ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Ι

ΑΙΜ. Γ. ΚΟΡΩΝΑΙΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ε.Μ.Π. Γ. Ι. ΠΟΥΛΑΚΟΣ ΑΝ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ε.Μ.Π. ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΟΜΟΣ 1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΑΘΗΝΑ 2006 ΑΙΜ. Γ. ΚΟΡΩΝΑΙΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ε.Μ.Π. Γ. Ι. ΠΟΥΛΑΚΟΣ ΑΝ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ε.Μ.Π. ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΟΜΟΣ 1 Εικόνα εξώφυλλου: Φωτογραφία από το εργοτάξιο του έργου «Ξενώνες στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου» Το τεύχος είναι διαθέσιµο από τη διεύθυνση: www.ntua.gr/vitruvius/edu.htm © 2006 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα, Ιανουάριος 2006 5 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Περιγράφονται οι φυσικές, φυσικομηχανικές και φυσικοχημικές ιδιότητες των δομικών υλικών, όπως και η τεχνολογική συμπεριφορά τους. Επίσης, αναφέρεται και η τεχνική των μετρήσεων. 1.1 ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.1.1 ΟΡΙΣΜΟΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.1.3 1.1.1.4 1.1.1.5 Δύναμη Μάζα Όγκος Αντοχή Πυκνότητα F m V σ ρ =m V σε νιούτον (N). σε χιλιόγραμμα (Kg ). σε κυβικά μέτρα (m3). σε μεγαπασκάλ (ΜPα). σε χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο (Κg/m3). Στα δομικά υλικά, ανάλογα με τον τρόπο που προσδιορίζεται ο όγκος τους (Σχήματα 1α,1β και1γ), διακρίνονται τρία είδη πυκνοτήτων. Φαινόμενος όγκος υλικού α Όγκος κόκκου β Όγκος τεμαχισθέντος υλικού χωρίς πόρους γ Σχήμα 1 Προσδιορισμός του όγκου για τον υπολογισμό της αντίστοιχης πυκνότητας Τα είδη των πυκνοτήτων των υλικών είναι: m α. Πραγματική πυκνότητα ρ = V −V −V β. Φαινόμενη πυκνότητα γ. Ελάχιστη φαινόμενη πυκνότητα όπου είναι : Vg Vz Vh ο συνολικός όγκος του υλικού με όλα τα κενά, ο όγκος των κενών μεταξύ των κόκκων και ο όγκος των κενών των κόκκων. g z ρR = V mV − g z m ρs = V g (1) (2) (3) h 6 1.1.2 ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα υλικά, ανάλογα με τη δομή τους διακρίνονται σε κρυσταλλικά, άμορφα, πορώδη κ.λ.π. Τα πορώδη υλικά έχουν είτε ανοιχτούς, είτε κλειστούς πόρους (Σχήμα 2). Ανοιχτοί πόροι Κλειστοί πόροι Σχήμα 2 Κατηγορίες δομής πορώδων υλικών Το ποσοστό των πόρων του υλικού δίνεται από το πορώδες του υλικού, u,το οποίο προσδιορίζεται από τη σχέση : u = 1 - d (%) (4), όπου είναι : d = ρR ρ = m Vg −V z m Vg −V −Vh z = Vg − Vz −Vh Vg −V z (5) Η σχέση (4) λόγω της σχέσης (5) γίνεται : u = 1Vg − V − Vh z Vg − V z = Vh Vg − Vz (%) (6) Σχήμα 3 Η θερμοκρασία παγετού του νερού σε σχέση με τη διάμετρο των τριχοειδών αγγείων 7 Από το πορώδες επηρεάζονται οι περισσότερες ιδιότητες των υλικών και ιδιαίτερα η αντοχή τους, η συμπεριφορά τους απέναντι στο νερό, στα αέρια και στις καιρικές συνθήκες, καθώς και η θερμική συμπεριφορά τους. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι η θερμοκρασία παγετού εξαρτάται από τη διάμετρο των τριχοειδών αγγείων του υλικού και μάλιστα η θερμοκρασία αυτή είναι τόσο χαμηλότερη, όσο μικρότερη είναι αυξάνεται η διάμετρος των τριχοειδών αγγείων (Σχήμα 3). 1.1.3 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΠΕΝΑΝΤΙ ΣΤΟ ΝΕΡΟ 1.1.3.1 Δυνατότητα αναρρόφησης νερού Η δυνατότητα αναρρόφησης νερού οφείλεται στα τριχοειδή αγγεία του υλικού και προσδιορίζεται με μερική εμβάπτιση του υλικού μέσα στο νερό (Σχήμα 4α). 1.1.3.2 Υδροαπορροφητικότητα Η υδροαπορροφητικότητα,W, δίνεται από τη σχέση : W = mw – mt (7), όπου είναι : mw η μάζα του κορεσμένου υλικού και mt η μάζα του υλικού μετά από πλήρη ξήρανση στους 105 0C. Ο κορεσμός επιτυγχάνεται είτε με σταδιακή εμβάπτιση (Σχήμα 4β), είτε με εμβάπτιση υπό πίεση. 1.1.3.3 Δυνατότητα απόδοσης νερού Η δυνατότητα απόδοσης νερού,Wα, δίνεται από τη σχέση: Wα = mw-mα,t (8), όπου είναι : m w η μάζα του κορεσμένου υλικού και m α,t η μάζα του υλικού που έχει ξηρανθεί στους 20 0C μέχρι σταθερού βάρους Αναρρόφηση νερού α Υδροαπορροφητικότητα β Υδατοπερατότητα γ Σχήμα 4 Δοκιμές για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς των υλικών απέναντι στο νερό Η διαφορετική συμπεριφορά των υλικών σε σχέση με την απόδοση του νερού δίνεται στο Σχήμα 5. 1.1.3.4 Υδατοπερατότητα Υδατοπερατότητα είναι η αντίσταση που προβάλλουν τα υλικά κατά τη διέλευση του νερού μέσα από τη μάζα τους. Ελέγχεται με τη βοήθεια υδραυλικής πίεσης, η οποία εφαρμόζεται σε δοκίμιο του υλικού (Σχήμα 4γ). 8 α. Καλή ικανότητα απόδοσης νερού β. Κακή ικανότητα απόδοσης νερού β Σχήμα 5 Κατανομή της υγρασίας σε τοίχο σε συνάρτηση με το χρόνο και την ικανότητα απόδοσης νερού 1.1.3.5 Υγρασία ισορροπίας Υγρασία ισορροπίας είναι η υγρασία, η οποία παραμένει στο υλικό μετά την εξισορρόπησή της με την υγρασία του περιβάλλοντος. Στον Πίνακα 1 δίνεται η υγρασία ισορροπίας μερικών δομικών υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρύτατα στις κατασκευές, σε συνάρτηση με την υγρασία του περιβάλλοντος. ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Υγρασία ισορροπίας δομικών υλικών σε συνάρτηση με την υγρασία του περιβάλλοντος Υλικό 60 Οπτόπλινθοι Τσιμεντόλιθοι Ελαφροσκυρόδεμα 0,2 - 0,5 2-9 2 Σχετική υγρασία αέρα % 70 90 97 Υγρασία ισορροπίας % του όγκου 0,6 1,0 2,3 3-9 6 - 12 7 -11,5 3 4-5 6 -11 100 2,7 - 3,2 6,4 - 13 ⎯ α 1.1.4 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.1.4.1 Ορισμοί θερμικών μεγεθών α. Θερμική ενέργεια E σε χιλιοθερμίδες (Kcαl) ή βατώρες (W*h). β. Ισχύς W σε βατ (W). γ. Eιδική θερμοχωρητικότητα c σε βατώρες ανά χιλιόγραμμο και βαθμό Κέλβιν (W*h/Kg*K). 1.1.4.2 Θερμοαγωγιμότητα Θερμοαγωγιμότητα ονομάζεται η δυνατότητα διέλευσης της θερμότητας διαμέσου του υλικού. Καθορίζεται από το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, λ ,ο οποίος δίνεται σε βατ ανά μέτρο και βαθμό Κέλβιν ( W/m*K). 9 Στο Σχήμα 6 δίνεται η μεταβολή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας , λ , σε συνάρτηση με τη φαινόμενη πυκνότητα του υλικού, ενώ στα Σχήματα 7α και 7β δίνεται η μεταβολή του λ σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και τη μέση περιεκτικότητα σε υγρασία του υλικού για οπτόπλινθο και ελαφροσκυρόδεμα, αντιστοίχως. Σχήμα 6 Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, λ, σε συνάρτηση με τη φαινόμενη πυκνότητα, ρR Οπτόπλινθος α Ελαφροσκυρόδεμα β Σχήμα 7 Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας , λ , οπτόπλινθων (α) και ελαφροσκυροδέματος (β) σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία, t και τη μέση περιεκτικότητα σε υγρασία, fm 10 Στο Σχήμα 8 δίνεται η μεταβολή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας ,λ , του υλικού σε συνάρτηση με τη μέση διάμετρο των πόρων του για διάφορες θερμοκρασίες. Σχήμα 8 Μεταβολή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας,λ, σε συνάρτηση με τη διάμετρο των πόρων και τη θερμοκρασία 1.1.4.3 Θερμότητα ανάκλασης και θερμότητα απορρόφησης από επιφάνεια Κατά την πρόσπτωση θερμικής ενέργειας σε επιφάνεια το ποσό της ενέργειας που ανακλάται ονομάζεται θερμότητα ανάκλασης, ενώ το ποσό της ενέργειας που απορροφάται ονομάζεται θερμότητα απορρόφησης. Η ανακλώμενη και η απορροφούμενη θερμότητα από την επιφάνεια υλικού εξαρτώνται από τη φύση του υλικού, τον προσανατολισμό της επιφάνειας (Σχήμα 9) και το χρώμα της (Σχήμα 10). Σχήμα 9 Θερμοκρασίες στην επιφάνεια επιχρισμένων εξωτερικών τοίχων κατά τη διάρκεια καλοκαιρινής ημέρας Από το Σχήμα 10 προκύπτει η μεγάλη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ της μαύρης και της λευκής επιφάνειας. 11 Σχήμα 10 Θερμοκρασίες στην επιφάνεια εξωτερικών επιχρισμάτων διάφορων χρωματισμών για τοίχο πάχους 30 cm και με δυτικό προσανατολισμό Στο Σχήμα 11 δίνονται διαγραμματικά οι ημερήσιες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις στην επιφάνεια εξωτερικών επιχρισμάτων διάφορων χρωματισμών ,όπως προκύπτουν από το Σχήμα 10. Σχήμα 11 Μέγιστες και ελάχιστες τιμές θερμοκρασίας στην επιφάνεια εξωτερικών επιχρισμάτων σε σχέση με το χρώμα της 1.1.4.4 Μεταφορά θερμότητας με επαφή Η μεταφορά θερμότητας με επαφή καθορίζεται από το συντελεστή, b, o οποίος δίνει το μέτρο της ταχύτητας μεταφοράς κατά την επαφή μέλους του ανθρώπινου σώματος με υλικό και δίνεται από τη σχέση : b = λ.c.ρ σε (W*h1/2/m2*K) (9), όπου είναι : λ ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας σε (W/m*K), c η ειδική θερμοχωρητικότητα σε (W*h/Kg*K) και ρ η πυκνότητα σε ( Kg/m3). 12 Ανάλογα με την τιμή του συντελεστή b τα δάπεδα διακρίνονται σε : Ψυχρά για τα πόδια όταν είναι b > 700 και Θερμά για τα πόδια όταν είναι b < 700 Στα Σχήματα 12α και 12β δίνεται η συμπεριφορά δύο δαπέδων με διαφορετικές τιμές του συντελεστή b, όταν πατάμε πάνω σ’ αυτά. Πόδι με παπούτσι Πόδι με κάλτσα Γυμνό πόδι α Δάπεδο από σκυρόδεμα Πόδι με παπούτσι Πόδι με κάλτσα Γυμνό πόδι β Δάπεδο από φελλό Σχήμα 12 Η θερμοκρασία στο πέλμα του ποδιού για δύο δάπεδα, όταν η θερμοκρασία του χώρου είναι 20 0C και η θερμοκρασία της επιφάνειας του δαπέδου είναι 17 0C 1.1.4.5 Θερμική διαστολή α. Γραμμική διαστολή που χαρακτηρίζεται από το συντελεστή γραμμικής διαστολής, α. β. Επιφανειακή διαστολή που χαρακτηρίζεται από το συντελεστή επιφανειακής διαστολής,2α. γ. Κυβική διαστολή που χαρακτηρίζεται από το συντελεστή κυβικής διαστολής,3α. 1.1.5 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.1.5.1 Ηλεκτροαγωγιμότητα 1.1.5.2 Διηλεκτρική σταθερά 1.1.5.3 Μαγνητική διαπερατότητα 13 1.1.6 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ 1.1.6.1 1.1.6.2 1.1.6.3 1.1.6.4 1.1.6.5 1.1.7 1.1.7.1 1.1.7.2 Διαπερατότητα του φωτός Βαθμός ανάκλασης του φωτός Βαθμός απορρόφησης του φωτός Βαθμός φωτεινότητας Σταθερότητα χρωματισμών ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΗΧΟΥ Hχοαπορρόφηση των υλικών και διάφορων διατάξεων Ηχομόνωση διαχωριστικών πετασμάτων και δαπέδων 1.2 ΦΥΣΙΚΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.2.1 ΑΝΤΟΧΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.2.1.1 Στατική αντοχή Ως στατική αντοχή, σ, ορίζεται η αντοχή την οποία παρουσιάζουν δοκίμια υλικών ή μέλη κατασκευών, όταν υποβάλλονται σε βραχύχρονη καταπόνηση, δηλαδή, όταν ο χρόνος που διέρχεται μέχρι την επιβολή του μέγιστου φορτίου είναι μικρότερος από 1 min.Η αντοχή αυτή εξαρτάται από τη μορφή και τις διαστάσεις του δοκιμίου, καθώς και από την ταχύτητα φόρτισης. Στο Σχήμα 13 δίνονται οι κυριότεροι τρόποι καταπόνησης των δομικών υλικών. Σχήμα 13 Οι κυριότεροι τρόποι καταπόνησης των δομικών υλικών 1.2.1.2 Αντοχή σε θλίψη, σD Αντοχή σε θλίψη είναι η αντοχή που παρουσιάζει το υλικό, όταν υποβάλλεται σε θλιπτική αξονική καταπόνηση (Σχήμα 13) και δίνεται από τη σχέση : 14 σD = mαx σD = mα x P F σε ( MPα) (10), όπου είναι : mαx σD η μέγιστη τάση σε μεγαπασκάλ (ΜPα), mαx P το μέγιστο φορτίο σε νιούτον (Ν) και F η διατομή του δοκιμίου σε τετραγωνικά χιλιοστόμετρα (mm2). Περιοχή μη δυνατότητας ελεύθερης παραμόρφωσης κατά την εγκάρσια διεύθυνση Σχήμα 14 Επιρροή της μη δυνατότητας ελεύθερης παραμόρφωσης κατά την εγκάρσια διεύθυνση σε καταπόνηση σε θλίψη Για τον ορθό υπολογισμό της αντοχής σε θλίψη απαραίτητη προϋπόθεση είναι η ελεύθερη εγκάρσια παραμόρφωση του δοκιμίου στη θέση, όπου επιβάλλεται το φορτίο (Σχήμα 13 και Σχήμα 14). Για να προκύψει ορθή τιμή της αντοχής σε θλίψη, πρέπει ο λόγος του ύψους, h, του δοκιμίου προς το πλάτος του, d, να είναι : h ∼ 3. d Διάφορα παρεμβλήματα επηρεάζουν την επίδραση του λόγου h στην αντοχή σε θλίψη d (Σχήμα15). Χωρίς παρέμβλημα Χαρτόνι Teflon Λάστιχο Σχήμα 15 Επίδραση του λόγου h/d στην αντοχή σε θλίψη για διάφορα παρεμβλήματα 15 1.2.1.3 Αντοχή σε εφελκυσμό, σΖ Αντοχή σε εφελκυσμό είναι η αντοχή που παρουσιάζει το υλικό, όταν υποβάλλεται σε εφελκυστική αξονική καταπόνηση (Σχήμα 13 και Σχήμα 16) και δίνεται από τη σχέση : σΖ = mαx σΖ = mα xP F σε (MPα) (11) Tα μεγέθη είναι ακριβώς τα ίδια με εκείνα που αναφέρονται στην παράγραφο 1.2.1.2. Σχήμα 16 Καταπόνηση δοκιμίου σε εφελκυσμό Σχήμα 17 Εντατική κατάσταση κατά την καταπόνηση σε εφελκυσμό Στο Σχήμα 17 δίνεται η εντατική κατάσταση κατά την καταπόνηση σε εφελκυσμό. 1.2.1.4 Αντοχή σε διάρρηξη ή διαμετρική θλίψη, σsz Αντοχή σε διάρρηξη ή αντοχή σε διαμετρική θλίψη είναι η αντοχή που παρουσιάζει το υλικό, όταν σε κυλινδρικά δοκίμια επιβάλλονται φορτία σε δύο αντιδιαμετρικές γενέτειρές τους (Σχήμα 18) και δίνεται από τη σχέση : 2P σsz = π.l.d σε ( MPα) (12), όπου είναι : P το μέγιστο φορτίο σε νιούτον (Ν), l το μήκος του δοκιμίου σε χιλιοστόμετρα (mm) και d η διάμετρος του δοκιμίου σε χιλιοστόμετρα (mm). Στο Σχήμα 19 δίνεται η εντατική κατάσταση κατά την καταπόνηση σε διάρρηξη. Σχήμα 18 Καταπόνηση δοκιμίου σε διάρρηξη Σχήμα 19 Εντατική κατάσταση κατά την καταπόνηση σε διάρρηξη 1.2.1.5 Αντοχή σε κάμψη, σΒ Αντοχή σε κάμψη είναι η αντοχή που παρουσιάζουν τα δοκίμια του υλικού, όταν υποβάλλονται σε καμπτική καταπόνηση με το φορτίο να ενεργεί κάθετα προς τον άξονά τους (Σχήμα 13 και Σχήμα 20) και δίνεται από τη σχέση : 16 σΒ = mαx σΒ = όπου είναι : η μέγιστη καμπτική ροπή σε νιούτον επί χιλιοστόμετρα (Ν*mm) και W η ροπή αντίστασης σε κυβικά χιλιοστόμετρα ( mm3). Στο Σχήμα 21 δίνεται η εντατική κατάσταση του δοκιμίου κατά την καταπόνηση σε κάμψη. mαxM mα x M W σε (ΜPα) (13), Σχήμα 20 Καταπόνηση δοκιμίου σε κάμψη Σχήμα 21 Εντατική κατάσταση κατά την καταπόνηση σε κάμψη Η αντοχή σε κάμψη επηρεάζεται σημαντικά από το λόγο l/d του μήκους, l, προς το ύψος,d (Σχήμα 22). Για λόγο l/d < 3,5 το αποτέλεσμα δεν μπορεί να θεωρηθεί ως αντοχή σε κάμψη. Σχήμα 22 Μείωση της αντοχής σε κάμψη σε συνάρτηση με το λόγο l /d του δοκιμίου 1.2.1.6 Αντοχή σε διάτμηση ή ψαλιδισμό ,σΑ Αντοχή σε διάτμηση είναι η αντοχή που παρουσιάζουν τα δοκίμια του υλικού, όταν υποβάλλονται σε ψαλιδισμό ή σε ολίσθηση διατομής στο επίπεδο όπου επενεργεί η δύναμη (Σχήμα 13) και δίνεται από τη σχέση : σΑ = mαx σΑ = F σε (ΜPα) (14) Τα μεγέθη είναι ακριβώς τα ίδια με εκείνα που αναφέρονται στην παράγραφο 1.2.1.2. mα x P 17 Διατμητικές τάσεις αναπτύσσονται σε συνδέσεις με καρφιά ή βίδες (σιδηρά έργα), σε καρφώματα ξύλινων κατασκευών, σε συγκολλήσεις πλαστικών κατασκευών και σε στρώσεις πολύστρωτων υλικών, οι οποίες έχουν διαφορετικό βαθμό παραμόρφωσης. 1.2.1.7 Αντοχή σε στρέψη Αντοχή σε στρέψη είναι η αντοχή που παρουσιάζουν δοκίμια του υλικού, όταν υποβάλλονται σε στρέβλωση που προκαλείται από ζεύγος δυνάμεων, οι οποίες επενεργούν σε επίπεδο κάθετο στον άξονά τους (Σχήμα 13). Ορίζεται ως η μέγιστη τάση που αναπτύσσεται κατά τη στρεπτική καταπόνηση. 1.2.1.8 Αντοχή σε κρούση Αντοχή σε κρούση ονομάζεται η αντοχή που παρουσιάζουν δοκίμια του υλικού, όταν τα φορτία καταπόνησης επιβάλλονται ακαριαία. 1.2.1.9 Αντοχή σε αποκόλληση Αντοχή σε αποκόλληση ονομάζεται η απαιτούμενη τάση, δηλαδή ο λόγος της δύναμης προς την επιφάνεια, για να αποκολληθούν δύο συγκολλημένα υλικά, όταν η δύναμη επενεργεί κάθετα προς την επιφάνεια. 1.2.1.10 Αντοχή σε κόπωση Τάσεις κόπωσης ονομάζονται οι τάσεις που αναπτύσσονται σε μέλη κατασκευών και οι οποίες μεταβάλλονται περιοδικά με το χρόνο (Σχήμα 23). Κυμαινόμενη σε θλίψη Επαναλαμβανόμενη Αντιστρεφόμενη Επαναλαμβανόμενη Κυμαινόμενη σε εφελκυσμό Σχήμα 23 Καταπόνηση σε εναλλασσόμενη φόρτιση Αντοχή κόπωσης ονομάζεται η ονομαστική εναλλασσόμενη τάση, η οποία προκαλεί αστοχία για καθορισμένη μέση τάση και κύκλους εναλλαγών. Όριο κόπωσης ονομάζεται η αντοχή κόπωσης που λαμβάνεται για καθορισμένη μέση τάση, όταν για οποιαδήποτε αύξηση των εναλλαγών φόρτισης δεν παρατηρείται μείωση της αντοχής. Καμπύλη κόπωσης ή καμπύλη Wöhler ονομάζεται το διάγραμμα τάσεων – λογάριθμου αριθμού κύκλων αστοχίας (Σχήμα 24). Το όριο κόπωσης, σΑ, είναι η τεταγμένη, η οποία αντιστοιχεί στην οριζόντια θέση της καμπύλης. 1.2.1.11. Ασφάλεια των κατασκευών Ο υπολογισμός κάθε μέλους της κατασκευής πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε αυτό να μπορεί να παραλαμβάνει με ασφάλεια όλες τις φορτίσεις που επιβάλλονται, χωρίς να παρουσιάζει μεγάλες ελαστικές ή πλαστικές παραμορφώσεις, ρωγμές ή να θραύεται. Ο συντελεστής ασφάλειας, ν, ορίζεται από τις σχέσεις : 18 Σχήμα 24 Καμπύλη κόπωσης ή καμπύλη Wöhler φορτίο θραύσης τάση για υπολογισμό και ν= φορτίο λειτουργίας επιτρεπόμενη τάση Ο συντελεστής ν για τα ανόργανα υλικά κυμαίνεται μεταξύ 1,7 και 3. Στο Σχήμα 25 δίνεται παραστατικά ο υπολογισμός του συντελεστή ασφάλειας. ν= Σχήμα 25 Υπολογισμός του συντελεστή ασφάλειας 1.2.2 ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.2.2.1 Διαγράμματα τάσεων - παραμορφώσεων Οι τάσεις, σ, που αναπτύσσονται κατά τη φόρτιση και οι αντίστοιχες παραμορφώσεις, ε, χαράσσονται σε διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων, το οποίο χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά των υλικών ως προς τις παραμορφώσεις. Τα υλικά διακρίνονται σε απολύτως ελαστικά (π.χ. γυαλί), ιξώδη (π.χ. ασφαλτικά υλικά) και βισκοελαστικά (π.χ. σκυρόδεμα) (Σχήμα 26). Στο Σχήμα 27 δίνεται ο προσδιορισμός της κατανομής των τάσεων σε δοκίμιο ξύλου, το οποίο καταπονείται σε κάμψη ( Σχήμα 27α) με τη βοήθεια των διαγραμμάτων τάσεων παραμορφώσεων ( Σχήμα 27β και Σχήμα 27γ ) και της εντατικής κατάστασης. 19 Σχήμα 26 Διαγράμματα τάσεων – παραμορφώσεων για χαρακτηριστικά δομικά υλικά του δοκιμίου κατά την καταπόνηση σε κάμψη (Σχήμα 27δ),όταν θεωρούνται γνωστές οι αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις. α β δ Σχήμα 27 Προσδιορισμός της κατανομής των τάσεων σε δοκίμιο ξύλου κατά την καταπόνηση κάμψη, όταν είναι γνωστές οι αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις γ σε 20 1.2.2.2 Ελαστική συμπεριφορά Οι παραμορφώσεις χαρακτηρίζονται ως ελαστικές, όταν παύουν να υπάρχουν μετά τη διακοπή της φόρτισης που τις προκάλεσε. Η ελαστική συμπεριφορά χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω μεγέθη: α. Μέτρο ελαστικότητας, Ε Το μέτρο ελαστικότητας δίνεται από τη σχέση : σ σ.l Ε = ε = Δl (15), όπου είναι : l το αρχικό μήκος και Δl η ελαστική μεταβολή του μήκους. Ο προσδιορισμός του μέτρου ελαστικότητας δίνεται στο Σχήμα 28α.Για τα υλικά, τα οποία δεν έχουν γραμμικό μέτρο ελαστικότητας χρησιμοποιείται το εφαπτομενικό μέτρο ελαστικότητας ή το τέμνον μέτρο ελαστικότητας (Σχήμα 28β). α β Σχήμα 28 Προσδιορισμός του μέτρου ελαστικότητας β. Συντελεστής εγκάρσιας συστολής ή λόγος Poison, μ. Ο συντελεστής εγκάρσιας συστολής δίνεται από τη σχέση : μ= όπου είναι : ε q ε l (16), ε q η εγκάρσια παραμόρφωση και ε l η διαμήκης παραμόρφωση. γ. Mέτρο διάτμησης , G Το μέτρο διάτμησης δίνεται από τη σχέση: τ G= γ (17), όπου είναι : τ η διατμητική τάση και γ η διατμητική παραμόρφωση. Τα μεγέθη Ε , μ και G συνδέονται με τη σχέση : E G = 2(1+μ) (18) 1.2.2.3 Ιξώδης συμπεριφορά Ιξώδης είναι η ρεολογική συμπεριφορά των υλικών σε υγρή κατάσταση και μελετάται με τη βοήθεια ειδικού οργάνου του βισκοσιμέτρου. Για τα ιδανικά ιξώδη υγρά υπάρχει αναλογία μεταξύ της διατμητικής τάσης, τ, και της ταχύτητας της διατμητικής παραμόρφωσης, γ. 21 Το ιξώδες,n,ορίζεται από τη σχέση : τ = n.γ. (19) 1.2.2.4 Εργάσιμο Το εργάσιμο δεν είναι ένα φυσικό μέγεθος, αλλά περιλαμβάνει όλες τις ιδιότητες, οι οποίες αναφέρονται στην επεξεργασία ενός υλικού, όπως είναι η δυνατότητα μεταφοράς, η δυνατότητα συμπύκνωσης, κ.ά. 1.2.2.5 Βισκοελαστική συμπεριφορά Βισκοελαστικά ονομάζονται τα υλικά των οποίων η παραμόρφωση περιλαμβάνει ελαστικό και ιξώδες μέρος (Σχήμα 29). Σχήμα 29 Διάγραμμα τάσεων – παραμορφώσεων για βισκοελαστικό υλικό Η βισκοελαστική συμπεριφορά χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω φαινόμενα : α. Ερπυσμός Ερπυσμός ονομάζεται το φαινόμενο της συνεχούς παραμόρφωσης ενός υλικού υπό την επίδραση σταθερής τάσης με την πάροδο του χρόνου (Σχήμα 30α). β. Χαλάρωση Χαλάρωση ονομάζεται το φαινόμενο της συνεχούς μεταβολής της τάσης για σταθερή παραμόρφωση ενός υλικού με την πάροδο του χρόνου (Σχήμα 30β). Σχήμα 30 Βισκοελαστική συμπεριφορά υλικών για συνεχή φόρτιση 22 1.2.2.6 Σκληρότητα Σκληρότητα ονομάζεται η αντίσταση που προβάλλει η επιφάνεια των στερεών υλικών κατά τη διάσπαση της συνέχειάς της ή κατά τη μεταβολή του σχήματός της. Στα πετρώματα εξετάζεται η σκληρότητα σε χάραξη ή σκληρότητα κατά Μοhs και η σκληρότητα σε λείανση ή σκληρότητα κατά Rosiwal (Πίνακας 2). ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Σκληρομετρικές κλίμακες κατά Μοhs και κατά Rosiwal YΛΙΚΑ Τάλκης Γύψος Ασβεστίτης Φθορίτης Απατίτης Άστριος Χαλαζίας Τοπάζιο Κορούνδιο Αδάμας ΜΟHS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ROSIWAL 0,03 1,25 4,5 5 6,5 37 120 175 1000 140.000 Στα μέταλλα εξετάζεται η σκληρότητα σε διείσδυση που προσδιορίζεται με διάφορες μεθόδους (Βrinell, Rockwell, Vickers ) στις επιστρώσεις δαπέδων το βάθος διείσδυσης που προσδιορίζεται με τη μέθοδο της σφαίρας υπό θλιπτικό φορτίο και στο σκυρόδεμα η σκληρότητα ως προς τα κρουστικά φορτία που προσδιορίζεται με τα κρουσίμετρα. 1.2.2.7 Ολκιμότητα Ολκιμότητα ονομάζεται η ιδιότητα των υλικών, η οποία χαρακτηρίζει την ικανότητά τους να παραμορφώνονται στην ελαστική περιοχή. Τα υλικά που παρουσιάζουν πολύ μικρή ολκιμότητα ονομάζονται ψαθυρά. 1.3 1.3.1 1.3.2 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΟΥ ΟΓΚΟΥ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΛΟΓΩ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΡΑΣΕΩΝ Μεταβολή του όγκου λόγω χημικών δράσεων συμβαίνει π.χ. κατά τη συστολή που παρατηρείται κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου. 23 1.4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.4.1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ 1.4.1.1 Συστολή ξήρανσης Συστολή ξήρανσης είναι η συστολή των υλικών λόγω αποβολής υγρασίας. 1.4.1.2 Διαστολή ύγρανσης Διαστολή ύγρανσης είναι η διαστολή των υλικών λόγω πρόσληψης υγρασίας. 1.4.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΟΥ ΟΓΚΟΥ ΤΟΥΣ Όταν τα μέλη των κατασκευών μπορούν να παραμορφώνονται ελεύθερα λόγω μεταβολών της υγρασίας ή της θερμοκρασίας, δεν αναπτύσσεται καμιά εντατική κατάσταση.Όταν δεν υπάρχει η δυνατότητα ελεύθερης παραμόρφωσης λόγω τριβής, φόρτισης κάθετης προς την κύρια διεύθυνση παραμόρφωσης, ανομοιόμορφης κατανομής θερμοκρασιών κ.λ.π., τότε αναπτύσσεται εντατική κατάσταση. Όταν οι αναπτυσσόμενες τάσεις υπερβούν τις επιτρεπόμενες τάσεις, τότε είναι δυνατόν να υπάρξει αστοχία. 1.4.3 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΠΕΝΑΝΤΙ ΣΤΙΣ ΚΑΙΡΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ 1.4.3.1 Αντοχή στον παγετό Είναι η αντοχή των υλικών σε συνθήκες παγετού. 1.4.3.2 Αντοχή στις καιρικές εναλλαγές Είναι η αντοχή του υλικού κατά την χρησιμοποίησή του στο περιβάλλον, όπου υφίσταται την επίδραση θερμοκρασιακών μεταβολών, χημικών επιδράσεων της ατμόσφαιρας, κ.λ.π. 1.4.4 ΑΝΤΟΧΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΦΘΟΡΑ 1.4.4.1 Αντοχή σε φθορά λόγω τριβής Είναι η απώλεια όγκου του υλικού λόγω μηχανικής φθοράς. 1.4.4.2 Αντοχή σε φθορά λόγω διάβρωσης Είναι η φθορά των υλικών λόγω χημικών ή ηλεκτροχημικών επιδράσεων και αρχίζει από την επιφάνειά τους. 1.4.5 ΑΝΤΟΧΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗ ΦΩΤΙΑ 1.4.6 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΦΩΤΕΙΝΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ 1.4.7 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ 24 1.5 1.5.1 ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1.5.1.1 Μέτρηση Μέτρηση είναι ο πειραματικός προσδιορισμός της τιμής ενός φυσικού μεγέθους με αναλογικό ή ψηφιακό τρόπο και περιλαμβάνει: α. Παρασκευή δοκιμίων. β. Βαθμονόμηση οργάνων μέτρησης και συσκευών. γ. Πειραματική διάταξη. δ. Έλεγχο – Δοκιμή. ε. Αξιολόγηση αποτελεσμάτων μέτρησης. στ. Έκθεση αποτελεσμάτων. 1.5.2 ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΤΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ο σκοπός της τεχνικής των μετρήσεων για την επιστήμη του μηχανικού είναι η μέτρηση φυσικών μεγεθών των δομικών υλικών, μελών κατασκευών και κατασκευών για την μελέτη των ιδιοτήτων τους και την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη συμπεριφορά τους στις διάφορες καταπονήσεις. Η τεχνική των μετρήσεων χρησιμοποιεί συνδυασμούς από κλάδους της φυσικής και οι περισσότερες μετρήσεις ανάγονται σε ηλεκτρικές. Δίνονται χαρακτηριστικά δύο τρόποι ηλεκτρικών μετρήσεων (Σχήμα 31 και Σχήμα 32). Σχήμα 31 Διεξαγωγή ηλεκτρικής μέτρησης Σχήμα 32 Μέτρηση με το σύστημα του κλειστού βρόγχου 25 1.5.3 ΜΕΓΕΘΗ ΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ – ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 1.5.3.1 Μέτρηση μηκών α. Απόλυτα μεγέθη Απόλυτα μεγέθη είναι π.χ. το μήκος, l, η μεταβολή του μήκους, Δl κ.ά. β. Σχετικά μεγέθη Σχετικά μεγέθη είναι π.χ. η παραμόρφωση, ε = = Δl κ.ά. l 1.5.3.2 Μέθοδοι μέτρησης μηκών α. Μηκυνσιόμετρα Τα μηκυνσιόμετρα είναι όργανα για τη μέτρηση μηκών, τα οποία στηρίζονται σε διάφορες μεθόδους, όπως στην τοποθέτηση του οργάνου πάνω στο δοκίμιο, σε σύστημα κατόπτρων, στη μεταβολή του μήκους χορδής, η οποία εφαρμόζεται στο δοκίμιο, δηλαδή στη μεταβολή της ιδιοσυχνότητάς της κ.ά. Για τη μέτρηση μελών κατασκευών, τα οποία φορτίζονται στατικά ή δυναμικά, χρησιμοποιούνται ειδικά μηκυνσιόμετρα. β. Ηλεκτρομηκυνσιόμετρα Η μέτρηση με ηλεκτρομηκυνσιόμετρα είναι η σπουδαιότερη και ακριβέστερη μέθοδος για τη μέτρηση των παραμορφώσεων. Τα ηλεκτρομηκυνσιόμετρα βασίζονται στην αρχή της σχετικής μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης με τη σχετική μεταβολή του μήκους, η οποία δίνεται από τη σχέση : Δl = 1 . ΔR (20) l K R 1.5.3.3 Μέτρηση δυνάμεων Η μέτρηση των δυνάμεων επιτυγχάνεται με τις μηχανικές πυξίδες, οι οποίες χρησιμοποιούν ελατήρια, με τα υδραυλικά μονόμετρα, τα οποία χρησιμοποιούν την πίεση του λαδιού και άλλα όργανα. Για μεγαλύτερη ακρίβεια χρησιμοποιούνται πυξίδες μέτρησης δυνάμεων με τη βοήθεια ηλεκτρομηκυνσιομέτρων. 1.5.3.4 Μέτρηση των ελαστικών μεγεθών Ε,G και μ α. Στατική καταπόνηση Τα απαιτούμενα μεγέθη για τον υπολογισμό των ελαστικών μεγεθών, δηλαδή δυνάμεων και επιμηκύνσεων, τάσεων και παραμορφώσεων, είναι δυνατόν να μετρηθούν με τα όργανα που αναφέρθηκαν στις παραγράφους 1.5.3.2.,1.5.3.3. β. Δυναμική καταπόνηση Στη δυναμική καταπόνηση ο προσδιορισμός των ελαστικών μεγεθών (δυναμικό μέτρο ελαστικότητας, κ.λ.π) επιτυγχάνεται με τη μέθοδο των υπέρηχων και με τη μέθοδο του συντονισμού. I. Μέθοδος με υπέρηχους Η σχηματική διάταξη για τον προσδιορισμό του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας με τη μέθοδο αυτή δίνεται στο Σχήμα 33. Με τη μέθοδο αυτή προσδιορίζεται το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας, Εdyn, από την ταχύτητα διέλευσης, c,του υπέρηχου διαμέσου του δοκιμίου του υλικού και τη φαινόμενη πυκνότητα,ρR, του υλικού και δίνεται από τη σχέση : Εdyn = ρR . c2 (21) II. Μέθοδος με συντονισμό Η σχηματική διάταξη για τον προσδιορισμό των δυναμικών ελαστικών σταθερών με τη μέθοδο αυτή δίνεται στο Σχήμα 34. Ο προσδιορισμός των δυναμικών ελαστικών σταθερών επιτυγχάνεται με τη μέτρηση της ιδισυχνότητας του υλικού με τη βοήθεια του συντονισμού, όταν το δοκίμιο του υλικού υποβληθεί σε διαμήκη, καμπτική (Εdyn) ή στρεπτική (Gdyn) ταλάντωση. 26 α. δοκίμιο β. μετρητής γ. πομπός δ. δέκτης Σχήμα 33 Προσδιορισμός του μέτρου ελαστικότητας με υπέρηχους α δοκίμιο α1 σε διαμήκη ταλάντωση α2 σε στρεπτική ταλάντωση α3 σε καμπτική ταλάντωση β μετρητής β1 ρύθμιση συχνότητας β2 καθοδικός σωλήνας γ γεννήτρια ταλαντώσεων δ δέκτης ταλαντώσεων Σχήμα 34 Προσδιορισμός ελαστικών σταθερών με συντονισμό Το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας, Εdyn ,δίνεται από τη σχέση : Εdyn = 4 ρR .l2. f2 (22), όπου είναι : l το μήκος του δοκιμίου, f η ιδιοσυχνότητα και ρR η φαινόμενη πυκνότητα του υλικού. 1.5.3.5 Ειδικές μέθοδοι Για την ακριβή κατανομή των τάσεων – παραμορφώσεων και για την επίλυση δύσκολων προβλημάτων καταπόνησης μελών κατασκευών ή φορέων, χρησιμοποιούνται οι πειραματικές μέθοδοι της φωτοελαστικότητας και της διαφορικής συμβολής. α. Μέθοδος φωτοελαστικότητας Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην αρχή ότι τα ισότροπα υλικά, λόγω παραμόρφωσής τους από φορτία που δρουν εξωτερικά, μετατρέπονται σε ανισότροπα διπλοθλαστικά. β. Μέθοδος διαφορικής συμβολής ή μέθοδος Moire Η μέθοδος αυτή βασίζεται στη μεταβολή των εικόνων των κροσσών συμβολής πριν και μετά την παραμόρφωση του δοκιμίου. 27 2. ΚΟΝΙΕΣ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Κονίες ονομάζονται τα υλικά, τα οποία χρησιμοποιούνται ως συνδετική ύλη των αδρανών υλικών. Είναι στερεά με τη μορφή σκόνης ή ρευστά, τα οποία όταν αναμιχθούν με ένα υγρό, που είναι συνήθως το νερό, μεταβάλλονται σε εύπλαστο πολτό. Ο πολτός αυτός αποκτά την οριστική μορφή και την τελική αντοχή του με την πάροδο του χρόνου, αφού περάσει διαδοχικά από το στάδιο της πήξης και το στάδιο της σκλήρυνσης. Πήξη είναι το φαινόμενο, το οποίο λαμβάνει χώρα από τη στιγμή που ο πολτός χάνει την πλαστικότητά του μέχρι τη στιγμή που αποκτά κάποια συνεκτικότητα και στερεότητα. Η διάρκεια της πήξης, η οποία χαρακτηρίζεται από τον αρχικό και τον τελικό χρόνο πήξης, προσδιορίζεται με διάφορες μεθόδους σύμφωνα με τον αντίστοιχο κανονισμό για κάθε κονία. Σκλήρυνση είναι το φαινόμενο, το οποίο ακολουθεί την πήξη, οπότε ο πολτός μεταβάλλεται σε λίθωμα και αποκτά την τελική αντοχή του. 2.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΚΟΝΙΩΝ 2.2.1 ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΗΝ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΟΥΣ Οι κονίες ανάλογα με την προέλευσή τους διακρίνονται σε : 2.2.1.1 Φυσικές Φυσικές είναι οι κονίες, οι οποίες υπάρχουν στη φύση και χρησιμοποιούνται αυτούσιες όπως π.χ. η θηραϊκή γη κ.ά. 2.2.1.2 Τεχνητές Τεχνητές είναι οι κονίες, οι οποίες παρασκευάζονται με ειδικές κατεργασίες από φυσικές πρώτες ύλες, όπως π.χ. η άσβεστος, η άσφαλτος κ.ά. 2.2.2 ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΗ ΦΥΣΗ ΤΟΥΣ Οι κονίες ανάλογα με τη φύση τους διακρίνονται σε : 2.2.2.1 Ανόργανες Ανόργανες κονίες είναι π.χ. η άσβεστος, η γύψος, το τσιμέντο κ.ά. 2.2.2.2 Οργανικές Οργανικές κονίες είναι π.χ. η άσφαλτος, οι ρητίνες κ.ά. 2.2.3 ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΟΝ ΤΡΟΠΟ ΠΗΞΗΣ ΚΑΙ ΣΚΛΗΡΥΝΣΗΣ ΤΟΥΣ Οι κονίες ανάλογα με τον τρόπο πήξης και σκλήρυνσής τους διακρίνονται σε : 2.2.3.1 Αερικές Αερικές είναι οι κονίες, οι οποίες πήζουν και σκληρύνονται στον ατμοσφαιρικό αέρα αποδίδοντας νερό και συντηρούνται μόνο στο περιβάλλον του. Είναι υδατοδιαλυτές, δηλαδή διαλύονται στο νερό ή ακόμα και σε περιβάλλον με αυξημένη υγρασία. 28 2.2.3.2 Υδραυλικές Υδραυλικές είναι οι κονίες, οι οποίες πήζουν και σκληραίνουν τόσο στον αέρα, όσο και μέσα στο νερό ή σε υγρό περιβάλλον. Δεν διαλύονται στο νερό, διαφέρουν όμως μεταξύ τους ως προς την πήξη και τη σκλήρυνση. Για παράδειγμα η υδραυλική άσβεστος πήζει και σκληραίνει αρχικά στον αέρα, μετά όμως από ορισμένο χρονικό διάστημα είναι δυνατόν να διατηρηθεί στο νερό, όπου και συνεχίζεται η σκλήρυνση, ενώ το τσιμέντο μετά την ανάμιξή του με νερό πήζει και σκληραίνει και στον αέρα και στο νερό. Η ιδιότητα των υδραυλικών κονιών να πήζουν και να σκληραίνουν μέσα στο νερό, όταν είναι με τη μορφή λεπτών κόκκων και αναμιχθούν με νερό, ονομάζεται υδραυλικότητα. Η υδραυλικότητα οφείλεται στην ύπαρξη των οξειδίων SiO2, Fe2O3 και Al2O3 ,τα οποία ονομάζονται υδραυλικοί συντελεστές, στη χημική σύσταση των υδραυλικών κονιών. 2.3 ΔΟΜΙΚΗ ΑΣΒΕΣΤΟΣ Με τον όρο δομική άσβεστος ονομάζονται οι κονίες, οι οποίες παράγονται με όπτηση από ασβεστόλιθους και χρησιμοποιούνται στις κτηριακές κατασκευές. 2.3.1 ΑΕΡΙΚΗ Ή ΚΑΥΣΤΙΚΗ ΑΣΒΕΣΤΟΣ 2.3.1.1 Γενικά Αερική ή καυστική άσβεστος ονομάζεται το οξείδιο του ασβεστίου,CαO, το οποίο προκύπτει από την όπτηση, δηλαδή τη διάσπαση σε υψηλές θερμοκρασίες, ασβεστολιθικών πετρωμάτων που αποτελούνται σχεδόν από καθαρό ανθρακικό ασβέστιο, CαCO3,με σύγχρονη αποβολή CO2 κατά την αντίδραση : CαCO3 → CαO + CO2 – Q cal Σχήμα 35 Ο κύκλος της ασβέστου 29 Η διάσπαση του CαCO3 γίνεται στις θερμοκρασίες των 900 ÷ 1000 0C και η απαιτούμενη ποσότητα θερμότητας για την όπτηση 100g CαCO3 είναι 0,46 W*h περίπου. 2.3.1.2 Μέθοδοι όπτησης των ασβεστολιθικών πετρωμάτων H όπτηση των ασβεστολιθικών πετρωμάτων γίνεται σε ειδικά καμίνια περιοδικής ή συνεχούς λειτουργίας. α. Καμίνια περιοδικής λειτουργίας Στα καμίνια περιοδικής λειτουργίας παρασκευάζονται μικρές ποσότητες καυστικής ασβέστου, κυρίως για τοπική χρήση και διακρίνονται σε : Ι. Ασβεστουργικούς σωρούς ΙΙ. Φρεατοειδή καμίνια β. Καμίνια συνεχούς λειτουργίας Στα καμίνια συνεχούς λειτουργίας παρασκευάζονται μεγάλες ποσότητες καυστικής ασβέστου για εμπορική χρήση και διακρίνονται σε : Ι. Καμίνια συνεχούς λειτουργίας με μακρά φλόγα ΙΙ. Καμίνια συνεχούς λειτουργίας με βραχεία φλόγα ΙΙΙ. Δακτυλιοειδή καμίνια Hoffman 2.3.1.3 Φυσικές ιδιότητες της καυστικής ασβέστου Η καυστική άσβεστος είναι στερεό υλικό, λευκό, όταν η όπτηση είναι καλή, έχει σημείο τήξης στους 2700 0C, μικρή φαινόμενη πυκνότητα λόγω των πόρων που σχηματίζονται στη μάζα της και μικρή διαλυτότητα 1: 800. 2.3.1.4 Έλεγχος της ποιότητας της καυστικής ασβέστου Ο έλεγχος της ποιότητας της καυστικής ασβέστου γίνεται με δύο τρόπους : α. Προσδιορισμός του αδιάλυτου υπολείμματος. Για τη δοκιμασία ελέγχου μια ποσότητα καυστικής ασβέστου θραύεται και κοσκινίζεται με δύο κόσκινα, τα οποία έχουν διαμέτρους οπών 1" και 1/4", αντιστοίχως. Από το υλικό που συγκρατείται στο κόσκινο του 1/4" λαμβάνεται ως δείγμα ποσότητα 2,5 Κg, η οποία σβήνεται πολύ καλά με επαρκή ποσότητα νερού, θερμοκρασίας 21÷27 0C, μέσα σε ξύλινα δοχεία για 1 h. Ακολούθως, το περιεχόμενο υλικό ξεπλένεται με νερό διαμέσου του πρότυπου κοσκίνου Νο 20 για 30 min.Το υπόλειμμα, το οποίο παραμένει στο κόσκινο, ξηραίνεται στους 100÷107 0C, ζυγίζεται και ανάγεται σε ποσοστό % κατά βάρος του αρχικού δείγματος. Όταν το ποσοστό αυτό είναι μικρότερο από 5% κ.β. , τότε η ποιότητα της καυστικής άσβεστου θεωρείται καλή. β. Πρόχειρη δοκιμασία Κατά την επίδραση HCl στην καυστική άσβεστο δεν πρέπει να εκλύεται CO2 ,γιατί διαφορετικά σημαίνει την ύπαρξη CαCO3, όπως φαίνεται από την παρακάτω αντίδραση και επομένως κακή όπτηση ή κακή συντήρηση. CαCO3 + 2 ΗCl CαCl2 + CO2 + H2O 2.3.1.5 Σβέση της καυστικής ασβέστου Σβέση ονομάζεται η ενυδάτωση της καυστικής ασβέστου, η οποία γίνεται με την πρόσληψη νερού κατά την αντίδραση CαO + H2O Cα(OH)2 + Q , ενώ ταυτόχρονα κατακερματίζεται σε μικρά κομμάτια. Η εκλυόμενη θερμότητα για 100g CaO είναι 0,32 W*h περίπου. Κατά τη σβέση παρατηρείται αύξηση του όγκου και επομένως μείωση της φαινόμενης πυκνότητας του υλικού. Το προϊόν της σβέσης, είτε με τη μορφή σκόνης, είτε με τη μορφή πολτού, ονομάζεται υδράσβεστος, Cα(OH)2. 30 Το νερό, το οποίο χρειάζεται για να αρχίσει η διαδικασία της σβέσης είναι 36% – 58 % κατά βάρος. Ανάλογα με την ποσότητα του νερού που χρησιμοποιείται για τη σβέση λαμβάνονται διάφορα είδη υδρασβέστου. Για την παρασκευή τους τοποθετείται μια ποσότητα καυστικής ασβέστου μέσα σε ειδικό δοχείο, ρίχνεται νερό και παρακολουθείται ο χρόνος κατά τον οποίο αρχίζουν να αποσπώνται μικρά κομμάτια. α. Αν ο χρόνος είναι < 5΄ λαμβάνεται η άσβεστος ταχείας σβέσης και το νερό πρέπει να καλύπτει πλήρως την άσβεστο. β. Αν ο χρόνος είναι μεταξύ 5΄- 30΄ λαμβάνεται η άσβεστος ημιταχείας σβέσης και το νερό πρέπει να ημικαλύπτει την άσβεστο. γ. Αν ο χρόνος είναι > 30΄ λαμβάνεται η άσβεστος βραδείας σβέσης και το νερό είναι όσο χρειάζεται για τον εμποτισμό της ασβέστου. Συνήθως, η διάρκεια της σβέσης της καυστικής ασβέστου είναι 15 min. Αν για την έναρξη της σβέσης χρησιμοποιηθεί νερό 32 % κατά βάρος, όσο χρειάζεται θεωρητικά, τότε το προϊόν είναι σκόνη υδρασβέστου. Στην πραγματικότητα χρειάζεται σχεδόν διπλάσια ποσότητα νερού, επειδή κατά τη διάρκεια της σβέσης η θερμοκρασία αυξάνεται σε υψηλά επίπεδα με αποτέλεσμα να εξατμίζεται μεγάλη ποσότητα νερού. Ακολούθως , προστίθεται ποσότητα νερού 3-6 φορές περισσότερη από την απαιτούμενη για τη σβέση και λαμβάνεται το άσβεστιο γάλα. 2.3.1.6 Φύραση της καυστικής ασβέστου Μετά τη σβέση το ασβέστιο γάλα τοποθετείται μέσα σε λάκκους και μετατρέπεται με την πάροδο του χρόνου σε πολτό. Αυτό επιτυγχάνεται με την εξάτμιση του νερού, καθώς και με την απορρόφησή του από τα τοιχώματα του λάκκου. Η φάση αυτή ονομάζεται φύραση της υδρασβέστου. Κατά τη διάρκεια της φύρασης γίνεται η σβέση σε κομμάτια, στα οποία δεν είχε ολοκληρωθεί και αυξάνεται η πλαστικότητα της υδρασβέστου. Η φύραση θεωρείται ότι συμπληρώθηκε όταν εμφανιστούν ρωγμές στην επιφάνεια του πολτού, πλάτους ενός δακτύλου. Αυτό συμβαίνει σε 20 μέρες περίπου. 2.3.1.7 Πήξη και σκλήρυνση της υδρασβέστου Με την πάροδο του χρόνου η υδράσβεστος αρχίζει να γίνεται πιο συνεκτική, δηλαδή μπαίνει στο στάδιο της πήξης. Ακολούθως, με την επίδραση του CO2 της ατμόσφαιρας αρχίζει το στάδιο της σκλήρυνσης κατά την αντίδραση, Cα(OH)2 + CO2 CαCO3 + H2O , οπότε η υδράσβεστος αποκτά τις τελικές αντοχές της και μετατρέπεται σε στερεό με σταθερή μορφή. Αυτό ονομάζεται λίθωση της υδρασβέστου. Το παραγόμενο νερό κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης εξατμίζεται. Για 1 g Cα(OH)2 χρειάζονται 1,19 m3 αέρα. Συνεπώς, για 1 m2 επιχρίσματος τοίχου πάχους 1 cm χρειάζονται 1800 m3 αέρα. 2.3.1.8 Δοκιμασίες της υδρασβέστου α. Προσδιορισμός του αδιάλυτου υπολείμματος Για τον προσδιορισμό του αδιάλυτου υπολείμματος λαμβάνεται σκόνη υδρασβέστου βάρους 100 g και κοσκινίζεται μεταξύ των κοσκίνων Νο 20 και Νο 200. Το δείγμα ξεπλένεται με νερό για 30΄, ξηραίνεται, ζυγίζεται και ανάγεται σε ποσοστό % του αρχικού δείγματος. β. Προσδιορισμός του μέτρου πλαστικότητας Για τον προσδιορισμό του μέτρου πλαστικότητας παρασκευάζεται κανονικός ασβεστοπολτός για 300 g υδρασβέστου και ελέγχεται με τη συσκευή Vicat. 31 γ. Έλεγχος της σταθερότητας όγκου Ο έλεγχος της σταθερότητας όγκου γίνεται σε πλακούντα, ο οποίος παρασκευάζεται με την ανάμιξη 100 g πρότυπης άμμου, με 20 g υδρασβέστου και με την κανονική ποσότητα νερού. δ. Προσδιορισμός του συγκρατούμενου νερού ε. Μέτρηση της καθίζησης 2.3.1.9 Εφαρμογές της καυστικής ασβέστου Χρησιμοποιείται για την παρασκευή ασβεστοκονιαμάτων, ασβεστογυψοκονιαμάτων και θηραϊκοκονιαμάτων. Μικρή ποσότητα καυστικής ασβέστου χρησιμοποιείται στα τσιμεντοκονιάματα για τη βελτίωση του εργάσιμου και της πρόσφυσής τους. 2.3.2 ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΑΣΒΕΣΤΟΣ 2.3.2.1 Γενικά Η υδραυλική άσβεστος παρασκευάζεται με όπτηση από ασβεστολιθικά πετρώματα με αυξημένη περιεκτικότητα σε οξείδια του αργιλίου και του πυριτίου. Η περιεκτικότητα σε άργιλο είναι 10÷15%. Η όπτηση γίνεται σε συνηθισμένα ασβεστουργικά καμίνια και σε θερμοκρασίες μεταξύ 1000÷1200 0C. Η όπτηση στις θερμοκρασίες αυτές βοηθά στο σχηματισμό οξειδίων του αργιλίου, του πυριτίου και του σιδήρου μαζί με άσβεστο. Τα οξείδια αυτά είναι οι υδραυλικοί συντελεστές της κονίας. 2.3.2.2 Φυσικές ιδιότητες της υδραυλικής ασβέστου Η υδραυλική άσβεστος είναι σκόνη υπότεφρη μέχρι τεφρή. Οι αντοχές της κυμαίνονται μεταξύ 1,0÷5,0 ΜPα. Πήζει και σκληρύνεται στον αέρα και μετά διατηρείται στο νερό χωρίς να διαλύεται. 2.3.2.3 Σβέση της υδραυλικής ασβέστου Η σβέση της υδραυλικής ασβέστου γίνεται στον τόπο παραγωγής της αμέσως μετά την όπτηση. Το προϊόν της όπτησης ραντίζεται με όση ποσότητα νερού απαιτείται για να μετατραπεί σε υδράσβεστο. Ακολούθως, αφήνεται στο περιβάλλον για 10 μέρες περίπου, όπου υφίσταται συμπληρωματική σβέση και κονιοποιείται. 2.3.2.4 Πήξη και σκλήρυνση της υδραυλικής ασβέστου Η πήξη οφείλεται κυρίως στους υδραυλικούς συντελεστές της κονίας. Όμως στην πήξη και τη σκλήρυνση συμβάλλει και η μικρή ποσότητα CαO που σχηματίζεται κατά την όπτηση, το οποίο αφού ενυδατωθεί και μετατραπεί σε υδράσβεστο, Cα(OH)2, αντιδρά με το CO2 της ατμόσφαιρας και οδηγεί στο σχηματισμό CαCO3 και στη στερεοποίησή του, δηλαδή στη λίθωση της υδρασβέστου. 2.3.2.5 Είδη της υδραυλικής ασβέστου Ανάλογα με τη μικρή ή μεγάλη υδραυλική ικανότητά της, η υδραυλική άσβεστος διακρίνεται σε : α. Υδραυλική άσβεστο. β. Πολύ υδραυλική άσβεστο. γ. Υπερυδραυλική άσβεστο . 2.3.2.6 Δοκιμασίες της υδραυλικής ασβέστου Για να εξακριβωθεί η ποιότητα της παρασκευαζόμενης υδραυλικής ασβέστου, ελέγχονται σύμφωνα με τους αντίστοιχους κανονισμούς : α. Η λεπτότητα. β. Η σταθερότητα όγκου. γ. Ο χρόνος πήξης. δ. Η αντοχή σε θλίψη. 32 2.3.2.7 Εφαρμογές της υδραυλικής ασβέστου Η υδραυλική άσβεστος μαζί με άμμο δίνει κονιάματα, τα οποία έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες από τα κονιάματα της αερικής ασβέστου, υστερούν όμως ως προς τα άλλα υδραυλικά κονιάματα, επειδή περιέχουν σημαντικό ποσοστό ελεύθερης ασβέστου. Τα κονιάματα της υδραυλικής ασβέστου έχουν αντικατασταθεί από τα τσιμεντοκονιάματα. 2.4 ΠΟΖΟΛΑΝΕΣ 2.4.1 ΓΕΝΙΚΑ Οι ποζολάνες είναι κονίες, οι οποίες ανήκουν στην κατηγορία των υδραυλικών κονιών. Είναι υλικά πυριτικής ή αργιλοπυριτικής σύστασης, τα οποία, ενώ έχουν μικρή υδραυλική ικανότητα, όταν κονιοποιηθούν και παρουσία υγρασίας, αντιδρούν με το Cα(OH)2 και δίνουν ενώσεις με αυξημένες υδραυλικές ιδιότητες. Οι ποζολάνες διακρίνονται σε φυσικές και σε τεχνητές ανάλογα με την προέλευσή τους. 2.4.2 ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΟΖΟΛΑΝΕΣ Οι φυσικές ποζολάνες βρίσκονται αυτούσιες στο περιβάλλον και είναι κυρίως ηφαιστιογενείς, όπως η ελληνική θηραϊκή γη, η ιταλική pozzolana, η οποία έδωσε το όνομα της σ’ αυτή την κατηγορία των κονιών, η γερμανική trass,κ.ά. 2.4.3 ΤΕΧΝΗΤΕΣ ΠΟΖΟΛΑΝΕΣ Οι τεχνητές ποζολάνες παρασκευάζονται από αργίλους και σχιστόλιθους με θερμική κατεργασία, δηλαδή πύρωση σε θερμοκρασίες μεταξύ 770 ÷ 900 0C. Τεχνητές ποζολάνες είναι επίσης και οι σκουριές από υψικάμινους, όπως και η ιπτάμενη τέφρα, η οποία είναι η σκόνη που παράγεται από την καύση λιθανθράκων και λιγνιτών σε εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Όλες οι ποζολανικές κονίες θεωρούνται ως κονίες υδραυλικής ασβέστου. Η αντοχή τους, όμως, είναι σχεδόν διπλάσια από την αντοχή των κονιών της υπερυδραυλικής ασβέστου. 2.4.4 ΘΗΡΑΪΚΗ ΓΗ 2.4.4.1 Γενικά Η θηραϊκή γη είναι η ελληνική ποζολάνη. Είναι υλικό ηφαιστειογενούς προέλευσης και αποτελείται από ηφαιστειακή στάχτη, κίσσηρη και οψιδιανό. Είναι πλούσια σε οξείδια του πυριτίου και του αργιλίου και έχει την εξής σύσταση : SiO2 66,0% MgO 0,8% 14,5% SO3 0,7% Al2O3 FeO3 5,5% Nα2O 3,5% CαO 3,0% K2O 2,0%. Η απώλεια πύρωσης της θηραϊκής γης στους 1000 0 C είναι 3,5%. 2.4.4.2 Ιδιότητες της θηραϊκής γης α. Λεπτότητα άλεσης Η θηραϊκή γη μετά την άλεσή της έχει μέσο μέγεθος μέγιστου κόκκου ίσο με 10 μ. 33 Σχήμα 36 Επίδραση της ποζολάνης στην αντοχή του τσιμέντου β. Αδιάλυτο υπόλειμμα Το αδιάλυτο υπόλειμμα της θηραϊκής γης μετά την επίδραση HCl ή καυστικών αλκαλίων πρέπει να είναι 25%–30%.Το μέγιστο επιτρεπτό είναι 40%. Σχήμα 37 Αντοχή σε θλίψη σε συνάρτηση με την περιεκτικότητα σε υδραυλικούς συντελεστές και σε Cα(OH)2 34 γ. Αντοχή σε θλίψη και εφελκυσμό Για τον προσδιορισμό της αντοχής σε θλίψη κατασκευάζονται κυβικά δοκίμια, ενώ για την αντοχή σε εφελκυσμό δοκίμια σε σχήμα οκταρίων. Τα δοκίμια παρασκευάζονται από θηραϊκή γη και υδράσβεστο με αναλογία 3 : 1 κατά βάρος και μετά από 28 μέρες παρουσιάζουν : Αντοχή σε θλίψη 5,5 ΜΡα Αντοχή σε εφελκυσμό 1,3 ΜΡα δ. Ικανότητα δέσμευσης της ασβέστου Η ποζολανικότητα της θηραϊκής γης, όπως και όλων των ποζολανών, είναι βασικά η ικανότητά τους να δεσμεύουν την άσβεστο που αποβάλλεται κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αντοχής του τσιμέντου (Σχήμα 36).Η ικανότητα δέσμευσης είναι μεγαλύτερη, όσο περισσότερο λεπτοαλεσμένη είναι η ποζολάνη. Στο Σχήμα 37 δίνεται η επίδραση των υδραυλικών συντελεστών και της υδρασβέστου, Cα(OH)2, στην αντοχή σε θλίψη. 2.5 ΓΥΨΟΣ 2.5.1 ΓΕΝΙΚΑ Η γύψος παράγεται από τη μερική ή ολική αφυδάτωση της φυσικής γύψου, έπειτα από κατάλληλη όπτηση. Φυσική γύψος είναι το ένυδρο θειικό ασβέστιο, CαSO4 2H2O.Tα 3/2 του κρυσταλλικού νερού της φυσικής γύψου αφυδατώνονται σε θερμοκρασία μικρότερη από εκείνη που απαιτείται για το υπόλοιπο 1/2. Η φυσική γύψος περιέχει διάφορες προσμίξεις ,όπως CαCO3, MgCO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3 κ.ά.Οι προσμίξεις αυτές μέχρι 6% είναι ανεκτές πάνω, όμως, από 20% είναι απαράδεκτες, γιατί τότε η γυψοκονία, η οποία λαμβάνεται από την όπτηση της φυσικής γύψου, είναι βραδύπηκτη. 2.5.2 ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΟΠΤΗΣΗΣ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΓΥΨΟΥ Η αφυδάτωση της φυσικής γύψου, δηλαδή η απόσπαση των κρυσταλλικών μορίων του νερού, επιτυγχάνεται με όπτηση σε διάφορες θερμοκρασίες, οπότε και λαμβάνονται κατά σειρά τα παρακάτω προϊόντα : Αρχίζει η αφυδάτωση της φυσικής γύψου. 500C 0 0 100 - 120 C Παρατηρείται έντονος κοχλασμός. 1800 C Μειώνεται το ποσοστό του περιεχόμενου νερού από 20,9% σε 6,2% και λαμβάνεται η ημιυδρική ή πλαστική γύψος, CαSO4. ½ H2O. 1900- 2200C Λαμβάνεται ο τεχνητός διαλυτός ανυδρίτης, CαSO4, ο οποίος χρησιμοποιείται στην οδοντοτεχνία. 3000C Ο διαλυτός ανυδρίτης μετατρέπεται σε αδιάλυτο. 5000- 6000C Λαμβάνεται ο τεχνητός αδιάλυτος ανυδρίτης , CαSO4 , ο οποίος ονομάζεται και νεκρά γύψος. 10000 C Λαμβάνεται η άνυδρος ή τραχεία γύψος , CαSO4 , μαζί με δευτερεύοντα προϊόντα,CαO, CαSO4 , λόγω της διάσπασης CαSO4 CαO + SO3 35 2.5.3 ΗΜΙΥΔΡΙΚΗ Ή ΠΛΑΣΤΙΚΗ ΓΥΨΟΣ 2.5.3.1 Παρασκευή της πλαστικής γύψου Η πλαστική γύψος λαμβάνεται με μερική αφυδάτωση της φυσικής γύψου. Η φυσική γύψος θραύεται, κονιοποιείται και τοποθετείται σε ειδικά καμίνια όπτησης, τα οποία είναι : α. Σωροκάμινοι. β. Όρθιοι κάμινοι με διακοπτόμενη λειτουργία. γ. Σιδερένιοι λέβητες. δ. Ανοικτά αβαθή δοχεία. ε. Περιστροφικοί κλίβανοι με συνεχή λειτουργία. Μετά την όπτηση ακολουθεί ψύξη σε ειδικά silos, άλεση και συσκευασία σε σάκους των 50 Κg . 2.5.3.2 Φυσικές ιδιότητες της πλαστικής γύψου Η πλαστική γύψος είναι σκόνη υπόλευκη μέχρι λευκή, η οποία πήζει πολύ γρήγορα μετά την ενυδάτωσή της, ενώ συγχρόνως εμφανίζεται αισθητή ανύψωση της θερμοκρασίας. Παρουσιάζει μεγάλη διαλυτότητα στο νερό και έχει μικρό συντελεστή θερμοαγωγιμότητας. Με την ανάμιξη της πλαστικής γύψου με διάφορες προσμίξεις, σε μικρές ποσότητες, είναι δυνατόν να ρυθμιστούν οι εξής ιδιότητές της : α. Ο χρόνος της πήξης. β. Η αύξηση της πλαστικότητας. γ. Η συνεκτικότητα. δ. Η σκληρότητα. 2.5.3.3 Πήξη και σκλήρυνση της πλαστικής γύψου Η πλαστική γύψος όταν αναμιχθεί με νερό μεταρέπεται σε φυσική γύψο με έκλυση θερμότητας κατά την αντίδραση : CαSO4 1/2 H2O + 3/2 H2O CαSO4. 2 H2O H πήξη οφείλεται στην ενυδάτωση του ημιυδρικού άλατος και την εναπόθεση κρυστάλλων από υπέρκορα διαλύματα. Ακολούθως, οι κρύσταλλοι συμπλέκονται και προσφύονται μεταξύ τους, το υλικό αποκτά συνεκτικότητα και μηχανικές αντοχές, οι οποίες συνεχώς αυξάνουν καθώς περνά από το στάδιο της πήξης στο στάδιο της σκλήρυνσης. Στην πήξη και στη σκλήρυνση της πλαστικής γύψου δεν συμμετέχει το CO2 της ατμόσφαιρας και συνεπώς η πλαστική γύψος θα μπορούσε να θεωρηθεί ως υδραυλική κονία. Επειδή, όμως, δεν διατηρείται σε υγρό περιβάλλον κατατάσσεται στις αερικές κονίες. Ο συνηθισμένος χρόνος πήξης είναι 5 – 30 min περίπου και εξαρτάται από : α. την ποσότητα του νερού επεξεργασίας, β. την κανονικότητα της όπτησή της, γ. την λεπτότητα άλεσής της και δ. την περιεκτικότητα σε ξένες προσμίξεις. Η πήξη και η σκλήρυνση είναι δυνατόν να επιταχυνθούν ή να επιβραδυνθούν με τη χρήση προσθέτων υλικών. Η προσθήκη λεπτοαλεσμένης φυσικής γύψου ή ανόργανων οξέων επιταχύνει την πήξη και τη σκλήρυνση της πλαστικής γύψου, ενώ η προσθήκη ζωικής κόλλας ή διάφορων αδρανών στο γυψοπολτό, κατά το στάδιο της επεξεργασίας, τις επιβραδύνει. 36 2.5.3.4 Δοκιμασίες της πλαστικής γύψου α. Προσδιορισμός του ποσοστού υγρασίας Για τον προσδιορισμό του περιεχόμενου ποσοστού υγρασίας στην πλαστική γύψο, λαμβάνεται δείγμα δοκιμής με μάζα 100 g και ξηραίνεται σε κλίβανο στους 40 0C, μέχρις ότου σταθεροποιηθεί η μάζα του. Το υπόλειμμα εκφράζεται ως ποσοστό % της μάζας του δείγματος δοκιμής. β. Λεπτότητα άλεσης Για τον προσδιορισμό της λεπτότητας άλεσης λαμβάνεται ποσότητα πλαστικής γύψου, η οποία κοσκινίζεται στο χέρι με το κόσκινο με διάμετρο οπών 2 mm. Στη συνέχεια δείγμα 210 g γύψου ξηραίνεται στους 40 0C, μέχρις ότου σταθεροποιηθεί η μάζα του. Αφού κρυώσει στο ξηραντήριο, λαμβάνονται 100 g,τα οποία κοσκινίζονται με όλη τη σειρά των πρότυπων κοσκίνων. Ακολούθως, προσδιορίζεται η ποσότητα που έχει διέλθει από όλα τα κόσκινα και εκφράζεται ως ποσοστό % της μάζας δοκιμής. γ. Χρόνος πήξης Για τον προσδιορισμό του χρόνου πήξης παρασκευάζεται κανονικός γυψοπολτός, ο οποίος ελέγχεται με τη βοήθεια της συσκευής Vicat (Σχήμα 48). Ο κανονικός γυψοπολτός παρασκευάζεται με την ανάμιξη πλαστικής γύψου και νερού συνολικού βάρους 200 g και την προσθήκη 0,2 g ζωικής κόλλας, η οποία είναι επιβραδυντής πήξης. Το μίγμα αυτό διαβρέχεται με νερό για 2 min και ανακατεύεται για 1 min. Για να θεωρηθεί κανονικός ο γυψοπολτός πρέπει το στέλεχος της συσκευής Vicat, το οποίο είναι από αλουμίνιο και έχει διάμετρο 19 mm και βάρος 50g , να εισχωρήσει 30 mm μέσα στη μάζα του. Για τον έλεγχο του χρόνου της πήξης πρέπει η βελόνη της συσκευής Vicat, η οποία έχει διάμετρο 1 mm και ολικό βάρος 300 g, όταν εισχωρήσει σε κανονικό γυψοπολτό να μην φτάσει μέχρι τον πυθμένα, γεγονός που σημαίνει τη λήξη της πήξης. Η έναρξη της πήξης γίνεται σε χρόνο 9 min μετά την παρασκευή του γυψοπολτού και η λήξη της πήξης σε χρόνο 28 min. δ. Προσδιορισμός της σκληρότητας Μετράται το βάθος του αποτυπώματος που προκαλείται από σφαίρα, στην οποία εφαρμόζεται ορισμένο φορτίο, σε δοκίμιο που έχει πήξει και έχει ξηρανθεί. ε. Αντοχή σε θλίψη, βD Παρασκευάζονται τρία δοκίμια 160 × 40 × 40 mm σε 2 στρώσεις. Η κάθε στρώση έχει υποστεί μάλαξη με αναλογία γυψοκονιάματος 1 μέρος γύψου και 2 μέρη πρότυπης άμμου και με την κανονική ποσότητα νερού. Τα δοκίμια παραμένουν για 24 h σε υγρασία 90%-100%. Ακολούθως, αφαιρούνται τα καλούπια και παραμένουν σε υγρασία 50% και θερμοκρασία 21 – 38 0C, όπου και ζυγίζονται κάθε 24 h, μέχρις ότου σταθεροποιηθεί το βάρος τους. Μετά ξηραίνονται σε ξηραντήρα CαCl2 για 24 h, οπότε δεσμεύεται το υπόλοιπο νερό κατά την αντίδραση : CαCl2 + H2O → CαO + 2 HCl Η αντοχή σε θλίψη μετά από 2 h πρέπει να είναι 3,5 MΡα και μετά την ξήρανση των δοκιμίων μέχρι σταθερού βάρους 8,0 ΜΡα. στ. Αντοχή σε κάμψη, βΒ Παρασκευάζονται τρία δοκίμια με τη μορφή οκταρίων και συντηρούνται όπως και τα δοκίμια για τον προσδιορισμό της αντοχής σε θλίψη. Η αντοχή σε κάμψη μετά από 2 h πρέπει να είναι 2,0 MΡα και μετά την ξήρανση των δοκιμίων μέχρι σταθερού βάρους 3,0 ΜΡα. Γενικά ισχύει η σχέση : βD = 2,2 βΒ (23) 37 Η αντοχή της πλαστικής γύψου στις μηχανικές καταπονήσεις εξαρτάται από το λόγο του νερού προς τη γύψο και από τα πρόσθετα, τα οποία χρησιμοποιούνται στην παρασκευή της . 2.5.3.5 Είδη της πλαστικής γύψου Η πλαστική γύψος διακρίνεται σε : α. Δομική. β. Διακοσμητική. γ. Οδοντοτεχνίας. δ. Ορθοπεδική. ε. Οινοποιίας. 2.5.3.6 Εφαρμογές της πλαστικής γύψου Η πλαστική γύψος χρησιμοποιείται κυρίως ως δομικό υλικό για την παρασκευή γυψοκονιαμάτων, πλακών επένδυσης και γυψοσανίδων, όπως και στην κατασκευή αντικειμένων, τα οποία μορφώνονται σε καλούπια. Λόγω της διαλυτότητάς της στο νερό χρησιμοποιείται μόνο σε εσωτερικές κατασκευές και όχι σε έργα, τα οποία είναι εκτεθειμένα στην υγρασία και στο νερό της βροχής, γιατί θα καταστραφούν. Ως μέτρα προφύλαξης χρησιμοποιούνται η βαφή, ο επιφανειακός εμποτισμός και τα πρόσθετα μάζας. 2.5.3.7 Κονιάματα της πλαστικής γύψου Κονιάματα της πλαστικής γύψου είναι : α. Γυψοκονίαμα Είναι κονίαμα γύψου με χαλαζιακή άμμο. β. Γυψοασβεστοκονίαμα Είναι ασβεστοκονίαμα με την προσθήκη γύψου. γ. Διακοσμητικοί λίθοι Είναι κονιάματα γύψου με φυτικές ίνες, πριονίδια κ.ά. δ. Γυψοσανίδες Είναι κονιάματα γύψου με χαρτόμαζα, ίνες αμιάντου κ.ά. Oι διακοσμητικοί λίθοι και οι γυψοσανίδες επιδέχονται πριόνισμα και κάρφωμα. Για το κάρφωμα πρέπει να χρησιμοποιούνται επιψευδαργυρομένα ή επικασσιτερομένα καρφιά, γιατί αν χρησιμοποιηθούν συνηθισμένα σιδερένια καρφιά είναι δυνατόν να οξειδωθούν από τα διαλύματα του ένυδρου θειικού ασβεστίου και να εμφανιστούν στα γύψινα προϊόντα οι χαρακτηριστικοί λεκέδες της σκουριάς, όπως επίσης είναι δυνατόν να χαλαρώσει και το κάρφωμα. 2.5.4 ΑΝΥΔΡΟΣ Ή ΤΡΑΧΕΙΑ ΓΥΨΟΣ 2.5.4.1 Παρασκευή της τραχείας γύψου Η τραχεία γύψος, CαSO4, λαμβάνεται από την ολική αφυδάτωση της φυσικής γύψου, CαSO4. 2H2O, με όπτηση στους 1000 0C. Η όπτηση γίνεται σε καμίνια όμοια με τα ασβεστουργικά. Μετά την όπτηση αλέθεται και αποθηκεύεται σε silos. 2.5.4.2 Φυσικές ιδιότητες της τραχείας γύψου Η τραχεία γύψος είναι σκόνη υποκίτρινη μέχρι υπέρυθρη. Κατά την πήξη ο όγκος της παραμένει αμετάβλητος. Παρουσιάζει αυξημένη σκληρότητα και αυξημένες μηχανικές αντοχές. 2.5.4.3 Πήξη και σκλήρυνση της τραχείας γύψου Η πήξη και η σκλήρυνση γίνεται όπως και στην πλαστική γύψο, οπότε μεταπίπτει σε ένυδρο θειικό ασβέστιο, CαSO4.2H2O. Όμως οι παραγόμενοι κρύσταλλοι είναι μικρότεροι, συμπαγέστεροι και στερεότεροι από εκείνους της πλαστικής γύψου. Η πήξη και η σκλήρυνση γίνεται αργά και διαρκεί από ημέρες μέχρι εβδομάδες. 38 Η επιβράδυνσή τους αυξάνεται με την προσθήκη αδρανών, όπως είναι η χαλαζιακή άμμος, οι σκουριές, το αργιλικό αλεύρι κ.ά. Δοκιμασίες της τραχείας γύψου Για τον έλεγχο της ποιότητας της τραχείας γύψου γίνονται οι ίδιες δοκιμασίες, όπως ακριβώς και στην περίπτωση της πλαστικής γύψου. Η αντοχή σε θλίψη μετά από 7 ημέρες είναι 5 ΜΡα και μετά από 28 ημέρες αυξάνεται σε 7,5 ΜΡα. Εφαρμογές της τραχείας γύψου Η τραχεία γύψος χρησιμοποιείται για την κατασκευή υποστρωμάτων ελαστικών ή πλαστικών δαπέδων, καθώς και δαπέδων χωρίς αρμούς σε αναλογία κονιάματος 1 : 2 με άμμο. Για την κατασκευή δαπέδων χωρίς αρμούς, πάνω στο υπόστρωμα, το οποίο είναι εμποτισμένο με νερό, απλώνεται ένα λεπτό στρώμα βρεγμένης άμμου και πάνω στο στρώμα αυτό τοποθετείται πολτός γύψου με αναλογία 3 : 1 με νερό. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μια στρώση 3 ÷5 cm, η οποία συμπυκνώνεται με κρούσεις μετά από 2 ÷3 ημέρες και σε 1 ÷2 εβδομάδες το δάπεδο είναι έτοιμο, σκληρό και ανθεκτικό. 2.5.5 ΑΝΥΔΡΙΤΗΣ Ο ανυδρίτης CαSO4 είναι είτε φυσικός είτε τεχνητός. 2.5.5.1 Φυσικός ανυδρίτης Φυσικός ανυδρίτης είναι το άνυδρο θειικό ασβέστιο, το οποίο απαντάται στη φύση και είναι όπως ο αδιάλυτος τεχνητός ανυδρίτης. 2.5.5.2 Τεχνητός ανυδρίτης Ο τεχνητός ανυδρίτης είναι προϊόν όπτησης της φυσικής γύψου και διακρίνεται σε διαλυτό και αδιάλυτο. α. Διαλυτός ανυδρίτης Ο διαλυτός ανυδρίτης λαμβάνεται με όπτηση της φυσικής γύψου στους 190–220 0C και στους 300 0C μετατρέπεται σε αδιάλυτο ανυδρίτη. β. Αδιάλυτος ανυδρίτης Ο αδιάλυτος ανυδρίτης λαμβάνεται με όπτηση της φυσικής γύψου στους 500–600 0C. Σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 42 0C αποτελεί σταθερή μορφή και δύσκολα μετατρέπεται σε διυδρική γύψο. Κατά την ενυδάτωση του αδιάλυτου ανυδρίτη αυξάνεται σημαντικά η θερμοκρασία με αποτέλεσμα το νερό ανάμιξης εξατμίζεται. Για το λόγο αυτό παρουσιάζεται βραδύτητα ενυδάτωσης και πήξης του ανυδρίτη. Για να διευκολυνθεί η ενυδάτωση και η κρυστάλλωση των ανυδριτών, χρησιμοποιούνται διάφορα υλικά, σε μικρές ποσότητες, τα οποία ονομάζονται διεγέρτες, όπως η άσβεστος, το τσιμέντο πόρτλαντ κ.ά.,. 39 2.6 ΤΣΙΜΕΝΤΟ 2.6.1 ΓΕΝΙΚΑ Το τσιμέντο είναι τεχνητή λεπτόκοκκη κονία, η οποία παρασκευάζεται με λεπτή άλεση του κλίνκερ. Κλίνκερ ονομάζεται διεθνώς το προϊόν που προκύπτει από την όπτηση μίγματος ασβεστολιθικών και αργιλοπυριτικών πετρωμάτων. Το τσιμέντο, όταν αναμιχθεί με νερό, πήζει και σκληραίνει τόσο στον αέρα όσο και μέσα στο νερό. Μετά τη σκλήρυνση δεν διαλύεται στο νερό. Συνδυάζει μεγάλη υδραυλική ικανότητα και υψηλές αντοχές, γι’ αυτό έχει ευρεία χρήση στις δομικές κατασκευές, όπως επίσης και στα υδραυλικά έργα. 2.6.2 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Οι πρώτες ύλες για την παρασκευή του τσιμέντου αποτελούνται κατά 76% από ασβεστολιθικά και κατά 24% από αργιλοπυριτικά πετρώματα. Για να έχει το τελικό προϊόν τις επιθυμητές ιδιότητες, ανεξάρτητα από τις πρώτες ύλες που θα χρησιμοποιηθούν, πρέπει να καθοριστούν προσεκτικά οι αναλογίες ανάμιξης των πρώτων υλών. Οι πρώτες ύλες για την παρασκευή του τσιμέντου υποβάλλονται ξεχωριστά σε ξήρανση και σε λεπτή άλεση. Στη συνέχεια αναμιγνύονται πολύ καλά και υποβάλλονται σε όπτηση στους 14000 C, οπότε λαμβάνεται το κλίνκερ και ακολούθως με περαιτέρω διαδικασία το τσιμέντο. Η λεπτή άλεση των πρώτων υλών και η μεταξύ τους ανάμιξη είναι απαραίτητα για να γίνει το υλικό της όπτησης ομοιογενές και να διευκολυνθεί ο μετασχηματισμός των πρώτων υλών στις χημικές ενώσεις που περιλαμβάνει το τσιμέντο. Η χημική σύνθεση των προϊόντων του κλίνκερ με τις χαρακτηριστικές ονομασίες τους είναι : Αlit 3CαΟ.SiO2 Belit 2CαΟ.SiO2 Celit 4CαΟ.Αl2O3.Fe2O3 Felit 2CαΟ.SiO2, το οποίο είναι ασταθές, μαζί με 3 CαO.Al2O3 Το τσιμέντο που λαμβάνεται από το κλίνκερ έχει την εξής σύνθεση : CαΟ 66% SiO2 22% Al2O3 8% Fe2O3 4% Οι νέες χημικές ενώσεις, οι οποίες προκύπτουν μετά την όπτηση, ονομάζονται φάσεις του τσιμέντου και επηρεάζουν αποφασιστικά τις ιδιότητές του. Οι υδραυλικοί συντελεστές του τσιμέντου είναι τα οξείδια που αναφέρθηκαν παραπάνω, και τα οποία, όταν βρίσκονται στη σωστή αναλογία, συνδέονται μεταξύ τους με τις ακόλουθες σχέσεις, οι οποίες ονομάζονται δείκτες. Cα O α. Δείκτης υδραυλικότητας με τιμή 2. Al2 O 3 + Si O 2 + Fe 2 O 3 Ο δείκτης υδραυλικότητας είναι η σχέση μεταξύ των όξινων και των βασικών συστατικών. Στην πράξη κυμαίνεται μεταξύ 2,2 και 2,3 και καθορίζει ουσιαστικά την αναλογία ανάμιξης των πρώτων υλών. Όταν η τιμή του δείκτη αυτού είναι μεγαλύτερη από 2,3 , τότε το τσιμέντο είναι δυνατόν να παρουσιάσει διόγκωση , ενώ όταν είναι 40 μικρότερη από 1,7 , τότε το τσιμέντο είναι δυνατόν να παρουσιάσει αποσάθρωση μετά τη σκλήρυνση. SiO2 β. Πυριτικός δείκτης με τιμή 2. Al2O3 + Fe 2O3 Ο πυριτικός δείκτης είναι η σχέση μεταξύ των όξινων συστατικών. Al2 O 3 γ. Δείκτης οξειδίου του Al ή του Fe με τιμή 2. Fe 2 O 3 Ο δείκτης οξειδίου του Al ή του Fe είναι η σχέση μεταξύ των οξειδίων του αργιλίου και του σιδήρου. Si O 2 δ. Δείκτης δραστικότητας με τιμή μεταξύ 2,5 και 5. Al2 O 3 Όταν η τιμή του πυριτικού δείκτη είναι μεγαλύτερη από 4 και εκείνη του δείκτη δραστικότητας μεγαλύτερη από 5, τότε το τσιμέντο είναι βραδύπηκτο. Αντίθετα, όταν η τιμή του πυριτικού δείκτη είναι μικρότερη από 1,2 και εκείνη του δείκτη δραστικότητας μικρότερη από 2,5 , τότε το τσιμέντο είναι ταχύπηκτο. 2.6.3 ΕΙΔΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 2.6.3.1 Ανάλογα με τις πρόσθετες ύλες Το τσιμέντο, ανάλογα με τις πρώτες ύλες που προστίθενται κατά την παρασκευή του, κατατάσσεται στις παρακάτω κατηγορίες : α. Τύπου Ι – Πόρτλαντ Καθαρά τσιμέντα πόρτλαντ χαρακτηρίζονται τα τσιμέντα τα οποία προέρχονται από συνάλεση κλίνκερ και γύψου, και στα οποία επιτρέπεται η προσθήκη μέχρι 3% προϊόντων που προέρχονται από θραύση ή κονιοποίηση φυσικών ή τεχνητών υλικών, όπως ασβεστολίθων, βασάλτου, σκουριών, γης διατόμων, μπετονιτών, ιπτάμενης τέφρας κ.ά. β. Τύπου ΙΙ – Πόρτλαντ με ποζολάνη Τσιμέντα πόρτλαντ με ποζολάνη χαρακτηρίζονται τα τσιμέντα που προέρχονται από συνάλεση κλίνκερ πόρτλαντ, ποζολάνης φυσικής ή τεχνητής και του απαραίτητου γύψου. Το ποσοστό της ποζολάνης καθορίζεται από το αδιάλυτο υπόλειμμα του τσιμέντου, το οποίο δεν πρέπει να υπερβαίνει το 20%. Δεν είναι απαραίτητο να ικανοποιούν τη δοκιμή ποζολανικότητας. Ειδικά το τσιμέντο με 10% αδιάλυτο υπόλειμμα ονομάζεται τσιμέντο πόρτλαντ ελληνικού τύπου. γ. Τύπου ΙΙΙ – Ποζολανικό Ποζολανικά τσιμέντα πόρτλαντ χαρακτηρίζονται τα τσιμέντα που προέρχονται από συνάλεση κλίνκερ πόρτλαντ, ποζολάνης φυσικής ή τεχνητής και του απαραίτητου γύψου. Το ποσοστό της ποζολάνης καθορίζεται από το αδιάλυτο υπόλειμμα του τσιμέντου, το οποίο πρέπει να είναι μεταξύ 20% και 40%. Πρέπει να ικανοποιούν τη δοκιμή ποζολανικότητας. Τα τσιμέντα αυτά χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα για ογκώδη έργα, όπου απαιτείται χαμηλός βαθμός θερμότητας ενυδάτωσης ή βελτιωμένη αντοχή στα διαβρωτικά μέσα. δ. Τύπου ΙV – Πόρτλαντ ανθεκτικό στα θειικά Τσιμέντα πόρτλαντ ανθεκτικά στα θειικά άλατα και στο θαλάσσιο νερό χαρακτηρίζονται τα τσιμέντα που προέρχονται από συνάλεση κλίνκερ πόρτλαντ και γύψου. Το αργιλικό τριασβέστιο C3A, το οποίο υπολογίζεται από τον τύπο,C3A = 2,65. Αl2O3 – 1,69.2Fe2O3 πρέπει να είναι μικρότερο από 3,5% και η περιεκτικότητα σε SO3 να μην ξεπερνά το 2,5%. 41 2.6.3.2 Ανάλογα με την αντοχή τους Τα τσιμέντα, ανάλογα με την αντοχή τους, κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες, όπως δείχνεται στον Πίνακα 3. ΠΙΝΑΚΑΣ 3 Κατηγορίες του τσιμέντου ανάλογα με την αντοχή του σε θλίψη Κατηγορία αντοχών (ονομαστική) 35 45 55 2 ημερών ελάχιστη τιμή ⎯ 10 15 Αντοχή σε θλίψη σε ΜΡα 7 ημερών 28 ημερών ελάχιστη τιμή ελάχιστη τιμή μέγιστη τιμή 15 25 45 35 55 ⎯ 45 χωρίς όριο ⎯ 2.6.4 ΛΕΠΤΟΤΗΤΑ ΑΛΕΣΗΣ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Η λεπτότητα της άλεσης του τσιμέντου εκφράζεται με την ειδική επιφάνεια κατά Βlaine σε cm2/g. Όσο λεπτότερα έχει αλεστεί το τσιμέντο, τόση μεγαλύτερη είναι η διαθέσιμη επιφάνεια των κόκκων που έρχεται σε επαφή με το νερό, και συνεπώς η ενυδάτωση γίνεται γρηγορότερα. Αυτό συμβαίνει γιατί η ενυδάτωση των κόκκων αρχίζει από την εξωτερική επιφάνειά τους και προχωρεί βαθμιαία προς το κέντρο μέχρι την πλήρη ενυδάτωση του κόκκου. Η υψηλή ή η χαμηλή ταχύτητα της ενυδάτωσης του τσιμέντου έχει ως αποτέλεσμα ανάλογη αντοχή του τσιμέντου σε μικρό χρονικό διάστημα. Μακροπρόθεσμα, όταν το τσιμέντο ενυδατωθεί πλήρως, η τελική αντοχή του είναι η ίδια και στις δύο περιπτώσεις (Σχήμα 38). Σχήμα 38 Επίδραση της ειδικής επιφάνειας στην αντοχή του τσιμέντου 42 Όταν η λεπτότητα άλεσης είναι χαμηλή, δηλαδή οι κόκκοι είναι χονδροί, τότε το τσιμέντο δεν ενυδατώνεται πλήρως και παρουσιάζει μειωμένες αντοχές, ενώ, όταν η λεπτότητα άλεσης είναι πολύ υψηλή, εμφανίζονται ραγίσματα στο σκληρυνθέντα τσιμεντοπολτό. Ακόμα η αύξηση της λεπτότητας αυξάνει το κόστος της άλεσης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 38 η ειδική επιφάνεια κατά Blaine πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 2.000 cm2/g. 2.6.5 ΕΝΥΔΑΤΩΣΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 2.6.5.1 Γενικά Ενυδάτωση του τσιμέντου είναι η χημική ένωση του τσιμέντου με νερό. Κατά την επίδραση του νερού στο τσιμέντο δημιουργείται ένα σύνολο χημικών ενώσεων, οι οποίες αποτελούν έναν εύπλαστο πολτό τον τσιμεντοπολτό. Με την πάροδο του χρόνου ο πολτός αρχίζει προοδευτικά να αποκτά στερεότητα και συνεκτικότητα και τελικά μετατρέπεται σε τσιμεντολίθωμα. Η ενυδάτωση καλύπτει το χρονικό διάστημα από την ανάμιξη του τσιμέντου με νερό, μέχρις ότου το ενυδατωμένο τσιμέντο αποκτήσει την τελική αντοχή του, και περιλαμβάνει τα στάδια της πήξης και της σκλήρυνσης. Κατά τη διάρκεια της ενυδάτωσης οι τριχοειδείς πόροι και οι πόροι του πήγματος είναι γεμάτοι με νερό. Όταν αυτοί δεν περιέχουν νερό, η ενυδάτωση διακόπτεται. Συνεπώς, χρειάζεται συνεχής διαβροχή. Στο Σχήμα 39 δίνεται ιστός ενυδάτωσης του τσιμέντου και στο Σχήμα 40 σχηματική παράσταση των φάσεων ενυδάτωσης και της εξέλιξης στη δομή κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου. Σχήμα 39 Ιστός ενυδάτωσης του τσιμέντου Κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου τα διάφορα οξείδια σχηματίζουν συμπλέγματα οξειδίων , τα οποία είναι τα εξής : Τrisulfat 3CαΟ Al2O3 3CαSO4 32 H2O Monosulfat 3CαΟ Al2O3 3CαSO4 12 H2O C.S.H CαΟ SιO2 H2O C4(A.F)H13 4CαΟ Al2O3 Fe2O3 13 H2O όπου είναι : CαΟ -CSιO2 –SAl2O3 -AFe2O3 – FH2O -H- 43 Σχήμα 40 Σχηματική παράσταση των φάσεων ενυδάτωσης και της εξέλιξης στη δομή κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου Στο Σχήμα 41 δίνεται η δέσμευση του νερού κατά την ενυδάτωση ανόργανης κονίας κατά Βrandenberger σε κονίαμα και σκυρόδεμα. Σχήμα 41 Σχηματική παράσταση της δέσμευσης νερού κατά την ενυδάτωση ανόργανης κονίας Η ενυδάτωση του τσιμέντου αργεί πολύ να ολοκληρωθεί και διαρκεί μεγάλο χρονικό διάστημα (Σχήμα 42). Ο λόγος της μάζας του νερού, W, προς τη μάζα του τσιμέντου, Ζ, ονομάζεται συντελεστής νερού – τσιμέντου, w, και δίνεται από τη σχέση : w= W (24) Z O συντελεστής αυτός επηρεάζει την ενυδάτωση του τσιμέντου. 44 Σχήμα 42 Χρονική εξέλιξη της ενυδάτωσης του τσιμέντου Στο Σχήμα 43 δίνεται η ενυδάτωση του τσιμέντου για διάφορες τιμές του συντελεστή w κατά Wischers. Σχήμα 43 Η ενυδάτωση του τσιμέντου σε συνάρτηση με το συντελεστή w 2.6.5.2 Θερμότητα ενυδάτωσης Η χημική αντίδραση κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας, η οποία ονομάζεται θερμότητα ενυδάτωσης. Η θερμότητα αυτή εξαρτάται από τα ποσοστά των υλικών του κλίνκερ και είναι διαφορετική για τα διάφορα είδη τσιμέντου (Σχήμα 44). Στα τσιμέντα με χαμηλή έκλυση θερμότητας η σκλήρυνση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό, αλλά η τελική σκλήρυνσή τους είναι καλύτερη. 45 Σχήμα 44 Θερμότητα ενυδάτωσης για διάφορα τσιμέντα Η προσθήκη θηραϊκής γης κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου πόρτλαντ μειώνει τη θερμότητα ενυδάτωσης (Σχήμα 45). Σχήμα 45 Επίδραση της θηραϊκής γης στη θερμότητα ενυδάτωσης του τσιμέντου πόρτλαντ 2.6.5.3 Συστολή κατά την ενυδάτωση Κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου παρατηρείται συστολή του όγκου (Σχήμα 46). Πράγματι, όταν 100 g τσιμέντου, που έχουν όγκο 31,8 cm3, ενυδατωθούν με 50 g νερού δίνουν προϊόντα ενυδάτωσης με συνολικό όγκο 76,0 cm3, ενώ τα αντιδρώντα υλικά έχουν συνολικό όγκο 81,8 cm3. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην είσοδο νερού στο κρυσταλλικό πλέγμα και η χρονική εξέλιξή του δίνεται στο Σχήμα 47 για διάφορες τιμές του συντελεστή νερού-τσιμέντου w. 46 Σχήμα 46 Συστολή του όγκου κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου Σχήμα 47 Η συστολή του όγκου κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου σε συνάρτηση με το χρόνο για διάφορες τιμές του συντελεστή w 2.6.6 ΠΗΞΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Πήξη ονομάζεται η έναρξη της στερεοποίησης του τσιμεντοπολτού και είναι μια φυσική διαδικασία, η οποία εμφανίζεται παράλληλα με την έναρξη της ενυδάτωσης του τσιμέντου. Η πήξη χαρακτηρίζεται από το χρόνο έναρξης και το χρόνο λήξης της. Κατά τη διάρκεια της πήξης ο τσιμεντοπολτός χάνει την πλαστικότητά του, γίνεται πιο συνεκτικός και αποκτά κάποιες αντοχές. Ως χρόνος έναρξης της πήξης θεωρείται ο χρόνος που πέρασε από την ανάμιξη των συστατικών και μέχρις ότου ο τσιμεντοπολτός αποκτήσει κάποια σταθερότητα , ενώ ως χρόνος λήξης της πήξης θεωρείται ο χρόνος που επέρχεται η στερεοποίησή του. Ο προσδιορισμός τους γίνεται με τη βοήθεια της συσκευής Vicat ( Σχήμα 48). 47 Η αρχή της πήξης γίνεται το ταχύτερο σε 1 ώρα και το τέλος το αργότερο σε 12 ώρες μετά την ανάμιξη του τσιμέντου με νερό.Η αρχή της πήξης είναι σημαντική για τη δυνατότητα επεξεργασίας του τσιμεντοπολτού και διαρκεί στην πράξη 1-4 ώρες, ενώ το τέλος της πήξης 8-12 ώρες, ανάλογα με τη λεπτότητα άλεσης και τον τύπο του τσιμέντου, τη θερμότητα και την αναλογία ανάμιξης τσιμέντου και νερού. Στο Σχήμα 49 δίνονται οι χρόνοι αυτοί για διάφορα ποσοστά νερού. Σχήμα 48 Συσκευή Vicat Σχήμα 49 Χρόνος πήξης του τσιμέντου για διάφορα ποσοστά νερού Ο χρόνος πήξης του τσιμέντου μπορεί να μεταβληθεί με την προσθήκη κατάλληλων ουσιών, σε μικρές ποσότητες, κατά την ανάμιξη του τσιμέντου με νερό. 2.6.7 ΣΚΛΗΡΥΝΣΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Σκλήρυνση ονομάζεται η περαιτέρω προοδευτική αύξηση της στερεότητας και των αντοχών του ενυδατωμένου τσιμέντου μετά την πήξη, μέχρις ότου αποκτήσει την τελική αντοχή του. Η σκλήρυνση οφείλεται στην πρόοδο των χημικών αντιδράσεων, οι οποίες οδηγούν στο σχηματισμό σταθερών χημικών ενώσεων στο τσιμέντο. 48 Η σκλήρυνση αρχίζει με το τέλος της πήξης και συνεχίζεται για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ο ρυθμός σκλήρυνσης είναι γρήγορος μετά τις πρώτες μέρες, αλλά τους επόμενους μήνες συνεχώς επιβραδύνεται. Μετά τη σκλήρυνση η σύσταση του τσιμέντου είναι η ακόλουθη : Cα(OH)2 Υπόλοιπο Κλίνκερ Δεν έχει ενυδατωθεί Πήγμα τσιμέντου Νερό ή αέρας Αέρας Χωρίς Αντοχή Φορέας αντοχής Στους τριχοειδείς ¾ πήγματος CSH πόρους +¼ πόροι πήγματος Στους μικρόπορους Στερεό υλικό Πόροι 2.6.8 ΕΞΙΔΡΩΣΗ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΠΗΞΗ ΤΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ Εξίδρωση ονομάζεται η αποβολή νερού πριν από την πήξη του σκυροδέματος ή του κονιάματος, η οποία οφείλεται στην καθίζηση των στερεών υλικών με ταυτόχρονη άνοδο του νερού που εκτοπίζεται. Η ταχύτητα καθίζησης είναι διαφορετική στις διάφορες θέσεις του τσιμεντοπολτού, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται ρωγμές, κατά τη διάρκεια του φαινομένου, από τις τάσεις, οι οποίες αναπτύσσονται από το κέντρο προς την περιφέρεια. Η εξίδρωση εξαρτάται από το είδος του τσιμέντου, τη λεπτότητα άλεσής του, το συντελεστή νερού – τσιμέντου, το ποσοστό των λεπτών υλικών και το χρόνο έναρξης της πήξης. Το φαινόμενο της εξίδρωσης επηρεάζει την ομοιογένεια του μίγματος, γιατί το νερό καθώς ανέρχεται προς την επιφάνεια παρασύρει και τους λεπτότερους κόκκους του τσιμέντου και της άμμου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να σχηματιστεί στην επιφάνεια του μίγματος μία στρώση τσιμέντου με επιζήμια αποτελέσματα. Σχήμα 50 Σχηματική παράσταση σχηματισμού θυλάκων νερού κάτω από τους κόκκους των αδρανών 49 Καθώς το νερό ανέρχεται προς την επιφάνεια, όταν συναντήσει μεγάλους κόκκους αδρανών υλικών, σχηματίζει θύλακες νερού κάτω από αυτούς (Σχήμα 50), με αποτέλεσμα τη μείωση της αντοχής του σκυροδέματος. 2.6.9 ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Το τσιμέντο είναι κονία με έντονη υδραυλική συμπεριφορά και με υψηλές αντοχές. Έχει χαρακτηριστικό πρασινότεφρο χρώμα, το οποίο οφείλεται στα οξείδια του Fe2O3 και του MnO. Η πυκνότητά του κυμαίνεται μεταξύ 3,00 και 3,22 Κg /dm3. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του είναι ίδιος με τον αντίστοιχο συντελεστή του χάλυβα. 2.6.10 ΑΝΤΟΧΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Η αντοχή του τσιμέντου χαρακτηρίζεται κυρίως από την αντοχή σε θλίψη, η οποία είναι αρκετά υψηλή. Η αντοχή του σε εφελκυσμό είναι δέκα φορές περίπου μικρότερη από την αντοχή του σε θλίψη και δεν λαμβάνεται υπόψη για τους υπολογισμούς στις κατασκευές. Η αντοχή του τσιμέντου επηρεάζεται από τους ακόλουθους παράγοντες. 2.6.10.1 Επίδραση του συντελεστή νερού – τσιμέντου, w Ο συντελεστής νερού – τσιμέντου πρέπει να έχει την κατάλληλη τιμή, ώστε να εξασφαλίζεται η πλήρης ενυδάτωση του τσιμέντου. Η τιμή αυτή είναι w = 0,40. Για τιμές του συντελεστή w μικρότερες από την τιμή αυτή παραμένει ποσότητα τσιμέντου, η οποία δεν έχει ενυδατωθεί, ενώ για μεγαλύτερες τιμές σχηματίζονται τριχοειδείς πόροι γεμάτοι με νερό. Και στις δύο περιπτώσεις το αποτέλεσμα είναι η μείωση της αντοχής. Η αύξηση της τιμής του συντελεστή νερού-τσιμέντου προκαλεί αύξηση του πορώδους και παράλληλα μείωση της αντοχής σε θλίψη ( Σχήμα 51). Στο Σχήμα 52 δίνεται επίδραση του συντελεστή w στην αντοχή σε θλίψη. Σχήμα 51 Μεταβολή της αντοχής σε θλίψη και του πορώδους σε συνάρτηση με το συντελεστή w 50 Σχήμα 52 Μεταβολή της σχετικής αντοχής σε θλίψη σε συνάρτηση με το συντελεστή w 2.6.10.2 Επίδραση της θερμότητας ενυδάτωσης Η θερμότητα ενυδάτωσης του τσιμέντου επηρεάζει την αντοχή του (Σχήμα 53). Σχήμα 53 Η αντοχή σε θλίψη του τσιμέντου σε συνάρτηση με τη θερμότητα ενυδάτωσης 2.6.10.3 Επίδραση της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης Η χημική αντίδραση της σκλήρυνσης επηρεάζεται από τη θερμοκρασία και επιταχύνεται όταν η θερμοκρασία αυξάνεται. Η αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος εξαρτάται από την ωρίμανση, η οποία είναι συνάρτηση του χρόνου και της θερμοκρασίας και δίνεται από τη σχέση : R = Σ Δti (Ti + 10) (25), όπου είναι : R η ωρίμανση, Δti τα χρονικά διαστήματα σκλήρυνσης, όπου επικρατεί σταθερή θερμοκρασία και Τi η θερμοκρασία του αντίστοιχου διαστήματος. 51 Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι για θερμοκρασία Τ = -100 C η ωρίμανση είναι R = 0, δηλαδή η σκλήρυνση διακόπτεται. Η σχετική αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος σε σχέση με την κατάσταση ωρίμανσης δίνεται στο Σχήμα 54. Σχήμα 54 Σχετική αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος σε συνάρτηση με την κατάσταση ωρίμανσης Σε 28 ημέρες με σταθερή θερμοκρασία 200 C, δηλαδή για Δti = 28 και Τi = 20 η ωρίμανση είναι R = 28 (20+10) = 840. Για τις συνθήκες αυτές η αντοχή σε θλίψη στο Σχήμα 54 λαμβάνεται ως ποσοστό 100% για w = 0,40 Σχήμα 55 Επίδραση της θερμοκρασίας στην αντοχή του σκυροδέματος με την πάροδο του χρόνου Στο Σχήμα 55 δίνεται η χρονική εξέλιξη της αντοχής σε θλίψη του σκυροδέματος για διάφορες θερμοκρασίες. Ως ποσοστό 100% της σχετικής αντοχής σε θλίψη λαμβάνεται η τιμή της στους 23 0C. 2.6.10.4 Επίδραση της υγρασίας Η παρουσία υγρασίας κατά τη σκλήρυνση είναι απαραίτητη για να ολοκληρωθεί η ενυδάτωση του τσιμέντου. Όταν εξατμιστεί το νερό των πόρων, η ενυδάτωση διακόπτεται γιατί δεν είναι δυνατόν να σχηματιστούν οι ένυδρες φάσεις. Συνεπώς, ο τρόπος συντήρησης μετά την πήξη επηρεάζει την αντοχή του. Στο Σχήμα 56 δίνεται η επίδραση της υγρασίας στην αύξηση της αντοχής του παρασκευαζόμενου σκυροδέματος. 52 Σχήμα 56 Η επίδραση της υγρασίας στην αντοχή του σκυροδέματος 2.6.10.5 Επίδραση του χρόνου Η αντοχή σε θλίψη του τσιμέντου αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Στο Σχήμα 57 δίνεται η χρονική εξέλιξη της αντοχής σε θλίψη του παρασκευαζόμενου σκυροδέματος ως ποσοστό % της αντοχής που παρουσιάζει στις 28 ημέρες, για διάφορες κατηγορίες τσιμέντου. Σχήμα 57 Η αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος σε συνάρτηση με το χρόνο Στον Πίνακα 4 δίνεται ο ρυθμός αύξησης της αντοχής σε θλίψη του τσιμέντου σε συνάρτηση με το χρόνο ως ποσοστό % της αντοχής του στις 28 ημέρες. 53 ΠΙΝΑΚΑΣ 4 Ρυθμός της χρονικής αύξησης της αντοχής σε θλίψη του τσιμέντου Ποιότητα τσιμέντου 25 45 3 10-50 35-70 Ηλικία σε ημέρες 7 28 180 45-75 100 115-150 60-85 100 105-125 360 140-170 105-130 2.6.10.6 Επίδραση του τρόπου αποθήκευσης Ο τρόπος και ο χρόνος αποθήκευσης του τσιμέντου επηρεάζουν την αντοχή του . Κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης το τσιμέντο λόγω της υγρασίας του αέρα αρχίζει να ενυδατώνεται, με αποτέλεσμα να σβωλιάζει και να μειώνεται σημαντικά η αντοχή του. Η αντοχή σε θλίψη μετά από αποθήκευση 3 μηνών μειώνεται κατά 10% - 20% , ενώ μετά από αποθήκευση 6 μηνών μειώνεται κατά 20% - 30%. Όσο πιο υψηλή είναι η αντοχή του τσιμέντου, τόσο περισσότερο επηρεάζεται από το χρόνο αποθήκευσης. Συνεπώς, τα τσιμέντα με αντοχή 25 ΜPα - 45 ΜΡα δεν πρέπει να αποθηκεύονται πριν από τη χρήση τους πάνω από 2 μήνες, ενώ εκείνα με αντοχή 55 ΜΡα το πολύ 1 μήνα. 2.6.11 ΣΥΣΤΟΛΗ ΞΗΡΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΥΓΡΑΝΣΗΣ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Η συστολή ξήρανσης και η διαστολή ύγρανσης οφείλονται , αντίστοιχα, στη μείωση ή στην αύξηση της περιεχόμενης ποσότητας νερού, η οποία είναι αποτέλεσμα της αντίστοιχης μείωσης ή αύξησης της υγρασίας του περιβάλλοντος. Οι μεταβολές αυτές εξαρτώνται από τη λεπτότητα άλεσης, από το λόγο νερού – τσιμέντου,w ( Σχήμα 58), από την υγρασία του περιβάλλοντος και από τον τρόπο συντήρησης του τσιμέντου ( Σχήμα 59). Σχήμα 58 Η συστολή ξήρανσης του τσιμέντου σε συνάρτηση με το συντελεστή w 54 Σχήμα 59 Επίδραση του τρόπου συντήρησης στη συστολή ξήρανσης και στη διαστολή ύγρανσης του τσιμέντου Κατά την πρώτη ξήρανση του τσιμεντολιθώματος, όταν αυτή είναι πολύ έντονη, η τιμή της συστολής είναι δυνατόν να φτάσει τα 10 mm/m. Μετά όμως την ύγρανση και την εκ νέου ξήρανση η τιμή της κυμαίνεται μεταξύ 3 και 4 mm/m. Η διαστολή του τσιμεντολιθώματος, το οποίο συντηρείται συνεχώς μέσα στο νερό, είναι το πολύ 1 mm/m και είναι σαφώς μικρότερη από τη συστολή. 2.6.12 ΤΑΣΗ ΓΙΑ ΡΗΓΜΑΤΩΣΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Η τάση για ρηγμάτωση οφείλεται κυρίως στο μέγεθος της συστολής, αλλά και στη χρονική εξέλιξή της, στη μη δυνατότητα ελεύθερης συστολής, στο μέτρο ελαστικότητας, στον ερπυσμό, στη χαλάρωση και στην αντοχή σε εφελκυσμό. Στο Σχήμα 60 δίνεται η τάση για ρηγμάτωση διάφορων κονιαμάτων. Σχήμα 60 Τάση για ρηγμάτωση διάφορων κονιαμάτων 55 Το τσιμέντο Πόρτλαντ παρουσιάζει ρωγμές στις 12 ημέρες περίπου, όταν η συστολή ξήρανσης είναι 0,57 mm/m περίπου, ενώ το τσιμέντο που προέρχεται από πετρώματα πλούσια σε άργιλο παρουσιάζει ρωγμές στις 11 με 12 ώρες, όταν η συστολή ξήρανσης είναι 0,1 mm/m περίπου. 2.6.13 ΥΔΑΤΟΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Όταν ο συντελεστής νερού – τσιμέντου, w, είναι μικρότερος από 0,40, το σκληρυνθέν τσιμέντο είναι πρακτικά αδιαπέραστο από το νερό ( Σχήμα 61). Σχήμα 61 Η υδατοπερατότητα σε συνάρτηση με το συντελεστή w 2.6.14 ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΠΑΓΕΤΟ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Λόγω της μη υδατοπερατότητας του τσιμέντου για w < 0,40, το τσιμέντο παρουσιάζει αυξημένη αντοχή σε παγετό. 2.6.15 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ α. Η περιεκτικότητα του τσιμέντου σε MgO δεν πρέπει να ξεπερνά το 6% και του SO3 το 3,5 %, όταν όμως η ειδική επιφάνεια είναι μεγαλύτερη από 4000 cm2/g το SO3 επιτρέπεται να φτάνει μέχρι 4%. β. Η απώλεια πύρωσης του τσιμέντου δεν πρέπει να ξεπερνά το 5% . γ. Το αδιάλυτο υπόλειμμα του τσιμέντου πόρτλαντ δεν πρέπει να ξεπερνά το 3%, του ανθεκτικού στα θειικά το 1,5%, του τσιμέντου πόρτλαντ με ποζολάνη το 20% και του ποζολανικού το 40%. δ. Η λεπτότητα άλεσης του τσιμέντου πρέπει να είναι τέτοια, ώστε το υπόλειμμα στο κόσκινο των 4.900 βρογχίδων να μην ξεπερνά το 10%. ε. Η ειδική επιφάνεια του τσιμέντου πρέπει να είναι τουλάχιστον 2.600 cm2/g. στ. Η πήξη του τσιμέντου πρέπει να αρχίζει όχι νωρίτερα από 1 h και να λήγει όχι αργότερα από 8 h από την προσθήκη νερού στο τσιμέντο κατά την παρασκευή του κανονικού πολτού. 56 ζ. Το τσιμέντο πρέπει να παρουσιάζει σταθερότητα όγκου. Η διόγκωσή του πρέπει να είναι μικρότερη από 10 mm. η. Δοκίμια από κονίαμα τσιμέντου με πρότυπη άμμο πρέπει να παρουσιάζουν, ανάλογα με την κατηγορία του τσιμέντου, τις αντοχές που δίνονται στον Πίνακα 3 (§ 2.6.3.2) 2.6.16 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Για τον έλεγχο της ποιότητας του τσιμέντου λαμβάνεται με κατάλληλη δειγματοληψία μια ποσότητα από το τσιμέντο που πρόκειται να ελεγχθεί, όχι μικρότερη από 8 Κg. Το δείγμα παρασκευάζεται σε θερμοκρασία 20 0C και σχετική υγρασία όχι μικρότερη από 65% και συντηρείται σε θερμοκρασία 20 0C και σχετική υγρασία όχι μικρότερη από 90%. 2.6.16.1 Προσδιορισμός της αντοχής σε κάμψη Παρασκευάζονται 3 δοκίμια διαστάσεων 160 x 40 x 40 mm από 1 μέρος τσιμέντου, 3 μέρη τελείως στεγνής πρότυπης άμμου και μισό μέρος νερού. Τα υλικά αναμιγνύονται με ειδικό αναμικτήρα. Το μίγμα τοποθετείται σε καλούπια από σκληρό χάλυβα και συμπυκνώνεται με κρούση. Τα δοκίμια ελέγχονται σε ειδική συσκευή για τον προσδιορισμό της αντοχής σε κάμψη. 2.6.16.2 Προσδιορισμός της αντοχής σε θλίψη Τα μισά πρίσματα που προκύπτουν από τη δοκιμασία σε κάμψη, και τα οποία συντηρούνται σε υγρό περιβάλλον, ελέγχονται σε ειδική συσκευή για τον προσδιορισμό της αντοχής σε θλίψη. 2.6.16.3 Προσδιορισμός του χρόνου πήξης του τσιμέντου Ο χρόνος πήξης του τσιμέντου προσδιορίζεται με τη συσκευή Vicat σε δοκίμια από κανονικό τσιμεντοπολτό. Η συσκευή Vicat αποτελείται από ένα πλαίσιο που φέρει δύο δακτύλιους, μέσα στους οποίους κινείται χωρίς τριβή ένας χαλύβδινος κύλινδρος. Στο κάτω άκρο του κυλίνδρου είναι δυνατόν να προσαρμόζονται έμβολα και βελόνες διάφορων μεγεθών. Στο κάτω μέρος η συσκευή φέρει γυάλινη πλάκα, στην οποία τοποθετείται κολουροκωνικός δακτύλιος γεμάτος με το δείγμα που πρόκειται να ελεγχθεί (Σχήμα 48). Κανονικός τσιμεντοπολτός ονομάζεται ο τσιμεντοπολτός, ο οποίος παρασκευάζεται με τέτοια αναλογία τσιμέντου – νερού , ώστε κατά τον έλεγχο του δοκιμίου με τη συσκευή Vicat το έμβολο κανονικής συνεκτικότητας, που εισέρχεται στη μάζα του μετά από κατάλληλη διαδικασία, να απέχει από την πλάκα στήριξης 6 mm. Το έμβολο κανονικής συνεκτικότητας είναι μεταλλικός κύλινδρος με μήκος 50 mm και διάμετρο 10 mm. Κατά τη δοκιμασία αυτή το κινητό μέρος της συσκευής Vicat πρέπει να έχει ολικό βάρος 300 g. Χρόνος αρχής της πήξης είναι ο χρόνος που πέρασε από την παρασκευή του τσιμεντοπολτού μέχρι τη στιγμή που το άκρο της ειδικής βελόνας στη συσκευή Vicat απέχει 5 mm από την πλάκα στήριξης. Η βελόνα που χρησιμοποιείται είναι χαλύβδινος κύλινδρος που έχει μήκος 50 mm και διατομή 1 mm2. Μετά τη δοκιμή για την αρχή της πήξης αναποδογυρίζεται ο κολουροκωνικός δακτύλιος με τον τσιμεντοπολτό πάνω στην πλάκα στήριξής του και οι δοκιμές για το τέλος της πήξης γίνονται στη νέα άνω επιφάνεια του τσιμεντοπολτού. 57 Χρόνος τέλους της πήξης είναι ο χρόνος που πέρασε από την παρασκευή του τσιμεντοπολτού μέχρι τη στιγμή όπου το άκρο της ειδικής βελόνας βυθίζεται στο τσιμεντοπολτό κατά 0,5 mm. Η βελόνα, η οποία χρησιμοποιείται, είναι όπως ακριβώς εκείνη για τον προσδιορισμό της αρχής της πήξης, με τη διαφορά ότι στο κάτω τμήμα της είναι προσαρμοσμένος δακτύλιος για την εύκολη και σωστή παρατήρηση μικρών βυθίσεων της βελόνας. 2.6.16.4 Προσδιορισμός της ογκοσταθερότητας του τσιμέντου Ο προσδιορισμός της ογκοσταθερότητας του τσιμέντου γίνεται με την τοποθέτηση δείγματος από κανονικό τσιμεντοπολτό σε ειδική συσκευή (δακτύλιος Le Chatelier). Τα δοκίμια τοποθετούνται σε νερό θερμοκρασίας 200 C για 24 h και λαμβάνεται η πρώτη μέτρηση. Μετά διατηρούνται για 30 h σε θερμοκρασία βρασμού, στη συνέχεια αφήνονται να ψυχθούν στον αέρα στους 20 0C, οπότε λαμβάνεται η δεύτερη μέτρηση. Από τη σύγκριση των δύο μετρήσεων προσδιορίζεται η ογκοσταθερότητα του τσιμέντου. 2.6.16.5 Προσδιορισμός της λεπτότητας του τσιμέντου Η λεπτότητα του τσιμέντου προσδιορίζεται με τη βοήθεια της συσκευής Blaine, η οποία δίνει ουσιαστικά τη δυνατότητα διέλευσης καθορισμένης ποσότητας αέρα από στρώμα τσιμέντου με καθορισμένο πορώδες. Ο αριθμός και το μέγεθος των πόρων σε στρώμα τσιμέντου με ορισμένο πορώδες είναι συνάρτηση του μεγέθους των κόκκων του και καθορίζει την ταχύτητα ροής μέσα από το στρώμα αυτό. 2.6.16.6 Προσδιορισμός των ξένων υλών Προσδιορίζεται το είδος των ξένων υλών με χημική ανάλυση και μικροσκοπική εξέταση, καθώς και το ποσοστό περιεκτικότητας της καθεμιάς από αυτές στο τσιμέντο. 2.6.16.7 Προσδιορισμός της απώλειας πύρωσης του τσιμέντου Μέσα σε χωνευτήριο πλατίνας τοποθετείται 1 g δείγματος και πυρώνεται μέσα σε ηλεκτρικό φούρνο στους 925 0C περίπου. Ακολούθως, ψύχεται μέσα σε ξηραντήρα στη θερμοκρασία περιβάλλοντος και ζυγίζεται κάθε 5 min, μέχρις ότου σταθεροποιηθεί το βάρος του. Η απώλεια πύρωσης εκφράζεται % του αρχικού δείγματος. 2.6.16.8 Προσδιορισμός του αδιάλυτου υπολείμματος του τσιμέντου Το αδιάλυτο υπόλειμμα προσδιορίζεται στο εργαστήριο με ειδική διαδικασία κατά την οποία χρησιμοποιούνται χημικά αντιδραστήρια σε 1 g του δείγματος και το αποτέλεσμα εκφράζεται % του αρχικού δείγματος. 2.6.16.9 Προσδιορισμός της περιεκτικότητας σε SiO2, CαΟ, ΜgO, Fe2O3, Al2O3, SO3 και άλλα οξείδια του τύπου R2O3 O προσδιορισμός της περιεκτικότητας του τσιμέντου σε κάθε ένα από τα οξείδια αυτά γίνεται στο εργαστήριο με ειδική διαδικασία κατά την οποία χρησιμοποιούνται κατάλληλα χημικά αντιδραστήρια για κάθε οξείδιο και το αποτέλεσμα εκφράζεται % του αρχικού δείγματος σε κάθε περίπτωση. 2.6.16.10 Δοκιμή ποζολανικότητας για το ποζολανικό τσιμέντο Συγκρίνεται η ποσότητα Cα(ΟΗ)2 της υγρής φάσης του ενυδατωμένου τσιμέντου με την ποσότητα Cα(ΟΗ)2 κορεσμένου διαλύματος της ίδιας αλκαλικότητας και πρέπει η συγκέντρωση Cα(ΟΗ)2 στην υγρή φάση του ποζολανικού τσιμέντου να είναι μικρότερη της συγκέντρωσης κορεσμού. 2.6.17 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Το τσιμέντο λόγω των έντονων υδραυλικών ιδιοτήτων του και των υψηλών αντοχών του χρησιμοποιείται ευρύτατα. 58 Από τσιμέντο παρασκευάζονται κονιάματα και σκυροδέματα, τα οποία χρησιμοποιούνται σε κατασκευές τόσο στο περιβάλλον όσο και μέσα στο νερό. Επίσης, από τσιμέντο κατασκευάζονται τσιμεντόπλακες, τσιμεντόλιθοι, τσιμεντοκολώνες, τσιμεντοσωλήνες που χρησιμοποιούνται σε διάφορα έργα, καθώς και κυβόλιθοι για έργα μέσα στη θάλασσα. Επειδή το τσιμέντο προσκολλάται στερεά στο σίδηρο, λέβητες και σωλήνες κατασκευασμένοι από σίδηρο καλύπτονται με στρώμα τσιμέντου για προστασία από την οξείδωση. Επίσης, επειδή ο χάλυβας έχει τον ίδιο συντελεστή θερμικής διαστολής με το τσιμέντο, τοποθετείται σε σκυροδέματα με τη μορφή βέργας ή πλέγματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των αντοχών του, γιατί το τσιμέντο και ο χάλυβας συμφύονται στερεά και διαστέλλονται ομοιόμορφα. 59 3. ΑΔΡΑΝΗ ΥΛΙΚΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Τα αδρανή είναι υλικά ,τα οποία προέρχονται από τη φυσική αποσάθρωση ή την τεχνητή θραύση των πετρωμάτων, καθώς και διάφορα υλικά, όπως σκουριές από υψικάμινους, βιομηχανικά παραπροϊόντα κ.ά. Αποτελούνται από συμπαγείς κόκκους του ίδιου ή διαφορετικού μεγέθους. Τα πετρώματα, από τα οποία προέρχονται τα θραυστά αδρανή για την παρασκευή του σκυροδέματος, πρέπει να παρουσιάζουν ανθεκτικότητα και σταθερότητα στο χρόνο και η συμβατική αντοχή τους πρέπει να είναι μεταξύ 45÷65 ΜΡα. Δηλαδή, τα πετρώματα αυτά πρέπει να είναι άριστης ποιότητας, γιατί από αυτά εξαρτάται η τελική αντοχή των δομικών έργων στις στατικές καταπονήσεις και στις επιδράσεις του περιβάλλοντος και των χημικών ουσιών. 3.2 ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα αδρανή υλικά, τα οποία προέρχονται από τα πετρώματα, διακρίνονται σε συλλεκτά και σε θραυστά αδρανή. 3.2.1 ΣΥΛΛΕΚΤΑ ΑΔΡΑΝΗ ΥΛΙΚΑ Συλλεκτά είναι τα αδρανή που δημιουργούνται από τη φυσική αποσάθρωση των πετρωμάτων, η οποία οφείλεται στις μεταβολές διάφορων καιρικών συνθηκών, όπως η θερμοκρασία, η υγρασία, ο αέρας, η δημιουργία παγετού κ.ά. Τα αδρανή αυτά προέρχονται συνήθως από πετρώματα μειωμένης αντοχής και με τη μορφή χαλικιών και άμμου συλλέγονται στις όχθες των λιμνών και των ποταμών, καθώς και στις παραθαλάσσιες περιοχές. 3.2.2 ΘΡΑΥΣΤΑ ΑΔΡΑΝΗ ΥΛΙΚΑ Τα θραυστά αδρανή λαμβάνονται από τη θραύση των πετρωμάτων με τεχνητό τρόπο. Μια ποσότητα λαμβάνεται από τα λιθοσυντρίμματα, όπως ονομάζονται τα μεγάλα κομμάτια που προέρχονται από τη φυσική αποσάθρωση των πετρωμάτων με διάμετρο μεγαλύτερη από 63 mm. Τα λιθοσυντρίμματα ρίχνονται σε τριβεία άμμου και αφού κοσκινιστούν με τη σειρά των πρότυπων κοσκίνων λαμβάνεται η άμμος δόμησης ( Σχήμα 62), η οποία είναι προφανώς μειωμένης αντοχής. Τα θραυστά υλικά, όμως, λαμβάνονται συνήθως από τα πετρώματα που κόβονται στα λατομεία με τη βοήθεια σπαστήρων.Τα κομμάτια ρίχνονται σε τριβεία άμμου και σε θραυστήρες πετρωμάτων και λαμβάνονται οι διάφορες κατηγορίες αδρανών από την πρωτοβάθμια θραύση. Τα κομμάτια με διαστάσεις μεγαλύτερες από 63 mm ξαναρίχνονται σε τριβεία και σε θραυστήρες και λαμβάνονται τα αδρανή υλικά από τη δευτεροβάθμια θραύση, τα οποία είναι αυξημένης αντοχής (Σχήμα 62). 60 Σχήμα 62 Διαδικασία παραγωγής θραυστών αδρανών υλικών H άμμος των συλλεκτών αδρανών, όπως και αυτή που προέρχεται από την πρωτοβάθμια θραύση, ονομάζεται άμμος δόμησης και χρησιμοποιείται στην παρασκευή επιχρισμάτων και στη δόμηση λιθοδομών και οπτόπλινθων. Η άμμος της δευτεροβάθμιας θραύσης χρησιμοποιείται στην παρασκευή κονιαμάτων γύψου, ασβέστου και τσιμέντου, όπως και τεχνητών λίθων. Τα χονδρόκοκκα συλλεκτά αδρανή, όπως και το γαρμπίλι και τα σκύρα της πρωτοβάθμιας θραύσης, χρησιμοποιούνται στην κατασκευή κρασπέδων και στην υποδομή για την κατασκευή δρόμων. Το γαρμπίλι και τα σκύρα της δευτεροβάθμιας θραύσης χρησιμοποιούνται στην παρασκευή σκυροδεμάτων και στην κατασκευή οδοστρωμάτων. 61 3.3 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΩΝ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΤΟΥΣ Τα αδρανή υλικά, ανάλογα με το μέγεθος των κόκκων τους, διακρίνονται σε άμμο, γαρμπίλι και σκύρα. Το αδρανές υλικό, το οποίο περιλαμβάνει κόκκους όλων των μεγεθών ονομάζεται αμμοχάλικο. α. Άμμος Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται τα αδρανή που η διάμετρος των κόκκων τους,d, ικανοποιεί τη σχέση 0 ≤ d < 8 mm και συμβολίζονται με (0/8). Το τμήμα των αδρανών, το οποίο αποτελείται από τους πιο λεπτούς κόκκους του υλικού και διέρχεται από το αμερικάνικο πρότυπο κόσκινο Νο 200, που έχει διάμετρο 0,75 mm, ονομάζεται παιπάλη, ενώ το τμήμα των αδρανών, που η διάμετρος των κόκκων τους ικανοποιεί τη σχέση 4 ≤ d < 8 mm και συμβολίζονται με (4/8), ονομάζεται ρυζάκι. β. Γαρμπίλι Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται τα αδρανή που η διάμετρος των κόκκων τους ικανοποιεί τη σχέση 8 ≤ d