Μηχανικά χαρακτηριστικά και ανθεκτικότητα αυτοσυμπυκνούμενων σκυροδεμάτων (ΑΣΣ) παρασκευασμένα με ελληνικά υλικά

Abstract

A new kind of concrete called Self Compacting Concrete (SCC) was initially introduced in Japan in the early 80s while the first applications of SCC in Europe are noted one decade later. The basic advantage that differentiates the new material concerns its functions, as it offers more a rational and faster casting procedure which emerges from the ability of the material to self consolidate without any mechanical assistance (vibration). The alteration of SCC as compared with the conventionally vibrated concrete in terms of production, does not only concern the unique raw materials which are needed for the production of SCC, but mostly reflects to the handling procedure of the new material which incorporates elements such as different kind of powder and advanced chemical admixtures that lead to an evolved kind of concrete. Even though concrete stands for the most commonly used construction material in Greece, the application of newly developed materials such as SCC, has not met great acceptance yet. Engineers listen to SCC application in disbelief and insist on using conventional concrete which demands vibration right after casting in order for concrete to encapsulate the formwork completely and demonstrate later on satisfactory strength and durability. Although Greece is a country which was expected to be in favor of the new material, it possesses one of the last places in the list of countries which use SCC in construction. Constructors and engineers throw discredit on SCC as it is believed to be hard to apply compared to conventional concrete which on the other hand is familiar and consequently acceptable. The major objective of the present doctoral thesis has to do with the introduction of SCC in the domestic scientific environment, and the provision for further insight on SCC’s behavior after extensive laboratory tests. The use of SCC provides rise in production which comes from the sharp casting rate combined with the superior reinforced concrete quality. However, most studies in contradiction with the present thesis refer to SCC as a hard to handle material, which demands specialized and expensive equipment. At the same time the first official attempts on SCC production were considered to lead to a sort of high performance concrete with peculiar mix proportion. The above mentioned analysis states that SCC is an indisputably innovative material which however hasn’t been correctly introduced to the engineer’s society. While aiming at the introduction of SCC to the Greek market, it was of special interest to produce SCC mixtures in such way that is conformed to the associated production conditions. Consequently the production of SCC mixtures which belong to both high and lower strength classes with mix proportions similar to the corresponding conventional concrete mixtures, used by the current concrete industry, was crucial and objective from the onset of the present doctoral thesis. To accomplish such mix designs, certain materials from all over Greece were used in their raw form in order to produce SCC mixtures and adjust to different production conditions. Research leaded to a certain methodology for handling-controlling and producing SCC mixtures. Hence, unlike any literature reference, according to the present study the new material becomes applicable in every case with any raw materials available for its production. The absence of vibration, the passing and filling ability which is presented by SCC, combined with its high segregation resistance, reassure the complete filling of any formwork independently of its shape using only the gravity forces. The above mentioned features of SCC should be enough to distinguish SCC from conventional concrete and replace it as it is superior material. Furthermore SCC is crucial to guarantee for stable and robust mixtures while being introduced and produced by the concrete industry. This reassurance is among others distinguished by testing and analyzing the mechanical characteristics and the durability of the new material. Failure of production of a wide range of SCC mixtures as far as strength classes are concerned only reveals incomprehensive research on the specific matter. To compensate for this lack of research, SCC mixtures were further investigated in terms of mechanical characteristics and durability and thereafter compared in every case with the corresponding conventional mixtures. In particular the present doctoral thesis investigates the mix designs of four SCC mixtures which belong to the following strength classes: C20/25, C25/30, C30/37 and C35/45. These mixtures are produced with different raw materials which originate from several places within the Greek region and differ between them as far as the grading of the aggregates and the kind of cement type is concerned. The investigation was made concerning concretes of all strength classed which are produced with raw materials (siliceous and limestone sand of different grading) and cement (different type) that originate from three different Greek districts: Athens, Patra and Thessaloniki. Apart from the mix design all SCC and conventional mixtures (sum of 24 mixtures) were submitted to compressive strength, splitting tensile strength and modulus of elasticity tests which sum up the mechanical characteristics of a concrete mixture after its hardening. On the other hand concrete’s durability was assessed by shrinkage tests, water capillary absorption tests, carbonation tests, chloride -thaumasite attack tests and exposure at elevated temperatures. Right after testing, a comparative study took place to distinguish the degree up to which SCC differentiates with reference to conventional concrete and reach a verdict about the superiority of SCC. Part of the study also had to do with the production of eight SCC mixtures which belong to two different strength classes (C25/30-C30/37) and were produced by using industrial byproducts (ladle slag, cement kiln dust and glass filler) offering further benefits for the environment. Due to the completion of the result comparing process, a financial-technical study took place, so as to offer information about the cost of the new material. The last part of the study involved the large scale production of SCC and the investigation of dynamic characteristics.

Ένα νέο είδος σκυροδέματος που ονομάζεται Αυτοσυμπυκνούμενο Σκυρόδεμα-ΑΣΣ (Self Compacting Concrete- SCC) άρχισε να χρησιμοποιείται στην Ιαπωνία, την δεκαετία του ’80 και ήρθε στην Ευρώπη, στις Σκανδιναβικές χώρες στη δεκαετία του ’90. Το βασικό πλεονέκτημα του νέου υλικού, αφορά την λειτουργία του, προσφέροντας ορθολογικότερη και ταχύτερη διαδικασία σκυροδέτησης, εφόσον το σκυρόδεμα χρειάζεται απλώς να χυτευθεί στον ξυλότυπο χωρίς περεταίρω επεξεργασία και μηχανική υποβοήθηση (συμπύκνωση). Η διαφοροποίηση του ΑΣΣ σε επίπεδο παραγωγής από το συμβατικά δονούμενο σκυρόδεμα, δεν αφορά πλέον τις εξειδικευμένες πρώτες ύλες παραγωγής του νέου υλικού, αλλά εμπεριέχεται στον χειρισμό του υλικού και την αφομοίωση σε αυτό των μέσων που παρέχει η τεχνολογία σκυροδέματος, όπως η αναβαθμισμένη μελέτη σύνθεσης και η εξέλιξη των χημικών προσθέτων. Παρόλο που το σκυρόδεμα αποτελεί πρωταρχικό και κύριο κατασκευαστικό υλικό στον ελληνικό χώρο, η εφαρμογή νέων μεθόδων όπως το ΑΣΣ δεν έχουν τύχει ευρείας αποδοχής με αποτέλεσμα όλα τα είδη σκυροδέματος που χρησιμοποιούνται σήμερα στην Ελλάδα να απαιτούν συμπύκνωση προκειμένου να γεμίσουν όλα τα κενά του ξυλοτύπου και να αποκτήσουν τελικά τις απαιτούμενες αντοχές και την ανθεκτικότητα στο χρόνο. Αναλυτικότερα, αν και η Ελλάδα αποτελεί χώρα όπου αναμενόταν να ευδοκιμήσει η νέα τεχνολογία που προσφέρει το ΑΣΣ, κατέχει μία από τις χαμηλότερες θέσεις αναφορικά με την χρήση του νέου υλικού σε παραγωγική διαδικασία. Η δυσπιστία του κατασκευαστή-μελετητή-παραγωγού αλλά και η αντίληψη της εξειδικευμένης εφαρμογής και παραγωγής του, είναι οι λόγοι που καθιστούν δύσκολη την εφαρμογή του ΑΣΣ στην Ελλάδα. Το κύριο αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η εισαγωγή του αυτοσυμπυκνούμενου σκυροδέματος στο εγχώριο επιστημονικό τομέα, και την διερεύνηση εις βάθος της εργαστηριακής συμπεριφοράς του. Το ΑΣΣ παρέχει την αύξηση της παραγωγικότητας μέσω της μείωσης του χρόνου χύτευσης αλλά και τη βελτίωσης της ποιότητας των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. Στις περισσότερες μελέτες όμως που έχουν διερευνηθεί ,μέχρι το σημείο συγγραφής της παρούσας διατριβής, το ΑΣΣ εμφανίζεται ως εξειδικευμένη τεχνολογία, η οποία απαιτεί για την παραγωγή του υλικά συγκεκριμένων προδιαγραφών. Παράλληλα, οι πρώτες ενέργειες για την παραγωγή του ΑΣΣ, αποτέλεσαν λύσεις σκυροδεμάτων υψηλής επιτελεστικότητας με ιδιαίτερα στοιχεία σύνθεσης. Οι παράγοντες αυτοί καθιστούν το ΑΣΣ ως ξεχωριστή λύση, αλλά σίγουρα όχι ως καινοτομία η οποία να μπορεί να προσαρμοστεί στις μεταβαλλόμενες συνθήκες έρευνας αλλά και παραγωγής. Στην προσπάθεια ένταξης του νέου υλικού στον ελληνικό χώρο, βασικός στόχος αποτέλεσε η παραγωγή μειγμάτων ΑΣΣ προσαρμοσμένα στις συνθήκες και τις απαιτήσεις της υπάρχουσας παραγωγής. Η παρασκευή λοιπόν, εύρους σκυροδεμάτων από χαμηλής έως και υψηλής κατηγορίας αντοχής με βάση αντίστοιχες συνθέσεις συμβατικών σκυροδεμάτων που βρίσκονται ήδη στην παραγωγή αποτέλεσε τον αρχικό σημείο επικέντρωσης της συγκεκριμένης έρευνας. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, χρησιμοποιήθηκαν υλικά προερχόμενα από διάφορες περιοχές της Ελλάδας, χωρίς περεταίρω επεξεργασία, προσαρμόζοντας τοιουτοτρόπως το ΑΣΣ στις εκάστοτε συνθήκες παραγωγής διαφόρων περιοχών της ελληνικής επικράτειας. Από την έρευνα προέκυψαν σαφείς οδηγίες σχεδιασμού, παραγωγής και χειρισμού του αυτοσυμπυκνούμενου σκυροδέματος καθιστώντας τελικά το νέο υλικό εφαρμόσιμο σε κάθε περίπτωση και με οποιεσδήποτε πρώτες ύλες, στοιχείο που δεν συναντήθηκε στην βιβλιογραφία. Η απουσία δόνησης, η ικανότητα ροής του σκυροδέματος, η δυνατότητα πλήρωσης του ξυλότυπου της εφαρμογής με την βοήθεια του ίδιου βάρους του αλλά και η μεγάλη συνεκτικότητα που εμφανίζει το ΑΣΣ (αντίσταση σε απόμειξη) είναι στοιχεία τα οποία ενισχύουν την χρήση του ΑΣΣ στην παραγωγή και την αντικατάσταση του συμβατικού σκυροδέματος. Παράλληλα με τις παραπάνω ιδιότητες όμως, το ΑΣΣ είναι ουσιώδες να εγγυάται και την ανάλογη ασφάλεια κατά την χρήση του στην βιομηχανία κατασκευής. Η πιστοποίηση αυτή πραγματοποιείται με την μελέτη και ανάλυση των μηχανικών χαρακτηριστικών και της ανθεκτικότητας του νέου υλικού. Η απουσία παραγωγής ΑΣΣ μειγμάτων σε μεγάλο εύρος κατηγοριών αντοχής, ακολουθώντας παράλληλα και τις απαιτήσεις και υποδείξεις της εκάστοτε περιοχής προέλευσης των πρώτων υλών, προϋποθέτει και την έλλειψη έρευνας πάνω σε θέματα βασικών χαρακτηριστικών του υλικού. Για τον λόγο αυτό πραγματοποιήθηκε εκτενής έρευνα σε θέματα μηχανικών ιδιοτήτων και ανθεκτικότητας, όλων των παρασκευασθέντων μειγμάτων και η άμεση σύγκρισή τους με τις ιδιότητες των αντίστοιχων σε κάθε περίπτωση, συμβατικών σκυροδεμάτων. Αναλυτικότερα, η διδακτορική διατριβή, ερευνά τις μελέτες συνθέσεων ΑΣΣ μειγμάτων τεσσάρων κατηγοριών αντοχής C20/25, C25/30, C30/37 και C35/45, παρασκευασμένα με πρώτες ύλες διαφορετικής προελεύσεως όπου συνιστούν διαφορά στον τύπο και την κοκκομετρία της άμμου, αλλά και την προέλευση παραγωγής του τσιμέντου. Τα στοιχεία αυτά είναι οι βασικοί παράμετροι που καθορίζουν την ρεολογία του σκυροδέματος, παράγοντας σημαντικός για την λειτουργία του ΑΣΣ το οποίο βασίζεται σε αυτή. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν για όλες τις παραπάνω κατηγορίες αντοχής, σκυροδέματα παρασκευασμένα με υλικά προερχόμενα από 3 περιοχές της Ελλάδας: της Αθήνας, της Πάτρας και της Θεσσαλονίκης παρέχοντας διαφορετικό τύπου τσιμέντου και διαφορετική ποιότητα άμμου (πυριτική και ασβεστολιθική διαφορετικών κοκκομετριών). Για όλα τα παραπάνω 12 μείγματα αλλά και για τα αντίστοιχα 12 συμβατικά σκυροδέματα, εκτός από την μελέτη σύνθεσης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις θλιπτικής αντοχής, εφελκυσμού διάρρηξης και μέτρου ελαστικότητας που συνιστούν τα μηχανικά χαρακτηριστικά, και μετρήσεις συστολής ξήρανσης, υδατοαπορροφητικότητας, ενανθράκωσης, προσβολής σκυροδέματος και οπλισμού λόγω επίδρασης χλωριόντων, επίδρασης από σχηματισμό θωμασίτη και επίδραση από την έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες όπου αφορούν την ανθεκτικότητα των σκυροδεμάτων. Πραγματοποιήθηκε άμεση σύγκριση όλων των παραπάνω ιδιοτήτων μεταξύ των ΑΣΣ και των συμβατικών σκυροδεμάτων τις ίδιας Φάσης παραγωγής, με σκοπό την εξακρίβωση της ανωτερότητας του νέου υλικού σε σχέση με το παραδοσιακό, ενισχύοντας τα πλεονεκτήματα του ΑΣΣ, εκτός από το επίπεδο της εφαρμογής, και στο επίπεδο της αναβαθμισμένης και ποιοτικότερης απόδοσης της κατασκευής. Τέλος, η διδακτορική έρευνα πλαισιώθηκε από 8 μείγματα ΑΣΣ κατηγοριών C25/30 και C30/37 όπου παρασκευάστηκαν με την χρήση βιομηχανικών παραπροϊόντων (φαρίνα ηλεκτροφίλτρων, σκωρία υψικαμίνων και υαλλόθραυσμα) με προφανή οφέλη για το περιβάλλον. Για την ολοκληρωμένη σύγκριση των αποτελεσμάτων, πραγματοποιήθηκε και οικονομοτεχνική μελέτη η οποία χαρακτηρίζει το κόστος του νέου υλικού. Τέλος, η έρευνα ολοκληρώθηκε με την εφαρμογή μειγμάτων ΑΣΣ σε εργοστασιακή κλίμακα και με την μελέτη δυναμικών χαρακτηριστικών (ανακυκλιζόμενη φόρτιση) του νέου υλικού.