Βελτιστοποίηση σχεδιασμού, παραγωγής και χρήσης μειγμάτων αυτοσυμπυκνούμενου σκυροδέματος σε βιομηχανική κλίμακα στην Ελλάδα

Abstract

Specific concrete types which demand little to slight vibration after the completion of casting procedure, were used in Europe since the early 70’s. Self Compacting Concrete developed eventually in the late 80’s in Japan and was later on introduced to several European countries in the middle 90’s. The term self compacting concrete (SCC) is referred to a new, special type of concrete, which is based on the emerging technology of adequate rheology and high segregation resistance. SCC differs from the traditional concrete by the increased hydraulic/pozzolanic materials and the incorporation of chemical admixtures such as superplasticiser, retarding admixture, high range water reducer and viscosity modifying agent. The alterations that are presented in the SCC mixture proportions lead to high fluidity and the ability to cast highly reinforced structures and specially shaped formworks with optimum outcome. Further benefits that come along when using SCC are: labor reduction, shortening of placing and finishing time, total absence of vibration equipment and elimination of the hazardous noise. These distinctive characteristics make the use of SCC a profitable investment compared to traditional concrete and conventional techniques. Nevertheless the use of SCC, as far as the Greek field of concrete technology is concerned, has not met great acceptance yet due to difficulties which have mostly to do with the production procedure. The latter concerns the minimum tolerance that is presented by SCC to material fluctuations and weighting errors which take place on site. This is of great importance as this type of conduct leads to alteration of rheological characteristics of the freshly mixed concrete and the hardened concrete attributes afterwards. To cope with the above stated concerns, the development of a new methodology for the production and control of fresh SCC mixtures is analytically described in the present doctoral thesis. According to the methodology proposed, concrete mixtures are firstly designed in mortars which are evaluated before the corresponding concrete mixture production takes place. The methodology presents great flexibility considering its application and differentiates itself compared to other proposed methodologies as it permits the production of concrete mixtures which belong to lower strength classes. In that way the use of SCC can be a potential solution for casting everyday structures, answering the demands of the modern construction industry. The next stage of the doctoral thesis was centered to the production of two different groups of SCC mixtures with sufficient degree of confidence. The concrete groups differed from each other by their basic constituents and in particular the type and number of chemical admixtures and the origin of the used sand. The mixture proportions were consequently altered and the two mixture groups exhibited entirely different rheological characteristics which nevertheless presented acceptable attributes. During the present phase all concrete mixtures were thoroughly tested in terms of fresh concrete behavior using laboratory equipment. Later on large scale experiments took place in a factory (ΤΕΚΤΩΝ Α.Ε.) nearby Xanthi’s region. That specific survey concluded to the enactment of a series of methodologies concerning the retention of concrete’s workability where needed and the successful transfer of the SCC mixture on site. That is extremely important as any slight deviation of the mixture’s workability compared to the designed one, leads to different rheological behavior and sets the economic and time budgeting base in jeopardy. The efforts of the studies were then focused on the development of the pressure distribution on vertical structure elements. SCC is as it is already said an extremely fluid material which approaches the concrete hydrostatic pressure during casting procedure and under certain circumstances it may even exceed it. That is mainly referred to vertical elements as the hydrostatic pressure is only dominated by the parameter of height. The phenomenon was studied by casting laboratory and large scale columns using special recording equipment of pressure development at different heights of the columns at all times. The outcome of that part of the study exhibits peculiar SCC behavior which in some aspects (SCC mixture rheology, different casting rates, and reinforcement percentage) is different compared to relevant literature references. The experiments described in the previous paragraphs were ideally fulfilled by the conduct of specimen extraction which were drilled off large scale columns. Cores were extracted from all sixteen large scale columns and laboratory columns to assess hardened concrete characteristics. Corresponding tests took place in the laboratory using control specimens for the assessment of the mechanical characteristics and durability of all designed mixtures. The results from the extracted cores comply well with previous conclusions which were stated in the present doctoral thesis giving a vivid description about the overall hardened behavior of the SCC mixtures studied in terms of strength class, rheology and casting rate. The epilogue of the survey and the present doctoral thesis was drawn by the incorporation of the optimum SCC mixes for two different strength classes (SCC 25/30 και SCC 30/37) to a ready mix plant (ΤΕΚΤΩΝ Α.Ε.). The specific SCC mixes were used in repair works of vertical structural elements in Xanthi’s andKavala’s region respectively. The successful outcome of the enterprises described above certifies the advancement of concrete technology in Greece in terms of SCC application and lays the ground for future replacement of traditional concrete by self-compacting concrete.

Συγκεκριμένοι τύποι σκυροδέματος που απαιτούν μικρή έως ελάχιστη δόνηση μετά την διαδικασία της χύτευσης στους ξυλότυπους χρησιμοποιούνταν στην Ευρώπη από τις αρχές της δεκαετίας του 70, υποδεικνύοντας την ανάγκη της εξέλιξης του σκυροδέματος ως δομικό υλικό. Το αυτοσυμπυκνούμενο σκυρόδεμα αναπτύχθηκε τελικά στα τέλη της δεκαετίας του 80 στην Ιαπωνία για να υιοθετηθεί στην συνέχεια από διάφορες Ευρωπαϊκές χώρες στα μέσα της δεκαετίας του 90. Ο όρος αυτοσυμπυκνούμενο σκυρόδεμα (ΑΣΣ) αναφέρεται σε ένα νέο, ειδικό τύπο σκυροδέματος που χαρακτηρίζεται από υψηλή αντίσταση σε φαινόμενα απόμειξης και την δυνατότητα συμπύκνωσης χωρίς την απαίτηση ύπαρξης δονητών μάζας. Το ΑΣΣ διαφοροποιείται από το συμβατικό σκυρόδεμα καθώς χαρακτηρίζεται από αυξημένες ποσότητες υδραυλικών/ποζολανικών υλικών και συμπεριλαμβάνει ποσότητες ενός ή περισσοτέρων χημικών προσμίκτων στην σύνθεσή του (π.χ. ρευστοποιητή, επιβραδυντή, μειωτή νερού, ρυθμιστή ιξώδους). Οι ιδιαιτερότητες αυτές της σύνθεσης του ΑΣΣ εξασφαλίζουν στα αντίστοιχα μείγματα υψηλή ρευστότητα επιτρέποντας κατά περιπτώσεις την σκυροδέτηση πολύπλοκων και πυκνά οπλισμένων κατασκευών με βέλτιστα αποτελέσματα. Επιπρόσθετα οφέλη που προκύπτουν από την ικανότητα αυτοσυμπύκνωσης του ΑΣΣ αποτελούν, η μείωση του χρόνου εργασίας, η ελαχιστοποίηση της διαδικασίας σκυροδέτησης και διάστρωσης, και η εκμηδένιση του επιβλαβούς θορύβου που προκύπτει από την λειτουργία του μηχανισμού δόνησης του συμβατικού σκυροδέματος καθιστώντας τελικά την χρήση του ΑΣΣ επικερδή επένδυση. Παρ’ όλα αυτά η χρήση του ΑΣΣ στον Ελληνικό χώρο της τεχνολογίας σκυροδέματος δεν έχει ευρέως διαδοθεί καθώς το υλικό παρουσιάζει δυσκολίες στην παρασκευή του. Η διαπίστωση αυτή αφορά περισσότερο την μηδενική ανοχή του υλικού σε σχέση με παράγοντες, οι τιμές των οποίων παρουσιάζουν ευρεία διακύμανση στο πεδίο του έργου. Το γεγονός αυτό είναι ιδιαίτερης σημασίας καθώς αυτού του είδους η συμπεριφορά συνεπάγεται διαφοροποίηση των χαρακτηριστικών του νωπού σκυροδέματος με δυσμενείς συνέπειες για την μετέπειτα ποιότητα των κατασκευών. Για τον λόγο αυτό στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύσσεται μια μεθοδολογία για τον σχεδιασμό, την παρασκευή αλλά και τον έλεγχο μειγμάτων ΑΣΣ, με βάση την οποία τα μείγματα σκυροδέματος σχεδιάζονται και παρασκευάζονται πρώτα σε κονίαμα. Η μέθοδος παρουσιάζει ιδιαίτερη ευελιξία στην εφαρμογή της και διαφοροποιείται από τις μέχρι στιγμής προτεινόμενες μεθόδους σε βασικά ζητήματα επιτρέποντας την παρασκευή αυτοσυμπυκνούμενων σκυροδεμάτων χαμηλότερων κατηγοριών αντοχής που ανταποκρίνεται στην ζήτηση του σύγχρονου κατασκευαστικού χώρου. Κατ’ αυτόν τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα της χρησιμοποίησης του ΑΣΣ κατόπιν σχεδιασμού σε συνήθη οικοδομικά έργα χωρίς το υλικό να αποτελεί λύση εξειδικευμένων μόνο εφαρμογών. Η επιτυχημένη εφαρμογή της μεθόδου οδήγησε στην συνέχεια της διατριβής στην παρασκευή δύο σειρών μειγμάτων ΑΣΣ με ικανοποιητικό βαθμό αξιοπιστίας. Τις σειρές των μειγμάτων ΑΣΣ διαχώριζαν τα διαφορετικά υλικά που τα συνέθεταν και πιο συγκεκριμένα ο τύπος και η ποσότητα του τσιμέντου, η προέλευση και η ποιότητα της άμμου και ο τύπος και η αποτελεσματικότητα των χημικών προσμίκτων. Κατά το στάδιο αυτό πραγματοποιήθηκε εκτενής μελέτη των ιδιοτήτων του νωπού σκυροδέματος τόσο στο εργαστήριο Δομικών Υλικών του ΔΠΘ όσο και σε μονάδα παρασκευής έτοιμου σκυροδέματος (ΤΕΚΤΩΝ Α.Ε.) στην ευρύτερη περιοχή της Ξάνθης. Η συγκεκριμένη έρευνα κατέληξε τελικά στη θέσπιση νέων μεθοδολογιών που αφορούν πλέον την διατήρηση των ρεολογικών χαρακτηριστικών των μειγμάτων και την μεταφορά αυτών στο πεδίο του έργου με επιτυχία. Το γεγονός αυτό είναι θεμελιώδους σημασίας αν αναλογιστεί κανείς ότι το κόστος που προκύπτει από την απόρριψη ενός μείγματος λόγω της απόκλισης που αυτό παρουσιάζει όσον αφορά την εργασιμότητα σχεδιασμού του, θέτει τον οικονομικό προϋπολογισμό αλλά και τον χρονικό προγραμματισμό εκτός ορίων με δυσμενείς συνέπειες για το συνολικό προγραμματισμό του έργου. Το αντικείμενο της έρευνας στην συνέχεια καθορίστηκε από τον έντονο προβληματισμό σχετικά με την σκυροδέτηση κατακόρυφων δομικών στοιχείων. Το ΑΣΣ χαρακτηρίζεται όπως έχει ήδη ειπωθεί από υψηλή ρευστότητα με συνέπεια να προσεγγίζει την υδροστατική πίεση του σκυροδέματος κατά την διαδικασία της χύτευσης και υπό δεδομένες συνθήκες να την υπερβαίνει. Αυτή η συμπεριφορά του υλικού οδηγεί εξ’ ορισμού σε αυξημένες πιέσεις κατά την σκυροδέτηση κατακόρυφων δομικών στοιχείων εφόσον η υδροστατική πίεση είναι εξαρτώμενη από το ύψος και μόνον. Η μελέτη του φαινομένου πραγματοποιήθηκε σε εργαστηριακό και εργοστασιακό επίπεδο με την χρήση εξειδικευμένου εξοπλισμού καταγραφής της πίεσης καθ΄ύψος του ξυλοτύπου, για διαφορετικές συνθέσεις αυτοσυμπυκνούμενων και συμβατικών σκυροδεμάτων. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης έρευνας διαφοροποιούνται σε αρκετές περιπτώσεις από τα αντίστοιχα δεδομένα που συναντά κανείς στην βιβλιογραφία, εξετάζοντας την εξέλιξη της κατανομής της πίεσης έναντι ξυλοτύπου σε σχέση με παραμέτρους όπως η ρεολογία των μειγμάτων ΑΣΣ, ο ρυθμός σκυροδέτησης και το ποσοστό οπλισμού των κατακόρυφων δομικών στοιχείων. Τα παραπάνω δεδομένα συμπληρώθηκαν ιδανικά από σχετική πυρηνοληψία που διεξήχθη στα εργαστηριακά υποστυλώματα και στο σύνολο των εργοστασιακών υποστυλωμάτων τα οποία αριθμούσαν τα δεκαέξι στοιχεία. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τους αποκτώμενους πυρήνες συνάδουν με τα όσα συμπεράθηκαν από την μελέτη των αναπτυσσόμενων πιέσεων και έδωσαν σαφή εικόνα για την κατανομή των μηχανικών χαρακτηριστικών και την ανθεκτικότητα των μειγμάτων ΑΣΣ σε σχέση με παραμέτρους όπως κατηγορία αντοχής, ρεολογία και ρυθμός σκυροδέτησης. Τον επίλογο του συνόλου της έρευνας που πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η επιτυχής ενσωμάτωση των βέλτιστων μειγμάτων ΑΣΣ για δύο κατηγορίες αντοχής (SCC 25/30 και SCC 30/37) στην μονάδα παρασκευής έτοιμου σκυροδέματος ΤΕΚΤΩΝ Α.Ε. Τα συγκεκριμένα μείγματα χρησιμοποιήθηκαν σε εφαρμογές ενίσχυσης υφιστάμενων κατασκευών στις περιοχές της Ξάνθης και της Καβάλας αντίστοιχα με απόλυτη επιτυχία. Η επιτυχής έκβαση των παραπάνω εγχειρημάτων πιστοποιεί την πρόοδο που σημειώθηκε στον χώρο της τεχνολογίας σκυροδέματος στην Ελλάδα σε σχέση με το ΑΣΣ και δίνει ελπιδοφόρο μήνυμα για την μελλοντική ίσως αντικατάσταση του συμβατικού σκυροδέματος από το αυτοσυμπυκνούμενο σκυρόδεμα σε σχέση με την σκυροδέτηση ειδικών εφαρμογών.