά στην επιφάνεια (αντίθετα με το κοινό σκυρόδεμα,
που η απόμιξη οδηγεί σε βύθιση των αδρανών). Η απόμιξη αυτή συνήθως εμποδίζεται
προδιαγράφοντας μικρή κάθιση, και/ή χρησιμοποιώντας αερακτικό πρόσμικτο (ώστε ο
εγκλωβισμένος αέρας να είναι 5-7% περίπου) που θα επιτρέψει τη μείωση της ποσότητας νερού, διατηρώντας την κάθιση σε ανεκτά επίπεδα και μειώνοντας τον κίνδυνο
απόμιξης και εξίδρωσης. Έτσι οι προδιαγραφές του μηχανικού για το σκυρόδεμα με
ελαφρά αδρανή καθορίζουν συνήθως απαιτούμενη αντοχή, μέγιστη πυκνότητα, μέγιστη
κάθιση και, σε ορισμένες περιπτώσεις, ακραίες τιμές για το ποσοστό του εγκλωβισμένου αέρα.
Συχνά η σύνθεση του σκυροδέματος με ελαφρά αδρανή γίνεται συσχετίζοντας τη
θλιπτική αντοχή με την ποσότητα του τσιμέντου ώστε να επιτευχθεί δεδομένη κάθιση
(και όχι λόγος Ν/Τ). Η αντοχή αυξάνεται γενικά αν, για δεδομένη ποσότητα τσιμέντου
και κάθιση, μειωθεί ο μέγιστος κόκκος αδρανών (που συνήθως δεν ξεπερνά τα 20 mm),
ή αν γίνει μερική αντικατάσταση των λεπτόκοκκων αδρανών με φυσική άμμο καλής
ποιότητας. Σημειώνεται ότι η προσθήκη άμμου βελτιώνει γενικά την εργασιμότητα, ενώ
η ολική αντικατάσταση των λεπτόκοκκων με άμμο δίνει αύξηση βάρους γύρω στα 160
kg/m3 για την ίδια αντοχή. Ενδεικτικές απαιτήσεις κοκκομετρικής διαβάθμισης αδρανών
Σκυρόδεμα
179
ελαφροσκυροδέματος δίνονται στον Πίνακα 6.34, που προκύπτει από τις Αμερικάνικες
Προδιαγραφές ASTM C330-82.
Διερχόμενα % κ.β.
Μέγεθος χονδρών αδρανών
Λεπτά
Μέγεθος λεαδρανή πτών και χονδρών αδρ.
Κόσκινο
1 "-Ν04 3/4"1/2"3/8"Ν04 και 1/2"
3/8"
Ν04
Ν04
Ν04
κάτω
1" (25 mm)
95-100 100
3/4" (19 mm)
90-100 100
100
1/2" (12.5 mm)
25-60 90-100 100
95-100 100
3/8" (9.5 mm)
10-50 40-80
80-100 100
90-100
No4 (4.75 mm) 0-10
0-15
0-20
5-40
85-100 50-80 65-90
No8 (2.36 mm) 0-10
0-20
35-65
No16 (1.18 mm) 0-10
40-80 No50 (0.3 mm) 10-35 5-20
10-25
No100 (0.15 mm) 5-25
2-15
5-15
Πίνακας 6.34: Υποχρεωτικά όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης
αδρανών βάσει της Αμερικάνικης Προδιαγραφής ASTM C330-82.
μίγματος
ελαφρών
Ιδιότητες. Η διάστρωση, η συμπύκνωση και το τελείωμα του σκυροδέματος με
ελαφρά αδρανή γίνονται γενικά ευκολότερα απ' ότι στο κοινό σκυρόδεμα, γι' αυτό και η
απαιτούμενη κάθιση είναι συνήθως μειωμένη κατά 30-50%.
Η πυκνότητα του σκυροδέματος με ελαφρά αδρανή κυμαίνεται από 300-2000
kg/m3, η αντοχή είναι συνήθως μεταξύ 0.3-40 MPa, ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας είναι γύρω στο 0.2-1 W/mK (Σχ. 6.64) και ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι
κατά 10-40% περίπου μικρότερος από αυτόν του κοινού σκυροδέματος. Πυκνότητες
κάτω από 1400 kg/m3 περίπου δίνουν αντοχές που σπάνια ξεπερνούν τα 15 MPa, ενώ
οι συνηθισμένες πυκνότητες για δομικό ελαφροσκυρόδεμα είναι γύρω στα 1500-1750
kg/m3, οπότε οι αντίστοιχες αντοχές είναι της τάξης των 15-25 Mpa.
Σχ. 6.64: Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας συναρτήσει πυκνότητας, για
σκυροδέματα με διάφορα ελαφρά αδρανή (Davey 1954).
Σε σύγκριση με το κοινό σκυρόδεμα ίδιας αντοχής, το σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή έχει 25-50% περίπου μικρότερο μέτρο ελαστικότητας, 15-25% περίπου μικρότερη
180
διατμητική αντοχή, κατά 20-50% περίπου μειωμένη συνάφεια με ράβδους οπλισμού και
50% περίπου μεγαλύτερη εφελκυστική αντοχή. Ακόμα, γενικό χαρακτηριστικό της αστοχίας του σκυροδέματος με ελαφρά αδρανή είναι ο σχηματισμός επιφανειών θραύσης
που διαπερνούν συνήθως τα αδρανή, τα οποία είναι μικρότερης αντοχής από τα συνηθισμένα (Σχ. 6.65). Γι' αυτό και γενικά το ελαφροσκυρόδεμα είναι πιο ψαθυρό υλικό από
το κοινό (η σχέση θλιπτικής τάσης-παραμόρφωσης είναι περισσότερο γραμμική πριν τη
μέγιστη τιμή της τάσης).
Σχ. 6.65: Ρηγμάτωση σκυροδέματος με ελαφρά αδρανή: η ρωγμή διαπερνά τα
αδρανή.
Επειδή η κίνηση του νερού στους πόρους του σκυροδέματος με ελαφρά αδρανή
γίνεται ευκολότερα, τα φαινόμενα της συστολής ξήρανσης και του ερπυσμού είναι γενικά
εντονότερα. Ο αυξημένος ερπυσμός των σκυροδεμάτων με ελαφρά αδρανή οφείλεται
επίσης στη μικρότερη αντίσταση (μεγαλύτερη ενδοτικότητα) που εμφανίζουν τα αδρανή
στις ερπυστικές παραμορφώσεις του τσιμεντοπολτού. Οι παραμορφώσεις λόγω συστολής ξήρανσης και ερπυσμού μπορούν να μειωθούν κατά 15-25% με χρήση λεπτών
αδρανών φυσικής άμμου. Λόγω της μειωμένης εφελκυστικής αντοχής, η ρηγμάτωση
λόγω συστολής ξήρανσης τείνει να γίνει εντονότερη, αλλά αυτό συχνά αντισταθμίζεται
από το μικρότερο μέτρο ελαστικότητας του υλικού και την κάπως μεγαλύτερη παραμόρφωση θραύσης.
Η ανθεκτικότητα σε διάρκεια του σκυροδέματος με ελαφρά αδρανή είναι γενικά
καλή. Ιδιαίτερη φροντίδα απαιτείται όταν το υλικό χρησιμοποιείται οπλισμένο, οπότε ο
κίνδυνος διάβρωσης των ράβδων οπλισμού είναι κάπως αυξημένος λόγω του μεγαλύτερου βάθους ενανθράκωσης, που μπορεί να είναι μέχρι διπλάσιο σε σχέση με το κοινό
σκυρόδεμα, και λόγω του μεγαλύτερου πορώδους. Η ανθεκτικότητα σε παγετό είναι μεγαλύτερη από αυτήν του κοινού, αρκεί τα αδρανή να μην είναι κορεσμένα πριν την
ανάμιξη, οπότε επιβάλλεται η χρήση αερακτικού. Η επίδραση χημικών είναι παρόμοια
με αυτήν στο κοινό σκυρόδεμα, γιατί η αύξηση της διαπερατότητας λόγω των πόρων
των αδρανών αντισταθμίζεται από τη μείωση που επιφέρει η απουσία μικρορηγματώσεων στη μεταβατική ζώνη. Τέλος, η ανθεκτικότητα σε επιφανειακή φθορά είναι μέτρια,
ενώ η συμπεριφορά σε πυρκαϊά είναι καλύτερη από αυτήν του κοινού σκυροδέματος.
Στην περίπτωση αυτή όχι μόνο είναι η μείωση της αντοχής του υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες μικρότερη, αλλά λόγω του μικρού συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας η αύξηση
της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του σκυροδέματος γίνεται βραδύτερα (FIP 1983).
Ο Ευρωκώδικας 2 (1994) ορίζει τα παρακάτω σχετικά με το σκυρόδεμα με ελαφρά
αδρανή: Το μέτρο ελαστικότητας, Elcm, μπορεί να εκτιμηθεί πολλαπλασιάζοντας το απο-
Σκυρόδεμα
181
τέλεσμα της εξίσωσης 6.4 (σελ. 75) επί έναν μειωτικό συντελεστή ηΕ = (ρ/2200)2. Ομοίως, η εφελκυστική αντοχή εκτιμάται πολλαπλασιάζοντας το αποτέλεσμα της εξίσωσης
6.2 (σελ. 71) επί συντελεστή η1 = 0.4 + 0.6(ρ/2200). Η τελική τιμή του συντελεστή ερπυσμού μπορεί να εκτιμηθεί πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του Πίνακα 6.3 επί η2 = Elcm/Ecm
και επί η3 = 1.3 για κατηγορίες αντοχής LC 12/13 και LC 16/18 ή η3 = 1.0 για κατηγορίες
αντοχής LC 20/22 έως LC 50/55. Ακόμα, η τελική τιμή της συστολής ξήρανσης προκύπτει πολλαπλασιάζοντας την αντίστοιχη για κοινό σκυρόδεμα επί η 4 = 1.5 για κατηγορίες
αντοχής LC 12/13 και LC 16/18 ή η4 = 1.0 για κατηγορίες αντοχής LC 20/22 έως LC
50/55.
Τύποι, εφαρμογές. Οι κυριότεροι τύποι σκυροδεμάτων με ελαφρά αδρανή και οι
βασικές ιδιότητές τους δίνονται στον Πίνακα 6.35. Ο πλέον διαδεδομένος τύπος στην
Ελλάδα είναι το κισσηρόδεμα, που χρησιμοποιείται περισσότερο στην προκατασκευή
(π.χ. φέροντα επιφανειακά ή γραμμικά στοιχεία, κισσηρόλιθοι κ.τ.λ.) για λόγους μείωσης
του κόστους μεταφοράς, αλλά και σε ορισμένες επί τόπου κατασκευές.
Αδρανή (Σκυρόδεμα)
Πυκνότητα Αντοχή
(kg/m3) σε θλίψη
(MPa)
Κίσσηρη (Κισσηρόδεμα)
600-1500 5-25
Περλίτης (Περλιτομπετόν)
300-1400 1-12
Διογκ. σκωρία (Σκωριοκισσηρο- 900-1800 8-20
μπετόν)
Διογκ. άργιλος (Σπογγοκεραμο 500-1900 5-25
μπετόν)
Διογκωμένος σχιστόλιθος
800-1900 7-60
Ξύλο (Ξυλομπετόν)
600-1200 1-12
Συντ. θερμ.
αγωγιμότ.
(W/mK)
0.1-0.7
0.05-0.3
0.2-1
Συντ. θερμ
διαστολής
(x 10-6/°C)
9-13
7-11
7-11
Συστολή
ξήρανσης
(x 10-3)
0.5-2
0.5-2
0.4-1.5
Μέτρο
ελαστικ.
(GPa)
2-15
0.5-5
4-15
0.1-1 .
7-10
0.3-1
2-20
0.2-1
0.15-0.5
6-9
6-13
0.2-1
2-5
5-25
1-10
Πίνακας 6.35: Τυπικές ιδιότητες σκυροδεμάτων με ελαφρά αδρανή.
6.13.1.2. Κυψελωτό Σκυρόδεμα
Το κυψελωτό σκυρόδεμα παρασκευάζεται εισάγοντας στο τσιμεντοκονίαμα φυσαλίδες διαμέτρου 0.1-1 mm, που προκαλούνται είτε με τον εγκλωβισμό αερίου που παράγεται από κάποια χημική αντίδραση, οπότε ονομάζεται αεριοσκυρόδεμα, είτε με τον
εγκλωβισμό αέρα σε μορφή αφρού, οπότε ονομάζεται αφροσκυρόδεμα. Το υλικό αυτό
δεν περιέχει χονδρά αδρανή, γι' αυτό και κανονικά δεν θα έπρεπε να ονομάζεται "σκυρόδεμα", αλλά ίσως κυψελωτό τσιμεντοκονίαμα ή κυψελοκονίαμα. Σε ορισμένες όμως
περιπτώσεις περιέχει και ελαφρά αδρανή, όπως είναι για παράδειγμα τα σφαιρίδια διογκωμένου πολυστυρενίου ή ο περλίτης (Legatski 1978).
Το αεριοσκυρόδεμα παρασκευάζεται εισάγοντας σε νωπό τσιμεντοκονίαμα κάποιο
χημικό πρόσμικτο (σε ποσοστό της τάξης του 0.2% κ.β. τσιμέντου), όπως σκόνη αλουμινίου (συνήθως), σκόνη σιδήρου, υπεροξείδιο του υδρογόνου μαζί με υποχλωριώδες
ασβέστιο, ή ανθρακικό ασβέστιο, που αντιδρώντας με το υδροξείδιο του ασβεστίου ή
άλλα αλκάλια προκαλεί το σχηματισμό φυσαλίδων υδρογόνου (ή οξυγόνου, για ορισμένα πρόσμικτα). Οι φυσαλίδες διογκώνουν το ανάμιγμα και σχηματίζουν πόρους.
Το αφροσκυρόδεμα παρασκευάζεται εισάγοντας στο τσιμεντοκονίαμα ένα αφροποιητικό υλικό, όπως το ρετσίνι πεύκου σαπωνοποιημένο με καυστικό νάτριο και κόλλα,
η παραφίνη, κ.ά., και έναν σταθεροποιητή, όπως η κόλλα, η σκόνη άνθρακα, κ.ά., για
την παραγωγή φυσαλίδων αέρα σε μορφή αφρού. Το αφροποιητικό σχηματίζει φυσαλίδες μειώνοντας την επιφανειακή τάση της ρευστής μάζας, και ο σταθεροποιητής βελτιώνει τη συνεκτικότητα αυξάνοντας την αντοχή του περιβλήματος των φυσαλίδων για
τη συγκράτηση του αέρα μέσα στη μάζα. Σε ορισμένες περιπτώσεις γίνεται και απευθείας εισαγωγή αφρού κατά την ανάμιξη των συστατικών.
182
Όταν το κυψελωτό σκυρόδεμα δεν περιέχει άμμο έχει πολύ μικρή πυκνότητα,
γύρω στα 200-400 kg/m3, και πολύ μικρή αντοχή (0.5-2 MPa), γι' αυτό χρησιμοποιείται
μόνο για θερμομόνωση. Τυπικοί συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας στην περίπτωση
αυτή είναι γύρω στο 0.04-0.09 W/mK. Τα αναμίγματα (που έχουν συνήθως λόγο Ν/Τ μεταξύ 0.5-1) περιέχουν συχνά και λεπτή άμμο, και δίνουν πυκνότητες από 400-1100
kg/m3, αντοχές από 2-10 MPa, και συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας από 0.09-0.7
W/mK, ανάλογα με την πυκνότητα. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας στο κυψελωτό σκυρόδεμα αυξάνεται γραμμικά με την περιεκτικότητα υγρασίας. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι για ποσοστό υγρασίας γύρω στο 20% είναι περίπου διπλάσιος σε σχέση με τον
αντίστοιχο για το υλικό χωρίς υγρασία. Επίσης σημειώνεται ότι αύξηση της πυκνότητας
επιφέρει (μη γραμμική) αύξηση της αντοχής και του μέτρου ελαστικότητας (που είναι συνήθως από 1.5-3.5 GPa), και μείωση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (Hoff
1972). Τυπική σχέση αντοχής-πυκνότητας κυψελωτού σκυροδέματος (με υγρασία) δίνεται στο Σχ. 6.66, για περιεκτικότητα τσιμέντου 390 kg/m3 (Legatski 1978).
Ο ερπυσμός του κυψελωτού σκυροδέματος είναι παρόμοιος με αυτόν του κοινού
όταν η σύγκριση γίνεται για τον ίδιο λόγο τάσης προς αντοχή, ενώ είναι αρκετά μεγαλύτερος για την ίδια τάση. Ακόμα, συγκριτικά με το σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή της
ίδιας αντοχής, το υλικό έχει μεγαλύτερο συντελεστή θερμικής διαστολής και μεγαλύτερη
συστολή ξήρανσης (γύρω στο 0.001-0.002). Τα χαρακτηριστικά του κυψελωτού σκυροδέματος βελτιώνονται σημαντικά όταν η συντήρηση γίνεται με ατμούς σε υψηλή πίεση
(αυτόκλειστο), κάτι που μπορεί να εφαρμοστεί μόνο στην παρασκευή προκατασκευασμένων στοιχείων.
Σχ. 6.66: Τυπική σχέση πυκνότητας-αντοχής κυψελωτού σκυροδέματος (με
υγρασία).
Το κυψελωτό σκυρόδεμα βρίσκει εφαρμογές κυρίως στη θερμομόνωση (π.χ. ταράτσες, τοιχώματα υπογείων, σωληνώσεις σε κανάλια κ.τ.λ.), ηχομόνωση, πυροπροστασία (αφού η αντοχή του σε πυρκαϊά είναι μεγαλύτερη από αυτήν του κοινού), σε γεμίσματα πλακών και στην προκατασκευή δομικών στοιχείων (π.χ. λίθοι δόμησης), που
τεμαχίζονται με πριόνι και καρφώνονται εύκολα. Ο οπλισμός του με ράβδους οπλισμού
δεν ενδείκνυται, γιατί η πιθανότητα διάβρωσης είναι σημαντική, λόγω του μεγάλου (αλλά
ασυνεχούς) πορώδους.
6.13.1.3. Σκυρόδεμα Χωρίς Λεπτόκοκκα
Αν κατά την ανάμιξη των συστατικών του σκυροδέματος παραληφθούν τα λεπτά
αδρανή θα προκύψει ένα ανάμιγμα χονδρών αδρανών που περιβάλλονται από λεπτή
Σκυρόδεμα
183
στρώση τσιμεντοπολτού πάχους 1-1.5 mm, με αποτέλεσμα το σκυρόδεμα να έχει σημαντικό πορώδες, το οποίο θα οφείλεται στα μεταξύ των αδρανών κενά. Η πυκνότητα του
σκυροδέματος χωρίς λεπτόκοκκα εξαρτάται από τη διαβάθμιση των αδρανών, και για τα
συνηθισμένα αδρανή, με διαστάσεις 10-20 mm, κυμαίνεται μεταξύ 1600-2000 kg/m3. Για
την αποφυγή τοπικής θραύσης συνιστάται η χρήση αδρανών όσο το δυνατόν περισσότερο λείων. Τυπικά στοιχεία για σκυροδέματα χωρίς λεπτόκοκκα δίνει ο Πίνακας 6.36
(Neville and Brooks 1987).
Αδρανή: τσιμέντο
(κ.ο.)
6
7
8
10
Νερό: τσιμέντο
(κ.β.)
0.38
0.40
0.41
0.45
Πυκνότητα
(kg/m3)
2020
1970
1940
1870
Αντοχή σε θλίψη
(MPa)
14
12
10
7
Πίνακας 6.36: Τυπικά στοιχεία για σκυροδέματα χωρίς λεπτόκοκκα.
Ιδιαίτερη φροντίδα κατά τη σύνθεση του σκυροδέματος χωρίς λεπτόκοκκα απαιτείται στην επιλογή του λόγου Ν/Τ, δεδομένου ότι ακόμα και μικρές διακυμάνσεις από τη
βέλτιστη τιμή για δεδομένο τύπο και διαστάσεις αδρανών μπορεί να δώσουν τσιμεντοπολτό μεγάλης ρευστότητας ή μικρής συγκολλητικής ικανότητας. Η διάστρωση του σκυροδέματος μπορεί να γίνει και από μεγάλο ύψος λόγω της έλλειψης του κινδύνου απόμιξης, ενώ η συμπύκνωση πρέπει να είναι πολύ σύντομη και να γίνεται χωρίς κοπάνισμα.
Πλεονεκτήματα του σκυροδέματος χωρίς λεπτόκοκκα έναντι του κοινού είναι το χαμηλό βάρος, το μικρότερο κόστος (λόγω της μικρής απαιτούμενης ποσότητας τσιμέντου,
π.χ. 70-130 kg/m3), η σημαντικά μειωμένη συστολή ξήρανσης (που έχει κάπως αυξημένο ρυθμό αρχικά), ο μειωμένος συντελεστής θερμικής διαστολής (κατά 70% περίπου)
και ο επίσης μειωμένος (κατά 50% περίπου) συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας. Μειονέκτημα αποτελεί η μικρότερη αντοχή και η μειωμένη συνάφεια των ράβδων οπλισμού
σκυροδέματος (στο οπλισμένο σκυρόδεμα) σε συνδυασμό με την αυξημένη πιθανότητα
διάβρωσης (λόγω μικρής επικάλυψης των ράβδων με σκυρόδεμα), γι' αυτό και η χρήση
του οπλισμού δεν συνιστάται.
6.13.2. Σκυρόδεμα Υψηλής Αντοχής
Οι κανονισμοί σκυροδέματος αρκετών χωρών, χαρακτηρίζουν τα σκυροδέματα με
αντοχή πάνω από 40-50 MPa ως σκυροδέματα υψηλής αντοχής, διαφοροποιώντας τα
έτσι από τα κοινά. Σύμφωνα με τον Κανονισμό CEB-FIP (1990) αλλά και το Ευρωπαϊκό
Πρότυπο ΕΝ 206-1 η ελάχιστη χαρακτηριστική αντοχή (κυλίνδρου) των σκυροδεμάτων
αυτών είναι 50 MPa, ενώ κατά τους Αμερικάνικους Κανονισμούς η ελάχιστη αντοχή
σκυροδέματος υψηλής αντοχής είναι 40MPa. Τα σκυροδέματα υψηλής αντοχής έχουν
αρκετές διαφορές από τα κοινά, τόσο στη δομή τους όσο και στις ιδιότητές τους, γι' αυτό
και, παρόλο που η χρήση τους στην Ελλάδα είναι περιορισμένη, εξετάζονται συνοπτικά
παρακάτω.
Το σκυρόδεμα υψηλής αντοχής χρησιμοποιείται (κατά κανόνα στο εξωτερικό) στα
υποστυλώματα πολυόροφων κτιρίων (60-120 MPa) επιτρέποντας τη μείωση των διαστάσεων και τις απαιτήσεις οπλισμού, και σε κάποιο βαθμό στην προκατασκευή, όπου
εξασφαλίζει ταχύτερη αφαίρεση των ξυλοτύπων, αύξηση γενικά της παραγωγικότητας
και μείωση των διαστάσεων των δομικών στοιχείων που συνεπάγεται μείωση του
κόστους μεταφοράς. Άλλες εφαρμογές συναντώνται στη γεφυροποιία (60-90 MPa),
όπου επιτρέπει την κατασκευή πυλώνων με μικρές σχετικά διαστάσεις και δοκών σε μεγάλες αποστάσεις, και σε περιπτώσεις που απαιτείται μεγάλη ανθεκτικότητα σε διάρκεια
(ιδιαίτερα σε προσβολή από χημικά και επιφανειακή φθορά).
184
6.13.2.1. Υλικά, Αναλογίες Σύνθεσης
Βασική προϋπόθεση για την παρασκευή σκυροδέματος υψηλής αντοχής είναι η
μείωση του πορώδους, και άρα του λόγου Ν/Τ, γι' αυτό και κατά κανόνα η παραγωγή
του περιλαμβάνει τη χρήση ρευστοποιητικών ή υπερρευστοποιητικών πρόσμικτων έτσι
ώστε η μείωση της ποσότητας του νερού ανάμιξης να μην επηρεάζει δυσμενώς την εργασιμότητα. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι με χρήση υπερρευστοποιητικών είναι δυνατή (και
εύκολη) η παρασκευή σκυροδέματος αντοχής 70 MPa με λόγο Ν/Τ = 0.3.
Υπενθυμίζεται επίσης ότι για δεδομένο λόγο Ν/Τ η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνεται μειώνοντας το μέγεθος του μέγιστου κόκκου αδρανών, συνήθως κάτω από 20
mm, με αποτέλεσμα την αύξηση της αντοχής της μεταβατικής ζώνης τσιμεντοπολτού αδρανών.
Οι απαιτήσεις σε τσιμέντο για την παρασκευή σκυροδέματος υψηλής αντοχής είναι
αυξημένες (συχνά η περιεκτικότητα ξεπερνά τα 400 kg/m3), χωρίς όμως να υπάρχει συνεχής αύξηση της αντοχής με την ποσότητα τσιμέντου. Από μία ποσότητα τσιμέντου και
πάνω η αντοχή παραμένει περίπου ίδια, γεγονός που οφείλεται στη μεγάλη ανομοιογένεια του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού, στον οποίο η παρουσία μεγάλων κρυστάλλων υδροξειδίου του ασβεστίου δημιουργεί περιοχές αδυναμίας, που ρηγματώνονται εύκολα. Σημειώνεται πάντως ότι η αύξηση της ποσότητας τσιμέντου οδηγεί επίσης σε αύξηση του κόστους, της θερμότητας ενυδάτωσης και της συστολής ξήρανσης.
Όταν η προαναφερθείσα ανομοιογένεια του ενυδατωμένου τσιμεντοπολτού γίνεται
περιοριστικός παράγοντας, η λύση για την αύξηση της αντοχής αναζητείται συνήθως
στην προσθήκη ορυκτών πρόσθετων (ποζολάνες, π.χ. ιπτάμενη τέφρα), που αντιδρώντας με το υδροξείδιο του ασβεστίου σχηματίζουν προϊόντα παρόμοια με αυτά της
ενυδάτωσης του τσιμέντου. Σημαντικό χαρακτηριστικό της ποζολανικής αντίδρασης είναι επίσης η μείωση των μεγάλων πόρων, η απουσία των οποίων είναι καθοριστική για
την αύξηση της αντοχής. Άλλο πλεονέκτημα της μερικής αντικατάστασης του τσιμέντου
με ποζολάνη είναι η μείωση της θερμότητας ενυδάτωσης, που οδηγεί σε μείωση του κινδύνου ρηγμάτωσης λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Ακόμα αναφέρεται ότι μερική αντικατάσταση των λεπτόκοκκων αδρανών με ποζολάνη επιφέρει σημαντική αύξηση της αντοχής σε νεαρή ηλικία (χωρίς να επηρεάζεται η θερμότητα ενυδάτωσης, ενώ όμως αυξάνεται το κόστος), αρκεί να μη συνοδεύεται από αύξηση της ποσότητας του νερού
ανάμιξης. Η διεθνής βιβλιογραφία πάντως δείχνει ότι, γενικά, τα βέλτιστα αποτελέσματα
επιτυγχάνονται αντικαθιστώντας με ποζολάνη τόσο μέρος του τσιμέντου όσο και των λεπτόκοκκων αδρανών (π.χ. Zia et al. 1991).
Σε πολλές περιπτώσεις η αύξηση της αντοχής επιτυγχάνεται με την προσθήκη πυριτικής παιπάλης, οι κόκκοι της οποίας είναι εξαιρετικά μικρού μεγέθους, φράζοντας έτσι
τους πόρους. Επιπλέον, η πυριτική παιπάλη δρα και ως ποζολανικό υλικό.
Η διαδικασία εύρεσης των βέλτιστων αναλογιών σύνθεσης είναι παρόμοια αλλά
λίγο πιο περίπλοκη από την αντίστοιχη για το κοινό σκυρόδεμα, απαιτώντας σημαντικό
αριθμό δοκιμών, εξαιτίας της ευαισθησίας που παρουσιάζει το σκυρόδεμα υψηλής αντοχής σε μικρομεταβολές της ποσότητας ή ποιότητας των συστατικών του.
6.13.2.2. Ιδιότητες
Η εργασιμότητα που εξασφαλίζει η χρήση υπερρευστοποιητικών σήμερα στο σκυρόδεμα υψηλής αντοχής είναι ικανοποιητική, ακόμα και για λόγους Ν/Τ κάτω από 0.3.
Τυπικές θλιπτικές αντοχές κυμαίνονται από 50-120 MPa, σημαντικό ποσοστό των οποίων αναπτύσσεται, υπό κανονικές συνθήκες συντήρησης, σε μία μόλις ημέρα.
Σκυρόδεμα
185
Σχετικά με τη συμπεριφορά υπό φόρτιση, το σκυρόδεμα υψηλής αντοχής χαρακτηρίζεται από διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης (Σχ. 6.67) που είναι πιο απότομο και πιο
γραμμικό από το αντίστοιχο για κοινό σκυρόδεμα. Αυτό οφείλεται στη μείωση της μικρορηγμάτωσης στη μεταβατική ζώνη. Έτσι το υλικό είναι αρκετά ψαθυρό (κάτι που αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα), ενώ μπορεί να φορτιστεί σε μεγαλύτερους λόγους τάσης
προς αντοχή χωρίς να εμφανίσει σημάδια αστοχίας, γεγονός που υποδεικνύει ότι η
αντοχή σε μόνιμα φορτία είναι ποσοστιαία μεγαλύτερη αυτής σε φόρτιση σύντομης
διάρκειας. Επίσης η μικρορηγμάτωση, που χαρακτηρίζει φαινόμενα όπως η συστολή
ξήρανσης, ο ερπυσμός αλλά και κάθε σχεδόν φόρτιση, είναι περιορισμένη, γι' αυτό και
οι μακροχρόνιες παραμορφώσεις του σκυροδέματος υψηλής αντοχής είναι μικρότερες,
εκτός και αν το υλικό είναι μειωμένης περιεκτικότητας σε αδρανή (Carrasquillo et al.
1981, Ngab et al. 1981).
Σχ. 6.67: Σχέσεις τάσης-παραμόρφωσης σκυροδεμάτων υψηλής αντοχής.
Σε ότι αφορά στην ανθεκτικότητα σε διάρκεια, ιδιαίτερα μάλιστα αυτή σε χημικά και
επιφανειακή φθορά, το σκυρόδεμα υψηλής αντοχής έχει εξαιρετική συμπεριφορά που
οφείλεται στη μειωμένη διαπερατότητα. Ακόμα και στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται υπερρευστοποιητικά, οπότε μειώνονται τα κενά αέρα και αυξάνονται οι αποστάσεις
τους, η συμπεριφορά σε παγετό δεν δείχνει να επηρεάζεται δυσμενώς, λόγω της αυξημένης αντοχής του τσιμεντοπολτού.
Τέλος, ιδιαίτερη φροντίδα απαιτείται σε ορισμένες περιπτώσεις για την αποφυγή
ρηγματώσεων που οφείλονται σε διαφορικές θερμοκρασίες λόγω υψηλής θερμότητας
ενυδάτωσης. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι η αύξηση της θερμοκρασίας για κάθε 100
kg/m3 τσιμέντου στο σκυρόδεμα είναι γύρω στους 10-14 °C (ACI 363.R-84).
6.13.3. Σκυρόδεμα Υψηλής Εργασιμότητας
Σκυρόδεμα υψηλής εργασιμότητας θεωρείται αυτό που έχει μεγάλη ρευστότητα (με
κάθιση γύρω στα 180-230 mm) και που διαστρώνεται και συμπυκνώνεται με ελάχιστο ή
καθόλου κόπο (αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα για διάστρωση σε περιοχές με
μεγάλη πυκνότητα οπλισμού), ενώ ταυτόχρονα είναι αρκετά συνεκτικό ώστε να μην υφίσταται διαχωρισμό ή εξίδρωση. Το σκυρόδεμα αυτό παρασκευάζεται προσθέτοντας
υπερρευστοποιητικά σε σκυροδέματα με κάθιση της τάξης των 75 mm, αντικαθιστώντας
παράλληλα κάποιο ποσοστό των χονδρών αδρανών (4-5%) με άμμο, έτσι ώστε να
186
μειωθεί το ενδεχόμενο απόμιξης.
Χαρακτηριστική ιδιότητα των σκυροδεμάτων υψηλής εργασιμότητας είναι η
απώλεια κάθισης σε μικρό σχετικά χρονικό διάστημα (π.χ. κάθιση γύρω στα 220 mm
μειώνεται στην αρχική τιμή των 75 mm σε 30-60 λεπτά). Τέλος αναφέρεται ότι η επίδραση των υπερρευστοποιητικών στην αντοχή και τη συστολή ξήρανσης των σκυροδεμάτων υψηλής εργασιμότητας είναι ουσιαστικά αμελητέα (Gebler 1982).
Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί σε ορισμένες χώρες (π.χ. Ιαπωνία, Η.Π.Α.,
Σουηδία) ενώ βρίσκεται σε φάση ανάπτυξης και στη χώρα μας (π.χ. Παπανικολάου και
Τριανταφύλλου 2003, Σίδερης κ.α. 2003) μία νέα κατηγορία σκυροδέματος, το λεγόμενο
αυτοσυμπυκνούμενο σκυρόδεμα, βασικό χαρακτηριστικό του οποίου είναι η εξαιρετικά μεγάλη ρευστότητα (Σχ. 6.68) ώστε να διαστρώνεται στους ξυλοτύπους χωρίς την
ανάγκη συμπύκνωσης μέσω δόνησης. Τούτο επιτυγχάνεται κάνοντας χρήση ειδικών
υπερρευστοποιητικών, συνήθως σε συνδυασμό με ορυκτά πρόσθετα όπως είναι η
ιπτάμενη τέφρα και η ασβεστολιθική παιπάλη (Skarendahl and Petersson 1999).
Σχ. 6.68: Κάθιση αυτοσυμπυκνούμενου σκυροδέματος.
Παράδειγμα σύνθεσης αυτοσυμπυκνούμενου σκυροδέματος (ποσότητες υλικών
για την παραγωγή 1 m3) δίνεται ακολούθως (προσωπική επικοινωνία με εταιρεία NCC):
●
τσιμέντο 310 kg ιπτάμενη τέφρα 55 kg πυριτική παιπάλη 7 kg
●
χονδρόκοκκο αδρανή 990 kg άμμος 800 kg
●
νερό 150 kg αερακτικό 0.7 kg ρευστοποιητής 2.6 kg υπερρευστοποιητής 4.5 kg
6.13.4. Ινοπλισμένο Σκυρόδεμα
Το σκυρόδεμα που εκτός από τσιμέντο, νερό, αδρανή και τυχόν πρόσμικτα ή
πρόσθετα περιέχει και ίνες, ονομάζεται ινοπλισμένο σκυρόδεμα. Οι ίνες είναι μικρού μήκους, της τάξης των μερικών εκατοστών, και διαμέτρου που είναι συνήθως κλάσμα του
χιλιοστού, και διασκορπίζονται στη μάζα του υλικού κατά την ανάμιξη των συστατικών
του, σε ποσοστό της τάξης του 1-3% κ.ό. Συνήθως παρασκευάζονται από χάλυβα, πολυπροπυλένιο ή γυαλί, ενώ εφαρμογές βρίσκουν και ίνες από άλλα υλικά, όπως ο άνθρακας, το αραμίδιο, ο πολυεστέρας, το νάυλον, και φυσικά υλικά, όπως το ξύλο. Ο βασικός ρόλος των ινών στο σκυρόδεμα είναι η αύξηση της παραμόρφωσης αστοχίας
του υλικού (που σχετίζεται με εφελκυστικές τάσεις) και ο περιορισμός της ρηγμάτωσης (π.χ. λόγω συστολής ξήρανσης), ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις επιτυγχάνεται και
(μικρή συνήθως) αύξηση της αντοχής. Αποτέλεσμα είναι κυρίως η αύξηση της δυσθραυστότητας του υλικού, δηλαδή της ικανότητάς του να απορροφήσει ενέργεια κατά την παραμόρφωση, που αντιπροσωπεύεται από το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη φορτίουπαραμόρφωσης. Το εμβαδόν αυτό είναι συχνά 10-40 φορές μεγαλύτερο για το ινοπλισμένο σκυρόδεμα απ' ότι για το άοπλο.
Σκυρόδεμα
187
Τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για άοπλο και ινοπλισμένο σκυρόδεμα
σε εφελκυσμό δίνονται στο Σχ. 6.69.α. Αυτές δείχνουν ότι ενώ το άοπλο σκυρόδεμα
αστοχεί ψαθυρά σε πολύ μικρή παραμόρφωση, το ινοπλισμένο έχει την ικανότητα
ανάληψης φορτίων σε πολύ μεγαλύτερες παραμορφώσεις, ενώ η τελική αστοχία επέρχεται αρκετά μετά την εμφάνιση της πρώτης ρωγμής. Στην πραγματικότητα, το ινοπλισμένο σκυρόδεμα αστοχεί μετά τη δημιουργία αρκετών μικρών ρωγμών, ενώ το άοπλο
αστοχεί σχεδόν αμέσως μετά την εμφάνιση της πρώτης ρωγμής. Η μορφή της αστοχίας
για άοπλο και ινοπλισμένο σκυρόδεμα σε κάμψη δείχνεται στο Σχ. 6.69.β.
Σχ. 6.69: (α) Τυπικές σχέσεις τάσης-παραμόρφωσης για άοπλο και ινοπλισμένο σκυρόδεμα σε εφελκυσμό, (β) Μορφή αστοχίας στοιχείου σκυροδέματος χωρίς και με ίνες σε κάμψη.
Ο μηχανισμός αστοχίας του ινοπλισμένου σκυροδέματος γίνεται κατανοητός βάσει
των παρακάτω: Μετά την πρώτη ρηγμάτωση του υλικού το φορτίο μεταφέρεται μόνο
από τις ίνες, που "γεφυρώνουν" το κενό μεταξύ των επιφανειών θραύσης. Αν το φορτίο
που απαιτείται για την αποκόλληση και εξόλκευσή τους από το σκυρόδεμα ή αυτό που
απαιτείται για την εφελκυστική αστοχία τους είναι μεγαλύτερο από το φορτίο κατά την
πρώτη ρηγμάτωση του σκυροδέματος, τότε παρατηρείται μεταφορά φορτίου από τις
ίνες προς το γειτονικό σκυρόδεμα, που μπορεί να ρηγματωθεί και πάλι. Αυτό θα συμβεί
αν οι τάσεις συνάφειας μεταξύ ινών και σκυροδέματος δεν ξεπερνούν την αντοχή της
συνάφειας των δύο υλικών ή αν οι εφελκυστικές τάσεις στις ίνες δεν ξεπερνούν την
αντοχή τους. Η διαδικασία αυτή της πολλαπλής ρηγμάτωσης συνεχίζεται έως ότου οι
ίνες αποκολληθούν και ολισθήσουν ή αστοχήσουν σε εφελκυσμό.
6.13.4.1. Υλικά, Αναλογίες Σύνθεσης
Ίνες. Τυπικές ιδιότητες για διάφορες τεχνητές ίνες που χρησιμοποιούνται στο σκυρόδεμα δίνονται στον Πίνακα 6.37 (Hannant 1978, JSCE 1993). Οι πιο διαδεδομένες
ίνες σκυροδέματος είναι οι χαλύβδινες. Διατίθενται σε μεγάλη ποικιλία μορφών, όπως
αυτές του Σχ. 6.70, έχουν μήκος 12-60 mm και διάμετρο 0.1-0.6 mm. Προστίθενται στο
σκυρόδεμα σε ποσότητα της τάξης των 10-60 kg/m3.
Αρκετά διαδεδομένες επίσης είναι και οι ίνες πολυπροπυλενίου, κυρίως λόγω του
χαμηλού κόστους και της χημικής τους αδράνειας. Οι ίνες αυτές είναι συνήθως συσσωματωμένες σε ομάδες και όχι μεμονωμένες, για να βελτιώνεται η συνάφεια με το σκυρόδεμα και να διευκολύνεται ο διασκορπισμός τους κατά την ανάμιξη. Προστίθενται στο
σκυρόδεμα σε ποσότητα που κυμαίνεται μεταξύ 0.5-2 kg/m 3. Οι ίνες γυαλιού Ε είναι αρκετά διαδεδομένες και είναι χαμηλού κόστους, αλλά βασικό τους μειονέκτημα είναι ότι
προσβάλλονται από το αλκαλικό περιβάλλον του σκυροδέματος. Περισσότερο ανθεκτικές στο περιβάλλον αυτό είναι οι ίνες γυαλιού AR, που όμως κοστίζουν αρκετά παρα-
188
πάνω. Το αρκετά υψηλό κόστος των ινών άνθρακα και αραμιδίου έχει εμποδίσει μέχρι
σήμερα την ευρεία χρήση τους σε κατασκευές σκυροδέματος, παρόλο που η επίδρασή
τους στο υλικό έχει ιδιαίτερα ευνοϊκά αποτελέσματα (ιδιαίτερα των ινών άνθρακα).
Ίνες
Διάμετρος
(μm)
Χάλυβας
100-600
Ανοξ. χάλ.
10-330
Πολυπροπυλένιο 500-4000
Μήκος Πυκνότητα Μέτρο
Λόγος
(mm) (kg/m3∙103) ελαστικ. Poisson
(GPa)
(--)
10-60 7.86
200
0.28
10-60 7.86
160
0.28
15-75 0.90
3-8
0.30-0.45
Εφελκυστ.
αντοχή
(MPa)
700-2000
2100
400-700
Παραμορφ.
θραύσης
(%)
3.5
3
8-25
Τυπική
αναλογία
(% κ.ό.)
0.5-2
0.5-2
0.2-1.2
Γυαλί Ε
Γυαλί AR
8-12
8-12
10-50 2.54
10-50 2.27
72-75
70-76
0.25
0.25
3500
4.8
2000-3500 3-4.6
2-8
2-8
Κέβλαρ 29
Κέβλαρ 49
12
10
5-65
5-65
1.44
1.45
70
135
0.32
0.32
2900
2900
4
2.1
0.5-2
0.5-2
Άνθρακας
υψηλού Ε
υψηλής ft
8
9
10-50 1.90
10-50 1.90
380
230
0.35
0.35
1800
2600
0.5
1.2
2-12
2-12
Νάυλον
5-200
5-50
1.14
1-5
0.40
750-900
16-20
0.1-6
Ξύλο
100-5000 5-50
1.50
50-75
0.2-0.4
700-1000
1-2
2-4
Πίνακας 6.37: Τυπικές ιδιότητες ινών.
Σχ. 6.70: Τυπικές μορφές ινών χάλυβα.
Επιθυμητά χαρακτηριστικά των ινών για τη βελτίωση της μηχανικής συμπεριφοράς
του σκυροδέματος είναι: μεγάλο μέτρο ελαστικότητας, που επιτρέπει μεταφορά τάσεων
από το σκυρόδεμα στις ίνες· λόγος Poisson παρόμοιος με αυτόν του σκυροδέματος,
ώστε να μην προκαλείται αποκόλληση των ινών μεγάλος λόγος μήκους προς διάμετρο
(f/d), ώστε η αστοχία των ινών να γίνεται με εξόλκευση και όχι με θραύση, και να αυ ξάνεται το έργο παραμόρφωσης· και όσο το δυνατόν πιο παραμορφωμένη επιφάνεια,
ώστε να βελτιώνεται η συνάφειά τους με το σκυρόδεμα και να αυξάνεται το φορτίο που
απαιτείται για την αποκόλληση και εξόλκευσή τους.
Σύνθεση. Η χρήση ινών στο σκυρόδεμα επιφέρει γενικά μείωση της εργασιμότητας, που είναι ανάλογη του ποσοστού ινών. Η σημαντική μείωση της ρευστότητας του
νωπού σκυροδέματος, ακόμα και για μικρά ποσοστά ινών, είναι χαρακτηριστική, αρκεί
να αναφερθεί ότι ποσοστό ινών χάλυβα ή γυαλιού γύρω στο 1.5% κ.ό. μπορεί να
μειώσει την κάθιση από 200 mm σε 25 mm, χωρίς όμως να μειώνεται αναλογικά και η
ευκολία διάστρωσης ή συμπύκνωσης (Balaguru and Shah 1992). Γι' αυτό η δοκιμή κάθισης θεωρείται ακατάλληλη για τη μέτρηση της εργασιμότητας του σκυροδέματος, ενώ
πιο κατάλληλη θεωρείται η δοκιμή Vebe. Η επίδραση του λόγου l/d και του ποσοστού
Σκυρόδεμα
189
ινών χάλυβα στο χρόνο Vebe δίνεται στο Σχ. 6.71 (Edington et al. 1974). Είναι σαφές
ότι αύξηση των παραμέτρων αυτών έχει δυσμενή αποτελέσματα για την εργασιμότητα,
ενώ όπως προαναφέρθηκε βελτιώνει τη μηχανική συμπεριφορά. Επίσης έχει αποδειχθεί
ότι, τουλάχιστον για ίνες χάλυβα, λόγοι l/d πάνω από 100 προκαλούν αλληλοεμπλοκές
ινών και συσσωματώσεις που επιφέρουν ανομοιογένεια στη μάζα του σκυροδέματος, γι'
αυτό και πρέπει να αποφεύγονται (Swamy and Mangat 1974). Γενικά ο λόγος l/d =100
καθώς και το ποσοστό ινών 2% κ.ό. θεωρούνται άνω όρια για τις ίνες χάλυβα.
Σχ. 6.71: Επίδραση ποσοστού ινών και λόγου μήκους προς διάμετρο στο
χρόνο Vebe.
Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει αρνητικά την εργασιμότητα του ινοπλισμένου σκυροδέματος είναι η αύξηση του μέγιστου κόκκου αδρανών, που καλό είναι να
μην ξεπερνά τα 20 mm (ACI 544.3R-84). Τέλος, οι απαιτήσεις για καλή εργασιμότητα
περιλαμβάνουν τη χρήση πρόσμικτων (π.χ. αερακτικά, ρευστοποιητικά), την αύξηση της
ποσότητας τσιμεντοπολτού και τη χρήση ινών που είναι κολλημένες μεταξύ τους (ανά
ομάδες των 10-30) με υδατοδιαλυτή κόλλα.
Τσιμέντο (kg/m3)
Μέγιστος κόκκος Μέγιστος κόκκος
10 mm
20 mm
350-580
290-500
Λόγος Ν/Τ
0.35-0.45
0.40-0.50
% λεπτών προς χονδρά αδρανή 45-60
45-55
Εγκλωβισμένος αέρας (%)
4-7
4-6
Ποσοστό ινών (%)
Παραμορφ. ίνες χάλυβα
Λείες ίνες χάλυβα
Ίνες γυαλιού
0.4-0.9
0.9-1.8
0.3-1.2
0.3-0.8
0.8-1.6
Πίνακας 6.38:
ίνες χάλυβα.
Ενδεικτικές
αναλογίες
σύνθεσης
ινοπλισμένου
σκυροδέματος
με
Ο Πίνακας 6.38 δίνει το εύρος τυπικών αναλογιών σύνθεσης ινοπλισμένου σκυροδέματος, βάσει των Αμερικάνικων Προδιαγραφών (ACI 544.1 R-82). Για σύγκριση με το
άοπλο σκυρόδεμα δίνεται και ο Πίνακας 6.39, που δείχνει ότι για δεδομένο λόγο Ν/Τ η
απαιτούμενη ποσότητα τσιμεντοπολτού είναι μεγαλύτερη στο ινοπλισμένο σκυρόδεμα
απ' ότι στο άοπλο. Γενικά, σε σύγκριση με το άοπλο, το ινοπλισμένο σκυρόδεμα έχει
190
περισσότερο τσιμέντο, μεγαλύτερο ποσοστό λεπτών αδρανών και χονδρά αδρανή με
μικρότερο κόκκο. Για κάθε τύπο ινών η βέλτιστη σύνθεση προσδιορίζεται με διαδοχικές
δοκιμές, φροντίζοντας να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις αντοχής, εργασιμότητας και ανθεκτικότητας σε διάρκεια.
Υλικό
Άοπλο
σκυρόδεμα
Τσιμέντο
440
Νερό (Ν/Τ = 0.45)
200
Λεπτά αδρανή
850
Χονδρά αδρανή
670
Ίνες χάλυβα (2% κ.ό.) -
Ινοπλ.
σκυρόδεμα
510
230
750
600
150
Πίνακας 6.39: Σύγκριση αναλογιών σύνθεσης ινοπλισμένου σκυροδέματος με άοπλο
(kg/m3).
6.13.4.2. Ιδιότητες
Όπως αναφέρεται και παραπάνω, η αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος λόγω
της προσθήκης ινών είναι μικρή. Η αντοχή σε θλίψη αυξάνεται από ελάχιστα έως καθόλου (μάλιστα μπορεί και να μειωθεί όταν προκαλείται σημαντική μείωση της εργασιμότητας), ενώ οι αντοχές σε εφελκυσμό και κάμψη αυξάνονται λίγο περισσότερο. Η ευεργετική δράση των ινών αφορά βασικά στη δυσθραυστότητα, που αυξάνεται με το ποσοστό των ινών και το λόγο l/d. Χαρακτηριστικά της επίδρασης των ινών στη μηχανική
συμπεριφορά του σκυροδέματος είναι τα αποτελέσματα των Σχ. 6.72-6.73, που αφορούν σε σκυροδέματα οπλισμένα με λείες ίνες χάλυβα (ACI 544.4R-88).
Σχ. 6.72: Επίδραση (α) ποσοστού ινών χάλυβα και (β) λόγου l/d στη θλιπτική αντοχή.
Η εφελκυστική αντοχή ffrc,t (σε MPa) του ινοπλισμένου σκυροδέματος υπολογίζεται
βάσει της εφελκυστικής αντοχής του άοπλου σκυροδέματος, fct, και του ποσοστού ινών
κ.ό., Vf, ως εξής:
f
frc , t
= A f ct 1−V f B V f
l
d
όπου Α = σταθερά περίπου ίση με 1 (ακριβέστερα μεταξύ 0.85-0.97) και Β = σταθερά που εξαρτάται από τη συνάφεια μεταξύ ινών και σκυροδέματος και από τον προσανατολισμό των ινών, με τιμή γύρω στο 3 (Swamy et al. 1974).
Σκυρόδεμα
191
Σχ. 6.73: Επίδραση ινών στη συμπεριφορά σε κάμψη.
Λόγω της σημαντικής δυσθραυστότητας, το ινοπλισμένο σκυρόδεμα χαρακτηρίζεται από αντοχή σε κρούση που ξεπερνά κατά πολύ αυτήν του άοπλου, μέχρι και τέσσερεις φορές, ανάλογα με το ποσοστό και τον τύπο ινών (οι παραμορφωμένες ίνες δίνουν,
γενικά, ευνοϊκότερα αποτελέσματα). Για τον ίδιο λόγο, αυξημένη είναι και η αντοχή σε
κόπωση, κατά 30-90% περίπου έναντι αυτής του άοπλου. Εδώ σημειώνεται και η μείωση του πλάτους των ρωγμών λόγω κόπωσης.
Η επίδραση των ινών στο μέτρο ελαστικότητας είναι αμελητέα, ενώ μερικές φορές
μπορεί να γίνει και δυσμενής, λόγω μείωσης της εργασιμότητας που μπορεί να επιφέρει
εγκλωβισμό αέρα. Οι παραμορφώσεις λόγω συστολής ξήρανσης και ερπυσμού είναι
περίπου ίδιες με τις αντίστοιχες του άοπλου σκυροδέματος, ενώ γενικά ο έλεγχος της
ρηγμάτωσης είναι καλύτερος.
Η ανθεκτικότητα του ινοπλισμένου σκυροδέματος σε διάρκεια είναι γενικά πολύ
καλή, κυρίως λόγω της μεγαλύτερης περιεκτικότητας σε τσιμέντο. Η τυχόν διάβρωση
των ινών χάλυβα είναι μόνο επιφανειακή και χωρίς δυσμενείς επιπτώσεις, επειδή η
διάμετρος των ινών είναι μικρή, και επομένως οι τάσεις λόγω διόγκωσης που προκαλούν τα οξείδια σιδήρου είναι αμελητέες. Οι δυσμενείς επιπτώσεις του αλκαλικού περιβάλλοντος του σκυροδέματος στις ίνες γυαλιού Ε επεκτείνονται και σε άλλους τύπους
ινών, όπως είναι οι περισσότερες φυσικές ίνες και οι ίνες από ορισμένα συνθετικά πολυμερή.
6.13.4.3. Εφαρμογές
Η χρήση του ινοπλισμένου σκυροδέματος είναι περισσότερο διαδεδομένη στο
εξωτερικό απ' ότι στην Ελλάδα, παρόλο που οι εφαρμογές στη χώρα μας τα τελευταία
χρόνια εμφανίζουν αυξητικές τάσεις. Τυπικές εφαρμογές συναντώνται στην κατασκευή
στοιχείων με τουλάχιστον μία μικρή διάσταση (π.χ. φύλλα και πλάκες επικάλυψης, τοιχοσώματα, σωλήνες, κελύφη), σε ορισμένα δάπεδα (π.χ. βιομηχανικά) και διαδρόμους
αεροδρομίων, μερικές φορές στο εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (π.χ. επενδύσεις
σηράγγων), και (σπάνια) στην κατασκευή δομικών στοιχείων με απαιτήσεις για μείωση
του ποσοστού ράβδων οπλισμού. Τονίζεται πάντως ότι η χρήση ινών στο σκυρόδεμα
θα πρέπει να γίνεται κυρίως για τον περιορισμό της ρηγμάτωσης και για την αύξηση της
ικανότητας του υλικού να απορροφήσει ενέργεια και όχι ασυλλόγιστα· σε καμμία σχεδόν
περίπτωση δομικών στοιχείων δεν είναι δυνατόν να υποκαταστήσουν πλήρως τον συμβατικό οπλισμό.
6.13.5. Σκυρόδεμα με Πολυμερή
Τα σκυροδέματα με πολυμερή περιλαμβάνουν τρεις τύπους:
192
●
Πολυμερικό σκυρόδεμα (ΠΣ), που παρασκευάζεται από την ανάμιξη αδρανών με
πολυμερές, χωρίς να υπάρχει καθόλου τσιμέντο και νερό.
●
Σκυρόδεμα που περιέχει πολυμερή (ΣΠΠ), που παρασκευάζεται αντικαθιστώντας
κάποιο ποσοστό νερού του κοινού σκυροδέματος με υδατοδιαλυτό πολυμερές.
●
Σκυρόδεμα εμποτισμένο με πολυμερή (ΣΕΠ), που παρασκευάζεται εμποτίζοντας
σκληρυμένο σκυρόδεμα συνηθισμένης σύστασης με κάποιο μονομερές που πολυμερίζεται επί τόπου.
Οι δύο πρώτοι τύποι σκυροδεμάτων έχουν ιστορία που ξεκινά από τη δεκαετία του
1950 και χρησιμοποιούνται και στην Ελλάδα, ενώ το ΣΕΠ αναπτύχθηκε αρκετά αργότερα, στη δεκαετία του 1970. Η χρήση των σκυροδεμάτων αυτών είναι αρκετά περιορισμένη, κυρίως λόγω του αυξημένου κόστους, γι' αυτό και η κάλυψή τους στα παρακάτω
είναι συνοπτική.
6.13.5.1. Πολυμερικό Σκυρόδεμα
Το ρόλο του συνδετικού μέσου στο πολυμερικό σκυρόδεμα παίζει το πολυμερές.
Απαραίτητη προϋπόθεση για τη μείωση του κόστους του υλικού, που είναι αρκετά υψηλό, είναι η κατάλληλη διαβάθμιση των αδρανών ώστε να ελαχιστοποιούνται τα μεταξύ
τους κενά. Επίσης, τα αδρανή πρέπει να είναι ξηρά και καθαρά, ώστε να μην δημιουργούνται προβλήματα πρόσφυσης με το πολυμερές. Η διάστρωση και συμπύκνωση του
ΠΣ γίνεται όπως και στο κοινό, ενώ η σκλήρυνση είναι γρήγορη, και επιταχύνεται με την
αύξηση της θερμοκρασίας. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι συντήρηση δοκιμίων σε θερμοκρασίες 50-70 °C έχει δώσει αντοχές σε 5 ώρες μέχρι 140 MPa, ενώ συντήρηση στους
20 °C έχει δώσει αντοχές σε 7 ημέρες μέχρι 100 MPa.
Οι ιδιότητες του ΠΣ εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και τις ιδιότητες της πολυμερικής ρητίνης. Οι ρητίνες που χρησιμοποιούνται στο πολυμερικό σκυρόδεμα είναι συνήθως πολυεστερικές, που συνδυάζουν χαμηλό σχετικά κόστος με ικανοποιητικά χαρακτηριστικά, ενώ οι εποξειδικές ρητίνες έχουν αρκετά μεγαλύτερο κόστος
αλλά καλύτερα χαρακτηριστικά (π.χ. πολύ καλή πρόσφυση ακόμα και με υγρά αδρανή,
μεγαλύτερο μέτρο ελαστικότητας κ.τ.λ.). Άλλες ρητίνες που χρησιμοποιούνται έχουν
βάση μεθυλ-μεθ-ακρυλική (ΜΜΑ) και σε πολυμερισμένη μορφή ονομάζονται ΠΜΜΑ.
Τυπικές μηχανικές ιδιότητες του ΠΣ δίνονται στον Πίνακα 6.40 (Dikeau and Fowler
1985).
Το ΠΣ χαρακτηρίζεται από ταχύτατη σκλήρυνση, πολύ καλή πρόσφυση σε υφιστάμενα σκυροδέματα, εξαιρετική ανθεκτικότητα σε χημικά, πολύ μεγάλη αντοχή και μεγάλο μέτρο ελαστικότητας, γι' αυτό και συνήθως βρίσκει εφαρμογές σε επιστρώσεις δαπέδων και επισκευές δαπέδων και δομικών στοιχείων. Βασικά μειονεκτήματά του είναι ο
σημαντικός ερπυσμός, ο μεγάλος συντελεστής θερμικής διαστολής και η πτωχή συμπεριφορά σε πυρκαϊά.
Ιδιότητα
(MPa)
Αντοχή σε θλίψη
Αντοχή σε εφελκυσμό
Αντοχή σε κάμψη
Μέτρο ελαστικότητας
1:10
Πολυεστέρας:αδρανή
125
14
35
35∙103
1:15
ΠΜΜΑ:αδρανή
140
10
20
38∙103
Πίνακας 6.40: Τυπικές μηχανικές ιδιότητες πολυμερικών σκυροδεμάτων.
6.13.5.2. Σκυρόδεμα που Περιέχει Πολυμερή
Τα υλικά και η τεχνολογία παρασκευής σκυροδέματος που περιέχει πολυμερή εί-
Σκυρόδεμα
193
ναι ίδια με αυτά που χρησιμοποιούνται στο κοινό σκυρόδεμα, εκτός από ότι μέρος του
νερού αντικαθίσταται με υδατοδιαλυτό πολυμερές, τύπου latex. Τα συνηθισμένα πολυμερή σκυροδέματος είναι σήμερα βασισμένα σε στυρενιο - βουταδιένιο και πολυακρυλικά συμπολυμερή. Τα πολυμερή που αναμιγνύονται με το σκυρόδεμα αποτελούνται από
μικρά σφαιρικά σωματίδια διαμέτρου 0.01-1 μm σε αιώρηση σε νερό, και χρησιμοποιούνται σε αναλογία στερεού πολυμερούς προς τσιμέντο της τάξης του 10- 25% κ.β., γι'
αυτό και επιτρέπουν τη μείωση του νερού ανάμιξης. Τυπικοί λόγοι Ν/Τ είναι γύρω στο
0.35-0.40, ενώ οι ποσότητες τσιμέντου στα αναμίγματα είναι 390-420 kg/m3.
Σημειώνεται ότι σε αντίθεση με τον πολυμερισμό μονομερών που γίνεται με
πρόσθετα υλικά (στο ΠΣ), η σκλήρυνση του latex οφείλεται σε ξήρανση, δηλαδή στην
απώλεια νερού. Η απώλεια αυτή προκαλείται τόσο από την ενυδάτωση του τσιμέντου
όσο και κατά τη συντήρηση που πρέπει να είναι υγρή για 1-3 ημέρες και ακολούθως
ξηρή.
Σύγκριση των μηχανικών ιδιοτήτων διαφόρων ΣΠΠ με τις αντίστοιχες κοινών σκυροδεμάτων δείχνει ότι οι εφελκυστικές αντοχές μπορεί να γίνουν μέχρι και διπλάσιες,
αλλά γενικά η βελτίωση δεν είναι τόσο εντυπωσιακή που να δικαιολογεί τη χρήση latex
υψηλού κόστους (Fowler 1987).
Τα σπουδαιότερα πλεονεκτήματα του ΣΠΠ είναι η μεγάλη πρόσφυση με παλαιό
σκυρόδεμα, το μειωμένο πορώδες, η εξαιρετική αντοχή σε παγετό και επιφανειακή φθορά και η κάπως μειωμένη συστολή ξήρανσης, ενώ ως μειονεκτήματα αναφέρονται η πιθανή μείωση της αντοχής με εμβάπτιση σε νερό, η προβληματική συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες και ο μεγαλύτερος ερπυσμός. Οι εφαρμογές του αφορούν κυρίως σε
επισκευές δαπέδων και δομικών στοιχείων από σκυρόδεμα, και στην παραγωγή προκατασκευασμένων στοιχείων μικρού πάχους.
6.13.5.3. Σκυρόδεμα Εμποτισμένο με Πολυμερή
Η κεντρική ιδέα της χρήσης πολυμερών για τον εμποτισμό σκυροδέματος έγκειται
στην πλήρωση των πόρων με πολυμερές χαμηλού ιξώδους, που εφαρμόζεται, είτε υπό
πίεση είτε όχι, σε επιφάνειες σκυροδέματος που έχουν υποστεί ξήρανση ώστε να απομακρυνθεί το νερό των τριχοειδών πόρων. Ο εμποτισμός της επιφάνειας του σκυροδέματος γίνεται με μονομερές (π.χ. ΜΜΑ, στυρένιο) που πολυμερίζεται επί τόπου. Ο
πολυμερισμός μπορεί να γίνει είτε προσθέτοντας καταλύτες (διαδικασία που είναι αργή
και χωρίς καλό ποιοτικό έλεγχο) είτε, συνηθέστερα, αναμιγνύοντας τον καταλύτη με το
μονομερές πριν γίνει ο εμποτισμός και αυξάνοντας τη θερμοκρασία του σκυροδέματος
στους 70-90 °C (ACI 548.1 R-86).
Όταν η πλήρωση των πόρων με πολυμερές ξεπεράσει το 85% ο εμποτισμός (που
στην περίπτωση αυτή γίνεται πάντα υπό πίεση) λέγεται πλήρης, και έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση της αντοχής, του μέτρου ελαστικότητας και της ανθεκτικότητας σε διάρκεια. Ο εμποτισμός χωρίς πίεση ονομάζεται μερικός, και αποσκοπεί συνήθως στη βελτίωση της ανθεκτικότητας σε διάρκεια (στεγανοποίηση).
Ιδιότητα
Αντοχή σε θλίψη
Αντοχή σε εφελκυσμό
Αντοχή σε κάμψη
Μέτρο ελαστικότητας
ΠΣ
3-4
5-20
4-15
≈1.5
ΣΠΠ
1-2
2-3
≈2
0.5-0.8
ΣΕΠ
2-3
3-4
≈3
1.5-2
Πίνακας 6.41: Ανηγμένες μηχανικές ιδιότητες σκυροδεμάτων με πολυμερή ως προς
τις αντίστοιχες των κοινών.
Η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του σκυροδέματος με εμποτισμό πολυμε-
194
ρούς είναι σημαντική (Πίνακας 6.41). Εκτός από τις αντοχές και το μέτρο ελαστικότητας,
βελτίωση παρουσιάζεται και σε ότι αφορά στα φαινόμενα ερπυσμού και συστολής ξήρανσης, ενώ ως μειονέκτημα αναφέρεται ο αυξημένος συντελεστής θερμικής διαστολής.
Τέλος, η τεχνολογία εμποτισμού του σκυροδέματος με πολυμερή είναι αρκετά περίπλοκη και δαπανηρή, γι' αυτό και συνήθως περιορίζεται σε εφαρμογές προκατασκευής και
σε άλλες εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως είναι η προετοιμασία επιφανειών σκυροδέματος για επισκευές.
Ο Πίνακας 6.41 δίνει τυπικές τιμές για το πόσες φορές είναι μεγαλύτερες οι βασικές μηχανικές ιδιότητες σκυροδεμάτων με πολυμερή από αυτές των κοινών. Αξίζει να
επισημανθεί η μικρή μείωση του μέτρου ελαστικότητας του ΣΠΠ και η σημαντική αύξηση
της εφελκυστικής αντοχής του ΠΣ.
6.13.6. Διογκούμενο Σκυρόδεμα
Διογκούμενο ονομάζεται το σκυρόδεμα που περιέχει είτε διογκούμενο τσιμέντο είτε
διογκούμενο πρόσθετο, ώστε να προκαλείται σταδιακή αύξηση του όγκου του τουλάχιστον ίση με τη συστολή ξήρανσης (ACI 223-83). Αποτέλεσμα της διόγκωσης είναι η
ανάπτυξη θλιπτικών τάσεων, που μειώνονται σταδιακά με την ανάπτυξη της συστολής
ξήρανσης. Το μεγάλο πλεονέκτημα του σκυροδέματος αυτού είναι η εξάλειψη της ρηγμάτωσης, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές όπου απαιτείται μεγάλη στεγανότητα (π.χ. δεξαμενές νερού, σωλήνες αποχέτευσης, οροφές κ.τ.λ.).
Οι αναλογίες σύνθεσης του διογκούμενου σκυροδέματος είναι παρόμοιες με αυτές
του κοινού, ενώ ο λόγος Ν/Τ που απαιτείται για την ίδια αντοχή και εργασιμότητα είναι
συνήθως ελαφρά μεγαλύτερος. Πάντως συνιστάται να χρησιμοποιείται μικρός σχετικά
λόγος Ν/Τ ακόμα και αν αυτό δεν είναι αναγκαίο για την ανάπτυξη της απαιτούμενης
αντοχής, γιατί η αύξηση όγκου μειώνεται σημαντικά για μεγάλους λόγους Ν/Τ (π.χ.
πάνω από 0.6), όπως άλλωστε μπορεί να συμβεί και λόγω κακής συντήρησης. Μια τυπική αναλογία σύνθεσης περιλαμβάνει: 350 kg/m3 διογκούμενο τσιμέντο, 1060 kg/m3
χονδρά αδρανή (μέγιστος κόκκος 25 mm), 760 kg/m3 λεπτά αδρανή και 185 kg/m3 νερό,
δίνοντας λόγο Ν/Τ = 0.53, κάθιση 120 mm και μέση θλιπτική αντοχή 28 ημερών γύρω
στα 40 MPa (Hoffman and Opbroek 1979). Σε περίπτωση χρήσης πρόσμικτων ή
πρόσθετων επισημαίνεται ότι το χλωριούχο ασβέστιο, υπερβολική δόση ιπτάμενης
τέφρας ή άλλης ποζολάνης και ορισμένα ρευστοποιητικά ενδέχεται να μειώσουν τη
διόγκωση.
Ο σχηματισμός μεγάλων ποσοτήτων ετρινγκίτη, ιδιαίτερα στα αρχικά στάδια της
ενυδάτωσης, επιφέρει μείωση της ρευστότητας αλλά αύξηση της συνεκτικότητας του
νωπού σκυροδέματος, που μειώνει την πιθανότητα απόμιξης. Επίσης αναφέρεται ότι
για διάστρωση σε υψηλές θερμοκρασίες και μεγάλη ξηρασία, η απώλεια κάθισης και η
πλαστική συστολή μπορεί να είναι αυξημένες. Ακόμα, για δεδομένο λόγο Ν/Τ, η αντοχή
του διογκούμενου σκυροδέματος είναι μεγαλύτερη από αυτήν του κοινού, λόγω της μεγαλύτερης πυκνότητας του τσιμεντοπολτού και της αυξημένης αντοχής της μεταβατικής
ζώνης (Polivka and Wilson 1977). Στοιχεία για το μέτρο ελαστικότητας, το λόγο Poisson
και τον ερπυσμό δείχνουν παρόμοια συμπεριφορά με το κοινό σκυρόδεμα. Τέλος το
διογκούμενο σκυρόδεμα χαρακτηρίζεται από μεγάλη ανθεκτικότητα σε διάρκεια, ιδιαίτερα μάλιστα σε επιφανειακή φθορά και δράση χημικών. Η ανθεκτικότητα στη δράση θειικών είναι ανάλογη αυτής του σκυροδέματος με ειδικά τσιμέντα ανθεκτικά σε θειικά, ενώ
η ανθεκτικότητα σε παγετό είναι παρόμοια με αυτήν του κοινού σκυροδέματος.
6.13.7. Βαριά Σκυροδέματα
Σκυρόδεμα
195
Τα σκυροδέματα με πυκνότητα πάνω από 2600 kg/m3 ονομάζονται βαριά σκυροδέματα. Παρασκευάζονται χρησιμοποιώντας βαριά αδρανή (που είναι κατά κανόνα δυσεύρετα και ακριβά), και χρησιμοποιούνται μόνο όπου το μεγάλο βάρος είναι τελείως
απαραίτητο. Τέτοιες περιπτώσεις είναι ορισμένες ειδικές θεμελιώσεις μηχανών, και κυρίως η κατασκευή θωρακίσεων για την απορρόφηση ραδιενεργών ακτινοβολιών σε ειδικές ιατρικές μονάδες, στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και σε κέντρα ατομικών ερευνών.
Η πρώτη κατηγορία ακτινοβολιών από τις οποίες επιδιώκεται προστασία περιλαμβάνει τις ακτίνες Χ και γ, για τις οποίες η ευκολία απορρόφησης είναι περίπου ανάλογη
της μάζας του υλικού θωράκισης. Σε μία άλλη κατηγορία ανήκουν οι ακτινοβολίες νετρονίων, η ανάσχεση και εξασθένηση των οποίων γίνεται κυρίως από το υδρογόνο και σε
χαμηλότερο βαθμό από άλλα στοιχεία όπως το βόριο, το κάδμιο κ.τ.λ. (ASTM 1979).
Κατάλληλα για το σκοπό αυτό είναι ορισμένα μεταλλεύματα, όπως είναι ο κολεμανίτης
(2CaO▪3B2O3▪5Η2O) και ο βοριοασβεστίτης (2CaO▪2B2O3▪4Η2O), ενώ αντίθετα, νατριούχες ενώσεις του βορίου μπορεί να επιβραδύνουν την πήξη του τσιμέντου σημαντικά.
Η μελέτη σύνθεσης για τα βαριά σκυροδέματα δεν διαφέρει πολύ από αυτή για τα
κοινά, με εξαίρεση τη χρήση βαριών αδρανών και μεγαλύτερης ποσότητας άμμου και
τσιμέντου (συνήθως πάνω από 360 kg/m3) ώστε να βελτιωθεί η εργασιμότητα. Ιδιαίτερη
φροντίδα απαιτείται για την αποφυγή απόμιξης, γι' αυτό σε ορισμένες περιπτώσεις τα
αδρανή (με μέγεθος κόκκου πάνω από 6 mm) τοποθετούνται και συμπυκνώνονται
στους ξυλότυπους πρώτα, και κατόπιν τα κενά μεταξύ τους γεμίζονται με αντλητό τσιμεντοκονίαμα.
6.13.8. Σκυρόδεμα για Ογκώδεις Κατασκευές
Ογκώδεις κατασκευές ορίζονται αυτές με μεγάλες διαστάσεις, της τάξης του 1 m
τουλάχιστον. Τέτοιες κατασκευές είναι τα φράγματα, οι τεχνητοί ογκόλιθοι των λιμενικών
έργων, οι πυλώνες ορισμένων γεφυρών, ορισμένα στοιχεία θεμελίωσης κ.τ.λ. Η ιδιαιτερότητα του σκυροδέματος που χρησιμοποιείται σε τέτοιες κατασκευές συνίσταται στη
σημαντική διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας των στοιχείων μεγάλου όγκου
και του εσωτερικού τους. Η διαφορά αυτή οφείλεται στη θερμότητα που εκλύεται κατά
την ενυδάτωση και στην ψύξη του σκυροδέματος κοντά στην επιφάνεια ταχύτερα απ' ότι
στο εσωτερικό. Όπως έχει προαναφερθεί, αυτή η διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να
οδηγήσει σε ρηγμάτωση, γι' αυτό και η χρήση του σκυροδέματος σε ογκώδεις κατασκευές πρέπει να γίνεται βάσει ειδικών προδιαγραφών.
Ένας τρόπος μείωσης της θερμότητας ενυδάτωσης είναι η μείωση της ποσότητας
του τσιμέντου σε επίπεδα που μπορεί να φθάσουν ακόμα και 100 kg/m3 (π.χ. για το
εσωτερικό φραγμάτων βαρύτητας) και η αντικατάσταση τμήματος του τσιμέντου με φυσικές ποζολάνες (π.χ. μέχρι 25-70% κ.ό.). Τόσο χαμηλές ποσότητες τσιμέντου επιβάλλουν ταυτόχρονα και τη μείωση του νερού ανάμιξης, ώστε να διατηρηθεί η αντοχή σε
ικανοποιητικά επίπεδα. Κατά συνέπεια, η χρήση αερακτικού πρόσμικτου (γύρω στο 38%) και/ή ρευστοποιητικού είναι σχεδόν επιβεβλημένη, ώστε να επιτευχθεί ικανοποιητική εργασιμότητα. Επισημαίνεται ότι η κάθιση πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη,
αρκεί να μην δημιουργούνται προβλήματα κατά την ανάμιξη, διάστρωση και συμπύκνωση. Τυπικές τιμές κάθισης σκυροδέματος για φράγματα είναι γύρω στα 15-35 mm.
Ένα πρόσθετο μέτρο για τη μείωση της ποσότητας του νερού ανάμιξης είναι η
χρήση καλά διαβαθμισμένων θραυστών αδρανών μεγάλου μεγέθους (με αναλογία χονδρών προς λεπτά αδρανή γύρω στο 4:1), με μέγιστο κόκκο που μπορεί να ξεπεράσει τα
50-60 mm και να φθάσει μέχρι 150 mm και με όσο το δυνατόν μικρότερο συντελεστή
196
θερμικής διαστολής (ACI 207.1 R-87).
Εκτός από τα παραπάνω μέτρα για τη μείωση της διαφοράς θερμοκρασίας σε
ογκώδεις κατασκευές, πρόσθετα μέτρα και κατασκευαστικές πρακτικές που έχουν εφαρμοστεί στο εξωτερικό (π.χ. Η.Π.Α.) περιλαμβάνουν: (α) την ψύξη του σκυροδέματος με
κρύο νερό που κυκλοφορεί για αρκετές ημέρες μετά τη διάστρωση σε λεπτότοιχους (με
πάχος τοιχώματος γύρω στο 1.5 mm) μεταλλικούς σωλήνες διαμέτρου 25 mm περίπου,
οι οποίοι βρίσκονται στη μάζα του σκυροδέματος· (β) τη χρήση υλικών ανάμιξης που
έχουν υποστεί ψύξη, όπως είναι το κρύο νερό με ή χωρίς κομμάτια πάγου και τα κρύα
αδρανή και (γ) τη θερμομόνωση της επιφάνειας του σκυροδέματος, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις χαμηλών θερμοκρασιών περιβάλλοντος (ACI 207.4R-80).
Ένας ειδικός τύπος σκυροδέματος για ογκώδεις κατασκευές είναι το λεγόμενο κυλινδρούμενο σκυρόδεμα, το οποίο έχει εφαρμογές στην κατασκευή φραγμάτων αλλά
και στην οδοποιία. Πρόκειται για ειδικό ύφυγρο σκυρόδεμα, το οποίο διαστρώνεται σε
στρώσεις καθορισμένου πάχους με κοινά μηχανήματα διάστρωσης και ακολούθως συμπυκνώνεται με οδοστρωτήρες.
6.14. Βιβλιογραφία
ACI 207.1 R-87. Mass Concrete, ACI Manual of Concrete Practice, Part 1: Materials
and General Properties of Concrete, 1991.
ACI 207.4R-80. Cooling and Insulating Systems for Mass Concrete, ACI Manual of
Concrete Practice, Part 1: Materials and General Properties of Concrete, 1991.
ACI 211.1-91. Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight and
Mass Concrete, ACI Manual of Concrete Practice, Part 1: Materials and General
Properties of Concrete, 1993.
ACI 211.3-75. Standard Practice for Selecting Proportions for No-Slump Concrete, ACI
Manual of Concrete Practice, Part 1: Materials and General Properties of Concrete,
1991.
ACI 213R-87. Guide for Structural Lightweight Concrete, ACI Manual of Concrete
Practice, Part 1: Materials and General Properties of Concrete, 1991.
ACI 223-83. Standard Practice for the Use of Shrinkage-Compensating Concrete, ACI
Manual of Concrete Practice, Part 1: Materials and General Properties of Concrete,
1991.
ACI 302.1 R-80. Guide for Concrete Floor and Slab Construction, ACI Manual of
Concrete Practice, Part 1: Materials and General Properties of Concrete, 1991.
ACI 304.2R-71. Placing Concrete by Pumping Methods, ACI Manual of Concrete
Practice, Part 2: Construction Practices and Inspection, Pavements, 1991.
ACI 305.R-77. Hot-weather Concreting, ACI Manual of Concrete Practice, Part 2:
Construction Practices and Inspection, Pavements, 1991.
ACI 306.R-78. Cold-weather Concreting, ACI Manual of Concrete Practice, Part 2:
Construction Practices and Inspection, Pavements, 1991.
ACI 363.R-84. State-of-the-Art Report on High-Strength Concrete, J. ACI, Proc., 81(4),
364-411.
ACI 506.3R-82. Guide to Certification of Shotcrete Nozzlemen, ACI Manual of Concrete
Practice, Part 5: Masonry, Precast Concrete, Special Processes, 1991.
Σκυρόδεμα
197
ACI 506-66. Recommended Practice for Shotcreting, ACI Manual of Concrete Practice,
Part 5: Masonry, Precast Concrete, Special Processes, 1991.
ACI 544.1 R-82. State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete, ACI Manual of
Concrete Practice, Part 5: Masonry, Precast Concrete, Special Processes, 1991.
ACI 544.3R-84. Guide for Specifying, Mixing, Placing, and Finishing Steel Fiber
Reinforced Concrete, ACI Manual of Concrete Practice, Part 5: Masonry, Precast
Concrete, Special Processes, 1991.
ACI 544.4R-88. Design Considerations for Steel Fiber Reinforced Concrete, ACI
Manual of Concrete Practice, Part 5: Masonry, Precast Concrete, Special Processes,
1991.
ACI 548.1 R-86. Guide for the Use of Polymers in Concrete, ACI Manual of Concrete
Practice, Part 5: Masonry, Precast Concrete, Special Processes, 1991.
Allen, R. T. L., Edwards, S. C. and Shaw, J. D. N., editors (1993). The Repair of
Concrete Structures, Chapman and Hall, London.
ASTM (1979). Radiation Effects and Shielding, STP 169B.
Balaguru, P. N. and Shah, S. P. (1992). Fiber-Reinforced Cement Composites, McGraw
Hill, Inc., New York.
Biczok, I. (1967). Concrete Corrosion and Concrete Protection, Chemical Publishing
Company, Inc., New York.
Bogue, R. H. (1955). Chemistry of Portland Cement, Reinhold, New York.
Bray, D. E. and Stanley, R. K. (1989). Nondestructive Evaluation. A Tool for Design,
Manufacturing, and Service. McGraw Hill, New York.
Brunauer, S. (1962). American Scientist, 50(1), 210-229.
Carrasquillo, R. L„ Slate, F. O. and Nilson, A. H. (1981). J. ACI, Proc., 78(3), 179-186.
Carlson, R. W„ Houghton, D. L. and Polivka, M. (1979). J. ACI, Proc., 76(7), 821-837.
CEB (1982). Durability of Concrete Structures, Bulletin d'lnformation 148, Comite EuroInternational du Beton/Federation International de la Precontrainte, Lausanne.
CEB (1992). Durable Concrete Structures, Design Guide, Thomas Telford Ltd., London.
CEB-FIP (1990). Model Code for Concrete Structures, Bulletin d'lnformation 203-205,
Comite Euro-International du Beton/Federation International de la Precontrainte,
Lausanne.
Chen, W. F. (1982). Plasticity in Reinforced Concrete, Mc-Graw Hill Book Co., New
York.
Concrete Society ot U.K. (1982). Non-structural Cracks in Concrete, Technical Report
No. 22, London.
Cordon, W. A. (1979). Properties, Evaluation, and Control of Engineering Materials,
McGraw-Hill, New York.
Cordon, W. A. and Gillespie, H. A. (1963). J. ACI, Proc., 60(8).
Davey, N. (1954). Proc. of a Symposium on Mix Design and Quality Control of
Concrete, Cement and Concrete Association, London, 28-41.
Dikaeu, J. T. and Fowler, D. W. editors (1985). Polymer Concrete, Uses, Materials, and
198
Properties, ACI SP-89, Detroit, Michigan.
Edington, J. E„ Hannant, P. J. and Williams, R. I. T. (1974). British Research
Establishment, BRE Current Paper CP 69/74.
Eurocode 2 (1994). Design of Concrete Structures, European Committee for
Standardization, Brussels.
European Standard EN 197-1. Cement; Composition, specifications and conformity
criteria - Part 1: Common cements. European Committee for Standardization.
European Standard EN 206-1. Concrete - Part 1: Specification, performance, production
and conformity. European Committee for Standardization.
European Standard EN 450. Fly ash for concrete - Definitions, requirements and quality
control. European Committee for Standardization.
European Standard EN 934-2. Admixtures for concrete, mortar and grout - Part 2:
Concrete admixtures - definitions and requirements. European Committee for
Standardization.
European Standard EN 1008. Mixing water for concrete - Specifications for sampling,
testing and assessing the suitability of water, including wash water from recycling
installations in the concrete industry, as mixing water for concrete. European Committee
for Standardization.
European Standard EN 12350-1. Testing fresh concrete - Part 1: Sampling. European
Committee for Standardization.
European Standard EN 12350-2. Testing fresh concrete - Part 2: Slump test. European
Committee for Standardization.
European Standard EN 12350-3. Testing fresh concrete - Part 3: Vebe test. European
Committee for Standardization.
European Standard EN 12350-4. Testing fresh concrete - Part 4: Degree of
comparability. European Committee for Standardization.
European Standard EN 12350-5. Testing fresh concrete - Part 5: Flow table test.
European Committee for Standardization.
European Standard EN 12390-2. Testing hardened concrete - Part 2: Making and
curing specimens for strength tests. European Committee for Standardization.
European Standard EN 12390-3. Testing hardened concrete - Part 3: Compressive
strength of test specimens. European Committee for Standardization.
European Standard EN 12390-6. Testing hardened concrete - Part 6: Tensile splitting
strength of test specimens. European Committee for Standardization.
European Standard EN 12620. Aggregates for concrete including those for use in roads
and pavements. European Committee for Standardization.
European Standard EN 12878. Pigments for colouring of building materials based on
cement and/or lime - Specifications and methods of test. European Committee for
Standardization.
European Standard EN 13055-1. Lightweight aggregates - Part 1: Lightweight
aggregates for concrete and mortar. European Committee for Standardization.
European Standard EN 13263. Silica fume for concrete - Definitions, requirements and
conformity control. European Committee for Standardization.
Σκυρόδεμα
199
European Standard EN 14487-1. Sprayed concrete - Part 1: Definitions, specifications
and conformity. European Committee for Standardization.
European Standard EN 14488-1. Testing sprayed concrete - Part 1: Sampling fresh and
hardened concrete. European Committee for Standardization.
Ελληνικός Κανονισμός Τσιμέντων (1980). Π.Δ. 244/29-2-80, ΦΕΚ 69/28-3-80.
Feldman, R. F. and Sereda, P. J. (1970). Engineering Journal, 53(8/9), 53-59.
FIP (1983). Manual of Lightweight Concrete, 2nd ed., Federation Internationale de la
Precontrainte, Surrey Univ. Press.
Fowler, D. W. editor (1987). Polymer Modified Concrete, ACI SP-99, Detroit, Michigan.
Freedman, S. (1969). Modern Concrete, 14(2), 31-43.
Frondistou-Yannas, S. A. (1980). In Progress in Concrete Technology, ed. V. M.
Malhotra, CANMET, Ottawa, 639-684.
Φαρδής, Μ. Ν. (1991). Οπλισμένο Σκυρόδεμα I, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.
Φαρδής, Μ. Ν. (1991). Ανθεκτικότητα του (Οπλισμένου) Σκυροδέματος σε Διάρκεια,
Δελτίο του Σ.Π.Μ.Ε., αρ. 200, Ιαν.-Φεβρ., 17-24.
Gebler, S. Η. (1982). Res. Dev. Bull. RD081.01T, Portland Cement Association, Skokie,
III.
Glucklich, J. (1968). Proc. Int. Conf. on the Structure of Concrete, Cement and Concrete
Association, Wexham Springs, Slough, U.K.
Hewlett, P. C. (1978). In Concrete Admixtures: Use and Applications, ed. Rixom, M. R.,
The Construction Press, Longman, London.
Hannant, D. J. (1978). Fibre Cements and Fibre Concretes, John Wiley & Sons, New
York.
Hoff, G. C. (1972). Cem. Concr. Res., 2, 91-100.
Hoffman, Μ. N. and Opbroek, E. G. (1979). ACI Concr. Int., 1(3), 19-25.
JSCE (1993). State-of-the-Art Report on Continuous Fiber Reinforcing Materials,
Published by the Japan Society of Civil Engineers, Tokyo,
Jones, P. G. and Rich art, F. E. (1936). ASTM Proc., 36(H).
Jones, R. (1962). Non-destructive Testing of Concrete, Cambridge University Press,
London.
Karson, P. and Jirsa, J. O. (1969). ASCE J. Struct. Div., 95(12), paper 6935.
Kupfer, H„ Hilsdorf, Η. K. and Rusch, H. (1969). J. ACI, Proc., 66(8), 656-666.
Κουφόπουλος, Π. (1996). Αδημοσίευτη Εργασία.
LAVA Mining and Quarrying Co S.A., Pumice: Properties and Applications.
Lea, F. M. (1971). The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Co.,
Inc., New York.
Legatski, M. (1978). Cellular Concrete, ASTM Sp. Tech. Publ. No. 169B, 836-851.
Lemaitre, J. and Chaboche, J.-L. (1990). Mechanics of Solid Materials, Cambridge
University Press.
L'Hermite, R. (1960). Proc. 4th Int. Symp. on Chemistry of Cements, Washington, D.C.
200
Litvan, G. G. (1976). Cem. Concr. Res., 6, 351-356. Liu, T. C. (1981). J. ACI, Proc.,
78(5), 341-350.
Malhotra, V. M. editor (1984). In Situ Nondestructive Testing of Concrete, ACI SP-82,
Detroit, Michigan.
Malhotra, V. M. and Carino, N. J. editors (1991). CRC Handbook on Nondestructive
Testing of Concrete, CRC Press, Boca Raton, Florida.
Maso, J. C. (1980). Proc. 7th Int. Congr. on Chemistry of Cements, Editions Septima,
Paris.
Mehta, P. K. (1980). Performance of Concrete in Marine Environment, ACI SP-65, 1-20.
Mehta, P. K. and Manmohan, D. (1980). Proc. 7th Int. Congr. on Chemistry of Cements,
Editions Septima, Paris.
Mehta, P. K. and Monteiro, P. J. M. (1993). Concrete: Structure, Properties, and
Materials, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J.
Mindess, S. and Young, J. F. (1981). Concrete, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs,
N.J. Neville, A. M. (1964). Mag. Concr. Res., 16(46), 21-30.
Neville, A. M. (1981). Properties of Concrete, 3rd ed., Pitman Books Limited, London.
Neville, A. M. and Brooks, J. J. (1987). Concrete Technology, Longman Scientific &
Technical, Essex.
Ngab, A. S., Slate, F. O. and Nilson, A. H. (1981). J. ACI, Proc., 78(4), 262-268.
Οικονόμου, Χ. Μ. (1993). Τεχνολογία του Σκυροδέματος, 2η έκδ., Art of Text, Θεσσαλονίκη.
Παπανικολάου, Κ. Γ. και Τριανταφύλλου, Α. Χ. (2003). Πρακτικά 74ου Συνεδρίου Σκυροδέματος, TEE, 15-17 Οκτ., Κως, Τόμος Β', 144-155.
Polivka, Μ. and Wilson, C. (1973). ACI SP-38, 227-237.
Portland Cement Association (1988). Design and Control of Concrete Mixtures, 13th
ed., Skokie, Illinois.
Powers, T. C. (1958). J. Am. Ceram. Soc., 61(1), 1-5. Powers, T. C. (1961). Rev. Mater.
Construct., No. 545, 79-85.
Powers, T. C. (1968). Properties of Fresh Concrete, John Wiley and Sons, Inc., New
York.
Powers, T. C., Copeland, L. E„ Hayes, J. C. and Mann, Η. M. (1954). J. ACI, Proc., 51,
285-298.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-196.1. Μέθοδοι Δοκιμής Τσιμέντου - Προσδιορισμός Αντοχών.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-196.2. Μέθοδοι Δοκιμής Τσιμέντου - Χημική Ανάλυση Τσιμέντου.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-196.3. Μέθοδοι Δοκιμής Τσιμέντου - Προσδιορισμός Χρόνου Πήξης και
Σταθερότητας Ογκου.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-196.5. Μέθοδοι Δοκιμής Τσιμέντου - Δοκιμή Ποζολανικότητας για Ποζολανικά Τσιμέντα.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-197.1. Τσιμέντο - Μέρος 1: Σύνθεση, προδιαγραφές και κριτήρια συμμόρφωσης για τα κοινά τσιμέντα.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-344. Συσχέτισις της Αντοχής Αποκοπτομένου Πυρήνος Σκυροδέματος
Σκυρόδεμα
201
εκ Θραυστών Ασβεστολιθικών Αδρανών προς την Συμβατικήν Αντοχήν.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-345. Το Υδως Αναμίξεως και Συντηρήσεως Σκυροδέματος.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-346. Το Έτοιμον Σκυρόδεμα.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-408. Θραυστά Αδρανή δια Συνήθη Σκυροδέματα.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-515. Σκυροδέτηση όταν η Θερμοκρασία του Περιβάλλοντος είναι Χαμηλή.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-516. Νωπό Σκυρόδεμα - Δειγματοληψία.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-517. Σκυροδέτηση όταν η Θερμοκρασία Περιβάλλοντος είναι Υψηλή.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-520. Δοκιμή Vebe (Καθορισμός της Συνοχής του Σκυροδέματος).
Πρότυπο ΕΛΟΤ-521. Δοκιμή Καθίσεως.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-671. Παρασκευή και Συντήρηση Δοκιμίων Σκυροδέματος. Πρότυπο
ΕΛΟΤ-722. Έλεγχος Αντοχής σε Θλίψη. Πρότυπο ΕΛΟΤ-739. Έλεγχος Αντοχής σε
Κάμψη. Πρότυπο ΕΛΟΤ-1111. Τσιμέντα - Ορισμοί - Συνθέσεις.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-1111.2. Τσιμέντα - Μηχανικές, Φυσικές και Χημικές Απαιτήσεις.
Ramachandran, V. S. (1980). In Progress in Concrete Technology, ed. Malhotra, V. M.,
CANMET, Ottawa, Canada, 421-450.
Richart, F. E., Brandtzaeg, A. and Brown, R. L. (1928). A Study of the Failure of
Concrete under Combined Compressive Stresses, Univ. III. Eng. Exp. St. Bull. 185.
RILEM Committee TC 43 CND (1983). In Situ Concrete Strength Estimation by
Combined Non-Destructive Methods, RILEM, Paris.
Rusch, H. (1960). J. ACI, Proc., 57(1), 1-28.
Skalny, J. P., editor (1989). Material Science of Concrete, 1, The American Ceramic
Society, Inc.
Skarendahl, A. and Petersson, O., editors (1999). Self-Compacting Concrete, RILEM
Publications S.A.R.L., Paris.
Soroka, J. (1979). Portland Cement Paste and Concrete, The Macmillan Press.
Swamy, R. N. and Mangat, P. S. (1974). Cem Concr. Res., 4(3), 151-465.
Swamy, R. N., Mangat, P. S. and Rao (1974). Fiber Reinforced Concrete, ACI SP-44, 128.
Σιδερής, Κ. Κ., Κυριτσάς, Σ. και Χανιωτάκης, Ε. (2003). Πρακτικά 14ου Συνεδρίου Σκυροδέματος, TEE, 15-17 Οκτ., Κως, Τόμος Β', 187-193.
Σπανός, Χ., Σπιθάκης, Μ. και Τρέζος, Κ. (2002). Μέθοδοι για την Επιτόπου Αποτίμηση
των Χαρακτηριστικών των Υλικών, Πρακτικά - Διδακτικά Εγχειρίδια TEE.
Triantafillou, Τ. C. and Gibson, L. J. (1990). Int. J. Mech. Sci., 32(6), 479-496.
Troxell, G. E., Davis, R. E. and Kelly, J. W. (1968). Composition and Properties of
Concrete, McGraw Hill, New York.
Troxell, G. E., Raphael, J. M. and Davis, R. E. (1958). Proc. ASTM, 58, 1101-1120.
Τάσιος, Θ. Π. και Αλιγιζάκη, Κ. (1993). Ανθεκτικότητα Οπλισμένου Σκυροδέματος, Εκδόσεις Φοίβος, Αθήνα.
Τάσιος, Θ. Π. και Δεμίρη, Κ. (1968). Μία Νέα Εμμεσος Μέθοδος για τον Προσδιορισμόν
202
της Αντοχής του Σκυροδέματος, ΕΜΠ, Αθήνα.
Τρέζος, Κ. Γ., Γεωργίου, Κ. και Μαραβέλιας, Χ. (1993). Τεχν. Χρον. Α, 13(2), 27-44.
Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε. (1997). Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος, Υπουργ. Απόφαση
Δ14/19164, Αθήνα.
Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε. (2000). Έγκριση Ελληνικού Κανονισμού για τη Μελέτη και Κατασκευή
Έργων από Οπλισμένο Σκυρόδεμα, Υπουργ. Απόφαση Δ17α/116/4/ΦΝ429/18-10-2000
(ΦΕΚ 1329/Β/18-10-2000), Ε.Κ.Ω.Σ.-2000.
Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε. (2002). Σχέδιο Προδιαγραφής για το Εκτοξευόμενο Σκυρόδεμα, Αθήνα.
Verbeck, G. J. and Foster, C. W. (1950). Proc. ASTM, 50, 1235-1257.
Winkler, Ε. M. (1975). Stone: Properties, Durability in Man's Environment, SpringerVerlag, New York.
Zia, P., Leming, M. L. and Ahmad, S. H. (1991). High Performance Concretes, A Stateof-the-Art Report, SHRP-C/FR-91-103.
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
203
7. Χάλυβας και άλλα μέταλλα
7.1. Εισαγωγή
Η χρήση των μετάλλων στη δόμηση έχει ιστορία δυόμισυ περίπου αιώνων. Οι
πρώτες μεταλλικές κατασκευές έγιναν από χυτοσίδηρο, και ήταν σιδηροδρομικές γέφυρες, δοκοί και υποστυλώματα για στέγες κτιρίων. Παρότι οι προσπάθειες για την κατασκευή μεταλλικών γεφυρών ξεκίνησαν γύρω στο 1755 μ.Χ. στη Γαλλία, η πρώτη μεταλλική κατασκευή έγινε από χυτοσίδηρο στην Αγγλία (γέφυρα ποταμού Severn, ανοίγματος 30.5 m). Από τότε η χρήση του χυτοσιδήρου στις κατασκευές επεκτάθηκε σημαντικά, ενώ μερικές δεκαετίες αργότερα το υλικό αυτό εκτοπίστηκε πλήρως από το χάλυβα
(κράμα σιδήρου). Ένα από τα πρώτα σημαντικά έργα από χάλυβα είναι ο Πύργος του
Eiffel στο Παρίσι, ύψους 300 m, η κατασκευή του οποίου ολοκληρώθηκε το 1889 μ.Χ. Η
χρήση του χάλυβα κατά τις τελευταίες δεκαετίες έχει επεκταθεί ευρέως σε μία σειρά κατασκευές όπως είναι οι γέφυρες μεγάλων ανοιγμάτων, τα πολυόροφα κτίρια, οι στέγες
μεγάλων ανοιγμάτων κ.τ.λ. Ακόμα, η χρήση του υλικού σε συνεργασία με το σκυρόδεμα,
σε μορφή ράβδων οπλισμού ή τενόντων προέντασης έδωσε τεράστια ώθηση στην κατασκευή τεχνικών έργων από οπλισμένο και προεντεταμένο σκυρόδεμα. Η χρήση άλλων μετάλλων πλην του χάλυβα σε κατασκευές είναι κάπως περιορισμένη. Ενδεικτικά
αναφέρεται η εφαρμογή κραμάτων αλουμινίου για την κατασκευή γεφυρών (στο εξωτερικό), όπως η πρώτη οδική γέφυρα εξ ολοκλήρου από αλουμίνιο, ανοίγματος 88.5 m,
στο Κεμπέκ του Καναδά, που κατασκευάστηκε το 1950.
7.2. Κύρια Χαρακτηριστικά και Ιδιότητες των Μετάλλων
Τα μέταλλα λαμβάνονται γενικά από εδαφικά υλικά, τα μεταλλεύματα, μέσω πυρομεταλλουργίας, ηλεκτρομεταλλουργίας ή υδρομεταλλουργίας. Κατά την πυρομεταλλουργία, το μετάλλευμα θερμαίνεται σε κάμινο σχηματίζοντας τήγμα, από το οποίο διαχωρίζεται το μέταλλο χημικά. Στην ηλεκτρομεταλλουργία, ο σχηματισμός του μετάλλου γίνεται μέσω διεργασιών σε ηλεκτρικό φούρνο ή με ηλεκτρόλυση. Τέλος, η υδρομεταλλουργία περιλαμβάνει το σχηματισμό του μετάλλου από μεταλλεύματα σε μορφή υδατικών
διαλυμάτων (Derucher et al. 1994).
Ανάμιξη των μετάλλων με άλλα στοιχεία δημιουργεί τα κράματα, τα οποία υφίστανται διάφορες κατεργασίες εν θερμώ ή εν ψυχρώ, με σκοπό τη βελτίωση ιδιοτήτων, τη
μεταβολή σχήματος, μορφής κ.τ.λ.
Βασικά χαρακτηριστικά των περισσοτέρων μετάλλων (και των κραμάτων) είναι: η
υψηλή μηχανική αντοχή, ανεξάρτητα του τρόπου καταπόνησης (π.χ. εφελκυσμός, θλίψη κ.τ.λ.)· η μεγάλη σκληρότητα (που ποσοτικοποιείται κατά Brinell, Rocwell και
Vickers, όπως αναφέρεται στο Κεφάλαιο 3) η ελαστικότητα (για μικρές παραμορφώσεις)· η πλαστικότητα, ώστε να αναπτύσσουν σημαντικές παραμορφώσεις πριν τη
θραύση· η μεγάλη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα η ολκιμότητα, δηλαδή η ικανότητά τους να λαμβάνουν μετά από έλξη μέσω κατάλληλης συσκευής τη μορφή σύρματος· η ελατότητα, δηλαδή η ικανότητά τους να αλλάζουν σχήμα και μορφή υπό την
ενέργεια εξωτερικών δυνάμεων, χωρίς ουσιαστική μεταβολή των ιδιοτήτων τους· η ευτηκτότητα, δηλαδή η ικανότητά τους να τήκονται υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρα-
204
σιών, ώστε να είναι δυνατή η χύτευση σε καλούπια, και κατόπιν να επανέρχονται στη
στερεή κατάσταση μετά από πτώση της θερμοκρασίας, χωρίς να επηρεάζονται οι ιδιότητές τους· και η συγκολλητικότητα, δηλαδή η ικανότητά τους να συγκολλώνται μεταξύ
τους (π.χ. με ισχυρή θέρμανση και σφυρηλάτηση ή με ηλεκτροσυγκόλληση) σχηματίζοντας ένα ενιαίο σύνολο, χωρίς να μεταβάλλονται ουσιαστικά οι ιδιότητές τους.
Βασικές φυσικές ιδιότητες για τα κυριότερα δομικά μέταλλα και κράματα δίνει ο Πίνακας 7.1 (Σίδερης 1984, Λεγάκις 1992).
Μέταλλο
κράμα
ή Πυκνότητα
(kg/m3)
Σίδηρος
Χυτοσίδηρος
Χάλυβας
Ανοξ. χάλυβας
Αλουμίνιο
Μόλυβδος
Χαλκός
Κασσίτερος
Ψευδάργυρος
Νικέλιο
7860
7220-7720
7850
7910
2700
11350
8920
7300
7150
8700
Σημείο τή- Συντ. θερμ. Συντ. θερμ.
ξης (°C)
διαστολής αγωγιμότη(10-6/°C)
τας (W/mK)
1530
12
75
1250-1500 10-12
35-45
1500
11-13
50
1460
18
15
650
25
220
330
29
35
1080
17
380
230
22
65
420
29
110
1450
13
85
Πίνακας 7.1: Φυσικές ιδιότητες των κυριότερων δομικών μετάλλων και κραμάτων.
7.2.1.1.
Βασικές Μηχανικές Ιδιότητες
Σχ. 7.1: Τυπικό διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης για μέταλλα με σαφώς καθορισμένο όριο διαρροής.
Μονοαξονική φόρτιση. Η μηχανική συμπεριφορά των μετάλλων, όπως ο κοινός
χάλυβας, σε μονοαξονικό εφελκυσμό περιγράφεται στο Σχ. 7.1. Το αρχικό τμήμα του
διαγράμματος τάσεων-παραμορφώσεων είναι ευθύγραμμο και ακολουθείται από την
περιοχή ή πλατώ διαρροής, όπου έχουμε ανάπτυξη παραμορφώσεων υπό σταθερή
τάση. Η τάση αυτή ονομάζεται τάση ή όριο διαρροής, fy. Ακολουθεί η περιοχή κράτυνσης, όπου παρατηρείται μικρή αύξηση των τάσεων μέχρι τη μέγιστη τιμή (εφελκυστική
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
205
αντοχή), πέρα από την οποία αρχίζει η στένωση της διατομής του μετάλλου (δημιουργία
τοπικού "λαιμού") μέχρι τη θραύση. Η εφαπτομένη του διαγράμματος στην αρχή της
κράτυνσης ονομάζεται μέτρο κράτυνσης και η αντίστοιχη παραμόρφωση είναι η παραμόρφωση κράτυνσης. Η συνολική παραμόρφωση που αντιστοιχεί σε κάθε σημείο της
καμπύλης σ-ε δίνεται προσθέτοντας στην ελαστική παραμόρφωση (αυτή που ανακτάται
κατά την αποφόρτιση) την πλαστική παραμόρφωση (παραμένουσα ή μόνιμη). Υπενθυμίζεται ότι, όπως έχει αναφερθεί και στο Κεφάλαιο 2, η πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων οφείλεται στην κίνηση των γραμμικών ατελειών (καταναγκασμοί) λόγω της
δράσης εξωτερικών δυνάμεων.
Σχ. 7.2: Τυπικό διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης για μέταλλα χωρίς σαφές
όριο διαρροής.
Για μέταλλα χωρίς σαφώς καθορισμένο όριο διαρροής (π.χ. χάλυβες υψηλής αντοχής, ανοξείδωτοι χάλυβες, αλουμίνιο) ορίζεται το συμβατικό όριο διαρροής, f0.2, ως η
τάση που αντιστοιχεί σε πλαστική παραμόρφωση 0.2% (Σχ. 7.2).
Η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης μετάλλων σε μονοαξονική θλίψη είναι παρόμοια με αυτή σε εφελκυσμό, με τη διαφορά ότι απουσιάζει η περιοχή στένωσης.
Τέλος σημειώνεται ότι ο πειραματικός προσδιορισμός της συμπεριφοράς ενός μετάλλου
σε μονοαξονική φόρτιση γίνεται με την εφαρμογή εφελκυστικού φορτίου σε δοκίμια κυκλικής ή ορθογωνικής διατομής, όπως δείχνει π.χ. το Σχ. 7.3 (ASTM Ε8-85).
Ερπυσμός. Η ανάπτυξη παραμορφώσεων υπό σταθερή τάση στα μέταλλα γίνεται
μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες και οφείλεται στην κίνηση των ατελειών στη δομή των
κρυστάλλων λόγω σημαντικής αύξησης της θερμικής τους ενέργειας. Η μορφή της καμπύλης παραμορφώσεων-χρόνου για μέταλλα στα οποία αναπτύσσονται ερπυστικές
παραμορφώσεις δίνεται στο Σχ. 7.4 (Taylor 1983).
Στο πρώτο στάδιο, που ονομάζεται και αρχικός ερπυσμός, παρατηρείται μία σχετικά απότομη ανάπτυξη ερπυστικών παραμορφώσεων με συνεχώς μειούμενο ρυθμό,
λόγω της ολοένα αυξανόμενης αλληλοεμπλοκής των καταναγκασμών με άλλους κρυστάλλους και/ή μεταξύ τους (ενδοτράχυνση), με αποτέλεσμα την παρεμπόδιση της κίνησης. Στο δεύτερο στάδιο, που αντιστοιχεί στην περιοχή του σταθερού ερπυσμού, η
ανάπτυξη παραμορφώσεων οφείλεται στην κίνηση των ατόμων του μετάλλου λόγω
διάχυσης, και λόγω αλληλοεξουδετέρωσης και αναταξινόμησης των καταναγκασμών.
Τέλος, στο τρίτο στάδιο, που λέγεται και τελικός ερπυσμός, παρατηρείται ολίσθηση των
κόκκων του υλικού, η οποία οδηγεί στην ανάπτυξη ενδοκρυσταλλικών ρωγμών και τελι-
206
κά στη θραύση. Τονίζεται πάντως ότι οι ερπυστικές παραμορφώσεις είναι αμελητέες σε
χαμηλές θερμοκρασίες και θεωρούνται υπολογίσιμες σε θερμοκρασίες που συνήθως ξεπερνούν το 40% της θερμοκρασίας τήξης του μετάλλου, σε βαθμούς Κ (lllston et al.
1981). Έτσι, το φαινόμενο του ερπυσμού μπορεί να αγνοηθεί για τις συνηθισμένες
εφαρμογές των μετάλλων στη δόμηση.
Σχ. 7.3: Γεωμετρία δοκιμίων για το πείραμα εφελκυσμού σε μέταλλα, (α)
Δοκίμιο κυκλικής διατομής, (β) δοκίμια ελασμάτων ορθογωνικής διατομής, πάχους 0.005"-5/8" (1" = 25.4 mm).
Σχ. 7.4: Στάδια παραμόρφωσης μετάλλου μέχρι την αστοχία λόγω ερπυσμού
σε υψηλή θερμοκρασία.
Κρούση. Η αντοχή των μετάλλων σε κρούση εξαρτάται από τη θερμοκρασία, την
ταχύτητα κρούσης και το μέγεθος των κόκκων στην κρυσταλλική δομή. Μείωση της θερμοκρασίας επιφέρει μείωση της θερμικής ενέργειας των καταναγκασμών, οπότε η
ανάπτυξη πλαστικών παραμορφώσεων δυσχεραίνεται, με αποτέλεσμα τη μείωση της
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
207
δυσθραυστότητας. Μάλιστα σε ορισμένα μέταλλα η μείωση αυτή γίνεται σχετικά απότομα με την πτώση της θερμοκρασίας. Το φαινόμενο αυτό χαρακτηρίζεται ως μετάβαση
από πλαστικότητα σε ψαθυρότητα, και για κοινούς χάλυβες συμβαίνει μεταξύ 0-50 °C
(Σχ. 7.5). Όπως και στο σκυρόδεμα, η αντοχή των μετάλλων σε κρούση αυξάνεται με
την αύξηση της ταχύτητας κρούσης, αλλά η πλαστιμότητα μειώνεται, γεγονός που εδώ
οφείλεται στο ότι η κίνηση των καταναγκασμών απαιτεί κάποιο χρόνο. Τέλος, η αντοχή
σε κρούση μειώνεται με το μέγεθος των κόκκων, γεγονός που οφείλεται στο ότι αύξηση
του μεγέθους των κόκκων επιφέρει συγκέντρωση καταναγκασμών, που μπορεί να οδηγήσει σε συγκεντρώσεις τάσεων και ανάπτυξη ρωγμών.
Σχ. 7.5: Μετάβαση από πλαστικότητα σε ψαθυρότητα, λόγω μείωσης της
θερμοκρασίας.
Κόπωση. Τα επαναλαμβανόμενα φορτία στα μέταλλα (π.χ. δοκοί μεταλλικών γεφυρών, καλώδια γεφυρών) προκαλούν σταδιακή κίνηση καταναγκασμών και ανάπτυξη
μικρορωγμών, που ενδέχεται να οδηγήσουν σε πρόωρη αστοχία. Η αντοχή σε κόπωση
αυξάνεται με την εφελκυστική αντοχή, με τη μείωση της θερμοκρασίας, με την ελάττωση
της παρουσίας ατελειών στο εσωτερικό αλλά και στην επιφάνεια των μετάλλων, και με
τη μείωση του μεγέθους των κόκκων της κρυσταλλικής δομής. Επίσης, εφελκυστικές
τάσεις δίνουν γενικά μικρότερη αντοχή σε κόπωση απ' ότι οι θλιπτικές. Τέλος, η μείωση
της αντοχής σε κόπωση είναι εντονότερη όσο αυξάνονται οι επιβαλλόμενες τάσεις, ενώ
μηδενίζεται για ορισμένα μέταλλα υπό τάσεις που δεν ξεπερνούν συγκεκριμένες τιμές
(π.χ. 40% της εφελκυστικής αντοχής, για τον κοινό χάλυβα).
Περισσότερες λεπτομέρειες για τη μηχανική συμπεριφορά των μετάλλων, και ιδιαίτερα του χάλυβα, δίνονται σε επόμενη ενότητα, όπου ο χάλυβας μελετάται εκτενέστερα.
Παρακάτω εξετάζονται ο σίδηρος και τα κράματά του, που αποτελούν και τα σημαντικότερα δομικά μέταλλα. Μέταλλα που (συνήθως) δεν περιέχουν σίδηρο περιγράφονται
συνοπτικά στο τέλος του κεφαλαίου.
7.3. Σίδηρος
Ο καθαρός σίδηρος σπανίως βρίσκεται ελεύθερος στη φύση, αλλά είναι συχνά
ενωμένος με άλλα στοιχεία όπως το οξυγόνο, το υδρογόνο, ο άνθρακας και το θείο. Οι
ενώσεις αυτές του σιδήρου βρίσκονται σε μορφή εδαφικών υλικών, τα σιδηρομεταλλεύματα. Ανάλογα με το ορυκτό που περιέχουν σε μεγαλύτερο ποσοστό, τα σιδηρομεταλλεύματα διακρίνονται συνήθως σε: (α) αιματίτη (Fe2O3), που περιέχει 60-70% σίδηρο,
και αφθονεί στην Ελλάδα, γι' αυτό αποτελεί και την πρώτη ύλη παραγωγής σιδήρου (β)
μαγνησίτη (Fe3O4), που περιέχει πάνω από 70% σίδηρο (γ) λειμωνίτη (2Fe2O3▪3Η2O),
208
με περιεκτικότητα σε σίδηρο μέχρι 60% και σιδηρίτη (FeCO3), με περιεκτικότητα μέχρι
50%.
Ο σίδηρος δεν χρησιμοποιείται στη δόμηση σε καθαρή μορφή, γιατί είναι πολύ μαλακός και η εξαγωγή του από τα σιδηρομεταλλεύματα είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. Είναι
συνήθως σε μορφή κράματος καθαρού σιδήρου, άλλων μετάλλων (π.χ. μαγγάνιο, χαλκός, νικέλιο, χρώμιο) και αμετάλλων (άνθρακας, που είναι το κυριότερο στοιχείο του
χάλυβα, πυρίτιο, φωσφόρος, θείο κ.τ.λ.). Τα περισσότερα από τα παραπάνω στοιχεία
προστίθενται σκόπιμα, ώστε να αποκτήσει το κράμα σιδήρου επιθυμητές ιδιότητες.
7.3.1.
Μεταλλουργία Σιδήρου
Η μεταλλουργία του σιδήρου από τα σιδηρομεταλλεύματα γίνεται με τη βοήθεια ειδικών καμίνων (μεταλλουργικές υψικάμινοι, Σχ. 7.6). Τα ορυκτά του σιδήρου αρχικά καθαρίζονται από τυχόν γαιώδεις προσμίξεις με διάφορες μεθόδους (π.χ. κονιορτοποίηση
ακολουθούμενη από κοσκίνισμα, επίπλευση, μαγνητικό διαχωρισμό κ.τ.λ.) και σε ορισμένες περιπτώσεις εμπλουτίζονται σε μέταλλο. Κατόπιν γίνεται η φρύξη τους, οπότε ο
σίδηρος μετατρέπεται σε Fe2O3, που θερμαίνεται με κωκ (προϊόν της ξηρής απόσταξης
των λιθανθράκων) και συλλιπάσματα (ασβεστούχες, πυριτικές και ασβεστοπυριτικές ουσίες, δηλαδή ασβεστόλιθοι) στην υψικάμινο. Τα συλλιπάσματα βοηθούν στην απομάκρυνση ξένων προσμίξεων από το σιδηρομετάλλευμα και σχηματίζουν τη "σκωρία
υψικαμίνου".
Σχ. 7.6: Μεταλλουργική φρεατοειδής υψικάμινος.
Τα ορυκτά του σιδήρου, το κωκ και τα συλλιπάσματα τοποθετούνται στην υψικάμινο κατά στρώσεις. Η καύση του κωκ (σε θερμοκρασίες που συχνά ξεπερνούν τους 1600
°C και που συντηρούνται και με θερμό αέρα που διοχετεύεται στην υψικάμινο) δίνει
CO2, που κατά την άνοδό του στην υψικάμινο συναντά στρώματα C σχηματίζοντας CO,
το οποίο ανάγει το Fe2O3 σε σπογγώδη σίδηρο (Fe), που λειώνει και ρέει προς τον πυθμένα της υψικαμίνου. Στην επιφάνεια του ρευστοποιημένου σιδήρου επιπλέει η μεταλ λουργική σκωρία, που σχηματίζεται από τα οξείδια του μεταλλεύματος (SiO2, ΑΙ2O3,
CaO, MgO) και το CaO του ασβεστολίθου. Η σκωρία αυτή παρασύρει κατά την έξοδό
της από την υψικάμινο και το θείο, που δίνει σίδηρο κακής ποιότητας (μικρής αντοχής
και αυξημένης ψαθυρότητας). Σημειώνεται ότι για την παραγωγή 1 kg σιδήρου απαιτούνται περίπου διπλάσια ποσότητα μεταλλεύματος, ίση ποσότητα κωκ και 400 g ασβεστο-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
209
λίθου, παράγονται δε 500 g σκωρίας, με όγκο τριπλάσιο αυτού του λαμβανομένου σιδήρου (Σίδερης 1984).
Ρέοντας προς το κάτω μέρος της υψικαμίνου ο σίδηρος παρασύρει άνθρακα,
μέρος του οποίου ενώνεται χημικά (σχηματίζοντας Fe3C), το δε υπόλοιπο απλώς αναμιγνύεται ως γραφίτης. Το σχηματιζόμενο προϊόν έχει χαμηλότερο σημείο τήξης από τον
σίδηρο, κάτι που διευκολύνει την έξοδό του από την υψικάμινο, και ψύχεται σε καλούπια, σχηματίζοντας τον λεγόμενο κοινό χυτοσίδηρο (ή χυτοσίδηρο πρώτης τήξης ή
απλώς χυτοσίδηρο). Ο χυτοσίδηρος αυτός ονομάζεται λευκός χυτοσίδηρος, όταν σχηματίζεται με απότομη ψύξη, οπότε και περιέχει τον άνθρακα κυρίως ως Fe3C, ή τεφρός
χυτοσίδηρος ("μαντέμι"), όταν σχηματίζεται με βραδεία ψύξη (που όταν γίνεται μετά από
ανάτηξη δίνει το χυτοσίδηρο δεύτερης τήξης), οπότε και περιέχει τον άνθρακα κυρίως σε
μορφή γραφίτη. Ο χυτοσίδηρος σε ενδιάμεση κατάσταση από τον λευκό και τον τεφρό,
δηλαδή αυτός που περιέχει τον άνθρακα κατά το μισό ενωμένο και κατά το μισό απλώς
διασκορπισμένο, ονομάζεται διάστικτος, και παρουσιάζει ενδιάμεσες ιδιότητες.
7.3.2.
Χυτοσίδηρος - Ιδιότητες, Εφαρμογές
Ο χυτοσίδηρος περιέχει γενικά διάφορες προσμίξεις, που ανάλογα με την ποιότητα του μεταλλεύματος και του κωκ είναι (περίπου): 1.5-4% άνθρακας, 0.5-2% πυρίτιο,
0.2-3% μαγγάνιο, 0.1-1% φωσφόρος και 0.1-1% θείο.
Ο τεφρός χυτοσίδηρος παρασκευάζεται με περισσότερο άνθρακα και συλλίπασμα
πλουσιότερο σε πυρίτιο, έχει σχετικά μικρή σκληρότητα και εφελκυστική αντοχή, και χυτεύεται εύκολα. Η μορφή του γραφίτη στο χυτοσίδηρο είναι καθοριστική για τις μηχανικές ιδιότητες και κυρίως για την αντοχή. Έτσι, χυτοσίδηρος με σφαιροειδή γραφίτη (τύπου GGG) έχει μεγαλύτερη αντοχή από αυτόν με φυλλοειδή γραφίτη (τύπου GGL), είναι
ελατός, επιδέχεται συγκόλληση, έχει μεγάλη ανθεκτικότητα σε επιφανειακή φθορά και
διάβρωση και δεν σχηματίζει οξείδια στην επιφάνειά του κατά τη θέρμανσή του σε υψηλές θερμοκρασίες (όπως και ο χάλυβας). Ο τύπος GGL παρουσιάζει ικανοποιητική
απόσβεση κραδασμών, και στην επιφάνειά του δημιουργούνται οξείδια και ενώσεις του
πυριτίου που προστατεύουν το υλικό από τη διάβρωση. Ο λευκός χυτοσίδηρος παρασκευάζεται με χρησιμοποίηση λιγότερου άνθρακα και πλουσιότερου σε μαγγάνιο συλλιπάσματος, έχει μεγάλη σκληρότητα και θλιπτική αντοχή, είναι ψαθυρός, και χρησιμοποιείται για την παραγωγή χάλυβα. Τέλος, ο διάστικτος χυτοσίδηρος παρουσιάζει ενδιάμεσες ιδιότητες.
Η χρήση του χυτοσιδήρου στις κατασκευές είναι σήμερα αρκετά περιορισμένη, κυρίως λόγω της μεγάλης ψαθυρότητας που χαρακτηρίζει τη θραύση του υλικού. Έτσι,
ενώ κατά το παρελθόν χρησιμοποιήθηκε ευρέως στη γεφυροποιία, σε κτιριακές κατασκευές κ.τ.λ., σήμερα η χρήση του περιορίζεται σε ειδικές εφαρμογές, όπως σε σωληνώσεις, ειδικά στοιχεία (π.χ. εσχάρες φρεατίων), επειδή έχει μεγαλύτερη ανθεκτικότητα
σε διάβρωση από το χάλυβα ενώ ταυτόχρονα κοστίζει λιγότερο, και για την παρασκευή
διακοσμητικών στοιχείων (π.χ. κιγκλιδώματα).
7.4. Χάλυβας
Ο χάλυβας είναι κράμα σιδήρου με περιεκτικότητα σε άνθρακα που δεν ξεπερνάει
το 2%. Λαμβάνεται από τον κοινό χυτοσίδηρο με αφαίρεση σημαντικού ποσοστού άνθρακα και άλλων προσμίξεων, με μία από τις μεθόδους που περιγράφονται παρακάτω.
Η παραγωγή χυτοσιδήρου και χάλυβα δίνεται σχηματικά στο Σχ. 7.7.
210
Σχ. 7.7: Παραγωγή χυτοσιδήρου και χάλυβα.
7.4.1.
Παραγωγή Χάλυβα
Οι βασικότερες μέθοδοι παραγωγής χάλυβα είναι: (α) οι μέθοδοι Bessemer και
Thomas, (β) η μέθοδος βασικής καμίνου οξυγόνου, (γ) η μέθοδος καμίνου ανοικτής
εστίας και (δ) η μέθοδος ηλεκτρικής καμίνου.
7.4.1.1.
Μέθοδοι Bessemer και Thomas
Η μέθοδος Bessemer εφαρμόστηκε για πρώτη φορά το 1855, είναι η παλαιότερη
από όλες, και σήμερα έχει μάλλον ιστορική μόνο σημασία. Σύμφωνα με αυτή, λυωμένος
κοινός χυτοσίδηρος οδηγείται σε μετατροπέα (μεγάλο κυλινδρικό περίπου δοχείο από
ελάσματα χάλυβα, με εσωτερική επένδυση από πυρίμαχες πλίνθους, Σχ. 7.8, χωρητικότητας αρκετών τόννων), από τον πυθμένα του οποίου διοχετεύεται αέρας υπό πίεση,
μέσω οπών. Το οξυγόνο του αέρα προκαλεί οξείδωση των προσμίξεων του χυτοσιδήρου (π.χ. C, Si, Μn, Ρ), οι οποίες απομακρύνονται παγιδευμένες στα προϊόντα οξείδωσης ή στα παραγόμενα αέρια. Επειδή με τη μέθοδο αυτή ο έλεγχος της περιεκτικότητας
σε άνθρακα είναι δύσκολος, αρχικά γίνεται τέλεια αφαίρεση του άνθρακα και κατόπιν
προστίθεται χυροσίδηρος ή παλαιός χάλυβας γνωστής περιεκτικότητας σε C. Οι πυρίμαχες πλίνθοι του μετατροπέα Bessemer είναι όξινου χαρακτήρα, κατάλληλες για χυτοσίδηρο φτωχό σε φωσφόρο. Κατά τη μέθοδο Thomas, που εφαρμόστηκε για πρώτη
φορά το 1878, οι πυρίμαχες πλίνθοι είναι βασικού χαρακτήρα (πλούσιοι σε οξείδια CaO
και MgO), και είναι κατάλληλες για χυτοσίδηρο πλούσιο σε φωσφόρο. Η διαφορά μεταξύ
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
211
των δύο μεθόδων συνίσταται μόνο στο υλικό της πυρίμαχης επένδυσης. Ο συνολικός
χρόνος παραγωγής χάλυβα σύμφωνα με τις μεθόδους αυτές είναι μεταξύ 1/2 και 1
ώρας.
Σχ. 7.8: Μετατροπέας Bessemer ή Thomas.
7.4.1.2.
Βασική Κάμινος Οξυγόνου
Αποτελεί παραλλαγή της μεθόδου Bessemer και είναι η πλέον συνηθισμένη μέθοδος παραγωγής χάλυβα σήμερα. Το βασικό νέο στοιχείο της μεθόδου είναι η εισαγωγή
καθαρού οξυγόνου από το στόμιο του μετατροπέα (Dowling et al. 1992), ο οποίος έχει
χωρητικότητα που ξεπερνά τους 300 τόννους. Η διαδικασία παραγωγής χάλυβα ολοκληρώνεται σε λιγότερο από 45 λεπτά.
7.4.1.3.
Κάμινος Ανοικτής Εστίας
Σχ. 7.9: Κάμινος ανοικτής εστίας.
Η κάμινος ανοικτής εστίας (ή κάμινος Siemens-Martin) επινοήθηκε το 1867 από
τον Martin και κατασκευάστηκε από τον Siemens. Είναι αβαθής με μεγάλη επιφάνεια
επένδυσης (Σχ. 7.9), που μπορεί να είναι βασική ή όξινη, και λειτουργεί σε θερμοκρασί-
212
ες μεταξύ 1500 - 1700 °C. Οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την
καύση μπορούν να προκαλέσουν τήξη κραμάτων σιδήρου, όπως π.χ. ο χάλυβας. Έτσι,
με ανάμιξη ρευστού ή στερεού χυτοσιδήρου γνωστής περιεκτικότητας σε C με άχρηστα
κομμάτια χάλυβα, προερχόμενα από τη σιδηροβιομηχανία, είναι δυνατή η παραγωγή
χάλυβα με καθορισμένη εκ των προτέρων αναλογία σε C.
Η χωρητικότητα των καμίνων ανοικτής εστίας μπορεί να φθάσει και τους 400-600
τόννους, ο χρόνος όμως παραγωγής είναι γύρω στις 5-8 ώρες. Βασικό πλεονέκτημα της
μεθόδου αυτής είναι η επίτευξη μεγαλύτερης ομοιογένειας στο χάλυβα (λόγω της παρατεταμένης καμίνευσης) και ότι η περιεκτικότητα σε άνθρακα ελέγχεται εύκολα, ενώ μειονέκτημα αποτελεί το μεγαλύτερο κόστος παραγωγής.
7.4.1.4.
Ηλεκτρική Κάμινος
Κατά τη μέθοδο της ηλεκτρικής καμίνου οι υψηλές θερμοκρασίες (που φθάνουν
τους 2000 °C) επιτυγχάνονται συνήθως με τη βοήθεια ηλεκτρικού τόξου, μέσω ηλεκτροδίων γραφίτη, ή (σπανίως) με ρεύμα εξ επαγωγής. Η χωρητικότητά τους φθάνει τους
300 τόννους, και ο χρόνος καύσης είναι γύρω στις 3 ώρες (αλλά εξαρτάται σημαντικά
από την ισχύ της καμίνου). Παλαιότερα χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά για τη βελτίωση
ορισμένων χαλύβων ή για την παραγωγή ειδικών χαλύβων (π.χ. νικελιούχος χάλυβας),
σήμερα όμως η χρήση τους επεκτείνεται και στην παραγωγή κοινού χάλυβα.
7.4.2.
Δομή και Σύνθεση του Χάλυβα
Η βασική γνώση της δομής και της σύνθεσης του χάλυβα είναι χρήσιμη για την κατανόηση των ιδιοτήτων του. Ανάλογα με την θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε άνθρακα, τα κράματα σιδήρου-άνθρακα βρίσκονται σε μορφή ωστενίτη, φερρίτη, σεμενίτη
και περλίτη. Αυτό δείχνεται και στο λεγόμενο διάγραμμα κατάστασης για το χάλυβα, που
έχει τη μορφή του Σχ. 7.10.
Σχ. 7.10: Διάγραμμα κατάστασης χάλυβα.
Ο ωστενίτης, ή σίδηρος-γ, κρυσταλλώνεται στο χωροκεντρωμένο κυβικό σύστημα
και σχηματίζεται μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο φερρίτης, ή σίδηρος-α, που είναι ου-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
213
σιαστικά καθαρός σίδηρος, κρυσταλλώνεται στο εδροκεντρωμένο κυβικό σύστημα, και
χαρακτηρίζεται από μεγάλη πλαστιμότητα αλλά μικρή αντοχή (π.χ. 50 MPa). Ο σεμενίτης είναι πολύ σκληρός και έχει μεγάλη αντοχή, αλλά είναι ψαθυρός. Ο περλίτης, που είναι μίγμα φερρίτη και σεμενίτη σε αναλογία περίπου 7:1 αντίστοιχα, χαρακτηρίζεται από
ενδιάμεση αντοχή και πλαστιμότητα.
Ο ρόλος του άνθρακα στο χάλυβα είναι καθοριστικής σημασίας. Αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα έχει ως αποτέλεσμα αύξηση της αντοχής και της σκληρότητας,
αλλά μείωση της πλαστιμότητας, της δυσθραυστότητας και της συγκολλησιμότητας.
Ανάλογα με το ποσοστό άνθρακα, ο χάλυβας διακρίνεται γενικά σε: (α) χάλυβα μικρής
περιεκτικότητας άνθρακα (ή πολύ μαλακό), με C έως 0.15%, (β) μαλακό ή κοινό χάλυβα, που έχει την ευρύτερη χρήση στη δόμηση, με C μεταξύ 0.15-0.30%, (γ) χάλυβα
μέτριας περιεκτικότητας σε άνθρακα (ή σκληρό), με C μεταξύ 0.30-0.60%, και (δ) χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (ή πολύ σκληρό), με C μεταξύ 0.6-2%. Εκτός
όμως από άνθρακα, ο χάλυβας ενδέχεται να περιέχει και άλλες προσμίξεις, η επίδραση
των οποίων δίνεται στον Πίνακα 7.2.
Στοιχείο
Επίδραση
Άζωτο
Αύξηση αντοχής και σκληρότητας.
Άνθρακας Αύξηση αντοχής και σκληρότητας, μείωση πλαστιμότητας, δυσθραυστότητας και συγκολλησιμότητας.
Αργίλιο
Αφαίρεση οξειδίων από λυωμένο χάλυβα, μείωση μεγέθους κόκκων, αύξηση αντοχής και δυσθραυστότητας.
Βανάδιο
Μικρές ποσότητες (π.χ. 0.1-0.3%) αυξάνουν την αντοχή.
Θείο
Θεωρείται γενικά ανεπιθύμητο. Μείωση πλαστιμότητας, δυσθραυστότητας και συγκολλησιμότητας.
Μαγγάνιο Αύξηση αντοχής, μείωση δυσάρεστων επιδράσεων του θείου.
Μόλυβδος Αύξηση αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες.
Νικέλιο
Αύξηση αντοχής και δυσθραυστότητας.
Πυρίτιο
Αφαίρεση οξειδίων από λυωμένο χάλυβα.
Τιτάνιο
Αύξηση σκληρότητας και αντοχής σε ερπυσμό.
Φωσφόρος Αύξηση αντοχής και σκληρότητας, μείωση πλαστιμότητας και δυσθραυστότητας.
Χαλκός
Αύξηση αντοχής, σκληρότητας και κυρίως ανθεκτικότητας σε διάβρωση.
Χρώμιο
Αύξηση αντοχής, σημαντική βελτίωση ανθεκτικότητας σε διάβρωση.
Πίνακας 7.2: Επίδραση προσμίξεων στο χάλυβα.
7.4.3.
7.4.3.1.
Κατεργασία
Μηχανική Κατεργασία
Ο ρευστός χάλυβας που παρασκευάζεται με βάση μία από τις μεθόδους που περιγράφονται παραπάνω διοχετεύεται σε κάδους και κατόπιν σε καλούπια, συνήθως μορφής κόλουρης πυραμίδας, οπότε τα αντίστοιχα τεμάχια χάλυβα λέγονται "χελώνες". Ενώ
είναι ακόμα θερμές, οι "χελώνες" μορφοποιούνται σε στοιχεία πρισματικής συνήθως γεωμετρίας μέσω κυλινδρικών ελάστρων υψηλής πίεσης, έτσι ώστε οι διαστάσεις των πρισμάτων να είναι σχετικά παρόμοιες με τις τελικές διαστάσεις των δομικών στοιχείων
από χάλυβα. Τα πρίσματα αυτά, μορφής ράβδου, δοκού ή πλάκας, ψύχονται και κατόπιν μεταφέρονται για περαιτέρω επεξεργασία στα χαλυβουργεία (Σχ. 7.11). Εκεί ο
χάλυβας μορφοποιείται βάσει μηχανικής κατεργασίας, που μπορεί να είναι έλαση
(εξέλαση), διέλκυση (όλκηση), συμπίεση, σφυρηλάτηση και χύτευση (Herubin and
Marotta 1981).
214
Σχ. 7.11: Μορφοποίηση του χάλυβα.
Με εξαίρεση τη χύτευση, η κατεργασία του χάλυβα μπορεί να είναι θερμή, οπότε ο
χάλυβας είναι ερυθροπυρωμένος σε θερμοκρασία 1000 °C περίπου, ή ψυχρή, οπότε ο
χάλυβας μορφοποιείται σε θερμοκρασία δωματίου. Αποτέλεσμα της θερμής κατεργασίας είναι η μείωση του μεγέθους των κόκκων του υλικού και η αύξηση της πυκνότητας
(ενδοτράχυνση και ανακρυστάλλωση), λόγω του κλεισίματος των μικρότατων πόρων
στη μάζα του υλικού, γι' αυτό ακολουθείται από αύξηση της αντοχής. Η ψυχρή κατεργασία επιφέρει επιμήκυνση των κόκκων παράλληλα στη διεύθυνση κατά την οποία επιμηκύνεται ο χάλυβας (ενδοτράχυνση), και έχει ως συνέπεια αύξηση της αντοχής και της
σκληρότητας, καλύτερο έλεγχο των διαστάσεων (επειδή αποφεύγεται η συστολή λόγω
ψύξης), καλή λείανση των εξωτερικών επιφανειών (επειδή δεν σχηματίζονται οξείδια
που είναι αναπόφευκτα στη θερμή κατεργασία) και μείωση της πλαστιμότητας.
Έλαση. Τεμάχια ερυθροπυρωμένου χάλυβα (γύρω στους 900-1200 °C) διέρχονται από διαδοχικά έλαστρα (συνεχώς περιστρεφόμενοι κύλινδροι ειδικής διάταξης και
μορφής), σε κάθε ένα από τα οποία το υλικό συμπιέζεται περισσότερο απ' ότι στο
προηγούμενο, σε μορφή που να μοιάζει όλο και περισσότερο με την τελική (σχετικό είναι το Σχ. 7.12 για δομικό χάλυβα διατομής τύπου I).
Η θερμή έλαση συνήθως προηγείται της ψυχρής, έτσι ώστε να αποκτήσει ο χάλυβας μορφή παρόμοια με την τελική. Επίσης συχνά αποτελεί το πρώτο βήμα πριν από τη
διέλκυση και τη συμπίεση. Προϊόντα θερμής έλασης είναι οι περισσότεροι δομικοί χάλυβες (π.χ. μορφοχάλυβας) των μεταλλικών κατασκευών, ενώ προϊόντα ψυχρής έλασης,
που απαιτεί αρκετά μεγαλύτερες δυνάμεις, είναι συνήθως στοιχεία μικρού πάχους (π.χ
ελάσματα, πτυχωτά χαλυβδόφυλλα κ.τ.λ.). Με έλαση παρασκευάζονται συχνά και
ράβδοι ή τένοντες (π.χ. οπλισμού ή προέντασης σκυροδέματος), μέσω ελάστρων ειδικής μορφής.
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
215
Οι ελασμένοι χάλυβες έχουν περίπου το ίδιο όριο διαρροής και την ίδια εφελκυστική αντοχή σε κάθε διεύθυνση, αλλά χαρακτηρίζονται από μειωμένη παραμόρφωση
θραύσης και, κατ' επέκταση, πλαστιμότητα στη διεύθυνση κάθετα στη μικρή διάσταση
της διατομής (πάχος). Η επίδραση του προσανατολισμού της επιφάνειας θραύσης σε
σχέση με τη διεύθυνση έλασης δίνεται στο Σχ. 7.13 (ASM 1978).
Σχ. 7.12: Έλαση διατομής I.
Σχ. 7.13: Δυσθραυστότητα ελασμένου χάλυβα.
Διέλκυση. Είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος παρασκευής συρμάτων, διαμέτρου
συνήθως κάτω από 5 mm, στοιχείων λεπτότοιχων κλειστών διατομών (π.χ. σωλήνες
χωρίς ραφές) κ.τ.λ. Ο χάλυβας προέρχεται από θερμή έλαση και κατόπιν διέρχεται από
διαδοχικά ανοίγματα μειούμενης διαμέτρου (Σχ. 7.14).
Συμπίεση. Η μορφοποίηση του χάλυβα κατά τη συμπίεση γίνεται με εφαρμογή μεγάλης πίεσης μέσω ειδικών πρεσσών-μητρών σε στοιχεία χάλυβα που είναι συνήθως
λεπτότοιχα ή μικρών διαστάσεων (π.χ. κοχλίες, περικόχλια, ήλοι, πτυχωτά χαλυβδόφυλλα κ.τ.λ.). Η κατεργασία αυτή είναι είτε θερμή (γύρω στους 1000 °C) είτε ψυχρή, και έχει
ως αποτέλεσμα τη μείωση του μεγέθους των κόκκων της κρυσταλλικής δομής του υλικού και την αύξηση της αντοχής και της πλαστιμότητας.
216
Σφυρηλάτηση, χύτευση. Εφαρμόζονται περισσότερο για την παρασκευή μηχανολογικών εξαρτημάτων και σπάνια στα δομικά μέταλλα.
Σχ. 7.14: Διέλκυση σύρματος κυκλικής διατομής.
7.4.3.2.
Θερμική Κατεργασία
Για τη βελτίωση ορισμένων ιδιοτήτων τους, οι χάλυβες υποβάλλονται συχνά σε
θερμικές κατεργασίες, που είτε έπονται των μηχανικών είτε γίνονται ταυτόχρονα με αυτές. Τέτοιες κατεργασίες είναι η ανόπτηση, η κανονικοποίηση, η βαφή, η επαναφορά, η
ανακούφιση τάσεων και η τοπική βαφή.
Ανόπτηση. Συνίσταται σε θέρμανση του χάλυβα και πολύ βραδεία ψύξη του (συνήθως στην κάμινο), ώστε να επέλθει αλλαγή στην εσωτερική δομή του υλικού (μείωση
μεγέθους κόκκων) και να βελτιωθούν ορισμένες ιδιότητες, ιδίως όταν έχει προηγηθεί μηχανική κατεργασία. Η μέγιστη θερμοκρασία (600-800 °C), ο ρυθμός θέρμανσης και ψύξης, και ο χρόνος θέρμανσης εξαρτώνται από τη σύνθεση του χάλυβα, το σχήμα και το
μέγεθος του δομικού στοιχείου. Αποτέλεσμα της ανόπτησης είναι η άρση εσωτερικών
τάσεων, η μείωση της σκληρότητας, και η αύξηση της πλαστιμότητας και της δυσθραυστότητας.
Κανονικοποίηση. Συνίσταται σε θέρμανση του χάλυβα σε θερμοκρασία γύρω
στους 900 °C, ακολουθούμενη από βραδεία ψύξη στον αέρα (αυτό αποτελεί και τη βασική διαφορά με την ανόπτηση). Ο σχετικά (με την ανόπτηση) ταχύς ρυθμός ψύξης έχει
ως αποτέλεσμα τη μείωση του μεγέθους των κόκκων του υλικού, έτσι ώστε να βελτιώνεται η ομοιομορφία της δομής του (σχηματισμός υποευτηκτοειδή φερριτο-περλίτη) και να
αυξάνεται η πλαστιμότητα και η δυσθραυστότητα. Η μέθοδος είναι οικονομικότερη από
την ανόπτηση γιατί δεν απαιτεί παρατεταμένη χρήση καμίνου, αλλά είναι εφαρμόσιμη
μόνο σε στοιχεία σχετικά μικρών διαστάσεων, όπου η πιθανότητα στρέβλωσης λόγω
της ψύξης στον αέρα είναι ασήμαντη (Jackson and Dhir 1988).
Βαφή. Αποτελεί μέθοδο αύξησης της σκληρότητας και της αντοχής του χάλυβα,
που όμως συνοδεύεται από μείωση της πλαστιμότητας και της δυσθραυστότητας. Επιτυγχάνεται με θέρμανση του υλικού γύρω στους 900 °C για κάποιο χρόνο (ώστε να γίνει
μετάβαση στην ωστενιτική φάση) και απότομη ψύξη με εμβάπτιση (συνήθως σε νερό ή
λάδι).
Αποτέλεσμα της κατεργασίας είναι η ανακρυστάλλωση του χάλυβα από την ασταθή ωστενιτική μορφή στη μορφή μαρτενσίτη, κύριο χαρακτηριστικό της οποίας είναι η
δημιουργία κρυστάλλων με ελαφρά παραμορφωμένο χωροκεντρωμένο κυβικό σχηματισμό. Η μέθοδος εφαρμόζεται συνήθως σε χάλυβες με σχετικά υψηλά ποσοστά άνθρακα.
Επαναφορά. Γίνεται σε χάλυβες που έχουν υποστεί βαφή, ώστε να γίνει μερική
άρση των εσωτερικών τάσεων και να αυξηθεί η πλαστιμότητα και η δυσθραυστότητα (με
παράλληλη ελαφρά μείωση της αντοχής και της σκληρότητας). Αυτό επιτυγχάνεται με
θέρμανση του χάλυβα γύρω στους 450-650 °C για κάποιο χρόνο και αργή ψύξη.
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
217
Ανακούφιση τάσεων. Επιτυγχάνεται με θέρμανση του χάλυβα γύρω στους 400600 °C, διατήρηση της θερμοκρασίας για λίγο χρόνο και βραδεία ψύξη. Για χάλυβες
στους οποίους έχει προηγηθεί βαφή και επαναφορά η μέγιστη θερμοκρασία δεν πρέπει
να υπερβαίνει τη θερμοκρασία επαναφοράς. Η κατεργασία αυτή εφαρμόζεται για την
ανακούφιση (μείωση) τάσεων που αναπτύσσονται λόγω συγκολλήσεων, κανονικοποίησης, μηχανικής κατεργασίας, κοπής, βαφής κ.τ.λ., και όχι για σημαντική αλλαγή της δομής του χάλυβα.
Τοπική βαφή. Επιτυγχάνεται επιφανειακά με φλόγα οξυγόνου.
7.4.4.
Δομικός Χάλυβας
Οι χρήσεις του δομικού χάλυβα στην Ελλάδα είναι σχετικά περιορισμένες έναντι
αυτών του σκυροδέματος, αλλά τα τελευταία χρόνια εμφανίζουν ρυθμούς σημαντικής
αύξησης. Βασικά πλεονεκτήματα του χάλυβα έναντι του σκυροδέματος είναι η μεγάλη
αντοχή, πλαστιμότητα και δυσθραυστότητα, η μεγάλη ταχύτητα δόμησης και η ευκολία
συνδέσεων των μεταλλικών στοιχείων, ενώ τα κύρια μειονεκτήματα είναι το μεγάλο
κόστος και η ανάγκη προστασίας του υλικού από διάβρωση και πυρκαϊά.
7.4.4.1.
Κατηγορίες
Τα στοιχεία δομικού χάλυβα είναι θερμής ή ψυχρής κατεργασίας και έχουν συνήθως μία από τις μορφές του Σχ. 7.15. Στο δομικό χάλυβα περιλαμβάνονται και στοιχεία
όπως οι κοχλίες και οι ήλοι (η χρήση των τελευταίων έχει ουσιαστικά εξαλειφθεί).
Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3 (1992), στον ελατό εν θερμώ χάλυβα αναφέρονται
οι εξής κατηγορίες: Fe 360, Fe 430, Fe 510, Fe Ε 275 και Fe Ε 355. Οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές τιμές (που, όπως και στο σκυρόδεμα, ορίζονται ως αυτές με πιθανότητα
υποσκελισμού 5%) του ορίου διαρροής και της εφελκυστικής αντοχής δίνονται στον Πίνακα 7.3. Οι χάλυβες αυτοί περιέχουν συνήθως 0.25-0.40% άνθρακα, ενώ η περιεκτικότητα σε μαγγάνιο, πυρίτιο και χαλκό δεν ξεπερνά το 1.60%, 0.60% και 0.60%, αντίστοιχα. Για χρήση άλλων (παρομοίων) ποιοτήτων χάλυβα απαιτούνται δεδομένα σχετικά με τη χημική τους σύσταση, τον τρόπο παραγωγής, το όριο διαρροής και την εφελκυστική αντοχή. Στον Πίνακα 7.3 δίνονται επίσης οι προβλεπόμενες ποιότητες για τον ελατό εν ψυχρώ χάλυβα. Τέλος, στοιχεία για τους χάλυβες κοχλιών δίνονται στον Πίνακα
7.4.
Σχ. 7.15: Συνηθισμένες διατομές στοιχείων δομικού χάλυβα.
218
Κατηγορία
χάλυβα
Θερμής έλασης
Fe 360
Fe 430
Fe 510
Fe Ε 275
Fe Ε 355
Ψυχρής έλασης
Fe Ε 275 ΤΜ, HF
Fe Ε 355 ΤΜ, HF
Fe Ε 420 ΤΜ, HF
Fe Ε 490 ΤΜ
Fe Ε 560 ΤΜ
Fe Ε 275 ΤΜ, HF
Fe Ε 355 ΤΜ, HF
Fe Ε 420 ΤΜ, HF
Fe Ε 490 ΤΜ, HF
Ονομαστικό πάχος στοιχείων σε mm
t ≤ 40 40 < t ≤ 100
fy fu fy fu
235 360 215 340
275 430 255 410
355 510 335 490
275 390 255 370
355 490 335 470
275 350
355 420
420 480
490 540
560 610
275 390
355 480
420 530
490 570
Πίνακας 7.3: Χαρακτηριστικές τιμές ορίου διαρροής fy και εφελκυστικής αντοχής
fu δομικού χάλυβα (σε ΜPa).
Κατηγορία 4.6 5.6 6.8 8.8 10.9
κοχλία
fyb
240 300 480 640 900
fub
400 500 600 800 1000
Πίνακας 7.4: Χαρακτηριστικές τιμές ορίου διαρροής fyb και εφελκυστικής αντοχής
fub χάλυβα κοχλιών (σε ΜPa).
Οι παραπάνω κατηγορίες δομικού χάλυβα είναι οι συνηθέστερες στις περισσότερες Ευρωπαϊκές χώρες. Σε χώρες όπως οι Η.Π.Α. και η Ιαπωνία έχουν αρχίσει τα τελευταία χρόνια να χρησιμοποιούνται και χάλυβες πολύ υψηλής αντοχής (με όριο διαρροής
που φθάνει μέχρι 700-800 MPa), των οποίων οι ιδιότητες οφείλονται σε θερμική κατεργασία.
7.4.4.2.
Μηχανική Συμπεριφορά σε Συνηθισμένες Θερμοκρασίες
Το Σχ. 7.16 δίνει τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης δομικού χάλυβα σε μονοαξονικό εφελκυσμό (Brockenbrough and Johnston 1981). Η περιγραφή τέτοιων καμπυλών έχει ήδη γίνει παραπάνω.
Κοινά αποδεκτές τιμές για διάφορα χαρακτηριστικά του δομικού χάλυβα είναι:
μέτρο ελαστικότητας Εs = 210 GPa, μέτρο κράτυνσης Esh = 5-6 GPa, λόγος Poisson 0.3,
μέτρο διάτμησης 80 GPa, πυκνότητα 7850 kg/m3 και συντελεστής θερμικής διαστολής
12x10-6/°C.
Η αντοχή του χάλυβα σε πολυαξονική φόρτιση περιγράφεται ικανοποιητικά από το
κριτήριο του von Mises, σύμφωνα με το οποίο η επιφάνεια αστοχίας (διαρροής) του υλικού περιγράφεται από τη σχέση:
1
σ 1−σ 2 2 σ 2−σ 32 σ 3−σ 1 2 ]− f 2y
[
2
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
219
όπου σ1, σ2, σ3 είναι οι κύριες τάσεις και fy η τάση διαρροής (σε μονοαξονική φόρτιση). Εφαρμογή του παραπάνω κριτηρίου για επίπεδη εντατική κατάσταση δίνει την περιβάλλουσα αστοχίας του Σχ. 7.17. Για την περίπτωση καθαρής διάτμησης (σ1 = -σ2 =
τ), το κριτήριο δίνει την τάση διαρροής του χάλυβα σε διάτμηση ίση με f y /  3 .
Σχ. 7.16: Τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για δομικό χάλυβα.
Σχ. 7.17: Περιβάλλουσα αστοχίας χάλυβα σε διαξονική φόρτιση.
Η δράση πολυαξονικών τάσεων μπορεί να αποτελέσει αίτιο ψαθυρής αστοχίας δομικών στοιχείων από χάλυβα. Αυτό οφείλεται στην παρεμπόδιση παραμορφώσεων
εγκάρσια στη διεύθυνση της κύριας φόρτισης και, κατ' επέκταση, στην παρεμπόδιση της
ανάπτυξης σημαντικών πλαστικών παραμορφώσεων. Χαρακτηριστικό είναι το Σχ. 7.18,
που δείχνει ότι οι εγκάρσιες τάσεις επιφέρουν παρεμπόδιση της στένωσης (7.18.β). Πα-
220
ρόμοια παρεμπόδιση προκαλεί και η γεωμετρία του Σχ. 7.18.γ, που θα πρέπει να αποφεύγεται. Συχνό αίτιο ανάπτυξης πολυαξονικής έντασης στην πράξη είναι οι συγκολλήσεις.
Σχ. 7.18: Επίδραση πολυαξονικότητας των τάσεων στην ψαθυρή συμπεριφορά
του χάλυβα: (α) σχηματισμός στένωσης, (β) και (γ) παρεμπόδιση στένωσης.
Η αύξηση της ταχύτητας φόρτισης είναι ευμενής για την αντοχή του χάλυβα αλλά
δυσμενής για την πλαστιμότητα του, γεγονός που όπως έχει προαναφερθεί ισχύει για τα
περισσότερα μέταλλα. Το μέτρο ελαστικότητας όμως και ο λόγος Poisson είναι ουσιαστικά ανεξάρτητα του ρυθμού φόρτισης. Ο τρόπος που επηρεάζεται η μηχανική συμπεριφορά του χάλυβα (σε διάφορες μάλιστα θερμοκρασίες) από την ταχύτητα φόρτισης δίνεται στο Σχ. 7.19 για μία σειρά από δομικούς χάλυβες των Η.Π.Α. (Brockenbrough and
Johnston 1981).
Σχ. 7.19: Επίδραση ταχύτητας φόρτισης στο όριο διαρροής και στην εφελκυστική αντοχή του χάλυβα.
Η συμπεριφορά του χάλυβα σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση δίνεται στο Σχ. 7.20. Χαρακτηριστικό της συμπεριφοράς στην περίπτωση αυτή είναι ότι όταν το υλικό φορτίζεται
σε εφελκυσμό υπερβαίνοντας το όριο διαρροής, κατόπιν αποφορτίζεται και τέλος φορτίζεται σε θλίψη, η σχέση τάσης-παραμόρφωσης παύει να είναι γραμμική αρκετά πριν
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
221
από το όριο διαρροής. Βεβαίως, όταν η παραμόρφωση αυξηθεί σημαντικά αυξάνεται και
η αντίστοιχη τάση, πλησιάζοντας μέχρι το όριο διαρροής. Η συμπεριφορά αυτή ονομάζεται φαινόμενο Bauschinger.
Σχ. 7.20: Σχέση τάσης-παραμόρφωσης για ανακυκλιζόμενη φόρτιση και φαινόμενο Bauschinger.
7.4.4.3.
Συμπεριφορά σε Ακραίες Θερμοκρασίες
Οι κατασκευές από χάλυβα σχεδιάζονται συνήθως για χρήση σε συνηθισμένες
θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Η συμπεριφορά τους σε υψηλές θερμοκρασίες ενδιαφέρει
το μηχανικό σε σπάνιες περιπτώσεις, όπως π.χ. η πυρκαϊά. Για θερμοκρασίες πάνω
από 100 °C περίπου η καμπύλη τάσεων-παραμορφώσεων είναι έντονα μη γραμμική,
χωρίς σαφές όριο διαρροής. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, το όριο διαρροής, η εφελκυστική αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας μειώνονται. Ο ρυθμός μείωσης είναι μέγιστος για θερμοκρασίες γύρω στους 450-550 °C, όπως φαίνεται και στο Σχ. 7.21
(Brockenbrough and Johnston 1981). Ορισμένοι χάλυβες, ιδιαίτερα αυτοί με μεγάλη περιεκτικότητα σε άνθρακα, εμφανίζουν μικρή αύξηση του ορίου διαρροής και της εφελκυστικής αντοχής για θερμοκρασίες μεταξύ 150-370 °C, που μπορεί να φθάσει μέχρι 10%
περίπου της αντίστοιχης τιμής σε θερμοκρασία δωματίου. Το φαινόμενο αυτό σχετίζεται
με τη γήρανση παραμόρφωσης του χάλυβα, που εξηγείται παρακάτω.
Ένα άλλο φαινόμενο που έχει ήδη περιγραφεί και μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία
του χάλυβα για τάσεις μικρότερες από το όριο διαρροής είναι ο ερπυσμός σε υψηλές
θερμοκρασίες. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι χάλυβας με όριο διαρροής 250 MPa και εφελκυστική αντοχή γύρω στα 400 MPa θα αστοχήσει στους 430 °C λόγω ερπυσμού σε 103
ώρες, 104 ώρες και 105 ώρες, για τάση ίση με 260 MPa, 170 MPa και 110 MPa, αντίστοιχα.
Όπως δείχνει και το Σχ. 7.22, η επίδραση των χαμηλών θερμοκρασιών είναι ιδιαίτερα δυσμενής για τη δυσθραυστότητα του χάλυβα, μετατρέποντας το υλικό από
πλάστιμο σε ψαθυρό (Brockenbrough and Johnston 1981). Η θερμοκρασία στην οποία
παρατηρείται η μεταβολή αυτή ονομάζεται θερμοκρασία μετάπτωσης.
222
Σχ. 7.21: Επίδραση υψηλών θερμοκρασιών (α) στο όριο διαρροής, (β) στην
εφελκυστική αντοχή και (γ) στο μέτρο ελαστικότητας του χάλυβα.
Σχ. 7.22: Επίδραση θερμοκρασίας στη δυσθραυστότητα (μετρούμενη με τη
δοκιμή Charpy).
7.4.4.4.
Επίδραση της Κατεργασίας
Οι διάφορες μηχανικές και θερμικές κατεργασίες στις οποίες υπόκειται ο δομικός
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
223
χάλυβας προκαλούν αλλαγή της δομής του υλικού και συχνά εσωτερικές τάσεις, που
μπορεί να φθάνουν και την τάση διαρροής. Η επίδραση των τάσεων αυτών και της κατεργασίας του χάλυβα γενικότερα στη συμπεριφορά του υλικού περιγράφονται στα
ακόλουθα.
Παραμένουσες τάσεις. Οι παραμένουσες τάσεις υφίστανται στο δομικό χάλυβα
προτού καν το υλικό φορτιστεί. Αιτία τους μπορεί να είναι η ανομοιόμορφη ψύξη μετά τη
θερμή έλαση, η ψυχρή κατεργασία, οι συγκολλήσεις, η κοπή και η διάτρηση. Οι παραμένουσες τάσεις της θερμής έλασης (ή της θερμής κατεργασίας, γενικότερα) οφείλονται
στο ότι τμήματα του υλικού ψύχονται σε διαφορετικούς χρόνους. Έτσι στο υλικό που
ψύχεται τελευταίο αναπτύσσονται εφελκυστικές τάσεις, ενώ σε αυτό που ψύχεται πρώτο
θλιπτικές. Οι παραμένουσες τάσεις της ψυχρής κατεργασίας οφείλονται στο ότι στοιχεία
από χάλυβα υφίστανται μηχανικές παραμορφώσεις υπό περιορισμό (π.χ. κάμψη λεπτότοιχων στοιχείων). Οι λόγω συγκολλήσεων παραμένουσες τάσεις αναπτύσσονται
εξαιτίας διαφορικής ψύξης και παρεμπόδισης της παραμόρφωσης. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση του Σχ. 7.23. Καθώς το υλικό συγκόλλησης ψύχεται,
συστέλλεται κατά μήκος και κάθετα στη γραμμή συγκόλλησης. Η παρεμπόδιση της συστολής προκαλεί την εντατική κατάσταση του Σχ. 7.23. Αν μάλιστα η διατομή της συγκόλλησης δεν είναι συμμετρική, όπως δείχνει το Σχ. 7.24, η παραμόρφωση του χάλυβα
μπορεί να είναι σημαντική.
Σχ. 7.23: Παραμένουσες τάσεις λόγω συμμετρικής συγκόλλησης.
Σχ. 7.24: Παραμόρφωση λόγω παραμενουσών τάσεων σε ασύμμετρη συγκόλληση.
Το μέγεθος και η κατανομή των παραμενουσών τάσεων σε ελάσματα εξαρτώνται
από τις διαστάσεις των στοιχείων, την κατεργασία και τις ιδιότητες του χάλυβα. Γενικά,
οι παραμένουσες τάσεις στα άκρα ελάσμάτων είναι θλιπτικές όταν αυτά προέρχονται
από έλαση, και εφελκυστικές όταν προέρχονται από κοπή. Για στοιχεία με συγκολλήσεις
οι παραμένουσες τάσεις είναι εφελκυστικές κοντά στις συγκολλήσεις και θλιπτικές αλλού. Τυπικές κατανομές παραμενουσών τάσεων δίνει το Σχ. 7.25.
Ψυχρή κατεργασία, γήρανση. Όπως δείχνεται στο Σχ. 7.26, η αποφόρτιση του
χάλυβα ο οποίος βρίσκεται στην περιοχή διαρροής ακολουθεί διαδρομή παράλληλη στο
ελαστικό τμήμα του διαγράμματος τάσης-παραμόρφωσης. Η ίδια διαδρομή ακολουθείται
224
και κατά την επαναφόρτιση, φθάνοντας σε τάση διαρροής (σημείο Α) που είναι (περίπου) ίδια με την αρχική τάση διαρροής του υλικού. Αν όμως η αποφόρτιση γίνει από την
περιοχή της κράτυνσης, η νέα τάση διαρροής μετά την επαναφόρτιση (σημείο Β) είναι
μεγαλύτερη. Και στις δύο περιπτώσεις, ιδιαίτερα στη δεύτερη, η πλαστιμότητα μειώνεται. Το φαινόμενο αυτό (που ονομάζεται και ενδοτράχυνση) συνδέεται άμεσα με την ψυχρή κατεργασία του χάλυβα και μερικές φορές αξιοποιείται για την αύξηση της τάσης
διαρροής.
Διατομή θερμής εξέλασης Διατομή με συγκολλήσεις
Ελασμα από εξέλαση
Θερμή κοπή άκρων
Διατομή από ελάσματα
θερμής κοπής
Σχ. 7.25: Παραμένουσες τάσεις σε συμπαγείς και συγκολλητές διατομές
χάλυβα.
Σχ. 7.26: Επίδραση φόρτισης μετά τη διαρροή.
Παρόμοιο φαινόμενο είναι και αυτό της "γήρανσης παραμόρφωσης". Υποθέτουμε
ότι ο χάλυβας αποφορτίζεται από την περιοχή κράτυνσης (σημείο Β στο Σχ. 7.27) και
κατόπιν αφήνεται αφόρτιστος για αρκετές ημέρες σε θερμοκρασία δωματίου. Η επαναφόρτιση του υλικού ακολουθεί, όπως και παραπάνω, διαδρομή παράλληλη με αυτήν
της αποφόρτισης, αλλά η νέα τάση διαρροής (σημείο Γ) υπερβαίνει την αρχική, ενώ η
αντίστοιχη πλαστιμότητα (και δυσθραυστότητα) μειώνεται.
Τέλος επισημαίνουμε ότι βασικό χαρακτηριστικό των χαλύβων που έχουν υποστεί
ψυχρή κατεργασία είναι η μείωση της αντοχής τους μετά από θέρμανση σε υψηλές θερ-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
225
μοκρασίας (π.χ. πυρκαϊά ή συγκόλληση).
Σχ. 7.27: Γήρανση παραμόρφωσης.
7.4.4.5.
Στρωματική Απόσχιση
Το φαινόμενο που χαρακτηρίζει μερικές φορές τη θραύση του χάλυβα σε επιφάνειες παράλληλες με τη διεύθυνση της έλασης, λόγω τάσεων που ασκούνται κάθετα
σε αυτές, ονομάζεται στρωματική απόσχιση. Έχει ήδη αναφερθεί ότι η πλαστιμότητα
του χάλυβα που φορτίζεται κάθετα στη διεύθυνση της έλασης είναι πολύ περιορισμένη,
λόγω της στρωμάτωσης που σχηματίζεται στο υλικό από τα έλαστρα. Για το λόγο αυτό,
τάσεις που ασκούνται παράλληλα στη διεύθυνση του πάχους στοιχείων από χάλυβα ενδέχεται να προκαλέσουν αστοχία. Τέτοιες τάσεις προκαλούνται συχνά λόγω των συγκολλήσεων (Σχ. 7.28), γι' αυτό και η μόρφωση των λεπτομερειών συγκόλλησης ελασμάτων από χάλυβα πρέπει να γίνεται προσεκτικά. Παραδείγματα κακής και καλής μόρφωσης συγκολλήσεων δίνει το Σχ. 7.29 (Kaufman et al. 1981).
Σχ. 7.28: Στρωματική απόσχιση σε κόμβους λόγω συστολής συγκολλήσεων σε
παχειές πλάκες με μεγάλο βαθμό παρεμπόδισης της εγκάρσιας παραμόρφωσης.
226
Σχ. 7.29: Μόρφωση λεπτομερειών συγκόλλησης για την αποφυγή στρωματικής
απόσχισης.
7.4.5.
Χάλυβας Οπλισμού Σκυροδέματος
Όπως εξηγείται στο προηγούμενο κεφάλαιο, το σκυρόδεμα είναι υλικό με μικρή
εφελκυστική αντοχή, γι' αυτό και η ανάληψη των εφελκυστικών δυνάμεων στις κατασκευές σκυροδέματος γίνεται από τον χάλυβα οπλισμού, που είναι σε μορφή ράβδων
κυκλικής διατομής. Οι ράβδοι φέρουν συνήθως επιφανειακές νευρώσεις, οι οποίες βελτιώνουν τη συνάφεια (πρόσφυση) με το σκυρόδεμα μέσω μηχανικής αλληλοεμπλοκής.
7.4.5.1.
Τύποι Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος
Οι χάλυβες οπλισμού καλύπτονται από τον Ελληνικό Κανονισμό Οπλισμένου Σκυροδέματος (2000), όπως αυτός συμπληρώνεται από τον Κανονισμό Τεχνολογίας Χαλύβων (Κ.Τ.Χ.) Οπλισμού Σκυροδέματος (2000) και τα Πρότυπα ΕΛΟΤ-959 και ΕΛΟΤ971. Διακρίνονται:
(α) Σύμφωνα με την μέθοδο παραγωγής, που μπορεί να είναι θερμή έλαση χωρίς περαιτέρω κατεργασία (ΘΕ-Χ), θερμή έλαση ακολουθούμενη από θερμική κατεργασία (ΘΕ-Θ), και ψυχρή κατεργασία με στρέψη ή έλαση ή διέλκυση (ή συνδυασμό αυτών)
του προϊόντος της θερμής έλασης (ΨΚ-Ο).
(β) Σύμφωνα με τη μορφή της επιφάνειας σε λείες ράβδους κυκλικής διατομής
και σε ράβδους με ανάγλυφες νευρώσεις (υψηλής συνάφειας).
(γ) Σύμφωνα με τη συγκολλησιμότητα σε χάλυβες συγκολλήσιμους υπό προϋποθέσεις και σε χάλυβες συγκολλήσιμους (s).
(δ) Σύμφωνα με την πλαστιμότητα (στον Κ.Τ.Χ. χρησιμοποιείται ο όρος "ολκιμότητα", αντί του όρου "πλαστιμότητα", ο οποίος υπονοεί τον "δείκτη πλαστιμότητας
υλικού, με", που ισούται με το λόγο της παραμόρφωσης στη μέγιστη τάση προς την παραμόρφωση διαρροής), σε χάλυβες υψηλής πλαστιμότητας (Η) και σε χάλυβες συνή-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
227
θους πλαστιμότητας (Ν).
(ε) Σύμφωνα με την αντοχή σε διάβρωση σε κοινούς χάλυβες (κράματα σιδήρου
- άνθρακα) και μικρές περιεκτικότητες σε άλλα στοιχεία και ανοξείδωτους χάλυβες (με
ελάχιστη περιεκτικότητα σε χρώμιο 12%).
Στην Ελλάδα παράγεται και κυκλοφορεί χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος σε μορφή ευθύγραμμων ράβδων, ρόλλων, ηλεκτροσυγκολλητών πλεγμάτων, προκατασκευασμένων κλωβών συνδετήρων και (σπανιότερα) προκατασκευασμένων ηλεκτροσυγκολλητών δικτυωμάτων.
Χάλυβας S220. Λέγεται και κοινός ή μαλακός χάλυβας (είναι αντίστοιχος του παλαιού κατηγορίας StI) και έχει χαρακτηριστική τιμή ορίου διαρροής 220 MPa. Είναι λείος,
παράγεται με θερμή έλαση, και οφείλει τις μηχανικές του ιδιότητες στη χημική του σύνθεση. Στο εμπόριο διατίθεται συνήθως σε διαμέτρους 6-14 mm (Φ6-Φ14, αυξανόμενες
κατά 2 mm), σε μορφή ρόλλων (κουλούρες), ενώ μεγαλύτερες διάμετροι, δηλ. Φ16-Φ26,
κυκλοφορούν σπάνια (σε δέσμες ράβδων μήκους 12-14 m).
Νευροχάλυβας S400. Είναι αντίστοιχος του παλαιού χάλυβα StIll και έχει χαρακτηριστική τιμή ορίου διαρροής 400 MPa. Στην επιφάνειά του φέρει νευρώσεις για
λόγους συνάφειας με το σκυρόδεμα, παράγεται με θερμή έλαση και οφείλει τις μηχανικές του ιδιότητες στη χημική του σύνθεση (αυξημένα ποσοστά μαγγανίου και βαναδίου).
Στο εμπόριο διατίθεται σε ευθύγραμμες ράβδους διαμέτρου Φ6-Φ32 (6, 8, 10, 12, 14,
16, 18, 20, 22, 25, 28, 32) και μήκους 12 ή 14 m συνήθως. Ας σημειωθεί ότι ο χάλυβας
S400, σε αντίθεση με τον S400s, που όμως δεν παράγεται στη χώρα μας, είναι συγκολλήσιμος υπό προϋποθέσεις, που σημαίνει ότι χάνει ένα ποσοστό της αντοχής και άλλων
μηχανικών ιδιοτήτων όταν συγκολλάται.
Νευροχάλυβας S500 ή S500s. Αντιστοιχεί στον παλαιό χάλυβα StIV ή StIVs. Είναι παρόμοιος με τον χάλυβα της παραπάνω κατηγορίας ως προς τις νευρώσεις, τα
διαθέσιμα μήκη και τις διαμέτρους, και διαφέρει μόνο ως προς την χαρακτηριστική τιμή
του ορίου διαρροής (500 MPa) και μερικά άλλα μηχανικά χαρακτηριστικά. Στην Ελλάδα
παράγεται και χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα ο χάλυβας S500s, ο οποίος είναι συγκολλήσιμος και είναι τύπου Tempcore, ενώ παράγεται και ο χάλυβας S500 θερμής
έλασης και συγκολλήσιμος υπό προϋποθέσεις, με βελτιωμένη αντοχή μόνο λόγω χημικής σύνθεσης.
Η μέθοδος Tempcore συνίσταται, συνοπτικά και απλουστευτικά, στην ακόλουθη
διαδικασία. Αμέσως μετά τη θερμή έλαση η χαλύβδινη ράβδος υποβάλλεται σε ταχεία
ψύξη, η οποία προκαλεί "βαφή" του μετάλλου, δηλαδή τη δημιουργία επιφανειακής
στρώσης πάχους 1.5-2.5 mm, ενώ το εσωτερικό της διατομής είναι ακόμα διάπυρο. Η
διατηρούμενη με τον τρόπο αυτό θερμότητα εκλύεται σταδιακά προκαλώντας ένα είδος
ανόπτησης και ανακρυστάλλωσης του υλικού, που σταθεροποιεί έτσι τις κτηθείσες
ιδιότητες (π.χ. συγκολλησιμότητα, ολκιμότητα). Περαιτέρω όμως θερμική κατεργασία ή
έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να υποβαθμίσει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Η σύνθεση του αρχικού κράματος δεν διαφέρει ουσιαστικά από αυτήν
του χάλυβα S220. Διαφοροποίηση του βάθους βαφής προκαλεί τη διαφοροποίηση μεταξύ των ποιοτήτων S400s και S500s. Εδώ αξίζει να επισημανθεί και ένα μειονέκτημα
του χάλυβα τύπου Tempcore, ότι δηλαδή σε περίπτωση διάβρωσης καταστρέφεται
πρώτα το ισχυρότερο τμήμα της διατομής των ράβδων.
Δομικό πλέγμα S500. Αντιστοιχεί στον παλαιό χάλυβα StIVb και έχει χαρακτηριστική τιμή ορίου διαρροής 500 MPa. Η επιφάνειά του είναι λεία ή με νευρώσεις και οφείλει την αντοχή του σε ψυχρή κατεργασία. Κυκλοφορεί σε μορφή εσχάρας (πλέγμα)
ράβδων μικρής συνήθως διαμέτρου, Φ4-Φ12 (αυξανόμενες διάμετροι ανά 0.5 mm), σε
228
διαστάσεις 2.15x5.00 m, με ορθογωνικά ή τετράγωνα ανοίγματα.
Ο νευροχάλυβας έχει σχεδόν εκτοπίσει σήμερα τον ελάχιστα φθηνότερο κοινό
χάλυβα λόγω της διπλάσιας σχεδόν αντοχής του, παρόλο που η κατεργασία του (κοπή,
κάμψη κ.λ.π.) είναι δυσκολότερη και οι απώλειες κατά την τοποθέτηση μεγαλύτερες. Ο
κοινός χάλυβας χρησιμοποιείται σπανιότατα, όταν χρειάζεται συχνή κοπή και κάμψη
των ράβδων, ενώ τα πλέγματα συνηθίζονται σε επιφανειακά στοιχεία (π.χ. τοιχώματα,
πλάκες, προκατασκευασμένοι σωλήνες, δάπεδα, δεξαμενές, οδοστρώματα, "μανδύες"
ενίσχυσης κ.τ.λ.). Παρά το μεγαλύτερο κόστος υλικού, τα πλέγματα επιτρέπουν οικονομία λόγω της μείωσης των εργατικών τοποθέτησης. Τέλος, λόγω της αυξημένης αντοχής για το ίδιο περίπου κόστος και λόγω της συγκολλησιμότητας ο χάλυβας S500s έχει
ουσιαστικά εκτοπίσει τον S400. Σε πολλές μάλιστα χώρες της Ευρώπης ο S500s χρησιμοποιείται σχεδόν κατ' αποκλειστικότητα και ο S400 δεν παράγεται πλέον. Η τάση αυτή
έχει επεκταθεί και στην Ελλάδα.
7.4.5.2.
Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά, Σήμανση
Η ονομαστική διάμετρος, η ονομαστική μάζα καθώς και οι ανοχές της ονομαστικής
διατομής των χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος δίνονται στον Πίνακα 7.5 (Πρότυπο
ΕΛΟΤ- 959). Η ονομαστική μάζα έχει υπολογιστεί από την αντίστοιχη ονομαστική διατομή με τιμή πυκνότητας του υλικού 7850 kg/m3. Η πραγματική διάμετρος μιας ράβδου
υπολογίζεται έμμεσα με βάση τη μάζα της. Στις ράβδους οπλισμού σκυροδέματος με
νευρώσεις η πραγματική διάμετρος αντιστοιχεί στη διάμετρο λείας κυκλικής ράβδου,
που έχει την ίδια μάζα στο ίδιο μήκος. Η πραγματική επιφάνεια διατομής Α υπολογίζεται
με τη βοήθεια της σχέσης Α = 127.4m/l, όπου m είναι η μάζα σε g και l είναι το μήκος σε
mm.
Για τον έλεγχο των ανοχών της ονομαστικής διατομής λαμβάνονται τρία δοκίμια
ικανού μήκους, η συνολική μάζα των οποίων δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10 kg. Τα δοκίμια αυτά πρέπει να αποτελούνται από τεμάχια ράβδων που δεν έχουν υποστεί καμία
επεξεργασία. Οι ανοχές της ονομαστικής διατομής καθορίζονται από τη διαφορά που
προκύπτει ανάμεσα στα ζυγισμένα δοκίμια και τη θεωρητικά υπολογιζόμενη μάζα τους.
Για το σκοπό αυτό το μήκος των δοκιμίων μετράται με ακρίβεια χιλιοστού και η μάζα
τους προσδιορίζεται με ακρίβεια γραμμαρίου. Τελικό αποτέλεσμα του ελέγχου είναι η
μέση τιμή των αποτελεσμάτων στα τρία δοκίμια.
Οι χάλυβες με νευρώσεις έχουν τουλάχιστον δύο σειρές παράλληλων πλάγιων
νευρώσεων ομοιόμορφα κατανεμημένων στην περιφέρεια του προϊόντος και σε ίσες
αποστάσεις καθ' όλο το μήκος κάθε σειράς. Μπορούν να υπάρχουν και διαμήκεις νευρώσεις, χωρίς αυτό να είναι υποχρεωτικό. Οι πλάγιες νευρώσεις έχουν σχήμα μηνίσκου
και καταλήγουν ομαλά στον κορμό του προϊόντος. Λεπτομέρειες για τη γεωμετρία των
νευρώσεων (π.χ. μήκος, πλάτος, ύψος, γωνίες κλίσης) δίνονται στον Κ.Τ.Χ. (2000).
Οι ράβδοι χαλύβων S400s φέρουν στην επιφάνειά τους δύο σειρές παράλληλων
πλάγιων νευρώσεων αντίθετης φοράς και διαφορετικής απόστασης στην κάθε σειρά
(Σχ. 7.30.α). Οι ράβδοι χαλύβων S500s φέρουν στην επιφάνειά τους δύο σειρές
πλάγιων νευρώσεων αντίθετης φοράς, εκ των οποίων οι νευρώσεις της μίας σειράς είναι παράλληλες μεταξύ τους, ενώ της άλλης σειράς είναι με εναλλασσόμενες γωνίες κλίσης ως προς τον άξονα της ράβδου (Σχ. 7.30.β).
Οι χάλυβες με νευρώσεις πρέπει (θεωρητικά τουλάχιστον) να δείχνουν τη χώρα
προέλευσής τους, την ποιότητά τους και το εργοστάσιο παραγωγής τους. Δυστυχώς δεν
υπάρχει ακόμα διεθνής προδιαγραφή σήμανσης (εκτός μόνο για τη χώρα προέλευσης
και το εργοστάσιο παραγωγής) κοινή για όλους τους παραγωγούς, και έτσι, προς το πα-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
229
ρόν τουλάχιστον, κάθε παραγωγός εφαρμόζει τον δικό του τρόπο διάκρισης των προϊόντων του από τους άλλους, τουλάχιστον ως προς την ποιότητα και τη συγκολλησιμότητα (Βουδικλάρης και Μαρσέλλος 1997).
Ονομαστική Ονομαστική διατομή Ονομαστική
διάμετρος d1 Α mm2 Ανοχές (%) μάζα (kg/m)
(mm)
Με νευρώσεις Λείοι
2
4
12.6
0.097
52
19.6 ±10
±12
0.154
6
28.3
0.222
8
50.3
0.395
10
78.5 ±8
±9
0.617
12
113
0.888
14
154
1.21
16
201 ±6
±6
1.58
18
254
2.00
20
314
2.47
22
380
2.98
25
491 ±5
±5
3.85
28
616
4.83
32
804
6.31
1.
Σε επικείμενη αναθεώρηση του Προτύπου θα προστεθούν επίσης οι διάμετροι 4.2, 4.6, 5.5, 36
και 40 mm.
2.
Οι διάμετροι αυτές ισχύουν μόνο για χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος που έχουν υποστεί ψυχρή
κατεργασία.
Πίνακας 7.5: Ονομαστική διάμετρος, ονομαστική διατομή, ονομαστική μάζα και
ανοχές της ονομαστικής διατομής χαλύβων σκυροδέματος.
Σχ. 7.30: Μορφή νευρώσεων χάλυβα κατηγορίας (α) S400s, (β) S500s.
Σύμφωνα με τη EURONORM 80-69, η σήμανση γινόταν παλαιότερα με τις γλυφές
που δημιουργούσαν στην επιφάνεια των ράβδων τρία πεδία πλαγίων νευρώσεων Α, Β
και C, που χωρίζονταν μεταξύ τους με μία παχύτερη νεύρωση και επαναλαμβάνονταν
ανά διαστήματα σε όλο το μήκος της ράβδου, περίπου ανά μέτρο μήκους. Το σύμβολο
που δηλώνει την έναρξη της σήμανσης και την κατεύθυνση της ανάγνωσης (βλ. Σχ.
7.31.α) είναι για μεν τις κατηγορίες S400, S400s και S500s μία κανονική νεύρωση
ανάμεσα σε δύο ενισχυμένες, ενώ για την κατηγορία S500 δύο κανονικές πλάγιες νευρώσεις ανάμεσα σε δύο ενισχυμένες. Εναλλακτικά, βάσει της EURONORM 80-85 και
της Προδιαγραφής ENV 10080, για την κατηγορία S500s έχει επικρατήσει η έναρξη (πεδίο Α) να υποδηλώνεται με δύο διαδοχικές ενισχυμένες πλάγιες νευρώσεις. Μετά την
έναρξη ακολουθεί η σήμανση της χώρας παραγωγής (πεδίο Β) και της μονάδας παρα-
230
γωγής (πεδίο C), που γίνεται μέσω δύο αριθμών που συμβολίζονται από κανονικές
πλάγιες νευρώσεις ανάμεσα σε ενισχυμένες.
Σύμφωνα με το ENV 10080, η σήμανση της χώρας προέλευσης (πεδίο Β) για τις
Ευρωπαϊκές χώρες των οποίων ο χάλυβας έχει χρησιμοποιηθεί ή χρησιμοποιείται
ακόμα στην χώρα μας είναι η παρακάτω: Αυστρία, Γερμανία: 1 γραμμή \. Βέλγιο, Ολλανδία, Λουξεμβούργο, Ελβετία: 2 γραμμές \\. Γαλλία: 3 γραμμές \\\. Ιταλία: 4
γραμμές \\\\. Βρετανία, Ιρλανδία, Ισλανδία: 5 γραμμές \\\\\. Δανία, Σουηδία, Νορβηγία,
Φινλανδία: 6 γραμμές \\\\\\. Ισπανία, Πορτογαλία: 7 γραμμές \\\\\\\. Ελλάδα: 8
γραμμές \\\\\\\\. Θα πρέπει πάντως να σημειωθεί ότι στην Ευρώπη εξακολουθεί να χρησιμοποιείται και η EURONORM 80-85, που έχει κάποιες διαφορές ως προς την προηγούμενη σήμανση· μία από αυτές είναι ότι με 8 γραμμές σημαίνεται η Ελλάδα και η
Τουρκία. Επίσης, στο ISO 6935-2 με 8 γραμμές σημαίνεται η Ελλάδα, η Τουρκία και η
(πρώην) Τσεχοσλοβακία (σημερινές Τσεχία και Σλοβακία). Πάντως σε επικείμενη αναθεώρηση του Προτύπου ΕΝ 10080 ο αριθμός 8 θα αναφέρεται αποκλειστικά στην Ελλάδα. Λοιπές χώρες μέλη της CEN θα αναφέρονται με τον αριθμό 9. Χάλυβες από τρίτες χώρες, εισαγόμενοι στην Ελλάδα, θα πρέπει να χρησιμοποιούν σήμανση που να
μην προκαλεί σύγχυση και να μην έρχεται σε αντίθεση με τα παραπάνω.
Σχ. 7.31: Παραδείγματα σήμανσης χαλύβων οπλισμού, (α) Χάλυβας S400,
χώρα παραγωγής Γαλλία, μονάδα παραγωγής υπ' αρ. 9. (β) Χάλυβας
S500, χώρα παραγωγής Ιταλία, μονάδα παραγωγής υπ' αρ. 38. (γ) Χάλυβας S400s, χώρα παραγωγής Γερμανία, μονάδα παραγωγής υπ' αρ. 8. (δ)
Χάλυβας S500s, χώρα παραγωγής Ιταλία, μονάδα παραγωγής υπ' αρ. 16.
(ε) Εναλλακτικός συμβολισμός πεδίου Α. Χάλυβας S500s, χώρα παραγωγής Ιταλία, μονάδα παραγωγής υπ' αρ. 16.
Τα εργοστάσια παραγωγής έχουν σε κάθε χώρα έναν κωδικό αριθμό. Αν ο αριθμός αυτός είναι σχετικά μικρός (μέχρι και λίγο μεγαλύτερος του 10), σημειώνεται με ίσο
αριθμό πλαγίων νευρώσεων στο πεδίο C. Αν είναι αρκετά ή πολύ μεγάλος (π.χ. 35,
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
231
118), τότε το πεδίο υποδιαιρείται εσωτερικά, με παχύτερες νευρώσεις, σε υποπεδία που
ο αριθμός νευρώσεων καθενός δίνει το αντίστοιχο ψηφίο του κωδικού. Τα πολλαπλάσια
του 10 συνιστάται να αποφεύγονται ως κωδικοί εργοστασίου (Βουδικλάρης και Μαρσέλλος 1997).
Οι κωδικοί αριθμοί σήμανσης Ελληνικών βιομηχανιών δίνονται παρακάτω: Χαλυβουργική 13, ΣΙΔΕΝΟΡ 14, Ελληνική Χαλυβουργία 15, Χαλυβουργία Θεσσαλίας 18, ΣΙΔΕΝΟΡ (SOVEL) 24, Μεταλλουργική Χάλυψ 6 (δεν παράγει πλέον). Κωδικοί άλλων χωρών που μέχρι σήμερα έχουν εισάγει προϊόντα στη χώρα μας δίνονται στον Κανονισμό
Τεχνολογίας Χαλύβων (2000).
Παραδείγματα σήμανσης χαλύβων οπλισμού δίνονται στο Σχ. 7.31.
7.4.5.3.
Μηχανικές και Άλλες Ιδιότητες
Μηχανικές Ιδιότητες. Οι ράβδοι οπλισμού σκυροδέματος είναι στοιχεία που φορτίζονται μονοαξονικά, γι' αυτό και η συμπεριφορά τους σε εφελκυσμό είναι άμεσου ενδιαφέροντος. Τυπικά διαγράμματα εφελκυστικών τάσεων-παραμορφώσεων για τις τρεις
βασικές κατηγορίες χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος δίνονται στο Σχ. 7.32 (Leonhardt
and Monning 1973).
Σχ. 7.32: Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης χαλύβων S220, S400 και S500.
Η διαρροή του υλικού, που ακολουθεί το αρχικό ευθύγραμμο τμήμα με μέτρο ελαστικότητας Es = 200 GPa (έχουν μετρηθεί τιμές έως 210 GPa), ξεχωρίζει σαφώς στους
χάλυβες S220 και S400, και ακολουθείται από πλατώ διαρροής. Στο χάλυβα S500 η καμπύλη τάσεων-παραμορφώσεων καμπυλώνεται βαθμιαία χωρίς σαφώς καθορισμένο
όριο διαρροής, φαινόμενο που χαρακτηρίζει γενικά τους χάλυβες ψυχρής κατεργασίας.
Για τέτοιους χάλυβες χρησιμοποιείται το συμβατικό όριο διαρροής f0.2 (δηλ. η τάση που
αντιστοιχεί σε παραμόρφωση μετά την αποφόρτιση 0.2%).
Λόγω μεταβλητότητας της παραγωγής των χαλυβουργείων ως προς την ποιότητα
του χάλυβα και την πραγματική διάμετρο των ράβδων (οι υπολογισμοί των δυνάμεων
που παραλαμβάνονται από τις ράβδους στηρίζονται στην ονομαστική τιμή της διαμέτρου, που γενικά μπορεί να διαφέρει από την πραγματική) υπάρχει σημαντική διασπορά των τιμών αντοχής του χάλυβα από ράβδο σε ράβδο, από παραγγελία σε παραγγελία και από χαλυβουργείο σε χαλυβουργείο. Από στατιστική επεξεργασία πολλών
χιλιάδων πειραματικών στοιχείων από χώρες της Δυτικής Ευρώπης για χάλυβες S400,
S400s, S500 και S500s προέκυψε ότι η μέση τιμή του ορίου διαρροής, fym, είναι ίση με
1.14 fy, όπου fy είναι το εγγυημένο όριο διαρροής για τη συγκεκριμένη κατηγορία χάλυ-
232
βα, ενώ η τυπική απόκλιση του ορίου διαρροής είναι ίση με 0.043 fy. Συνεπώς, η χαρακτηριστική τιμή του ορίου διαρροής, fyk, δηλαδή η τιμή του ορίου διαρροής από την
οποία είναι μικρότερο μόνο το 5% του συνόλου των αντοχών, είναι (για κανονική κατανομή):
f yk = f
−1.645⋅0.043 f ym =0.93 f
ym
=1.06 f y
ym
Κάποια λιγοστά στοιχεία από Ελληνικούς χάλυβες παλαιού τύπου StIll (με τάση
διαρροής 420 MPa) έδωσαν επίσης fym= 1.14 fy αλλά πολύ μεγάλο συντελεστή μεταβλητότητας, 0.14, δηλαδή χαρακτηριστική τιμή
f yk = f
−1.645⋅0.14 f
ym
=0.77 f
ym
=0.88 f y
ym
Συνολικά πάντως, μπορεί να θεωρηθεί ότι η ελάχιστη εγγυημένη τιμή του ορίου
διαρροής είναι περίπου ίση με την χαρακτηριστική τιμή, και ότι η μέση τιμή της τάσης
διαρροής ισούται περίπου με 1.14 επί την χαρακτηριστική τιμή.
Παραπάνω αναφέρθηκε ότι οι χάλυβες διακρίνονται σε χάλυβες υψηλής πλαστιμότητας (Η) και συνήθους πλαστιμότητας (Ν). Η διάκριση γίνεται με βάση τη χαρακτηριστική τιμή της παραμόρφωσης υπό τη μέγιστη τάση euk (που ειδικώς για αυτή την παράμετρο εκτιμάται με πιθανότητα υπέρβασης 10% αντί της συνήθους 5%) και τη χαρακτηριστική τιμή του λόγου εφελκυστικής αντοχής προς όριο διαρροής:
Χάλυβες υψηλής πλαστιμότητας (Η):
εuk > 5% και (ft / fy)k > 1.08
Χάλυβες συνήθους πλαστιμότητας (Ν):
εuk > 2.5% και (ft / fy)k > 1.05
Η τιμή του ορίου διαρροής αναφέρεται, γενικά, σε πολύ αργή φόρτιση (στατική),
και αυξάνεται με την ταχύτητα παραμόρφωσης κατά 2-5%, 7-14%, 16-21% και 25-28%
ως προς τη μέση τιμή, για ταχύτητα παραμόρφωσης 0.001/sec, 0.01/sec, 0.1/sec και
1.0/sec, αντίστοιχα (Φαρδής 1991).
Ένα άλλο χαρακτηριστικό που πρέπει να επισημάνουμε είναι ότι χάλυβες που
έχουν υποστεί μερική ή ολική ψυχρή κατεργασία με διέλκυση (όλκηση) ενδέχεται να
έχουν χαρακτηριστική τιμή ορίου διαρροής σε θλίψη, fykc, μικρότερη απ' ότι σε εφελκυσμό, fykt. Σε τέτοιες περιπτώσεις η τιμή του fykc πρέπει να καθορίζεται στα πιστοποιητικά
του χάλυβα. Επίσης τέτοιοι χάλυβες χαρακτηρίζονται και από μειωμένη πλαστιμότητα.
Το μέτρο διάτμησης G, το μέτρο διόγκωσης Κ και ο λόγος Poisson ν του χάλυβα
οπλισμού είναι περίπου 80 GPa, 165 GPa και 0.3, αντίστοιχα.
Σχ. 7.33: Κάθετη στο διαμήκη άξονα τομή ράβδου χάλυβα μετά από εμβάπτιση σε Nital.
Μακροσκοπική εξέταση. Ο χάλυβας μπορεί να εξεταστεί μακροσκοπικά με λείαν-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
233
ση και χημική προσβολή σε μία κάθετη τομή στο διαμήκη άξονα της ράβδου ώστε να
προσδιοριστεί αν έχει υποστεί θερμική κατεργασία. Το απλούστερο χημικό παρασκεύασμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σκοπό αυτό είναι το Nital, το οποίο προκύπτει από τη διάλυση 1.5-5 ml νιτρικού οξέος 1.4 mol/l σε 100 ml αιθυλικής αλκοόλης.
Μετά από εμβάπτιση στο Nital για περίπου 5-30 sec, ανάλογα με το είδος του χάλυβα,
διαπιστώνεται η διάκριση του μαρτενσίτη και των υπολοίπων προϊόντων σχηματισμού
του σε σχέση με την υπόλοιπη μεταλλική μήτρα (Σχ. 7.33) που έχει πρακτικά μείνει χωρίς "βαφή" κατά τη διαδικασία θερμικής κατεργασίας (π.χ. βαφή Tempcore).
Συγκολλησιμότητα. Οι χάλυβες S220, S400 και S500 επιδέχονται ηλεκτροσυγκόλληση κατά παράθεση (Σχ. 7.34). Η συγκολλησιμότητα των χαλύβων ελέγχεται με
δοκιμή εφελκυσμού και δοκιμή κάμψης. Κατά τη δοκιμή εφελκυσμού (γίνεται αναπόφευκτα κατά έκκεντρο τρόπο) προσδιορίζεται η εφελκυστική αντοχή ενός συγκολλημένου
δοκιμίου, η οποία δεν πρέπει να είναι μικρότερη από το 90% της αντίστοιχης τιμής που
έχει προσδιοριστεί σε ασυγκόλλητο δοκίμιο από το ίδιο δείγμα (υπό την προϋπόθεση
βέβαια ότι το ασυγκόλλητο δοκίμιο ανταποκρίνεται στην ελάχιστη τιμή του ορίου αντοχής σε εφελκυσμό που αντιστοιχεί στην κατηγορία του). Κατά τη δοκιμή κάμψης συγκολλημένων δοκιμίων γύρω από κυλινδρικά στελέχη (με διάμετρο που καθορίζεται από
το Πρότυπο ΕΛΟΤ-959) κατά γωνία 90° δεν πρέπει να εμφανιστεί καμία ρωγμή στο βασικό μέταλλο. Αν τυχόν μία ρωγμή αρχίσει από την περιοχή της συγκόλλησης και σταματήσει στο βασικό μέταλλο, τότε το αποτέλεσμα της δοκιμής γίνεται επίσης αποδεκτό.
Σχ. 7.34: Ηλεκτροσυγκόλληση ράβδων οπλισμού κατά παράθεση.
Συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες. Η επίδραση των υψηλών θερμοκρασιών στις ιδιότητες του χάλυβα οπλισμού έχει μεγάλη σημασία για την αντοχή και τη συμπεριφορά κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα σε πυρκαϊά. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του χάλυβα, που ισούται με περίπου 12x10-6/°C μέχρι σχεδόν τους 200
°C, αυξάνεται σε περίπου 15x10-6/°C για υψηλότερες θερμοκρασίες, οπότε σε περίπτωση πυρκαϊάς προκαλείται θερμική ασυμβατότητα με το σκυρόδεμα, με αποτέλεσμα εσωτερική ρηγμάτωση του τελευταίου. Το μέτρο ελαστικότητας είναι ανεξάρτητο της θερμοκρασίας μέχρι τους 150 °C, αλλά για υψηλότερες θερμοκρασίες μειώνεται κατά 15% περίπου για κάθε 100 °C. Το όριο διαρροής μειώνεται μετά τους 250 °C, για μεν τους
S220 και S400 κατά 15% της αρχικής τιμής για κάθε 100 °C, για δε τον S500 κατά 20%
για κάθε 100 °C.
Γενικά μπορούμε να σημειώσουμε ότι για όλες τις κατηγορίες συνήθων χαλύβων
οπλισμού, η θέρμανση σε θερμοκρασίες μέχρι 500-550 °C, για χρόνους μέχρι και 2
ώρες, δεν δημιουργεί ουσιαστική μεταβολή στις αρχικές μηχανικές ιδιότητες μετά την
ήρεμη ψύξη στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (βλ. και Ενότητα 7.4.4). Για μεγαλύτερους όμως χρόνους έκθεσης ή και για μεγαλύτερες θερμοκρασίες αναμένονται σημαντικές μειώσεις των μηχανικών χαρακτηριστικών. Προκειμένου να προσδιοριστεί η πιθανή
μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων στις περιπτώσεις αυτές είναι απαραίτητο να γίνουν
δοκιμές σε δείγματα που θα ληφθούν από το υλικό που εκτιμάται ότι έχει επηρεαστεί.
234
Λεπτομέρειες για την επίδραση της κατεργασίας στη συμπεριφορά του χάλυβα σε υψηλές θερμοκρασίες δίνονται στον Κ.Τ.Χ. (2000). Τα παραπάνω καταδεικνύουν ότι η προστασία των ράβδων οπλισμού σκυροδέματος μέσω της επικάλυψης με σκυρόδεμα και
επίχρισμα είναι επιτακτική, το τελευταίο μάλιστα έχει περίπου τετραπλάσια πυροπροστατευτική ικανότητα από σκυρόδεμα ιδίου πάχους (Φαρδής 1991).
Ραδιενέργεια. Για την αποφυγή της επιβάρυνσης του χάλυβα με ραδιενέργεια επιβάλλεται πλέον σήμερα η εγκατάσταση και χρήση στις βιομηχανίες επεξεργασίας
πρώτης ύλης που προέρχεται από ανακύκλωση (παλαιό σιδηρομετάλλευμα) εξοπλισμού με ειδικές μετρητικές διατάξεις, ώστε να διαπιστώνεται τυχόν ύπαρξη ραδιενεργού
υλικού. Σε περίπτωση ανίχνευσης τέτοιου υλικού αυτό θα πρέπει να απομονώνεται και
να ενημερώνεται αμέσως η Ελληνική Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας.
7.4.5.4.
Απαιτήσεις και Δοκιμές
Οι χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος που στερούνται αναγνωρισμένων διαδικασιών πιστοποίησης και ελέγχου (π.χ. Σήμα Ποιότητας) θα πρέπει να ελέγχονται βάσει
δειγματοληψιών και δοκιμών, όπως αυτές περιγράφονται στον Κ.Τ.Χ. (2000), που στο
σημείο αυτό βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στο ΦΕΚ 746 (1995). Η λήψη δοκιμίων χάλυβα
οπλισμού προς έλεγχο (από τις αρμόδιες Υπηρεσίες) γίνεται από παρτίδες. Κάθε παρτίδα περιλαμβάνει προϊόντα από το ίδιο εργοστάσιο, της ίδιας χύτευσης (ποιότητας) και
ονομαστικής διαμέτρου. Από κάθε παρτίδα λαμβάνονται δοκίμια τα οποία ελέγχονται ως
προς το όριο διαρροής, την εφελκυστική αντοχή και την παραμόρφωση θραύσης μέσω
δοκιμών εφελκυσμού, την κάμψη-ανάκαμψη ή αναδίπλωση, τις διαστάσεις και τη
χημική σύσταση (για τους συγκολλήσιμους χάλυβες).
Εφελκυσμός. Από τρεις διαφορετικές ράβδους μίας παρτίδας λαμβάνονται τρία
δοκίμια μήκους περίπου 0.70 m που υποβάλλονται σε δοκιμή εφελκυσμού. Αν και τα
τρία αποτελέσματα των δοκιμών ικανοποιούν τις χαρακτηριστικές τιμές του Πίνακα 7.6
τότε η παρτίδα θεωρείται αποδεκτή. Αν έστω και ένα δοκίμιο δεν ικανοποιεί τις απαιτήσεις, λαμβάνονται 10 επιπλέον δοκίμια από διαφορετικές ράβδους της παρτίδας. Η
παρτίδα θεωρείται αποδεκτή αν η μέση τιμή των 10 δοκιμών είναι μεγαλύτερη από τη
χαρακτηριστική του Πίνακα 7.6 και αν ταυτοχρόνως κάθε μία μεμονωμένη τιμή είναι μεγαλύτερη από το 0.95 της χαρακτηριστικής τιμής του Πίνακα 7.6. Στην αντίθετη περίπτωση η παρτίδα απορρίπτεται.
Επισημαίνεται ότι οι τιμές του Πίνακα 7.6 (βάσει ΕΛΟΤ-959 και ΕΛΟΤ-971) δεν καλύπτουν τις αυξημένες απαιτήσεις πλαστιμότητας που θέτουν οι σύγχρονοι κανονισμοί,
βλ. Πίνακα 7.7 (ΕΚΩΣ 2000). Πάντως μέχρι να ενσωματωθούν οι σύγχρονες αυτές
απαιτήσεις στο κείμενο του Κανονισμού Τεχνολογίας Χαλύβων, ο χρήστης μπορεί να
απαιτεί από τους προμηθευτές χάλυβες που να ικανοποιούν τις αυξημένες απαιτήσεις
πλαστιμότητας (Πίνακας 7.7). Στην περίπτωση αυτή η δειγματοληψία και η δοκιμές γίνονται όπως και προηγουμένως. Αν και τα τρία αποτελέσματα των δοκιμών ικανοποιούν
τις χαρακτηριστικές τιμές του Πίνακα 7.7 τότε η παρτίδα θεωρείται αποδεκτή. Αν έστω
και ένα δοκίμιο δεν ικανοποιεί τις απαιτήσεις, λαμβάνονται 10 επιπλέον δοκίμια από διαφορετικές ράβδους της παρτίδας. Η παρτίδα θεωρείται αποδεκτή αν η μέση τιμή των 10
δοκιμών είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη κατά περίπτωση από τη χαρακτηριστική του Πίνακα 7.7 και αν ταυτοχρόνως κάθε μία μεμονωμένη τιμή είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη ελάχιστη τιμή (ή μικρότερη από την αντίστοιχη μέγιστη τιμή) του Πίνακα 7.7. Στην
αντίθετη περίπτωση η παρτίδα απορρίπτεται.
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
235
Πίνακας 7.6: Μηχανικά χαρακτηριστικά χαλύβων κατά ΕΛΟΤ 959 και ΕΛΟΤ 971.
Μέγεθος
Κατηγορία S220 S400 S500 S400s
S500s
Χαρακτηριστικό όριο διαρροής fyk (MPa)
220 400 500 400 500
Χαρακτ. εφελκυστική αντοχή 4 (MPa)
340 500 550 440 550
Ελάχιστη τιμή λόγου ft / fy
> 1.05
1
Χαρακτηριστική τιμή παραμόρφωσης μετά τη θραύση ε 5k (%) 24 14 12 14 12
Σχ. 7.35: Θέσεις στις οποίες μετράται η παραμόρφωση θραύσης.
Μέγεθος
Παρατηρούμενο όριο διαρροής fv.obs (MPa)
ft,obs / fy,obs
Χαρακτηριστική τιμή παραμόρφωσης υπό μέγιστη τάση ε suk (%)
Χαρακτηριστική τιμή1
fyk
≥ 1.10
≤ 1.35
≥7
Ελάχιστη Μέγιστη
τιμή
τιμή
0.95 fyk
1.30 fyk
1.07
1.37
6.7
Πίνακας 7.7: Απαιτήσεις μηχανικών ιδιοτήτων χαλύβων οπλισμού για κατασκευές
με αυξημένες απαιτήσεις πλαστιμότητας.
Κάμψη-ανάκαμψη ή αναδίπλωση. Από τρεις διαφορετικές ράβδους μίας παρτίδας λαμβάνονται τρία δοκίμια μήκους περίπου 0.70 m που υποβάλλονται σε δοκιμή
κάμψης- ανάκαμψης (Σχ. 7.36) για ράβδους ονομαστικής διαμέτρου >12 mm ή αναδίπλωσης για ράβδους ονομαστικής διαμέτρου ≤ 12 mm (οι δοκιμές κάμψης - ανάκαμψης
και αναδίπλωσης περιγράφονται λεπτομερώς στα Πρότυπα ΕΛΟΤ-959 και ΕΛΟΤ-971).
Επιτυχής θεωρείται ο έλεγχος όταν δεν προκληθεί θραύση ή όταν δεν εμφανιστούν
ρωγμές στην εφελκυόμενη πλευρά του δοκιμίου. Αν όλα τα δοκίμια περάσουν επιτυχώς
τον έλεγχο, τότε η παρτίδα θεωρείται αποδεκτή. Αν έστω και ένα δοκίμιο δεν ικανοποιεί
τις απαιτήσεις λαμβάνονται 10 επιπλέον δοκίμια από διαφορετικές ράβδους. Η παρτίδα
θεωρείται αποδεκτή αν όλα τα επιπλέον δοκίμια περάσουν επιτυχώς τον έλεγχο. Στην
αντίθετη περίπτωση απορρίπτεται.
Διαστάσεις. Από τρεις διαφορετικές ράβδους μίας παρτίδας λαμβάνονται τρία δοκίμια τα οποία πρέπει να ικανοποιούν τις απαιτήσεις του Πίνακα 7.5 καθώς και αυτές
του Κ.Τ.Χ. (2000) σχετικά με τη γεωμετρία των νευρώσεων. Αν ο έλεγχος είναι επιτυχής
για όλα τα δοκίμια η παρτίδα είναι αποδεκτή. Αν έστω και ένα δοκίμιο δεν ικανοποιεί τις
απαιτήσεις, λαμβάνονται 10 επιπλέον δοκίμια από διαφορετικές ράβδους της παρτίδας.
Η παρτίδα θεωρείται αποδεκτή αν όλα τα επιπλέον δοκίμια περάσουν επιτυχώς τον
έλεγχο. Στην αντίθετη περίπτωση απορρίπτεται.
Χημική σύσταση. Ο έλεγχος αφορά στους συγκολλήσιμους χάλυβες, που χαρακτηρίζονται έτσι όταν η μέγιστη περιεκτικότητα σε άνθρακα C, θείο S, φωσφόρο Ρ, άζωτο Ν καθώς και η μέγιστη ισοδύναμη τιμή σε άνθρακα Ceq δεν υπερβαίνουν ορισμένες
κρίσιμες τιμές (βάσει του Προτύπου ΕΛΟΤ-971). Η ισοδύναμη τιμή σε άνθρακα εκφράζεται με το άθροισμα C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15, όπου τα σύμβολα
των χημικών στοιχείων C, Mn, Cr, Mo, V, Cu και Ni αντιπροσωπεύουν την % κ.β. περιε1 Παραμένουσα παραμόρφωση τμήματος της ράβδου μήκους 5 διαμέτρων που να περιέχει τη στένωση
στην περιοχή της θραύσης (Σχ. 7.35).
236
κτικότητά τους (όπως προσδιορίζεται βάσει χημικής ανάλυσης).
Σχ. 7.36: Δοκιμή κάμψης-ανάκαμψης (Πρότυπο ΕΛΟΤ-959).
Για τον έλεγχο χημικής σύστασης μίας παρτίδας λαμβάνονται δύο δοκίμια μήκους
τουλάχιστον 0.10 m από δύο διαφορετικές ράβδους. Τα δοκίμια υποβάλλονται σε χημική ανάλυση βάσει των προαναφερθέντων. Αν όλα περάσουν επιτυχώς τον έλεγχο τότε
η παρτίδα θεωρείται αποδεκτή. Αν έστω και ένα δοκίμιο δεν ικανοποιεί τις απαιτήσεις, η
παρτίδα απορρίπτεται.
Διάβρωση. Κατά την τοποθέτηση στην τελική του θέση, ο χάλυβας οπλισμού
πρέπει να είναι απαλλαγμένος από εμφανείς απολεπίσεις, αλλοιώσεις ή αθέλητες παραμορφώσεις και πληγές, οι οποίες εκτός των άλλων επιταχύνουν το φαινόμενο της
διάβρωσης.
Η ύπαρξη οξειδίων σιδήρου στην επιφάνεια του χάλυβα οπλισμού επηρεάζει τόσο
την ταχύτητα περαιτέρω διάβρωσης όσο και τη συνάφεια οπλισμού-σκυροδέματος. Ειδικότερα, η ύπαρξη οξειδίων στην επιφάνεια σε μικρές ποσότητες αυξάνει τη συνάφεια,
αλλά από μία ποσότητα οξειδίων και πάνω τη μειώνει, θεωρείται βλαπτική εκείνη η ποσότητα οξειδίων η οποία δεν μπορεί να αφομοιωθεί από το νωπό σκυρόδεμα (μέσω της
μετατροπής τους σε C4AF). Το ποσό αυτό εξαρτάται από τη σύσταση του τσιμέντου (ιδίως από το ποσοστό του C3A) αλλά και από το πορώδες του σκυροδέματος, και χονδρικά είναι 350 g/m2 (ή πάχος 150 μm, περίπου). Λεπτομέρειες για τη δοκιμή που μπορεί
να πραγματοποιηθεί προκειμένου να διαπιστωθεί ή μη η υπέρβαση του παραπάνω ορίου δίνονται στον Κ.Τ.Χ. (2000).
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
7.4.5.5.
237
Χαρακτηριστικά Χαλύβων της Αγοράς
Παρακάτω δίνονται ορισμένα στοιχεία σχετικά με τα πραγματικά μηχανικά χαρακτηριστικά των χαλύβων που κυκλοφορούν σήμερα στην Ελλάδα και στην Ευρώπη.
Κατ' αρχήν, όσο αυξάνεται το όριο διαρροής του χάλυβα τόσο μειώνονται ο λόγος εφελκυστικής αντοχής προς όριο διαρροής και η παραμόρφωση υπό μέγιστη τάση, ιδίως αν
η αύξηση του ορίου διαρροής επιτυγχάνεται με ψυχρή έλαση, και λιγότερο αν αυτό επιτυγχάνεται μέσω της χημικής σύνθεσης (όπως στους χάλυβες S400 και S500). Λόγω
της ψαθυρότερης εξωτερικής στρώσης τους, οι χάλυβες S400s και S500s τύπου
Tempcore έχουν γενικά παρόμοια χαρακτηριστικά με τους S400 και S500, αλλά είναι
περισσότερο ευπαθείς σε κάμψη και αναδίπλωση καθώς και σε ανακυκλιζόμενη ένταση
που μπορεί να προκαλέσει λυγισμό τους. Ιδιαίτερα ψαθυροί είναι οι χάλυβες ψυχρής κατεργασίας τύπου StIIIk της Γερμανίας (και άλλοι παρόμοιοι τους που παράγονται και
χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη Βόρεια και Κεντρική Ευρώπη), οι οποίοι έχουν μέση και
χαρακτηριστική τιμή του λόγου εφελκυστικής αντοχής προς όριο διαρροής ίση με 1.09
και 1.05, αντίστοιχα, και μέση και χαρακτηριστική τιμή της παραμόρφωσης υπό μέγιστη
τάση ίση με 5% και 3.7%, αντίστοιχα. Τέτοιοι χάλυβες είναι ακατάλληλοι για κατασκευές
με απαιτήσεις αντισεισμικότητας. Ακόμα ψαθυρότεροι είναι οι χάλυβες ψυχρής κατεργασίας κατηγορίας IV ή S500 για δομικά πλέγματα που παράγονται και στην Ελλάδα, και
οι οποίοι έχουν μέση και χαρακτηριστική τιμή του λόγου αντοχής προς όριο διαρροής
ίση με 1.06 και 1.03, αντίστοιχα, και μέση και χαρακτηριστική παραμόρφωση υπό μέγιστη τάση ίση με 3% και 1.7%, αντίστοιχα. Γι' αυτό και τα δομικά πλέγματα δεν χρησιμο ποιούνται σε στοιχεία με ιδιαίτερες απαιτήσεις αντισεισμικότητας (δοκοί, υποστυλώματα,
τοιχώματα).
Οι νευροχάλυβες θερμής έλασης S400, S500 και τύπου Tempcore S400s και
S500s, που παράγονται και χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην Ευρώπη (και στην Ελλάδα), έχουν ικανοποιητικά χαρακτηριστικά. Πρόσφατα στατιστικά στοιχεία δείχνουν ότι
οι χάλυβες αυτοί έχουν μέση και χαρακτηριστική τιμή της παραμόρφωσης υπό μέγιστη
τάση ίση με 10.5% και 8.5%, αντίστοιχα, και μέση τιμή του λόγου εφελκυστικής αντοχής
προς όριο διαρροής και του λόγου μέσης προς χαρακτηριστική τιμή ορίου διαρροής ίση
με 1.21 και 1.14, αντίστοιχα. Μάλιστα οι χάλυβες τύπου Tempcore δεν φαίνεται να διαφοροποιούνται ιδιαίτερα προς τα κάτω σε σύγκριση με τους υπόλοιπους.
7.4.5.6.
Αποθήκευση, Μεταφορά και Διαμόρφωση Χάλυβα Οπλισμού
Κατά την αποθήκευση τους οι χάλυβες οπλισμού πρέπει να ταξινομούνται ανάλογα με την κατηγορία, την προέλευση, τη διάμετρο, την ημερομηνία παραλαβής, το μήκος (για ευθύγραμμες ράβδους) ή άλλα χαρακτηριστικά διαστάσεων (για ρόλλους), ώστε
να είναι εύκολη επιτόπου η επαλήθευση της ταυτότητας των προϊόντων. Επίσης τόσο
κατά την αποθήκευση όσο και κατά τη μεταφορά τους πρέπει να προστατεύονται από
διάβρωση, μηχανική φθορά ή πληγές και οτιδήποτε θα μπορούσε να επηρεάσει τη συνάφειά τους με το σκυρόδεμα και γενικότερα να αλλοιώσει τα χαρακτηριστικά τους.
Η διαμόρφωση (κοπή, κάμψη, συγκόλληση) του χάλυβα οπλισμού σε επιχειρήσεις
διαμόρφωσης ή στο εργοτάξιο πρέπει να γίνεται βάσει των προδιαγραφών του Κ.Τ.Χ
(2000). Η κοπή πρέπει να γίνεται με μηχανικά μέσα (π.χ. ψαλίδι, δίσκος) και να λαμβάνεται πρόνοια ώστε να μην προκαλούνται μηχανικές ή άλλες βλάβες. Η κοπή με
φλόγα απαγορεύεται, ώστε να μην προκαλείται αλλοίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών. Η κάμψη των ράβδων πρέπει να γίνεται με μηχανικά μέσα ("τύμπανα") με μία
ελάχιστη διάμετρο τυμπάνου D (καθορίζεται στον ΕΚΩΣ 2000), ώστε να αποφεύγεται η
ρηγμάτωση του χάλυβα (και να εξασφαλίζεται η ακεραιότητα του σκυροδέματος από τις
αναπτυσσόμενες τοπικά, στην περιοχή της καμπύλωσης, ισχυρές πιέσεις "άντυγας").
238
Για τον παραπάνω λόγο (ρηγμάτωση) απαγορεύεται και η επανευθυγράμμιση καμφθείσας ράβδου. Λεπτομέρειες για τις επιτρεπόμενες μεθόδους συγκόλλησης δίνονται στον
Κ.Τ.Χ. (2000).
7.4.6.
Χάλυβας Προέντασης
Ο χάλυβας που χρησιμοποιείται στο προεντεταμένο σκυρόδεμα πρέπει να είναι
υψηλής αντοχής, ώστε αφενός να ελαχιστοποιείται το ποσοστό της δύναμης προέντασης που χάνεται λόγω των χρόνιων παραμορφώσεων του σκυροδέματος (ερπυσμός,
συστολή ξήρανσης), αφετέρου να μειώνεται η χαλάρωση (δηλαδή η πτώση της τάσης
υπό σταθερή παραμόρφωση). Έτσι, οι χάλυβες προέντασης έχουν συμβατικά όρια
διαρροής που συχνά πλησιάζουν τα 1800 MPa και εφελκυστικές αντοχές που πλησιάζουν τα 1900 MPa, ενώ στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται και χάλυβες με συμβατικά όρια διαρροής άνω των 2250 MPa και εφελκυστικές αντοχές της τάξης των 2400
MPa (Kodama and Shirahama 2003).
7.4.6.1.
Τύποι Χαλύβων Προέντασης
Οι μεγάλες αντοχές του χάλυβα προέντασης επιτυγχάνονται με διάφορες μεθόδους: (α) Με κατάλληλη σύνθεση του κράματος, που περιέχει αυξημένα ποσοστά άνθρακα (π.χ. 0.6-0.9%), μαγγανίου (π.χ. 0.5-0.9%) και βαναδίου. Οι χάλυβες αυτοί (φυσικά σκληροί ή φυσικής αντοχής) παράγονται με θερμή έλαση και τάνυση υπό θερμοκρασία 300 °C περίπου, και διατίθενται σε μορφή ράβδων διαμέτρου πάνω από 10 mm και
μήκους συνήθως 24 m (Σχ. 7.37.α). Ονομάζονται και χάλυβες μέσης αντοχής, επειδή
έχουν μικρότερη αντοχή (διαρροής και τελική) από τους άλλους χάλυβες προέντασης
(π.χ. S830/1030, όπου ο πρώτος αριθμός είναι η χαρακτηριστική τιμή του ορίου διαρροής, fyk, και ο δεύτερος η χαρακτηριστική τιμή της εφελκυστικής αντοχής, fptk, σε MPa). (β)
Με ψυχρή διέλκυση, κατά την οποία ο χάλυβας διέρχεται από διαδοχικά στόμια σταδιακά μειούμενης διαμέτρου, με αποτέλεσμα να μειώνεται η πλαστιμότητά του. Τέτοιοι
χάλυβες προέντασης διατίθενται σε μορφή συρμάτων διαμέτρου μικρότερης από 8 mm,
που είναι τυλιγμένα σε ρόλλους αρκετών εκατοντάδων μέτρων, και έχουν τις υψηλότερες αντοχές (π.χ. S1470/1670, S1570/1770). Συνήθως, 2, 3, 7 ή 19 σύρματα, διαμέτρου
μέχρι 5 mm, πλέκονται σε συρματόσχοινα που έχουν τελικά μεγάλη ονομαστική διατομή
αλλά και σημαντική ευκαμψία (Σχ. 7.37.β). (γ) Με θερμή έλαση και θερμική βελτίωση
μέσω διαδοχικών θερμικών κατεργασιών (βαφή, επαναφορά) χαλύβων με χημική σύνθεση παρόμοια με αυτών ψυχρής έλασης, οπότε προκύπτει χάλυβας με γενικά λίγο μικρότερη αντοχή αλλά μεγαλύτερη διάμετρο (π.χ. 6-16 mm).
Σχ. 7.37: Τυπικές μορφές χάλυβα προέντασης: (α) ράβδος, (β) τένοντας
με 7 σύρματα.
Σύμφωνα με Ελληνικό Κανονισμό Ωπλισμένου Σκυροδέματος (2000) οι χάλυβες
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
239
προέντασης διακρίνονται: (α) σύμφωνα με την κατεργασία, σε χάλυβες θερμής κατεργασίας (ειδική, σκλήρυνση με βαφή) και μηχανικής κατεργασίας (ψυχρή έλαση ή διέλκυση,
ψυχρή συστροφή), (β) σύμφωνα με τον τύπο, σε σύρματα και ράβδους ή συρματόσχοινα και καλώδια, και (γ) σύμφωνα με τη μορφή σε σύρματα (ίσια ή πλεγμένα) ή ράβδους
λείες και κυκλικές, και σε σύρματα ή ράβδους με νευρώσεις.
7.4.6.2.
Μηχανικές και Άλλες Ιδιότητες
Τυπικές καμπύλες τάσεων-παραμορφώσεων για χάλυβες προέντασης δίνονται
στο Σχ. 7.38 (Leonhardt 1982). Βασικές διαφορές με την αντίστοιχη καμπύλη του συνηθισμένου χάλυβα οπλισμένου σκυροδέματος είναι η μεγαλύτερη αντοχή, η μικρότερη
παραμόρφωση θραύσης και η έλλειψη σαφώς καθορισμένου ορίου διαρροής. Γι' αυτό
και ως χαρακτηριστική τιμή του ορίου διαρροής χρησιμοποιείται η χαρακτηριστική τιμή
του συμβατικού ορίου διαρροής (f0.2), f0.2k. Η τιμή f0.2k μπορεί να αντικατασταθεί από την
τιμή f0.1k (που αντιστοιχεί σε παραμένουσα παραμόρφωση 1%).
Συνήθης μορφή τενόντων προέντασης στη χώρα μας είναι τα 7-κλωνα συρματόσχοινα (Σχ. 7.37.β), με τυπική καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης όπως αυτή του Σχ.
7.39. Τέτοιοι τένοντες έχουν ονομαστική επιφάνεια διατομής γύρω στα 150 mm2 (υπολογίζεται διαιρώντας τη μάζα του τένοντα ανά μέτρο μήκους - γύρω στα 1180 g/m - με
την πυκνότητα του υλικού, ίση με 7810 kg/m3), τάση θραύσης γύρω στα 1850 MPa και
παραμόρφωση θραύσης περίπου 6%.
Σχ. 7.38: Τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης χαλύβων προέντασης (Φαρδής 1993).
Η κατηγορία ενός χάλυβα προέντασης προσδιορίζεται με βάση το χαρακτηριστικό
όριο διαρροής και τη χαρακτηριστική του εφελκυστική αντοχή fptk. Η τελευταία προσδιορίζεται από δοκιμές εφελκυσμού και πρέπει να ικανοποιεί τις σχέσεις:
f
ptk
≥1.10 f 0.2k και f
ptk
≥1.05 f 0.2,obs
όπου f0.2,obs είναι το όριο διαρροής όπως προκύπτει από αυτές τις δοκιμές.
240
Σχ. 7.39: Τυπική καμπύλη τάσης - παραμόρφωσης 7-κλωνου τένοντα.
Το μέτρο ελαστικότητας, Ερ, των χαλύβων προέντασης είναι περίπου 195 GPa για
τα συρματόσχοινα έναντι περίπου 205 GPa για τα μεμονωμένα σύρματα ή τις ράβδους,
λόγω της "απόπλεξης" που προκαλεί σε αυτά η αξονική εφελκυστική δύναμη. Μπορεί
να ληφθεί όμως ίσο με 200 GPa, ανεξαρτήτως τύπου.
Τα σύρματα προέντασης είναι γενικά πιο ευαίσθητα σε διάβρωση από ότι οι χάλυβες του οπλισμένου σκυροδέματος, επειδή η μείωση της διατομής λόγω διάβρωσης είναι ποσοστιαία μεγαλύτερη, λόγω της μικρότερης διαμέτρου τους. Τονίζεται επίσης ότι η
υψηλή τάση των χαλύβων προέντασης επιτείνει το ενδεχόμενο διάβρωσης, φαινόμενο
που περιγράφεται παρακάτω και ονομάζεται διάβρωση υπό τάση.
Σχετικά με την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών (π.χ. λόγω πυρκαϊάς), οι πλέον
ευαίσθητοι σε αυτές χάλυβες προέντασης είναι οι χάλυβες ψυχρής έλασης και οι θερμικά βελτιωμένοι, το όριο διαρροής των οποίων μειώνεται πάνω από τους 100 °C και σχεδόν μηδενίζεται στους 600 °C (Σχ. 7.39). Η εφελκυστική τους αντοχή μειώνεται μετά
τους 150 °C και στους 400 °C είναι μόλις το 50% της τιμής στους 20 °C. Αντίθετα, το
όριο διαρροής των φυσικά σκληρών χαλύβων παραμένει σχεδόν σταθερό μέχρι τους
300 °C περίπου (Σχ. 7.40), η δε εφελκυστική τους αντοχή είναι ουσιαστικά ανεξάρτητη
της θερμοκρασίας μέχρι τους 600 °C.
Σημαντικότατο χαρακτηριστικό για τον χάλυβα προέντασης είναι η χαλάρωση (μείωση της τάσης για σταθερή παραμόρφωση), που οφείλεται στη βαθμιαία μετακίνηση
ατελειών της κρυσταλλικής δομής του υλικού όταν αυτό βρίσκεται υπό μακροχρόνια
ένταση. Το μέγεθος της χαλάρωσης ενδιαφέρει άμεσα για τον υπολογισμό της μείωσης
της δύναμης προέντασης. Η μείωση της τάσης του χάλυβα με το χρόνο, ως ποσοστό
της αρχικής του τάσης, Δσrel / σpo, αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και με το
λόγο της αρχικής τάσης προς την εφελκυστική αντοχή του χάλυβα, σ po / fptk (ενώ είναι
αμελητέα για σpo / fptk μικρότερο από 0.55 περίπου). Η σχέση του Δσ rel / σpo με το σpo / fptk
για 1000 ώρες παραμόρφωσης στους 20 °C δίνεται στον Πίνακα 7.8 για δύο κλάσεις
χάλυβα προέντασης. Για ενδιάμεσες τιμές του σ po / fptk μπορεί να γίνεται γραμμική παρεμβολή.
Ο ρυθμός χαλάρωσης του χάλυβα προέντασης είναι εντονότερος κατά τις πρώτες
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
241
ώρες μετά την εφαρμογή του φορτίου και ακολούθως μειώνεται. Αυτό φαίνεται και στο
παράδειγμα του Πίνακα 7.9 (CEB-FIP 1990).
Σχ. 7.40: Επίδραση θερμοκρασίας στο όριο διαρροής χαλύβων προέντασης.
Πρακτικά ενδιαφέρει περισσότερο το τελικό μέγεθος της χαλάρωσης του χάλυβα,
π.χ. μετά από 50-60 χρόνια. Η πτώση της τάσης σε χρόνο t2 (για t2 > 1000 ώρες) μπορεί να εκτιμηθεί από αυτήν σε χρόνο t 1 (συνήθως αρκεί περίοδος t1 = 1000 ώρες) βάσει
της παρακάτω εμπειρικής σχέσης:
β

Δσ rel t 2  t 2
=
Δσ rel t 1  t 1
όπου ο συντελεστής β εξαρτάται από τον τύπο χάλυβα και την τιμή της τάσης.
Όταν δεν διατίθενται ακριβέστερα στοιχεία για την επιρροή του τύπου του χάλυβα, το β
μπορεί να ληφθεί ίσο με 0.12 για κλάση 1 και με 0.19 για κλάση 2.
Πρόσθετες πληροφορίες και λεπτομερείς προδιαγραφές για τους χάλυβες προέντασης μπορούν να βρεθούν στα Ευρωπαϊκά Πρότυπα ΕΝ 10138-1,2,3,4,5.
σpo / fptk
Χάλυβες προέντασης χωρίς ειδική μέριμνα έναντι χαλάρωσης, κλάσης 1
Χάλυβες προέντασης χαμηλής χαλάρωσης, κλάσης 2
0.60
4.0%
1.5%
0.70
8.0%
3.0%
0.80
12.0%
6.0%
Πίνακας 7.8: Μέγιστες τιμές χαλάρωσης σε 1000 ώρες.
Χρόνος (ώρες)
1
Απώλειες χαλάρωσης, ως ποσοστό των απωλειών σε 1000 25
ώρες
5
45
20
55
100
70
200
80
500
90
1000
100
Πίνακας 7.9: Ενδεικτικές τιμές για τη σχέση απωλειών χαλάρωσης και χρόνου
μέχρι 1000 ώρες.
7.5. Άλλα Μέταλλα
Στοιχεία για άλλα μέταλλα (και κράματά τους) που βρίσκουν σε ορισμένες περιπτώσεις εφαρμογές στη δόμηση δίνονται παρακάτω.
7.5.1.
Αλουμίνιο
242
Το αλουμίνιο, που σε καθαρή μορφή ονομάζεται αργίλιο, και τα κράματα αυτού είναι σχετικά νέα μέταλλα. Η βιομηχανική του παραγωγή ξεκίνησε πριν από 80 περίπου
χρόνια, και σήμερα χρησιμοποιείται σε δομικές εφαρμογές με κάπως δευτερεύοντα χαρακτήρα (π.χ. στέγαστρα, πόρτες, παράθυρα και πλαίσια αυτών κ.τ.λ.). Σε ορισμένες
χώρες (π.χ. Η.Π.Α.) η χρήση του έχει επεκταθεί και στην κατασκευή γεφυρών, υποστυλωμάτων, δοκών, δικτυωμάτων κ.τ.λ. Βασικά πλεονεκτήματά του έναντι του χάλυβα είναι το χαμηλό βάρος (2700 kg/m3) και η ικανοποιητική ανθεκτικότητα σε διάβρωση, που
οφείλεται στο σχηματισμό λεπτότατης επιφανειακής προστατευτικής στρώσης οξειδίου.
Στα μειονεκτήματα κατατάσσονται το μεγαλύτερο κόστος, η μικρότερη αντοχή (που
όμως σε μερικά κράματα του αλουμινίου είναι συγκρίσιμη με του χάλυβα), το μικρότερο
μέτρο ελαστικότητας (γύρω στα 70 MPa) και η δυσκολία στη συγκόλλησή του.
Το αλουμίνιο βρίσκεται στη φύση σε ορυκτά, το πιο συνηθισμένο από τα οποία είναι ο βωξίτης (ονομάστηκε έτσι επειδή τα πρώτα κοιτάσματα ανακαλύφτηκαν στην πόλη
Les Beaux της Γαλλίας), που είναι ιδιαίτερα διαδεδομένος στην Ελλάδα. Ο βωξίτης αποτελείται από ένυδρο οξείδιο του αργιλίου (ΑΙ 2O3▪2Η2O) με προσμίξεις Fe2O3, ΤiO2 και
SiO2, με περιεκτικότητα σε ΑΙ2O3 (που λέγεται και "αλουμίνα") γύρω στο 55-65%. Ο βωξίτης αρχικά ξηραίνεται και λειοτριβείται και κατόπιν υπόκειται σε χημική και θερμική
επεξεργασία ώστε να απομακρυνθούν οι διάφορες προσμίξεις και να απομονωθεί το
καθαρό ΑΙ2O3. Έπειτα η αλουμίνα τήκεται σε ειδικούς κλιβάνους μαζί με κρυόλιθο και με
ηλεκτρόλυση του παραγόμενου διαλύματος με τη βοήθεια ηλεκτροδίων άνθρακα επιτυγχάνεται ο διαχωρισμός του αλουμινίου από το οξυγόνο. Το ρευστό αλουμίνιο οδηγείται
σε καλούπια ("χελώνες") και μετά την ψύξη μεταφέρεται σε βιομηχανίες για περαιτέρω
επεξεργασία. Οι συνηθέστερες μέθοδοι μορφοποίησης του αλουμινίου και των κραμάτων του είναι η χύτευση, η έλαση και η διέλκυση. Οι δύο τελευταίες κατηγορίες χρησιμοποιούνται ευρύτατα για την παρασκευή ράβδων διαφόρων διατομών, τυποποιημένων
ελασμάτων, παραθύρων κ.τ.λ.
Η καθαρότητα του αλουμινίου που παρασκευάζεται με την παραπάνω μέθοδο είναι 99-99.8% και μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο με επανάληψη της ηλεκτρόλυσης. Το καθαρό όμως αλουμίνιο χρησιμοποιείται σπανίως, κυρίως λόγω της μικρής μηχανικής αντοχής του. Συνηθέστερα στην πράξη είναι τα κράματά του με χαλκό, μαγνήσιο, μαγγάνιο, σίδηρο, πυρίτιο, ψευδάργυρο και νικέλιο. Οι ιδιότητες που προσδίδονται
στα κράματα αλουμινίου από τις προσμίξεις περιγράφονται στον Πίνακα 7.10 (Maguire
1981). Ειδικότερα στοιχεία για την επίδραση των διαφόρων μετάλλων στην εφελκυστική
αντοχή των κραμάτων δίνει ο Πίνακας 7.11. Τέλος, τυπικές καμπύλες ορθής τάσης-παραμόρφωσης δίνει το Σχ. 7.41 (Σίδερης 1984).
Ιδιότητα
Αύξηση λόγου αντοχής προς βάρος
Βελτίωση μηχανικών ιδιοτήτων γενικά
Βελτίωση ανθεκτικότητας σε διάβρωση
Μείωση σημείου τήξης
Βελτίωση πλαστιμότητας
Αύξηση αντοχής σε θλίψη και κόπωση
Πρόσμιξη
Zn και Mg· Zn, Mg και Cu
Mn
Mn, Si, Mg
Si
Si
Sn, Ni, Ti
Cu
Πίνακας 7.10: Επίδραση διαφόρων μετάλλων στις ιδιότητες κραμάτων αλουμινίου.
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
Συμβολισμός
243
Στοιχεία κράματος
Mn Mg Si Cu Zn
Εφελκυστική
αντοχή (MPa)
ΑΙ
70
ΑΙ Mn
0.8-1.5
100
ΑΙ Mg 3
0.0-0.4 2.6-3.3
180
ΑΙ Mg 5
0.0-0.6 4.3-5.5
240
ΑΙ Mg Mn
0.5-1.5 1.6-2.5
180
ΑΙ Mg Si 1
0.0-1.0 0.6-1.4 0.6-1.6
320
Al Cu Mg 2
0.3-1.1 1.2-1.8 3.8-4.9
440
Al Zn Mg Cu 1.5 0.0-0.3 2.1-2.9 0.0-0.5 1.2-2.0 5.1-6.1 520
Πίνακας 7.11: Επίδραση διαφόρων μετάλλων στην αντοχή κραμάτων αλουμινίου.
Σχ. 7.41: Καμπύλες τάσεων-παραμορφώσεων για διάφορα κράματα αλουμινίου.
7.5.2.
Μόλυβδος
Ο μόλυβδος, γνωστός από την αρχαιότητα, εξάγεται εύκολα από τα μεταλλεύματά
του (π.χ. γαληνίτης) και υφίσταται εύκολη επεξεργασία, επειδή είναι πολύ μαλακός και
εύκαμπτος. Χαρακτηρίζεται από μεγάλο βάρος (11350 kg/m3), εξαιρετική ανθεκτικότητα
σε διάβρωση, οξέα κ.τ.λ., και μεγάλο συντελεστή απώλειας (ορίζεται στο Κεφ. 3). Οι
χρήσεις του στη δόμηση περιλαμβάνουν τη θωράκιση έναντι ακτινοβολιών (π.χ. ακτίνες
γ), την κατασκευή ειδικών εφεδράνων για την απόσβεση ταλαντώσεων σε γέφυρες, κτίρια κ.τ.λ. (Σχ. 7.42) και την επικάλυψη στεγών (π.χ. εκκλησιών).
Σχ. 7.42: Εφέδρανο από καουτσούκ, με κεντρικό στέλεχος από μόλυβδο.
Ο μόλυβδος διαλύεται στο μαλακό νερό σχηματίζοντας Pb(OH)2 το οποίο είναι δηλητηριώδες, γεγονός στο οποίο οφείλεται η απαγόρευση της χρήσης του σε σωληνώσεις ύδρευσης.
244
7.5.3.
Χαλκός
Ο χαλκός, γνωστός και αυτός από την αρχαιότητα (4000 π.Χ. περίπου), είναι το
πρώτο μέταλλο που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος. Εξάγεται από οξείδια, θειούχα και ανθρακούχα μεταλλεύματα, όπως ο χαλκοπυρίτης, ο χαλκούχος σιδηροπυρίτης, ο μαλαχίτης, ο κυπρίτης κ.τ.λ., με μέθοδο που εξαρτάται από την κατηγορία του μεταλλεύματος.
Για τη συνηθισμένη περίπτωση των θειούχων μεταλλευμάτων της Ελλάδας η μέθοδος
παραγωγής περιλαμβάνει τήξη του μεταλλεύματος σε υψικάμινο και απομάκρυνση των
προσμίξεων.
Βασικά χαρακτηριστικά του είναι η εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, η ανθεκτικότητα σε διάβρωση (λόγω της δημιουργίας επιφανειακών οξειδίων, που έχουν πράσινο
χρώμα) και η μεγάλη ευκαμψία, γι' αυτό και χρησιμοποιείται για την κατασκευή καλωδίων ηλεκτρικού ρεύματος και σωλήνων ύδρευσης, ενώ έχει χρησιμοποιηθεί και για την
κατασκευή φύλλων επικάλυψης στεγών. Από τα κράματα χαλκού τα πλέον γνωστά είναι
ο ορείχαλκος και ο μπρούτζος. Ο ορείχαλκος περιέχει 10-35% ψευδάργυρο και μικρές
ποσότητες κασσιτέρου, μολύβδου, φωσφόρου, μαγγανίου και αλουμινίου, και χρησιμοποιείται για την κατασκευή χυτών υλικών (π.χ. εξαρτήματα σωληνώσεων). Τέλος ο
μπρούτζος περιέχει 5-20% κασσίτερο και μικρές προσμίξεις άλλων μετάλλων, έχει δε
χρησιμοποιηθεί σε μορφή λεπτών φύλλων για την κάλυψη στεγών μνημειακών κτισμάτων (π.χ. εκκλησίες) και σε σωλήνες αποχετεύσεων.
7.5.4.
Ψευδάργυρος
Ο ψευδάργυρος είναι μέταλλο λευκοκυανού χρώματος που προέρχεται από μεταλλεύματα γνωστά με το όνομα "καλαμίνα" (ανθρακικά και πυριτικά ορυκτά) και "μπλέντα"
(θειούχα ορυκτά). Παρασκευάζεται με πύρωση των μεταλλευμάτων, η οποία δημιουργεί
οξείδια του ψευδαργύρου, που με τη σειρά τους πυρώνονται σε καμίνους όπου ο ψευδάργυρος εξαερώνεται, και κατόπιν επανέρχεται στη στερεή κατάσταση διερχόμενος
από ψυκτικό θάλαμο. Ο τελικός καθαρισμός του μετάλλου γίνεται με ανάτηξη και νέα
απόσταξη ή με ηλεκτρόλυση.
Βασικό του χαρακτηριστικό είναι η ανθεκτικότητα σε διάβρωση, γι' αυτό και χρησιμοποιείται συχνά για την επιψευδαργύρωση (γαλβανισμός) χαλύβδινων στοιχείων (π.χ.
με εμβάπτιση των στοιχείων σε τήγμα ψευδαργύρου). Ακόμα, το οξείδιο του ψευδαργύρου χρησιμοποιείται στην χρωματουργία ως λευκό χρώμα και ορισμένα διαλύματα
αλάτων του (π.χ. χλωριούχος και θειικός ψευδάργυρος) χρησιμοποιούνται για τον εμποτισμό ξύλινων στοιχείων ώστε να προφυλαχθούν από τη σήψη.
7.5.5.
Κασσίτερος
Το μετάλλευμα του κασσιτέρου είναι ο κασσιτερίτης, από τον οποίο το υλικό λαμβάνεται με πύρωση και ανάτηξη. Χαρακτηριστικές ιδιότητες του κασσιτέρου είναι η μεγάλη ανθεκτικότητα σε διάβρωση και στη δράση οξέων, και η μεγάλη ελατότητα και ευκαμψία. Χρησιμοποιείται κυρίως για την παρασκευή κραμάτων άλλων μετάλλων και για
την επικασσιτέρωση ορισμένων μετάλλων, όπως ο σίδηρος, με σκοπό την προστασία
τους από τη διάβρωση.
7.5.6.
Νικέλιο, Χρώμιο, Κάδμιο, Τιτάνιο
Το νικέλιο, χρώματος αργυρόλευκου, εξάγεται από θειούχα και πυριτικά μεταλλεύματα. Είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες και σε διάβρωση, είναι ελατό,
και έχει εξαιρετική αντοχή και σκληρότητα. Χρησιμοποιείται για την παρασκευή κρα-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
245
μάτων χάλυβα (νικελιοχάλυβας) και για την επινικέλωση μετάλλων (π.χ. εξαρτήματα
υδραυλικών δικτύων).
Το χρώμιο, χρώματος κυανόλευκου, χαρακτηρίζεται από μεγάλη ανθεκτικότητα σε
διάβρωση, σκληρότητα και ψαθυρότητα. Χρησιμοποιείται σε κράματα χάλυβα για την
παρασκευή του ανοξείδωτου χάλυβα και σε άλλες εφαρμογές αντίστοιχες με αυτές του
νικελίου.
Το κάδμιο είναι μαλακό μέταλλο χρώματος κυανόλευκου, ανθεκτικό σε διάβρωση,
με μικρό συντελεστή τριβής και μεγάλη αντοχή σε κόπωση. Χρησιμοποιείται και αυτό σε
ορισμένες περιπτώσεις για την επικάλυψη του χάλυβα και την αντιδιαβρωτική του προστασία.
Τέλος, το τιτάνιο είναι ελαφρύ μέταλλο μεγάλης αντοχής, δυσθραυστότητας και ανθεκτικότητας σε διάβρωση. Έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την κατασκευή ειδικών οπλισμών (π.χ. σε στοιχεία του Παρθενώνα) και σε μορφή οξειδίου για την παρασκευή ειδικών χρωμάτων.
7.6. Διάβρωση των Μετάλλων και Προστασία
7.6.1.
Είδη Διάβρωσης Μετάλλων
Τα περισσότερα δομικά μέταλλα, και ιδιαίτερα ο χάλυβας, υπόκεινται σε διάβρωση
που μπορεί να προκληθεί από τη δράση του ατμοσφαιρικού αέρα, του νερού (βροχής,
εδάφους, υδρατμών κ.τ.λ.) και από άλλα υλικά. Τα κυριότερα είδη διάβρωσης των μετάλλων είναι η χημική, η ηλεκτρολυτική ή ηλεκτροχημική, η γαλβανική και η διάβρωση
υπό τάση.
7.6.1.1.
Χημική Διάβρωση
Η χημική διάβρωση οφείλεται στη δράση του οξυγόνου, του νερού, των οξέων,
των βάσεων, των αλάτων κ.τ.λ., και ο βαθμός της καθορίζεται από τη χημική συγγένεια
του μετάλλου προς το δραστικό μέσο. Το οξυγόνο διαχέεται στην επιφανειακή στρώση
των μετάλλων και αντιδρά με αυτά (παρουσία ή μη υγρασίας) σχηματίζοντας επιφανειακή στρώση οξειδίων, τα οποία συχνά προστατεύουν τα μέταλλα από περαιτέρω
διάβρωση. Η επέκταση της διάβρωσης κάτω από την επιφανειακή στρώση εξαρτάται
σημαντικά από τη διαπερατότητα των οξειδίων στα ιόντα οξυγόνου, από τη θερμοκρασία, αύξηση της οποίας επιταχύνει το ρυθμό διάχυσης των ιόντων, και από την παρουσία τυχόν επιφανειακών προσμίξεων στη δομή του μετάλλου (π.χ. χρώμιο, νικέλιο),
πολλές από τις οποίες παρεμποδίζουν την οξείδωση. Ο ρόλος του νερού συνίσταται
στην επιτάχυνση της δράσης του οξυγόνου στα μέταλλα και ιδιαίτερα στο χάλυβα. Τα
οξέα δρουν γενικά διαφορετικά σε κάθε μέταλλο. Με ορισμένα από αυτά, όπως π.χ. ο
μόλυβδος, σχηματίζουν επιφανειακές προστατευτικές στρώσεις που εμποδίζουν την περαιτέρω διάβρωση. Οι βάσεις [π.χ. Ca(OH)2] προσβάλλουν κυρίως το αλουμίνιο και τον
ψευδάργυρο, γενικά όμως όχι τον χάλυβα. Τέλος, τα διάφορα άλατα ενδέχεται να προκαλέσουν διάβρωση των μετάλλων χωρίς επιφανειακή προστατευτική στρώση.
7.6.1.2.
Ηλεκτρολυτική Διάβρωση
Η ηλεκτρολυτική διάβρωση οφείλεται στην τάση που έχουν τα μέταλλα να ιονίζονται (απώλεια ιόντων) σε υδατικά διαλύμματα. Η παρουσία υγρασίας στην επιφάνεια
ενός μετάλλου προκαλεί διάλυση μεταλλικών ιόντων, που απομακρυνόμενα αφήνουν
πίσω τους ηλεκτρόνια. Η ηλεκτρολυτική διάβρωση διακρίνεται στη διάβρωση τύπου
246
υδρογόνου και σε αυτήν τύπου οξυγόνου. Η πρώτη εμφανίζεται συνήθως όταν δύο διαφορετικά μέταλλα βρίσκονται σε επαφή ή ένα μέταλλο έχει ανομοιόμορφη σύνθεση (π.χ.
χάλυβας με επιφανειακά οξείδια, στον οποίο υπάρχουν μικρορωγμές που διακόπτουν
τη συνέχεια των οξειδίων, ή ορισμένα κράματα χάλυβα) παρουσία όξινου νερού, οπότε
διαφεύγουν ιόντα (από το λιγότερο στο περισσότερο ευγενές μέταλλο). Η δεύτερη εμφανίζεται στα μέταλλα παρουσία οξυγόνου διαλυμένου σε νερό, όπως έχει ήδη περιγραφεί
στο προηγούμενο κεφάλαιο (διάβρωση οπλισμών σκυροδέματος).
7.6.1.3.
Γαλβανική Διάβρωση
Η γαλβανική διάβρωση εμφανίζεται στο περισσότερο "ανοδικό" μέταλλο από δύο
μέταλλα με διαφορετική διαφορά δυναμικού. Βασική προϋπόθεση για τη δημιουργία της
είναι η παρουσία ηλεκτρικού ρεύματος και η ηλεκτρική επαφή μεταξύ των μετάλλων.
7.6.1.4.
Διάβρωση υπό Τάση
Η διάβρωση υπό τάση γίνεται είτε με χημικό είτε με ηλεκτροχημικό τρόπο, όταν
παράλληλα με τη δράση διαβρωτικών το μέταλλο είναι υπό τάση (π.χ. χάλυβες προεντεταμένου σκυροδέματος). Αποτέλεσμα της φόρτισης είναι η ρηγμάτωση της επιφανειακής στρώσης των οξειδίων του μετάλλου, που οδηγεί σε επιτάχυνση της διάβρωσης. Παράλληλα, η μετατροπή του μετάλλου σε οξείδιο επιφέρει μείωση της αντοχής και
ενδεχόμενη πρόωρη αστοχία.
7.6.1.5.
Διάβρωση Ορισμένων Μετάλλων
Από τα δομικά μέταλλα ο σίδηρος και ο χάλυβας είναι τα πλέον ευαίσθητα σε
διάβρωση, με κύριο μηχανισμό διάβρωσης αυτόν που περιγράφεται στο προηγούμενο
κεφάλαιο. Το αλουμίνιο παρουσιάζει υψηλότερη ανθεκτικότητα λόγω σχηματισμού επιφανειακού οξειδίου (Αl2O3) που προστατεύει το υλικό από περαιτέρω διάβρωση. Παρόμοια οξείδια σχηματίζονται στο χαλκό και στο μόλυβδο.
7.6.2.
Αντιδιαβρωτική Προστασία
Στην παράγραφο αυτή περιγράφονται οι βασικοί τρόποι προστασίας των μετάλλων από τη διάβρωση. Εννοείται ότι η καλύτερη αντιδιαβρωτική προστασία συνίσταται
αρχικά στην ορθή επιλογή μετάλλου, που όμως καθορίζεται από παράγοντες κόστους,
μηχανικής συμπεριφοράς κ.τ.λ., γι' αυτό και ως κατ' εξοχήν μέταλλο δόμησης επιλέγεται
ο χάλυβας. Ως επόμενο βήμα προστασίας από τη διάβρωση συνιστάται η κατάλληλη
διαμόρφωση των στοιχείων της κατασκευής (π.χ. επιλογή σημαντικού πάχους επικάλυψης ράβδων οπλισμού). Τα μέτρα αντιδιαβρωτικής προστασίας του χάλυβα αφορούν
βασικά στη χρήση ειδικών χαλύβων, την επιμετάλλωση, την επικάλυψη, την επίχριση
και την καθοδική προστασία, και περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω.
7.6.2.1.
Αντιδιαβρωτικοί Χάλυβες
Οι αντιδιαβρωτικοί ή ειδικοί χάλυβες είναι ελαφρά κράματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς ιδιαίτερη προστασία. Η αυξημένη ανθεκτικότητά τους σε διάβρωση
(τετραπλάσια περίπου των κοινών χαλύβων) οφείλεται στη μικρή περιεκτικότητα του
κράματος σε χαλκό (π.χ. 0.5%), χρώμιο (π.χ. 0.8%), νικέλιο (π.χ. 0.5%) και ενδεχομένως σε φωσφόρο (π.χ. 0.1%). Στους χάλυβες αυτούς δημιουργείται μία επιφανειακή
στρώση οξειδίων (π.χ. θειικά, ανθρακικά, φωσφορικά και πυριτικά άλατα, ή υδροξείδια
χαλκού, νικελίου, χρωμίου κ.τ.λ.) μεγάλης πυκνότητας, που συνήθως επιφέρει και ευ-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
247
χάριστα αποτελέσματα αισθητικής, προσδίδοντας στο χάλυβα χρωματισμό (π.χ. καφέ,
κοκκινωπό). Με τον τρόπο αυτό ανακόπτεται μετά από λίγο καιρό (π.χ. 1-3 χρόνια) η
διάβρωση με φυσικό τρόπο, όπως δείχνεται στο Σχ. 7.43 (Salmon and Johnson 1990).
Σχ. 7.43: Διάβρωση κοινού και αντιδιαβρωτικού χάλυβα σε έντονα διαβρωτικό περιβάλλον.
Τέτοιοι χάλυβες έχουν ευρεία εφαρμογή στο εξωτερικό σε γέφυρες και γενικά σε
κατασκευές όπου η συντήρηση (μέσω βαφής) είναι ιδιαίτερα δύσκολη και δαπανηρή. Η
χρήση τους απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή ώστε να μην τραυματίζονται από "γρατζουνίσματα" που μπορεί να αποτελέσουν εστίες διάβρωσης, γι' αυτό και γενικά το κόστος εφαρμογής τους είναι αυξημένο (κατά 20% περίπου). Επίσης, βασική προϋπόθεση για την
αποτελεσματική προστασία που παρέχουν τα επιφανειακά οξείδια είναι να υπάρχουν
εναλλαγές σχετικά ξηρού (π.χ. την ημέρα) και σχετικά υγρού (π.χ. τη νύκτα) περιβάλλοντος. Σε άλλη περίπτωση (π.χ. χάλυβας που περιβάλλεται από υγρό έδαφος, χάλυβας
βυθισμένος σε νερό, κοχλιώσεις που συγκρατούν υγρασία) ο σχηματισμός των οξειδίων
παρεμποδίζεται και ο χάλυβας συμπεριφέρεται ως κοινός.
Ως συμπλήρωμα της κατηγορίας των αντιδιαβρωτικών χαλύβων μπορούν να θεωρηθούν και οι λεγόμενοι ανοξείδωτοι χάλυβες, που διακρίνονται γενικά σε ωστενιτικούς, φερριτικούς και μαρτενσιτικούς. Οι ωστενιτικοί χάλυβες περιέχουν σημαντικές
προσμίξεις χρωμίου (περίπου 18%), νικελίου (περίπου 8%) και άλλων στοιχείων (π.χ.
χαλκός, πυρίτιο, μόλυβδος) σε μικρότερες αναλογίες, και χαρακτηρίζονται από εξαιρετική ανθεκτικότητα σε διάβρωση, που οφείλεται στο σχηματισμό αόρατων προστατευτικών οξειδίων. Δεν σκληραίνουν με θερμή κατεργασία, δεν έχουν μαγνητικές ιδιότητες
μετά από όπτηση, ενώ αποκτούν κάποιες με ψυχρή έλαση. Οι φερριτικοί χάλυβες περιέχουν 15% περίπου χρώμιο, σκληραίνουν μόνο με ψυχρή κατεργασία, έχουν μαγνητικές ιδιότητες και κοστίζουν λιγότερο από τους ωστενιτικούς. Τέλος, οι μαρτενσιτικοί
χάλυβες περιέχουν το πολύ 15% χρώμιο, έχουν μικρότερη αντιδιαβρωτική ικανότητα
από τους άλλους ανοξείδωτους χάλυβες, γι' αυτό και χρησιμοποιούνται σπανιότερα,
σκληραίνουν με θερμή κατεργασία και έχουν μαγνητικές ιδιότητες (Huntington and
Mickadeit 1981).
Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3 (1992), οι ανοξείδωτοι χάλυβες διακρίνονται σε
ωστενιτικούς (Ε = 200 GPa, G = 77 GPa), ωστενιτικούς-φερριτικούς (Ε = 205 GPa, G =
79 GPa) και φερριτικούς (Ε = 220 GPa, G = 85 GPa), και κατατάσσονται στις κατηγορίες αντοχής του Πίνακα 7.12. Ένα από τα χαρακτηριστικά του ανοξείδωτου χάλυβα είναι
ο σχετικά μεγάλος συντελεστής θερμικής διαστολής, όπως δείχνει ο ίδιος πίνακας.
248
Κατηγορία Ονομαστικό πάχος στοιχείων σε mm Συντελεστής
χάλυβα
t ≤ 40 40 < t ≤ 100
θερμ. διαστ.
fy fu fy fu
(x10-6/°C)
Fe Ε 235
235 520 215 500
16-17
Fe Ε 290
290 580 280 580
Fe Ε 320
320 450 280 490
10.5
Fe Ε 350
350 650 330 630
Fe Ε 480
480 660 460 640
13
Πίνακας 7.12: Χαρακτηριστικές τιμές συμβατικού ορίου διαρροής fy και εφελκυστικής αντοχής fu ανοξείδωτου χάλυβα (σε MPa), και μέσες τιμές συντελεστή θερμικής διαστολής.
Στην Ελλάδα εισάγεται και ανοξείδωτος χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος κατηγορίας S400 σε μορφή ράβδων ή πλέγματος με νευρώσεις, από κράμα πλούσιο σε
χρώμιο και νικέλιο. Η συγκόλληση του χάλυβα αυτού είναι αρκετά απαιτητική και δυνατή
μόνο με ειδικά ηλεκτρόδια, ενώ το κόστος του είναι πολλαπλάσιο από αυτό του συνηθισμένου.
7.6.2.2.
Επιμετάλλωση
Η επιμετάλλωση του χάλυβα μπορεί να γίνει με έναν από τους παρακάτω τρόπους
(Uhlig and Revie 1985):
Βαφή. Τα προς επιμετάλλωση στοιχεία βυθίζονται σε τήγματα ή διαλύματα
αλάτων, όπου οξειδώνονται και καλύπτονται με πυκνά και ανθεκτικά στρώματα οξειδίων, τα οποία τελικά επιχρίζονται με έλαια ή άχρωμες βαφές.
Επιμετάλλωση με φωσφορικά άλατα. Ο χάλυβας βυθίζεται σε διάλυμα φωσφορικού οξέος και φωσφορικών αλάτων βαρέων μετάλλων, τα οποία σχηματίζουν αδιάλυτο επιφανειακό επίστρωμα.
Εμβάπτιση σε τηγμένα μέταλλα. Ένας απλός τρόπος επιμετάλλωσης είναι η εμβάπτιση του χάλυβα σε λουτρό τηγμένου ψευδαργύρου, κασσιτέρου ή αλουμινίου. Η
επιψευδαργύρωση (γαλβανισμός) αποτελεί συνηθισμένη και δοκιμασμένη μέθοδο
αντιδιαβρωτικής προστασίας και γίνεται με εμβάπτιση επιφανειακά καθαρισμένου χάλυβα σε τήγμα ψευδαργύρου θερμοκρασίας περίπου 450 °C. Ενώ η συμπεριφορά του
γαλβανισμένου χάλυβα σε διάβρωση είναι σαφώς καλύτερη από αυτήν του κοινού, το
αυξημένο κόστος του (1.5-2 φορές το κόστος του κοινού χάλυβα) έχει εμποδίσει μέχρι
σήμερα την ευρεία χρήση του σε κατασκευές. Στοιχεία της περασμένης δεκαετίας (CEB
1992) αναφέρουν ότι η χρήση γαλβανισμένου χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος στις
Η.Π.Α. και στην Ευρώπη περιορίζεται σε ποσοστά της τάξης του 2% και 1%, αντίστοιχα.
Ηλεκτρόλυση. Αφορά στην επικάλυψη του χάλυβα με άλλο μέταλλο (π.χ. ψευδάργυρος, κασσίτερος, χαλκός, χρώμιο κ.τ.λ.) μέσω ηλεκτρόλυσης, και βασική προϋπόθεση για την επιτυχία της είναι η πυκνότητα και η μη διακοπή της συνέχειάς της.
Ψεκασμός. Γίνεται με ειδικό πιστόλι σε επιφανειακά καθαρισμένο χάλυβα του
οποίου η επιφάνεια συνήθως εκτραχύνεται με αμμοβολή. Το μέταλλο με το οποίο γίνεται η επικάλυψη μπορεί να είναι αλουμίνιο, ψευδάργυρος, κασσίτερος, χαλκός, μόλυβδος κ.τ.λ.
7.6.2.3.
Επικάλυψη
Εφαρμόζεται με μία από τις μεθόδους που περιγράφονται παρακάτω:
Πυριτική επικάλυψη. Είναι μέθοδος γνωστή από παλιά, σύμφωνα με την οποία
το μεταλλικό αντικείμενο καλύπτεται με στρώσεις γυαλιού ή βυθίζεται σε ειδικό υαλο-
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
249
πολτό (σμάλτωμα ή εφυάλωση). Έχει εφαρμοστεί στην αντιδιαβρωτική προστασία πετασμάτων, αλλά βρίσκει περισσότερες εφαρμογές σε οικιακές συσκευές, σκεύη κ.τ.λ.
Εκτοξευόμενο τσιμεντοκονίαμα. Η επιτυχία της μεθόδου βασίζεται στην αλκαλική προστασία που παρέχουν τα τσιμεντοκονιάματα στο χάλυβα (όπως περιγράφεται λεπτομερώς στο προηγούμενο κεφάλαιο).
Ασφαλτικές επικαλύψεις. Γίνονται με διάφορα ασφαλτικά υλικά (άσφαλτοι, πίσσες κ.τ.λ.) σε τηγμένη κατάσταση με ειδικές βούρτσες, ψεκασμό ή εμβάπτιση.
Επικαλύψεις με συνθετικά αιωρήματα. Οι επικαλύψεις αυτές συχνά συναγωνίζονται τα χρώματα, τα βερνικώματα κ.τ.λ., και γίνονται με ψεκασμό ή εμβάπτιση του μετάλλου σε αιώρημα (κολλοειδές διάλυμα) πολυαιθυλενίου, πολυβινυλοχλωριδίου και άλλων. Τέτοιες επικαλύψεις βρίσκουν εφαρμογές στην προστασία μεταλλικών ελασμάτων,
σωληνώσεων κ.τ.λ.
Εποξειδική επικάλυψη. Η χρήση εποξειδικών επικαλύψεων έχει τεράστια εφαρμογή τα τελευταία χρόνια, κυρίως για την αντιδιαβρωτική προστασία ράβδων οπλισμού
σκυροδέματος (π.χ. Gustafson 1988). Αποτελεί μέθοδο προστασίας οπλισμού σκυροδέματος αρκετών σημαντικών κατασκευών, όπως είναι οι γέφυρες, τα κτίρια στάθμευσης κ.τ.λ., στις Η.Π.Α. και σε άλλες χώρες. Οι εποξειδικές ρητίνες μπορούν να εφαρμοστούν με εμβάπτιση ή επάλειψη ή ψεκασμό, αλλά έτσι προκύπτουν στρώματα ρητίνης
με σημαντική ανομοιομορφία πάχους. Κατά μία άλλη τεχνική, η ρητίνη εφαρμόζεται αρχικά υπό μορφή κονίας σε προθερμασμένο χάλυβα και κατόπιν τήκεται σχηματίζοντας
λεπτή στρώση χωρίς ιδιαίτερες ατέλειες, γι' αυτό και η τεχνική αυτή είναι η συνηθέστερη
σήμερα. Στα βασικά μειονεκτήματα του χάλυβα σε μορφή ράβδων οπλισμού με εποξειδική επικάλυψη περιλαμβάνονται η μείωση της συνάφειας με το σκυρόδεμα (κατά 15%35%), το αυξημένο κόστος (2-2.5 φορές σε σχέση με τον κοινό χάλυβα) και η εξαιρετική
προσοχή που απαιτείται κατά τη μεταφορά και τοποθέτησή του, ώστε να αποφεύγονται
επιφανειακές εκδορές, οι οποίες ενδέχεται να αποτελέσουν εστίες σημαντικής τοπικής
διάβρωσης (CEB 1992).
7.6.2.4.
Επίχριση
Η αντιδιαβρωτική προστασία των μετάλλων με ειδικά επιχρίσματα (βαφές, χρώματα) αποτελεί συνηθισμένη πρακτική σήμερα, που συντελεί ταυτόχρονα και στη βελτίωση
της αισθητικής των μεταλλικών κατασκευών. Η επιτυχία ενός χρωματισμού εξαρτάται
κυρίως από την κατάσταση της επιφάνειας του μετάλλου, τη σύνθεση του χρώματος, τη
μέθοδο βαφής, τις καιρικές συνθήκες κατά τη διάρκεια της βαφής και το πάχος του επιχρίσματος (π.χ. Wendehorst 1981).
7.6.2.5.
Καθοδική Προστασία
Αποτελεί δαπανηρή λύση, γι' αυτό και εφαρμόζεται μόνο όπου άλλα μέτρα δεν
αποδίδουν. Εφαρμόζεται συνδέοντας με το χάλυβα άνοδο είτε από λιγότερο ευγενές
μέταλλο (π.χ. αλουμίνιο, ψευδάργυρος) που σταδιακά διαλύεται λόγω διάβρωσης και
χρειάζεται ανανέωση, είτε από αδιάλυτο υλικό (π.χ. γραφίτης, ευγενές μέταλλο) σε συνδυασμό με σύνδεση συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος.
7.7. Βιβλιογραφία
American Society of Metals (ASM) (1978). Metals Handbook, 1 - Metals, Properties and
Selection: Irons and Steels, Metals Park, Ohio.
250
Brockenbrough, R. L. and Johnston, B. G. (1981). USS Steel Design Manual, USX
Corp., Pittsburgh, PA.
Βουδικλάρης, θ. και Μαρσέλλος, Ν. (1997). Διατάξεις Ελέγχου Ποιότητας Σκυροδέματος
και Χαλύβων, Αθήνα.
CEB-FIP (1990). Model Code for Concrete Structures, Bulletin d'lnformation 203-205,
Comite Euro-International du Beton/Federation International de la Precontrainte,
Lausanne.
CEB (1992). Protection Systems for Reinforcement, Bulletin d'lnformation 211, Comite
Euro-International du Beton, Lausanne.
Derucher, Κ. N., Korfiatis, G. P. and Ezeldin, A. S. (1994). Materials for Civil and
Highway Engineers, 3rd edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.
Dowling, P. J., Harding, J. E. and Bjorhovde, R., editors (1992). Constructional Steel
Design, Elsevier Applied Science, London.
Eurocode No. 3 (1992). Design of Steel Structures.
European Standard ENV 10080 (1995). Steel for the Reinforcement of Concrete Weldable Ribbed Reinforcing Steel Β 500 - Technical Delivery Conditions for Bars,
Coils and Welded Fabric, European Committee for Standardization.
European Standard prENV 10138-1,2,3,4,5 (1995). Prestressing Steels. Part 1: General
Requirements, Part 2: Wire, Part 3: Strand, Part 4: Bars, Part 5: Attestation of
Conformity by Certification, European Committee for Standardization.
Φαρδής, Μ. Ν. (1991). Οπλισμένο Σκυρόδεμα I, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.
Φαρδής, Μ. Ν. (1993). Προεντεταμένο Σκυρόδεμα, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών.
ΦΕΚ 746/30-8-95 τεύχος Β' (1995). Έλεγχος Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος.
Gustafson, D. Ρ. (1988). 13th IABSE Congress Report, Helsinki, 45-50.
Herubin, C. Α. and Marotta, Τ. W. (1981). Basic Construction Materials, 2nd edition,
Reston Publishing Company, Inc., Reston, Virginia.
Huntington, W. C. and Mickadeit, R. E. (1981). Building Construction, Materials and
Types of Construction, 5th edition, John Wiley & Sons, Inc., New York.
Illston, J. M., Dinwoodie, J. M. and Smith, A. A. (1981). Concrete, Timber and Metals,
Van Nostrand Reinhold, London.
Jackson, N. and Dhir, R. K. (1988). Civil Engineering Materials, 4th edition, MacMillan
Education Ltd., London.
Kaufman, E. J., Pense, A. W. and Stout, R. D. (1981). Welding Journal, 60, 43-49.
Kodama, M. and Shirahama, S. (2003). fib Congress Concrete Structures in Seismic
Regions, Athens, paper title: "Application of high strength prestressing steel to
prestressed concrete members".
Leonhardt, F. and Monning, E. (1973). Ολόσωμες Κατασκευές, τόμ. 1 (Ελλην. Μετάφραση), έκδοση Μ. Γκιούρδα, Αθήνα.
Leonhardt, F. (1982). Ολόσωμες Κατασκευές, τόμ. 5 (Ελλην. Μετάφραση), έκδοση Μ.
Γκιούρδα, Αθήνα.
Λεγάκις, Α. Α. (1992). Δομικά Υλικά, τόμ. Β', Ίδρυμα Ευγενίδου, Βιβλιοθήκη του Τεχνικού, Αθήνα.
Maguire, Β. W. (1981). Construction Materials, Reston Publishing Company, Inc.,
Χάλυβας και άλλα μέταλλα
251
Reston, Virginia.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-959-94. Χάλυβες Οπλισμού Σκυροδέματος .
Πρότυπο ΕΛΟΤ-971-94. Συγκολλήσιμοι Χάλυβες Οπλισμού Σκυροδέματος.
Salmon, C. G. and Johnson, J. Ε. (1990). Steel Structures, Design and Behavior, 3rd
edition, Harper & Row, Publishers, Inc., New York.
Σιδερής, Κ. Κ. (1984). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, τόμ. Β1, Δημοκρ. Πανεπ. Θράκης,
Ξάνθη.
Taylor, G. D. (1983). Materials of Construction, 2nd edition, Construction Press,
London.
Uhlig, Η. Η. and Revie, R. W. (1985). Corrosion and Corrosion Control: An Introduction
to Corrosion Science and Engineering, 3rd edition, Wiley, New York.
Wendehorst, R. (1975). Baustoffkunde, Verlag, Hannover.
Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε. (2000). Κανονισμός Τεχνολογίας Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος
(Κ.Τ.Χ.), ΦΕΚ 381/Β/24-3-2000.
Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε. (2000). Έγκριση Ελληνικού Κανονισμού για τη Μελέτη και Κατασκευή
Έργων από Οπλισμένο Σκυρόδεμα, Υπουργ. Απόφαση Δ17α/116/4/ΦΝ429/18-10-2000
(ΦΕΚ 1329/Β/18-10-2000), Ε.Κ.Ω.Σ.-2000.
252
8. Ξύλο
8.1. Γενικά
Το ξύλο είναι ένα από τα παλαιότερα υλικά δόμησης, με ιστορία χιλιετηρίδων στις
κατασκευές. Παράδειγμα αποτελούν τα ξύλινα πλοία και οι ξύλινες κατασκευές της Αρχαιότητας, όπως αυτές που αποκαλύφθηκαν πρόσφατα στη θέση "Ακρωτήρι" της Σαντορίνης. Τέτοιες κατασκευές, άλλοτε ως οριζόντια και κατακόρυφα διαζώματα ενίσχυαν
λιθοδομές, και άλλοτε ως καλοφτιαγμένα διαμπερή πλαίσια όριζαν την εσωτερική περίμετρο των ανοιγμάτων λίθινων κτιρίων. Η χρήση του ξύλου στις κατασκευές είναι ακόμα
και σήμερα αρκετά διαδεδομένη, ιδιαίτερα σε χώρες με πολλά δάση (π.χ. Η.Π.Α., Καναδάς, Β. Ευρώπη). Στη χώρα μας βρίσκει αρκετές εφαρμογές στην κατασκευή φερόντων
(π.χ. δοκοί, υποστυλώματα, στέγες, πλαίσια μεγάλων ανοιγμάτων) αλλά και μη φερόντων (π.χ. πόρτες, παράθυρα, δάπεδα, οροφές) στοιχείων. Βασικά πλεονεκτήματα
του ξύλου είναι η ευκολία με την οποία μπορεί να υποστεί κατεργασία, η καλή αισθητική, ο μεγάλος λόγος αντοχής προς βάρος, η εξαιρετική θερμομονωτική ικανότητα και ότι
είναι ανανεώσιμο υλικό, ενώ στα μειονεκτήματά του κατατάσσονται η ανάγκη προστασίας έναντι περιβαλλοντικών (π.χ. υγρασία), βιολογικών (π.χ. μύκητες, έντομα) και άλλων
(π.χ. πυρκαϊά) παραγόντων, και η σχετικά μεγάλη μεταβλητότητα που χαρακτηρίζει τις
μηχανικές του ιδιότητες.
8.2. Προέλευση, Κατεργασία, Αποθήκευση
Το ξύλο είναι οργανικό προϊόν, προέρχεται δηλαδή από ζώντες οργανισμούς, τα
δένδρα. Αυτά διακρίνονται στα κωνοφόρα (ή βελονοφόρα), που δίνουν τη "μαλακή" ξυλεία, και στα πλατύφυλλα, που δίνουν τη "σκληρή". Το μεγαλύτερο ποσοστό της δομικής ξυλείας προέρχεται από τα κωνοφόρα (π.χ. έλατο, πεύκο). Η λεπτομερής απαρίθμηση των ειδών ξύλων καθώς και των ιδιοτήτων τους ξεφεύγει από το σκοπό του παρόντος βιβλίου, γι' αυτό και συνιστάται στον ενδιαφερόμενο αναγνώστη να αναζητήσει
τις σχετικές πληροφορίες στη βιβλιογραφία (π.χ. Σιμόπουλος 1985, Λεγάκις 1991).
Μετά από την κοπή των δένδρων (υλοτομία) και προκατεργασία, το ξύλο υπόκειται σε
μία σειρά κατεργασίες, όπως περιγράφονται παρακάτω.
8.2.1.
Υλοτομία, Προκατεργασία και Συγκομιδή
Η υλοτομία γίνεται κατά τους χειμερινούς μήνες, για να είναι σχετικά μικρή η ποσότητα των χυμών στα δένδρα και κυρίως για να ελαχιστοποιούνται οι αλλοιώσεις λόγω
καιρικών συνθηκών (π.χ. ανάπτυξη μυκήτων και εντόμων, πρόωρη ξήρανση). Παράγοντες που καθορίζουν την υλοτομία είναι η ηλικία, η υγεία και η μορφή του κορμού των
δένδρων (π.χ. Λεγάκις 1991). Προτιμούνται γενικά υγιή δένδρα με ίσιους και κατακόρυφους κορμούς, η κοπή των οποίων γίνεται κοντά στο έδαφος με αλυσοπρίονα, και σπανιότερα με πέλεκη ή εκρηκτικές ύλες. Μετά την πτώση των δένδρων αφαιρούνται η κορυφή και τα μικρά κλαδιά και κατόπιν αποκόπτονται τα μεγάλα κλαδιά που μαζί με τον
κορμό θα δώσουν τη δομική ξυλεία.
Ανάλογα με τη χρήση τους, οι κορμοί υπόκεινται σε προκατεργασία. Έτσι, κορμοί
που προορίζονται για τη λεγόμενη στρογγύλη ξυλεία αποφλοιώνονται και εξομαλύνονται
Ξύλο
253
επιφανειακά με πέλεκη ή πριόνι ώστε να αφαιρεθούν τυχόν εξογκώματα. Αυτοί που θα
δώσουν την πελεκητή ξυλεία (πολύ σπάνια σήμερα) αποφλοιώνονται και πελεκίζονται
σε ορθογωνικά τεμάχια με αφαίρεση των τεσσάρων εξωτερικών τμημάτων ("καπάκια").
Οι κορμοί που προορίζονται για την πριστή (πριονιστή) ξυλεία υφίστανται μόνο αποφλοίωση.
Βασικά πλεονεκτήματα της αποφλοίωσης, που γίνεται συνήθως με πέλεκη, είναι
ότι συντελεί στην προστασία του ξύλου από έντομα και μύκητες (η ανάπτυξη των οποίων ευνοείται από το φλοιό) κατά τη διάρκεια μακράς παραμονής στο δάσος και στη
διευκόλυνση της μεταφοράς λόγω μείωσης του βάρους, ενώ στα μειονεκτήματά της περιλαμβάνονται τυχόν πρόωρα "σκασίματα" του ξύλου και επιφανειακές φθορές που
προκαλούνται κατά τη μεταφορά.
Για την προστασία της χλωρής ξυλείας από μεταβολές της υγρασίας καλό είναι να
λαμβάνονται τα παρακάτω μέτρα: (α) κοπή των κορμών σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερα
μήκη ώστε να περιορίζεται ο αριθμός των τομών των άκρων, και (β) τοποθέτηση σε
στοιβάδες μεγάλου ύψους (ώστε οι πάνω σειρές να προστατεύουν τις κάτω) σε θέσεις
όπου δεν φυσάει ισχυρός άνεμος.
Η μεταφορά των κορμών στα εργοστάσια κατεργασίας (συνήθως αυτά είναι κοντά
στα δάση) πρέπει να γίνεται το συντομότερο μετά την κοπή. Επιτυγχάνεται με ζώα και
αυτοκίνητα, με ολίσθηση σε κεκλιμένα εδάφη ("ρίχτες") και μέσω ποταμών.
Ακολούθως αναφέρονται συνοπτικά τα βασικά προϊόντα των Ελληνικών δασών.
Περιλαμβάνουν τη στρογγύλη ξυλεία άνω των 2 m ("βουβά"), τη στρογγύλη ξυλεία κάτω
των 2 m, τα στρογγύλια ξυλείας, τις σχίζες, το ξύλο θρυμματισμού και τα καυσόξυλα (Σιμόπουλος 1985). Η στρογγύλη ξυλεία άνω των 2 m διακρίνεται σε ξυλεία κωνοφόρων
(πεύκου, ελάτου, ερυθρελάτου) και πλατυφύλλων (οξυάς, δρυός, λεύκας). Περισσότερο
στη δόμηση χρησιμοποιείται η ξυλεία των κωνοφόρων, που είναι όμως χαμηλής ποιότητας σε σχέση με την εισαγόμενη. Η στρογγύλη ξυλεία κάτω των 2 m προέρχεται από
τη διαμόρφωση του κατώτερου τμήματος του κορμού του δένδρου (μέχρι 2 m από τη
βάση) και επειδή έχει μεγάλη τάση για στρέβλωση χρησιμοποιείται για δευτερεύουσες
μόνο κατασκευές. Τα στρογγύλια ξυλείας, που έχουν μήκος 1.2-2 m και διάμετρο 0.180.20 cm, προέρχονται από το τελευταίο τμήμα του κορμού προς την κορυφή. Η ξυλεία
αυτή χαρακτηρίζεται από αυξημένο ποσοστό ρόζων και μεγάλη φθορά για τη μετατροπή
της σε πριστή (40-45%, έναντι 30-35% για τα προηγούμενα είδη). Οι σχίζες προέρχονται από τη σχίση κορμοτεμαχίων μήκους κάτω από 2 m και διαμέτρου συνήθως πάνω
από 0.5 m, και χρησιμοποιούνται για παλέτες, μοριοσανίδες, ινοσανίδες και χαρτί όταν
προέρχονται από κωνοφόρα, και για δάπεδα ("παρκέτα"), έπιπλα, παλέτες κ.τ.λ., όταν
προέρχονται από πλατύφυλλα καλής ποιότητας. Το ξύλο θρυμματισμού έχει μήκος
μέχρι 1.2 m και διάμετρο 0.15-0.35 m και χρησιμοποιείται για παραγωγή μοριοσανίδων,
ινοσανίδων και χαρτιού. Τέλος τα καυσόξυλα έχουν μήκος μέχρι 1.2 m και διάμετρο
πάνω από 0.15 m και χρησιμοποιούνται για θέρμανση. Σημειώνεται ότι μόνο η στρογγύλη ξυλεία άνω των 2 m συγκομίζεται εξ ολοκλήρου, ενώ οι άλλες κατηγορίες συγκομίζονται κατά 50-60% περίπου (το υπόλοιπο παραμένει και σαπίζει στο έδαφος), επειδή το
κόστος παραγωγής δεν καλύπτεται από την τιμή πώλησης.
8.2.2.
Κατεργασία
Η κατεργασία του ξύλου περιλαμβάνει την έκπλυση, την ξήρανση και, για την πριστή ξυλεία μόνο, την πρίση (κοπή). Οι εργασίες αυτές περιγράφονται ακολούθως.
8.2.2.1.
Έκπλυση
254
Γίνεται συνήθως στα εργοστάσια κατεργασίας ξύλου με σκοπό την απομάκρυνση
των χυμών που περιέχονται στα κύτταρά του, ώστε αφενός να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα προσβολής από τους μικροοργανισμούς των χυμών, αφετέρου να σκληρυνθεί
και να αποκτήσει μεγαλύτερη αντοχή. Η έκπλυση γίνεται σε μεγάλες δεξαμενές νερού,
όπου κορμοί ή τεμάχια ξύλου παραμένουν ολικά βυθισμένα για αρκετές εβδομάδες, ή
με διαβροχή μέσω περιστρεφόμενων μηχανημάτων ποτισμού ("μπεκ"). Καλό είναι
πάντως να αποφεύγεται όταν βλάπτει το χρώμα του ξύλου (π.χ. κωνοφόρα, οξυά, λεύκα), ενώ θεωρείται συνήθως περιττή σε περιπτώσεις που το ξύλο έχει μεταφερθεί από
το δάσος μέσω ποταμού.
8.2.2.2.
Ξήρανση
Η περιεκτικότητα του ξύλου σε υγρασία εκφράζεται συνήθως ως το κ.β. ποσοστό
υγρασίας με βάση το ξηρό βάρος. Μετά την κοπή, η υγρασία είναι της τάξης του 50%,
ενώ σε ορισμένα ξύλα ξεπερνά κατά πολύ το 100% (π.χ. στο έλατο φθάνει μέχρι 250%
και στην οξυά μέχρι 140%), και άρα είναι αρκετά μεγαλύτερη από τη μέση υγρασία στον
τόπο όπου πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Για να εξασφαλιστεί η ελάχιστη δυνατή διακύμανση υγρασίας και επομένως και η ελάχιστη δυνατή διακύμανση των διαστάσεων των
δομικών στοιχείων, αλλά και για να μην προσβάλλεται από μικροοργανισμούς των οποίων η δράση ευνοείται για υγρασία που ξεπερνά το 20% περίπου, το χλωρό ξύλο υποβάλλεται σε ξήρανση. Άλλα ευνοϊκά αποτελέσματα της ξήρανσης είναι η ελάττωση του
βάρους των δομικών στοιχείων, η αύξηση της αντοχής, η ευκολότερη εφαρμογή βαφών
και εμποτισμού, και η εξουδετέρωση διαφόρων μικροοργανισμών (ιδιαίτερα όταν η ξήρανση γίνεται με υψηλές θερμοκρασίες σε κλιβάνους).
Η ξήρανση μπορεί να είναι φυσική (στον αέρα) ή τεχνητή (σε ξηραντήριο), και γίνεται συνήθως σε πριστή ξυλεία, δηλαδή σε αυτήν που προέρχεται από την κοπή (με
πριόνι) της στρογγύλης.
Φυσική ξήρανση. Επιτυγχάνεται με: την κυκλοφορία του αέρα μέσω αλλεπάλληλων οριζόντιων στρώσεων ξύλου ("ντάνες"), μεταξύ των οποίων παρεμβάλονται πήχεις
πάχους 20- 40 mm από ξηραμένο ξύλο που εμποδίζουν την επαφή (σχετικό είναι το Σχ.
8.1, Σιμόπουλος 1985). Οι "ντάνες" τοποθετούνται συνήθως κάτω από υπόστεγα και
εδράζονται σε βάθρα ("φαλάγγια") σε απόσταση από το δάπεδο της τάξης των 0.400.50 m. Τη διάρκεια ξήρανσης επηρεάζουν πολλοί παράγοντες, όπως είναι: (α) το είδος
ξύλου (π.χ. τα σκληρά ξύλα όπως η δρυς, η οξυά, τα οπωροφόρα κ.τ.λ., ξηραίνονται
στο διπλάσιο περίπου χρόνο από τα μαλακά, όπως το πεύκο και το έλατο)· (β) η αρχική
υγρασία (όσο μεγαλύτερη τόσο επιμηκύνεται ο χρόνος ξήρανσης) (γ) η εποχή ξήρανσης
και το κλίμα (οι θερινοί μήνες και το θερμό κλίμα γενικά ευνοούν την ξήρανση, που μπορεί να επιτευχθεί σε 4-5 μήνες αν αρχίσει καλοκαίρι και σε 8-10 μήνες αν αρχίσει φθινόπωρο)· (δ) το πάχος και οι αποστάσεις των πήχεων (αύξηση του πάχους διευκολύνει
τη ροή του αέρα άρα και την ξήρανση, μείωση της απόστασης των πήχεων, που συνήθως είναι 0.3-1.0 m, μειώνει τις παραμορφώσεις)· (ε) οι διαστάσεις και η διαμόρφωση
της "ντάνας" (το μικρό πλάτος ευνοεί την κυκλοφορία αέρα και το μεγάλο ύψος συντελεί
στην αποφυγή παραμορφώσεων)· (στ) το δάπεδο (που δεν πρέπει να είναι υγρό)· (ζ) το
πάχος της ξυλείας (η διάρκεια ξήρανσης είναι περίπου ανάλογη του τετραγώνου του
πάχους)· και (η) ο τρόπος πρίσης.
Παραλλαγή του "ντανιάσματος" με πήχεις είναι η αυτοστοίβαξη, δηλαδή η χρήση
των ιδίων των ξύλων ως πηχάκια, που καλό είναι να αποφεύγεται. Άλλος τρόπος είναι η
όρθια στοίβαξη, που όμως εγκυμονεί κινδύνους παραμόρφωσης του ξύλου λόγω ιδίου
βάρους και επιφανειακής ρηγμάτωσης ("ραγάδες") λόγω ταχείας εξάτμισης.
Ξύλο
255
Σχ. 8.1: Διάφοροι τρόποι τοποθέτησης πριστής ξυλείας για φυσική ξήρανση.
Η φυσική ξήρανση έχει αρκετά πλεονεκτήματα αλλά και ορισμένα μειονεκτήματα.
Στα τελευταία κατατάσσονται η μεγάλη διάρκεια, η αδυναμία σε ορισμένες περιπτώσεις
επίτευξης της επιθυμητής υγρασίας, κυρίως όταν αυτή είναι κάτω από 12%, και ο κίνδυνος προσβολής του ξύλου από μύκητες και έντομα.
Τεχνητή ξήρανση. Τα παραπάνω μειονεκτήματα αίρονται όταν η ξήρανση γίνεται
τεχνητά, σε ξηραντήρια, όπου η τελική υγρασία του ξύλου μπορεί να φθάσει το 5-8%
(π.χ. για κατασκευές εσωτερικών χώρων με κεντρική θέρμανση, όπως τα "παρκέτα").
Το "ντάνιασμα" των ξύλων που πρόκειται να οδηγηθούν στο ξηραντήριο γίνεται βάσει
των κανόνων που ισχύουν για τη φυσική ξήρανση, που εδώ όμως εφαρμόζονται με μεγάλη σχολαστικότητα.
Τα ξηραντήρια είναι μεταλλικοί θάλαμοι ή αίθουσες όπου ρυθμίζονται οι συνθήκες
θερμοκρασίας και υγρασίας. Η ξήρανση του ξύλου επιτυγχάνεται με ατμό που διοχετεύεται μέσω σωληνώσεων και κυκλοφορεί με ανεμιστήρες. Η σχετική υγρασία ρυθμίζεται
υγροποιώντας τον ατμό με ψεκασμό σταγονιδίων νερού. Ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους, τα ξηραντήρια μπορεί να είναι τύπου θαλάμου ή σήραγγας.
Στα ξηραντήρια θαλάμου το ξύλο τοποθετείται σε θαλάμους (με πληρότητα μέχρι
40%) που μπορεί να είναι φυσικού ή τεχνητού αερισμού. Στα πρώτα, ο αέρας εισέρχεται
από τη βάση, θερμαινόμενος από τα θερμαντικά σώματα ανέρχεται παραλαμβάνοντας
υγρασία, και ψυχόμενος κατέρχεται και βγαίνει από πλευρικές καμινάδες. Πλεονεκτήμα-
256
τα των ξηραντηρίων αυτών είναι ότι δεν απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία
ανεμιστήρων και ότι οι ζημιές που τυχόν προκαλούνται στα ξύλα είναι μικρές, επειδή ο
αέρας κυκλοφορεί με μικρή ταχύτητα (0.1-0.3 m/s). Μειονεκτήματά τους είναι η μεγάλη
διάρκεια ξήρανσης, με συνέπεια τη μεγάλη κατανάλωση ατμού, η δυσκολία δημιουργίας
ομοιόμορφων συνθηκών και η ανάγκη για ειδικό "ντάνιασμα" που να ευνοεί την κυκλοφορία του αέρα, γι' αυτό και σήμερα χρησιμοποιούνται σπάνια. Στα ξηραντήρια τεχνητού αερισμού (Σχ. 8.2), που είναι και τα πιο συνηθισμένα, η κυκλοφορία του αέρα γίνεται με μεγαλύτερη ταχύτητα (0.5-0.6 m/s) με τη βοήθεια ανεμιστήρων, που βρίσκονται
μέσα ή έξω από το θάλαμο. Βασικά τους πλεονεκτήματα είναι ότι εξοικονομούν θερμότητα γιατί χρησιμοποιούν τον αέρα για περισσότερο χρονικό διάστημα και ότι επιφέρουν ομοιόμορφη ξήρανση, ενώ μειονέκτημα αποτελεί ότι απαιτούν επίβλεψη για την
αποφυγή ζημιών στο ξύλο. Σε μία άλλη κατηγορία ξηραντηρίων θαλάμου η αφαίρεση
της υγρασίας από το ξύλο γίνεται 4-5 φορές ταχύτερα σε συνθήκες κενού αέρα (σύστημα vacuum).
Στα ξηραντήρια σήραγγας το ξύλο εισέρχεται από την άκρη σήραγγας με τη χαμηλότερη θερμοκρασία και τη μεγαλύτερη υγρασία και κατευθύνεται προς την άλλη άκρη
με την υψηλότερη θερμοκρασία και τη μικρότερη υγρασία. Ο αέρας κυκλοφορεί στη σήραγγα αντίθετα προς την πορεία του ξύλου μέσω άνεμιστήρων.
Η τεχνητή ξήρανση εφαρμόζεται συνήθως σε τρεις φάσεις. Στην πρώτη, που είναι
προπαρασκευαστική, το ξύλο προθερμαίνεται με υψηλή σχετική υγρασία (π.χ. 80-95%)
για 4-10 ώρες, ανάλογα με το είδος, για να αποκτήσει ομοιόμορφη θερμοκρασία και
υγρασία σε ολόκληρη τη μάζα του. Στη δεύτερη εφαρμόζεται το πρόγραμμα κύριας ξήρανσης μέχρι την επιθυμητή υγρασία, που διαρκεί αρκετές ημέρες (π.χ. 5-10 ημέρες για
έλατο πάχους 25-50 mm). Τέλος, στην τρίτη φάση γίνεται εξισορρόπηση της υγρασίας,
η οποία στο τέλος της δεύτερης φάσης είναι μεν η επιθυμητή αλλά όχι ομοιόμορφα κατανεμημένη. Η φάση αυτή διαρκεί 10-20 ώρες για μαλακά ξύλα και 15-40 ώρες για
σκληρά (Σιμόπουλος 1985). Ενδεικτικές τιμές χρόνου τεχνητής ξήρανσης δίνουν οι Πίνακες 8.1-8.2.
Σχ. 8.2: Τυπικό ξηραντήριο θαλάμου τεχνητού αερισμού (Σιμόπουλος
1985).
Ξύλο
257
Πίνακας 8.1: Διάρκεια (σε ημέρες) τεχνητής ξήρανσης πριστής ξυλείας πλατυφύλλων, τελική υγρασία 8%.
Είδος
Πάχος 25 mm Πάχος 35 mm Πάχος 50 mm
ΑΒΓ
ΑΒΓ
ΑΒΓ
Λεύκα
457
6 9 11
7 15
Σημύδα
5 9 11
9 16 20
14 25
Οξυά
5 9 12
9 15 20
11 27
Σφενδάμι 5 8 10
8 12 15
10 22
Φράξος
5 8 10
8 13 16
10 23
Καρυδιά 6 14 19
11 23 30
14 40
Δρυς
6 15 23
11 28 36
14 45
Α: ξυλεία ξηρή στον αέρα,
Β: ξυλεία με αρχική υγρασία 30-40%,
Γ: ξυλεία χλωρή (αμέσως μετά την έξοδο από το πριστήριο).
Είδος
Χλωρή ξυλεία
Δρυς
21
Οξυά
14
Κωνοφόρα 3-4
Υγρασία 25-30%
8-10
6-8
1-2
Πίνακας 8.2: Διάρκεια (σε ημέρες) τεχνητής ξήρανσης. Πάχος 25-30 mm, τελική
υγρασία 8-10%.
Βασικό στοιχείο της ξήρανσης του ξύλου είναι ο έλεγχος της υγρασίας, ο οποίος γίνεται πριν από την ξήρανση, κατά τη διάρκεια αυτής (σε καθημερινή βάση) και αμέσως
μετά τη διακοπή της. Η μέτρηση της υγρασίας στο ξύλο μπορεί να γίνει προσεγγιστικά
με ηλεκτρικά όργανα, τα υγρόμετρα, που όμως δεν δίνουν ακριβείς ενδείξεις για υγρασίες πάνω από 30%, ούτε και δείχνουν την κατανομή της υγρασίας. Ακριβέστερα, η υγρασία του ξύλου μετράται βάσει της μεταβολής βάρους τεσσάρων δοκιμίων πάχους 5-10
mm, τα οποία λαμβάνονται από δύο τεμάχια ξύλου (μακριά από τα άκρα του) και ξηραίνονται σε ειδικό κλίβανο (πυριαντήριο).
Για την αποφυγή ελαττωμάτων (π.χ. ραγάδες) η ξυλεία δεν απομακρύνεται από το
ξηραντήριο αμέσως όταν τελειώσει η λειτουργία του, αλλά μόνον όταν η θερμοκρασία
του θαλάμου απέχει το πολύ 20 °C από τη θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος.
Για τον ίδιο λόγο καθυστερεί και η κατεργασία του ξύλου, έως ότου η θερμοκρασία εξισωθεί με αυτήν του περιβάλλοντος.
Σχ. 8.3: Ρωγμές ξύλου λόγω ξήρανσης.
Σφάλματα ξήρανσης. Κατά τη διάρκεια της ξήρανσης του ξύλου εμφανίζονται
διάφορα σφάλματα που μπορούν να περιοριστούν ή να αποφευχθούν με τη λήψη κατάλληλων μέτρων. Αυτά είναι οι ραγάδες (σκασίματα, δηλ. ρωγμές), η στρέβλωση
(σκέβρωμα), η κυψελίδωση (εσωτερικές μικρορωγμές), η κατάρρευση (αστοχία, δηλ.
258
θραύση), οι προσβολές από μύκητες και έντομα, οι χημικοί μεταχρωματισμοί κ.τ.λ. Οι
ραγάδες (Σχ. 8.3) οφείλονται στη διαφορετική ταχύτητα εξάτμισης του νερού και στην
ανάπτυξη εσωτερικών τάσεων. Παρόμοια σφάλματα προκαλούν και οι ρόζοι, των οποίων η συρρίκνωση λόγω απώλειας νερού είναι μεγαλύτερη.
Το σκέβρωμα (Σχ. 8.4) προκαλείται από την ανομοιόμορφη συστολή του ξύλου
στην ακτινική και στην εφαπτομενική διεύθυνση του κορμού (η εφαπτομενική συστολή
είναι περίπου διπλάσια από την ακτινική) ή από την εντονότερη ξήρανση μίας πλευράς
σε σχέση με την άλλη.
Σχ. 8.4: Διάφοροι τύποι παραμορφώσεων ξύλου λόγω ξήρανσης.
Σχ. 8.5: Διάφοροι τύποι πριστής ξυλείας.
Ξύλο
8.2.2.3.
259
Πρίση
Συνήθως προηγείται της έκπλυσης και της ξήρανσης, και γίνεται σε εργοστάσια με
μηχανικά πριόνια. Τα στοιχεία ξύλου που προκύπτουν (Σχ. 8.5) κατατάσσονται σε δοκούς (με ορθογωνική διατομή), καδρόνια (περίπου τετράγωνης διατομής), πλάκες (που
διακρίνονται σε "ξεφαρδισμένες" και "αξεφάρδιστες", ανάλογα με το αν οι άκρες τους
κατά την έννοια του μήκους είναι τετραγωνισμένες ή όχι) και σανίδες (ορθογωνικής διατομής με πλάτος πολύ μεγαλύτερο από το πάχος). Πρόσθετος τύπος είναι και αυτός
των λεπτών φύλλων, που χρησιμοποιούνται κυρίως στην επιπλοποιία ("καπλαμάδες").
Ενδεικτικοί τρόποι πρίσης κορμών για δοκούς, καδρόνια, πλάκες και σανίδες δίνονται
στο Σχ. 8.6 (Λεγάκις 1991).
8.2.3.
Αποθήκευση
Σχ. 8.6: Τυπικοί τρόποι τεμαχισμού κορμού για (α) δοκούς, (β) καδρόνια, (γ) πλάκες και σανίδες.
Η σημασία της αποθήκευσης του ξύλου στην ποιότητά του είναι τεράστια. Οι αποθήκες δρέπει να είναι προφυλαγμένες από τις εξωτερικές επιδράσεις, ιδιαίτερα από την
υγρασία, και να αερίζονται όσο το δυνατόν καλύτερα. Τα ξύλα δεν πρέπει να τοποθετούνται σε άμεση επαφή με το έδαφος, ώστε να αποφευχθεί τυχόν προσβολή τους από
μύκητες και έντομα. Τα μαλακά ξύλα, όπως το έλατο και το Σουηδικό, τοποθετούνται
συνήθως όρθια με μικρή κλίση ως προς την κατακόρυφο, με έδραση σε ξύλινους
260
"τάκους". Τα σκληρά ξύλα αλλά και τα διάφορα ξύλινα προϊόντα δόμησης (π.χ. αντικολλητή ξυλεία, μοριοσανίδες κ.τ.λ.) τοποθετούνται σε οριζόντιες στρώσεις πάνω σε ξύλινες εσχάρες. Γενικά χλωρά ή βρεγμένα ξύλα δεν πρέπει να αποθηκεύονται, αλλά να τοποθετούνται σε ανοικτό και στεγασμένο χώρο μέχρι να στεγνώσουν. Χαρακτηριστική ένδειξη ότι τα ξύλα μίας αποθήκης βρίσκονται σε καλή κατάσταση είναι η ευχάριστη οσμή
που αναδύεται.
8.3. Δομή, Σύσταση και Ελαττώματα
Στην ενότητα αυτή περιγράφονται συνοπτικά η μακροσκοπική και μικροσκοπική
δομή του ξύλου, η χημική του σύσταση και τα ελαττώματά του.
8.3.1.
8.3.1.1.
Δομή και Σύσταση
Μακροσκοπική Δομή
Η εγκάρσια τομή ενός κορμού κάθετα στον άξονά του αποκαλύπτει διάφορα χαρακτηριστικά μέρη (Σχ. 8.7). Ο μικρός πυρήνας στο κέντρο της διατομής ονομάζεται εντεριώνη ("ψύχα") και από τεχνική άποψη αποτελεί μειονέκτημα του ξύλου μειώνοντας την
αντοχή. Γύρω από αυτή βρίσκεται το καρδιόξυλο ("καρδιά"), χρώματος σκοτεινού. Αυτό
περιβάλλεται από το σομφό, που έχει ανοικτότερο χρώμα, και ακολούθως υπάρχει μία
λεπτότατη στρώση, το κάμβιο, που είναι ο κύριος φορέας των θρεπτικών χυμών. Το
κάμβιο περιβάλλεται από το φλοιό, που χωρίζεται στον εσωτερικό ή ζωντανό φλοιό και
στον εξωτερικό ή ξηρό.
Σχ. 8.7: Ενδεικτική τομή κορμού.
Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του ξύλου αποτελούν οι ετήσιοι ή αυξητικοί δακτύλιοι,
που είναι λεπτές ομόκεντρες στρώσεις γύρω από την εντεριώνη, στο καρδιόξυλο και
στο σομφό. Κατά κανόνα, κάθε αυξητικός δακτύλιος σχηματίζεται κατά τη διάρκεια ενός
χρόνου. Τα κύτταρα του ξύλου γεννώνται και αναπτύσσονται την άνοιξη, το καλοκαίρι
και το φθινόπωρο. Το ξύλο που παράγεται την άνοιξη ονομάζεται ανοιξιάτικο ή πρώιμο,
και αυτό που παράγεται αργότερα ονομάζεται θερινό ή όψιμο. Το πρώιμο ξύλο έχει συνήθως μικρότερη πυκνότητα και είναι ανοικτόχρωμο, ενώ το όψιμο έχει μεγαλύτερη πυκνότητα, είναι σκληρότερο και έχει χρώμα σκούρο. Με την πάροδο του χρόνου τα κύτταρα παλαιών αυξητικών δακτυλίων σταδιακά νεκρώνονται, οπότε το αντίστοιχο ξύλο
(καρδιόξυλο) σκληρύνεται και περιέχει λιγότερη υγρασία, γι' αυτό και είναι καλύτερης
ποιότητας από το ξύλο του σομφού.
Ένα άλλο χαρακτηριστικό του ξύλου είναι οι εντεριώνιες ακτίνες, που συνήθως
έχουν πάχος ενός κυττάρου και ύψος αρκετών κυττάρων (μέχρι 70-100 mm), και κατευθύνονται ακτινικά από τον φλοιό μέχρι την εντεριώνη (οι πρωτογενείς) ή μέχρι τους αυ-
Ξύλο
261
ξητικούς δακτυλίους μακριά από αυτήν (οι δευτερογενείς). Χαρακτηριστικό του ξύλου
στις εντεριώνιες ακτίνες είναι η μεγαλύτερη σκληρότητα.
Όπως συνάγεται από τα παραπάνω, το ξύλο είναι υλικό του οποίου η δομή είναι
διαφορετική σε τρεις βασικές διευθύνσεις (ή στα αντίστοιχα κάθετα επίπεδα), Σχ. 8.8. Οι
διευθύνσεις αυτές είναι η αξονική (παράλληλα στον άξονα του κορμού), η ακτινική και η
εφαπτομενική, και οι αντίστοιχες τομές (επίπεδα) είναι η εγκάρσια, η ακτινική και η εφαπτομενική. Η δομή του ξύλου στις τομές αυτές δείχνεται στο Σχ. 8.9 (Foulger 1969).
Σχ. 8.8: Οι κύριες διευθύνσεις του ξύλου.
Σχ. 8.9: Σχηματική δομή ξύλου: (1) εγκάρσια τομή, (2) ακτινική τομή,
(3) εφαπτομενική τομή, (4) αυξητικός δακτύλιος, (5) πρώιμο ξύλο, (6)
όψιμο ξύλο, (7) εντεριώνια ακτίνα, (8) αγγείο, (9) διάτρηση.
8.3.1.2.
Μικροσκοπική Δομή
Ως οργανικό υλικό, το ξύλο αποτελείται από κύτταρα, τα βασικότερα από τα οποία
είναι σωληνωτής μορφής (κυψέλες) με προσανατολισμό παράλληλα στην αξονική διεύθυνση (Σχ. 8.10). Στα κωνοφόρα τα κύτταρα αυτά ονομάζονται τραχείδες, και αποτελούν το 90% περίπου του όγκου του ξύλου. Οι τραχεΐδες υπάρχουν σε πολύ μικρότερο
ποσοστό και σε ορισμένα πλατύφυλλα. Τα σωληνωτά κύτταρα των πλατυφύλλων ονομάζονται μέλη αγγείων, γιατί ενώνοντας τα άκρα τους σχηματίζουν αγωγούς χυμών, τα
262
αγγεία, που καταλαμβάνουν το 20-50% του όγκου του ξύλου. Οι ίνες είναι η τρίτη κατηγορία κυττάρων του ξύλου και υπάρχουν μόνο στα πλατύφυλλα. Είναι στενόμακρες, με
μήκος που φθάνει τα 2.5 mm, και καταλαμβάνουν το 40-60% περίπου του όγκου του
ξύλου. Τα παρεγχυματικά κύτταρα είναι η τέταρτη κατηγορία κυττάρων. Βρίσκονται
γύρω από τα αγγεία και έχουν ως προορισμό την άνοδο του νερού και την αποθήκευση
των τροφών. Τέλος υπάρχουν και οι μεσοκυττάριοι ή ρητινοφόροι αγωγοί, που υπάρχουν μόνο στα κωνοφόρα, και δημιουργούν αξονικό και ακτινικό δίκτυο μέσα στο οποίο
κυκλοφορεί η ρητίνη.
Σχ. 8.10: Προσομοίωμα της δομής του ξύλου (Ashby and Jones 1988).
Η δομή του τοιχώματος των σωληνωτών κυττάρων του ξύλου, που είναι και τα σημαντικότερα από άποψη ιδιοτήτων του υλικού, είναι εντυπωσιακά περίπλοκη και δίνεται
παραστατικά στο Σχ. 8.11 (Ashby and Jones 1988).
Σχ. 8.11: Σχηματική δομή τοιχώματος κυττάρων ξύλου (Ashby and Jones
1988).
8.3.1.3.
Σύσταση
Τα τοιχώματα των κυττάρων του ξύλου αποτελούνται ουσιαστικά από "ίνες" κυτταρίνης σε ποσοστό περίπου 50% κ.β., που περιβάλλονται από άλλα συστατικά, το σημαντικότερο από τα οποία είναι η λιγνίνη. Η κυτταρίνη είναι κρυσταλλικής δομής και αποτελείται από μακρομόρια C6H10O5. Τα μόρια αυτά σχηματίζουν μακριές αλυσίδες κατά μήκος του άξονα των κυττάρων, γεγονός στο οποίο οφείλεται η καλή μηχανική συμπεριφορά του ξύλου στην αξονική διεύθυνση. Η κυτταρίνη είναι επίσης υπεύθυνη για την
ιδιότητα (όπως θα αναφερθεί και παρακάτω) του ξύλου να προσλαμβάνει υγρασία.
Εκτός από την κυτταρίνη, τα τοιχώματα των κυττάρων αποτελούνται, όπως προα-
Ξύλο
263
ναφέρθηκε, από λιγνίνη (άμορφο πολυμερές σε ποσοστό περίπου 25% κ.β. που δίνει
σταθερότητα διαστάσεων), ημικυτταρίνη (ημικρυσταλλικοί πολυσακχαρίτες γύρω στο
15% κ.β.) και άλλα συστατικά, όπως το νερό (μέχρι περίπου 10% κ.β.) και μερικά εκχυλίσματα (π.χ. ρητίνες).
Τέλος, από άποψη στοιχείων, η μάζα του ξύλου αποτελείται από περίπου 49-50%
άνθρακα, 6% υδρογόνο, 44-45% οξυγόνο και 0.1-1% άζωτο.
8.3.2.
Ελαττώματα του Ξύλου
Το κατά πόσο ένα είδος ξύλου είναι κατάλληλο ή όχι να χρησιμοποιηθεί στις κατασκευές εξαρτάται από τις ιδιότητές του, που εξετάζονται λεπτομερώς στην επόμενη
ενότητα, και από τα ελαττώματα που σχετίζονται με τη δομή του και με τη χημική του
σύσταση, και περιγράφονται παρακάτω.
Ο κορμός ενός δένδρου πρέπει να είναι κανονικά κατακόρυφος, περίπου κυλινδρόμορφος και με κυκλική διατομή. Μερικές φορές όμως, διάφορες περιβαλλοντικές
επιδράσεις (π.χ. άνεμος, χιόνι, φως, ζώα, μύκητες, έντομα κ.τ.λ.) έχουν ως αποτέλεσμα
την απόκλιση των κορμών από την κανονική τους μορφή. Μία τέτοια απόκλιση είναι η
κωνικομορφία, δηλαδή η τάση των κορμών να έχουν έντονα κωνικό σχήμα. Άλλο ελάττωμα είναι η διόγκωση της βάσης του κορμού, που συχνά ευνοείται στα υγρά εδάφη και
μπορεί να αποτελέσει ένδειξη σήψης. Η απόκλιση της διατομής από το κυκλικό σχήμα
(π.χ. έλλειψη) οφείλεται κυρίως στη δράση του ανέμου. Αξίζει να παρατηρήσουμε ότι το
δένδρο, ως ζωντανός οργανισμός, αναπτύσσεται κατά τρόπο "βέλτιστο", δηλαδή έτσι
ώστε το σχήμα του να είναι το καλύτερο δυνατό (π.χ. για την ανάληψη εξωτερικών φορτίων όπως ο άνεμος).
Άλλο ελάττωμα αποτελούν τα στρεψόί'νια ("στριμμένα νερά"), η μορφή δηλαδή
εκείνη που εμφανίζεται όταν η ανάπτυξη του κορμού γίνεται ελικοειδώς (δίνοντας την
εντύπωση σχοινιού), φαινόμενο που αποδίδεται στη δράση του ανέμου και στην κίνηση
του ηλίου. Έτσι, οι ίνες του ξύλου αποκλίνουν σημαντικά από την αξονική διεύθυνση
επηρεάζοντας δυσμενώς τις μηχανικές και άλλες ιδιότητες. Τα στρεψοΐνια είναι μία από
τις κύριες αιτίες στρέβλωσης ("πετσικάρισμα") που πιθανόν να εμφανιστεί μετά την ξήρανση. Σχετικό ελάττωμα είναι και τα στριφνά νερά, όταν οι ίνες του ξύλου έχουν διάφορες διευθύνσεις χωρίς καμία τάξη. Τα λοξοΐνια, η απόκλιση δηλαδή των ινών από τον
άξονα του ξύλινου στοιχείου (ενώ όμως είναι παράλληλες μεταξύ τους) οφείλονται σε
εσφαλμένη κοπή.
Η έκκεντρη καρδιά είναι ένα άλλο σφάλμα που παρατηρείται κυρίως στα δένδρα
που αναπτύσσονται σε πλαγιές, και έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό αυξητικών δακτυλίων που είναι πλατύτεροι προς τη μία πλευρά και στενότεροι προς την άλλη. Αυτό
επιφέρει αυξημένη φθορά κατά την κατεργασία και αύξηση της πιθανότητας στρέβλωσης. Ένα άλλο αποτέλεσμα της δυσμενούς δράσης του ανέμου είναι μερικές φορές η
δημιουργία βαρυφορτωμένου ξύλου, που μπορεί να είναι θλιψιγενές ή εφελκυσμογενές.
Το πρώτο σχηματίζεται στα κωνοφόρα και είναι ξύλο που προστίθεται εντονότερα στην
απέναντι πλευρά του ανέμου, ενώ το δεύτερο σχηματίζεται στα πλατύφυλλα, προς την
πλευρά του ανέμου. Το θλιψιγενές ξύλο περιέχει περισσότερη λιγνίνη και λιγότερη κυτταρίνη, έχει χρώμα σκοτεινότερο από το κανονικό και πυκνότητα αυξημένη κατά 40%
περίπου (Σιμόπουλος 1985). Το δεύτερο περιέχει περισσότερη κυτταρίνη, είναι ανοικτόχρωμο και έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από το κανονικό. Χαρακτηριστικό της μηχανικής συμπεριφοράς του βαρυφορτωμένου ξύλου είναι η ψαθυρότητα.
Οι ραγάδες (ρωγμές, σκασίματα) του ξύλου δημιουργούνται μερικές φορές όχι
μόνο λόγω ξήρανσης, οπότε είναι συνήθως εξωτερικές, αλλά ακόμα και στα όρθια δέν-
264
δρα, οπότε είναι συνήθως εσωτερικές. Σε αυτά μπορεί να σχηματιστούν ρωγμές καρδιάς, στο εσωτερικό του κορμού λόγω μείωσης της υγρασίας του εγκαρδίου, ρωγμές δακτυλιοειδείς, στα όρια των αυξητικών δακτυλίων, λόγω ελάττωσης της συνάφειας στα
όρια πολύ στενών και πολύ πλατιών δακτυλίων, και ρωγμές παγετού (παγοραγάδες),
κατά τη διεύθυνση των εντεριώνιων ακτίνων, με διεύθυνση από έξω προς τα μέσα,
λόγω ψύξης και διαστολής των χυμών. Ξύλα με έντονη ρηγμάτωση είναι ακατάλληλα για
τη δόμηση, ενώ ξύλα με λεπτές και αβαθείς ρωγμές είναι συνήθως αποδεκτά.
Σε μία άλλη κατηγορία ελαττωμάτων ανήκουν οι λούποι, που είναι λεία εξογκώματα του κορμού, και οι φύτρες, που είναι παρόμοια εξογκώματα αλλά με ανώμαλη επιφάνεια. Ξύλα με τέτοια ελαττώματα είναι ακατάλληλα για τη δόμηση. Οι ρητινοθύλακες
είναι ανεπιθύμητες σχισμές στα όρια των αυξητικών δακτυλίων του σομφού ξύλου γεμάτες ρητίνη.
Ένα από τα σημαντικότερα ελαττώματα του ξύλου αποτελούν οι ρόζοι (Σχ. 8.12),
που σχηματίζονται στις περιοχές που έχουν αποκοπεί κλαδιά και έχουν διάμετρο από 550 mm. Οι ρόζοι που είναι καλά ενωμένοι με το υπόλοιπο ξύλο, και γι' αυτό είναι και οι
λιγότερο δυσμενείς, λέγονται συμφυείς ή ζωντανοί, και αυτοί που οφείλονται σε νεκρά
κλαδιά και δεν είναι ενωμένοι με το ξύλο του κορμού λέγονται αποπίπτοντες ή νεκροί. Οι
ρόζοι των κωνοφόρων είναι συνήθως μαύροι, λόγω της ρητίνης που εκκρίνεται στη
θέση κοπής των κλαδιών. Οι ρόζοι στο ξύλο είναι γενικά ανεπιθύμητοι και αποτελούν
σημεία αδυναμίας επειδή διακόπτουν τη συνέχεια των ινών, δυσκολεύουν την κατεργασία, προκαλούν τοπικές ρωγμές λόγω διαφοράς πυκνότητας (άρα και ιδιοτήτων) μεταξύ
του ξύλου του ρόζου και του κορμού, και είναι συχνά υπεύθυνοι για το σχηματισμό κηλίδων λόγω λεκιάσματος των ελαιοβαφών από τη ρητίνη (Jackson and Dhir 1988).
Σχ. 8.12: Οι ρόζοι του ξύλου.
Ως ελαττώματα του ξύλου μπορούν τέλος να αναφερθούν και ορισμένες χημικές
αλλοιώσεις όπως οι κηλίδες ανόργανων συστατικών, ο διπλός σομφός (ξύλο που
μοιάζει στο χρώμα με τον κανονικό σομφό αλλά βρίσκεται στο εγκάρδιο), το ερυθρό
εγκάρδιο (χρωματική ανωμαλία) κ.τ.λ. Οι χρωματικές ανωμαλίες αυτές δεν θα πρέπει να
συγχέονται με τις παρασιτικές, αυτές δηλαδή λόγω μυκήτων, βακτηρίων κ.τ.λ., οι οποίες
περιγράφονται σε άλλη ενότητα.
8.4. Βασικές Ιδιότητες
8.4.1.
Φυσικές Ιδιότητες
Το ξύλο είναι υλικό με μεγάλο πορώδες, που ανάλογα με το είδος κυμαίνεται από
20- 90%. Η πυκνότητά του εξαρτάται σημαντικά από την περιεχόμενη υγρασία, η οποία
βρίσκεται αφενός στους πόρους, αφετέρου απορροφημένη από τα κυτταρικά τοιχώματα
(ίνες), γι' αυτό και το ξύλο αναφέρεται ως υγροσκοπικό υλικό. Η υγρασία Υ (%) του ξύλου υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση:
Ξύλο
265
Y =100
W −W ξ
Wξ
όπου W είναι το βάρος του (υγρού) ξύλου και Wξ είναι το βάρος του ξύλου μετά
από ξήρανση (σε 100-105 °C). Ανάλογα με την υγρασία τους, τα ξύλα διακρίνονται σε
υγρά ή χλωρά (Υ > 26%), εμπορικά ξηρά (18% < Υ < 25%), ξηρά στον αέρα (15% < Υ <
27%) και τεχνητά ξηρά (Y < 15%).
Ενδεικτικές τιμές πυκνότητας ξύλου (σε kg/m3) δίνονται ακολούθως (Σιμόπουλος
1985). Χλωρά: δρυς 1080, έλατο 910, καρυδιά 920, καστανιά 990, λάρτσινο 950, οξυά
930, Σουηδικό πεύκο 880, πιτς-πάιν (pitch pine) 900. Με υγρασία 15%: δρυς 900, έλατο 550, λάρτσινο 650, οξυά 750, Σουηδικό πεύκο 550, πιτς-πάιν 750. Ξηρά: δρυς 810,
έλατο 470, καρυδιά 710, λάρτσινο 580, οξυά 730, Σουηδικό πεύκο 520, πιτς-πάιν 650.
Ο Ευρωκώδικας 5 (1995) για τις ξύλινες κατασκευές ορίζει την χαρακτηριστική πυκνότητα του ξύλου, ρk, ως αυτή που μετράται σε θερμοκρασία 20 °C και σχετική υγρασία περιβάλλοντος 65%, με πιθανότητα υπέρβασης 5%. Η πυκνότητα αυτή υπολογίζεται βάσει της σχέσης:
ρk = ρmean−1.65 s k s k v
όπου ρmean και s είναι η μέση τιμή και η τυπική απόκλιση των τιμών πυκνότητας,
αντίστοιχα, το ks είναι συντελεστής που εξαρτάται από τον αριθμό δοκιμίων (Σχ. 8.13)
και το kv είναι ίσο με 1.0 ή 1.12, ανάλογα με το αν η εκτίμηση της αντοχής του ξύλου γίνεται οπτικά ή μηχανικά.
Σχ. 8.13: Επίδραση του αριθμού και του μεγέθους των δειγμάτων στον συντελεστή ks.
Όταν το ξύλο ξηραίνεται, αρχικά αφαιρείται η υγρασία των πόρων και κατόπιν αυτή
των τοιχωμάτων. Το ποσοστό υγρασίας που αντιστοιχεί στον κορεσμό των τοιχωμάτων
ονομάζεται σημείο κορεσμού ίνας ή σημείο ινοκόρου, και για τα περισσότερα ξύλα είναι
γύρω στο 28%. Η υγρασία του ξύλου σε δεδομένες συνθήκες θερμοκρασίας (π.χ. 20
°C) και σχετικής υγρασίας περιβάλλοντος (π.χ. 65%) ονομάζεται υγρασία ισορροπίας,
ενδεικτικές τιμές για την οποία δίνει ο Πίνακας 8.3 (Σιμόπουλος 1985). Η υγρασία ισορροπίας του ξύλου εξαρτάται από το αν το υλικό χάνει ή απορροφά υγρασία, και είναι
ελαφρώς μεγαλύτερη στην πρώτη από ότι στη δεύτερη περίπτωση. Το φαινόμενο αυτό
266
ονομάζεται υστέρηση (Stamm 1964).
Η μεταβολή της υγρασίας κάτω από το σημείο ινοκόρου στο ξύλο έχει ως αποτέλεσμα τη (σχεδόν) γραμμική μεταβολή των διαστάσεων. Ξήρανση ή ύγρανση επιφέρουν
μείωση ή αύξηση, αντίστοιχα, των διαστάσεων, που είναι σχεδόν διπλάσια στην εφαπτομενική διεύθυνση από ότι στην ακτινική (4-15% έναντι 2.5-10%), ενώ είναι ουσιαστικά αμελητέα στην αξονική (Σχ. 8.14). Η μεταβολή αυτή για 1% μεταβολή υγρασίας ονομάζεται συντελεστής υγρομετρικής μεταβολής, β. Πρέπει να τονιστεί ότι η μεταβολές
όγκου στο ξύλο είναι πρακτικά μηδενικές για υγρασία πάνω από το σημείο ινοκόρου. Ας
σημειωθεί επίσης ότι οι τάσεις που αναπτύσσονται κατά τις συστολοδιαστολές του ξύλου λόγω υγρασίας είναι πολύ μεγάλες. Αυτό ήταν μάλιστα γνωστό και κατά την αρχαιότητα, όπου η έμπηξη και συστηματική διαβροχή ξύλινων σφηνών από ξηρό ξύλο
στις ρωγμές των πετρωμάτων λατομείων αποτελούσε τεχνική θραύσης πετρωμάτων.
Σχετική
υγρασία
(%)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Θερμοκρασία (°C)
10 15 20 30 40 50 60 70 80
22 22 22 21 20 19 18 17 15.5
17 17 16.5 16 15 14.5 13.5 12.5 12
14 13.5 13 13 12 11.5 11 10 9
11.5 11 11 10.5 10 9.5 9 8 7.5
9.5 9.5 9.5 9 8.5 8 7.5 7 6
8 8 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5
6 6 6 6 5.5 5 5 4.5 4
4.5 4.5 4.5 4 4 3.5 3 3 2.5
2.5 2.5 2.5 2.5 2 2 2 1.5 1.5
Πίνακας 8.3: Υγρασία ισορροπίας του ξύλου.
Σχ. 8.14: Μεταβολή διαστάσεων ξύλου λόγω μεταβολής υγρασίας.
Για δεδομένες συνθήκες περιβάλλοντος, η υγρασία του ξύλου εξαρτάται από το είδος του, τις διαστάσεις του δομικού στοιχείου, το είδος της τομής και την κατάσταση της
επιφάνειας (π.χ. επιχρισμένες επιφάνειες επιβραδύνουν τις μεταβολές υγρασίας).
Μία από τις σημαντικές ιδιότητες του ξύλου είναι και ο συντελεστής θερμικής διαστολής. Στην αξονική διεύθυνση είναι γύρω στο 3-4.5·10-6/°C, δηλαδή αρκετά μικρότερος από του σκυροδέματος ή του χάλυβα. Στις άλλες διευθύνσεις είναι αρκετά μεγαλύ-
Ξύλο
267
τερος και σχεδόν ανάλογος με το ειδικό βάρος του ξηρού ξύλου (σε συνθήκες τεχνητής
ξήρανσης σε 105 °C). Ο συντελεστής αναλογίας είναι γύρω στο 45-65x10-6/°C για την
ακτινική διεύθυνση και γύρω στο 3-4.5·10-6/°C για την εφαπτομενική διεύθυνση (FPL
1974). Έτσι προκύπτει συντελεστής θερμικής διαστολής που στην ακτινική ή εγκάρσια
διεύθυνση είναι 7-10 φορές μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο στην αξονική.
Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του ξύλου είναι αρκετά μικρός και εξαρτάται από τη διεύθυνση των ινών, την πυκνότητα και την υγρασία. Στην αξονική διεύθυνση κυμαίνεται μεταξύ 0.2-0.4 W/mK, ενώ κάθετα σε αυτήν είναι γύρω στο 0.1-0.2
W/mK (οι τιμές αυξάνονται σχεδόν γραμμικά με την πυκνότητα).
8.4.2.
8.4.2.1.
Μηχανικές Ιδιότητες
Βραχυχρόνια Μονοαξονική Φόρτιση
Σχ. 8.15: Προσομοίωμα φόρτισης ξύλου σε θλίψη (α) αξονικά, (β) εφαπτομενικά και (γ) ακτινικά.
Σχ. 8.16: Τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης ξύλου σε θλίψη.
Η μηχανική συμπεριφορά του ξύλου σε μονοαξονική θλίψη ή εφελκυσμό εξαρτάται
σημαντικά από την πυκνότητά του και από τη διεύθυνση της φόρτισης σε σχέση με τη
διεύθυνση των ινών (δηλαδή των σωληνωτών κυττάρων). Αυτό οφείλεται βασικά στο ότι
το ξύλο είναι κυψελωτό υλικό, στο οποίο τα εξωτερικά φορτία προκαλούν αξονικές (επικρατούν σε αξονικά φορτιζόμενο ξύλο) και καμπτικές (επικρατούν σε ξύλο φορτιζόμενο
268
κάθετα στην αξονική διεύθυνση) παραμορφώσεις. Σχετικό είναι το Σχ. 8.15, στο οποίο
δίνεται ένα απλό προσομοίωμα της δομής του ξύλου. Από αυτό φαίνεται ότι για φόρτιση
στην αξονική διεύθυνση τα τοιχώματα φορτίζονται και παραμορφώνονται αξονικά (Σχ.
8.15.α), ενώ για φόρτιση στην εφαπτομενική (Σχ. 8.15.β) ή ακτινική (Σχ. 8.15.γ) διεύθυνση τα τοιχώματα κάμπτονται.
Τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για ξύλο σε μονοαξονική θλίψη δίνονται
στο Σχ. 8.16. Η απόκριση είναι αρχικά γραμμικά ελαστική, με μέτρο ελαστικότητας που
για συνηθισμένα ξύλα δόμησης σε αξονική φόρτιση είναι μεταξύ 9-14 GPa. Κατόπιν
ακολουθεί μία περιοχή αντίστοιχη της διαρροής των μετάλλων, στην οποία αναπτύσσονται μεγάλες παραμορφώσεις με μικρή μεταβολή της τάσης, φαινόμενο που εδώ όμως
οφείλεται στη σταδιακή αστοχία (λόγω μικρο-λυγισμού και/ή πλαστικής κατάρρευσης)
των σωληνωτών κυττάρων. Τέλος, για πάρα πολύ μεγάλες παραμορφώσεις παρατηρείται μία απότομη αύξηση της τάσης, που προκαλείται όταν τα τοιχώματα έρχονται σε
επαφή μεταξύ τους και συμπιέζονται σαν να ήταν το ξύλο υλικό χωρίς πορώδες (Gibson
and Ashby 1988).
Με βάση τα προσομοιώματα του Σχ. 8.15 μπορεί κανείς να δείξει ότι το μέτρο ελαστικότητας και η θλιπτική αντοχή του ξύλου δίνονται από τις παρακάτω προσεγγιστικές
σχέσεις (Gibson and Ashby 1988):
E αξ =E τ
ρ
ρτ
E ακτ =0.8 E τ
ρ
ρτ
f c , αξ = f yτ
3
 
 
E εφ =0.54 E τ
ρ
ρτ
3
ρ
ρτ
f c , εφ=0.14 f yτ
f c , ακτ =0.20 f
2
 
 
yτ
ρ
ρτ
ρ
ρτ
2
όπου Ε = μέτρο ελαστικότητας, fc = θλιπτική αντοχή, Ετ = μέτρο ελαστικότητας τοιχωμάτων (δηλ. του στερεού ιστού της δομής του ξύλου), περίπου ίσο με 35 GPa, fyτ =
θλιπτική αντοχή τοιχωμάτων, περίπου ίση με 350 MPa, ρ = πυκνότητα του ξύλου και ρτ
= πυκνότητα τοιχωμάτων, περίπου ίση με 1500 kg/m3. Οι δείκτες αξ, εφ και ακτ δηλώνουν
αξονική, εφαπτομενική και ακτινική διεύθυνση, αντίστοιχα. Οι σχέσεις αυτές δείχνουν ότι
τόσο το μέτρο ελαστικότητας όσο και η θλιπτική αντοχή του ξύλου στην αξονική διεύθυνση είναι μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερα απ' ότι στις άλλες διευθύνσεις, στις οποίες
μπορούν να θεωρηθούν και περίπου ίδια (ανεξάρτητα διεύθυνσης). Προσεγγιστικά λοιπόν θα μπορούσε κανείς να θεωρήσει τιμές μέτρου ελαστικότητας και θλιπτικής αντοχής
μόνο στην αξονική διεύθυνση και κάθετα σε αυτήν. Αυτό φαίνεται και από τα πειραματικά αποτελέσματα του Σχ. 8.17. Τυπικές τιμές για το μέτρο ελαστικότητας και τη θλιπτική
αντοχή μερικών Ελληνικών ξύλων στην αξονική διεύθυνση δίνονται στον Πίνακα 8.4 (Σιμόπουλος 1985).
Ξύλο
269
Είδος ξύλου
Έλατο
Πεύκο
Δρυς
Καστανιά
Οξυά
Μέτρο ελαστικότητας (GPa)
9.6
10.0
10.1
8.2
12.6
Θλιπτική αντοχή
(MPa)
33
47
52
44
56
Εφελκυστική αντοχή
από κάμψη (MPa)
66
83
97
79
118
Πίνακας 8.4: Τυπικές μηχανικές ιδιότητες ξύλων.
Σχ. 8.17: (α) Μέτρο ελαστικότητας και (β) θλιπτική αντοχή του ξύλου
συναρτήσει διεύθυνσης φόρτισης και πυκνότητας (Gibson and Ashby
1988).
Σχ. 8.18: Καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης ξύλου σε εφελκυσμό και θλίψη.
Η αντοχή του ξύλου σε εφελκυσμό είναι 10 φορές περίπου μεγαλύτερη στην αξονική διεύθυνση από ότι στις υπόλοιπες. Επίσης είναι περίπου ανάλογη του όρου (ρ/ρ τ)1.5
ανεξαρτήτως διεύθυνσης, και γενικά θα μπορούσε να πει κανείς ότι είναι αρκετά υψηλή,
της ίδιας τάξης μεγέθους με τη θλιπτική αντοχή (και συχνά μεγαλύτερη). Όπως όμως
δείχνει και το Σχ. 8.18, η συμπεριφορά σε εφελκυσμό είναι ψαθυρή.
270
Η μείωση της αντοχής του ξύλου με την απόκλιση της διεύθυνσης φόρτισης από
την αξονική δίνεται στο Σχ. 8.19. Η αντοχή του ξύλου σε διεύθυνση φόρτισης που σχηματίζει γωνία θ με τη διεύθυνση των ινών (αξονική), fθ, μπορεί να εκτιμηθεί βάσει της
προσεγγιστικής σχέσης του Hankinson (1921):
f θ=
f αξ f εγκ
n
f αξ sin θ f εγκ cos n θ
Στην παραπάνω σχέση fαξ και fεγκ είναι η αντοχή του ξύλου αξονικά και εγκάρσια
στις ίνες, αντίστοιχα, και η είναι εμπειρική σταθερά, περίπου ίση με 1.5-2 για εφελκυσμό
και 2-2.5 για θλίψη. Η ίδια εξίσωση μπορεί προσεγγιστικά να χρησιμοποιηθεί και για το
μέτρο ελαστικότητας, με n = 2.
Σχ. 8.19: Μείωση εφελκυστικής και θλιπτικής αντοχής ξύλου συναρτήσει
απόκλισης από τη διεύθυνση των ινών.
Ένα άλλο βασικό χαρακτηριστικό της εφελκυστικής αντοχής του ξύλου είναι η σημαντική εξάρτησή της από το μέγεθος του δοκιμίου βάσει του οποίου μετράται (Σχ.
8.20). Η εξάρτηση αυτή οφείλεται στο ότι η πιθανότητα ύπαρξης καθοριστικών για την
αντοχή ατελειών στη δομή του ξύλου αυξάνεται με την αύξηση του όγκου του υλικού, και
εκφράζεται από την προσεγγιστική εξίσωση του Weibull (1939):
f t ,2 = f t ,1

m
V1
V2
Στην παραπάνω εξίσωση ft,i, είναι η εφελκυστική αντοχή που αντιστοιχεί σε δοκίμιο
με όγκο Vi (i = 1, 2) και m είναι εμπειρική σταθερά.
Τέλος επισημαίνεται ότι η αντοχή του ξύλου χαρακτηρίζεται γενικά από ιδιαίτερα
μεγάλη διασπορά τιμών, που οφείλεται κυρίως στην ανομοιομορφία της δομής του υλικού (π.χ. ύπαρξη ρόζων, μεγάλων πόρων κ.τ.λ.). Ο συντελεστής μεταβλητότητας της
αντοχής είναι συχνά της τάξης του 10-30% (Hoyle 1978).
Ο Ευρωκώδικας 5 (1995) για τις ξύλινες κατασκευές υιοθετεί τη χαρακτηριστική
Ξύλο
271
αντοχή, αυτήν δηλαδή με πιθανότητα υπέρβασης 95%, η οποία μετράται σε θερμοκρασία 20 °C και σχετική υγρασία 65%, βάσει δοκιμών που διαρκούν 300 λεπτά. Η επίδραση των περιβαλλοντικών παραγόντων, όπως η υγρασία και η θερμοκρασία, στην αντοχή του ξύλου αναλύεται σε παρακάτω ενότητα.
Σχ. 8.20: Μείωση εφελκυστικής αντοχής (εγκάρσια στις ίνες) ξύλου συναρτήσει όγκου δοκιμίου.
8.4.2.2.
Κάμψη, Διάτμηση
Για την αντοχή του ξύλου σε κάμψη (μέτρο θραύσης ή αντοχή σε εφελκυσμό από
κάμψη) ισχύουν βασικά όσα προαναφέραμε για την (άμεση) εφελκυστική αντοχή, με τη
διαφορά ότι οι μετρούμενες τιμές είναι κάπως μεγαλύτερες στην περίπτωση εφελκυσμού από κάμψη. Στο πείραμα της κάμψης βασίζεται συνήθως και η μέτρηση του
μέτρου ελαστικότητας του ξύλου. Τυπικές τιμές της αντοχής του ξύλου σε εφελκυσμό
από κάμψη δίνονται στον Πίνακα 8.4 (Σιμόπουλος 1985).
Σχ. 8.21: Φόρτιση ξύλου σε διάτμηση: (α) αξονική διάτμηση, (β) εγκάρσια διάτμηση, (γ) διάτμηση κύλισης.
Σε διάτμηση το ξύλο έχει αντοχή που εξαρτάται από τη σχέση που έχει η διεύθυνση της φόρτισης με τον προσανατολισμό των ινών (Σχ. 8.21). Η αντοχή σε αξονική
διάτμηση (Σχ. 8.21.α), ταξ, είναι αυτή που ενδιαφέρει περισσότερο, γιατί αυτή η περίπτωση φόρτισης είναι πολύ συνηθισμένη σε ξύλινα δομικά στοιχεία (π.χ. δοκοί), αλλά και
γιατί η ταξ είναι πολύ μικρότερη από την αντοχή σε εγκάρσια διάτμηση (Σχ. 8.21.β). Προσεγγιστικά μπορεί να εκτιμηθεί από τη σχέση (Gibson and Ashby 1988):
τ αξ =0.085 f yτ
ρ
ρτ
Οι περιπτώσεις διατμητικής φόρτισης που να επιφέρουν τη λεγόμενη διάτμηση
"κύλισης" (Σχ. 8.21.γ) είναι, ευτυχώς, πολύ σπάνιες και η αντίστοιχη αντοχή είναι περίπου 10- 20% αυτής σε αξονική διάτμηση (Gurfinkel 1981). Τυπικές μορφές διατρητικής
αστοχίας ξύλου δίνει το Σχ. 8.22.
272
Σχ. 8.22: Διατμητική αστοχία ξύλου (α) κάθετα και (β) παράλληλα στις
ίνες.
8.4.2.3.
Ερπυσμός
Το φαινόμενο του ερπυσμού στο ξύλο είναι σχετικά έντονο και, όπως σε όλα σχεδόν τα πολυμερικά υλικά, οφείλεται στην επιμήκυνση των μακρομορίων και στην αστοχία και το μερικό ανασχηματισμό δευτερευόντων δεσμών της δομής του υλικού. Η μακροχρόνια φόρτιση υπό σταθερή τάση ενδέχεται να προκαλέσει αστοχία όταν η τάση ξεπερνά ορισμένα όρια, της τάξης του 50-65% της αντοχής του υλικού σε βραχυχρόνια
φόρτιση. Για τάσεις που ξεπερνούν την τιμή αυτή, ο χρόνος μέχρι την αστοχία του υλικού εξαρτάται από το πόσο κοντά είναι η τάση στην βραχυχρόνια αντοχή (Σχ. 8.23).
Σχ. 8.23: Μεταβολή της αντοχής του ξύλου με τη διάρκεια της φόρτισης.
Η επίδραση της τιμής της σταθερής τάσης στην ερπυστική συμπεριφορά του ξύλου δίνεται στο Σχ. 8.24, όπου διακρίνονται και τα τρία στάδια ερπυσμού (αρχικός, τελικός, σταθερός, κατ' αναλογία με άλλα υλικά όπως το σκυρόδεμα ή ακόμα και ο χάλυβας
σε υψηλές θερμοκρασίες).
Σημαντική επίδραση στον ερπυσμό του ξύλου έχει και η διεύθυνση φόρτισης σε
σχέση με τη διεύθυνση των ινών. Ο ερπυσμός είναι μικρότερος στην αξονική διεύθυνση
και αυξάνεται με τη γωνία φόρτισης-ινών, λαμβάνοντας τη μεγαλύτερη τιμή για φόρτιση
εγκάρσια στις ίνες (Σχ. 8.25).
Η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων όπως η υγρασία και η θερμοκρασία είναι δυσμενής για τον ερπυσμό του ξύλου προκαλώντας αύξηση των παραμορφώσεων
και μείωση του χρόνου μέχρι την αστοχία. Περισσότερα για τους παράγοντες αυτούς δί-
Ξύλο
273
νονται σε παρακάτω ενότητα.
Σχ. 8.24: Παραμόρφωση του ξύλου υπό σταθερή τάση με το χρόνο, για 2
διαφορετικές τάσεις.
Σχ. 8.25: Ερπυσμός ξύλου συναρτήσει διεύθυνσης φόρτισης.
8.4.2.4.
Επαναλαμβανόμενη Φόρτιση
Η συμπεριφορά του ξύλου σε επαναλαμβανόμενη φόρτιση είναι γενικά πολύ καλή.
Πειράματα κόπωσης με μέγιστη τάση 50% περίπου της αντοχής σε βραχυχρόνια φόρτιση έχουν δείξει ότι το ξύλο μπορεί να φορτιστεί για αρκετά εκατομμύρια κύκλων φόρτισης-αποφόρτισης-επαναφόρτισης χωρίς να μειωθεί η αντοχή του (Gurfinkel 1981). Κύριο χαρακτηριστικό της επαναλαμβανόμενης φόρτισης είναι η "συσσώρευση" παραμορφώσεων, γεγονός που οφείλεται (προσεγγιστικά) στον ερπυσμό του υλικού λόγω της
μέσης τάσης. Η αύξηση αυτή των παραμορφώσεων, που δίνεται παραστατικά στο παράδειγμα του Σχ. 8.26, είναι εντονότερη όσο αυξάνεται η μέση τάση και ο χρόνος φόρτισης, οπότε το υλικό μπορεί σταδιακά να βρεθεί από το αρχικό στο τελικό στάδιο ερπυ-
274
σμού.
Σχ. 8.26: Αύξηση παραμορφώσεων ξύλου λόγω επαναλαμβανόμενης φόρτισης.
Ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της συμπεριφοράς του ξύλου σε ανακυκλιζόμενη
φόρτιση είναι η ανάπτυξη βρόγχων υστέρησης και ότι η περιβάλλουσα καμπύλη που
ορίζεται από τις μέγιστες τιμές των τάσεων σε κάθε κύκλο φόρτισης σχεδόν ταυτίζεται
με την καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης σε μονοτονική φόρτιση (Σχ. 8.27), όπως ισχύει
και για το σκυρόδεμα.
Τέλος σημειώνεται ότι καθοριστικός παράγοντας για τη μείωση της αντοχής του
ξύλου λόγω επαναλαμβανόμενης φόρτισης είναι η ύπαρξη περιοχών αδυναμίας, όπως
οι ρόζοι, οι οποίοι προκαλούν το σχηματισμό και την επέκταση ρωγμών.
8.4.2.5.
Ταχύτητα Φόρτισης, Κρούση, Σκληρότητα
Σχ. 8.27: Συμπεριφορά του ξύλου σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση.
Η αύξηση της ταχύτητας φόρτισης έχει γενικά θετική επίδραση στην αντοχή του
ξύλου αλλά μειώνει την παραμόρφωση θραύσης και τη δυσθραυστότητα. Η αντοχή του
ξύλου σε κρούση είναι γενικά ικανοποιητική, λόγω της χαρακτηριστικής ιδιότητας του
υλικού να αστοχεί με διαδοχική θραύση των σωληνωτών κυττάρων. Τέλος, η σκληρότητα του ξύλου εξαρτάται άμεσα από την πυκνότητα, την υγρασία και τη διεύθυνση
φόρτισης. Μεγαλύτερη σκληρότητα εμφανίζουν ξύλα με πυκνές ίνες, μικρή περιεκτικότη-
Ξύλο
275
τα σε υγρασία και φορτιζόμενα αξονικά. Ανάλογα με το βαθμό σκληρότητας τα ξύλα χωρίζονται σε σκληρά (π.χ. δρυς, λάρτσινο, πιτς-πάιν), ημίσκληρα (π.χ. πεύκο) και μαλακά
(π.χ. Έλατο).
8.4.3.
Προσδιορισμός Ιδιοτήτων του ξύλου στα Πλαίσια του Ευρωκώδικα 5
Σχ. 8.28: Πειραματική διάταξη για τη μέτρηση του μέτρου ελαστικότητας.
Ο προσδιορισμός βασικών φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων του ξύλου στα πλαίσια της εφαρμογής του Ευρωκώδικα 5 (1995) για τις ξύλινες κατασκευές γίνεται βάσει
των Ευρωπαϊκών Προτύπων ΕΝ 384 και ΕΝ 408. Το μέσο μέτρο ελαστικότητας (παράλληλα στις ίνες) E0,mean και η χαρακτηριστική αντοχή σε κάμψη fm,k υπολογίζονται
βάσει των αποτελεσμάτων (40 τουλάχιστον) πειραμάτων κάμψης τεσσάρων σημείων,
σύμφωνα με τη διάταξη του Σχ. 8.28. Οι υπόλοιπες μηχανικές ιδιότητες μπορούν είτε να
μετρηθούν άμεσα είτε να εκτιμηθούν βάσει των παρακάτω εξισώσεων.
Χαρακτηριστική αντοχή σε εφελκυσμό παράλληλα στις ίνες: f t ,0 , k =0.6 f m , k
Χαρακτηριστική αντοχή σε εφελκυσμό κάθετα στις ίνες: f t ,90 ,k =0.001 ρk
Χαρακτηριστική αντοχή σε θλίψη παράλληλα στις ίνες: f c,0 , k =5  f m , k 0.45
Χαρακτηριστική αντοχή σε θλίψη κάθετα στις ίνες: f c,90 , k =0.0015 ρk
Χαρακτηριστική αντοχή σε διάτμηση: f v , k =0.2 f m ,k 0.8
Μέσο μέτρο ελαστικότητας κάθετα στις ίνες: E 90,mean= E 0,mean /30
Μέσο μέτρο διάτμησης: G mean=E 0,mean /16
Η κατάταξη των ξύλων σε κατηγορίες αντοχών γίνεται σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό
Πρότυπο ΕΝ 338 όπως δίνουν οι Πίνακες 8.5 και 8.6.
fm,k
ft,0,k
ft,90,k
fc,0,k
fc,90,k
fv,k
Ε0,mean
Ε0.05
C14
14
8
0.3
16
4.3
1.7
7
4.7
C16
16
10
0.3
17
4.6
1.8
8
5.4
C18
18
11
0.3
18
4.8
2.0
9
6
C22
22
13
0.3
20
5.1
2.4
10
6.7
C24
24
14
0.4
21
5.3
2.5
11
7.4
C27
27
16
0.4
22
5.6
2.8
12
8.0
C30
30
18
0.4
23
5.7
3.0
12
8.0
C35
35
21
0.4
25
6.0
3.4
13
8.7
C40
40
24
0.4
26
6.3
3.8
14
9.4
fm,k
ft,0,k
ft,90,k
fc,0,k
fc,90,k
fv,k
Ε0,mean
Ε0.05
D30
30
18
0.6
23
8.0
3.0
10
8.0
D33
35
21
0.6
25
8.4
3.4
10
8.7
D40
40
24
0.6
26
8.8
3.8
11
9.4
D50
50
30
0.6
29
9.7
4.6
14
11.8
D60
60
36
0.7
32
10.5
5.3
17
14.3
D70
70
42
0.9
34
13.5
6.0
20
16.8
276
Ε90,mean 0.23 0.27 0.3 0.33 0.37 0.40 0.40 0.43 0.47
Gmean 0.44 0.50 0.56 0.63 0.69 0.75 0.75 0.81 0.88
ρk 290 310 320 340 350 370 380 400 420
Ε90,mean 0.64 0.69 0.75 0.93 1.13 1.33
Gmean 0.60 0.65 0.70 0.88 1.06 1.25
ρk 530 560 590 650 700 900
Πίνακας 8.5: Κατηγορίες αντοχών για κωνοφόρα και λεύκη (ΕΝ 338). [Αντοχές σε
MPa, μέτρα ελαστικότητας σε GPa, πυκνότητα σε kg/m3]
Πίνακας 8.6: Κατηγορίες αντοχών
για φυλλοβόλα (ΕΝ 338). [Αντοχές
σε MPa, μέτρα ελαστικότητας σε
GPa, πυκνότητα σε kg/m3]
Τέλος, το Σχ. 8.29 δίνει ενδεικτικές μορφές δοκιμίων για τον πειραματικό προσδιορισμό βασικών μηχανικών ιδιοτήτων του ξύλου με βάσει τις Αμερικάνικες Προδιαγραφές
ASTM.
Σχ. 8.29: Δοκίμια ελέγχου μηχανικών ιδιοτήτων του ξύλου κατά ASTM: (α)
εφελκυσμός παράλληλα στις ίνες, (β) θλίψη, (γ) εφελκυσμός κάθετα στις
ίνες, (δ) διάτμηση. 1" = 25.4 mm.
8.5. Επιρροή του Περιβάλλοντος, Μέτρα Προστασίας και Συντήρησης
Στην ενότητα αυτή εξετάζονται οι βασικοί περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά του ξύλου. Τέτοιοι είναι η υγρασία, η θερμοκρασία, η ηλιακή
ακτινοβολία, οι χημικές ουσίες και οι διάφοροι μικροοργανισμοί (π.χ. μύκητες, έντομα).
Ξύλο
277
Επίσης δίνονται στοιχεία για την προστασία του ξύλου από τους παράγοντες αυτούς και
γενικότερα για τη συντήρησή του.
8.5.1.
Υγρασία
Η υγρασία στο ξύλο έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή των διαστάσεων του και των
μηχανικών του ιδιοτήτων. Σχετικά με τη μεταβολή των διαστάσεων έχει ήδη αναφερθεί
ότι ξήρανση ή ύγρανση επιφέρει μείωση ή αύξηση, αντίστοιχα, των διαστάσεων, που είναι σχεδόν διπλάσια στην εφαπτομενική διεύθυνση από ότι στην ακτινική (4-15% έναντι
2.5-10%), και είναι ουσιαστικά αμελητέα στην αξονική.
Σχ. 8.30: Η επίδραση της υγρασίας στην καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης δομικής ξυλείας σε (ακτινική) θλίψη (Bodig and Jayne 1982).
Σχ. 8.31: Επίδραση της υγρασίας του ξύλου στα μέτρα (α) ελαστικότητας
και (β) διάτμησης.
Ο ρόλος της υγρασίας στη μηχανική συμπεριφορά του ξύλου είναι γενικά δυσμενής για τιμές υγρασίας μέχρι το σημείο ινοκόρου και ουσιαστικά ασήμαντος για μεγαλύτερες τιμές. Αύξηση της υγρασίας προκαλεί μείωση της θλιπτικής και της εφελκυστικής
αντοχής, μείωση του μέτρου ελαστικότητας (και του μέτρου διάτμησης) και αύξηση των
ερπυστικών παραμορφώσεων. Τον ρόλο της υγρασίας στη μηχανική συμπεριφορά του
278
ξύλου καταδεικνύουν τα Σχ. 8.30-8.32.
Η μείωση της θλιπτικής αντοχής του ξύλου συναρτήσει του ποσοστού περιεχόμενης υγρασίας Υ (μικρότερης από το σημείο ινοκόρου) εκφράζεται συνήθως από σχέσεις
της μορφής:
log 10 f =log 10 f ik Y i −Y 
όπου f = αντοχή για υγρασία Υ, fi = αντοχή για το σημείο ινοκόρου, Υ i = σημείο ινοκόρου και k = σταθερά.
Σχ. 8.32: Επίδραση της υγρασίας στη θλιπτική αντοχή αξονικά φορτιζόμενου ξύλου.
Σχ. 8.33: Επίδραση κύκλων ύγρανσης-ξήρανσης στον ερπυσμό του ξύλου.
Η δυσμενής επίδραση της υγρασίας, και ιδιαίτερα των κύκλων ύγρανσης-ξήρανσης στον ερπυσμό του ξύλου δίνεται στο Σχ. 8.33 (Hearmon and Paton 1964). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ερπυστικές παραμορφώσεις ξύλου που υφίσταται κύκλους
Ξύλο
279
ύγρανσης-ξήρανσης είναι πολύ μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες για σταθερή υγρασία,
φαινόμενο που αποδίδεται στη χαλάρωση της συνοχής των κυτταρικών ινών.
Τα μέτρα προστασίας του ξύλου από την υγρασία περιλαμβάνουν την επάλειψη με
ειδικά λάδια (π.χ. λινέλαιο), χρώματα, λούστρα, κεριά, παραφίνες και πίσσα. Τέτοιες ουσίες κλείνουν μερικά τους επιφανειακούς πόρους του ξύλου. Έτσι αφενός παρεμποδίζουν την απότομη αποβολή υγρασίας από το εσωτερικό, οπότε μειώνεται η πιθανότητα
δημιουργίας ραγάδων, στρεβλώσεων κ.τ.λ., αφετέρου περιορίζουν την είσοδο της εξωτερικής υγρασίας (π.χ. βροχή, υπόγεια ύδατα).
8.5.2.
Θερμότητα
Με ελάχιστες εξαιρέσεις, η αύξηση της θερμοκρασίας είναι δυσμενής για τις μηχανικές ιδιότητες του ξύλου, ενώ το αντίθετο συμβαίνει για τη μείωση (Σχ. 8.34). Τα φαινόμενα αυτά οφείλονται στην αλλαγή της δομής των μορίων του υλικού. Η μεταβολή
των μηχανικών ιδιοτήτων του ξύλου με τη θερμοκρασία είναι σχεδόν γραμμική και αναστρέψιμη για θερμοκρασίες κάτω από περίπου 95 °C. Σημαντικό ενδιαφέρον επίσης για
τις ιδιότητες του ξύλου παρουσιάζει και η αλληλεπίδραση της θερμότητας με την υγρασία, όπως χαρακτηριστικά δείχνεται στο Σχ. 8.35 για το μέτρο ελαστικότητας και την
εφελκυστική αντοχή.
Η συμπεριφορά του ξύλου σε πυρκαϊά έχει αποφασιστική σημασία για τις κατασκευές από ξύλο, η καύση των οποίων μπορεί να ξεκινήσει γύρω στους 300 °C. Αποτέλεσμα της πυρκαϊάς στο ξύλο είναι η σταδιακή απώλεια υλικού λόγω απανθράκωσης,
που μεταφέρεται από τις εξωτερικές επιφάνειες των δομικών στοιχείων προς το εσωτερικό (Σχ. 8.36). Η απανθράκωση, που σημειωτέον επιφέρει προστασία στη μάζα του ξύλου στο εσωτερικό μίας διατομής, προχωρά με σχεδόν σταθερό ρυθμό, που για δομική
ξυλεία είναι της τάξης του 0.6-0.7 mm το λεπτό (Τουλιάτος 1994). Αυτό επιτρέπει το
σχεδιασμό των ξύλινων κατασκευών για αντοχή σε πυρκαϊά δεδομένης (και αρκετά μεγάλης) διάρκειας. Πρόσθετοι λόγοι που η αντοχή του ξύλου σε πυρκαϊά είναι γενικά ικανοποιητική είναι η χαμηλή θερμοαγωγιμότητα του υλικού, ώστε να προστατεύονται τα
εσωτερικά στρώματα από τις υψηλές θερμοκρασίες στην περιοχή της καύσης, και ο
σχετικά μικρός συντελεστής θερμικής διαστολής, που έχει ως αποτέλεσμα τη μικρή παραμόρφωση των ξύλινων κατασκευών κατά την πυρκαϊά (σε αντίθεση με το χάλυβα).
Σχ. 8.34: Επιρροή της θερμότητας (α) στην καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης
και (β) στον ερπυσμό του ξύλου.
Για τον περιορισμό ή και μερικές φορές το σβήσιμο της πυρκαϊάς χρησιμοποιούνται σήμερα διάφορες εμποτιστικές και επικαλυπτικές αντιπυρικές ουσίες. Στην πρώτη
κατηγορία υπάγονται ουσίες όπως τα υδατοδιαλυτά άλατα με θειική αμμωνία και φωσφορικές ενώσεις, το βορικό οξύ, ο χλωριούχος ψευδάργυρος κ.τ.λ., που εφαρμόζονται
280
υπό πίεση. Στην δεύτερη κατηγορία υπάγονται ειδικά βερνίκια ή χρώματα.
Τέλος, σχετικά με τη δράση του παγετού στο ξύλο αναφέρουμε το ενδεχόμενο
επιφανειακής συνήθως ρηγμάτωσης λόγω ψύξης και διαστολής των χυμών (στα χλωρά
ξύλα).
Σχ. 8.35: Αλληλεπίδραση θερμότητας και υγρασίας (α) στο μέτρο ελαστικότητας και (β) στην εφελκυστική αντοχή του ξύλου.
Σχ. 8.36: Απανθράκωση διατομής ξύλου.
8.5.3.
Ηλιακή Ακτινοβολία, Χημικοί Παράγοντες
Η ηλιακή ακτινοβολία ενδέχεται να επιφέρει στο ξύλο χρωματικές και χημικές αλ-
Ξύλο
281
λοιώσεις. Η βασικότερη χρωματική αλλοίωση είναι ότι σκουρόχρωμα ξύλα γίνονται ανοικτόχρωμα, και αντίθετα. Στις χημικές αλλοιώσεις περιλαμβάνονται η ελάττωση του βαθμού πολυμερισμού της κυτταρίνης, η διάσπαση ορισμένων συστατικών (που μπορεί να
αποπλυθούν λόγω βροχής) και η θραύση ορισμένων χημικών δεσμών, με αποτέλεσμα
τη μείωση των τιμών ορισμένων ιδιοτήτων του ξύλου όπως η μηχανική αντοχή. Η προστασία του ξύλου από την ηλιακή ακτινοβολία γίνεται με επιφανειακή επάλειψη με ειδικές ουσίες.
Η αντοχή του ξύλου σε χημικές ουσίες είναι ικανοποιητική, κυρίως όταν η πυκνότητα των διαλυμάτων είναι μικρή και η θερμοκρασία χαμηλή. Ιδιαίτερα ικανοποιητική
είναι η αντοχή σε διαλύματα οξέων, αλλά αυτή σε δράση αλκαλίων είναι κάπως μέτρια.
Γενικά τα ξύλα των κωνοφόρων θεωρούνται ανθεκτικότερα από αυτά των πλατυφύλλων. Η προστασία του ξύλου από χημικά επιτυγχάνεται επικαλύπτοντας την εξωτερική
επιφάνεια με παραφίνη, κερί, κρεόζωτο (προϊόν απόσταξης λιθανθρακόπισσας), άσφαλτο κ.τ.λ.
8.5.4.
8.5.4.1.
Βιολογικοί Παράγοντες
Μύκητες
Είναι παράσιτα που τρέφονται αρχικά από τους χυμούς των δένδρων και αργότερα από το ίδιο το ξύλο (κυτταρίνη, λιγνίνη). Προσβάλλουν κυρίως το σομφό ξύλο, μόνο
όμως όταν βρεθούν σε κατάλληλες συνθήκες υγρασίας (πάνω από 20-25%), θερμοκρασίας (10-35 °C) και αερισμού (ύπαρξη οξυγόνου). Αποτέλεσμα της προσβολής από μύκητες είναι η σήψη (ερυθρά ή λευκή, ανάλογα με το χρώμα που παίρνει το ξύλο), η μούχλα και η αλλοίωση του χρώματος (π.χ. κόκκινος χρωματισμός εγκαρδίου οξυάς,
κυάνωση πεύκου), που συνοδεύονται από αλλοίωση των μηχανικών ιδιοτήτων (π.χ.
μείωση αντοχής). Τα περισσότερο ευπαθή στους μύκητες ξύλα είναι τα μαλακά (έλατο,
Σουηδική ξυλεία), τα χλωρά και γενικά τα υγρά και δύσκολα αεριζόμενα (π.χ. ξύλινα δομικά στοιχεία σε επαφή με το έδαφος).
Οι πιο συνηθισμένοι ξυλομύκητες είναι: (α) Ο μερούλιος ή μύκητας των σπιτιών,
που προσβάλλει ξύλα με υγρασία 20-40% και θερμοκρασία μέχρι 40 °C, και προκαλεί
αφυδάτωση και ραγάδες δίνοντας στο ξύλο χρώμα σταχτοκίτρινο. (β) Ο μύκητας των
υπογείων (συναντάται συχνά σε υπόγεια), που προσβάλλει ξύλα με υγρασία 40-60%.
(γ) Ο μύκητας της δρυός, που προσβάλλει κυρίως το εγκάρδιο ξύλο της δρυός.
Εξαιρετικά ανθεκτικά σε μύκητες ξύλα είναι το κυπαρίσσι και η δρυς, πολύ ανθεκτικά είναι η ελιά, η καστανιά και η ακακία, ανθεκτικά είναι το εγκάρδιο του πεύκου, της
φτελιάς και της καρυδιάς, λίγο ανθεκτικά είναι το σομφό των προαναφερθέντων ως ανθεκτικά, και όχι ανθεκτικά θεωρούνται η οξυά και η λεύκα.
8.5.4.2.
Έντομα
Τα έντομα ("σαράκια") που προσβάλλουν το ξύλο χωρίζονται στα ξυλοφάγα (ή ξυλοτρυτικά) και στα έντομα Αμβροσίας. Τα ξυλοφάγα τρέφονται από τα κυτταρικά τοιχώματα του ξηρού συνήθως ξύλου με αποτέλεσμα να μειώνουν την εμφάνιση και την
αντοχή του. Η ύπαρξή τους προδίδεται από τις τρύπες που ανοίγουν ή από τη σκόνη
(ξυλάλευρο ή πριονίδι) που πέφτει ή ακόμα και από τον υπόκωφο θόρυβο που προκαλούν. Τα έντομα Αμβροσίας ζουν σε ξύλα με υγρασία πάνω από 30% και συνήθως
προκαλούν μόνο μελάνωση, συνεπώς δεν είναι επικίνδυνα. Στη χώρα μας έχουν αναγνωριστεί 100 περίπου είδη ξυλοφάγων εντόμων, τα πιο επικίνδυνα από τα οποία είναι
ο λύκτος, ο υλότρυπος (σαράκι των κωνοφόρων), τα ανόβια και οι τερμίτες. Ο λύκτος
282
προσβάλλει περισσότερο τα ημίξηρα ή ξηρά ξύλα των πλατυφύλλων, ο υλότρυπος έχει
προτίμηση στο ξύλο των κωνοφόρων με χαμηλή υγρασία, τα ανόβια προσβάλλουν παλαιά ξηρά ξύλα ή ξύλα που έχουν προσβληθεί από μύκητες και οι τερμίτες προσβάλλουν μόνο το σομφό (καταστρέφοντάς το ολοκληρωτικά).
Πολύ ανθεκτικά σε μύκητες ξύλα είναι το κυπαρίσσι και η δρυς, ανθεκτικά είναι το
εγκάρδιο του πεύκου, της φτελιάς, της καστανιάς και της ελιάς, και όχι ανθεκτικά θεωρούνται η οξυά, η λεύκα και το σομφό του πεύκου.
8.5.4.3.
Προστασία και Συντήρηση
Για να προστατευτεί το ξύλο από τους μύκητες αρκεί να ρυθμιστεί σε μη ευνοϊκά
όρια ένας από τους τέσσερις παράγοντες που ευνοούν την ανάπτυξή τους (υγρασία,
θερμοκρασία, αέρας, τροφή). Συνήθως ο πιο εύκολα ελεγχόμενος παράγοντας είναι η
υγρασία. Άλλα μέτρα προστασίας περιλαμβάνουν τον εμποτισμό του ξύλου με δηλητηριώδεις (μυκητοκτόνες) ουσίες και τη θανάτωση των μυκήτων σε χαμηλές ή πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Εχθρό των μυκήτων αποτελεί επίσης και η πολύ μεγάλη υγρασία γιατί τους στερεί τον απαραίτητο αέρα (οξυγόνο). Είναι χαρακτηριστικό ότι ξύλα που είναι
συνεχώς βυθισμένα σε νερό (π.χ. τα ύφαλα τμήματα ξύλινων βάθρων, γεφυρών και
προβλήτων) δεν σαπίζουν.
Τα μέτρα για την πρόληψη και καταστολή επιδημιών εντόμων όπως ο λύκτος περιλαμβάνουν: (α) την αποθήκευση των κορμών σε δεξαμενές νερού, οπότε αποπλένεται
το άμυλο (β) την άτμιση (δράση ατμού σε υψηλή θερμοκρασία, όπως περιγράφεται παρακάτω), οπότε μειώνονται το άμυλο και τα εκχυλίσματα σε συντομότερο χρόνο (γ) την
αποστείρωση υπό θέρμανση, που εφαρμόζεται κυρίως για την πριστή ξυλεία σε κλιβάνους θερμοκρασίας 50- 65 °C και σχετικής υγρασίας 60-100% (δ) την επάλειψη του
ξύλου με βούρτσα ή ψεκασμό με εντομοκτόνα, που δύσκολα όμως εξασφαλίζει τέλεια
εξολόθρευση (ε) την εμβάπτιση σε δεξαμενές με εντομοκτόνες ουσίες, που εξασφαλίζει
επιφανειακή προστασία για 2-3 χρόνια και (στ) τον εμποτισμό του ξύλου με εντομοκτόνα (γίνεται σε ειδικούς μεταλλικούς κυλίνδρους υπό πίεση και διαρκεί 4-8 ώρες), που
έχει μεγάλη αποτελεσματικότητα αλλά κοστίζει αρκετά και συνοδεύεται από προβλήματα όπως η έντονη οσμή, η δύσκολη βαφή, η μερική αλλαγή χρώματος κ.τ.λ. Η χρήση
των εντομοκτόνων είναι αποτελεσματική και στην περίπτωση άλλων εντόμων πλην του
λύκτου.
Οι εντομοκτόνες συντηρητικές ουσίες του ξύλου περιλαμβάνουν: τα κρεόζωτα, που
επειδή αναδίδουν δυσάρεστη οσμή χρησιμοποιούνται συνήθως μόνο για τον εμποτισμό
στύλων και στρωτήρων σιδηροδρόμων, παρέχοντας και προστασία από υγρασία ουσίες
διαλυτές σε οργανικούς διαλύτες, όπως η πενταχλωροφαινόλη και ουσίες διαλυτές στο
νερό, όπως ορισμένα άλατα ή μίγματα αλάτων (π.χ. μίγμα οξειδίου του χρωμίου, οξειδίου του χαλκού και πεντοξειδίου του αρσενικού, γνωστό ως CCA).
8.6. Προηγμένες Τεχνολογίες του Ξύλου
Στην ενότητα αυτή περιγράφονται συνοπτικά ορισμένες σχετικά νέες τεχνολογίες
που βελτιώνουν τις ιδιότητες του ξύλου και διευρύνουν τις χρήσεις του. Αυτές είναι η
άτμιση, η επεξεργασία με υψίσυχνα ρεύματα, η συγκόλληση, η πλαστικοποίηση και ο
εμποτισμός με πολυμερή (π.χ. Bodig and Jayne 1982, Σιμόπουλος 1985).
8.6.1.1.
Άτμιση
Άτμιση είναι η διεργασία κατά την οποία το ξύλο υποβάλλεται σε επίδραση ατμού
Ξύλο
283
για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, σε κορεσμένη ατμόσφαιρα και υψηλή θερμοκρασία,
με σκοπό την απομάκρυνση των χυμών, την πρόληψη σφαλμάτων (π.χ. ραγάδες,
στρέβλωση), το θάνατο εντόμων και μυκήτων, το χρωματισμό και την προετοιμασία για
ορισμένη κατεργασία (π.χ. αύξηση της ευκαμψίας μέσω θέρμανσης ώστε να διευκολύνεται η συγκόλληση καμπύλων στοιχείων).
Ξύλο που έχει υποστεί άτμιση χαρακτηρίζεται από μικρή ελάττωση της υγροσκοπικότητας λόγω απομάκρυνσης των εκχυλισμάτων, αύξηση της συστολής λόγω αποβολής υγρασίας και μικρή μείωση της αντοχής σε κρούση (ενώ οι αντοχές σε θλίψη και
κάμψη καθώς και η σκληρότητα παραμένουν πρακτικά αναλλοίωτες).
Πρακτικά η άτμιση του ξύλου εφαρμόζεται σε ειδικούς κυλινδρικούς θαλάμους, τα
"ατμιστήρια", στους οποίους διοχετεύεται ατμός υπό πίεση 0.5-2 atm σε θερμοκρασία
θαλάμου 80-110 °C επί περίπου 18 ώρες για κάθε 1 cm πάχους του ξύλου. Το ξύλο
κατά την άτμιση πρέπει γενικά να είναι χλωρό, εκτός αν προορίζεται για καμπύλωση,
οπότε αρκεί μία ελάχιστη υγρασία 15% στα εξωτερικά τοιχώματα.
8.6.1.2.
Υψίσυχνα Ρεύματα
Τα τελευταία χρόνια στις προηγμένες βιομηχανικά χώρες χρησιμοποιούνται ειδικές
συσκευές (διηλεκτρικές) με ρεύματα υψηλής συχνότητας, με σκοπό την ξήρανση (Σχ.
8.37.α) ή τη θέρμανση του ξύλου κατά την πορεία της συγκόλλησης και διαμόρφωσης
(Σχ. 8.37.β). Βασική αρχή της μεθόδου με υψίσυχνα ρεύματα είναι ο επαναλαμβανόμενος αναπροσανατολισμός των μορίων του υλικού (δίπολα ηλεκτρικά φορτία) υπό την
επίδραση εναλλασόμενου υπό ορισμένη συχνότητα ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, με αποτέλεσμα τη μετατροπή ενέργειας σε θερμότητα. Επειδή η ταχύτητα θέρμανσης εξαρτάται
από τη συχνότητα του πεδίου, επιλογή της κατάλληλης συχνότητας επιτρέπει την επιλεκτική θέρμανση, π.χ. μόνο της κόλλας για τη συγκόλληση ξύλων.
Σχ. 8.37: (α) Θέρμανση και (β) συγκόλληση ξύλου με υψίσυχνα ρεύματα.
Βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η αυτοματοποίηση της παραγωγής, η
δυνατότητα ομοιόμορφης θέρμανσης ολόκληρης της μάζας του υλικού και η εξασφάλιση
επαναλήψιμων αποτελεσμάτων, ενώ μειονέκτημα αποτελεί η απαίτηση για χρήση ηλεκτρικής ενέργειας (2-4 kWh για την αφαίρεση 1 kg νερού από τη μάζα του ξύλου). Η
μέθοδος των υψισύχνων ρευμάτων βρίσκει σχετικά μικρή εφαρμογή σήμερα στην ξήρανση του ξύλου και μεγαλύτερη στη συγκόλληση. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην τελευταία περίπτωση μπορεί να πραγματοποιηθεί συγκόλληση ξύλου με υγρασία που φθάνει
284
το 20-30% σε χρόνο μέχρι 20 sec, χωρίς να μεταβληθεί η υγρασία.
8.6.1.3.
Συγκόλληση
Η εισαγωγή της κόλλας ως μέσο σύνδεσης ξύλινων στοιχείων επέφερε σημαντική
διεύρυνση των αρχών σχεδιασμού των ξύλινων κατασκευών. Χάρη στις κόλλες είναι σήμερα δυνατή η συγκόλληση σανίδων που τοποθετούνται για παράδειγμα η μία επάνω
στην άλλη και συγκολλούνται μεταξύ τους κατά παράλληλες σειρές, δίνοντας δομικά
στοιχεία ποικίλων διατομών και σχημάτων, όπως είναι οι ευθύγραμμες δοκοί ορθογωνικών διατομών, ή τα καμπύλα μέλη μορφής τόξου, αν η συγκόλληση γίνεται ενώ τα ξύλα
έχουν αποκτήσει κάποια καμπυλότητα.
Τα ξύλινα στοιχεία συγκολλούνται υπό πίεση (με πρέσσες) για ορισμένο χρόνο και
συνήθως μέσα σε συγκεκριμένα όρια υγρασίας ξύλου (7-15%) και θερμοκρασίας, γεγονός που κάνει υποχρεωτική τη συγκόλληση σε ελεγχόμενο περιβάλλον εργοστασίων.
Βασικό στοιχείο της μεθόδου είναι η επιλογή της κατάλληλης κόλλας ως προς τις συνθήκες περιβάλλοντος και χρήσης (ύπαιθρος, κλειστός χώρος, μεγάλη υγρασία, υψηλές
θερμοκρασίες). Οι συνηθισμένες κόλλες ξύλου είναι βασισμένες σε ουρία-φορμαλδεΰδη,
φαινόλη-φορμαλδεΰδη, ρεζορσίνη-φορμαλδεΰδη και καζεΐνη. Ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της φαινολικής κόλλας είναι η ικανοποιητική συμπεριφορά της σε πυρκαϊά.
8.6.1.4.
Πλαστικοποίηση
Όταν ορισμένες χημικές ουσίες προστεθούν σε πολυμερικά υλικά, όπως είναι και
το ξύλο, τα μόρια τους εισχωρούν ανάμεσα στις μοριακές αλυσίδες των πολυμερών εξασθενώντας τους χημικούς δεσμούς. Στη δράση αυτή οφείλεται η πλαστικοποίηση του
ξύλου, που επιτυγχάνεται με την απορρόφηση από τα κυτταρικά τοιχώματα (και κυρίως
από την κυτταρίνη) ουσιών όπως η αμμωνία (ουρία, μόνη της ή με φορμαλδεΰδη ή με
διμεθυλουρία). Αποτέλεσμα της πλαστικοποίησης είναι η σημαντική αύξηση της πλαστιμότητας του ξύλου, γεγονός που επιτρέπει τη διαμόρφωση καμπύλων στοιχείων. Η τεχνική αυτή πάντως εφαρμόζεται κυρίως σε στοιχεία μικρών διαστάσεων (π.χ. έπιπλα).
8.6.1.5.
Εμποτισμός με Πολυμερή
Σχ. 8.38: Συμπεριφορά απλού και εμποτισμένου με πολυμερές ξύλου σε
κάμψη (Langwig et al. 1968).
Ο εμποτισμός του ξύλου με πολυμερή είναι μία σχετικά νέα τεχνολογία με εφαρμογές σε βιομηχανικά προηγμένες χώρες. Βασική αρχή της είναι ο εμποτισμός του ξύλου
με μονομερές (π.χ. ΜΜΑ, όπως και στο σκυρόδεμα), το οποίο πολυμερίζεται με θερμότητα ή ακτινοβολία. Το τελικό προϊόν έχει μεγαλύτερη αντοχή και μέτρο ελαστικότη-
Ξύλο
285
τας, συχνά όμως χαρακτηρίζεται από μικρότερη δυσθραυστότητα (Σχ. 8.38).
8.7. Χρήσεις και Μορφές Δομικής Ξυλείας
Η δομική ξυλεία προέρχεται, όπως έχει προαναφερθεί, κυρίως από τα κωνοφόρα
(π.χ. έλατο, πεύκο) και ανάλογα με τη χρήση της χαρακτηρίζεται ως λευκή (ή "οικοδομική"), που προορίζεται για δοκούς, σανίδες κ.τ.λ., και ερυθρή (ή "Σουηδική", επειδή παλαιά εισαγόταν μόνο από τη Σουηδία), που χρησιμοποιείται π.χ. για κουφώματα. Τα καταλληλότερα είδη ξύλου για ορισμένες κατηγορίες έργων δίνονται ενδεικτικά στον Πίνακα 8.7 (π.χ. Λεγάκις 1991).
Είδος έργου
Στέγες
Κουφώματα
Δάπεδα
Σκάλες
Γέφυρες
Στρωτήρες σιδηροδρόμων
Πάσσαλοι θεμελίων
Υποστηρίξεις μεταλλείων
Βοηθητικά ικριώματα
Ξυλότυποι
Ξύλο
Έλατο
Έλατο, πεύκο, δρυς
Πεύκο, οξυά, δρυς, καστανιά, πιτς-πάιν
Πεύκο, πιτς-πάιν
Δρυς, καστανιά, Σουηδικό πεύκο, φτελιά
Λάρτσινο, οξυά, δρυς
Λάρτσινο, οξυά, δρυς, καστανιά
Πεύκο, δρυς, καστανιά
Έλατο, πεύκο
Έλατο
Πίνακας 8.7: Καταλληλότητα ξύλων στα έργα.
Οι κυριότερες μορφές του ξύλου στη δόμηση περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω
(π.χ. Wendehorst 1975, Taylor 1983). Εννοείται ότι οι μορφές αυτές αναφέρονται επιπλέον των συνηθισμένων που έχουν να κάνουν με στοιχεία τα οποία έχουν κοπεί απευ θείας από κορμούς και δεν έχουν υποστεί καμμία κατεργασία (π.χ. καδρόνια, σανίδες).
Σύνθετο ή συγκολλητό ξύλο ("glulam"). Πρόκειται για δομικά στοιχεία που προκύπτουν από τη συγκόλληση σανίδων ή πλακών ξύλου πάχους περίπου 20-40 mm (Σχ.
8.39.α). Τα τεμάχια ξύλου, που έχουν κατά τη στιγμή της συγκόλλησης υγρασία 7-15%
περίπου, συγκολλούνται επάλληλα (το ένα επάνω στο άλλο) ή, σπανιότερα, σε παράθεση (το ένα δίπλα στο άλλο) με κόλλες υπό πίεση, για να δώσουν ευθύγραμμα ή καμπύλα μέλη διαφόρων διατομών (π.χ. ορθογωνική, διπλό "ταυ"). Η συγκολλητή ξυλεία παρασκευάζεται στη χώρα μας από το 1972 (ΑΒΕΞ) και έχει ευρεία χρήση σε ποικίλες
εφαρμογές, όπως είναι οι κατασκευές μεγάλων ανοιγμάτων (π.χ. στέγες γηπέδων, κολυμβητηρίων και βιομηχανικών χώρων, πεζογέφυρες) και οι στέγες κτιρίων.
Σχ. 8.39: Συγκολλητό ξύλο: (α) διατομές, (β) εφαρμογή σε πεζογέφυρα.
Βασικά πλεονεκτήματα του συγκολλητού ξύλου είναι (α) η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων έναντι του απλού ξύλου, όπως είναι η αύξηση της αντοχής μέχρι 30-40%
περίπου (Stalnaker and Harris 1989), που οφείλεται στη χρήση υγιών τεμαχίων χωρίς
286
ελαττώματα, (β) η δυνατότητα κατασκευής στοιχείων μεγάλων διατομών, σημαντικού
μήκους (αρκετών δεκάδων μέτρων) και με καμπυλότητα και (γ) η μικρή μεταβολή των
διαστάσεων λόγω υγρασίας.
Αξίζει να σημειωθεί ότι δομικά στοιχεία από συγκολλητό ξύλο μπορούν να συνδυαστούν και με οπλισμό μορφής λεπτών λωρίδων από ινοπλισμένα πολυμερή (π.χ.
Plevris and Triantafillou 1992), ο οποίος παρεμβάλλεται μεταξύ επάλληλων στρώσεων
(π.χ. των δύο τελευταίων στην εφελκυόμενη περιοχή δοκών) και προσφέρει σημαντική
αύξηση της αντοχής, της δυσκαμψίας, της πλαστιμότητας και της αξιοπιστίας των στοιχείων.
Αντικολλητό ξύλο ("κόντρα-πλακέ"). Ο κορμός των δένδρων μπορεί να κοπεί
σε μορφή λεπτών φύλλων πάχους 0.5-5 mm (Σχ. 8.40). Τα φύλλα αυτά κολλώνται υπό
πίεση και σε υψηλή θερμοκρασία σε διαδοχικές στρώσεις εκατέρωθεν κεντρικού φύλλου
με διεύθυνση ινών πάντα κάθετη μεταξύ τους, δίνοντας το αντικολλητό ξύλο, ευρέως
γνωστό ως "κόντρα- πλακέ" (Σχ. 8.41).
Σχ. 8.40: Κοπή κορμού σε λεπτά φύλλα με (α) περιστροφή και (β) αποκοπή.
Σχ. 8.41: Διεύθυνση ινών στο αντικολλητό ξύλο.
Η αντικολλητή ξυλεία έχει μικρή υγροσκοπικότητα και μεγάλη αντοχή, συνδυάζεται
δε με την τυποποιημένη πριστή ξυλεία για την κατασκευή ελαφρών δομικών στοιχείων
μεγάλης αντοχής και δυσκαμψίας (π.χ. κιβωτιοειδείς δοκοί, στοιχεία "σάντουιτς", επενδύσεις διαχωριστικών, πόρτες κ.τ.λ.).
Πηχόπλακες. Παρασκευάζονται επικολλώντας αντικολλητά φύλλα στις δύο πλευρές μίας στρώσης από λεπτές σανίδες πάχους μέχρι 20 mm (Σχ. 8.42). Έτσι προκύπτουν επιφανειακά στοιχεία μεγάλης αντοχής, τα οποία χρησιμοποιούνται για επικαλύψεις, επενδύσεις, διαχωριστικά κ.τ.λ.
Μοριοσανίδες (particleboards). Μικρά τεμάχια ξύλου, τρίμματα κλαδιών, περισσεύματα κ.τ.λ. σε μικρά μεγέθη ("μόρια") ανακατεύονται με κόλλα και κάτω από ορισμένη πίεση και θερμοκρασία δίνουν επιφανειακά στοιχεία (Σχ. 8.43) με πάχος από 5
mm έως μερικά εκατοστά, που είναι χαμηλού κόστους αλλά υποβαθμισμένης αντοχής.
Στην Ελλάδα τα στοιχεία αυτά είναι γνωστά με το όνομα "νοβοπάν". Χρησιμοποιούνται
για το σανίδωμα στεγών, ως τοιχοπετάσματα, ως ξυλότυποι, ως κορμοί σύνθετων δο-
Ξύλο
287
κών κ.τ.λ. Αν αντί κόλλας η συνδετική ύλη είναι τσιμέντο ή μαγνησιακή κονία, τότε τα
στοιχεία που προκύπτουν παρουσιάζουν μεγάλη ανθεκτικότητα σε υγρασία και σήψη,
και καίονται δύσκολα. Τέτοια στοιχεία (ευρέως γνωστά ως Heraklith) έχουν χρησιμοποιηθεί για μονώσεις ορόφων και τοίχων.
Σχ. 8.42: Πηχόπλακα.
Σχ. 8.43: Μοριοσανίδα.
Σχ. 8.44: Ινοσανίδα.
288
Ινοσανίδες (fiberboards). Παρασκευάζονται όπως και οι μοριοσανίδες, με τη διαφορά ότι αντί για μόρια χρησιμοποιούνται ίνες ξύλου (Σχ. 8.44). Χαρακτηρίζονται από
μικρή πυκνότητα και αρκετά υποβαθμισμένες μηχανικές ιδιότητες, αλλά έχουν εξαιρετικές θερμο-ηχο- μονωτικές ιδιότητες. Οι ινοσανίδες βελτιωμένης ποιότητας (γνωστές στο
εμπόριο με το όνομα hardboard) έχουν ικανοποιητικές μηχανικές ιδιότητες και αντικαθιστούν σε ορισμένες εφαρμογές το αντικολλητό ξύλο.
Άλλα προϊόντα. Στα προϊόντα του ξύλου περιλαμβάνονται επίσης ο φελλός,
προϊόν του φλοιού ενός δένδρου τύπου δρυός, και το χαρτί. Ο φελλός χαρακτηρίζεται
από εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και ηχοαπορροφητικότητα, χάρη στην κυψελωτή
του δομή (πορώδες της τάξης του 75%), από πολύ μικρή υγροαπορροφητικότητα, και
θεωρείται επίσης ως επιβραδυντικό της καύσης. Οι χρήσεις του χαρτιού (που ουσιαστικά αποτελείται από ίνες ξύλου) στη δόμηση είναι ελάχιστες. Περιλαμβάνουν την παρασκευή πισσόχαρτου (σύνθετο υλικό χαρτιού-πίσσας), που χρησιμοποιείται για υγρομόνωση, και φορμάικας, που αποτελείται από λεπτά φύλλα χαρτιού εμποτισμένα με μελαμίνη (συνθετική ρητίνη) και χαρακτηρίζεται από μεγάλη σκληρότητα και υδατοστεγανότητα (Maguire 1981).
8.8. Βιβλιογραφία
Ashby, Μ. F and Jones, D. R. Η. (1988). Engineering Materials 2: An Introduction to
Microstructures, Processing and Design, Pergamon Press, Oxford.
ΑΒΕΞ. Πληροφοριακά Έντυπα Σύνθετου Ξύλου, Πάτρα.
Bodig, J. and Jayne, Β. Α. (1982). Mechanics of Wood and Wood Composites, Van
Nostrand Reinhold, New York.
Eurocode No. 5 (1993). Design of Timber Structures.
European Standard EN 338 (1995). Structural Timber - Strength Classes, European
Committee for Standardization.
European Standard EN 384 (1995). Structural Timber - Determination of Characteristic
Values of Mechanical Properties and Density, European Committee for Standardization.
European Standard EN 408 (1995). Timber Structures - Structural Timber and Glued
Laminated Timber - Determination of Some Physical and Mechanical Properties,
European Committee for Standardization.
Forest Products Laboratory (1974). Wood Handbook, Agriculture Handbook No. 72,
U.S. Dept. of Agriculture, Washington, D.C.
Foulger, A. N. (1969). Classroom Demonstrations of Wood Properties, U.S. Forest
Products Laboratory, U.S. Govt. Printing Office, Washington, D.C.
Gibson, L. J. and Ashby, M. F. (1988). Cellular Solids, Structure and Properties,
Pergamon Press, Oxford.
Gurfinkel, G. (1981). Wood Engineering, 2nd edition, Kendall/Hunt Publ. Co., Dubuque,
Iowa.
Hankinson, R. L. (1921). Air Sen/ice Inform. Circular, 3(259), Material Section Paper
No. 130.
Hearmon, R. F. S. and Paton, J. M. (1964). For. Prod. J., 14(8), 357-359.
Hoyle, R. J. (1978). Wood Technology in the Design of Structures, 4th edition, Mountain
Press, Missoula, Montana.
Ξύλο
289
Illston, J. M., Dinwoodie, J. M. and Smith, A. A. (1981). Concrete, Timber and Metals,
Van Nostrand Reinhold, London.
Jackson, Ν. and Dhir, R. Κ. (1988). Civil Engineering Materials, 4th edition, MacMillan
Education Ltd., London.
Langwig, J. E., Meyer, J. A. and Davidson, R. W. (1968). For. Prod. J., 18(7), 33-36.
Λεγάκις, A. A. (1992). Δομικά Υλικά, τόμ. Β', Ίδρυμα Ευγενίδου, Βιβλιοθήκη του Τεχνικού, Αθήνα.
Maguire, Β. W. (1981). Construction Materials, Reston Publishing Company, Inc.,
Reston, Virginia.
Plevris, N. and Triantafillou, T. C. (1992). J. Mater. Civ. Engrg., ASCE, 4(3), 300-317.
Stalnaker, J. J. and Harris, E. C. (1989). Structural Design in Wood, Van Nostrand
Reinhold, New York.
Stamm, A. J. (1964). Wood and Cellulose Science, The Ronald Press Co., New York.
Σιδερής, Κ. Κ. (1984). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, τόμ. Β', Δημοκρ. Πανεπ. Θράκης,
Ξάνθη.
Σιμόπουλος, Κ. (1985). Για να Καταλάβεις το Ξύλο, Εκδόσεις "Ξύλο-'Επιπλο", Αθήνα.
Taylor, G. D. (1983). Materials of Construction, 2nd edition, Construction Press,
London.
Τουλιάτος, Π. (1994). Γενική Εισαγωγή στην Ξύλινη Κατασκευή, Σημειώσεις Σπουδαστηρίου Οικοδομικής Ε.Μ.Π.
Weibull, W. (1939). A Statistical Theory of the Strength of Materials, Proc. Roy. Swed.
Inst. Engrg. Res., No. 151, Stockholm.
Wendehorst, R. (1975). Baustoffkunde, Verlag, Hannover.
290
9. Κεραμικά
9.1. Εισαγωγή
Στη δόμηση, κεραμικά ονομάζονται τα υλικά τα οποία προέρχονται από την όπτηση του πηλού (κονίαμα αργίλου σε συνδυασμό με λεπτή άμμο), στον οποίο έχει προηγουμένως δοθεί η κατάλληλη μορφή. Οι αναλογίες του μίγματος της αργίλου με άμμο, η
διάμετρος των κόκκων των υλικών αυτών καθώς και η θερμοκρασία όπτησης καθορίζουν το είδος και τις ιδιότητες του προϊόντος της τεχνικής που είναι γνωστή ως κεραμευτική. Η τεχνική αυτή έχει ιστορία αρκετών χιλιάδων χρόνων. Άνθησε στον Ασυροβαβυλωνιακό και Αιγυπτιακό πολιτισμό και στην αρχαία Ελλάδα αναπτύχθηκε κυρίως για την
κατασκευή οικιακών σκευών, δοχείων αποθήκευσης τροφίμων, διακοσμητικών στοιχείων, καλλιτεχνικών αντικειμένων, κεραμιδιών και οπτοπλίνθων (τούβλων). Ένα σημαντικό τεχνικό έργο που κατασκευάστηκε με οπτοπλίνθους ήταν το Αδριάνειο υδραγωγείο
των Αθηνών. Στα κεραμικά δομικά στοιχεία περιλαμβάνονται κυρίως οι οπτόπλινθοι
(τούβλα), οι κέραμοι (κεραμίδια) και οι πλάκες επίστρωσης.
9.2. Παρασκευή Κεραμικών
Για όλα τα κεραμικά προϊόντα ακολουθείται η ίδια περίπου παραγωγική διαδικασία, η οποία συνοψίζεται στα εξής στάδια: (α) προετοιμασία της πρώτης ύλης (πηλός)
με καθορισμένες αναλογίες αργίλου, άμμου και νερού (β) καθορισμός σχήματος, με τη
βοήθεια κατάλληλων καλουπιών (γ) ξήρανση του υλικού στον αέρα ή σε ειδικούς θαλάμους (δ) όπτηση σε καμίνια και στερεοποίηση· και (ε) ψύξη (Λεγάκις 1992).
Κατά τη φάση προετοιμασίας της πρώτης ύλης η άργιλος (ένυδρο πυριτικό αργίλιο
με προσμίξεις οξειδίων σιδήρου, μαγνησίου, ασβεστίου κ.τ.λ.) σε συνδυασμό με άμμο
συλλέγεται από διάφορες αποθέσεις σε επιφανειακά στρώματα της γης και εμπλουτίζεται μέσω ανάδευσης σε κατάλληλη δεξαμενή (οπότε απομακρύνονται τυχόν φυτικές
ίνες, ξυλαράκια, χαλίκια, άμμος κ.τ.λ.). Ακολουθεί η λεγόμενη απίσχναση, δηλαδή η αύξηση της περιεκτικότητας της πρώτης ύλης σε αδρανή υλικά, η οποία επιτυγχάνεται
αναμιγνύοντάς την με άμμο (κυρίως χαλαζιακής προέλευσης), η ύγρανση, με την προσθήκη νερού, και η ομοιογενοποίηση εντός περιστρεφομένων κυλίνδρων, οι οποίοι ταυτόχρονα εξωθούν την πρώτη ύλη στα καλούπια.
Στη φάση της μόρφωσης των προϊόντων, η απόκτηση του επιθυμητού σχήματος
γίνεται με εφαρμογή πίεσης στην πρώτη ύλη. Διακρίνονται τρεις μέθοδοι, η υγρή, η ύφυγρη και η ξηρή. Κατά την υγρή μέθοδο ο πηλός περιέχει σημαντική ποσότητα νερού
(20-30% κ.β.), έχει μεγάλη πλαστικότητα και μορφοποιείται με μικρή πίεση (χαμηλές
απαιτήσεις ενέργειας), ενώ κατά ιην ξηρή το περιεχόμενο νερό είναι ελάχιστο (συνήθως
λιγότερο από 10% κ.β., με αποτέλεσμα τη μείωση του χρόνου όπτησης) και η απόδοση
μορφής πριν από την όπτηση γίνεται μέσω πολύ ισχυρής πίεσης (της τάξης των 3-10
MPa). Τα χαρακτηριστικά της ύφυγρης μεθόδου είναι ενδιάμεσα αυτών της υγρής και
της ξηρής (υγρασία γύρω στο 12- 15% κ.β., μέτρια πίεση). Κύριο γνώρισμα των κεραμικών προϊόντων τα οποία παράγονται με την υγρή μέθοδο είναι το σχετικά μεγάλο πορώδες και το χαμηλό βάρος (λόγω των κενών που σχηματίζονται μετά την εξάτμιση του
νερού), καθώς επίσης και η εντονότερη μικρορηγμάτωση.
Κεραμικά
291
Τρίτη φάση παραγωγής των κεραμικών προϊόντων αποτελεί η ξήρανση, η οποία
μπορεί να είναι φυσική ή τεχνητή. Κατά τη φυσική μέθοδο τα προϊόντα τοποθετούνται
σε υπόστεγα με ανοικτές όλες τις πλευρές ώστε να κυκλοφορεί ελεύθερα ο αέρας, ενώ
κατά την τεχνητή μέθοδο η ξήρανση επιτυγχάνεται είτε σε ειδικά ξηραντήρια είτε στην
ίδια την κάμινο όπτησης, χρησιμοποιώντας μικρό μόνο ποσοστό της θερμότητας όπτησης, για μία έως τρεις ημέρες σε 40-150 °C. Πλεονεκτήματα της φυσικής μεθόδου αποτελούν η ομοιομορφία και η ομαλότητα ξήρανσης, ενώ βασικά μειονεκτήματα είναι η καθυστέρηση της παραγωγής και η απαίτηση για μεγάλες διαθέσιμες εκτάσεις.
Η φάση της όπτησης αποσκοπεί στο να αποκτήσουν τα προϊόντα τελική και σταθερή μορφή, καθώς και ικανοποιητικές μηχανικές ιδιότητες. Αυτό επιτυγχάνεται σε ειδικές καμίνους, όπου γίνονται οι παρακάτω αντιδράσεις: (α) Σε θερμοκρασίες μέχρι 100
°C εξατμίζεται τυχόν νερό που έχει απομείνει σε μορφή υγρασίας και μέχρι τους 550600 °C εξατμίζεται και το νερό που είναι φυσικά και χημικά δεσμευμένο από τις ενώσεις
της αργίλου, (β) Στους 900 °C περίπου αρχίζει η λεγόμενη εξυάλωση (τήξη), η οποία
προχωρεί με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το τήγμα το οποίο προέρχεται από τις εύτηκτες προσμίξεις περιβάλλει και συγκολά τους άτηκτους κόκκους, έτσι ώστε το τελικό
προϊόν να αποκτά συνοχή και αντοχή. Η όπτηση των λιθοσωμάτων γίνεται στους 9501050 °C σε καμίνους διαφόρων τύπων, όπως είναι η σωροκάμινος, η κάμινος τύπου
σήραγγας, η κάμινος τύπου Hoffman κ.τ.λ. (π.χ. Σίδερης 1984, lllston 1994). Ιδιαίτερη
φροντίδα κατά την όπτηση πρέπει να δίνεται στην ομοιόμορφη θέρμανση, έτσι ώστε να
αποφεύγονται μικρορηγματώσεις αλλά και διακυμάνσεις στο χρωματισμό και στις ιδιότητες των προϊόντων.
Τέλος, η ψύξη των κεραμικών προϊόντων πρέπει να γίνεται αργά (με διάρκεια αρκετών ημερών) ώστε να αποφεύγονται μικρορηγματώσεις. Ειδικά σε ότι αφορά στη μικρορηγμάτωση κατά την όπτηση και ψύξη αξίζει να αναφερθεί ότι η παρουσία κενών
στα κεραμικά προϊόντα (π.χ. διάτρητα λιθοσώματα) έχει ευεργετικά αποτελέσματα.
Το χρώμα των κεραμικών προϊόντων εξαρτάται από τη χημική σύσταση της
πρώτης ύλης και τη θερμοκρασία όπτησης. Υψηλό ποσοστό οξειδίων του σιδήρου επιφέρει κόκκινο χρώμα, υψηλό ποσοστό ασβεστίου κίτρινο και υψηλό ποσοστό οξειδίου
του αργιλίου πρασινωπό.
9.3. Ιδιότητες Λιθοσωμάτων
Στην ενότητα αυτή ορίζονται και περιγράφονται τα κύρια χαρακτηριστικά των βασικών δομικών προϊόντων της κεραμευτικής, που είναι οι οπτόπλινθοι. Βεβαίως, τα χαρακτηριστικά αυτά είναι κοινά για όλους τους τύπους λιθοσωμάτων, γι' αυτό και η παρουσίαση γίνεται κατά το γενικότερο δυνατό τρόπο.
9.3.1.
Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά και Τύποι Λιθοσωμάτων
Παρακάτω δίνονται μερικοί ορισμοί που αφορούν στη γεωμετρία των λιθοσωμάτων, όπως αυτοί δίνονται στον Ευρωκώδικα 6 (1994):
Οριζόντιες όψεις: οι επάνω και κάτω όψεις ενός λιθοσώματος, όπως αυτό είναι
ενσωματωμένο στην τοιχοποιία.
Εγκοπή: εσοχή, διαμορφούμενη κατά την παραγωγή σε μία ή και στις δύο όψεις
του λιθοσώματος.
Κενό: διαμορφωμένο κενό σε λιθόσωμα, διαμπερές ή τυφλό.
Λαβή: Κενό διαμορφωμένο σε λιθόσωμα ώστε να επιτρέπει την ευκολότερη μετα-
292
φορά του με το ένα ή με τα δύο χέρια ή από μηχανή.
Τοίχωμα: Το συμπαγές υλικό μεταξύ διαδοχικών κενών λιθοσώματος.
Κέλυφος: Το συμπαγές υλικό της περιμέτρου ενός λιθοσώματος μεταξύ μίας όψης
και ενός κενού.
Μικτή διατομή: Το εμβαδόν της διατομής του λιθοσώματος χωρίς την αφαίρεση
οπών, κενών και εσοχών.
Με βάση τη στάθμη ποιοτικού ελέγχου κατά την παραγωγή, τα λιθοσώματα κατατάσσονται στην Κατηγορία I ή II. Η κατάταξη γίνεται στην κατηγορία I, όταν ο παραγωγός αποδέχεται να προμηθεύει αποδεικτικά στοιχεία της επίτευξης από τα λιθοσώματα
μίας προκαθορισμένης θλιπτικής αντοχής. Επίσης διαθέτει σύστημα ποιοτικού ελέγχου,
τα αποτελέσματα του οποίου αποδεικνύουν ότι για τη μέση θλιπτική αντοχή μίας παρτίδας, βάσει δειγμάτων επιλεγομένων κατά το σχετικό τμήμα του Προτύπου ΕΝ 771 και
δοκιμαζομένων βάσει του Προτύπου ΕΝ 772-1, η πιθανότητα να εμφανιστεί τιμή μικρότερη από την προκαθορισμένη δεν ξεπερνά το 5%. Η κατηγορία II πρέπει να χρησιμοποιείται όταν η μέση τιμή της θλιπτικής αντοχής των λιθοσωμάτων συμμορφώνεται με
τη δήλωση που προβλέπεται από το σχετικό μέρος του Προτύπου ΕΝ 771, αλλά δεν
ικανοποιούνται οι πρόσθετες απαιτήσεις της Κατηγορίας I. Ας σημειωθεί ότι οι φυσικοί
λίθοι κατατάσσονται στην Κατηγορία II.
Ομάδα λιθοσώματος
1
2α
2β
3
Όγκος κενών ως πο- ≤ 25
> 25-45 για οπτο- > 45-55 για οπτο- ≤ 70
σοστό % του μικτού
πλίνθους > 25-50 πλίνθους > 50-60
όγκου2
για λιθοσώματα για λιθοσώματα
από σκυρόδεμα από σκυρόδεμα3
Όγκος ενός κενού (% ≤ 12.5
≤ 12.5 για οπτο- ≤ 12.5 για οπτο- Περιορισμός μέγιστου εμβατου μικτού όγκου)
πλίνθους ≤ 25 για πλίνθους ≤ 25 για δού (βλ. παρακάτω)
λιθοσώματα από λιθοσώματα από
σκυρόδεμα
σκυρόδεμα
Εμβαδόν ενός κενού Περιορισμός Περιορισμός
Περιορισμός
≤ 2800 mm2, εκτός από τα λιόγκου
(βλ. όγκου (βλ. παρα- όγκου (βλ. παρα- θοσώματα με ένα μόνο κενό,
παραπάνω) πάνω)
πάνω)
το οποίο δεν μπορεί να υπερβαίνει τα 1800 mm2
Σύνθετο πάχος (% του ≥ 37.5
≥ 37.5
≥ 37.5
συνολικού πλάτους)4
Πίνακας 9.1: Απαιτήσεις για την κατάταξη των λιθοσωμάτων σε Ομάδες
Ακόμα, τα λιθοσώματα πρέπει να κατατάσσονται σε μία από τις Ομάδες 1, 2α, 2β
ή 3, οι απαιτήσεις των οποίων δίνονται στον Πίνακα 9.1.
9.3.2.
9.3.2.1.
Βασικές Μηχανικές Ιδιότητες
Θλιπτική Αντοχή
Η θλιπτική αντοχή των λιθοσωμάτων αποτελεί σημαντική ιδιότητα, η οποία αφενός
είναι ενδεικτική της ποιότητάς τους, αφετέρου χρησιμεύει για την εκτίμηση βασικών ιδιο2 Τα κενά μπορεί να είναι διαμπερή κατακόρυφα ή μορφής εσοχών.
3 Αν υπάρχει εμπειρία βασιζόμενη σε πειράματα, η οποία να επιβεβαιώνει ότι η ασφάλεια της τοιχοποιί ας δεν μειώνεται απαράδεκτα όταν το ποσοστό των κενών είναι μεγαλύτερο, τότε το όριο του 55% για
οπτοπλίνθους και του 60% για λιθοσώματα από σκυρόδεμα μπορεί να αυξηθεί.
4 Είναι το πάχος των τοιχωμάτων και των κελυφών, μετρουμένων οριζοντίως διαμέσου του λιθοσώματος σε ορθή γωνία ως προς τις εξωτερικές όψεις του τοίχου.
Κεραμικά
293
τήτων των τοιχοδομών. Σύμφωνα πάντοτε με τον Ευρωκώδικα 6 (1994), ως θλιπτική
αντοχή λιθοσώματος θεωρείται η μέση θλιπτική αντοχή ενός καθορισμένου πλήθους λιθοσωμάτων. Η αντοχή αυτή, ανηγμένη στη θλιπτική αντοχή ενός ξηρού λιθοσώματος
πλάτους 100 mm και ύψους 100 mm, με πολλαπλασιασμό επί τον συντελεστή δ του Πίνακα 9.2, ονομάζεται ανηγμένη θλιπτική αντοχή (fb). Τέλος, η τιμή της θλιπτικής αντοχής
με πιθανότητα 5% να υποσκελιστεί από τις θλιπτικές αντοχές καθορισμένου πλήθους λιθοσωμάτων ονομάζεται χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή.
Ύψος λιθο- Ελάχιστη οριζόντια διάσταση λιθοσώματος (mm)
σώματος (mm)
50
100
150
200
≥ 250
50
0.85
0.75
0.70
—
—
65
0.95
0.85
0.75
0.70
0.65
100
1.15
1.00
0.90
0.80
0.75
150
1.30
1.20
1.10
1.00
0.95
200
1.45
1.35
1.25
1.15
1.10
≥ 250
1.55
1.45
1.35
1.25
1.15
Πίνακας 9.2: Τιμές του συντελεστή δ.
Η μέτρηση της θλιπτικής αντοχής λιθοσωμάτων στο εργαστήριο γίνεται αφού
προηγηθεί είτε σκληρό "καπέλωμα" με τσιμεντοκονίαμα, σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό
Πρότυπο ΕΝ 772-1, ή λειωμένο θειάφι ή γύψο (π.χ. Αμερικάνικα Πρότυπα ASTM C6789 και C140-75), είτε μαλακό "καπέλωμα", χρησιμοποιώντας λεπτές στρώσεις ξύλου ή
άλλου μαλακού υλικού. Βασικό πλεονέκτημα στην δεύτερη περίπτωση αποτελεί όχι
μόνο η μείωση του χρόνου που απαιτείται για τη διενέργεια της δοκιμής θλίψης αλλά και
η μείωση των εγκαρσίων τάσεων (εγκιβωτισμού) στα άκρα των δοκιμίων (Guo and
Drysdale 1989).
Η θλιπτική αντοχή των λιθοσωμάτων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό και από τη διεύθυνση φόρτισης σε σχέση με αυτήν των κενών. Η φόρτιση παράλληλα στα κενά προκαλεί κατά κανόνα μονοαξονική εντατική κατάσταση, με αποτέλεσμα η θλιπτική αντοχή να
είναι ουσιαστικά αντιστρόφως ανάλογη του ποσοστού κενών, ενώ η κάθετη σε αυτά
προκαλεί πρόσθετες τάσεις λόγω κάμψης των τοιχωμάτων, με αποτέλεσμα τη μείωση
της αντοχής. Τυπικές αντοχές οπτοπλίνθων (δωδεκάοπων) της Ελληνικής αγοράς παράλληλα και κάθετα στη διεύθυνση των οπών είναι της τάξης των 6-14 MPa και 3-6
MPa, αντίστοιχα. Επισημαίνεται ότι σύμφωνα με τις διατάξεις για κτίρια από τοιχοποιία
σε σεισμογενείς περιοχές, η fb πρέπει να είναι τουλάχιστον 2.5 MPa ή 2.0 MPa για φόρτιση κάθετα ή παράλληλα προς την πλευρά έδρασης, αντίστοιχα.
9.3.2.2.
Σχέση Τάσης-Παραμόρφωσης και Μέτρο Ελαστικότητας
Τα κεραμικά λιθοσώματα (οπτόπλινθοι), σε αντίθεση με αυτά από σκυρόδεμα, χαρακτηρίζονται από καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης η οποία αντιστοιχεί ουσιαστικά σε
γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση, που είναι κατά κανόνα ψαθυρή. Ως
μέτρο ελαστικότητας θεωρείται συνήθως το τέμνον μέτρο ελαστικότητας μέχρι το 1/3 περίπου της θλιπτικής αντοχής.
Εφελκυστική Αντοχή
Η εφελκυστική αντοχή των λιθοσωμάτων είναι μείζονος σημασίας για την αντοχή
των τοιχοδομών σε θλίψη και κάμψη. Ο προσδιορισμός της γίνεται είτε άμεσα, με την
απευθείας φόρτιση κατάλληλα στερεωμένων σε ειδικές αρπάγες λιθοσωμάτων (Σχ.
9.1.α), είτε έμμεσα, βάσει δοκιμής σε κάμψη (Σχ. 9.1.β), κατ' αναλογία με το σκυρόδεμα,
294
οπότε προκύπτει η αντοχή σε εφελκυσμό από κάμψη (π.χ. ASTM C67-89).
Τα αποτελέσματα των μεθόδων αυτών χαρακτηρίζονται από σημαντική διασπορά,
γι' αυτό και συχνά υιοθετείται η δοκιμή εφελκυσμού από διάρρηξη (Borchelt and Brown
1978, ASTM 1006-84), η οποία δίνει εξαιρετικά χρήσιμα αποτελέσματα για τη σύγκριση
λιθοσωμάτων με βάση την εφελκυστική αντοχή. Η σχεδόν ομοιόμορφη εφελκυστική
εντατική κατάσταση στο επίπεδο του λιθοσώματος μεταξύ των γραμμικών φορτίων (Σχ.
9.1.γ) προσεγγίζει καλύτερα αυτήν λόγω άμεσου εφελκυσμού, με τις μετρούμενες τιμές
αντοχής να είναι ελάχιστα μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες λόγω άμεσου εφελκυσμού
αλλά με σημαντικά μικρότερη διασπορά. Δεδομένης μάλιστα και της ευκολίας της δοκιμής αυτής, η χρήση της στην πράξη είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη.
Σχ. 9.1: Μέθοδοι ελέγχου εφελκυστικής αντοχής λιθοσωμάτων: (α) άμεσος
εφελκυσμός, (β) εφελκυσμός από κάμψη και (γ) εφελκυσμός από διάρρηξη.
9.3.3.
9.3.3.1.
Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες
Βάρος, Πυκνότητα, Όγκος, Επιφάνεια
Το βάρος των λιθοσωμάτων προσδιορίζεται με ζύγισμά τους σε ξηρή κατάσταση
(π.χ. ASTM C67-89). Ο όγκος μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί μέσω της μεθόδου εμβάπτισης σε νερό. Σύμφωνα με αυτήν, το λιθόσωμα βυθίζεται σε νερό θερμοκρασίας
δωματίου για 24 ώρες, οπότε και μετράται το βάρος του, F. Κατόπιν απομακρύνεται
από το νερό και αφήνεται ελεύθερο να στραγγίσει επάνω σε μεταλλικό πλέγμα για 1 λεπτό, ενώ ακολουθεί απομάκρυνση της ορατής υγρασίας με υγρό ύφασμα. Το βάρος
που μετράται αμέσως μετά ισούται με Ε. Ακολούθως, το λιθόσωμα ξηραίνεται σε φούρνο (100-115 °C) για τουλάχιστον 24 ώρες και έως ότου δύο διαδοχικά ζυγίσματα σε
διάστημα 2 ωρών δώσουν απώλεια βάρους όχι μεγαλύτερη από 0.2% της τελευταίας
μετρηθείσας τιμής βάρους. Το (ξηρό) βάρος στη φάση αυτή είναι ίσο με C. Τέλος, η πυκνότητα D του λιθοσώματος δίνεται ως D = (1000·C)/(E-F) σε kg/m3 και ο καθαρός
όγκος ως A = C/D.
Η παραπάνω μέθοδος είναι αρκετά απλή, αλλά μπορεί να θεωρηθεί και αρκετά
ανακριβής σε περιπτώσεις που το νερό στραγγίζει απότομα μετά την απομάκρυνση του
λιθοσώματος από αυτό. Στις περιπτώσεις αυτές το υγρό βάρος Ε υποεκτιμάται και η
πυκνότητα υπερεκιμάται.
Για λιθοσώματα με ομοιόμορφα κενά, η καθαρή επιφάνεια υπολογίζεται είτε κα-
Κεραμικά
295
τόπιν μετρήσεων, είτε διαιρώντας τον καθαρό όγκο Α με τη διάσταση του λιθοσώματος
κατά τη διεύθυνση των κενών.
9.3.3.2.
Υγρασία, Υδαταπορροφητικότητα
Η περιεκτικότητα των λιθοσωμάτων σε υγρασία εκφράζεται συνήθως από τη διαφορά του βάρους W ενός λιθοσώματος από το βάρος του σε ξηρή κατάσταση, C, διαιρεμένη με τον όγκο του λιθοσώματος. Με βάση το παραπάνω πείραμα εμβάπτισης σε
νερό για 24 ώρες, ως υδαταπορρόφηση ενός λιθοσώματος ορίζεται η ποσότητα
1000·(E-C)/(E-F) σε kg/m3, ή 100·(E-C)/C σε ποσοστό %. Το ποσοστό υγρασίας εκφράζεται επίσης σε ποσοστό % ως 100·(W-C)/(E-F). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει
και ο ρυθμός απορρόφησης υγρασίας, ιδιαίτερα σε ότι αφορά στην αλληλεπίδραση λιθοσωμάτων με το νωπό κονίαμα των αρμών τοιχοδομών. Αυτός ποσοτικοποιείται βάσει
του αρχικού ρυθμού απορρόφησης, ο οποίος προσδιορίζεται μετρώντας το βάρος νερού που απορροφάται από ένα λιθόσωμα σε χρόνο 1 λεπτού, όταν αυτό είναι βυθισμένο σε νερό βάθους 3 mm (σε μονάδες kg/min/m2). Τυπικές τιμές του αρχικού ρυθμού απορρόφησης πρέπει να κυμαίνονται μεταξύ περίπου 0.25-1.5 kg/min/m2. Μικρότερες τιμές αντιστοιχούν σε λιθοσώματα με εξαιρετικά χαμηλούς ρυθμούς απορρόφησης,
τα οποία χαρακτηρίζονται από κακή συνάφεια με τα κονιάματα αρμών τοιχοδομών, ενώ
μεγαλύτερες τιμές έχουν ως αποτέλεσμα την ταχύτατη απορρόφηση του νερού κονιαμάτων και την πρόωρη ξήρανση αυτών, γι' αυτό και πριν από τη χρήση τους σε τοιχοδομές πρέπει να διαβρέχονται (χωρίς όμως να έχουν επιφανειακή υγρασία).
Σε πειράματα μεγαλύτερης διάρκειας, η απορρόφηση νερού από τα λιθοσώματα
ανά μονάδα επιφάνειας αυξάνεται περίπου ανάλογα με την τετραγωνική ρίζα του
χρόνου. Ο συντελεστής της αναλογίας αυτής ονομάζεται συντελεστής υδαταπορροφητικότητας (RILEM 1972).
9.4. Οπτόπλινθοι
9.4.1.
Γενικά, Μορφή, Ιδιότητες
Σχ. 9.2: Παραγωγή οπτοπλίνθων.
Οι οπτόπλινθοι (τούβλα) είναι τεχνητά λιθοσώματα πρισματικού σχήματος, τα
οποία παράγονται κατά τα προαναφερθέντα. Συμπληρωματικά αναφέρεται εδώ ότι στη
φάση της μορφοποίησης η πρώτη ύλη εξωθείται με πρέσσα υψηλής πίεσης, στο στόμιο
της οποίας υπάρχει ειδικό καλούπι που δίνει την επιθυμητή διατομή σε ένα "μασούρι",
296
το οποίο στη συνέχεια κόβεται με σύρμα ανά ορισμένες αποστάσεις (Σχ. 9.2).
Στατιστικές μελέτες έχουν δείξει ότι τα τούβλα καλύπτουν το 1-2% του συνολικού
κόστους της κατασκευής μίας οικοδομής κατοικιών και επηρεάζουν υλικά και εφαρμογές
που καλύπτουν το 18% περίπου του παραπάνω κόστους (υδραυλική και ηλεκτρική
εγκατάσταση, επιχρίσματα, βαφές, πλακίδια κ.τ.λ.). Επιθυμητές ιδιότητές τους είναι η
υψηλή μηχανική αντοχή, η χαμηλή υδαταπορροφητικότητα, η καλή θερμομόνωση και
ηχομόνωση, οι ακριβείς και σταθερές διαστάσεις, η μεγάλη διάρκεια ζωής και φυσικά το
χαμηλό κόστος.
Το χρώμα των τούβλων εξαρτάται από τη χημική σύσταση της αργίλου και κυρίως
από την περιεκτικότητά της σε οξείδια του σιδήρου. Στην Ελλάδα τα τούβλα είναι συνήθως πορτοκαλί-κόκκινα και υποκίτρινα, και διακρίνονται σε διάτρητα (κατά τη διεύθυνση
του μήκους, που συμβολίζονται με Δ.Μ., ή κατά τη διεύθυνση του ύψους, που συμβολίζονται με Δ.Υ.), τα οποία είναι και τα πλέον συνηθισμένα, και συμπαγή (Σ). Σύμφωνα με
τους περισσότερους διεθνείς κανονισμούς, ως συμπαγή τούβλα θεωρούνται και αυτά
που έχουν οπές σε ποσοστό 25% το πολύ και το πάχος των τοιχωμάτων των οπών ξεπερνά τα 20 mm.
Τα τούβλα έχουν κατά κανόνα διαστάσεις τέτοιες ώστε το μήκος τους να είναι
ακέραιο πολλαπλάσιο του πλάτους (ο ακέραιος συντελεστής συνήθως ισούται με 2) συν
ακέραιο πολλαπλάσιο του πάχους αρμού τοιχοδομών (ακέραιος συντελεστής συνήθως
ίσος με 1), που λαμβάνεται ίσο με 10 mm, το δε ύψος να προκύπτει αφαιρώντας από το
πλάτος ακέραιο πολλαπλάσιο των 10 mm (ακέραιος συντελεστής συνήθως ίσος με 1)
και διαιρώντας τη διαφορά με ακέραιο συντελεστή (συνήθως ίσο με 2). Τυπικές μορφές
τούβλων δίνονται στο Σχ. 9.3. Σε αυτό διακρίνονται, μεταξύ άλλων, το γνωστό και αρκετά συνηθισμένο μέχρι πριν από μερικά χρόνια στη δόμηση εξάοπο, το οποίο χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή και ικανοποιητικά μικρή υδαταπορροφητικότητα, χαρακτηρίζεται όμως από πτωχές θερμομονωτικές και ηχομονωτικές ιδιότητες, δυσκολία στην τοποθέτηση ηλεκτρικών και υδραυλικών εγκαταστάσεων και υψηλό κόστος σε σχέση με άλλα
μεγαλύτερα τούβλα, γι' αυτό και σήμερα έχει ουσιαστικά εκτοπιστεί από το δωδεκάοπο.
Σχ. 9.3: Τυπικές μορφές Ελληνικών τούβλων.
Η πυκνότητα των συμπαγών τούβλων είναι περίπου 1950 kg/m3, ενώ των διατρήτων είναι συνήθως της τάξης των 1100 kg/m3. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας
για τα διάτρητα τούβλα είναι περίπου 0.2-0.35 W/mK, ενώ για τα συμπαγή κυμαίνεται
γύρω στο 0.45 W/mK. Ως εκ τούτου, οι τοιχοποιίες που κατασκευάζονται από διάτρητα
τούβλα παρουσιάζουν καλή μόνωση έναντι θερμοκρασιακών μεταβολών (περισσότερες
Κεραμικά
297
λεπτομέρειες για το θέμα αυτό δίνονται στο επόμενο κεφάλαιο). Σχετικά με το συντελεστή θερμικής διαστολής, τυπικές τιμές του για τα τούβλα είναι της τάξης του 4·10-6/°C
έως 8·10-6/°C.
Η θλιπτική αντοχή των τούβλων εξαρτάται από το ποσοστό κενών (Σχ. 9.4), από
την ποιότητα του κεραμικού υλικού και από τη διάταξη των κενών σε σχέση με τη διεύθυνση φόρτισης. Συνήθως είναι υψηλή, συχνά δε αρκετά υψηλότερη απ' ότι απαιτεί ο
σχεδιασμός στοιχείων τοιχοδομών. Αυτό πάντως είναι ιδιαίτερα επιθυμητό, κυρίως γιατί
η αντοχή αποτελεί δείκτη και άλλων χαρακτηριστικών, όπως είναι για παράδειγμα η ανθεκτικότητα σε διάρκεια. Γενικά τούβλα με μέση αντοχή πάνω από 3 MPa και ελάχιστη
αντοχή 2.4 MPa χαρακτηρίζονται ως τούβλα πλήρωσης και συμβολίζονται με το γράμμα
Γ (ειδικά ελαφρότουβλα επένδυσης τα οποία αναλαμβάνουν μόνο το ίδιο βάρος τους
μπορούν να έχουν ελάχιστη μέση αντοχή 1.5 MPa), τούβλα μέσης αντοχής τουλάχιστον
4 MPa και ελάχιστης αντοχής 3.2 MPa χαρακτηρίζονται ως μέσης αντοχής και συμβολίζονται με το Β, ενώ τούβλα με μέση αντοχή τουλάχιστον 5 MPa χαρακτηρίζονται ως
υψηλής αντοχής και συμβολίζονται με το Α.
Σχ. 9.4: Σχέση θλιπτικής αντοχής τούβλων με το πορώδες, ποσοτικοποιημένο με την υδαταπορρόφηση.
Η εφελκυστική αντοχή των τούβλων είναι γενικά μικρή, της τάξης του 10-30% της
θλιπτικής αντοχής. Αυτή δε που προκύπτει από κάμψη είναι κατά 20-50% περίπου μεγαλύτερη από την αντοχή που προκύπτει από δοκιμές διάρρηξης (Sahlin 1971). Σε ότι
αφορά στις μακροχρόνιες παραμορφώσεις των τούβλων λόγω ερπυσμού, αυτές είναι
τόσο μικρές που πρακτικά θεωρούνται αμελητέες.
Τα τούβλα, αλλά και όλα σχεδόν τα προϊόντα κεραμευτικής, χαρακτηρίζονται από
υψηλό πορώδες, της τάξης του 10-40%, με διάμετρο πόρων μεταξύ 0.1-5 μm. Από
αυτό, τα 2/3 αντιστοιχεί σε πόρους διαπερατούς (ανοικτούς). Αποτέλεσμα του πορώδους αυτού είναι η υδαταπορρόφηση, η οποία, όπως έχει οριστεί στα προηγούμενα
βάσει της εμβάπτισης σε νερό για 24 ώρες, πρέπει να είναι γύρω στο 8-15%, ώστε να
298
διευκολύνεται η εφαρμογή των επιχρισμάτων. Μία άλλη μέθοδος ποσοτικοποίησης της
υδαταπορροφητικότητας των τούβλων περιλαμβάνει πλήρη εμβάπτιση μερικά κορεσμένων δοκιμίων, όπως αυτά έχουν προκύψει από την προηγούμενη μέθοδο (εμβάπτισης 24 ωρών), σε βρασμένο νερό για 5 ώρες. Ο λόγος της ποσότητας υγρασίας κατά
την πρώτη μέθοδο προς αυτήν κατά τη δεύτερη ονομάζεται συντελεστής κορεσμού. Ο
συντελεστής αυτός αποτελεί κάποιο μέτρο του λόγου του πορώδους που γεμίζεται σχετικά εύκολα με νερό προς το συνολικό πορώδες, και είναι ενδεικτικός του διαθέσιμου
όγκου άδειων πόρων μετά από ελεύθερη απορρόφηση. Έτσι, μικρές σχετικά τιμές του
συντελεστή κορεσμού αντιστοιχούν σε τούβλα με μεγάλη ανθεκτικότητα σε παγετό,
αφού το διαθέσιμο πορώδες για την περίπτωση αύξησης του όγκου του νερού λόγω
ψύξης είναι σχετικά μεγάλο. Με βάση την υδαταπορροφητικότητα, τα τούβλα κατατάσσονται στις κατηγορίες του Πίνακα 9.3 (ASTM C62-89, ASTM C652-89).
Κατηγορία
Μέγιστη υδαταπορρόφηση 5 ωρών (%)
Μέση τιμή Μέγιστη 5 τούβλων μεμονωμένη
Χ
I
II
Χωρίς όριο
22 25
17 20
Μέγιστος συντελεστής κορεσμού
Μέση τιμή Μέγιστη 5 τούβλων μεμονωμένη
Χωρίς όριο
0.88 0.90
0.78 0.80
Πίνακας 9.3: Μέγιστες τιμές χαρακτηριστικών υδαταπορροφητικότητας τούβλων.
Σε ότι αφορά στην ανθεκτικότητα σε διάρκεια (συμπεριλαμβανομένων των χημικών επιδράσεων από οξέα, βάσεις κ.τ.λ.), αξίζει να τονιστεί ότι τα τούβλα, υπό την προϋπόθεση βέβαια ότι έχουν παρασκευαστεί κατά τα δέοντα (πρώτες ύλες, διαδικασία
όπτησης κ.τ.λ.), έχουν ως χρόνο ζωής αρκετές εκατοντάδες χρόνια. Σε σπάνιες περιπτώσεις μπορεί να εμφανίσουν επανθίσματα, λόγω της ύπαρξης διαλυτών αλάτων στην
πρώτη ύλη ή στο νερό επεξεργασίας, τα οποία πρέπει να αποφεύγονται γιατί προκαλούν φθορά στα επιχρίσματα και αλλοιώσεις στους χρωματισμούς των τοίχων.
Τέλος, πειραματικά δεδομένα για την αντοχή των τούβλων σε πυρκαϊά έχουν
δώσει εξαιρετική συμπεριφορά, ιδιαίτερα στην περίπτωση των συμπαγών τούβλων.
9.4.2.
Ποιοτικός Έλεγχος
Ο ποιοτικός έλεγχος των τούβλων στο εργοτάξιο γίνεται βάσει δειγματοληψίας,
έτσι ώστε μέχρι ποσότητας 50.000 τούβλων να λαμβάνονται από 5 διαφορετικές θέσεις
5 σειρές 10 τούβλων, ενώ για μεγαλύτερες ποσότητες να λαμβάνονται από 5 διαφορετικές θέσεις 5 σειρές 20 τούβλων. Τέτοιες δειγματοληψίες υπόκεινται σε μία σειρά ελέγχων, τα έξοδα των οποίων καταβάλλονται από τον αγοραστή όταν ικανοποιούνται, αλλιώς από τον προμηθευτή.
Ένας πρώτος χονδρικός έλεγχος των τούβλων μπορεί να γίνει κρούοντάς τα με
μεταλλικό αντικείμενο ή άλλο τούβλο, οπότε θα πρέπει να αποδίδουν ήχο μεταλλικό και
καθαρό, ο οποίος αποτελεί δείγμα "υγείας", σε αντίθεση με τον βαρύ και υπόκωφο ήχο,
ο οποίος μαρτυρεί σχετικά άνοπτα τούβλα μειωμένης αντοχής. Άλλοι έλεγχοι περιγράφονται ακολούθως, ενώ λεπτομέρειες για τις προδιαγραφές τούβλων (από άργιλο)
δίνονται στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 771-1.
Έλεγχος διαστάσεων. Γίνεται με διαστημόμετρο ακριβείας και επιτρέπει ανοχές 2
mm σε σχέση με τις ονομαστικές διαστάσεις των τούβλων. Σε περίπτωση παραβίασης
των ανοχών γίνεται νέα δειγματοληψία και αν τα αποτελέσματά της δεν συμφωνούν με
την πρώτη διεξάγεται και τρίτη η οποία είναι και η οριστική. Τα δοκίμια που ελέγχονται
είναι 2 μη ελαττωματικά από τις 5 σειρές που έχουν ληφθεί.
Έλεγχος σε διογκούμενα σώματα. Γίνεται σε 5 μη ελαττωματικά τούβλα, ως
Κεραμικά
299
εξής: Τα δοκίμια τοποθετούνται μέσα σε δοχείο το οποίο γεμίζεται με νερό μέχρι υπερκάλυψης των δοκιμίων κατά 20 mm. Το νερό βράζει επί 2 ώρες αφού επιτευχθεί η θερμοκρασία βρασμού σε διάστημα 30 περίπου λεπτών. Ακολούθως τα δοκίμια ψύχονται
και κατόπιν γίνεται μακροσκοπική εξέταση για τυχόν αποφλοιώσεις. Ας σημειωθεί επίσης ότι η δοκιμή θλιπτικής αντοχής σε τούβλα τα οποία έχουν υποστεί διαδικασία βρασμού κατά τα παραπάνω δεν θα πρέπει να αναδείξει μείωση της αντοχής πάνω από
15% της αρχικής τιμής (πριν από το βρασμό).
Έλεγχος παραμορφώσεων (επιπεδότητας). Γίνεται σε 5 τούβλα, αφού προηγηθεί καλός καθαρισμός με βούρτσα. Για κυρτή επιφάνεια χρησιμοποιείται χαλύβδινη
ράβδος κατά μήκος ή διαγώνια, επιλέγεται η θέση με τη μεγαλύτερη εκτροπή από την
επιπεδότητα και μετράται το βέλος με ακρίβεια 0.5 mm. Για κοίλη επιφάνεια χρησιμοποιείται χαλύβδινη ή γυάλινη επιφάνεια και μετρώνται οι αποστάσεις των τεσσάρων γωνιών από την επίπεδη επιφάνεια με ακρίβεια 0.5 mm. Το μέγιστο βέλος υπολογίζεται ως
η μέση τιμή των τεσσάρων αποστάσεων. Και στις δύο περιπτώσεις, το βέλος πρέπει να
είναι μικρότερο από 5 mm.
Ευθυγραμμία ακμών. Ελέγχονται 5 μη ελαττωματικά τούβλα. Κάθε δοκίμιο τοποθετείται επάνω σε γυάλινη ή χαλύβδινη οριζόντια επιφάνεια κατά τέτοιο τρόπο ώστε το
διαγώνιο επίπεδο του να είναι κατακόρυφο. Το βέλος ακμής δεν πρέπει να υπερβαίνει
τα 5 mm, μετρημένο με ακρίβεια 0.5 mm.
Συμπερασματικά θα μπορούσε να αναφερθεί ότι ανεξάρτητα από τον τύπο τούβλων που θα επιλεγεί για την κατασκευή μίας τοιχοποιίας, πρέπει γενικά να προτιμώνται τούβλα με συγκεκριμένες τεχνικές προδιαγραφές από κάποιο δόκιμο παραγωγό.
Η σχέση καλών ιδιοτήτων των τούβλων και κόστους δείχνει ότι είναι προς το συμφέρον
του αγοραστή να χρησιμοποιούνται προϊόντα υψηλών προδιαγραφών και σωστής κατασκευής, έστω και αν έχουν ελαφρώς αυξημένο κόστος.
9.4.3.
Πυρίμαχες Πλίνθοι
Οι πυρίμαχες πλίνθοι (κοινώς πυρότουβλα) είναι τεχνητά λιθοσώματα της ίδιας περίπου σύστασης με τα κοινά τούβλα δόμησης αλλά με μεγαλύτερη αντοχή σε υψηλές
(πάνω από 1500 °C), παρατεταμένες και απότομα μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες. Η
αντοχή αυτή οφείλεται κυρίως στα οξείδια του αργιλίου και του πυριτίου. Χρησιμοποιούνται ευρύτατα στις βιομηχανίες για την εσωτερική επένδυση κλιβάνων, καμίνων, εστιών,
καπνοδόχων κ.τ.λ. Ανάλογα με τη χημική τους συμπεριφορά (δηλαδή την αντοχή τους
σε ορισμένες χημικές αντιδράσεις) τα πυρότουβλα διακρίνονται σε όξινα, ουδέτερα και
βασικά, ενώ ανάλογα με τη σύστασή τους διακρίνονται σε αργιλικά (τα οποία κατασκευάζονται από όσο το δυνατόν καθαρότερη άργιλο) και σε πυριτικά (με πρώτη ύλη
σχεδόν καθαρό χαλαζία).
9.5. Άλλοι Τύποι Πλίνθων
9.5.1.
Πλίνθοι από Σκυρόδεμα
Οι πλίνθοι από σκυρόδεμα δεν αποτελούν προϊόντα κεραμευτικής με την έννοια
που περιγράφεται παραπάνω, η συνοπτική παρουσίασή τους όμως στα πλαίσια του
παρόντος κεφαλαίου γίνεται κυρίως για λόγους πληρότητας σε ότι αφορά στα τεχνητά
λιθοσώματα.
Παρασκευάζονται από τσιμέντο, άμμο, γαρμπίλι και νερό, σε αναλογία
τσιμέντο:αδρανή περίπου 1:10-12 κ.β. Το ανάμιγμα παρασκευάζεται ύφυγρο (δίνοντας
300
σχεδόν μηδενική κάθιση) και μέσω ειδικής μηχανής τοποθετείται σε καλούπια τα οποία
δονούνται και αφαιρούνται σχεδόν αμέσως, επιτρέποντας την παραγωγή αρκετών εκατοντάδων στοιχείων ανά ώρα. Οι διαστάσεις των στοιχείων, τυπικές μορφές των οποίων
δίνονται στο Σχ. 9.5, κυμαίνονται στα εξής όρια: μήκος 0.4-0.6 m, πλάτος 0.1-0.3 m και
ύψος 0.2-0.25 m.
Επειδή τόσο η τεχνολογία παραγωγής όσο και οι ιδιότητες των πλίνθων σκυροδέματος καλύπτονται ουσιαστικά στο Κεφάλαιο 6, το οποίο είναι αφιερωμένο αποκλειστικά στο σκυρόδεμα, παρακάτω δίνεται μόνο μία σύντομη αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά τους.
Πλεονεκτήματα των πλίνθων σκυροδέματος έναντι των κοινών τούβλων αποτελούν η ευκολότερη και χαμηλότερου κόστους παραγωγή τους, η καλύτερη μηχανική
αντοχή, η μικρότερη υδατοπερατότητα και οι κανονικότερες διαστάσεις, ενώ στα μειονεκτήματά τους περιλαμβάνονται το μεγαλύτερο βάρος και η μικρή θερμομονωτική ικανότητα, γι' αυτό και η χρήση τους στην Ελλάδα περιορίζεται κυρίως στη δόμηση αποθηκευτικών και βιομηχανικών χώρων. Σε μία προσπάθεια αναίρεσης των μειονεκτημάτων
των πλίνθων σκυροδέματος έχουν αναπτυχθεί και οι λεγόμενες ελαφρόπλινθοι, δηλαδή
λιθοσώματα από ελαφροσκυρόδεμα (π.χ. οι κισσηρόπλινθοι με αδρανή κίσσηρης) και
πλίνθοι από κυψελωτό σκυρόδεμα (τύπου π.χ, "αλφαμπλόκ" ή YTONG), οι οποίες είναι
ελαφρότατες και παρουσιάζουν άριστη θερμο-ηχο-μόνωση, αλλά χαρακτηρίζονται από
μειωμένη αντοχή.
Σχ. 9.5: Τυπικές μορφές πλίνθων σκυροδέματος.
Τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για πλίνθους σκυροδέματος σε θλίψη
δίνονται στο Σχ. 9.6, το οποίο καταδεικνύει τη γνώριμη συμπεριφορά του σκυροδέματος. Στο ίδιο σχήμα δείχνεται και η επίδραση στη θλιπτική αντοχή των συνθηκών φόρτισης. Η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος τέτοιων πλίνθων κυμαίνεται μεταξύ 5-30
MPa, το μέτρο ελαστικότητας αυτών είναι περίπου 500 έως 1000 φορές μεγαλύτερο
από τη θλιπτική αντοχή και ο λόγος Poisson μπορεί να θεωρηθεί ίσος με 0.2. Η εφελκυστική αντοχή των πλίνθων σκυροδέματος είναι της τάξης του 10% της θλιπτικής αντοχής.
Σημαντικό χαρακτηριστικό των πλίνθων σκυροδέματος αποτελεί η συστολή ξήρανσης, η τελική τιμή της οποίας είναι της τάξης του 0.01-0.05%. Επειδή μάλιστα η συστολή
αυτή σχετίζεται με την υδαταπορροφητικότητα, αξίζει να τονιστεί ότι οι πλίνθοι σκυροδέματος δεν θα πρέπει σε καμμία περίπτωση να διαβρέχονται πριν τη δόμηση, ώστε τα
φαινόμενα λόγω συστολής ξήρανσης να περιορίζονται στο ελάχιστο δυνατό. Σε ότι αφορά στον ερπυσμό ισχύουν τα περί σκυροδέματος.
Εκτός από την παρασκευή πρισματικών στοιχείων τυποποιημένων διαστάσεων,
όπως αυτά που περιγράφονται παραπάνω, το σκυρόδεμα μπορεί να αποτελέσει την
πρώτη ύλη παραγωγής πλίνθων που χαρακτηρίζονται ως "τεχνητοί λίθοι".
Λεπτομερείς προδιαγραφές για πλίνθους σκυροδέματος (συμπεριλαμβανομένων
των ελαφροπλίνθων και των τεχνητών λίθων) δίνονται στα Ευρωπαϊκά Πρότυπα ΕΝ
Κεραμικά
301
771-1, ΕΝ 771-4 και ΕΝ 771-5.
Σχ. 9.6: Τυπικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για πλίνθους σκυροδέματος.
9.5.2.
Ασβεστοπυριτικές Πλίνθοι
Οι ασβεστοπυριτικές πλίνθοι, γνωστές περισσότερο στο εξωτερικό και ελάχιστα
στη χώρα μας, παρασκευάζονται με ανάμιξη χαλαζιακής άμμου, σκόνης ασβεστόλιθου,
νερού και ενδεχομένως και χρωστικών ουσιών. Μετά την ανάμιξη οι πρώτες ύλες οδηγούνται σε ειδικές πρέσσες, οι οποίες τις εξωθούν στα καλούπια υπό πίεση. Ακολούθως
οι πλίνθοι οδηγούνται σε αυτόκλειστο, όπου η παρουσία υψηλής πίεσης και ατμού οδηγούν στην ένωση του ασβεστόλιθου με μέρος της άμμου δίνοντας ένυδρο πυριτικό
ασβέστιο (τομπερμορίτης), το οποίο αποτελεί και τη συνδετική ύλη στο υλικό των πλίνθων (που, κατά κανόνα, είναι συμπαγείς).
Η θλιπτική αντοχή των ασβεστοπυριτικών πλίνθων, η οποία εξαρτάται όχι μόνο
από την ποιότητα του ασβεστόλιθου αλλά και από τις συνθήκες του αυτοκλείστου (π.χ.
πίεση) κυμαίνεται μεταξύ 15-35 MPa, ενώ η εφελκυστική αντοχή από κάμψη είναι συνήθως 2-5 MPa.
Άλλες ιδιότητες έχουν ως εξής: πυκνότητα 1700-2100 kg/m3, υδαταπορρόφηση 515%, συντελεστής θερμικής διαστολής από 8·10-6/°C έως 15·10-6/°C, συστολή ξήρανσης
μεταξύ 0.01-0.04%, μέτρο ελαστικότητας 14-18 GPa (Jackson and Dhir 1988, Drysdale
et al. 1994).
Οι σχετικές με τις ασβεστοπυριτικές πλίνθους προδιαγραφές δίνονται στο Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 771-2.
9.6. Κεραμίδια, Πλάκες Επίστρωσης
Τα κεραμίδια, τα οποία χρησιμοποιούνται για την κάλυψη επικλινών στεγών, διακρίνονται σε κυρτά (Βυζαντινού τύπου), πτυχωτά (Γαλλικού τύπου, Ρωμαϊκού τύπου
κ.τ.λ.) και πλακοειδή. Οι βασικοί τύποι που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα δίνονται στο
Σχ. 9.7. Τα κεραμίδια παρασκευάζονται από πηλό, ο οποίος απλώνεται σε φύλλα
πάχους 10 mm περίπου και τοποθετείται σε καλούπια ανάλογα με την επιδιωκόμενη
μορφή και σχήμα. Ακολούθως γίνεται η ξήρανση (σε στατικά ξηραντήρια, με διάρκεια
302
12-62 ώρες, ή σε ειδικά περιστρεφόμενα ξηραντήρια, με διάρκεια 1-48 ώρες) και η
όπτηση, κατά τα προαναφερθέντα.
Σχ. 9.7: Βασικοί τύποι κεραμιδιών.
Η σωστή επιλογή κεραμιδιών αποτελεί διαδικασία η οποία απαιτεί σχετική γνώση
και εμπειρία. Βασικές οδηγίες οι οποίες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή
κεραμιδιών δίνονται παρακάτω:
•
Πρέπει να αποφεύγονται κεραμίδια με ρωγμές, σπασίματα και ανομοιόμορφο
χρώμα.
•
Κατά το κτύπημά τους από μεταλλικό αντικείμενο, πρέπει να δίνουν οξύ μεταλλικό
ήχο.
•
Οι διαστάσεις τους να μην εμφανίζουν διασπορά πάνω από 2% και η επιφάνειά
τους να μην εμφανίζει ρωγμές και κρατήρες.
•
Η πυκνότητά τους να κυμαίνεται γύρω στα 1900-2600 kg/m3.
•
Η σκληρότητά τους να είναι μόλις μικρότερη από αυτήν του χάλυβα, δηλαδή να χαράσσονται δύσκολα από μαχαίρι.
•
Η θραύση τους να επέρχεται χωρίς συντριβή, ενώ η επιφάνεια θραύσης να εμφανίζει γωνιώδεις ακμές και κοκκώδη δομή.
•
Υποβαλλόμενα σε βρασμό επί δύο ώρες να μην παρουσιάζουν αλλοιώσεις και να
παραμένουν σκληρά και συνεκτικά.
•
Όταν φορτίζονται με βάρος μέτριου άνδρα (75 kg) σε άνοιγμα 0.25 m να μην θραύονται. Για το σκοπό αυτό γίνονται 6 δοκιμές.
•
Το πορώδες να είναι χαμηλό, ώστε να είναι πρακτικά αδιαπέρατα από το νερό.
Αυτό συμβαίνει όταν η εφίδρωση της κάτω επιφάνειας κεραμιδιών, στην επάνω επιφάνεια των οποίων διατηρείται στήλη νερού ύψους 50 mm, παρουσιάζεται μετά την παρέλευση 2 περίπου ωρών το λιγότερο. Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί ότι το πορώδες
των κεραμιδιών μειώνεται μετά την τοποθέτησή τους στο έργο, λόγω της σκόνης της
ατμόσφαιρας.
Σε ειδικές περιπτώσεις η στεγανότητα των κεραμιδιών βελτιώνεται με εφυάλωση, η
οποία επιτυγχάνεται με την εισαγωγή εύτηκτων υλικών κατά την όπτηση, σχηματίζοντας
αδιαπέρατη επιφανειακή στρώση πάχους 0.1-0.2 mm. Το συνηθέστερο και φθηνότερο
εφυάλωμα επιτυγχάνεται με χλωριούχο νάτριο, ενώ τη μεγαλύτερη αντοχή δίνουν εφυα-
Κεραμικά
303
λώματα από ενώσεις πυριτίου, μολύβδου, βαρίου και κασσιτέρου.
Τα πλακίδια και οι κεραμικές πλάκες γενικότερα παρασκευάζονται από πηλό, καολίνη και άλλα πετρώδη υλικά, με συμπίεση σε μεταλλικές φόρμες και όπτηση σε θερμοκρασία 900-1200 °C (π.χ. Βιάζης 1995). Τα παραγόμενα με την μέθοδο αυτή πλακίδια ονομάζονται "μπισκότα", και αποθηκεύονται μέχρις ότου εφαρμοστεί ο χρωματισμός
και το τελείωμα (εφυάλωση). Εφαρμόζονται συνήθως για την επίστρωση δαπέδων και
την επένδυση τοίχων. Ειδική κατηγορία πλακών αποτελούν οι λεγόμενες οξύμαχες, κύριο χαρακτηριστικό των οποίων είναι η μικρή υδαταπορρόφηση (4-6%). Τέτοιες πλάκες
είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές στα οξέα αλλά συνήθως προσβάλλονται από τις βάσεις. Χρησιμοποιούνται σε επενδύσεις δεξαμενών, σε διάφορες εγκαταστάσεις της χημικής βιομηχανίας, σε επιστρώσεις δαπέδων εργοστασίων κ.τ.λ.
9.7. Βιβλιογραφία
Borchelt, J. G. and Brown, R. (1978). ASTM J. Test. Eval., 6, 134-143. Βιάζης, Γ. Α.
(1995). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, Αθήνα.
Drysdale, R. G., Hamid, Α. Α. and Baker, L. R. (1994). Masonry Structures, Behavior
and Design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ.
Eurocode No. 6 (1994). Common Unified Rules for Masonry Structures.
European Standard prEN 771-1 (1992). Specification for Masonry Units - Part 1: Clay
Masonry Units, European Committee for Standardization.
European Standard prEN 771-2 (1992). Specification for Masonry Units - Part 2:
Calcium Silicate Masonry Units, European Committee for Standardization.
European Standard prEN 771-3 (1992). Specification for Masonry Units - Part 3:
Aggregate Concrete Masonry Units (Dense and Light-weight Aggregates), European
Committee for Standardization.
European Standard prEN 771-4 (1992). Specification for Masonry Units - Part 4:
Autoclaved Aerated Concrete Masonry Units, European Committee for Standardization.
European Standard prEN 771-5 (1992). Specification for Masonry Units - Part 5:
Manufactured Stone Masonry Units, European Committee for Standardization.
European Standard prEN 772-1 (1992). Methods of Test for Masonry Units - Part 1:
Determination of Compressive Strength, European Committee for Standardization.
Guo, P. and Drysdale, R. G. (1989). Proc. 5th Canadian Masonry Symp., Vancouver,
599-608.
Illston, J. M. (1994), editor. Construction Materials - Their Nature and Behaviour, Ε &
FN Spon, London.
Jackson, N. and Dhir, R. K. (1988). Civil Engineering Materials, 4th edition, MacMillan
Education Ltd., London.
Λεγάκις, A. A. (1992). Δομικά Υλικά, τόμ. 1, Ίδρυμα Ευγενίδου, Βιβλιοθήκη του Τεχνικού, Αθήνα.
RILEM Natural and Artificial Stones Technical Commission (1972). Testing Methods II Baked Clay Masonry Units, Mater. Struct., 5, 231-259.
Sahlin, S. (1971). Structural Masonry, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ.
Σιδερής, Κ. Κ. (1984). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, τόμ. Β1, Δημοκρ. Πανεπ. Θράκης.
304
10. Τοιχοποιία
10.1. Γενικά
Η κατάλληλη διάταξη των τοιχοσωμάτων και η μεταξύ τους σύνδεση με κονίαμα δίνει την τοιχοποιία ή τοιχοδομή, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύνθετο δομικό υλικό σε πολλά παρόμοιο με το σκυρόδεμα, αφού και τα δύο υλικά αποτελούν "δέμα" μικρότερων δομικών μονάδων (τοιχοσωμάτων ή αδρανών). Έτσι, στα πλαίσια του κεφαλαίου αυτού παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά της τοιχοποιίας ως υλικού δόμησης, η κατανόηση των οποίων αποτελεί βασική προϋπόθεση για τη μελέτη κατασκευών
από τοιχοποιία.
Η τοιχοποιία είναι ένα από τα αρχαιότερα υλικά δόμησης, και παρουσιάζει αρκετά
πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα έναντι άλλων υλικών όπως το σκυρόδεμα. Στα
πλεονεκτήματά της περιλαμβάνονται το σχετικά χαμηλό κόστος, η ευκολότερη προστασία έναντι πυρκαϊάς, θερμοκρασίας και ήχου, η ταχύτητα και ευκολία στην κατασκευή, η
πολύ καλή αισθητική και η ανθεκτικότητα στο χρόνο. Ως μειονεκτήματά της θα μπορούσαν να αναφερθούν η ψαθυρή φύση της και η μικρότερη αντοχή της (συγκριτικά με το
σκυρόδεμα).
10.2. Αξονική Θλίψη
10.2.1. Τυποποιημένες Δοκιμές και Μηχανισμός Αστοχίας
Οι τοιχοδομές υπόκεινται κατά κανόνα σε θλίψη, γι' αυτό και ο καθορισμός της θλιπτικής τους αντοχής παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Αυτός συνήθως γίνεται στο εργαστήριο βάσει ελέγχων επί πρισματικών δοκιμίων, όπως δείχνεται στο Σχ. 10.1 (π.χ.
ΕΝ 1052-1, RILEMTC 76-LUM 1991).
Τέτοιες δοκιμές, αλλά και δοκιμές επί μεγάλων τμημάτων τοιχοδομών δείχνουν ότι
η αστοχία λόγω ομοιόμορφου θλιπτικού φορτίου χαρακτηρίζεται από την ανάπτυξη
ρωγμών στα λιθοσώματα, με διεύθυνση παράλληλη προς τον άξονα φόρτισης. Το φορτίο αστοχίας καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τις θλιπτικές αντοχές των λιθοσωμάτων
και του κονιάματος, οι οποίες αποτελούν στις περισσότερες περιπτώσεις άνω και κάτω
όριά του (Σχ. 10.2.α).
Σχ. 10.1: Τυπική μορφή πρίσματος τοιχοποιίας για δοκιμή θλίψης.
Τοιχοποιία
305
Σχ. 10.2: Συμπεριφορά πρίσματος τοιχοδομής υπό θλίψη: (α) σχέσεις
τάσης-παραμόρφωσης, (β) εντατική κατάσταση.
Υπό την ίδια θλιπτική τάση και για ανεμπόδιστες παραμορφώσεις η εγκάρσια παραμόρφωση του κονιάματος θα ήταν μεγαλύτερη από την αντίστοιχη των λιθοσωμάτων
(εξαιτίας της διαφοράς των μέτρων ελαστικότητας και λόγω φαινομένου Poisson). Έτσι,
λόγω του συμβιβαστού των παραμορφώσεων στην τοιχοδομή, η τελική εντατική κατάσταση στα τοιχοσώματα και στο κονίαμα είναι τριαξονική, ως αποτέλεσμα του ότι από
τη μία τα λιθοσώματα παρεμποδίζουν εν μέρει την εγκάρσια παραμόρφωση του κονιάματος, ενώ από την άλλη το κονίαμα επιφέρει πρόσθετη εγκάρσια παραμόρφωση
στα λιθοσώματα (Σχ. 10.2.β). Οι εγκάρσιες εφελκυστικές τάσεις στο επίπεδο των λιθοσωμάτων είναι επομένως υπεύθυνες για την ανάπτυξη ρωγμών κάθετα σε αυτές και
άρα παράλληλα στον άξονα φόρτισης.
10.2.2. Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Θλιπτική Αντοχή
Η θλιπτική αντοχή πρισμάτων τοιχοδομών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες,
οι οποίοι περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω.
10.2.2.1. Τύπος και Ύφος Λιθοσωμάτων
Τα διάτρητα λιθοσώματα αντιστοιχούν γενικά σε τοιχοδομές με μειωμένη θλιπτική
αντοχή, λόγω της μικρότερης διαθέσιμης εγκάρσιας επιφάνειάς τους παράλληλα στον
άξονα φόρτισης (Σχ. 10.4).
Σχ. 10.3: Επίδραση ύψους λιθοσωμάτων στη θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας.
Ακόμα, η αντοχή πρισμάτων τοιχοδομών μειώνεται αυξάνοντας το ύψος των λιθοσωμάτων, επειδή η τριβή (εγκιβωτισμός) που αναπτύσσεται στα άκρα των δοκιμίων είναι εντονότερη στα λιθοσώματα μικρού ύψους. Η επίδραση του ύψους λιθοσωμάτων δίνεται στο Σχ. 10.3 για οπτοπλίνθους (Krefeld 1938, Page and Brooks 1985).
306
Σχ. 10.4: Επίδραση οπών και πάχους αρμών στη θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας.
10.2.2.2. Αντοχή Κονιάματος και Λιθοσωμάτων
Όπως δείχνουν και τα πειραματικά αποτελέσματα του Σχ. 10.5.α, η αντοχή τοιχοποιίας αυξάνεται με την αύξηση της αντοχής του κονιάματος, αλλά η αύξηση αυτή γίνεται σχετικά ασήμαντη για κονιάματα υψηλής αντοχής (Monk 1967). Σχετικό με τον ευεργετικό ρόλο της αντοχής των λιθοσωμάτων στην αντοχή τοιχοποιίας είναι και το Σχ.
10.5.β.
Σχ. 10.5: Επίδραση αντοχής (α) κονιάματος και (β) λιθοσωμάτων στη θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας.
10.2.2.3. Πάχος Αρμών
Τοιχοποιία
307
Το πάχος των αρμών τοιχοδομών παίζει σημαντικό ρόλο στην αντοχή τους. Αυτό
φαίνεται στο Σχ. 10.6, από το οποίο συμπεραίνεται ότι μικρό πάχος αρμών εξασφαλίζει
μεγαλύτερες αντοχές (Drysdale and Hamid 1979, Hendry 1990). Ας σημειωθεί πάντως
ότι πρακτικοί αλλά και λόγοι αισθητικής έχουν υποδείξει ότι το βέλτιστο πάχος των αρμών τοιχοποιίας είναι γύρω στα 10 mm, το οποίο θεωρείται ικανοποιητικά μικρό από
άποψη αντοχής.
Σχ. 10.6: Επίδραση πάχους αρμών στη θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας.
10.2.3. Θλιπτική Αντοχή Τοιχοποιίας Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 6
Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 6 (1994), η βασικότερη ιδιότητα μίας τοιχοποιίας είναι η χαρακτηριστική θλιπτική αντοχή fk, δηλαδή αυτή που προσδιορίζεται με πιθανότητα υποσκελισμού 5%. Ο προσδιορισμός γίνεται είτε μέσω δοκιμών θλίψης κάθετα στους
οριζόντιους αρμούς (κατά το Πρότυπο ΕΝ 1052-1) είτε βάσει αξιολόγησης πειραματικών
δεδομένων, τα οποία βασίζονται στη σχέση μεταξύ της χαρακτηριστικής θλιπτικής αντοχής της τοιχοποιίας και των θλιπτικών αντοχών λιθοσωμάτων fb και κονιάματος fm [βλ.
τις 3 παρακάτω εξισώσεις]. Στις σχέσεις αυτές εισάγεται η ανηγμένη θλιπτική αντοχή
των λιθοσωμάτων, η οποία έχει προκύψει από δοκιμές στις οποίες η διεύθυνση φόρτισης ταυτίζεται με τη διεύθυνση δράσης στην τοιχοποιία, ενώ ο συντελεστής δ του Πίνακα 9.2 δεν λαμβάνεται μεγαλύτερος από 1. Στην περίπτωση των λιθοσωμάτων της
Ομάδας 1, οι σχέσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς τροποποίηση, ενώ όταν
χρησιμοποιούνται λιθοσώματα των Ομάδων 2α και 2β, οι τιμές του συντελεστή Κ
πρέπει να πολλαπλασιάζονται επί 0.5.
10.2.3.1. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Γενικής Εφαρμογής και Πλήρεις Αρμούς
10.1
f k =K f 0.65
f 0.25
b
m
(MPa)
όπου η μέση θλιπτική αντοχή του κονιάματος, fm, λαμβάνεται το πολύ ίση με
min(20 MPa, 2 fb) και Κ είναι μία σταθερά σε (MPa)0.10, η οποία μπορεί να ληφθεί:
0.60 για λιθοσώματα της Ομάδας 1 όταν το πάχος της τοιχοποιίας είναι ίσο με το
μήκος ή με το πλάτος των λιθοσωμάτων, έτσι ώστε να μην υπάρχει διαμήκης αρμός κονιάματος σε όλο το μήκος της τοιχοδομής ή σε τμήμα αυτής (Σχ. 10.7.α και Σχ. 10.8),
308
0.55 για λιθοσώματα της Ομάδας 2α όταν το πάχος της τοιχοποιίας είναι ίσο με το
μήκος ή με το πλάτος των λιθοσωμάτων, έτσι ώστε να μην υπάρχει διαμήκης αρμός κονιάματος σε όλο το μήκος της τοιχοδομής ή σε τμήμα αυτής (Σχ. 10.7.α και Σχ. 10.8),
0.50 για λιθοσώματα της Ομάδας 2β όταν το πάχος της τοιχοποιίας είναι ίσο με το
μήκος ή με το πλάτος των λιθοσωμάτων, έτσι ώστε να μην υπάρχει διαμήκης αρμός κονιάματος σε όλο το μήκος της τοιχοδομής ή σε τμήμα αυτής (Σχ. 10.7.α και Σχ. 10.8),
0.50 όταν, για λιθοσώματα της Ομάδας 1, υπάρχει διαμήκης αρμός κονιάματος σε
όλο το μήκος του τοίχου ή σε τμήμα αυτού (Σχ. 10.7.β, 10.9 και 10.10),
0.45 όταν, για λιθοσώματα της Ομάδας 2α, υπάρχει διαμήκης αρμός κονιάματος
σε όλο το μήκος του τοίχου ή σε τμήμα αυτού (Σχ. 10.7.β, 10.9 και 10.10),
0.40 όταν, για λιθοσώματα της Ομάδας 2β, υπάρχει διαμήκης αρμός κονιάματος
σε όλο το μήκος του τοίχου ή σε τμήμα αυτού (Σχ. 10.7.β, 10.9 και 10.10),
0.40 για λιθοσώματα της Ομάδας 3.
Σχ. 10.7: Τυπικές καθ' ύψος τομές σε μονόστρωτους τοίχους: (α) τοίχοι
χωρίς διαμήκεις αρμούς, (β) τοίχοι με διαμήκη αρμό.
Σχ. 10.8: Τυπικές καθ' ύψος τομές κοίλου τοίχου.
Όταν χρησιμοποιούνται λιθοσώματα από σκυρόδεμα ανήκοντα στην Ομάδα 2 και
τα κατακόρυφα κενά τους γεμίζονται πλήρως με επί τόπου χυτευόμενο σκυρόδεμα, τότε
η τιμή του fb μπορεί να ληφθεί θεωρώντας ότι τα λιθοσώματα ανήκουν στην Ομάδα 1.
Στην περίπτωση αυτή η χαρακτηριστική αντοχή της τοιχοποιίας αναφέρεται στην καθαρή διατομή της, υπό τον όρο ότι η χαρακτηριστική αντοχή του σκυροδέματος πλήρωσης
δεν υπολείπεται της θλιπτικής αντοχής των λιθοσωμάτων ανηγμένης στην καθαρή διατομή τους. Όταν αυτή η τελευταία προϋπόθεση δεν πληρούται, η τιμή του fb θα πρέπει
να λαμβάνεται ως να ήταν τα λιθοσώματα πλήρη με θλιπτική αντοχή ίση με την χαρακτηριστική αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος πλήρωσης.
Τοιχοποιία
309
Σχ. 10.9: Τυπικές καθ' ύψος τομές σε δίστρωτο τοίχο.
Σχ. 10.10: Τυπική καθ' ύψος τομή σε τοίχο όψης.
10.2.3.2. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Κονίαμα Λεπτής Στρώσης (1-3 mm) και Πλήρεις Αρμούς
Όταν χρησιμοποιούνται λιθοσώματα πυριτικού ασβεστίου ή ελαφρόπλινθοι από
σκυρόδεμα:
f k =0.8 f b0.85
(MPa )
υπό τους όρους ότι: (α) τα λιθοσώματα έχουν τέτοιες ανοχές διαστάσεων ώστε να
είναι κατάλληλα προς χρήση με κονιάματα λεπτής στρώσης, (β) η ανηγμένη θλιπτική
αντοχή των λιθοσωμάτων, fb, δεν λαμβάνεται μεγαλύτερη από 50 MPa, (γ) το κονίαμα
λεπτής στρώσης έχει θλιπτική αντοχή τουλάχιστον 5 MPa και (δ) το πάχος της τοιχοποιίας ισούται με το πλάτος ή με το μήκος του λιθοσώματος, έτσι ώστε να μην υπάρχει δια μήκης αρμός μέσα στο μήκος του τοίχου ή σε τμήμα αυτού.
Όταν χρησιμοποιούνται λιθοσώματα κάθε ομάδας και είδους πλην αυτών από πυριτικό ασβέστιο και των ελαφρολίθων από σκυρόδεμα της Ομάδας 1, η fκ μπορεί να
υπολογιστεί από την εξίσωση 10.1 (σελ. 307), όπου η σταθερά Κ [σε (Mpa)0.10] λαμβάνεται ίση με:
0.70 για λιθοσώματα της Ομάδας 1,
0.60 για λιθοσώματα της Ομάδας 2α,
0.50 για λιθοσώματα της Ομάδας 2β,
υπό τον όρο ότι ισχύουν επί πλέον οι απαιτήσεις (α)-(δ) της παραπάνω παραγράφου.
10.2.3.3. Τοιχοποιία Κατασκευασμένη με Ελαφροκονίαμα και Πλήρεις Αρμούς
310
Όταν χρησιμοποιούνται λιθοσώματα Ομάδων 1, 2α και 2β:
0.65
f k =K f b
( MPa)
υπό τον όρο ότι το fb δεν λαμβάνεται μεγαλύτερο από 15 MPa και το πάχος της
τοιχοποιίας είναι ίσο με το πλάτος ή με το μήκος των λιθοσωμάτων, ώστε να μην υπάρχει διαμήκης αρμός κονιάματος κατά το μήκος του τοίχου ή σε τμήμα αυτού, όπου η
σταθερά Κ [σε (MPa)0.10] λαμβάνεται ίση με:
0.80 όταν χρησιμοποιείται ελαφροκονίαμα με πυκνότητα 600-1500 kg/m3 σε τοιχοποιία από λιθοσώματα ελαφροσκυροδέματος (Πρότυπα ΕΝ 771-3 και ΕΝ 771-4),
0.70 όταν χρησιμοποιείται ελαφροκονίαμα με πυκνότητα 700-1500 kg/m3 σε τοιχοποιία από οπτοπλίνθους (Πρότυπο ΕΝ 771-1), από λιθοσώματα πυριτικού ασβεστίου
(Πρότυπο ΕΝ 771-2) ή λιθοσώματα από σκυρόδεμα (Πρότυπο ΕΝ 771-3),
0.55 όταν χρησιμοποιείται ελαφροκονίαμα με πυκνότητα 600-700 kg/m3 σε τοιχοποιία από οπτοπλίνθους (Πρότυπο ΕΝ 771-1), από λιθοσώματα πυριτικού ασβεστίου
(Πρότυπο ΕΝ 771-2) ή λιθοσώματα από σκυρόδεμα (Πρότυπο ΕΝ 771-3).
Τέλος, για τις αρκετά ειδικές περιπτώσεις τοιχοποιίας με μη πληρωμένους κατακόρυφους αρμούς ή από ειδικά "σκαφοειδή" λιθοσώματα, ο αναγνώστης παραπέμπεται
στον Ευρωκώδικα 6 (1994).
10.2.4. Παραμορφωσιακά Χαρακτηριστικά Τοιχοδομών
Το Σχ. 10.11 δείχνει ότι το διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης τοιχοποιίας εξαρτάται από τον τύπο λιθοσωμάτων: για τοιχοποιίες από πλίνθους σκυροδέματος ομοιάζει
σημαντικά με το αντίστοιχο του σκυροδέματος, ενώ για αυτές από οπτοπλίνθους χαρακτηρίζεται από λιγότερο έντονη μη-γραμμικότητα, γεγονός που υποδηλώνει την ψαθυρή
φύση τέτοιων τοιχοδομών.
Σχ. 10.11: Σχέσεις τάσης-παραμόρφωσης τοιχοποιίας (α) με οπτοπλίνθους
και (β) με πλίνθους σκυροδέματος.
Ως (βραχυχρόνιο) μέτρο ελαστικότητας Ε λαμβάνεται συνήθως η κλίση της γραμμής του διαγράμματος η οποία ενώνει τα σημεία που αντιστοιχούν σε 5% και 33% της
θλιπτικής αντοχής, και προσδιορίζεται μέσω δοκιμών σε πρισματικά δοκίμια κατά το
Πρότυπο ΕΝ 1052-1. Όταν δεν διατίθεται τιμή προσδιορισθείσα κατά το παραπάνω
πρότυπο, το Ε μπορεί να ληφθεί σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 6 (1994) ίσο με 1000fK,
Τοιχοποιία
311
εκτός αν χρησιμοποιείται σε υπολογισμούς για τις οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας
(π.χ. εκτίμηση βελών κάμψης), οπότε η τιμή του Ε πολλαπλασιάζεται επί 0.6. Πειραματικά δεδομένα για τη σχέση μέτρου ελαστικότητας και θλιπτικής αντοχής δίνονται στο
Σχ. 10.12 (Grimm 1984, Hamid et al. 1987).
Σχ. 10.12: Μέτρο ελαστικότητας τοιχοποιίας συναρτήσει μέσης θλιπτικής
αντοχής: (α) οπτόπλινθοι, (β) πλίνθοι από σκυρόδεμα.
Μία εναλλακτική μέθοδος εκτίμησης του Ε κατά τους Αμερικάνικους Κανονισμούς
(ACI 530/ASCE5/TMS 402-92, 1992), βασιζόμενη σε ισορροπία και στο συμβιβαστό
των παραμορφώσεων (αλλά αγνοώντας την πολυαξονικότητα της εντατικής κατάστασης) δίνει:
E=
1
δ 1−δ
+
Eb Em
όπου δ = tb/(tb + tm), tb = ύψος λιθοσώματος, tm = πάχος αρμών, Eb = μέτρο ελαστικότητας λιθοσώματος και Em = μέτρο ελαστικότητας κονιάματος αρμών.
Το μέτρο διάτμησης G της τοιχοποιίας είναι περίπου ίσο με το 40% του μέτρου
ελαστικότητας. Άλλες παραμορφωσιακές ιδιότητες της τοιχοποιίας για διάφορα είδη λιθοσωμάτων και για κονίαμα γενικής εφαρμογής, όπως είναι ο ερπυσμός, η συστολή
ξήρανσης (και η διαστολή λόγω βράχυνσης) και ο συντελεστής θερμικής διαστολής,
312
δίνονται στον Πίνακα 10.1 (Ευρωκώδικας 6, 1994).
Τύπος λιθοσώματος
Τελικός συντελεστής Τελική συστολή λόγω ξήερπυσμού5
ρανσης ή διαστολή λόγω
υγρασίας6 (·10-3)
Εύρος τι- Τιμή σχε- Εύρος τι- Τιμή σχεδιαμών
διασμού
μών
σμού
Οπτόπλινθοι
0.5 ÷ 1.5
1.0
-0.2 ÷ 1.0
Βλ.7
Πυριτικό ασβέστιο
1.0 ÷ 2.0
1.5
-0.4 ÷ -0.1
-0.2
Λιθοσώματα από σκυ- 1.0 ÷ 2.0
1.5
-0.6 ÷ -0.1
-0.2
ρόδεμα και τεχνητοί λίθοι
Λιθοσώματα από ελαφρο- 1.0 ÷ 3.0
2.0
-1.0 ÷ -0.2
-0.48
σκυρόδεμα
-0.29
Ελαφρόπλινθοι από σκυ- 1.0 ÷ 2.5
1.5
-0.4 ÷ 0.2
-0.2
ρόδεμα
Φυσικοί λίθοι
Βλ.10
0.0
-0.4 ÷ 0.7
0.1
Συντελεστής θερμικής
διαστολής (·10-6/°C)
Εύρος τι- Τιμή σχεμών
διασμού
4÷8
6
7 ÷ 11
9
6 ÷ 12
10
8 ÷ 12
10
7÷9
8
3 ÷ 12
7
Πίνακας 10.1: Παραμορφωσιακές ιδιότητες τοιχοποιίας
10.3. Εφελκυσμός από Κάμψη εκτός Επιπέδου
10.3.1. Μορφές Αστοχίας, Πειραματικός Προσδιορισμός
Η εφελκυστική αντοχή από κάμψη εκτός επιπέδου σχετίζεται με την αντοχή της
τοιχοποιίας υπό φόρτιση λόγω ανέμου ή σεισμού κάθετα στο επίπεδο της, λόγω έκκεντρης θλίψης κ.τ.λ. Ανάλογα με τις συνθήκες στήριξης και τη γεωμετρία, η κάμψη στις
τοιχοδομές μπορεί να είναι είτε ως προς οριζόντιο άξονα, οπότε το επίπεδο θραύσης είναι παράλληλο προς τους οριζόντιους αρμούς (Σχ. 10.13.α), είτε ως προς κατακόρυφο
άξονα, οπότε το επίπεδο θραύσης είναι κάθετο προς τους οριζόντιους αρμούς (Σχ.
10.13.β).
Σχ. 10.13: Καμπτική αστοχία τοιχοποιίας.
Ο προσδιορισμός της εφελκυστικής αντοχής από κάμψη γίνεται βάσει των πειραματικών διατάξεων (κάμψης τεσσάρων σημείων) του Σχ. 10.14.α και β, για εφελκυσμό
κάθετα και παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς, αντίστοιχα, σύμφωνα με το Πρότυπο
5 Ισούται με το λόγο της τελικής ερπυστικής παραμόρφωσης προς την ελαστική.
6 Αρνητική τελική τιμή διαστολής λόγω υγρασίας ή συστολής λόγω ξήρανσης δηλώνει βράχυνση, ενώ
θετική δηλώνει μήκυνση.
7 Οι τιμές εξαρτώνται από το υλικό.
8 Ισχύει για αδρανή από τέφρα ή από διογκωμένη άργιλο.
9 Ισχύει για ελαφρά αδρανή πλην τέφρας και διογκωμένης αργίλου.
10 Οι τιμές είναι πολύ χαμηλές.
Τοιχοποιία
313
ΕΝ 1052-2 ή τις προδιαγραφές της RILEM (TC 76-LUM 1991). Οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές αντοχές συμβολίζονται με fxk1 και fxk2, συχνά δε η καμπτική αντοχή τοιχοποιίας
εκφράζεται με το γράμμα F ακολουθούμενο από τις καμπτικές αντοχές σε MPa, δηλαδή
F·fxk1·fxk2 (για παράδειγμα F0.35/1.00).
Σχ. 10.14: Πειραματικός προσδιορισμός εφελκυστικής αντοχής από κάμψη:
(α) επίπεδο θραύσης κάθετο στους οριζόντιους αρμούς, (β) επίπεδο
θραύσης παράλληλο στους οριζόντιους αρμούς. Κάτω: για λιθοσώματα με
διαστάσεις που ξεπερνούν τα 300x75 mm.
Σχ. 10.15: Μορφές καμπτικής αστοχίας για εφελκυσμό παράλληλα στους
οριζόντιους αρμούς: (α) αποκόλληση αρμών και θραύση λιθοσωμάτων,
(β) αποκόλληση αρμών.
Χαρακτηριστικό της μορφής αστοχίας για εφελκυσμό κάθετα στους οριζόντιους αρ-
314
μούς είναι συνήθως ο σχηματισμός μίας ρωγμής λόγω αποκόλλησης στη θέση της μέγιστης ροπής κάμψης και παράλληλα στον αρμό με τη μικρότερη εφελκυστική αντοχή, Σχ.
10.13.α. Για εφελκυσμό παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς, η μορφή αστοχίας χαρακτηρίζεται είτε από ρωγμή στους κατακόρυφους αρμούς, η οποία επεκτείνεται και στα
λιθοσώματα (σε κάθε δεύτερη στρώση), Σχ. 10.15.α, είτε από ρωγμή οδοντωτής μορφής, κατά μήκος των κατακόρυφων και μέρους των οριζόντιων αρμών, Σχ. 10.15.β
(lllston 1994).
10.3.2. Συνάφεια Μεταξύ Λιθοσωμάτων και Κονιάματος
Σχ. 10.16: Βασική αρχή μέτρησης αντοχής συνάφειας μεταξύ λιθοσωμάτων
και κονιάματος.
Είναι φανερό ότι η εφελκυστική αντοχή τοιχοποιίας από κάμψη εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη συνάφεια μεταξύ λιθοσωμάτων και κονιάματος, η βασική αρχή για
τη μέτρηση της οποίας δίνεται στο Σχ. 10.16 (π.χ. RILEM TC 76-LUM 1991). Η συνάφεια αυτή, η οποία μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 0.2-1.5 MPa, εξαρτάται από τον τύπο
κονιάματος και λιθοσωμάτων, τον αρχικό ρυθμό απορρόφησης υγρασίας, το ποσοστό
περιεχόμενης υγρασίας και τη θερμοκρασία στα λιθοσώματα, την αντοχή, τη ρευστότητα και το βαθμό συγκράτησης νερού του κονιάματος, την ποιότητα κτισίματος, την επιφανειακή κατάσταση των λιθοσωμάτων και τις συνθήκες συντήρησης. Οι παράγοντες
αυτοί περιγράφονται συνοπτικά ακολούθως.
10.3.2.1. Τύπος Κονιάματος και Λιθοσωμάτων
Η συνάφεια κονιάματος - λιθοσωμάτων συνήθως βελτιώνεται αυξάνοντας την περιεκτικότητα του κονιάματος σε τσιμέντο, ενώ εξαρτάται σημαντικά από τον τύπο λιθοσώματος (υλικό, επιφανειακή υφή κ.τ.λ.).
10.3.2.2. Αρχικός Ρυθμός Απορρόφησης, Περιεχόμενη Υγρασία, Θερμοκρασία Λιθοσωμάτων
Τα αποτελέσματα συσχέτισης του αρχικού ρυθμού απορρόφησης υγρασίας από
τα λιθοσώματα με τη συνάφεια χαρακτηρίζονται από σημαντική διασπορά και δύσκολα
οδηγούν σε ξεκάθαρα συμπεράσματα. Είναι γνωστό ότι πολύ μικρές αλλά και ιδιαίτερα
μεγάλες τιμές του αρχικού ρυθμού απορρόφησης οδηγούν σε πτωχή συνάφεια, οι βέλτιστες όμως τιμές του ρυθμού απορρόφησης δεν είναι ακόμα γνωστές.
Τοιχοποιία
315
Η περιεχόμενη στα λιθοσώματα υγρασία αλλά και η θερμοκρασία επηρεάζουν τη
συνάφεια μεταβάλλοντας τα χαρακτηριστικά απορρόφησης.
10.3.2.3. Αντοχή Κονιάματος, Ρευστότητα, Συγκράτηση Νερού
Σχ. 10.17: Επίδραση Ν/Τ στη συνάφεια κονιάματος-λιθοσωμάτων.
Επειδή η αύξηση της αντοχής του κονιάματος συνήθως οφείλεται στη μεγαλύτερη
περιεκτικότητα τσιμέντου, είναι λογικό να αναμένεται κάποια συσχέτιση της αντοχής αυτής με τη συνάφεια. Καθοριστική επίσης για τη συνάφεια είναι και η ρευστότητα του κονιάματος, η οποία ποσοτικοποιείται από το λόγο νερού προς τσιμέντο (σχετικό είναι το
Σχ. 10.17, Isberner 1969). Η συγκράτηση νερού (από το κονίαμα) αποτελεί ένα μέτρο
του σχετικού ρυθμού με τον οποίο το κονίαμα απορροφά νερό, γι' αυτό και είναι λογικό
να αναμένεται ότι υπάρχει κάποιο βέλτιστο ποσοστό συγκράτησης νερού, το οποίο
εξαρτάται από την αρχική απορρόφηση και από τα χαρακτηριστικά των λιθοσωμάτων.
10.3.2.4. Ποιότητα Κτισίματος, Επιφανειακή Κατάσταση Λιθοσωμάτων
Παράγοντες σχετικοί με την ποιότητα κτισίματος λιθοσωμάτων, οι οποίοι επηρεάζουν σημαντικά τη συνάφεια με το κονίαμα, είναι ο χρόνος μεταξύ της διάστρωσης του
κονιάματος και της τοποθέτησης των λιθοσωμάτων, η πίεση που εφαρμόζεται κατά την
τοποθέτηση των λιθοσωμάτων, το πάχος της στρώσης κονιάματος σε σχέση με το τελικό πάχος των αρμών, η ελλιπής πλήρωση των αρμών, οι μικρομετακινήσεις κατά την
εφαρμογή των λιθοσωμάτων κ.τ.λ.
Η επιφανειακή κατάσταση των λιθοσωμάτων παίζει επίσης μεγάλο ρόλο, καθότι λιθοσώματα με σκόνη, λάσπη κ.τ.λ. αλλά και αυτά των οποίων οι επιφανειακοί πόροι είναι
κλειστοί χαρακτηρίζονται από μειωμένη συνάφεια.
10.3.2.5. Συντήρηση
Οι συνθήκες συντήρησης του κονιάματος επηρεάζουν σημαντικά τη συνάφεια, κατ'
αντιστοιχία αυτών που έχουν αναφερθεί στο Κεφάλαιο 6 για το ρόλο της συντήρησης
στην αντοχή του σκυροδέματος.
10.3.3. Λόγος Εφελκυστικών Αντοχών
Ο λόγος της εφελκυστικής αντοχής από κάμψη παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς προς αυτήν κάθετα σε αυτούς αναφέρεται συχνά ως λόγος R, και αποτελεί δείγμα
του βαθμού ανισοτροπίας του υλικού μίας τοιχοποιίας. Τυπικές τιμές του για τοιχοποιίες
316
από οπτοπλίνθους κυμαίνονται μεταξύ 1.5-8, γεγονός το οποίο οφείλεται στο ότι για
εφελκυσμό παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς οι σχηματιζόμενες ρωγμές είτε διανύουν μακρύτερο "δρόμο" γύρω από τα λιθοσώματα είτε τα διασχίζουν, με συνέπεια την
αύξηση της εφελκυστικής αντοχής (Lawrence 1975, Baker 1977).
Μερικοί από τους παράγοντες που επηρεάζουν το λόγο εφελκυστικών αντοχών R
είναι η εφελκυστική αντοχή των λιθοσωμάτων, το ποσοστό πλήρωσης των κατακόρυφων οπών με κονίαμα, ο όγκος κενών των λιθοσωμάτων, ο λόγος μήκους προς ύψος
των λιθοσωμάτων και η ύπαρξη θλιπτικών τάσεων σε συνδυασμό με αυτές λόγω κάμψης.
10.3.4. Διαξονική Κάμψη
Η φόρτιση τοιχοδομών εκτός του επιπέδου τους προκαλεί συχνά διαξονική κάμψη,
δηλαδή ταυτόχρονη κάμψη παράλληλα και κάθετα στους οριζόντιους αρμούς. Παρόλο
που μία συνηθισμένη πρακτική είναι να αγνοείται η αλληλεπίδραση των δύο φορτίσεων,
πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι μία τέτοια αλληλεπίδραση περιγράφεται συνήθως από μία παραβολική σχέση, της μορφής του Σχ. 10.18 (Baker 1979). Το ίδιο σχήμα
δείχνει και την επίδραση του αξονικού φορτίου στην εφελκυστική αντοχή από κάμψη.
Σχ. 10.18: Αντοχή τοιχοποιίας σε διαξονική κάμψη.
10.4. Διάτμηση εντός Επιπέδου
Οι τοιχοποιίες συχνά υπόκεινται σε φορτία τα οποία προκαλούν διάτμηση εντός
του επιπέδου τους, πιθανό αποτέλεσμα της οποίας μπορεί να είναι και η αστοχία λόγω
ολίσθησης (αποκόλλησης) των οριζόντιων αρμών. Το Σχ. 10.19 δείχνει ορισμένες από
τις πειραματικές διατάξεις οι οποίες χρησιμοποιούνται σήμερα για την εκτίμηση της διατμητικής αντοχής τοιχοποιίας παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς. Οι αντίστοιχες Ευρωπαϊκές προδιαγραφές δίνονται στα Πρότυπα ΕΝ 1052-3 και ΕΝ 1052-4.
Η διατρητική αστοχία παράλληλα στους αρμούς οφείλεται σε ρηγμάτωση και ολίσθηση κατά μήκος της διεπιφάνειας μεταξύ του κονιάματος και των λιθοσωμάτων, και
το αντίστοιχο φορτίο αστοχίας (δηλαδή η διατρητική αντοχή) εξαρτάται σε σημαντικό
βαθμό από την ύπαρξη αξονικής δύναμης (θλίψης), και κατ' επέκταση από την αλληλεπίδραση διατμητικών-ορθών τάσεων. Τυπικά πειραματικά δεδομένα τέτοιας αλληλεπίδρασης δίνονται στο Σχ. 10.20, στο οποίο φαίνεται ξεκάθαρα ότι για θλιπτικές τάσεις
μέχρι 40% περίπου της θλιπτικής αντοχής η διατρητική αντοχή αυξάνεται περίπου ανα-
Τοιχοποιία
317
λογικά με την αύξηση της θλιπτικής τάσης, ενώ για μεγαλύτερες τιμές της θλιπτικής
τάσης η αστοχία οφείλεται σε διάρρηξη και όχι σε διάτμηση (Hamid and Drysdale 1980,
1981).
Σχ. 10.19: Πειράματα διατμητικής αντοχής παράλληλα στους οριζόντιους
αρμούς.
Σχ. 10.20: Σχέσεις διατρητικής τάσης κατά την αστοχία και θλιπτικής
τάσης για τοιχοποιία από: (α) οπτοπλίνθους και (β) λιθοσώματα από
σκυρόδεμα.
Η σχέση που κατά κανόνα υιοθετείται για την επίδραση της θλιπτικής τάσης σ n στη
διατρητική αντοχή τ παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς είναι τύπου Coulomb, δηλαδή:
τ =τ 0+μ σ n
όπου τ0 είναι η διατμητική αντοχή για σn = 0 και μ είναι ο συντελεστής τριβής. Τονίζεται πάντως ότι η παραπάνω σχέση ισχύει μόνο για τη (σχετικά σπάνια) περίπτωση
καθαρά διατρητικής αστοχίας στους αρμούς και όχι για άλλες μορφές αστοχίας (Hamid
et al. 1979, Τάσιος 1992).
Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 6 (1994), η χαρακτηριστική διατμητική αντοχή της
τοιχοποιίας μπορεί να υπολογιστεί από δοκιμές ή από την αξιολόγηση αποτελεσμάτων
μέσω συσχέτισης της χαρακτηριστικής διατμητικής αντοχής της τοιχοποιίας με τη συνοχή, fvk0, μεταξύ λιθοσωμάτων και κονιάματος (προσδιοριζόμενη βάσει των Προτύπων
ΕΝ 1052-3 και ΕΝ 1052-4 ή λαμβανόμενη από τον Πίνακα 10.2 για κονιάματα γενικής
εφαρμογής) και με την επιβαλλόμενη θλιπτική τάση.
318
Όταν δεν διατίθενται πειραματικά αποτελέσματα μπορεί να θεωρηθεί ότι η χαρακτηριστική αντοχή τοιχοποιίας fvk δεν θα υπολείπεται της μικρότερης των τιμών που δίνονται παρακάτω, υπό τον όρο ότι έχει χρησιμοποιηθεί κονίαμα γενικής εφαρμογής και
οι αρμοί είναι πλήρεις:
f vk = f vko +0.4 σ d
10.2
ή 0.065fb αλλά όχι μικρότερη από fvko ή ίση με την οριακή τιμή του Πίνακα 10.2,
όπου:
fvko
είναι η διατμητική αντοχή υπό μηδενική θλιπτική τάση,
σd είναι η τιμή σχεδιασμού της θλιπτικής τάσης κάθετα προς την διατμητική δύναμη και
fb
είναι η ανηγμένη θλιπτική αντοχή του λιθοσώματος, για διεύθυνση εφαρμογής του φορτίου κάθετη προς τους οριζόντιους αρμούς.
Όταν δεν διατίθενται πειραματικά αποτελέσματα μπορεί να θεωρηθεί ότι η χαρακτηριστική αντοχή τοιχοποιίας δεν θα υπολείπεται της μικρότερης των τιμών που ακολουθούν, υπό τον όρο ότι έχει χρησιμοποιηθεί κονίαμα γενικής εφαρμογής και οι κατακόρυφοι αρμοί δεν είναι πλήρεις, αλλά οι γειτονικές όψεις των λιθοσωμάτων είναι σε
επαφή:
f vk =0.5 f vko +0.4 σ d
ή 0.045fb αλλά όχι μικρότερη από fvko ή 0.70 επί την οριακή τιμή του Πίνακα 10.2.
Πρόσθετες διατάξεις για τοιχοποιίες από σκαφοειδή λιθοσώματα ή με κονιάματα
λεπτής στρώσης ή με ελαφροκονιάματα δίνονται στον Ευρωκώδικα 6 (1994). Ακόμα σημειώνεται ότι για τοιχοποιίες σε σεισμογενείς περιοχές, όπως είναι η χώρα μας, η διατμητική αντοχή των παραπάνω εξισώσεων μειώνεται κατά 30%.
Τέλος αναφέρεται ότι οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τη διατμητική αντοχή
παράλληλα στους οριζόντιους αρμούς είναι ουσιαστικά οι ίδιοι με αυτούς οι οποίοι επηρεάζουν τη συνάφεια μεταξύ κονιάματος και λιθοσωμάτων (π.χ. επιφανειακή υφή, αρχικός ρυθμός απορρόφησης υγρασίας κ.τ.λ.).
Τοιχοποιία
319
Λιθόσωμα
Οπτόπλινθοι Ομάδας 1
Κονίαμα
Μ10 ως Μ20
Μ2.5 ως Μ9
Μ1 ως Μ2
Λιθοσώματα Ομάδας 1 πλην οπτοπλίνθων και φυ- Μ10 ως Μ20
σικών λίθων
Μ2.5 ως Μ9
Μ1 ως Μ2
fvko (MPa)
0.3
0.2
0.1
0.2
0.15
0.1
Οριακή τιμή της fvk (MPa)
1.7
1.5
1.2
1.7
1.5
1.2
Φυσικοί λίθοι Ομάδας 1
Μ2.5 ως Μ9
Μ1 ως Μ2
Μ10 ως Μ20
Μ2.5 ως Μ9
Μ1 ως Μ2
0.15
0.1
0.3
0.2
0.1
1.0
1.0
Το μικρότερο
παραπλευρες
τη θλιπτική
κατά
τη
δ/νση11
Ομάδες 2α και 2β πλην οπτοπλίνθων και Μ10 ως Μ20
οπτόπλινθοι Ομάδας 2β
Μ2.5 ως Μ9
Μ1 ως Μ2
Οπτόπλινθοι Ομάδας 3
Μ10 ως Μ20
Μ2.5 ως Μ9
Μ1 ως Μ2
0.2
0.15
0.1
0.3
0.2
0.1
1.4
1.2
1.0
Δεν δίνονται όρια πέραν
εκείνων της εξίσωσης 10.2
(σελ. 318)
Οπτόπλινθοι Ομάδας 2α
από τις 1.4
τιμές ή 1.2
αντοχή
1.0
διαμήκη
Πίνακας 10.2: Τιμές της fvko και οριακές τιμές της για κονιάματα γενικής εφαρμογής.
10.5. Εφελκυσμός εντός Επιπέδου
Οι τοιχοποιίες υπόκεινται συχνά σε φορτία τα οποία προκαλούν εντατική κατάσταση εντός του επιπέδου τους, με κύριες εφελκυστικές τάσεις οι οποίες μπορεί γενικά να
έχουν τυχούσα διεύθυνση ως προς αυτή των οριζόντιων αρμών. Σε αντιστοιχία με τα
προαναφερθέντα περί εφελκυσμού από κάμψη, η αστοχία για εφελκυσμό κάθετα στους
οριζόντιους αρμούς προκαλείται λόγω αποκόλλησης μεταξύ των λιθοσωμάτων και του
κονιάματος σε έναν από τους οριζόντιους αρμούς, ενώ για εφελκυσμό παράλληλα
στους οριζόντιους αρμούς προκαλείται είτε λόγω αποκόλλησης κατακόρυφων αρμών
και θραύσης λιθοσωμάτων ανά δεύτερη στρώση, είτε λόγω αποκόλλησης εναλλάξ κατακόρυφων και οριζόντιων αρμών. Ακόμα, κύριες εφελκυστικές τάσεις με λοξή διεύθυνση
ως προς τους αρμούς προκαλούν αστοχία η οποία χαρακτηρίζεται από ρηγμάτωση
κατά μήκος πολλών αρμών και/ή διαμέσου λιθοσωμάτων, σύμφωνα με την αρχή του
ασθενέστερου "δρόμου" (εκεί δηλαδή όπου ελαχιστοποιείται η αντοχή).
Επειδή λοιπόν η μορφή, κατ' επέκταση και η τάση, εφελκυστικής αστοχίας σε τοιχοποιίες εξαρτάται σημαντικά από πολλούς παράγοντες (διεύθυνση φόρτισης, ιδιότητες
υλικών, γεωμετρία κ.τ.λ.), η μέθοδος η οποία έχει επικρατήσει για την εκτίμηση της
εφελκυστικής αντοχής τοιχοποιίας βασίζεται στη δοκιμή διαγώνιου εφελκυσμού του Σχ.
10.21. Σύμφωνα με τη διάταξη του σχήματος, η αντοχή σε διαγώνιο εφελκυσμό υπολογίζεται από τη σχέση:
f d=
0.707 P
A
όπου Ρ είναι το φορτίο κατά την αστοχία και Α είναι το εμβαδόν της μέσης επι11 Για τα λιθοσώματα των Ομάδων 2α και 2β, η διαμήκης θλιπτική αντοχή λαμβάνεται ίση με την μετρη θείσα, για δ όχι μεγαλύτερο από 1.0. Όταν η διαμήκης θλιπτική αντοχή αναμένεται να είναι μεγαλύτερη
από 0.15fb, λαμβανομένης υπόψη της διάταξης των κενών, δεν είναι αναγκαία η διεξαγωγή δοκιμών.
320
φάνειας κατά μήκος των οριζόντιων και των κατακόρυφων αρμών.
Ένα σημαντικό μειονέκτημα του πειράματος διαγώνιου εφελκυσμού είναι ότι η
εντατική κατάσταση που δημιουργείται είναι τέτοια ώστε η σχηματιζόμενη ρωγμή (κατά
την αστοχία) να μην ακολουθεί κατ' ανάγκη το δρόμο της ελάχιστης αντοχής αλλά κυρίως τη διαγώνιο του δοκιμίου (μεταξύ των φορτίων). Εντούτοις, η δοκιμή έχει καθιερωθεί
ως ιδιαίτερα χρήσιμη για την κατανόηση των παραγόντων οι οποίοι επηρεάζουν την
εφελκυστική αντοχή της τοιχοποιίας.
Σχ. 10.21: Πείραμα διαγώνιου εφελκυσμού κατά (α) AST Μ Ε519-81 και (β)
RILEM TC 76-LUM (1991).
Σχ. 10.22: Εφελκυστική αντοχή τοιχοποιίας συναρτήσει τύπου κονιάματος,
λιθοσωμάτων και διεύθυνσης φόρτισης.
Τέλος, ως παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την εφελκυστική αντοχή της τοιχοποιίας μπορούν να συνοψιστούν οι ακόλουθοι: (α) η διεύθυνση της κύριας εφελκυστικής
τάσης σε σχέση με τους οριζόντιους αρμούς, (β) η ποιότητα του κονιάματος (αυξανομένης της αντοχής του κονιάματος αυξάνεται και η εφελκυστική αντοχή της τοιχοποιίας)
και (γ) η εφελκυστική αντοχή των λιθοσωμάτων (κυρίως όταν το επίπεδο θραύσης διέρχεται από αυτά). Σχετικό είναι το Σχ. 10.22 (Drysdale and Hamid 1982).
Τοιχοποιία
321
10.6. Συνδυασμοί Δράσεων
Οι τοιχοποιίες κατά κανόνα φορτίζονται έτσι ώστε η εντατική τους κατάσταση να είναι διαξονική, γι' αυτό και ο πλέον ενδεδειγμένος τρόπος εκτίμησης των φορτίων (τάσεων) αστοχίας έγκειται στη χρήση κατάλληλων κριτηρίων αστοχίας. Τέτοια κριτήρια έχουν
προταθεί από διάφορους ερευνητές (π.χ. Ganz and Thuerliman 1988, Koenig et al.
1988, Dialer 1991), αλλά λόγω της ανισοτροπίας του υλικού κατά κανόνα χαρακτηρίζονται από μεγάλο βαθμό πολυπλοκότητας.
Σχ. 10.23: Μορφές αστοχίας τοιχοποιίας υπό διαξονική φόρτιση.
Μία προκαταρκτική αίσθηση της μηχανικής συμπεριφοράς της τοιχοποιίας υπό
διαξονική φόρτιση δίνει σε ικανοποιητικό βαθμό η εργασία του Page (1982), ο οποίος
αναγνώρισε τις εξής μορφές αστοχίας: (α) απώλεια συνάφειας μεταξύ κονιάματος και λιθοσωμάτων κατά μήκος οριζόντιων και/ή κατακόρυφων αρμών σε ευθεία ή τεθλασμένη
γραμμή (β) θραύση των λιθοσωμάτων και απώλεια συνάφειας μεταξύ λιθοσωμάτων και
κονιάματος στους κατακόρυφους αρμούς και (γ) συνδυασμό των (α) και (β).
Οι παραπάνω μορφές αστοχίας δείχνονται παραστατικά στο Σχ. 10.23, ενώ οι επιφάνειες αστοχίας βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων του Page (1982) δίνονται
στο Σχ. 10.24. Είναι καταφανές ότι το κριτήριο αστοχίας δίνεται συναρτήσει όχι μόνο
των κυρίων τάσεων αλλά και της διεύθυνσής τους ως προς αυτή των αρμών.
Περισσότερα στοιχεία για τη μηχανική συμπεριφορά τοιχοποιίας υπό πολυαξονική
322
φόρτιση μπορούν να βρεθούν σε εξειδικευμένα συγγράμματα επί του αντικειμένου,
όπως είναι π.χ. το βιβλίο του Hendry (1990).
10.7. Περιβαλλοντικές Επιδράσεις
Η επίδραση του περιβάλλοντος στην τοιχοποιία ενδιαφέρει όχι μόνο στις περιπτώσεις εμφανών και εκτεθειμένων στο περιβάλλον δομικών στοιχείων από τοιχοποιία,
αλλά και σε ότι αφορά σε θέματα θερμομόνωσης, ηχομόνωσης, υγρομόνωσης, αντοχής
σε πυρκαϊά κ.τ.λ.
Σχ. 10.24: Επιφάνεια αστοχίας τοιχοποιίας υπό διαξονική φόρτιση.
10.7.1. Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια
Οι μηχανισμοί δράσης του περιβάλλοντος στις τοιχοποιίες σχετίζονται με: (α) χημική και βιολογική επίδραση σε λιθοσώματα και/ή κονιάματα, λόγω του νερού (π.χ. βροχής), ατμοσφαιρικής ρύπανσης κ.τ.λ., (β) διάβρωση τυχόν οπλισμών ή άλλων μεταλλικών στοιχείων, (γ) απότριψη, υδροφθορά, δράση παγετού και κρυστάλλωση αλάτων σε
λιθοσώματα και κονιάματα, (δ) μηχανικά φαινόμενα λόγω μετακινήσεων του εδάφους
(π.χ. καθίζηση θεμελίων), ταλαντώσεων, υπερφόρτισης κ.τ.λ. και (ε) κηλίδωση εξαιτίας
εξανθημάτων.
Το κονίαμα των αρμών στις τοιχοποιίες είναι γενικά περισσότερο επιρρεπές στην
επίδραση των παραπάνω φαινομένων από ότι τα λιθοσώματα, γι' αυτό και όλοι σχεδόν
οι μηχανισμοί φθοράς (επίδραση νερού, οξέων, θειικών, χλωριόντων, διάβρωση μετάλλων αν υπάρχουν, ενανθράκωση, δράση παγετού, απότριψη κ.τ.λ.) που περιγράφονται
με λεπτομέρεια στο Κεφάλαιο 6 (Σκυρόδεμα) έχουν ισχύ και στις τοιχοποιίες, οπότε και
η επανάληψή τους εδώ θεωρείται περιττή.
10.7.2. Θερμομόνωση
Οι κρίσιμες παράμετροι για τα χαρακτηριστικά θερμομόνωσης της τοιχοποιίας είναι
το πορώδες του κονιάματος και των λιθοσωμάτων και το ποσοστό κενών των λιθοσω-
Τοιχοποιία
323
μάτων. Γι' αυτό και γενικά τα λιθοσώματα με οπές χαρακτηρίζονται, εκτός από χαμηλότερο βάρος, και από καλύτερες θερμομονωτικές ιδιότητες σε σχέση με τα συμπαγή. Η
επίδραση των οπών (ποσοστό, διάταξη) αλλά και της πυκνότητας του στερεού υλικού
των λιθοσωμάτων στη θερμική αντίσταση Κ (το αντίστροφο τρυ συντελεστή θερμικής
αγωγιμότητας, πολλαπλασιασμένο επί το πάχος του στοιχείου) αυτών δίνεται στο Σχ.
10.25 (lllston 1994).
Επίσης έχει ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι παρόλο που τα κονιάματα έχουν συνήθως μεγαλύτερο πορώδες από τα λιθοσώματα, οι θερμομονωτικές τους ικανότητες είναι
πτωχότερες.
Σχ. 10.25: Επίδραση πυκνότητας και οπών λιθοσωμάτων στο συντελεστή
θερμικής αντίστασης.
10.7.3. Αντοχή σε Πυρκαϊά
Η εξαιρετική αντοχή της τοιχοποιίας σε πυρκαϊά είναι ένα από τα θετικότερα χαρακτηριστικά της, το οποίο οφείλεται σε διάφορους παράγοντες: (α) στην ακαυστότητα του
υλικού (β) στη σχετικά μικρή θερμική αγωγιμότητα και στη μεγάλη θερμοχωρητικότητα,
οι οποίες, παρεμποδίζοντας την αύξηση της θερμοκρασίας στην πλευρά της τοιχοδομής
μακριά από την πυρκαϊά, εμποδίζουν και τη διάδοση φλόγας και (γ) στην ικανότητα του
υλικού να διατηρεί τις ιδιότητές του σε θερμοκρασίες της τάξης των 1000 °C. Λεπτομερής εξέταση του θέματος δίνεται π.χ. στο βιβλίο των Drysdale et al. (1994).
10.8. Βιβλιογραφία
AC I 530/ASCE5/TMS 402-92 (1992). Building Code Requirements for Masonry
Structures, Masonry Standards Joint Committee, ACI-ASCE, Detroit-New York.
Baker, L. R. (1977). Proc. 6th Int. Symp. on Loadbearing Brickwork, London, 169-187.
324
Baker, L. R. (1979). Proc. 5th Int. Brick Masonry Conf., Washington, DC, 71-78. Dialer
C. (1991). Proc. 9th Int. Brick/Block Masonry Conf., Berlin, 276-283. Drysdale, R. G.
and Hamid, A. A. (1979). ACI J., 76(6), 707-721.
Drysdale, R. G. and Hamid, A. A. (1982). Proc. Int. J. Masonry Construction, 2(4), 172177.
Drysdale, R. G., Hamid, A. A. and Baker, L. R. (1994). Masonry Structures, Behavior
and Design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ.
Eurocode No. 6 (1994). Common Unified Rules for Masonry Structures.
European Standard prEN 1052-1 (1993). Methods of Test for Masonry - Part 1:
Determination of Compressive Strength, European Committee for Standardization.
European Standard prEN 1052-2 (1993). Methods of Test for Masonry - Part 2:
Determination of Flexural Strength, European Committee for Standardization.
European Standard prEN 1052-3 (1993). Methods of Test for Masonry - Part 3:
Determination of Initial Shear Strength, European Committee for Standardization.
European Standard prEN 1052-4 (1993). Methods of Test for Masonry - Part 4:
Determination of Shear Strength Including Damp Proof Course, European Committee
for Standardization.
Ganz, H. R. and Thuerliman, B. (1988). Proc. 8th Int. Brick/Block Masonry Conf.,
Dublin, Ireland, 1447-1457.
Grimm, C. T. (1984). "Elastic Modulus of Clay Brick Masonry", presented at the
Reinforced and Prestressed Masonry Symposium, Univ. of Edinburgh, Scotland.
Hamid, Α. Α., Ziab, G. and El Nawany, O. (1987). Proc. 4th North American Masonry
Conf., Los Angeles, CA, 7/1-7/13.
Hamid, A. A. and Drysdale, R. G. (1980). Proc. 2nd Canadian Masonry Symp., Ottawa,
51- 64.
Hamid, A. A. and Drysdale, R. G. (1981). ACI J., 77(5), 51-64.
Hamid, Α. Α., Drysdale, R. G. and Heidebrecht, A. C. (1979). J. Struct. Div., Proc.
ASCE, 105(7), 1227-1240.
Hendry, Α. W. (1990). Structural Masonry, MacMillan Education Ltd., London.
Illston, J. M. (1994), editor. Construction Materials - Their Nature and Behaviour, Ε &
FN Spon, London.
Isberner, A. (1969). "Properties of Masonry Cement Mortars", in Designing, Engineering
and Constructing with Masonry Products, Johnson, F., Ed., Gulf Publishing, Houston
TX, 42-50.
Koenig G., Mann W. and Oetes A. (1988). Untersuchungen zum Verhalten von
Mauenvarksbauten unter Erdbeben eienwirkung, Koenig und Heunisch, Frankfurt.
Krefeld, W. J. (1938). Proc. of ASTM, 38, 363-369.
Lawrence, S. (1975). J. Australian Ceramic Soc., 11(1), 5-6.
Monk, C. B. (1967). A Historical Survey and Analysis of the Compressive Strength of
Brick Masonry, Report No. 12, Structural Clay Products Research Foundation, Geneva,
IL.
Page, A. and Brooks, D. (1985). Proc. 7th Int. Brick Masonry Conf., Melbourne,
Τοιχοποιία
325
Australia, 81-100.
Page, A. W. (1982). Proc. 6th Int. Brick Masonry Conf., Rome, 3-15.
RILEM (1994). RILEM Technical Recommendations for the Testing and Use of
Construction Materials, Ε & FN Spon, London.
Τάσιος, Θ. Π. (1992). Η Μηχανική της Τοιχοποιίας, Εκδόσεις Συμμετρία, Αθήνα.
326
11. Πολυμερή
11.1. Εισαγωγή
Ένα βιβλίο για δομικά υλικά σήμερα θα χαρακτηριζόταν ελλιπές χωρίς ένα τουλάχιστον κεφάλαιο αφιερωμένο στα πολυμερή, τα οποία είτε μόνα τους (άοπλα) είτε σε
συνδυασμό με οπλισμό (από ίνες) ή με άλλα υλικά παίζουν σε ορισμένες περιπτώσεις
σημαντικό ρόλο στις κατασκευές. Και τούτο διότι διακρίνονται από ιδιαίτερα επιθυμητές
ιδιότητες, μερικές από τις οποίες είναι το χαμηλό βάρος, η εξαιρετική ανθεκτικότητα σε
διάρκεια (π.χ. δεν διαβρώνονται, είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά σε χημικές ουσίες κ.τ.λ.), η μικρή θερμική αγωγιμότητα, η μικρή υδαταπορροφητικότητα, η ευκολία στην απόδοση
οποιουδήποτε σχήματος και η ευκολία συνδυασμού τους με ίνες, με αποτέλεσμα την
υψηλή αντοχή (και άλλων μηχανικών χαρακτηριστικών) σε προδιαγεγραμένες διευθύνσεις.
Εκτός από τα άοπλα πολυμερή (συμπεριλαμβανομένων αυτών με κυψελωτή
δομή), το κεφάλαιο αυτό καλύπτει σε κάποιο βαθμό και τα οπλισμένα με ίνες πολυμερή
(ινοπλισμένα πολυμερή ή σύνθετα υλικά), των οποίων οι εφαρμογές στο πεδίο των κατασκευών τα τελευταία χρόνια αυξάνονται με γρήγορους ρυθμούς.
11.2. Παρασκευή και Ταξινόμηση των Πολυμερών
Τα (τεχνητά) πολυμερή παρασκευάζονται (με βάση το πετρέλαιο) συνδυάζοντας
ένα μεγάλο αριθμό μικρών μοριακών μονάδων, τα μονομερή, μέσω χημικής διεργασίας,
η οποία μπορεί να είναι πολυμερισμός, πολυσυμπύκνωση ή πολυπροσθήκη, σχηματίζοντας μακριές αλυσίδες, τα γνωστά μακρομόρια (π.χ. Σίδερης 1984).
Τα πολυμερή που παρασκευάζονται με πολυμερισμό έχουν ως πρώτη ύλη κυρίως τους υδρογονάνθρακες, τις αλκοόλες, τους εστέρες και τους αιθέρες (π.χ. αιθυλένιο,
ισοβουτυλένιο, χλωριούχο βινύλιο, μεθακρυλικός μεθυλεστέρας, στυρένιο). Το προϊόν
της αντίδρασης έχει την ίδια χημική σύσταση με την πρώτη ύλη και πολλαπλάσιο μοριακό βάρος.
Τα ίδια ισχύουν περίπου και για την αντίδραση της πολυπροσθήκης, με βασική
διαφορά ότι η σύνδεση των μορίων γίνεται μέσω ατόμων οξυγόνου ή αζώτου και όχι άνθρακα (όπως στην αντίδραση πολυμερισμού). Χαρακτηριστικά προϊόντα πολυπροσθήκης είναι οι εποξειδικές ρητίνες και οι πολυουρεθάνες.
Κατά την αντίδραση της πολυσυμπύκνωσης τα μονομερή αποβάλλουν ορισμένα
μόρια δημιουργώντας ρίζες, οι οποίες επιτρέπουν τη σύνδεση των μονομερών μεταξύ
τους. Ενδεικτικά προϊόντα είναι οι πολυαμίδες (νάυλον), οι πολυεστέρες, τα πολυμερή
φαινόλης- αλδεΰδης κ.τ.λ. Ας σημειωθεί πάντως ότι αρκετά πολυμερή μπορούν να παρασκευαστούν με διαφορετικές μεθόδους ή και με συνδυασμό μεθόδων σε διάφορα
στάδια (π.χ. ορισμένες εποξειδικές ρητίνες παρασκευάζονται κατ' αρχήν με πολυσυμπύκνωση και ακολούθως με πολυπροσθήκη).
Βάσει της μηχανικής και θερμικής συμπεριφοράς τους, τα πολυμερή κατατάσσονται σε τρεις βασικούς τύπους: τα θερμοπλαστικά, τα θερμοσκληρυνόμενα και τα ελαστομερή (π.χ. Wendehorst 1975).
Πολυμερή
327
Τα θερμοπλαστικά αποτελούνται από πολυμερισμένες αλυσίδες μακρομορίων
(Σχ. 11.1.α), οι οποίες είναι μεταξύ τους χαλαρά συνδεδεμένες με ασθενείς δεσμούς van
der Waals, γι' αυτό και η μεταξύ τους ολίσθηση γίνεται σχετικά εύκολα. Όταν το υλικό
θερμαίνεται, οι ενδομοριακές δυνάμεις εξασθενούν και το πολυμερές "μαλακώνει", ενώ
σε υψηλές θερμοκρασίας τήκεται και συμπεριφέρεται ως ιξώδες ρευστό. Η επαναφορά
της θερμοκρασίας σε χαμηλά επίπεδα επιφέρει επανασκλήρυνση του υλικού. Αξίζει να
σημειωθεί ότι οι κύκλοι αυτοί τήξης-σκλήρυνσης μπορούν να πραγματοποιηθούν σχεδόν επ' αόριστον, με βασικό επακόλουθο τη βαθμιαία αύξηση της ψαθυρότητας του υλικού. Η δομή των θερμοπλαστικών μπορεί να είναι άμορφη (π.χ. πολυπροπυλένιο, νάυλον) ή ημικρυσταλλική (π.χ. πολυ-αιθερο-αιθερο-κετόνη, γνωστή ως PEEK).
Τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή (π.χ. εποξειδικές, πολυεστερικές και φαινολικές ρητίνες) σχηματίζονται σε δύο βήματα. Αρχικά παράγεται μία ουσία (ρητίνη) αποτελούμενη από αλυσίδες μακρομορίων, παρόμοια με τα θερμοπλαστικά, και ακολούθως
οι αλυσίδες αυτές συνδέονται διασταυρούμενες μεταξύ τους (Σχ. 11.1.β) με τη βοήθεια
καταλύτη, σε θερμοκρασία δωματίου ή υψηλότερη (και μερικές φορές με εφαρμογή πίεσης). Η κατεργασία της θερμοσκλήρυνσης δεν είναι επαναληπτική. Αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί ρήξη των δεσμών των αλυσίδων και "μαλάκωμα" του υλικού, αλλά οι
δεσμοί στις διακλαδώσεις των αλυσίδων παρεμποδίζουν την τήξη ή την ιξώδη ροή, ενώ
περαιτέρω θέρμανση οδηγεί σε αποσύνθεση.
Τέλος, τα ελαστομερή αποτελούνται από πολυμερισμένες μακρομοριακές αλυσίδες που μοιάζουν κάπως "διπλωμένες" ως ελατήρια, γι' αυτό και κύριο χαρακτηριστικό
των υλικών αυτών είναι η ικανότητα ανάπτυξης μεγάλων παραμορφώσεων. Η μεταξύ
των αλυσίδων σύνδεση γίνεται σποραδικά σε λιγοστά σημεία διασταύρωσης, τα οποία
και εξασφαλίζουν την ανάκτηση του αρχικού σχήματος των ελαστομερών μετά την απομάκρυνση του αιτίου που προκάλεσε την παραμόρφωση.
Στην κατηγορία των πολυμερών θα μπορούσαν να ενταχθούν και τα λεγόμενα φυσικά ή βιολογικά πολυμερή, όπως είναι οι ουσίες κυτταρίνη και λιγνίνη, οι οποίες αποτελούν βασικά συστατικά του ξύλου και αναφέρθηκαν στο Κεφάλαιο 8, και η καζέί'νη, η
οποία έχει χρησιμοποιηθεί ως συγκολλητικό υλικό των ξύλων.
Σχ. 11.1: Σχηματική παράσταση μακρομοριακών αλυσίδων πολυμερών: (α)
θερμοπλαστικό, (β) θερμοσκληρυνόμενο, στο οποίο διακρίνονται και οι
δεσμοί διασταύρωσης των αλυσίδων.
11.3. Μορφοποίηση των Πολυμερών
Η μέθοδος μορφοποίησης των πολυμερών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις ρεολογικές τους ιδιότητες (χαρακτηριστικά ροής), τη θερμοκρασία μετάβασης από υαλώδη
μορφή (ορίζεται παρακάτω), τον τύπο τους και το σχήμα του παραγόμενου προϊόντος.
Οι κυριότερες μέθοδοι μορφοποίησης είναι η εξέλαση (π.χ. Σχ. 11.2.α, για πολυμερικά
328
πλέγματα), η κυλίνδρωση (Σχ. 11.2.β), η χύτευση με εμφύσηση, η χύτευση με συμπίεση
και η χύτευση με έγχυση (Ashby and Jones 1988, Hollaway 1990).
Σχ. 11.2: (α) Εξέλαση πολυμερικών πλεγμάτων και (β) μορφοποίηση μεμβράνης με κυλίνδρωση.
11.4. Βασικές Ιδιότητες των Πολυμερών
Οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των πολυμερών ποικίλουν σημαντικά ανάλογα
με τον τύπο τους. Στα κοινά φυσικά χαρακτηριστικά τους περιλαμβάνονται το πρακτικά
μηδενικό πορώδες, η σημαντική συστολή κατά τη σκλήρυνση στη φάση της παρασκευής τους (η συστολή αυτή μπορεί να φθάσει έως 10% στους πολυεστέρες και 2% στις
εποξειδικές ρητίνες) και η μεγάλη ικανότητα ηλεκτρικής μόνωσης. Βασικές φυσικές και
μηχανικές ιδιότητες για συνηθισμένα πολυμερή δίνονται στους Πίνακες 11.1 και 11.2
(Ashby and Jones 1988, Jackson and Dhir 1988, Feldman 1989).
Κύριο χαρακτηριστικό της συμπεριφοράς των πολυμερών αποτελεί η λεγόμενη
θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, Tg, η οποία προκαλεί ρήξη των δευτευρευόντων
δεσμών, αυτών δηλαδή που συγκρατούν τις μακρομοριακές αλυσίδες, αφήνοντας μόνο
τους πρωτεύοντες δεσμούς (στις διασταυρώσεις των μακρομορίων). Αποτέλεσμα είναι
η ραγδαία μείωση του μέτρου ελαστικότητας (γύρω στα 3 MPa, για τα περισσότερα πολυμερή), φαινόμενο που περιγράφεται στο Σχ. 11.3. Στο ίδιο σχήμα φαίνεται και η γενική μείωση του μέτρου ελαστικότητας των πολυμερών με την αύξηση της θερμοκρασίας,
η οποία οφείλεται στην ευκολότερη ολίσθηση των μακρομοριακών αλυσίδων μεταξύ
τους, λόγω της αύξησης του διαθέσιμου όγκου για την κίνησή τους.
Θερμοκρασίες που ξεπερνούν την Tg φέρνουν τα πολυμερή σε μία ελαστομερή
μορφή, οπότε είναι ικανά να αναπτύσσουν πολύ μεγάλες παραμορφώσεις (π.χ. 300%)
οι οποίες ανακτώνται μετά από αποφόρτιση. Ψύξη τέτοιων ελαστομερών σε θερμοκρασίες κάτω από την Tg προκαλούν ραγδαία σκλήρυνση του υλικού, το οποίο συμπεριφέρεται πλέον κατά τρόπο ψαθυρό.
Η θερμοκρασία και ο χρόνος (δηλαδή η διάρκεια φόρτισης, και κατ' επέκταση και
ο ρυθμός φόρτισης) αποτελούν τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν τη
μηχανική συμπεριφορά των πολυμερών. Τα υλικά αυτά χαρακτηρίζονται ως ιξωδοελα-
Πολυμερή
329
στικά, κύριο γνώρισμα των οποίων είναι ότι η παραμόρφωση λόγω δεδομένης τάσης
εξαρτάται όχι μόνο από την τιμή της τάσης αλλά (εκτός από τη θερμοκρασία) και από τη
διάρκεια της φόρτισης [δηλαδή σ = Εε(t, T)], λόγω του φαινομένου του ερπυσμού. Ο
ορισμός αυτός γίνεται περισσότερο κατανοητός μέσω του Σχ. 11.4.
Πολυμερές
Θερμοπλαστικά
Πολυαιθυλένιο LD
Πολυαιθυλένιο HD
Πολυπροπυλένιο
Πολυστυρένιο
Πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC)
Πολυμεθακρυλικό μεθύλιο (ΡΜΜΑ)
Νάυλον
Θερμοσκληρυνόμενα
Εποξειδικές ρητίνες
Πολυεστέρες
Φαινολοφορμαλδεΰδη
Ελαστομερή
Πολυϊσοπρένιο
Πολυβουταδιένιο
Πολυχλωροπρένιο
Πυκνότητα Συντελεστής Συντελεστής Θερμοκρασία
(kg/m3)
θερμικής
θερμικής αγω- υαλώδους
διαστολής
γιμότητας
μετάπτωσης
(·10-6/°C)
(W/mK)
(°C)
910-940
950-980
910
1100
1400
1200
1150
160-190
150-300
100-300
70-100
50-70
54-72
80-95
0.33
0.45-0.50
0.14
0.09-0.14
0.13-0.30
0.16-0.23
0.20-0.25
-5
30
-20
100
100
75
60
1200-1400 55-90
1100-1400 50-100
1270
25-60
0.15-0.40
0.15-0.20
0.10-0.23
105
65
910
1500
940
~0.14
~0.14
~0.14
~75
~75
~75
~600
~600
~600
Πίνακας 11.1: Μερικές φυσικές ιδιότητες πολυμερών.
Σχ. 11.3: Επίδραση της θερμοκρασίας στο μέτρο ελαστικότητας των πολυμερών.
330
Πολυμερές
Θερμοπλαστικά
Πολυαιθυλένιο LD
Πολυαιθυλένιο HD
Πολυπροπυλένιο
Πολυστυρένιο
Πολυβινυλοχλωρίδιο
Πολυμεθακρυλικό μεθύλιο
Νάυλον
Θερμοσκληρυνόμενα
Εποξειδικές ρητίνες
Πολυεστέρες
Φαινολοφορμαλδεΰδη
Ελαστομερή
Πολυϊσοπρένιο
Πολυβουταδιένιο
Πολυχλωροπρένιο
Μέτρο ελα- Εφελκυστική
στικότητας
αντοχή
(20 °C, 100 s)
(MPa)
(GPa)
0.15-0.24
0.55-1.00
1.20-1.70
3.00-3.30
2.40-3.00
3.00-3.50
2.00-3.50
7-17
20-37
50-70
35-68
40-60
80-90
60-110
2.10-5.50
1.30-4.50
7.50-8.50
40-85
45-85
35-55
0.002-0.10
0.004-0.10
~0.01
~10
~10
~10
Πίνακας 11.2: Μερικές μηχανικές ιδιότητες πολυμερών.
Σχ. 11.4: Σχέση τάσης-παραμόρφωσης ιξωδοελαστικών υλικών (και σύγκριση
με τα ελαστικά) για δύο χρόνους φόρτισης.
Η ταυτόχρονη επίδραση του χρόνου και της θερμοκρασίας στο μέτρο ελαστικότητας των πολυμερών δίνεται στο Σχ. 11.5 και περιγράφεται από την παρακάτω σχέση,
γνωστή ως "εξίσωση WLF", από τα αρχικά των ονομάτων των ερευνητών Williams,
Landel και Ferry που την διατύπωσαν:
log(aT )=
C 1 (T 1−T 0 )
C 2+T 1−T 0
όπου C1 και C2 είναι σταθερές. Εάν ως θερμοκρασία Τ0 θεωρηθεί η θερμοκρασία
υαλώδους μετάπτωσης, Tg, τότε οι C1 και C2 είναι περίπου σταθερές για όλα σχεδόν τα
πολυμερή (κυρίως τα άμορφα) και ίσες με -255 °C και -221 °C, αντίστοιχα (Ashby and
Jones 1988).
Πολυμερή
331
Σχ. 11.5: Σχηματική παράσταση της σχέσης χρόνου-θερμοκρασίας-μέτρου
ελαστικότητας.
Η επίδραση του ρυθμού φόρτισης στη μηχανική συμπεριφορά των πολυμερών
πρέπει να τονιστεί ιδιαίτερα. Γενικά, υψηλοί ρυθμοί παραμόρφωσης αντιστοιχούν σε
υψηλές αντοχές και μέτρα ελαστικότητας αλλά ψαθυρή συμπεριφορά, ενώ χαμηλοί ρυθμοί παραμόρφωσης δίνουν χαμηλές αντοχές και μέτρα ελαστικότητας αλλά όλκιμη συμπεριφορά. Γι' αυτό και οι συνθήκες δοκιμής ενός πολυμερούς στο εργαστήριο θα
πρέπει να είναι αντιπροσωπευτικές των πραγματικών για τις οποίες σχεδιάστηκε το υλικό.
Σχ. 11.6: Σχέση χρόνου-παραμόρφωσης υπό σταθερή τάση για ιξωδοελαστικό
υλικό.
Αρκετά συχνά τα χαρακτηριστικά παραμόρφωσης των πολυμερών εκτιμώνται
βάσει πειραμάτων ερπυσμού. Μία ενδεικτική καμπύλη χρόνου-παραμόρφωσης για φόρτιση υπό σταθερή τάση σ δίνεται στο Σχ. 11.6.α, ή στο Σχ. 11.6.β με το χρόνο σε λογαριθμική κλίμακα. Διαφορετικές τιμές της τάσης δίνουν την οικογένεια καμπυλών του Σχ.
11.7.α, το οποίο δείχνει ξεκάθαρα ότι αύξηση της τάσης προκαλεί εντονότερο ερπυσμό.
Αν από το Σχ. 11.7.α και για δεδομένο χρόνο η τάση παρασταθεί συναρτήσει της αντίστοιχης παραμόρφωσης προκύπτει η λεγόμενη ισόχρονη καμπύλη του Σχ. 11.7.β.
Τέτοιες καμπύλες συνήθως κατασκευάζονται σε λογαριθμική κλίμακα, οπότε ουσιαστικά
δείχνουν ευθείες με κλίση που καθορίζει το βαθμό μη-γραμμικότητας της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς ενός πολυμερούς. Κλίση 45° αντιστοιχεί σε γραμμική ιξωδοελαστικότητα, ενώ για τα μη γραμμικά ιξωδοελαστικά πολυμερή η κλίση είναι μικρότερη των
45°. Για τα τελευταία το μέτρο ελαστικότητας εκτιμάται συνήθως από την κλίση της εφαπτόμενης στην ισόχρονη καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης των 100 sec, σε παραμόρ-
332
φωση 0.2%.
Οι ερπυστικές παραμορφώσεις των πολυμερών, και ιδιαίτερα των θερμοπλαστικών, είναι γενικά σημαντικές. Ένας εμπειρικός τρόπος εκτίμησης τους δίνεται από τη
συνάρτηση του Findley, η γενική μορφή της οποίας γράφεται παρακάτω (Findley 1960,
ASCE 1984):
ε =ε 1 sinh
σ
σ
+ε t n sinh
σ1 2
σ2
όπου ε είναι η ολική παραμόρφωση σε χρόνο t, σ είναι η σταθερή τάση και ε1, ε2,
σ1, σ2 και η είναι εμπειρικές σταθερές του υλικού, οι οποίες γενικά εξαρτώνται από τη
θερμοκρασία. Η παραπάνω σχέση χρησιμοποιείται συνήθως σε απλούστερη μορφή, η
οποία προκύπτει από την υπόθεση γραμμικής ιξωδοελαστικότητας ως εξής:
ε =ε 0+m
n
()
t
t0
όπου ε0 είναι η αρχική ελαστική παραμόρφωση, t0 είναι σταθερά που συνήθως
λαμβάνεται ίση με τη μονάδα του χρόνου και m, n είναι σταθερές του υλικού, εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία.
Σχ. 11.7: (α) Καμπύλες ερπυσμού και (β) ισόχρονη καμπύλη (100 sec) πολυμερών.
11.5. Επίδραση του Περιβάλλοντος
Απουσία φόρτισης, τα πολυμερή είναι γενικά ανθεκτικά σε πολλές περιβαλλοντικές
επιδράσεις. Η ανθεκτικότητά τους όμως σε αυτές αποκτά ιδιαίτερη σημασία όταν τα υλικά βρίσκονται υπό τάση, οπότε και το σχετικό φαινόμενο χαρακτηρίζεται ως διάβρωση
υπό τάση. Ως βασικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες σχετικά με την φθορά των πολυμερών μπορούμε να αναφέρουμε τη δράση χημικών, την υπεριώδη ακτινοβολία και τις
υψηλές θερμοκρασίες.
Οι χημικές ενώσεις που ενδιαφέρουν κυρίως για την ανθεκτικότητα των πολυμερών είναι τα οξέα και οι βάσεις, οι οργανικοί διαλύτες, τα έλαια και το νερό. Με εξαίρεση
ισχυρά οξέα και βάσεις, τα οποία ενδέχεται να αποσυνθέσουν τη μοριακή δομή των πολυμερών μειώνοντας την αντοχή τους, η επίδραση ασθενών ή μετρίως ασθενών οξέων
και βάσεων είναι γενικά αμελητέα. Ορισμένοι οργανικοί διαλύτες ενδέχεται να προκαλέσουν ρηγμάτωση, διόγκωση, ακόμα και αποσύνθεση των πολυμερών. Πλέον επιρρεπή σε τέτοιες επιδράσεις είναι τα άμορφα πολυμερή, ενώ τα ημικρυσταλλικά χαρακτηρί-
Πολυμερή
333
ζονται από μεγαλύτερη ανθεκτικότητα. Τα έλαια μπορεί να προκαλέσουν διόγκωση και
μικρορηγματώσεις. Τέλος, το νερό ενδέχεται να προκαλέσει μικρή μείωση της αντοχής
σε ορισμένα πολυμερή.
Η υπεριώδης ακτινοβολία αποτελεί σημαντικό παράγοντα με δυσμενείς επιπτώσεις στη συμπεριφορά ορισμένων πολυμερών, προκαλώντας αλλοίωση στη μοριακή δομή (ευτυχώς, μόνο επιφανειακά), με κύριο αποτέλεσμα την αύξηση της ψαθυρότητας του υλικού (μείωση της εφελκυστικής παραμόρφωσης κατά την αστοχία) και δευτερεύον αποτέλεσμα ενδεχόμενη χρωματική αλλοίωση (υποκίτρινος ή καφέ
χρωματισμός). Τονίζεται πάντως ότι η ανθεκτικότητα στην υπεριώδη ακτινοβολία μπορεί
σήμερα να αυξηθεί σημαντικά, αφενός χάρη σε ειδικούς χημικούς σταθεροποιητές ή
αδρανή πρόσμικτα, αφετέρου χάρη σε εξωτερικές βαφές.
Τέλος, όπως έχει ήδη προαναφερθεί, οι υψηλές θερμοκρασίες επιφέρουν και αυτές δυσμενείς αλλοιώσεις (μη αναστρέψιμες, στις περισσότερες περιπτώσεις) στη δομή
των πολυμερών. Θερμοκρασίες της τάξης των 200-300 °C προκαλούν ανάφλεξη και
καύση, απελευθερώνοντας μάλιστα στις πιο πολλές περιπτώσεις τοξικές ουσίες. Η δυσμενής αυτή επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας σήμερα αντιμετωπίζεται σε σχετικά
ικανοποιητικό βαθμό κάνοντας χρήση πρόσμικτων ουσιών επιβραδυντικών της καύσης
ή αδρανών συστατικών ορυκτής φύσης ("φίλλερ").
11.6. Εφαρμογές Άοπλων Πολυμερών
Πρέπει να τονιστεί ότι τα άοπλα πολυμερή χαρακτηρίζονται από σημαντικά μειονεκτήματα, τα οποία δεν επιτρέπουν την ευρεία χρήση τους στα τεχνικά έργα. Στα μειονεκτήματα αυτά συμπεριλαμβάνονται το πολύ χαμηλό μέτρο ελαστικότητας, η ανάπτυξη
σημαντικών ερπυστικών παραμορφώσεων (και, αντίστοιχα, η έντονη χαλάρωση των
τάσεων), η μεγάλη εξάρτηση της μηχανικής συμπεριφοράς από τη θερμοκρασία και το
ρυθμό φόρτισης, η πτωχή συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες κ.τ.λ. Μερικά όμως
από τα πλεονεκτήματα ορισμένων άοπλων πολυμερών καθιστούν την εφαρμογή τους
ιδιαίτερα ελκυστική. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν:
•
Οι ρητίνες (π.χ. εποξειδικές, πολυεστερικές), οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως
λόγω των εξαιρετικών συγκολλητικών και/ή υγρομονωτικών ιδιοτήτων τους. Λεπτομερής
περιγραφή των χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων τέτοιων ρητινών μπορεί να βρεθεί π.χ.
στο βιβλίο των Mays and Hutchinson (1992). Υπενθυμίζεται ότι τα πολυμερή χρησιμοποιούνται ακόμα και ως πρόσμικτα του σκυροδέματος, όπως περιγράφεται λεπτομερώς
στο Κεφάλαιο 6, ακόμα και σε ειδικούς τύπους κονιαμάτων.
•
Ορισμένα ελαστομερή, τα οποία εξαιτίας της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς τους
και της ικανότητάς τους να αναπτύσσουν πολύ μεγάλες παραμορφώσεις σε συνδυασμό
με την απορρόφηση ενέργειας κατά την φόρτιση-αποφόρτιση-επαναφόρτισή τους (Σχ.
11.8) χρησιμοποιούνται ως εφέδρανα για τη σεισμική "μόνωση" γεφυρών, κτιρίων κ.τ.λ.,
Σχ. 11.9.α, ή σε ειδικά επιλεγμένες θέσεις κατασκευών για την απόσβεση ταλαντώσεων,
Σχ. 11.9.β (π.χ. Mahmoodi 1969, Kelly 1986, Naeim 1989).
•
Ορισμένα θερμοπλαστικά, τα οποία χρησιμοποιούνται για την παρασκευή πλεγμάτων, μεμβρανών, υφασμάτων κ.τ.λ., με εφαρμογές στον οπλισμό του εδάφους (γεωσυνθετικά) και στην υγρομόνωση (π.χ. στοιχείων από σκυρόδεμα).
•
Ορισμένα διαφανή ή ημιδιαφανή πολυμερή, τα οποία χρησιμοποιούνται για την
παρασκευή στοιχείων επικάλυψης σε στέγες, φεγγίτες κ.τ.λ., επιτρέποντας τη διέλευση
του φωτός (Benjamin 1969).
•
Θερμοπλαστικά πολυμερή σε μορφή μεμβράνης, που είτε σε μορφή εφελκυόμε-
334
νων στοιχείων είτε ως περιβλήματα σε υποπίεση βρίσκουν εφαρμογή στη στέγαση μεγάλων χώρων (π.χ. γήπεδα, κολυμβητήρια).
Σχ. 11.8: Συμπεριφορά ελαστομερούς υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση (φόρτιση-αποφόρτιση-επαναφόρτιση).
Σχ. 11.9: Εφαρμογή ελαστομερών (α) στη σεισμική μόνωση κατασκευών και
(β) για την απόσβεση ταλαντώσεων.
Πολλά από τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα των άοπλων πολυμερών αίρονται
κάνοντας χρήση οπλισμού σε μορφή ινών, οπότε προκύπτουν τα λεγόμενα ινοπλισμένα
πολυμερή, τα οποία εξετάζονται στην επόμενη ενότητα.
11.7. Ινοπλισμένα Πολυμερή
Τις τελευταίες δεκαετίες η χημική βιομηχανία ανέπτυξε διάφορους τύπους οργανικών ή ανόργανων ινών υψηλής εφελκυστικής αντοχής (ίνες γυαλιού, αραμιδίου ή άνθρακα, με διάμετρο 5-25μm) και σύνθετων υλικών που αποτελούνται από τέτοιες ίνες
σε μήτρα από (κατά κανόνα) θερμοσκληρυνόμενο πολυμερές (εποξειδική ρητίνη, πολυεστέρας, φαινολική ρητίνη, βινυλεστέρας κ.τ.λ.) και ονομάζονται ινοπλισμένα πολυμερή
(ΙΟΠ) ή απλώς σύνθετα υλικά. Τα υλικά αυτά έχουν βάρος ίσο με το 1/4 περίπου του
χάλυβα και, εκτός από την υψηλή μηχανική αντοχή τους (η οποία οφείλεται στις ίνες),
χαρακτηρίζονται από εξαιρετική ανθεκτικότητα σε δυσμενείς χημικές επιδράσεις. Λόγω
δε της πολύ ικανοποιητικής συμπεριφοράς τους σε μία σειρά πεδίων εφαρμογής (αεροναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, σκάφη θαλάσσης, είδη σπόρ κ.ά.), τα τελευταία
χρόνια άρχισαν να χρησιμοποιούνται και σε τεχνικά έργα, είτε σε αντικατάσταση του
χάλυβα (οπλισμού ή προέντασης) είτε σε εντελώς νέες εφαρμογές (π.χ. καταστρώματα
γεφυρών). Ακολούθως δίνεται μία συνοπτική παρουσίαση των βασικών χαρακτηριστι-
Πολυμερή
335
κών και ιδιοτήτων των ινοπλισμένων πολυμερών.
11.7.1. Ίνες
Υλικό
Άνθρακας
Υψηλής αντοχής
Υπερ-υψηλής αντοχής
Υψηλού μέτρου ελαστικότητας
Υπερ-υψηλού μέτρου ελαστικ.
Γυαλί
Ε
Ζ
S
Αραμίδιο
Χαμηλού μέτρου ελαστικότητας (Κέβλαρ 29)
Υψηλού μέτρου ελαστικότητας (Κέβλαρ 49, Twaron)
ΠυΜέτρο ελα- Εφελκυστι- Παραμόρκνότητα
στικότ.
κή αντοχή φωση θραύ(kg/m3)
(GPa)
(MPa)
σης (%)
1800
1800
1900
1900
215-235
215-235
350-500
500-700
3500-4800
3500-6000
2500-3100
2100-2400
1.4-2.0
1.5-2.3
0.5-0.9
0.2-0.4
2540
2270
2440
70-75
70-75
85-90
1900-3000
1900-3000
3500-4800
3.0-4.5
3.0-4.5
4.5-5.5
1450
1450
70-80
115-130
3500-4100
3500-4000
4.3-5.0
2.5-3.5
Πίνακας 11.3: Τυπικές ιδιότητες ινών.
Οι κυριότεροι τύποι ινών που χρησιμοποιούνται στα ινοπλισμένα πολυμερή είναι
οι ίνες γυαλιού (κοινώς υαλονήματα), οι ίνες άνθρακα (ανθρακονήματα) και οι ίνες αραμιδίου, με βασικές ιδιότητες που δίνονται στον Πίνακα 11.3 (Feldman 1989, Machida
1993). Κύριο χαρακτηριστικό των ινών αυτών είναι η μεγάλες αντοχές σε εφελκυσμό και
η γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση (Σχ. 11.10).
Οι ίνες έχουν συνήθως μεγάλο μήκος και διατίθενται σε μορφή νημάτων (τυλιγμένων σε κουβάρια), σε μορφή υφάσματος (με ίνες σε δύο συνήθως διευθύνσεις) και σε
μορφή ταινιών (πλάτους μερικών εκατοστών), αλλά μπορεί να χρησιμοποιούνται και σε
μικρά μήκη, διασκορπισμένες σε τυχούσα διεύθυνση.
11.7.1.1. Ίνες Γυαλιού
Οι ίνες γυαλιού (παρασκευάζονται από λειωμένο γυαλί) μπορεί να είναι: (α) τύπου
Ε, που είναι ο κοινός και πλέον συνηθισμένος τύπος γυαλιού (με βασικό μειονέκτημα
την μείωση της αντοχής σε αλκαλικό περιβάλλον, όπως είναι αυτό του σκυροδέματος)·
(β) τύπου Ζ (ή AR), με μεγάλη αντοχή στο αλκαλικό περιβάλλον και (γ) τύπου S, με κύρια χαρακτηριστικά την υψηλή αντοχή και το υψηλό μέτρο ελαστικότητας. Ένα πλεονέκτημα των ινών γυαλιού (έναντι των άλλων τύπων) είναι το αρκετά χαμηλότερο
κόστος.
11.7.1.2. Ίνες Άνθρακα
Οι ίνες άνθρακα παρασκευάζονται είτε από θερμική κατεργασία του πολυακρυλονιτριλίου (PAN) είτε μέσω απόσταξης κάρβουνου (pitch). Οι πρώτες χαρακτηρίζονται γενικά από μεγαλύτερες αντοχές και μέτρα ελαστικότητας σε σύγκριση με τις δεύτερες.
11.7.1.3. Ίνες Αραμιδίου
Οι ίνες αραμιδίου που διατίθενται στη διεθνή αγορά διακρίνονται σε αυτές οι οποίες προέρχονται από αρωματικό πολυαμίδιο (Κέβλαρ, Twaron) και σε εκείνες οι οποίες
προέρχονται από αρωματικό πολυαιθεραμίδιο (Technora). Κύριο πλεονέκτημά τους είναι η πολύ καλή συμπεριφορά σε κρουστικά φορτία, γι' αυτό και τα τελευταία χρόνια
προτιμούνται (π.χ. στη Μ. Βρετανία) για την κατασκευή μανδυών σε υποστυλώματα γε-
336
φυρών, όπου υπάρχει κίνδυνος πρόσκρουσης οχημάτων.
Σχ. 11.10: Τυπικές καμπύλες εφελκυστικής τάσης-παραμόρφωσης για διάφορους τύπους ινών.
11.7.2. Μέθοδοι Παρασκευής Ινοπλισμένων Πολυμερών
Τα ινοπλισμένα πολυμερή παρασκευάζονται: (α) με μη αυτοματοποιημένες μεθόδους, όπως είναι η εφαρμογή με το χέρι, ο ψεκασμός και η χύτευση σε αυτόκλειστο(β) με ημι-αυτοματοποιημένες μεθόδους, όπως είναι η συμπίεση (εν ψυχρώ ή εν
θερμώ), η χύτευση με πίεση και η εμφύσηση ρητίνης και (γ) με αυτοματοποιημένες μεθόδους, όπως είναι η εξέλαση (pultrusion), η περιέλιξη και η χύτευση με εμφύσηση. Οι
μέθοδοι που βασίζονται στη χρήση ενός μόνο καλουπιού χαρακτηρίζονται ως "ανοικτού
καλουπιού", ενώ αυτές κατά τις οποίες το προϊόν μορφοποιείται σε σύστημα κλειστών
καλουπιών είναι γνωστές ως μέθοδοι "κλειστού καλουπιού".
11.7.2.1. Μέθοδοι Ανοικτού Καλουπιού
Εφαρμογή με το χέρι. Πρόκειται για αρκετά εύκολη και χαμηλού κόστους μέθοδο,
η οποία ενδείκνυται για την παρασκευή σχετικά μικρού αριθμού ιδίων στοιχείων (π.χ.
πετάσματα επικάλυψης). Όπως δείχνει και το Σχ. 11.11.α, αρχικά η ρητίνη και οι ίνες
απλώνονται στο καλούπι και κατόπιν συμπιέζονται με ειδικό κύλινδρο για τη μορφοποίηση του τελικού προϊόντος. Συνήθως η εμφανής επιφάνεια του στοιχείου καλύπτεται με
στρώση ρητίνης πάχους περίπου 0.35 mm, γνωστή ως gel-coat, ώστε αφενός να προστατεύονται οι ίνες από τυχόν περιβαλλοντικές επιδράσεις, αφετέρου να αναδεικνύεται
λεία και στιλπνή επιφάνεια.
Πολυμερή
337
Σχ. 11.11: (α) Εφαρμογή με το χέρι, (β) χύτευση με ψεκασμό
Ψεκασμός. Βασική διαφορά της με την προηγούμενη μέθοδο είναι ότι η ρητίνη
εφαρμόζεται στο καλούπι με ψεκασμό ενώ ταυτόχρονα οι ίνες αποκόπτονται από κουβάρια ("μπομπίνες") και διασκορπίζονται ομοιόμορφα (Σχ. 11.11.β).
Μέθοδοι με εφαρμογή πίεσης. Βασίζονται στην εφαρμογή πίεσης, έτσι ώστε να
επιτυγχάνεται καλύτερη συμπύκνωση του υλικού, μεγάλο ποσοστό ινών και καλής
ποιότητας εξωτερικές επιφάνειες. Η πίεση μπορεί να εφαρμόζεται: (α) εν κενώ (Σχ.
11.12.α), (β) μέσω μεμβράνης (Σχ. 11.12.β και γ) σε αυτόκλειστο (αποτελεί παραλλαγή
της μεθόδου εφαρμογής πίεσης μέσω μεμβράνης, με κύριο χρακτηριστικό την εφαρμογή υψηλής πίεσης σε κλειστό θάλαμο).
Περιέλιξη. Αποτελεί σύγχρονη και πλήρως αυτοματοποιημένη μέθοδο, η οποία
χρησιμοποιείται για την παρασκευή κυλινδρικών στοιχείων (π.χ. σωλήνες, δεξαμενές).
Οι ίνες, σε μορφή νημάτων, αρχικά εμποτίζονται σε δεξαμενή ρητίνης και κατόπιν τυλίγονται γύρω από περιστρεφόμενο μεταλλικό στοιχείο (Σχ. 11.13). Τέλος το στοιχείο
αφαιρείται και το τελικό προϊόν συντηρείται σε ειδικό θάλαμο, σε θερμοκρασία 60 °C για
8 περίπου ώρες.
Σχ. 11.12: Μέθοδοι εφαρμογής πίεσης: (α) εν κενώ, (β) μέσω μεμβράνης.
11.7.2.2. Μέθοδοι Κλειστού Καλουπιού
338
Χρήση διπλού καλουπιού. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, η ρητίνη και οι ίνες τοποθετούνται ανάμεσα σε δύο καλούπια με σχήμα όπως αυτό του τελικού προϊόντος. Η
μορφοποίηση μπορεί να γίνει (α) μέσω συμπίεσης των καλουπιών (σε πίεση π.χ. 100
kPa) εν ψυχρώ, (β) μέσω συμπίεσης (0.5-15 MPa) εν θερμώ, σε θερμοκρασίες της
τάξης των 120-150 °C (Σχ. 11.14) και (γ) με εμφύσηση ρητίνης ανάμεσα στα δύο καλούπια, στα οποία έχει προηγηθεί η κατάλληλη τοποθέτηση των ινών (Σχ. 11.15).
Σχ. 11.13: Μέθοδος περιέλιξης.
Σχ. 11.14: Χύτευση εν θερμώ σε διπλό καλούπι.
Εξέλαση (pultrusion). Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, οι ίνες αρχικά εμποτίζονται
με ρητίνη και κατόπιν εξωθούνται μέσα σε καλούπι που έχει σχήμα ίδιο με αυτό της επιθυμητής τελικής διατομής του στοιχείου (π.χ. κυκλική οπή, για ινοπλισμένα πολυμερή
μορφής ράβδων). Το καλούπι εμποτίζεται με πρόσθετη ρητίνη και θερμαίνεται, έτσι
ώστε να επιτευχθεί η σκλήρυνση της ρητίνης και να λάβει το στοιχείο την τελική του
μορφή (Σχ. 11.16).
Σχ. 11.15: Εμφύσηση ρητίνης.
Πολυμερή
339
Σχ. 11.16: Μέθοδος εξέλασης (pultrusion).
11.7.3. Διαθέσιμες Μορφές Ινοπλισμένων Πολυμερών
Τα ινοπλισμένα πολυμερή διατίθενται σήμερα σε μορφή: (α) ράβδων και τενόντων
(π.χ. για τον οπλισμό και/ή την προένταση στοιχείων σκυροδέματος) (β) λωρίδων ή ταινιών πλάτους μερικών εκατοστών, πάχους της τάξης του χιλιοστού και μήκους αρκετών
μέτρων (π.χ. για την εφαρμογή τους υπό μορφή εξωτερικού οπλισμού) (γ) φύλλων, παρόμοιων με τις λωρίδες αλλά μεγαλύτερου πλάτους (π.χ. για χρήση σε μορφή εξωτερικού μανδύα δομικών στοιχείων) (δ) διδιάστατων ή τριδιάστατων πλεγμάτων (π.χ. για
τον οπλισμό επιφανειακών στοιχείων από σκυρόδεμα) (ε) γραμμικών μελών (διατομής
π.χ. I, Ο, U) (στ) επίπεδων στοιχείων επικάλυψης (π.χ. κυματοειδή πετάσματα) και (ζ)
εύκαμπτων μεμβρανών (π.χ. για τη στέγαση ανοικτών χώρων, για τον οπλισμό του
εδάφους κ.τ.λ.).
11.7.4. Ιδιότητες και Συμπεριφορά των Ινοπλισμένων Πολυμερών
11.7.4.1. Μηχανική Συμπεριφορά
Σχ. 11.17: Τομή ελάσματος συνθέτου υλικού σε μεγέθυνση.
Για τη συνηθέστερη σήμερα στα τεχνικά έργα περίπτωση που τα ινοπλισμένα πολυμερή αποτελούνται από συνεχείς ίνες μίας διεύθυνσης σε αναλογία 50-70% κ.ό. (Σχ.
11.17), οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών αυτών έχουν (προσεγγιστικά) ως εξής: μέτρο
ελαστικότητας = 50 GPa, 65-120 GPa και 135-190 GPa, και παραμόρφωση θραύσης =
3%, 2-3% και 1-1.5% για υλικά με ίνες γυαλιού (GFRP), αραμιδίου (AFRP) και άνθρακα
(CFRP), αντίστοιχα. Η εφελκυστική αντοχή, που είναι της τάξης των 1400-2100 MPa σε
βραχυχρόνια φόρτιση, μειώνεται στο 35-50%, 50-60% και 70-90% της αρχικής τιμής για
340
πολυμερή με ίνες γυαλιού, αραμιδίου και άνθρακα, αντίστοιχα, όταν η φόρτιση είναι μακροχρόνια (π.χ. Hull 1981, Phillips 1989).
Για τα ινοπλισμένα πολυμερή με συνεχείς ίνες μίας διεύθυνσης είναι εύκολο να δείξει κανείς (βάσει σχέσεων ισορροπίας και συμβιβαστού των παραμορφώσεων) ότι το
μέτρο ελαστικότητας στη διεύθυνση των ινών, Ef, δίνεται από τη σχέση:
E f = E m V m+ E fib V
fib
Στην παραπάνω σχέση Em και Efib είναι το μέτρο ελαστικότητας του μητρικού υλικού και των ινών, αντίστοιχα. Ομοίως, Vm και Vfib είναι το ποσοστό κ.ό. του μητρικού υλικού και των ινών, αντίστοιχα (Vm + Vfib = 1). Έτσι, δεδομένου ότι Efib >> Em, γίνεται προφανές ότι το μέτρο ελαστικότητας του σύνθετου υλικού ισούται προσεγγιστικά με αυτό
των ινών πολλαπλασιασμένο επί την κατ' όγκο αναλογία τους. Ακόμα μπορεί να δειχθεί
ότι η παραπάνω εξίσωση ισχύει προσεγγιστικά και για την εφελκυστική αντοχή, ff,t, αρκεί
τα μέτρα ελαστικότητας να αντικατασταθούν από τις αντίστοιχες εφελκυστικές αντοχές:
f
f ,t
= f m, t V m+ f
fib ,t
V fib
όπου fm,t και ffib,t είναι η εφελκυστική αντοχή του μητρικού υλικού και των ινών, αντίστοιχα.
Η λεπτομερής μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των ινοπλισμένων πολυμερών
ξεφεύγει από το σκοπό του βιβλίου αυτού, γι' αυτό και ο αναγνώστης παραπέμπεται σε
συγγράματα ειδικότερα επί του θέματος (π.χ. Jones 1975, ASCE 1984, Phillips 1989,
Kim 1995).
11.7.4.2. Περιβαλλοντικές Επιδράσεις
Τα ινοπλισμένα πολυμερή είναι μερικές φορές ευάλλωτα σε περιβαλλοντικές επιδράσεις, όπως είναι για παράδειγμα η υγρασία, η δράση χημικών, οι αυξομειώσεις της
θερμοκρασίας και η υπεριώδης ακτινοβολία. Οι επιδράσεις αυτές ενδέχεται υπό ορισμένες προϋποθέσεις να προκαλέσουν πρόωρη αστοχία. Ο γενικός κανόνας είναι ότι τα
ινοπλισμένα πολυμερή με ίνες άνθρακα έχουν εξαιρετική ανθεκτικότητα στις παραπάνω
επιδράσεις, αυτά με ίνες γυαλιού είναι αρκετά ευαίσθητα, ενώ τα πολυμερή με ίνες αραμιδίου χαρακτηρίζονται από ενδιάμεση συμπεριφορά. Ιδιαίτερη έμφαση αξίζει να δοθεί
πάντως στην καταστροφική δράση μερικών χημικών, όπως είναι τα αλκάλια, στα πολυμερή με ίνες γυαλιού (κυρίως τύπου Ε), και στη δυσμενή επίδραση της υπεριώδους
ακτινοβολίας σε αυτά με ίνες αραμιδίου (π.χ. ACI 440R-96 1996, Τριανταφύλλου 2003).
Η αντοχή των ινοπλισμένων πολυμερών σε πυρκαϊά είναι γενικά μεγαλύτερη από
ότι θα αναμενόταν εκ πρώτης όψεως, αρκεί βέβαια να ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα
προστασίας (π.χ. χρήση επιβραδυντικών της καύσης προσμίξεων στο μητρικό υλικό).
11.7.4.3. Στοιχεία Κόστους και Αξιολόγηση των Ινοπλισμένων Πολυμερών
Εκτός από τις εξαιρετικά καλές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των ινοπλισμένων
πολυμερών, ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που αφορά στη χρήση τους στα τεχνικά έργα είναι το κόστος τους. Με μέτρο σύγκρισης την εφελκυστική αντοχή σε μακροχρόνια φόρτιση, ο λόγος κόστους των υλικών προς αυτό του κοινού χάλυβα είναι περίπου 3, 6 και 5 για υλικά με ίνες γυαλιού, αραμιδίου και άνθρακα, αντίστοιχα. Οι τιμές αυτές μειώνονται σημαντικά όταν η σύγκριση γίνει με χάλυβα υψηλής αντοχής, και ακόμα
περισσότερο όταν γίνει με ανοξείδωτο ή γαλβανισμένο χάλυβα. Αν μάλιστα θεωρήσει
κανείς το συνολικό κόστος μίας κατασκευής (εργατικά, συντήρηση κ.τ.λ.), οι παραπάνω
συγκρίσεις κόστους γίνονται συχνά ευνοϊκές για τα ινοπλισμένα πολυμερή. Τέλος, οι
Πολυμερή
341
σύγχρονες τάσεις της αγοράς δείχνουν ότι οι τιμές των υλικών αυτών μειώνονται σημαντικά με την αύξηση του όγκου παραγωγής και με την πρόοδο της τεχνολογίας. Στην Ιαπωνία μόνο, ο αγοραστικός όγκος των ινοπλισμένων πολυμερών με ίνες γυαλιού αυξήθηκε από 3.7 δισ. δολλάρια το 1987 σε 10.6 δισ. δολλάρια το 2000. Οι αντίστοιχες τιμές
για πολυμερή με ίνες άνθρακα ήταν 0.3 δισ. και 1.5 δισ.
Μία κάπως ποιοτική αξιολόγηση των ινοπλισμένων πολυμερών δίνεται στον Πίνακα 11.4. Η αξιολόγηση γίνεται βάσει του τύπου ινών (γυαλί, αραμίδιο, άνθρακας) και
οδηγεί στο συμπέρασμα ότι γενικά τα υλικά με ίνες άνθρακα πλεονεκτούν έναντι των
υπολοίπων παρόλο το υψηλότερο κόστος τους.
Κριτήριο
Συντελ. βάρους
1 ... 3
Εφελκυστική αντοχή
3
Μέτρο ελαστικότητας
3
Παραμόρφωση θραύσης 3
Συμπεριφορά σε
μακροχρόνιες δράσεις
3
Κόστος
3
Ανθεκτικ. σε διάρκεια
2
Πυκνότητα
2
Συμπεριφορά σε κόπωση 2
Σύνολο
Αξιολόγηση
Αξιολόγηση πολυμερών με ίνες:
Άνθρακα Αραμιδίου Γυαλιού
9
9
9
9
6
3
6
9
9
9
6
6
4
6
55
1
6
6
4
6
4
50
2
3
9
2
2
2
39
3
Πίνακας 11.4: Ποιοτική αξιολόγηση ινοπλισμένων πολυμερών.
11.7.5. Εφαρμογές
Σχ. 11.18: Ενίσχυση δομικών μελών με ινοπλισμένα πολυμερή (Τριαντάφυλλου 2003).
Ο αριθμός εφαρμογών των ινοπλισμένων πολυμερών στα τεχνικά έργα δείχνει
ιδιαίτερα αυξητικές τάσεις τα τελευταία χρόνια. Τα υλικά αυτά έχουν προταθεί και σε
πολλές περιπτώσεις έχουν χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή ράβδων οπλισμού σκυροδέματος, τενόντων προέντασης, καλωδίων ανάρτησης γεφυρών αλλά και ολόκληρων
γεφυρών, πετασμάτων επικάλυψης, γραμμικών δομικών στοιχείων, μεμβρανών στέγασης ή οπλισμού κ.τ.λ. (π.χ. Nicholls 1976, Meier 1987, Triantafillou and Plevris 1990,
342
1992, Nanni and Dolan 1993, Triantafillou and Fardis 1993, Taerwe 1995, El-Badry
1996). To πεδίο όμως στο οποίο τα ινοπλισμένα πολυμερή έχουν επιφέρει κυριολεκτικά
"επανάσταση", είναι αυτό των ενισχύσεων κατασκευών (σκυροδέματος, τοιχοποιίας, ξύλου, ακόμα και μεταλλικών), όπου χρησιμοποιούνται σε μορφή ελασμάτων ή υφασμάτων για την ενίσχυση δομικών μελών μέσω εξωτερικής επικόλλησης (Σχ. 11.18). Οι
σχετικές εφαρμογές στην Ελλάδα ξεκίνησαν ουσιαστικά μετά τον σεισμό της Αθήνας
(1999) και αριθμούν ήδη πάνω από 1000.
Ως συμπέρασμα μπορεί να αναφερθεί ότι η εφαρμογή των ινοπλισμένων πολυμερών στα τεχνικά έργα, ιδιαίτερα σε εφαρμογές αντισεισμικών ενισχύσεων κατασκευών,
χαρακτηρίζεται από αρκετά πλεονεκτήματα (π.χ. χαμηλό βάρος υλικών και μείωση
κόστους εργατικών, μεγάλες αντοχές, ανθεκτικότητα σε διάβρωση) αλλά και ορισμένα
μειονεκτήματα (π.χ. υψηλό κόστος υλικών, ιδιαίτερα αυτών με ίνες άνθρακα ή αραμιδίου, ψαθυρή συμπεριφορά). Τα υλικά αυτά είναι σχετικά νέα στον τεχνικό κόσμο, και η
εμπειρία εφαρμογής τους είναι μικρή (με εξαίρεση το πεδίο των ενισχύσεων, όπου σε
αρκετές χώρες η χρήση ινοπλισμένων πολυμερών έχει ουσιαστικά εκτοπίσει άλλες τεχνικές), γι' αυτό και η υιοθέτησή τους στην πράξη προϋποθέτει βασική γνώση των ιδιοτήτων τους και των περιορισμών στους οποίους υπόκεινται.
11.8. Κυψελωτά Πολυμερή
Κυψελωτά πολυμερή είναι αυτά των οποίων η δομή χαρακτηρίζεται από ένα στερεό ιστό αποτελούμενο από μικρά γραμμικά ή επιφανειακά στοιχεία, τα οποία σχηματίζουν τις ακμές ή πλευρές ανοικτών ή κλειστών, αντίστοιχα, κυψελών (Σχ. 11.19). Παρασκευάζονται κατ' αναλογία με το κυψελωτό σκυρόδεμα, δηλαδή εισάγοντας φυσαλίδες
αερίου (είτε μέσω μηχανικής ανάδευσης είτε κάνοντας χρήση αφρογόνου) σε υγρό μονομερές (δηλαδή πριν από τον πολυμερισμό) ή σε πολυμερές σε ρευστή μορφή. Οι φυσαλίδες μεγαλώνουν και σταθεροποιούνται, και κατόπιν το υλικό πολυμερίζεται ή ψύχεται (Suh and Skochdopole 1980).
Κύριο χαρακτηριστικό των κυψελωτών πολυμερών είναι το χαμηλό βάρος και οι
εξαιρετικές θερμομονωτικές (και ηχομονωτικές) ιδιότητες, γι' αυτό και βρίσκουν εφαρμογές στην παρασκευή δομικών στοιχείων στα οποία κύριο κριτήριο σχεδιασμού είναι ο
συνδυασμός χαμηλού βάρους και καλής θερμομόνωσης (ή ηχομόνωσης), ικανοποιώντας μάλιστα μερικές φορές και δεδομένες απαιτήσεις αντοχής και δυσκαμψίας
(π.χ. θερμομονωτικές πλάκες, επιφανειακά στοιχεία τύπου "σάντουιτς" κ.τ.λ.).
Αξίζει να σημειωθεί ότι τα κυψελωτά πολυμερή που παράγει σήμερα ο άνθρωπος
είναι εμπνευσμένα από τη φύση· τα κυριότερα "δομικά στοιχεία" της φύσης (οστά ανθρώπου και ζώων, ξύλο, κλώνοι φυτών κ.τ.λ.) είναι κατ' εξοχήν κατασκευασμένα από
κυψελωτά υλικά βιολογικής σύστασης.
Οι ιδιότητες ενός κυψελωτού πολυμερούς καθορίζονται από αυτές του πολυμερούς που αποτελεί τον στερεό ιστό και από τη σχετική πυκνότητα, ρ/ρs, δηλαδή από το
λόγο της πυκνότητας του κυψελωτού υλικού προς αυτήν του στερεού ιστού
(πολυμερές). Ο λόγος αυτός, που αποτελεί και μέτρο του ποσοστού στερεών του υλικού, μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 0.005-0.5, με συνηθέστερες τιμές αυτές μεταξύ 0.010.1. Η εξάρτηση αυτή των ιδιοτήτων από την πυκνότητα αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα για τα κυψελωτά πολυμερή, αφού η τελευταία μπορεί να επιλέγεται έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις και προδιαγραφές σχετικά με τα υλικά κατά το βέλτιστο δυνατό τρόπο.
Πολυμερή
343
Σχ. 11.19: Δομή κυψελωτού πλαστικού (α) με ανοικτές και (β) με κλειστές κυψέλες.
11.8.1. Μηχανική Συμπεριφορά
Το Σχ. 11.20 δίνει τυπικά διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης κυψελωτών πολυμερών σε θλίψη. Η αρχική γραμμικά ελαστική συμπεριφορά (που οφείλεται σε κάμψη
του στερεού ιστού) ακολουθείται από ουσιαστικά οριζόντιο "πλατώ" (που φθάνει σε
πολύ μεγάλες παραμορφώσεις), το οποίο καθορίζεται από τη συμπεριφορά των δομικών μονάδων του στερεού ιστού. Αν αυτές υφίστανται λυγισμό, τα υλικά ονομάζονται
ελαστομερικά, αν διαρρέουν (πλαστικοποιούνται) ονομάζονται ελαστοπλαστικά και,
τέλος, αν υφίστανται ψαθυρή θραύση, ονομάζονται ψαθυρά. Μετά το τέλος του πλατώ
των τάσεων ακολουθεί πλήρης κατάρρευση των κυψελών και συμπύκνωση του υλικού,
με αποτέλεσμα την απότομη αύξηση της τάσης. Η αντίστοιχη συμπεριφορά σε εφελκυσμό δίνεται στο Σχ. 11.21.
Τα πειραματικά δεδομένα για τα ελαστικά χαρακτηριστικά των κυψελωτών πολυμερών δείχνουν ότι το μέτρο ελαστικότητας, Ε, το μέτρο διάτμησης, G, και ο λόγος
Poisson, ν, δίνονται προσεγγιστικά από τις παρακάτω σχέσεις (Gibson and Ashby
1988):
2
( )
( )
E
ρ
≈
Es
ρs
G 3 ρ
≈
Es 8 ρs
v≈
1
3
2
344
Σχ. 11.20: Διαγράμματα θλιπτικής τάσης-παραμόρφωσης κυψελωτών πολυμερών: (α) ελαστομερικά, (β) ελαστοπλαστικά, (γ) ψαθυρά.
Οι σχέσεις για τη θλιπτική αντοχή των κυψελωτών πολυμερών δίνονται ακολούθως (Gibson and Ashby 1988):
σ el
ρ
≈0.05
Es
ρs
2
( )
( )
( )
σ pl
ρ
≈0.3
Es
ρs
σ cr
ρ
≈0.65
σ fs
ρs
3
2
3
2
Στις παραπάνω σχέσεις είναι: Es = μέτρο ελαστικότητας στερεού ιστού κυψελών
(δηλαδή του στερεού πολυμερούς), σ el, = θλιπτική αντοχή ελαστομερικών κυψελωτών
πολυμερών, σpl = θλιπτική αντοχή ελαστοπλαστικών κυψελωτών πολυμερών, σ cr = θλιπτική αντοχή ψαθυρών κυψελωτών πολυμερών και σ fs = εφελκυστική αντοχή στερεού
ιστού των ψαθυρών κυψελωτών πολυμερών.
Πολυμερή
345
Σχ. 11.21: Διαγράμματα εφελκυστικής τάσης-παραμόρφωσης κυψελωτών πολυμερών: (α) ελαστομερικά, (β) ελαστοπλαστικά, (γ) ψαθυρά.
11.8.2. Θερμική Συμπεριφορά
Σχ. 11.22: Θερμική αγωγιμότητα για κυψελωτή πολυουρεθάνη (κλειστών κυψελών).
Οι περισσότερες εφαρμογές των κυψελωτών πολυμερών σχετίζονται με τη θερμο-
346
μόνωση των κατασκευών. Έτσι, ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, λ, των υλικών
αυτών αποκτά ιδιαίτερη βαρύτητα. Ο συντελεστής αυτός δίνεται από τη συνεισφορά
τεσσάρων επιμέρους συντελεστών, λs, λg, λc και λr. Το λs αντιστοιχεί στην αγωγιμότητα
του στερεού ιστού, το λg στην αγωγιμότητα του αερίου που περιβάλλεται από τις κυψέλες (π.χ. αέρας, στην περίπτωση ανοικτών κυψελών), το λ c στη μεταφορά μέσω των
κυψελών (ο όρος αυτός είναι πρακτικά αμελητέος) και το λ r στην ακτινοβολία διαμέσου
του στερεού ιστού και των κενών των κυψελών (Schuetz and Glicksman 1983). Η συνεισφορά των παραπάνω όρων δίνεται παραστατικά στο Σχ. 11.22 για κυψελωτή πολυουρεθάνη με διάφορους λόγους ρ/ρs. Στο σχήμα αυτό δείχνεται ότι το λg είναι σταθερό και
ότι αυξάνοντας τη σχετική πυκνότητα το λs αυξάνεται ενώ το λr μειώνεται.
Η σχέση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί προσεγγιστικά για την εκτίμηση του λ δίνεται παρακάτω:
( ) ( )
−K
2 ρ
ρ
μ=
λ s + 1−
λ g +4 β 1 σ T̄ 3 t e
3 ρs
ρs
s
ρ
t
ρs
όπου β1 = σταθερά μικρότερη του 1, η οποία περιγράφει την εκπομπή ακτινοβολίας από τις επιφάνειες του στερεού ιστού του πολυμερούς, Ks = συντελεστής απόσβεσης
ακτινοβολίας του στερεού ιστού, με μονάδες m-1, σ = η σταθερά του Stephan (5.67·10-8
W/m2K4), t = πάχος στοιχείου από κυψελωτό πολυμερές και Τ = μέση θερμοκρασία των
δύο επιφανειών (εσωτερική και εξωτερική) στοιχείου από κυψελωτό πολυμερές (Κ).
Χρήσιμα πειραματικά δεδομένα για το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας κυψελωτής πολυουρεθάνης, πολυστερίνης και φαινολοφορμαλδεΰδης δίνονται στο Σχ. 11.23
(Skochdopole 1961, Guenther 1962), στο οποίο φαίνεται και ότι ο βέλτιστος, από άποψη ελαχιστοποίησης του Α, λόγος ρ/ρs είναι γύρω στο 0.04. Μεγαλύτερες τιμές του
λόγου αυτού αντιστοιχούν σε αύξηση της μεταφοράς θερμότητας μέσω του στερεού
ιστού αυξάνοντας το λ, ενώ για μικρότερες τιμές η ακτινοβολία περνάει ευκολότερα
μέσω των τοιχωμάτων των κυψελών, οπότε το λ πάλι αυξάνεται.
Σχ. 11.23: Θερμική αγωγιμότητα για κυψελωτή πολυουρεθάνη (PU), πολυστερίνη (PS) και φαινολοφορμαλδεΰδη (PF).
Στους παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα των κυψελωτών πολυμερών περιλαμβάνονται επίσης η θερμοκρασία (πτώση της επιφέρει μείωση του λ)
και η ηλικία του υλικού (σε μεγάλες ηλικίες το λ είναι κάπως αυξημένο). Σχετικό είναι το
Σχ. 11.24 (Schuetz and Glicksman 1983).
Πολυμερή
347
Οι προδιαγραφές σχετικά με τη χρήση κυψελωτών πολυμερών σε πλάκες θερμομόνωσης δίνονται στο Πρότυπο ΕΛΟΤ-450. Σύμφωνα με το παραπάνω πρότυπο, τα
κυψελωτά πολυμερή χαρακτηρίζονται ως: (α) RC/PS-M (αποτελείται από διογκωμένη
πολυστερίνη και έχει κλειστές κυψέλες), (β) RC/PS-E (εξηλασμένη πολυστερίνη, κλειστές κυψέλες), (γ) RC/PUR (κυψελωτή πολυουρεθάνη) και (δ) RC/PF (κυψελωτό υλικό
με βάση τα προϊόντα φαινόλης και φορμαλδεΰδης, κλειστές ή και ανοικτές κυψέλες).
Οι απαιτήσεις φυσικών ιδιοτήτων των παραπάνω υλικών κατατάσσονται σε κατηγορίες προϊόντων ως εξής:
Κατηγορία I: Κατάλληλα για κατασκευές χωρίς φόρτιση (π.χ. τοιχοπληρώσεις, θερμομονώσεις κενών, εξαεριζόμενων ορόφων κ.τ.λ.).
Κατηγορία II: Κατάλληλα για εφαρμογές με περιορισμένες φορτίσεις (π.χ. κάτω
από δάπεδα) και εφαρμογές όπου μπορεί να αναπτυχθούν αυξημένες θερμοκρασίες και
όπου απαιτείται στοιχειώδης αντοχή σε θλίψη και συμπεριφορά σε ερπυσμό.
Κατηγορία III: Κατάλληλα για εφαρμογές με φορτίσεις (π.χ. δώματα, χώροι στάθμευσης, δάπεδα ψυγείων) και εφαρμογές όπου απαιτείται μεγαλύτερη αντοχή σε θλίψη
και ικανοποιητική συμπεριφορά σε ερπυσμό.
Σχ. 11.24: Θερμική αγωγιμότητα για κυψελωτή πολυουρεθάνη (κλειστών κυψελών), ρ/ρs = 0.024, συναρτήσει ηλικίας και θερμοκρασίας.
Στη συνέχεια τα θερμομονωτικά κυψελωτά πολυμερή χωρίζονται σε υποκατηγορίες (Α, Β, C) με βάση τις μέγιστες τιμές του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Τέλος, η
κατάταξη γίνεται με βάση τις οριακές τιμές ποιότητας των φυσικών ιδιοτήτων, όπως αυτές προδιαγράφονται στους Πίνακες 11.5α-γ (ΕΛΟΤ-450).
Κλείνοντας την ενότητα των θερμικών ιδιοτήτων κυψελωτών πολυμερών αναφέρουμε ότι ο συντελεστής θερμικής διαστολής τους είναι, σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία, ουσιαστικά ίδιος με αυτόν του στερεού ιστού.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ
Πυκνότητα (ελάχ.)
Αντοχή σε συμπίεση ή συμπιεστότητα σε 10% παραμόρφωση (ελάχ.)
Θερμική αγωγιμότητα (μέγ.)
10 °C μέση / 28 μέρες ελάχ. ή
23 °C μέση / 28 μέρες ελάχ.
Μεταβολή διαστάσεων μετά 48 h σε 70 °C (μεγ.)
ΜΟΝΑΔΑ
kg/m3
kPa
mW (m·Κ)
%
ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ (5.1) και ΥΠΟΚΑΤΗΓΟΡΙΑ (5.2)
ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ
Ι
ΙΙ
ΙΙΙ
Α
Β
Α
Β
C
1512
20
20
30
30
30
ISO 845
50
100 100 150 150 150
ISO 844
37
34
37
28
32
37
ISO 2581 ή άλλη τυποποιημένη μέθοδος
39
36
39
29
34
39
5
5
5
5
5
Ερπυσμός λόγω συμπίεσης (μέγ.) μετά 48 h σε 80 °C σε 20 kPa φόρ- %
τιση
Ερπυσμός λόγω συμπίεσης (μέγ.) μετά 7 μέρες σε 70 °C και 40 kPa %
φόρτιση
Διαπερατότητα υδρατμών σε 23 °C από 0 ως 50% σχετ. υγρ.13
ng / (Pa·m·s)
Απορρόφηση υδρατμών (μεγ.)14
% (V/V)
---
5
5
---
---
---
---
---
5
5
9,5 ως 3,5 4,5 ως 0,5
6
4
4
2,0 ως 0,5
2
2
Αντοχή σε κάμψη (φορτίο κάμψης σε θραύση)
15
35
Ν
25
25
35
5
ISO 2796 όπως ορίζεται
στην 8.5.1
--ISO /TR 2799 όπως ορίζεται στην 8.5.2
5
ISO /TR 2799 όπως ορίζεται στην 8.5.3
4,5 ως 1,0 ISO 1663
2
ISO 2896 όπως ορίζεται
στο 8.7
35
ISO 1209 όπως ορίζεται
στην 8.8
Πίνακας 11.5.α: Ιδιότητες των RC/PS (M, E) που χρησιμοποιούνται για θερμομόνωση (ΕΛΟΤ-450)
12 Η πυκνότητα είναι δυνητική υπό την επιφύλαξη νομικών υποχρεώσεων ποιοτικού προσδιορισμού.
13 Μία συγκεκριμένη οριακή τιμή (μέγιστη, ελάχιστη, εξαρτάται από την εφαρμογή) μπορεί να επιλεγεί μετά από συμφωνία αγοραστή και προμηθευτή.
14 Τιμές που απαιτούνται όταν υπάρχει απ' ευθείας επαφή με το νερό στην τελική χρήση.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ
ΜΟΝΑΔΑ
Πυκνότητα (ελάχ.)15
kg/m3
Αντοχή σε συμπίεση 10% παραμόρφωση ή αστοχία, όποιο kPa
εμφανίζεται πρώτο (ελάχ.)
Θερμική αγωγιμότητα (μέγ.)
mW (m·Κ)
10 °C μέση / 28 μέρες ελάχ. ή
23 °C μέση / 28 μέρες ελάχ.
Μεταβολή διαστάσεων μετά 48 h σε 70 °C (μεγ.)
%
Ερπυσμός λόγω συμπίεσης (μέγ.) μετά 48 h σε 80 °C σε 20 %
kPa φόρτιση
Ερπυσμός λόγω συμπίεσης (μέγ.) μετά 7 μέρες σε 70 °C και %
40 kPa φόρτιση
Διαπερατότητα υδρατμών σε16
23 °C από 0 ως 50% σχετ. υγρ.
38 °C από 0 ως 88,5% σχετ. υγρ.
Απορρόφηση υδρατμών (μεγ.)17
ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ (5.1) και ΥΠΟΚΑΤΗΓΟΡΙΑ (5.2)
ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ
II
III
A
Β
A
Β
30
30
30
30
ISO 845
100
100
150
150
ISO 844
22
27
22
27
24
5
5
29
5
5
24
5
---
29
5
---
---
---
5
5
ng / (Pa·m·s)
6,5 ως 1,5
6,5 ως 1,5
% (V/V)
9 ως 1,5
4
12 ως 1,5
3
4
ISO 2581 ή άλλη τυποποιημένη
μέθοδος
ISO 2796 όπως ορίζεται στην 8.5.1
ISO /TR 2799 όπως ορίζεται στην
8.5.2
ISO /TR 2799 όπως ορίζεται στην
8.5.3
ISO 1663
3
ISO 2996 όπως ορίζεται στην 8.7
Πίνακας 11.5.β: Ιδιότητες των RC/PUR που χρησιμοποιούνται για θερμομόνωση (ΕΛΟΤ-450)
15 Η πυκνότητα είναι δυνητική υπό την επιφύλαξη νομικών υποχρεώσεων ποιοτικού προσδιορισμού.
16 Μία συγκεκριμένη οριακή τιμή (μέγιστη, ελάχιστη, εξαρτάται από την εφαρμογή) μπορεί να επιλεγεί μετά από συμφωνία αγοραστή και προμηθευτή.
17 Τιμές που απαιτούνται όταν υπάρχει απ' ευθείας επαφή με το νερό στην τελική χρήση.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ
ΜΟΝΑΔΑ
A
18 19
3
Πυκνότητα (ελάχ.)
kg/m
Αντοχή σε συμπίεση ή συμπιεστότητα σε 10% kPa
παραμόρφωση (ελάχ.)
Θερμική αγωγιμότητα (μεγ.)
10 °C μέση /28 μέρες ελάχ. ή
mW (m·Κ)
23 °C μέση / 28 μέρες ελάχ.
Μεταβολή διαστάσεων μετά 48 h σε 70 °C %
( μεγ.)
Ερπυσμός λόγω συμπίεσης (μέγ.) μετά 48 h %
σε 80 °C σε 20 kPa φόρτιση
Ερπυσμός λόγω συμπίεσης (μέγ.) μετά 7 %
μέρες σε 70 °C και 40 kPa φόρτιση
Διαπερατότητα υδρατμών 23 °C από 0 ως ng / (Pa·m·s)
50% σχετ. υγρ.20
Φορτίο κάμψης σε θραύση (ελάχ.)
Ν
30
60
ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ (5.1) και ΥΠΟΚΑΤΗΓΟΡΙΑ (5.2)
I
II
ΙΙΙ
Β
Α
Β
Α
30
40
40
60
60
100
100
250
ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ
ISO 845
ISO 844
20
35
20
35
37
22
2
37
2
22
2
37
2
39
2
---
---
5
5
---
ISO 7616 όπως ορίζεται στην 8.5.2
---
---
---
---
5
ISO 7616 όπως ορίζεται στην 8.5.3
6,5 ως 0,5
ISO 1663
35
ISO 1209 όπως ορίζεται στην 8.8
12 ως 0,5
15
6,5 ως 0,5
15
25
25
ISO 2581 ή άλλη τυποποιημένη
μέθοδος
ISO 2796 όπως ορίζεται στην 8.5,1
Πίνακας 11.5.γ: Ιδιότητες των RC/PF που χρησιμοποιούνται για θερμομόνωση (ΕΛΟΤ-450)
18 Η πυκνότητα είναι προαιρετική αν υπάρχει σύστημα ποιοτικού προσδιορισμού.
19 Η πυκνότητα κάθε πλάκας που ελέγχεται δεν πρέπει να είναι μικρότερη από το 90 % της μέσης τιμής όλων των ηλεγμένων πλακών.
20 Μία συγκεκριμένη οριακή τιμή (μέγιστη, ελάχιστη, εξαρτάται από την εφαρμογή) μπορεί να επιλεγεί μετά από συμφωνία αγοραστή και προμηθευτή.
Πολυμερή
351
11.9. Βιβλιογραφία
ACI 440R-96 (1996). State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic Reinforcement
for Concrete Structures, ACI, Detroit, Michigan.
ASCE (1984). Structural Plastics Design Manual, ASCE Manuals and Reports on
Engineering Practice No. 63, ASCE, New York.
Ashby, M. F and Jones, D. R. H. (1988). Engineering Materials 2: An Introduction to
Microstructures, Processing and Design, Pergamon Press, Oxford.
Benjamin, B. S. (1969). Structural Design with Plastics, Van Nostrand Reinhold, New
York.
El-Badry, Μ. M., editor (1996). Advanced Composite Materials in Bridges and
Structures, Proc. 2nd Intern. Conf., Montreal, Canada.
Feldman, D. (1989). Polymeric Building Materials, Elsevier Science Publishers Ltd.,
London.
Findley, W. N. (1960). SPE Journal, Jan., 57-65.
Gibson, L. J. and Ashby, M. F. (1988). Cellular Solids - Structure and Properties,
Pergamon Press, Oxford.
Guenther, F. O. (1962). SPE Trans., 2, 243.
Hollaway, L., editor (1990). Polymers and Polymer Composites in Construction, T.
Telford, London.
Hull, D.(1981). An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press,
Cambridge, England.
Illston, J. M. (1994), editor. Construction Materials - Their Nature and Behaviour, Ε &
FN Spon,London.
Jackson, N. and Dhir, R. K. (1988). Civil Engineering Materials, 4th edition, MacMillan
Education Ltd., London.
Jones, R. M. (1975). Mechanics of Composite Materials, Scripta Book Co., Washington,
D.C.
Kelly, J. Μ. (1986). Soil Dynam. and Earthq. Engrg., 5(3), 202-216.
Kim, D. H. (1995). Composite Structures for Civil and Architectural Engineering, Ε & FN
Spon, London.
Machida, Α., editor (1993). State-of-the-Art Report on Continuous Fiber Reinforcing
Materials, Japan Society of Civil Engineers.
Mahmoodi, P. (1969). J. Struct. Div., Proc. of ASCE, 95(8), 1661-1672.
Mays, G. C. and Hutchinson, A. R. (1992). Adhesives in Civil Engineering, Cambridge
University Press.
Meier, U. (1987). Material und Technik, 4, 125-128.
Naeim, F., editor (1989). The Seismic Design Handbook, Van Nostrand Reinhold, New
York.
Nanni, A. and Dolan, C. W., editors (1993). Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for
Concrete Structures, International Symposium, ACI SP-138.
352
Nicholls, R. (1976). Composite Construction Materials Handbook, Prentice-Hall, Inc.,
Englewood Cliffs, New Jersey.
Phillips, L. N., editor (1989). Design with Advanced Composite Materials, SpringerVerlag, London.
Πρότυπο ΕΛΟΤ-450. Κυψελωτά Πλαστικά - Προδιαγραφές Δύσκαμπτων Κυψελωτών
Υλικών σε Πλάκες που Χρησιμοποιούνται για Θερμομόνωση Κτιρίων.
Schuetz, Μ. Α. and Glicksman, L. R. (1983). Proc. Soc. Plastics Industry 6th Intern.
Technical/Marketing Conf., San Diego, California, 341-347.
Skochdopole, R. P. (1961). Chem. Eng. Prog., 57, 55.
Suh, K. W. and Skochdopole, R. E. (1980). Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd
edn, Kirk-Othmer editor, Vol. II., p. 82.
Σιδερής, Κ. Κ. (1984). Τεχνολογία Δομικών Υλικών, τόμ. Β', Δημοκρ. Πανεπ. Θράκης,
Ξάνθη.
Taerwe, L., editor (1995). Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures,
Proc. 2nd Intern. RILEM Symp. (FRPRCS-2), Ε & FN Spon, London.
Triantafillou, T. C. and Fardis, Μ. N. (1993). In Proc. IABSE Symp. on Structural
Preservation of the Architectural Heritage, Rome, Italy, 541-548.
Triantafillou, T. C. and Plevris, N. (1990). In Intern. Seminar on Structural
Repairs/Strengthening by the Plate Bonding Technique, Univ. of Sheffield, England.
Triantafillou, T. C. and Plevris, N. (1992). Mater. Struct., 25, 201-211.
Τριανταφύλλου, Αθ. X. (2003). Ενισχύσεις Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος με
Σύνθετα Υλικά (Ινοπλισμένα Πολυμερή), Βιβλιοπ. Παπασωτηρίου.
Wendehorst, R. (1975). Baustoffkunde, Verlag, Hannover.