ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ Διαπερατό σκυρόδεμα (Pervious Concrete) Σπύρος Λυκούδης, Γεωλόγος 1. Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια υπάρχει μία ολοένα αυξανόμενη τάση, οι κατασκευές να χρησιμοποιούν υλικά και μεθόδους που είναι όσο το δυνατόν φιλικότερα στο περιβάλλον. Έτσι μπορούμε να τα κατατάξουμε (ενδεικτικά) σαν σκυροδέματα τα οποία: • Έχουν σαν συστατικά τους ανακτημένα αδρανή. • Χρησιμοποιούν νερό που προέρχεται από ανακύκλωση. • Χρησιμοποιούν τσιμέντο με λιγότερες εκπομπές (CO2). • Χρησιμοποιούν σαν Πρόσμικτα Υλικά, παραπροϊόντα της Βιομηχανίας. • Απαιτούν για την παραγωγή μικρότερη κατανάλωση ενέργειας. • Συμβάλλουν στην διάχυση του φωτός (μικρότερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας). • Κατά τη διάστρωσή τους, παράγεται ο μικρότερος δυνατός θόρυβος. • Συμβάλλουν στην ορθή διαχείριση των όμβριων υδάτων. Στην τελευταία κατηγορία, μπορούμε να κατατάξουμε το Διαπερατό Σκυρόδεμα (Pervious Concrete). Με τον όρο Διαπερατό Σκυρόδεμα, περιγράφεται ένα σκυρόδεμα ανοικτής διαβάθμισης, συνήθως μηδενικής κάθισης, που αποτελείται από τσιμέντο, χοντρόκοκκα αδρανή, λίγα ή καθόλου λεπτόκοκκα αδρανή, πρόσμικτα και νερό. Ο συνδυασμός των υλικών αυτών, παράγει ένα υλικό που στη συγκεκριμένη μορφή έχει συνεχό1 BUILDNET μενο πορώδες, το οποίο επιτρέπει την εύκολη ροή του νερού. Αυτό φαίνεται σχηματικά στο ακόλουθο Σχήμα 1. Η όψη του σε σκληρυμένη μορφή φαίνεται στις Φώτο 1, 3, 6. Σχήμα 1: Κίνηση του νερού μέσα στο Διαπερατό Σκυρόδεμα Φώτο 1: Διαπερατό Σκυρόδεμα Το ποσοστό των κενών, μπορεί να κυμανθεί από 15-50%, ιδιότητα η οποία είναι απόλυτα συνδεδεμένη με την υδατοπερατότητα (από 80-730 lit/min/ m2). Λόγω της υψηλής διαπερατότητας, το Σκυρόδεμα αυτό επιτρέπει την ομαλή κατείσδυση των όμβριων υδάτων. ΗΥπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των Ηνωμένων Πολιτειών (United States Environmental Protection Agency - EPA), αποδέχεται την χρήση των Διαπερατών Σκυροδεμάτων, σαν την καλύτερη “πρακτική διαχείριση” των ρυπαντικών ουσιών που παράγονται σε parking αυτοκινήτων. Οι ουσίες αυτές (συνήθως λάδια, υγρά με υδρογονάνθρακες) απορρέουν συνήθως σε ποτάμια και ρέματα. Η ανοικτή δομή (open graded) του Διαπερατού Σκυροδέματος, παρέχει το μέσο για τη δημιουργία αεροβικών βακτηρίων, τα οποία μπορούν να διασπάσουν έως και το 90% των ρύπων που απορρέουν μέσα από τη μάζα τους. Οι πλάκες από Διαπερατό Σκυρόδεμα, συνεισφέρουν επίσης στην βελτίωση της ποιότητας του αέρα, υποβαθμίζοντας την ατμοσφαιρική θερμότητα γύρω τους μέσω του ανοικτότερου χρώματος και της χαμηλότερης πυκνότητας που διαθέτουν. Με τον τρόπο αυτό μειώνεται αισθητά η δημιουργία “νησίδων θέρμανσης” (heat islands). Οι νησίδες θέρμανσης παρουσιάζονται, όταν δενδρόφυτη περιοχή αντικαθίσταται από σκουρόχρωμες επιφάνειες- συνήθως από ασφαλτικά υλικά και ανεβάζουν τη θερμοκρασία στην περιοχή τους, περίπου 12ºC σε σχέση με την δενδρόφυτη περιοχή. Έχει παρατηρηθεί επίσης, ότι οι νησίδες θέρμανσης ανεβάζουν την παραγωγή του όζοντος του εδάφους σε ποσοστό περίπου 3%. Οι επιφάνειες από Σκυρόδεμα (Δι- ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ απερατές και Συμβατικές), έχουν πολύ μεγαλύτερη φωτοανάκλαση από τις συνήθεις επιφάνειες που κατασκευάζονται από ασφαλτικά σκυροδέματα. Πολύ σύντομα, αναμένονται προδιαγραφές που απαιτούν ελάχιστη φωτοανάκλαση από τις επιφάνειες, προκειμένου να πραγματοποιείται οικονομία στον φωτισμό. Έρευνες έχουν δείξει ότι είναι εφικτό με τον τύπο αυτό της επιφάνειας, να πραγματοποιείται οικονομία σε έξοδα φωτισμού, έως 30%. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό από το Διαπερατό Σκυρόδεμα, γίνεται ευκολότερη και οικονομικότερη η διαδικασία της στράγγισης των όμβριων υδάτων. Ως εκ τούτου, τα Διαπερατά Σκυροδέματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε: • Χώρους Στάθμευσης Οχημάτων (Parking Lots). Χώροι στάθμευσης στην Αμερική, κατασκευάζονται με την μέθοδο αυτή από το 1970 (συνηθισμένα πάχη 12,5-25cm). • Σταθερά στραγγιστήρια (π.χ. σήραγγες). • Τοίχους όπου απαιτείται καλύτερη θερμομόνωση. Στην περίπτωση αυτή, με χρήση σπόρων, επιτυγχάνεται το “φυτευτό” σκυρόδεμα (sowed concrete, Φώτο 2- Greenhouses). • Δεξαμενές, “Γούρνες” Καθαρισμού Λυμμάτων. • Δάπεδα θερμοκηπίων, προκειμένου το δάπεδο να είναι ελεύθερο νερών. • Επενδύσεις τοιχωμάτων για υδρογεωτρήσεις κ.ά. • Οδοστρώματα (αγροτική οδοποιΐα), σε περιοχή με έντονες βροχοπτώσεις. • Ασπίδες Ήχου: Τα διαπερατά σκυροδέματα, τείνουν να απορροφούν τον ήχο και να τον διαχέουν στο υλικό, παρά να τον αντανακλούν. Διαπερατό σκυρόδεμα (Pervious Concrete) Φώτο 3: Διαπερατό Σκυρόδεμα. Φώτο 2: Greenhouses. 2. Υλικά – Μελέτη Σύνθεσης. Χαρακτηριστικό των διαπερατών σκυροδεμάτων, είναι η χρήση μονόκοκκων, σχεδόν ομοιόμορφων αδρανών. Η πάστα (τσιμέντο+άμμος+νερό), σχηματίζει ένα λεπτό στρώμα γύρω από τα χοντρόκοκκα αδρανή, το οποίο ερχόμενο σε επαφή με το υμένιο του γειτονικού του, παρέχει την αντοχή του σκυροδέματος. Η διάταξη αυτή (πάστα+μονόκοκκα αδρανή), παράγει μεγάλα κενά ανάμεσα στα χονδρά αδρανή, τα οποία επιτρέπουν στο νερό να διαρρέει. Στο συμβατικό σκυρόδεμα όπου ακολουθείται η καμπύλη μίξης “κλειστού τύπου” (σχεδόν ισοδύναμη της καμπύλης Fuller), το πορώδες είναι εξαιρετικά μικρότερο (βλέπε Σχ. 1). Το διαπερατό σκυ- ρόδεμα είναι ένας τύπος πορώδους σκυροδέματος όπου το πορώδες δεν βρίσκεται στα αδρανή σε σχέση με τα ελαφροβαρή σκυροδέματα, αλλά μέσα στη δομή του σκυροδέματος. Χαρακτηριστική είναι επίσης η συνδεδεμένη μορφή του πορώδους. Για την παρασκευή των Διαπερατών Σκυροδεμάτων, χρησιμοποιούνται τα ίδια υλικά, όπως και στα Συμβατικά Σκυροδέματα. Τα αδρανή μπορεί να είναι θραυστά ή φυσικά. Όλοι οι τύποι τσιμέντων μπορούν να χρησιμοποιηθούν, ανάλογα με τις συνθήκες έκθεσης. Μία αρχική προσέγγιση της σύνθεσης, φαίνεται στον ακόλουθο Πίνακα 1 (πρόταση NRMCA 2004). BUILDNET 2 ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ Πίνακας 1. Υλικό Ενδεικτική Ποσότητα (kgr/ m3) Περιεκτικότητα σε τσιμέντο 178-376 Χοντρόκοκκα αδρανή 1426-1604 Λεπτόκοκκα αδρανή 0 Λόγος νερού προς τσιμέντο 0.27-0.43 3. Ιδιότητες. Η βασική ιδιότητα του Διαπερατού Σκυροδέματος, είναι η Υδατοπερατότητά του. Πάνω σε αυτή την ιδιότητα, στηρίζεται η Μελέτη Σύνθεσης (επιθυμητή τιμή ≈15%). Ο τύπος του τσιμέντου, η ποσότητα του τσιμέντου και ο ενεργός λόγος νερού-τσιμέντου, είναι τα στοιχεία που προσδίδουν στο μίγμα τα μηχανικά χαρακτηριστικά του. Στο ακόλουθο Σχήμα φαίνεται η σχηματική διάταξη με την οποία μετράται σε εργαστηριακό επίπεδο η διαπερατότητα του Διαπερατού Σκυροδέματος. Η Διαπερατότητα εξαρτάται κυρίως από την κοκκομετρική καμπύλη του μίγματος. Προκειμένου να έχουμε ένδειξη του μέτρου Διαπερατότητας, πραγματοποιούμε έλεγχο σε εργαστηριακό δείγμα. Ο συντελεστής διαπερατότητας Κ, υπολογίζεται σύμφωνα με τον νόμο του Darcy: K = {(A1 × l) / (A2 × l)} × log (h2/ h1), όπου, K =συντελεστής διαπερατότηας l = μήκος του δείγματος A1 = εγκάρσια τομή του σωλήνα A2 = εγκάρσια τομή του δείγματος h1 = αρχική στάθμη νερού h2 = τελική στάθμη νερού Σημειώνεται εδώ ότι το υλικό έχει σχεδόν μηδενική κάθιση (zero slump concrete, Φώτο 2), γεγονός απαραίτητο για τη σωστή δημιουργία της δομής του. Σε περίπτωση που το σκυρόδεμα είναι υδαρότερο, μεγάλο μέρος του πορώδους μειώνεται και σε αντίθετη περίπτωση (ύφυγρο σκυρόδεμα), δεν επέρχεται επαρκής συνοχή μεταξύ των κόκκων. Ένας πρακτικός κανόνας, δείχνει ότι το υλικό βρίσκεται στην κατάλληλη εργασιμότητα όταν πλάθονται σβώλοι με το χέρι. Για ακριβέστερες μετρήσεις, συνιστάται η συσκευή Vebe (βλέπε Φώτο 3). Σχ. 3 Διαπερατρόμετρο μεταβαλλόμενης στάθμης. Φώτο 3: Συσκευή Vebe. 3 BUILDNET Φώτο 2: Δοκιμή Κάθισης Οι θλιπτικές αντοχές είνα ι ανάλογες του λόγου w/c, του φαινόμενου βάρους και του ποσοστού αέρα. Ενδεικτικά αναφέρονται αντοχές από 3 έως 30ΜPa. Συνιστάται τα κυβικά δοκίμια ακμής 150mm να “καπελώνονται” πριν από τη θραύση, προκειμένου να πραγματοποιείται η δοκιμή σωστά. Όσον αφορά την ανθεκτικότητα στο χρόνο (Durability), του Διαπερατού Σκυροδέματος, χρειάζεται περαιτέρω έρευνα. Η χρήση αερακτικών πρόσθετων βελτιώνει την ανθεκτικότητά του σε συνθήκες ψύξης-απόψυξης. Επίσης η χρήση κατάλληλου τσιμέντου και χαμηλού λόγου νερού/τσιμέντου, μπορούν να λειτουργήσουν αποτρεπτικά στη διείσδυση των χλωριόντων. Η αντοχή σε απότριψη του Διαπερατού Σκυροδέματος είναι πολύ σημαντική ιδιότητα του, προκειμένου να είναι λειτουργικό στη διάρκεια της ζωής του. Η αντοχή σε απότριψη είναι μέτρο της ικανότητας της επιφανειακής στρώσης, να αντιστέκεται σε κατακόρυφες και επιφανειακές δυνάμεις τριβής (Βλέπε Σχ. 4). Η αντοχή σε απότριψη εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Ενδεικτικά αναφέρονται: θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος , Διαπερατό σκυρόδεμα (Pervious Concrete) ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ ποιότητα της πάστας (ύπαρξη πρόσμικτων υλικών όπως πυριτική παιπάλη, ιπτάμενη τέφρα κ.α), λόγος νερού τσιμέντου, κενά, χαρακτηριστικά αδρανών, συνάφεια πάστας – αδρανών, ύπαρξη ή όχι επιφανειακών ρωγμών, θερμοκρασία, συνθήκες συντήρησης. Σε γενικές γραμμές θλιπτική αντοχή και αντοχή σε απότριψη είναι ανάλογα μεγέθη , αλλά όχι απόλυτα. Εξαιρετικά σημαντικό είναι η αντοχή της πάστας να είναι παρόμοια με την αντοχή των αδρανών. Φώτο 3: Συσκευή Vebe. 1, 2 = Ήπια Απότριψη 3, 4 = Έντονη Απότριψη Ένα ενδεχόμενο πρόβλημα που μπορεί να παρατηρηθεί στη χρήση των Διαπερατών Σκυροδεμάτων, είναι η Απόφραξη “Clogging”. Συνήθως τα νερά της βροχής παρασύρουν χώματα, τα οποία κλείνουν τους πόρους του Διαπερατού Σκυροδέματος και προκαλούν απόφραξη. Επίσης, φυτά τα οποία μπορούν να αναπτυχθούν πάνω σε αυτό, μπορούν να αποφράξουν το σκυρόδεμα με το σύστημα των ριζών τους. Η εμπειρία έχει δείξει ότι με συνήθη καθαρισμό και τακτικό καθάρισμα με σκούπα κενών, η διαπερατότητα χρήσης του σκυροδέματος είναι πολύ κοντά στην αρχική. Στον ακόλουθο Πίνακα, φαίνονται τα αποτελέσματα που προκαλούν οι διάφοροι μηχανισμοί καταπόνησης (Κύλιση, Ολίσθηση, Κρούση). 4. Σχεδιασμός - Κατασκευές Για τον προσδιορισμό του πάχους του Διαπερατού Σκυροδέματος, πρέπει να συνυπολογισθούν 2 βασικοί παράμετροι: το δομικό πάχος και τα υδραυλικά χαρακτη- Όσον αφορά τη φθορά, οι συντομεύσεις στον παραπάνω Πίνακα, σημαίνουν: R = Απότριψη Κύλισης S = Απότριψη Ολίσθησης I = Απότριψη από Κρούση ριστικά. Όσον αφορά το δομικό πάχος του Διαπερατού Σκυροδέματος, ακολουθείται η διαδικασία διαστασιολόγησης δύσκαμπτου οδοστρώματος (π.χ. ACI 330R για χώρους στάθμευσης ή ACI 325.1R Διαπερατό σκυρόδεμα (Pervious Concrete) για οδοστρώματα). Ανάλογα με τη χρήση, συνυπολογίζονται πέραν του πάχους της στρώσης του Διαπερατού Σκυροδέματος, τα χαρακτηριστικά του προφίλ του υποστρώματος, τα χαρακτηριστικά απορροής του Διαπερατού Σκυροδέματος και η ικανότητά του να αποθηκεύει νερό. Συνήθως το πάχος στρώσης του Διαπερατού Σκυροδέματος, κυμαίνεται μεταξύ 125mm και 150mm (για άοπλο σκυρόδεμα). Η δομή του Διαπερατού Σκυροδέματος, επιτρέπει όχι μόνο την κατακόρυφη κίνηση του νερού, αλλά και την οριζόντια. Και οι δύο κινήσεις, πρέπει να συνυπολογίζονται για τη δημιουργία τουπροφίλ απορροής. Η κατακόρυφη ροή του νερού, εξαρτάται επίσης από την Διαπερατότητα του υποστρώματος. Για την καλύτερη δυνατή απορροή, καλό είναι οι χώροι στάθμευσης των οχημάτων να κατασκευάζονται χωρίς κλίση. Αυτό επιτρέπει στο υπόστρωμα να πραγματοποιήσει την αποθήκευση και μεταφορά του νερού σε μεγαλύτερο χρόνο, γεγονός που μειώνει την οριζόντια κίνηση του νερού. Όταν οι συνθήκες δεν επιτρέπουν την κατασκευή επίπεδων στοιχείων πρέπει να προσφερθεί η κατασκευή εγκάρσιων “φραγμάτων”, κάθετα στην κίνηση της οριζόντιας ροής. Σχ. 5 Τυπική διατομή εφαρμογής διαπερατού σκυροδέματος σε χώρους στάθμευσης Η διάστρωση του Διαπερατού Σκυροδέματος είναι η συνήθης διάστρωση πλάκας με σκυρόδεμα χαμηλής κάθισης, κατευθείαν BUILDNET 4 ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ 5 από τη βαρέα εκφόρτωση. Συνήθως πραγματοποιείται επιφανειακή συμπύκνωση με μεταλλικό ρολό, προκειμένου να βελτιωθεί η επιφανειακή ομαλότητα (Βλέπε Φώτο 4). Αρμοί διαστολής κόβονται όπως και στο συμβατικό σκυρόδεμα, σε πάχος 1/3 ή 1/4 του πάχους της πλάκας. Το κόψιμο των αρμών μπορεί να πραγματοποιηθεί με τον συνήθη αρμοκόφτη σε σκληρυμένη μορφή ή με ειδικό εργαλείο αρμοκοπής, αμέσως μετά τη διάστρωση (Βλέπε Φώτο 5,6). Η συντήρηση είναι εξαιρετικά σημαντική, δεδομένου ότι η υφή του σκυροδέματος επιτρέπει την άμε- Φώτο 4: Διάστρωση. Φώτο 5: Αρμοκοπή BUILDNET ση ξήρανσή του. Μία ενδεχόμενη πρακτική λύση, είναι η κάλυψη της πλάκας με καθαρό φύλλο πολυαιθυλενίου. Εν κατακλείδι προκύπτει ότι το Διαπερατό Σκυρόδεμα μπορεί να συμβάλλει από κάθε άποψη, σε αυτό που ονομάζουμε Ορθή Περιβαλλοντική Διαχείριση. Φώτο 6: Χώρος Στάθμευσης από Διαπερατό Σκυρόδεμα. Διαπερατό σκυρόδεμα (Pervious Concrete)