Μεθοδολογία αποτίμησης του ρόλου των αδρανών για τον επιτελεστικό σχεδιασμό κονιαμάτων αποκατάστασης

Abstract

The effect of aggregates grading and particle size distribution on the composition of restoration mortars has long been recognised. Aggregates are granular materials that occupy significant volume of the mortar matrix (usually more than 60%). Aggregates properties significantly affect the workability of fresh mortar and the strength, durability and density of hardened mortar. Moreover, the particle size distribution of an aggregate material is critical for the performance of the end mixture.In terms of restoration interventions on historical buildings, the aggregate materials employed for the design of proper restoration mortars should take into consideration the nature and the grading properties of the aggregates already applied in the authentic mortars.Taking into account that through the centuries historic mortars have proved to be well compatible with the historic structural units and long lasting under severe mechanical and environmental loads, mix design of restoration mortars should be approached on the basis of historic materials simulation. However, due to the overcoming industrial production, traditional materials and techniques have been replaced by cement technology, resulting to the loss of traditional building practice. A number of recent restoration interventions have caused significant failures and damage accelerations to the historic building materials and structural units. Therefore, there is a demand for proper restoration mortars and building materials compatible to the original structures.Special research should be followed on the selection of raw materials for the production of suitable restoration mortars. Binder and aggregates are the raw materials of which a mortar mixture consists on its basis. The present work focuses on a thorough investigation on aggregate materials, through mathematical and statistical examination of their grading, by extracting crucial parameters and factors that correspond to the characteristics of grading curves. The experimental works took place at the Materials Laboratory of National Technical University of Athens and at the Directorate for Technical Research and Restoration of the Ministry of Culture, Greece. They concern a thorough investigation of the parameters characterizing gradings of aggregate materials which determine the necessary proportions of raw materials for the mix design of workable restoration mortars. Grading of aggregates contribute significantly to the final behaviour of mortars. A combined evaluation of the mathematical and statistical data obtained permitted a standard method of analysing and integrating various aggregate materials and their properties. The gradation curves extracted from the typical gradation analysis that was performed on a significant number of various aggregates were plotted on graphs where areas of certain void content were determined. These areas correspond to certain proportions of binding materials that should be occupied in the mortar matrix released from the aggregates, which contribute essentially to the final mix design of restoration mortars.Moreover, restoration mortars with certain proportions of binding material and aggregates, as they derive from the study of grading curves, were evaluated regarding their strength development and microstructural parameters obtained through time. For this purpose certain mortar mixes were tested in the laboratory. Further investigation on various mortar mixes would prove the effectiveness of a good grading curve on the behaviour of restoration mortars using various types of binding materials and aggregates.

Η επίδραση της κοκκομετρίας των αδρανών υλικών και της κατανομής του μεγέθους των κόκκων τους είναι ιδιαιτέρως σημαντική στη σύνθεση κονιαμάτων αποκατάστασης.Τα αδρανή είναι κοκκώδη υλικά που καταλαμβάνουν σημαντικό ποσοστό στη μήτρα ενός κονιάματος (συνήθως άνω του 60%). Οι ιδιότητές τους επηρεάζουν σημαντικά την συμπεριφορά των κονιαμάτων και συγκεκριμένα, μεταξύ άλλων, την εργασιμότητα των νωπών μιγμάτων, αλλά και την αντοχή, την συνεκτικότητα και την ανθεκτικότητα του σκληρυμένου κονιάματος.Η κατανομή μεγέθους κόκκων ενός αδρανούς υλικού είναι κρίσιμος παράγοντας για την συμπεριφορά του τελικού προϊόντος.Στο γενικότερο πλαίσιο των επεμβάσεων αποκατάστασης σε ιστορικές τοιχοποιίες, τα αδρανή υλικά που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό κατάλληλων κονιαμάτων αποκατάστασης θα πρέπει να συμβαδίζουν κατά το δυνατόν με τις απαιτήσεις της φύσης και της κοκκομετρίας του πλέγματος των αδρανών που αναγνωρίζονται στα αυθεντικά κονιάματα ιστορικών τοιχοποιϊών.Λαμβάνοντας υπόψη ότι, στο πέρασμα των χρόνων, τα αυθεντικά κονιάματα έχουν επιδείξει αξιοσημείωτη συμπεριφορά και ανθεκτικότητα σε μηχανικές καταπονήσεις και περιβαλλοντικά φορτία, η Μελέτη Σχεδιασμού (Mix Design) κονιαμάτων αποκατάστασης θα πρέπει να προσεγγιστεί υπό το πρίσμα της προσομοίωσης των αυθεντικών υλικών.Ωστόσο, λόγω της σημαντικής διαφοροποίησης μέσω της βιομηχανικής παραγωγής των δομικών υλικών και της εξάλειψης των παραδοσιακών τεχνικών, καθώς και της ευρείας εφαρμογής τσιμεντιτικών υλικών σε επεμβάσεις αποκατάστασης, έχουν προκληθεί σημαντικές αστοχίες και φθορές στα αυθεντικά δομικά υλικά, επιβεβαιώνοντας την ακαταλληλότητα των υλικών με βάση το τσιμέντο.Επομένως, είναι αναγκαίος ο σχεδιασμός κατάλληλων κονιαμάτων αποκατάστασης συμβατών προς τα αυθεντικά δομικά υλικά.Η επιλογή των πρώτων υλών για την παρασκευή κατάλληλων κονιαμάτων αποκατάστασης χρήζει ιδιαίτερης μελέτης. Ως πρώτες ύλες νοούνται η κονία και τα αδρανή από τα οποία αποτελείται στη βάση του ένα κονίαμα.Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στη διερεύνηση του ρόλου των αδρανών στα κονιάματα αποκατάστασης και συγκεκριμένα στην παραμετροποίηση των κοκκομετρικών αναλύσεων αδρανών υλικών μέσω χαρακτηριστικών κρίσιμων παραμέτρων που προκύπτουν από την μαθηματική και στατιστική επεξεργασία των δεδομένων των κοκκομετρικών αναλύσεων.Η κοκκομετρία των αδρανών επηρεάζει σημαντικά την τελική συμπεριφορά του κονιάματος ως προς τις προσλαμβανόμενες μηχανικές αντοχές και την μικροδομή του. Μια συνδυασμένη εκτίμηση των μαθηματικών και στατιστικών δεδομένων που προκύπτουν από την επεξεργασία των κοκκομετρικών καμπυλών των αδρανών επιτρέπει τον καθορισμό συγκεκριμένης μεθοδολογίας ανάλυσης και διερεύνησης των χαρακτηριστικών τους.Οι κοκκομετρικές καμπύλες που προέκυψαν από την κοκκομετρική ανάλυση συγκεκριμένων αδρανών υλικών παρατέθηκαν σε ημιλογαριθμικά διαγράμματα κατανομής όπου καθορίστηκαν περιοχές που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένο ποσοστό όγκου κενών αδρανών (%voids) και κατά συνέπεια σε συγκεκριμένο ποσοστό κονίας που απαιτείται για την πλήρωση των κενών όγκων στο πλέγμα του κονιάματος. Η παραπάνω παράμετρος (%voids) είναι καθοριστική στον σχεδιασμό κονιαμάτων αποκατάστασης.Επιπλέον, εξετάστηκαν στο εργαστήριο και παρουσιάζονται ενδεικτικά συνθέσεις κονιαμάτων αποκατάστασης με συγκεκριμένα ποσοστά ανάμιξης κονίας και αδρανών, όπως αυτά προέκυψαν από την διερεύνηση των κοκκομετρικών καμπυλών των αδρανών υλικών. Τα κονιάματα εξετάστηκαν ως προς την εξέλιξη των μηχανικών αντοχών και της μικροδομής τους στο χρόνο. Περαιτέρω διερεύνηση διαφόρων μιγμάτων κονιαμάτων με χρήση διαφορετικών τύπων συνδετικών κονιών αλλά και αδρανών υλικών θα διεύρυνε την συγκεκριμένη έρευνα που πιστοποιεί την σημαντική επίδραση της κοκκομετρικής κατανομής των αδρανών υλικών στην τελική συμπεριφορά των κονιαμάτων αποκατάστασης