ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ Δρ Αθ. Ρούτουλας Καθηγητής ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2011 ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΠΡΟΛΟΓΟΣ Με την συγγραφή των σημειώσεων αυτών ελπίζουμε να παρουσιάσουμε μια άποψη του Εργαστηριακού μέρους του μαθήματος «ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ», χρήσιμη τόσο στους σπουδαστές του Τμήματος Πολιτικών Δομικών Έργων του ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ όσο και στους σπουδαστές της Τριτοβάθμιας Εκπαίδευσης, που ειδικεύονται στις εφαρμογές των υλικών αυτών. Οι σημειώσεις καλύπτουν τις ακόλουθες ασκήσεις που εκτελούνται στο Εργαστήριο: ΕΝΟΤΗΤΑ 1η – ΧΑΛΥΒΕΣ ΟΠΛΙΣΜΟΥ 1. Οπτική μικροσκοπία - Σκληρομέτρηση μεταλλικών υλικών 2. Θερμική Ανάλυση – Διαγράμματα Φάσεων Κραμάτων 3. Εφελκυσμός χάλυβα οπλισμού ΕΝΟΤΗΤΑ 2η – ΑΔΡΑΝΗ ΥΛΙΚΑ 1. Γνωριμία και βαθμονόμηση εργαστηριακού εξοπλισμού Δειγματοληψία -Μείωση μεγέθους -διμερισμός / τετραμερισμός αδρανών - Προσδιορισμός της παιπάλης πλυσίματος και της υγρασίας αδρανών 2. Κοκκομετρική ανάλυση αδρανών υλικών 3. Προσδιορισμός ειδικού βάρους λεπτόκοκκων και χονδρόκοκκων αδρανών υλικών 4. Προσδιορισμός φαινομένου ειδικού βάρους χονδρόκοκκων αδρανών υλικών - Έλεγχος κυβικής χυτοσιδηράς μήτρας-Βαθμονόμηση συσκευών αεροπεριεκτικότητας ΕΝΟΤΗΤΑ 3η – ΤΣΙΜΕΝΤΑ – ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ 1. Σχεδιασμός μελέτης σύνθεσης σκυροδέματος σύμφωνα με ACI 211 2. Εργαστηριακός έλεγχος σκυροδέματος 3. Προσδιορισμός θλιπτικής αντοχής σκυροδέματος 4. Προσδιορισμός ελευθέρας ασβέστου κλίνκερ / τσιμέντου 5. Εύρεση αργιλικών προσμίξεων στην άμμο σκυροδέματος-Ισοδύναμο άμμου-Δοκιμή του μπλε του μεθυλενίου- Μέθοδος Stokes Το Περιεχόμενο του Δοκιμίου αυτού διαμορφώθηκε με την ουσιαστική συμβολή που παρείχαν, οι Επιστημονικοί και Εργαστηριακοί συνεργάτες του Εργαστηρίου, κ.κ. Κολοβός Κωνσταντίνος Μεντρέα Κάρμεν Νικολάου Νικόλαος Πανταζοπούλου Παρασκευή Χατζηγιάννης Χρήστος προς τους οποίους θεωρούμε απαραίτητο να εκφράσομε τις ευχαριστίες μας και επιπλέον στους κ.κ. Κ. Κολοβό και Π. Πανταζοπούλου και για την τελική εκπόνηση του κειμένου. Τέλος ευχαριστούμε εκ των προτέρων, για κάθε υπόδειξη, πρόταση ή αναφορά σε λάθη, σχετική με το περιεχόμενο των σημειώσεων αυτών, που θα συμβάλλει στην βελτίωσή των. Ο ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ -1- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής -2- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΕΝΟΤΗΤΑ 1η – ΧΑΛΥΒΕΣ -3- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής -4- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 1Α. ΟΠΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ 1.1. Εισαγωγή Τα μέταλλα είναι μια μεγάλη κατηγορία χημικών στοιχείων, που εμφανίζουν ορισμένες κοινές ιδιότητες, τον «μεταλλικό χαρακτήρα»: • Είναι στερεά (πλην Hg) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος • Έχουν υψηλή πυκνότητα • Είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού • Ανακλούν όλα τα μήκη κύματος, έχουν λευκό χρώμα (πλην Cu και Au) • Τα περισσότερα είναι μαγνητικά ως ένα βαθμό (Fe, Ni, Co) • Είναι ελατά (ελάσματα) και όλκιμα (σύρματα) • Έχουν καλή κατεργασιμότητα • Διαπερνώνται δύσκολα από τις ακτίνες Χ • Έχουν χαρακτηριστική μεταλλική λάμψη • Τα μέταλλα είναι ηλεκτροθετικά στοιχεία (έχουν δηλ. την τάση να χάνουν τα ηλεκτρόνια σθένους που διαθέτουν). Τα μέταλλα παράγονται, κυρίως, από τις διάφορες ενώσεις τους, οι οποίες βρίσκονται στη φύση με τη μορφή μεταλλευμάτων. Τα διάφορα μεταλλεύματα υποβάλλονται σε φρύξη μέσα σε ειδικές εγκαταστάσεις και ύστερα από κατάλληλη διεργασία λαμβάνονται τα αντίστοιχα καθαρά μέταλλα. Κράμα ονομάζεται κάθε μεταλλικό σώμα που προέρχεται από την ανάμιξη δύο ή περισσότερων χημικών στοιχείων, από τα οποία το ένα τουλάχιστον είναι μέταλλο (μέταλλο βάσης), ενώ το άλλο μπορεί να είναι επίσης μέταλλο ή αμέταλλο. Τα κράματα είναι τεχνικά υλικά, δηλαδή προορίζονται για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες της τεχνικής, παρουσιάζοντας βελτιωμένες ιδιότητες, οι οποίες εξαρτώνται από τα υλικά και τις αναλογίες ανάμιξης. Φάση στα κράματα ονομάζουμε ένα ομογενές κρυσταλλικό στερεό διάλυμα ή ένα ομογενές τήγμα (υγρό). Αποτελεί τμήμα ενός συστήματος και διαχωρίζεται από τα υπόλοιπα τμήματα του συστήματος από μια επιφάνεια. Στη συνήθη θερμοκρασία τα διάφορα κράματα αποτελούνται από μία ή περισσότερες φάσεις που ο αριθμός τους εξαρτάται κυρίως από τη σύσταση του κάθε κράματος. Οι κόκκοι είναι μικροί πολυεδρικοί όγκοι (κρύσταλλοι) από τους οποίους αποτελείται κάθε μέταλλο, μεγέθους από μερικά έως μερικές εκατοντάδες μικρά. Οι επιφάνειες που περιορίζουν τους κόκκους λέγονται όρια των κόκκων. 1.2. Η οπτική μικροσκοπία Η οπτική μικροσκοπία (ΟΜ) είναι μια πολύ σημαντική μέθοδος παρατήρησης και ερμηνείας της μικροδομής των υλικών, που αποτελεί το βασικό αντικείμενο της μεταλλογραφίας. Με το μικροσκόπιο, μικρά αντικείμενα, που με γυμνό μάτι είναι αόρατα (είναι δηλαδή μικρότερα του 0,1mm) γίνονται ορατά, οπότε μικρά αντικείμενα μεγέθους μέχρι 0,1μm=0,0001mm μπορούν να μελετηθούν. Με τη βοήθεια της ΟΜ είναι δυνατόν: • να εντοπιστούν ρωγμές, πόροι, εγκλείσματα ξένων ουσιών ή οξειδίων μέσα σε μέταλλα / κράματα, κεραμικά, πολυμερή υλικά. -5- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής • να προσδιοριστεί το είδος, το μέγεθος και το σχήμα των κόκκων ενός μετάλλου / κράματος καθώς και οι διάφορες φάσεις και η κατανομή τους και να γίνει εκτίμηση για το είδος των μηχανικών ή θερμικών διεργασιών στις οποίες έχει υποβληθεί ένα υλικό κατά την κατασκευή του. • να ελεγχθεί η καλή συγκόλληση μεταλλικών ελασμάτων ή αγωγών και να εντοπιστεί η πιθανή διάβρωση σε σημεία συγκόλλησης • να ελεγχθεί η σωστή επιμετάλλωση αγωγών, πλακετών, τυπωμένων κυκλωμάτων, ηλεκτρικών επαφών • να ελεγχθεί η λειτουργικότητα ή μη μικρών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων 1.3. Το οπτικό – μεταλλογραφικό μικροσκόπιο Το οπτικό – μεταλλογραφικό μικροσκόπιο χρησιμοποιεί το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που είναι ορατό, δηλαδή από 380 - 760 nm. Το προς μελέτη αντικείμενο (δοκίμιο), μετά από την κατάλληλη προετοιμασία, τοποθετείται πάνω στην τράπεζα του μικροσκοπίου. Με τους κοχλίες εστίασης, το μακρομετρικό για την ανεύρεση του αντικειμένου και το μικρομετρικό για τη βελτίωση της εικόνας, εντοπίζεται το τμήμα του δοκιμίου προς έλεγχο και εξετάζεται η επιφάνειά του σε ανακλώμενο φως. Μια δέσμη φωτός που προέρχεται από την πηγή φωτός, ανακλάται σε ένα ημιδιαφανές κάτοπτρο και μέσω του αντικειμενικού φακού συγκεκριμένης μεγέθυνσης Μ1 προσπίπτει στην επιφάνεια του δοκιμίου. Η ανακλώμενη ακτινοβολία, αφού περάσει και πάλι από τον αντικειμενικό φακό, σχηματίζει την εικόνα της μελετούμενης επιφάνειας (=είδωλο) μέσα από τον προσοφθάλμιο φακό μεγέθυνσης Μ2. Μεγέθυνση Μ ονομάζεται ο λόγος των μεγεθών ειδώλου προς αντικείμενο. Η συνολική μεγέθυνση της εικόνας είναι ίση με το γινόμενο των μεγεθύνσεων Μ1 και Μ2. Συνήθως χρησιμοποιείται ένας προσοφθάλμιος μεγέθυνσης Χ10 και διάφοροι αντικειμενικοί φακοί π.χ. Χ5, Χ10, οπότε η αντίστοιχη συνολική μεγέθυνση είναι Χ50 ή Χ100. Η φωτεινή ακτινοβολία κατά τη διαδρομή της περνάει μέσα από δύο διαφράγματα Δ1 και Δ2. Με το Δ1 καθορίζεται το μέγεθος της περιοχής της επιφάνειας του δοκιμίου που φωτίζεται, ενώ με το Δ2, το διάφραγμα πεδίου, ρυθμίζεται το άνοιγμα της φωτεινής δέσμης, ώστε το μέρος που εξετάζεται να φωτίζεται από ακτίνες που περνούν από το κεντρικό τμήμα του αντικειμενικού φακού που παρουσιάζει μικρότερα σφάλματα και επηρεάζεται λιγότερο από ανακλάσεις μέσα στο μικροσκόπιο. Σημαντική παράμετρος του μικροσκοπίου είναι η διακριτική ικανότητα του αντικειμενικού φακού, που εκφράζει την ελάχιστη απόσταση (dmin) μεταξύ δύο σημείων έτσι ώστε να είναι διακριτά με το μικροσκόπιο και δίδεται από τη σχέση: dmin = λ / (2·NΑ) όπου λ: μήκος κύματος του χρησιμοποιούμενου φωτός και ΝΑ: το αριθμητικό άνοιγμα του αντικειμενικού φακού, ένα μέτρο της ικανότητας του φακού να συγκεντρώνει φως, που ορίζεται ως: ΝΑ = η · ημθ όπου η: ο δείκτης διάθλασης του μέσου (αέρας ή λάδι) ανάμεσα στο δοκίμιο και τον φακό θ: είναι η μισή γωνία μεταξύ των ακραίων ακτινών φωτός οι οποίες εισέρχονται στον αντικειμενικό φακό. Εφόσον λοιπόν το φως που χρησιμοποιούν τα οπτικά μικροσκόπια συνήθως έχει ένα μέσο μήκος κύματος λ=500 nm και το αριθμητικό άνοιγμα (Α) ενός πολύ καλού φακού είναι 1.6, τότε η -6- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής διακριτική ικανότητα του οπτικού μικροσκοπίου δε μπορεί να ξεπεράσει τα d=200nm=0.2 μm και η "χρήσιμη μεγέθυνση" περίπου τη τιμή Χ 1600. Η διακριτική ικανότητα αυξάνεται είτε με ελάττωση του λ, είτε με αύξηση του η. Το πρώτο επιτυγχάνεται με χρήση πηγής υπεριώδους ακτινοβολίας και το δεύτερο με την παρεμβολή μεταξύ φακού και δοκιμίου ειδικού λαδιού (π.χ. κεδρέλαιο) που έχει δείκτη διάθλασης μεγαλύτερο της μονάδας (η=1.3). Τέλος, σημαντικό ρόλο παίζει το βάθος πεδίου, που καθορίζει το μέγιστο μήκος της τρίτης διάστασης του δείγματος (=βάθος) που παρέχει ευκρινές είδωλο. Η παράμετρος αυτή είναι αντιστρόφως ανάλογη του (ΝΑ)², δηλαδή ελαττώνεται όσο αυξάνει το αριθμητικό άνοιγμα. Αυτό σημαίνει ότι όταν χρησιμοποιείται μεγάλη μεγέθυνση, οπότε το άνοιγμα πεδίου αυξάνεται, το βάθος πεδίου μειώνεται και δεν είναι δυνατή μια ευκρινής εικόνα, ιδίως όταν υπάρχουν επιφανειακές ανωμαλίες. Σχήμα 1. Οι φακοί και η πορεία των φωτεινών ακτίνων στο οπτικό μικροσκόπιο. Σχήμα 2. Τα τμήματα ενός οπτικού μικροσκοπίου. 1.4. Προετοιμασία των δοκιμίων Πριν τη μελέτη ενός δοκιμίου με το οπτικό μικροσκόπιο πρέπει να ακολουθηθεί μια διαδικασία προετοιμασίας της επιφάνειάς του, η οποία σε πρώτη φάση εξαλείφει τις επιφανειακές ανωμαλίες και σε δεύτερη φάση αποκαλύπτει τα δομικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται το -7- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής υλικό. Σε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα έχει γίνει κοπή και γυάλισμα χωρίς μηχανική παραμόρφωση, δεν υπάρχουν γρατζουνιές ή υπολείμματα λεκέδων υγρού, διατηρούνται τα εγκλείσματα και τέλος είναι επίπεδο έτσι ώστε να επιτρέπεται η εξέταση σε μεγέθυνση. Τα κύρια στάδια προετοιμασίας είναι η κοπή, ο εγκιβωτισμός, η μηχανική λείανση, η στίλβωση και η χημική προσβολή, ενώ μπορεί να μεσολαβήσουν, ανάλογα με το προς εξέταση δείγμα, καθαρισμός και επιμετάλλωση. 1.4.1. Κοπή Με το οπτικό μικροσκόπιο παρατηρούνται συνήθως εγκάρσιες ή διαμήκεις τομές των προς εξέταση υλικών. Η καλύτερη τεχνική κοπής του χάλυβα είναι ο τροχός. Παρέχει επιφάνειες που είναι λείες, με ελάχιστη παραμόρφωση και δεν παρουσιάζονται αλλαγές στην δομή από υπερθέρμανση. Μεγάλη προσοχή πρέπει να δοθεί στην δύναμη κοπής, στην αφθονία του ψυκτικού υγρού και στην σταθερή συγκράτηση του δοκιμίου κατά την διάρκεια της κοπής, γιατί όλες οι παραπάνω παράμετροι επηρεάζουν την τελική δομή του υλικού. 1.4.2. Εγκιβωτισμός Αν το δοκίμιο είναι πολύ μικρών διαστάσεων και δεν δυνατόν να κρατηθεί, ακολουθεί ο εγκιβωτισμός του. Για τον εγκιβωτισμό του δοκιμίου επιλέγεται ένα υλικό που μπορεί να χυτευθεί, έτσι ώστε να μην επηρεασθεί η επιφάνεια του δοκιμίου από θερμότητα ή πίεση. Συνήθως χρησιμοποιούνται εποξικά υλικά. 1.4.3. Λείανση - Στίλβωση Ανεξαρτήτως της μεθόδου που θα χρησιμοποιηθεί για το κόψιμο του υλικού, η δομή της επιφάνειας έχει αλλοιωθεί σε κάποιο βαθμό. Το κατεστραμμένο στρώμα απομακρύνεται χρησιμοποιώντας σταδιακά λειαντικά χαρτιά (γυαλόχαρτα) με λεπτότερους λειαντικούς κόκκους. Για τα σιδηρούχα υλικά χρησιμοποιούμε χαρτιά καρβιδίου του πυριτίου(SiC). Τα γυαλόχαρτα τοποθετούνται πάνω στον περιστρεφόμενο δίσκο λειαντικής συσκευής, ενώ ταυτόχρονα κατά τη λείανση χρησιμοποιείται νερό, τόσο για την ψύξη του δοκιμίου, όσο και για την απομάκρυνση των υπολειμμάτων της λείανσης. Η λείανση ξεκινά με γυαλόχαρτα με μεγάλους κόκκους (π.χ. 180 grit) και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται γυαλόχαρτα με όλο και μικρότερους κόκκους (240, 320, 400 και 600 grit). (Ο τύπος του γυαλόχαρτου -λεπτόκοκκο ή χονδρόκοκκο- εκφράζεται με αριθμούς τυπωμένους στην πίσω όψη του χαρτιού, οι οποίοι μεταβάλλονται αντίστροφα ως προς το μέγεθος των κόκκων). Σε κάθε στάδιο λείανσης, όπου αλλάζει το λειαντικό χαρτί, η λείανση πρέπει να γίνεται σε κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση της προηγούμενης. Η πίεση του δοκιμίου πάνω στο περιστρεφόμενο λειαντικό χαρτί πρέπει να είναι ομοιόμορφη και ανάλογη με τη σκληρότητα του δοκιμίου. Η στίλβωση γίνεται με σκοπό την εξάλειψη των ιχνών (γραμμές) από τη μηχανική λείανση. Χρησιμοποιούνται υφάσματα (βελούδο, μετάξι) στερεωμένα στην περιστρεφόμενη βάση του λειαντικού τροχού που περιέχουν κόκκους διαμαντιού (πολύ λεπτής κοκκομετρίας 10 – 0.1 μm). Κατά την διάρκεια της στίλβωσης το ύφασμα ποτίζεται με κάποιο υγρό (για σιδηρούχα υλικά, μεθανόλη), τόσο για τη λίπανση του δοκιμίου όσο και για την ψύξη του. Για σιδηρούχα υλικά η -8- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής στίλβωση απαιτεί μικρό χρόνο, με σχετικά μεγάλη ασκούμενη δύναμη και μικρή περιστροφική ταχύτητα. 1.4.4. Χημική προσβολή Μερικές πληροφορίες μπορούν να συλλεχθούν από το γυαλισμένο δοκίμιο χωρίς χημική προσβολή, π.χ. χαρακτηριστικά με μεγάλες διαφορές στην σκληρότητα, οι οποίες προκαλούν τον σχηματισμό ανάγλυφης επιφάνειας ή η ύπαρξη ρωγμών, πόρων, οπών και μη μεταλλικών εγκλεισμάτων. Η χημική προσβολή όμως είναι απαραίτητη στην μεταλλογραφία, για την αποκάλυψη της μικροδομής ενός μετάλλου ή κράματος και την παρατήρηση του στο οπτικό μικροσκόπιο. Χρησιμοποιούνται κατάλληλα χημικά αντιδραστήρια, ανάλογα με το εξεταζόμενο υλικό, τα οποία αντιδρούν με τη μεταλλική επιφάνεια. Οι χρόνοι προσβολής ποικίλουν από μερικά δευτερόλεπτα έως μερικές ώρες, ενώ τις περισσότερες φορές η προσβολή γίνεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Με το τέλος της χημικής προσβολής, το δοκίμιο πρέπει να ξεπλένεται σε καθαρό νερό έτσι ώστε να απομακρυνθούν τα χημικά και να σταματήσει η αντίδραση, και κατόπιν να εξασφαλίζεται το στέγνωμα που εμποδίζει τη δημιουργία λεκέδων από το νερό. Στα μονοφασικά κράματα και τα καθαρά μέταλλα ένα διάλυμα μπορεί να προσβάλλει τα όρια των κόκκων, τα οποία φαίνονται σαν σκοτεινές γραμμές που περιβάλλουν τους κόκκους, ή επιλεκτικά να διαλύσει διαφορετικά προσανατολισμένους κόκκους. Το φως που πέφτει κάθετα στα επίπεδα των κόκκων θα αντανακλαστεί με διαφορετικές γωνίες, παράγοντας αντίθεση γκρι επιπέδων στους διαφορετικά προσανατολισμένους κόκκους. Οι κόκκοι που είναι κάθετοι στο προσπίπτων φως παρουσιάζονται φωτεινοί, ενώ αυτοί που σχηματίζουν γωνία σκοτεινοί. Επιπλέον οι ακαθαρσίες οι οποίες επικάθονται στα όρια των κόκκων μπορούν να βελτιώσουν αισθητά την απόδοση της προσβολής. Τέλος στην περίπτωση δοκιμίων κραμάτων, επειδή οι διαφορετικές φάσεις από τις οποίες συνήθως αποτελούνται, παρουσιάζουν διαφορετική χημική συμπεριφορά, αυτές αντιδρούν με διαφορετικό τρόπο με το χρησιμοποιούμενο αντιδραστήριο με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η διαφοροποίησή τους όταν παρατηρούμε το υλικό με το μικροσκόπιο (σχήμα 3). Σχήμα 3. Μικροσκοπική δομή μεταλλικών δοκιμίων. (α) δοκίμιο μετά από λείανση και στίλβωση. Δεν παρατηρούνται χαρακτηριστικά της μικροδομής του. (β) Το ίδιο δοκίμιο μετά από -9- ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής χημική προσβολή των ορίων των κόκκων. Τα όρια εμφανίζονται σαν σκούρες γραμμές, λόγω μερικής ανάκλασης του φωτός στα σημεία αυτά. (γ) Διαφοροποίηση των κόκκων μετά από περαιτέρω χημική προσβολή. Ακτίνες που αντανακλώνται κάθετα προς το δείγμα δείχνουν την περιοχή φωτεινή, ενώ ακτίνες που αντανακλώνται πλάγια δείχνουν την περιοχή σκοτεινή. Σκοτεινές και φωτεινές περιοχές μας δίνουν στοιχεία για το ανάγλυφο του δείγματος. 1.5. 1. 2. 3. Πειραματικό μέρος Βαθμονόμηση του μικροσκοπίου Προετοιμασία μεταλλικών δοκιμίων Εκτίμηση δομής μεταλλικού δοκιμίου χάλυβα κατά ASTM 1.5.1. Όργανα και Υλικά Μεταλλογραφικό Μικροσκόπιο Leitz (αντικειμενικοί φακοί διαφόρων μεγεθύνσεων, πρότυπα κλίμακα μέτρησης) Ηλεκτρονικός Υπολογιστής Λειαντικός τροχός Σειρά γυαλόχαρτων Στιλβωτικά υλικά Αντιδραστήρια χημικής προσβολής 1.5.2. Βαθμονόμηση μικροσκοπίου Για την πραγματοποίηση μετρήσεων με το οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο, χρησιμοποιείται κλίμακα (προσοφθάλμια κλίμακα) η οποία προσαρμόζεται στον προσοφθάλμιο φακό. Πριν από την μέτρηση είναι απαραίτητο να γίνει βαθμονόμηση της κλίμακας αυτής, δηλαδή αντιστοίχιση των υποδιαιρέσεών της με πραγματικά μm ή mm της παρατηρούμενης επιφάνειας. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται «πρότυπες κλίμακες» οι οποίες τοποθετούνται στην ειδική υποδοχή παρατήρησης του μικροσκοπίου. Για κάθε τέτοια κλίμακα δίδεται από την κατασκευάστρια εταιρεία η απόσταση σε μm ή mm μεταξύ δύο διαδοχικών διαβαθμίσεών της. Παρατηρώντας την κλίμακα αυτή με το μικροσκόπιο, φαίνεται ότι ανάλογα με την χρησιμοποιούμενη κάθε φορά μεγέθυνση η εικόνα της μεταβάλλεται. Όμως η πραγματική απόσταση μεταξύ δυο διαδοχικών υποδιαιρέσεών της παραμένει πάντα η ίδια. Αντίθετα η εικόνα της προσοφθάλμιας κλίμακας δεν υφίσταται καμία μεγέθυνση ή αλλαγή, επειδή παρεμβάλλεται στο τέλος της πορείας της φωτεινής δέσμης. Παρατηρώντας λοιπόν ταυτόχρονα για κάθε μεγέθυνση τις δύο κλίμακες και με αντιστοίχιση μεταξύ τους, υπολογίζεται η ισοδυναμία κάθε υποδιαίρεσης της προσοφθάλμιας κλίμακας με πραγματικά μm ή mm μήκους. Η αντιστοίχιση αυτή μεταβάλλεται όταν αλλάζει η μεγέθυνση του μικροσκοπίου, οπότε η βαθμονόμηση πρέπει να γίνεται για όλες τις δυνατές μεγεθύνσεις. 1.5.3. Προετοιμασία δοκιμίων Τα προς εξέταση δοκίμια • Κόβονται κατάλληλα • Λειαίνονται διαδοχικά με σειρά από γυαλόχαρτα • Στιλβώνονται με πάστα αλούμινας • Προσβάλλονται χημικά με τα κατάλληλα αντιδραστήρια - 10 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής 1.5.4. Εμβαδομετρική Μέθοδος Στην εμβαδομετρική μέθοδο, εγγράφεται ένας κύκλος ή ένα τετράγωνο γνωστής επιφάνειας (συνήθως 5000 mm² για την απλοποίηση των υπολογισμών) στο πεδίο του μικροσκοπίου. Επιλέγεται η μεγέθυνση που εμφανίζει τουλάχιστον 50 κόκκους στο πεδίο για μέτρημα. Όταν έχει εστιαστεί κανονικά η εικόνα, μετριέται ο αριθμός των κόκκων σε αυτό το πεδίο. Το άθροισμα όλων των ολόκληρων κόκκων (NO) συν το μισό του αριθμού των κόκκων που τέμνονται από την περίμετρο του κύκλου (=μισοί κόκκοι, NM) δίνει τον αριθμό των «ισοδύναμων» ολόκληρων κόκκων που μετρήθηκαν στην συγκεκριμένη μεγέθυνση μέσα στον κύκλο. Αν αυτός ο αριθμός πολλαπλασιαστεί με το συντελεστή Jeffries, f, που σχετίζεται με την κάθε μεγέθυνση (π.χ. για ΜΧ50, f=0,5 ,Πίνακας 5, ASTM E112) το αποτέλεσμα είναι ο αριθμός των κόκκων ανά mm², NA. Η μέτρηση πρέπει να επαναλαμβάνεται σε τρία διαφορετικά πεδία τουλάχιστον για να εξασφαλίζεται ένας λογικός μέσος όρος. Άρα ΝΑ = f · (NO + NM/2) Η μέση επιφάνεια του κόκκου, Â, είναι το αντίστροφο του ΝΑ, δηλ., Â = 1 / ΝΑ, ενώ η μέση διάμετρος του κόκκου, d, είναι η τετραγωνική ρίζα του Â. Η ακρίβεια της εμβαδομετρικής μεθόδου είναι συνάρτηση του αριθμού των κόκκων που μετρήθηκαν. Ο αριθμός των κόκκων, όμως, μέσα στον κύκλο δεν πρέπει να ξεπερνά τους 100 περίπου, γιατί τότε το μέτρημα γίνεται κουραστικό και ανακριβές. Για το ακριβέστερο μέτρημα του αριθμού των κόκκων, συνιστάται να χρησιμοποιηθεί μεγέθυνση που εμφανίζει περίπου 50 κόκκους μέσα στον κύκλο μέτρησης. Τα πεδία πρέπει να επιλέγονται τυχαία από διαφορετικές περιοχές του δοκιμίου. 1.5.5. Στατιστική ανάλυση Ο προσδιορισμός του μέσου μεγέθους κόκκου δεν είναι μια ακριβής μέτρηση. Έτσι ο προσδιορισμός είναι πλήρης, όταν υπολογίζεται η ακρίβεια του μετρούμενου μεγέθους, που θεωρείται ότι αντιπροσωπεύει το πραγματικό μέσο μέγεθος κόκκου του εξεταζόμενου δείγματος. Όταν έχει μετρηθεί ο επιθυμητός αριθμός πεδίων: 1. Υπολογίζεται ο μέσος όρος των ΝΑ: ∑ xi xν = ν 2. Υπολογίζεται η τυπική απόκλιση: ∑ (x − xν ) 2 s= i v −1 3. Υπολογίζεται διάστημα εμπιστοσύνης 95% κάθε μέτρησης, 95%ΔΕ 95% ΔΕ = (t ⋅ s ) / v όπου το t είναι η σταθερά από την κατανομή Student για πιθανότητα 95% και ν-1 πεδία, π.χ. για ν=6 “t=2,571” (Πίνακας 7, ASTM E112). 4. Υπολογίζεται η % σχετική ακρίβεια, %ΣΑ, των μετρήσεων, διαιρώντας την τιμή 95%ΔΕ με τον μέσο, %ΣΑ = ((95%ΔΕ) / xν ) ⋅100 ) Αν η τιμή %ΣΑ θεωρείται πολύ υψηλή για την συγκεκριμένη εφαρμογή, πρέπει να μετρηθούν περισσότερα πεδία και να επαναληφθούν οι παραπάνω υπολογισμοί. Ως γενικός κανόνας, τιμή 10%ΣΑ (ή μικρότερη) θεωρείται ότι είναι αποδεκτή ακρίβεια για τις περισσότερες εφαρμογές. - 11 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής 5. Η μέση τιμή ΝΑ, μετατρέπεται σε μέγεθος κόκκων G κατά ASTM, από τον πίνακα 4, ASTM E112. 6. Ανάλογα με την τιμή G, το υλικό χαρακτηρίζεται ως χονδρόκοκκο, λεπτόκοκκο ή ιδιαίτερα λεπτόκοκκο. 7. Οι μηχανικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών επηρεάζονται από το μέγεθος των κόκκων. Ένα μεταλλικό υλικό με λεπτόκοκκη δομή θα έχει υψηλές αντοχές, μεγάλη σκληρότητα, χαμηλή πλαστικότητα και χαμηλές τιμές ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας. Αντιθέτως, ένα μεταλλικό υλικό με χοντρόκοκκη δομή θα έχει μικρές αντοχές, μικρή σκληρότητα, καλή πλαστικότητα και υψηλές τιμές ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας. 1.6. Βιβλιογραφία 1. Α.Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, 8η εκδ, Πάτρα, 2008. 2. Γ.Χρυσουλάκης, Δ.Παντελής, Επιστήμη και Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών, εκδ. Παπασωτηρίου, Αθήνα 2003. 3. Α.Κορωναίος, Γ.Πουλάκος, Τεχνικά Υλικά, Τόμος 4, Ε.Μ.Π., Αθήνα 2006. 4. Σ.Καλογεροπούλου, Εργαστηριακές Ασκήσεις Τεχνολογίας Υλικών, ΤΕΙ Πειραιά, 1997. 5. ASTM E112-96 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size 6. ASTM E1951-02 Standard Guide for Calibrating Reticles and Light Microscope Magnifications 7. ASTM E407-99 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys 8. ASTM E3-95 Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens. - 12 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 1Β. ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΗΣΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.7. Εισαγωγή Ο υπολογισμός της συμπεριφοράς ενός μεταλλικού υλικού καθώς και ο προσδιορισμός των αποδεκτών καταπονήσεων είναι εφικτοί μόνο όταν είναι γνωστά τα μηχανικά χαρακτηριστικά του υλικού. Δηλαδή θα πρέπει να είναι γνωστό από ποιο φορτίο και πέρα το υλικό θα παραμορφωθεί κατά αναντίστρεπτο τρόπο προκαλώντας αλλαγές στη γεωμετρία του και ποιο είναι το οριακό φορτίο που είναι δυνατόν να αντέξει πριν την οριστική του θραύση. Οι μηχανικές δοκιμές πρέπει να είναι απλές, αναπαραγωγίσιμες και τα αποτελέσματα ερμηνεύσιμα και αξιοποιήσιμα, κατά τον ίδιο τρόπο από όλους. Για το λόγο αυτό, εθνικοί οργανισμοί όπως η ASTM (American Society for Testing and Materials) και ο ISO (International Standardization Organization) κανονικοποιούν τις δοκιμές τους. Η κανονικοποίηση αυτή των δοκιμών αφορά στη γεωμετρία των δοκιμίων και των ενδείξεων, στις συσκευές των δοκιμών και τη βαθμονόμηση τους, στις πειραματικές τεχνικές και στην αξιοποίηση και παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Οι κυριότερες μηχανικές δοκιμές που χρησιμοποιούνται για το χαρακτηρισμό των υλικών είναι: • Η δοκιμή εφελκυσμού • Η δοκιμή θλίψης • Η δοκιμή κάμψης • Η δοκιμή δυσθραυστότητας • Η δοκιμή ερπυσμού • Η δοκιμή κόπωσης. Σκληρότητα ορίζεται η αντίσταση που προβάλλει η επιφάνεια ενός μετάλλου στην προσπάθεια κάθετης παραμόρφωσης της επιφάνειάς του και εξαρτάται από τη φύση του μετάλλου, την κρυσταλλική του δομή και τις τεχνικές κατασκευής και κατεργασίας του. Ο έλεγχος της σκληρότητας των υλικών γίνεται με διάφορες μεθόδους, όπως η σκληρότητα σε εγχάραξη, η σκληρότητα σε λείανση, η σκληρότητα σε κρουστικά φορτία και η σκληρότητα σε διείσδυση. Οι μέθοδοι μέτρησης της σκληρότητας διείσδυσης στηρίζονται στην μέτρηση της αντίστασης που προβάλλει το υλικό στην διείσδυση ενός σκληρού, μικρών διαστάσεων, εξαρτήματος (διεισδυτή), το οποίο πιέζεται με κατάλληλη δύναμη κάθετα στην επιφάνεια του υλικού. Η σκληρότητα διείσδυσης είναι μέθοδος απλή, γρήγορη, σχετικά εύκολη και μπορεί να συσχετιστεί άμεσα με την αντοχή σε εφελκυσμό. Μεγαλύτερη σκληρότητα συνεπάγεται μεγαλύτερη αντοχή σε παραμόρφωση. Τα αποτελέσματα της σκληρομέτρησης παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με διάφορα θέματα που χαρακτηρίζουν τα υλικά όπως για παράδειγμα : • Προσδιορισμός υλικού. • Έλεγχος ορθής διαδικασίας θερμικής κατεργασίας. • Έλεγχος ποιότητας επιφανειακών κατεργασιών. • Συμπεριφορά και αντοχή του υλικού κατά τη διάρκεια του χρόνου. • Συμπεριφορά του υλικού σε συνθήκες φθοράς και καταπόνησης. • Έλεγχος μείωσης αντοχής μετά από θερμική κατεργασία. • Πληροφορίες σχετικά με αντοχή σε εφελκυσμό. - 13 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Η σκληρότητα είναι ένα χαρακτηριστικό του υλικού και η τιμή της έχει άμεση σχέση με την μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την εύρεση της. Οι βασικές μέθοδοι σκληρομέτρησης είναι τρείς: Brinell, Vickers και Rockwell. Οι μέθοδοι αυτές διαφέρουν ως προς τον τύπο του διεισδυτή που χρησιμοποιούν και τα βάρη – δυνάμεις με τα οποία πιέζεται κάθε φορά ο διεισδυτής κάθετα στην επιφάνεια του δοκιμίου. 1.8. Μέθοδος Brinell Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην κάθετη, αργή και σταθερή διείσδυση στο δοκίμιο, μίας πολύ σκληρής σφαίρας καρβιδίου του βολφραμίου (ή παλαιότερα χαλύβδινης), με διάμετρο D σε mm, υπό την εφαρμογή ενός σταθερού φορτίου F (σε kgf ή Ν) για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Η σφαίρα έρχεται σε επαφή με το δοκίμιο χωρίς κρούση και στη συνέχεια επιβάλλεται βαθμιαία η δύναμη F, αρχίζοντας από μηδενική τιμή και φθάνοντας στην πλήρη F μετά από 5 sec. Η δύναμη διατηρείται για 15 ή 30 sec και στη συνέχεια ο διεισδυτής απομακρύνεται. Στην επιφάνεια του δοκιμίου απομένει αποτύπωμα σχήματος σφαιρικού τμήματος. Μετά την αποφόρτιση μετριέται με μεγεθυντικό φακό η διάμετρος του αποτυπώματος d (σε mm). To εφαρμοζόμενο φορτίο (kgf) προς την επιφάνεια του κυκλικού αποτυπώματος (mm2) δίνει το μέτρο της σκληρότητας του υλικού. Αναλόγως το προς μέτρηση υλικό εφαρμόζεται και το ανάλογο φορτίο, συνήθως 4.90 kN (500 kgf), 14.7 kN (1500 kgf) ή 29.4 kN (3000 kgf). Το φορτίο των 500 kgf χρησιμοποιείται για πιο μαλακά υλικά όπως χαλκός, αλουμίνιο και άλλα μη σιδηρούχα. Το φορτίο των 1500 kgf για κράματα αλουμινίου και υλικά μεσαίας σκληρότητας, ενώ των 3000 kgf για χάλυβα, χυτοσίδηρο και άλλα σκληρά υλικά. Σχήμα 1. Διεισδυτής Brinell και αποτύπωμα. Η σκληρότητα σύμφωνα με τη μέθοδο Brinell συμβολίζεται ως HBW και δίδεται από τη σχέση: 2F HBW = 0.102 X π D( D − D 2 − d 2 ) όπου : F (σε Ν) φορτίο, D (σε mm) η διάμετρος της σφαίρας και d (σε mm) η διάμετρος του αποτυπώματος (η τιμή του μέσου όρου δύο κάθετων μεταξύ τους διαμέτρων). Το αποτέλεσμα στην κλίμακα ΗΒW δίνεται με τη μορφή, για παράδειγμα "75 ΗΒW 10/500/30". Αυτό ερμηνεύεται ως σκληρότητα 75 Brinell με χρήση σφαίρας διαμέτρου 10 mm, υπό φορτίο 500 kgf, για χρόνο εφαρμογής 30 δευτερόλεπτα. Στην περίπτωση όπου t=15s ο χρόνος δεν - 14 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής αναγράφεται. Επίσης στην περίπτωση όπου F=3000 kgf και D=10 mm δεν αναγράφονται τα F και D. Η μέθοδος Brinell εφαρμόζεται κυρίως σε χυτά ή χυτοπρεσαριστά υλικά που δεν είναι πολύ σκληρά και με σχετικά μεγάλο πάχος (τουλάχιστον 10 φορές το βάθος του αποτυπώματος). Το δοκίμιο μετά την σκληρομέτρηση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί λόγω του βάθους του αποτυπώματος. Για την ακριβή σκληρομέτρηση εφαρμόζονται οι κάτωθι προδιαγραφές: • Η επιφάνεια του δοκιμίου πρέπει να έχει λειανθεί καλά (τυχόν επιφανειακές μικροανωμαλίες επιφέρουν αλλοίωση στην εκτίμηση των διαστάσεων του αποτυπώματος). • Το φορτίο πρέπει να επιβάλλεται κάθετα προς τη σκληρομετρούμενη επιφάνεια και με βραδύ ρυθμό (όχι κρουστικά). • Η αποφόρτιση να γίνεται μετά από κάποιο χρόνο, απαραίτητο για να δημιουργηθεί η πλαστική παραμόρφωση στο αποτύπωμα. • Η πρότυπη σφαίρα του διεισδυτή έχει διάμετρο 10.0 mm με απόκλιση που δεν υπερβαίνει τα 0.005 mm σε όλες τις διαμέτρους. Για τις μικρότερες σφαίρες ισχύουν αντίστοιχοι περιορισμοί (D=5 mm, Α=± 0.004 και για D=2.5 mm, 2 mm και 1 mm, A=±0.003). • Η διάμετρος του αποτυπώματος δεν πρέπει να είναι ούτε πολύ μικρή ούτε πολύ μεγάλη σε σχέση με τη διάμετρο του διεισδυτή, γιατί τα όριά της θα είναι τότε είτε ασαφή είτε θα υπερχειλίζουν, πράγματα που δεν θα μας επιτρέπουν την ακριβή εκτίμηση των διαστάσεών της. Συνίσταται η διάμετρος του αποτυπώματος να είναι μεταξύ του 24% και 60% της διαμέτρου του διεισδυτή. • Το πάχος s του σκληρομετρούμενου δοκιμίου πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να μην δημιουργούνται σημάδια στην αντίθετη πλευρά του δοκιμίου μετά την σκληρομέτρηση. Ως γενικός κανόνας, το πάχος του δοκιμίου πρέπει να είναι τουλάχιστον δέκα φορές μεγαλύτερο από το βάθος της διείσδυσης. Για κάθε πάχος δοκιμίου και για κάθε φορτίο, το δοκίμιο πρέπει να έχει μια ελάχιστη σκληρότητα, έτσι ώστε νε εκτελείται με ασφάλεια η δοκιμή Brinell. Για παράδειγμα, για πάχος δοκιμίου s=1.6 mm και για φορτίο 3000 kg, το δοκίμιο πρέπει να έχει ελάχιστη σκληρότητα 602 HBW, ενώ για το ίδιο πάχος και για φορτίο 1500 kgf, η αντίστοιχη σκληρότητα είναι 301 HBW (βλ. Πίνακα 5, σελ. 5, ASTM E10). • Η απόσταση του διεισδυτή από τις άκρες του δοκιμίου να είναι τουλάχιστον 2,5 φορές τη διάμετρο του αποτυπώματος. • Τα σημεία δοκιμής να απέχουν τουλάχιστον 5 διαμέτρους μεταξύ τους. • Λόγω κινδύνου πλαστικής παραμόρφωσης του διεισδυτή, η μέθοδος περιορίζεται στη σκληρομέτρηση υλικών σκληρότητας μέχρι ΗΒ=650, όταν χρησιμοποιείται διεισδυτής από καρβίδιο βολφραμίου. Τέλος με χρήση του πρότυπου διεισδυτή 10 mm συνιστάται η χρήση φορτίου 3000 kgf για υλικά σκληροτήτων από 96 έως 600 HBW, φορτίου 1500 kgf για υλικά σκληροτήτων από 48 έως 300 HBW και φορτίου 500 kgf για υλικά σκληροτήτων από 16 έως 100 HBW. 1.9. Μέθοδος Vickers Η μέθοδος Vickers είναι παρεμφερής της μεθόδου Brinell. Θεωρείται ιδιαίτερα αξιόπιστη και χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου τα δοκίμια είναι λεπτά και από πολύ σκληρό υλικό όπως - 15 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής επίσης και αν έχουν δεχθεί οποιαδήποτε επιφανειακή θερμική κατεργασία και η επιφάνεια τους έχει καταστεί πολύ σκληρή. Βασίζεται στην αργή επιβολή ενός φορτίου, μέσω ενός αδαμάντινου διεισδυτή, σε ένα δοκίμιο το οποίο έχει υποστεί πολύ καλή λείανση. Ο διεισδυτής έχει σχήμα κανονικής τετραγωνικής πυραμίδας με γωνία απέναντι εδρών 136°. Το φορτίο κυμαίνεται από 0,2 έως 100 Kgf και ο χρόνος εφαρμογής του είναι περίπου 15-30 δευτερόλεπτα. Η ταχύτητα διείσδυσης δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη των 0,3 mm/s. Τα τυποποιημένα σκληρόμετρα Vickers έχουν σύστημα αυτόματης επιβολής και απελευθέρωσης του εκλεγόμενου κάθε φορά φορτίου. Η μέτρηση της σκληρότητας του δοκιμίου γίνεται από την μέτρηση των δύο διαγωνίων του τετραγωνικού αποτυπώματος (d1, d2). H τιμή της σκληρότητας κατά Vickers προκύπτει από την χρήση του τύπου: ΗV= 1.8544 (F/d²) όπου F είναι το φορτίο εφαρμογής (σε kgf) και d² η επιφάνεια του αποτυπώματος (σε mm²) (d=(d1+d2)/2). H σκληρότητα κατά Vickers δίνεται υπό την μορφή, για παράδειγμα, 800HV/10/t που δηλώνει σκληρότητα 800 Vickers με χρήση φορτίου 10 kp για χρόνο t. Αν ο χρόνος είναι 15s δεν αναγράφεται. Η γεωμετρία του διεισδυτή, η επιλογή δηλαδή της γωνίας των 136° έγινε έτσι ώστε να αντιστοιχεί σε δοκιμή Brinell με λόγο d/D=3/8=0.375. Επίσης αποδεικνύεται ότι η σχέση μεταξύ βάθους h του αποτυπώματος και της μέσης τιμής d των διαγωνίων της βάσης του αποτυπώματος είναι h/d=1/7=0.143. Τα μικρά βάθη διεισδύσεως που οφείλονται στην αμβλεία γωνία των 136° επιτρέπουν την σκληρομέτρηση λεπτών δοκιμίων. Για το πάχος S του δοκιμίου θα πρέπει να ισχύει S > 1,5d, για να μην επηρεάζεται η μέτρηση από την αντίσταση του υποστηρίγματος του δοκιμίου. Τα σημεία δοκιμής πρέπει να απέχουν τουλάχιστον 3 διαγώνιους μεταξύ τους. Η μέθοδος πλεονεκτεί της μεθόδου Brinell στο ότι τα όρια του αποτυπώματος είναι πιο καθαρά και σαφή και στο γεγονός ότι το διαμάντι είναι πολύ σκληρό υλικό με αποτέλεσμα να μην παραμορφώνεται εύκολα. Σχήμα 2. Διεισδυτής Vickers και αποτύπωμα. 1.10. Μέθοδοι Rockwell Οι μέθοδοι Rockwell διαφέρουν από τις προηγούμενες στο ότι ο προσδιορισμός της σκληρότητας στηρίζεται στη μέτρηση του βάθους διείσδυσης του διεισδυτή και όχι της διαμέτρου ή της διαγωνίου του αποτυπώματος. - 16 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Ένα πλεονέκτημα της μεθόδου Rockwell είναι το ότι φέρει βαθμονομημένη κλίμακα ανάγνωσης που δίνει απευθείας τη μέτρηση του βάθους του αποτυπώματος σε μονάδες σκληρότητας Rockwell. Το γεγονός αυτό καθιστά τη μέθοδο αυτή απλή και γρήγορη. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι Rockwell, που χρησιμοποιούν διαφορετική γεωμετρία διεισδυτή και τιμή επιβαλλόμενου φορτίου, βλ. Πίνακα 1. Πίνακας 1. Μέθοδοι σκληρομέτρησης κατά Rockwell Μέθοδος Τύπος διεισδυτή Ολικό Φορτίο (kgf) Εφαρμογές Β C Α D Σφαίρα(D=1.588mm) Κώνος Κώνος Κώνος 100 150 60 100 E Σφαίρα(D=3.175mm) 100 F L N Σφαίρα(D=1.588mm) Σφαίρα(D=6.350mm) Κώνος 60 60 15/30/45 Ανοπτημένοι χάλυβες, ορείχαλκοι Σκληροί χάλυβες, Ti Πολύ σκληρά υλικά Σκληροί χάλυβες λεπτού πάχους Πολύ μαλακά υλικά (Κράματα Al, Mg, χυτοσίδηρος) Μαλακά υλικά (Al, Cu, μπρούντζος) Pb, πλαστικά Λεπτά δείγματα Οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες είναι οι μέθοδοι Rockwell B με σφαιρικό διεισδυτή από σκληρυμένο χάλυβα σταθερής διαμέτρου 1/16’’ (1.588 mm) και χρησιμοποιείται για μετρήσεις μικρών τιμών σκληρότητας και Rockwell C με κωνικό διεισδυτή με γωνία κορυφής 120° και σφαιρικό άκρο διαμέτρου 0.2mm, για μετρήσεις σκληρότητας σκληρών υλικών. Ως σκληρότητα κατά Rockwell (HR) ορίζεται το βάθος διείσδυσης z του διεισδυτή, μετρημένο με μονάδα μέτρησης τα μm, δηλ. η σκληρότητα κατά Rockwell είναι μήκος, ενώ στις προηγούμενες μεθόδους η σκληρότητα έχει μονάδες τάσης. Το φορτίο επιβάλλεται σε δύο στάδια: • Στο πρώτο στάδιο (προφόρτιση), επιβάλλεται φορτίο Fo=10kgf (98 N), οπότε δημιουργείται κοιλότητα με Δο που έχει σκοπό την ισοπέδωση τυχόν τοπικών ανωμαλιών. • Στο δεύτερο στάδιο (φόρτιση) επιβάλλεται πρόσθετο φορτίο F1, το οποίο α εφαρμόζεται για 20-30s, με τελική διείσδυση Δ. Ανάλογα με την μέθοδο, το αντίστοιχο συνολικό φορτίο F είναι 100 kgf (981 N) στην Rockwell B και 150 kgf (1471 N) στη Rockwell C. Στη συνέχεια απομακρύνεται και επανέρχεται στη δύναμη προφόρτισης Fo. Ο διεισδυτής οπισθοχωρεί και διατηρείται μια παραμένουσα διείσδυση Δπ, όπου Δο < Δπ < Δ. Η σκληρότητα υπολογίζεται από τις παρακάτω σχέσεις: Δ − ΔΟ HRB = 130 − Π 0.002 Δ − Δο HRC = 100 − π 0.002 Και διαβάζεται απευθείας στη βαθμονομημένη κλίμακα του οργάνου. - 17 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Σχήμα 3. Μέθοδος Rockwell. Για την ονοματολογία της μεθόδου Rockwell χρησιμοποιούνται οι χαρακτήρες ΗR. Για παράδειγμα 45 HRC σημαίνει ότι το υλικό έχει σκληρότητα 45 κατά την κλίμακα C. Για να μην επηρεάζεται η μέτρηση από την αντίσταση του υποστηρίγματος του δοκιμίου, πρέπει το πάχος του δοκιμίου να είναι 10 φορές μεγαλύτερο από το βάθος του αποτυπώματος στη Rockwell C και 15 φορές από το βάθος του αποτυπώματος στη Rockwell Β. (Οι προδιαγραφές δίνουν το ελάχιστο επιτρεπτό πάχος των δοκιμίων, ανάλογα με τη μέθοδο μέτρησης και την τιμή σκληρότητας). Σχήμα 4. Σκληρόμετρο Rockwell. 1.11. Συσχέτιση αριθμών σκληρότητας. Αν και υπάρχει σημαντική αβεβαιότητα στη συσχέτιση της σκληρότητας μεταξύ των διαφόρων μεθόδων που χρησιμοποιούνται, στην πράξη με την εφαρμογή ημιεμπειρικών τύπων και με σφάλμα της τάξης του ± 10 % είναι δυνατή η συσχέτιση της σκληρότητας που προσδιορίζεται με τη μέθοδο Brinell με αυτήν της μεθόδου Rockwell. - 18 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Η σχέση που εφαρμόζεται στην περίπτωση τιμών Rockwell Β μεταξύ 35 και 100, είναι η παρακάτω: 7300 HB = 130 − HRB Υπάρχουν στην βιβλιογραφία διαγράμματα, που συσχετίζουν τις σκληρότητες ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη μέθοδο. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τη συσχέτιση αυτή πρέπει να αξιολογούνται με προσοχή. Οι προδιαγραφές δίνουν την αντιστοιχία των σκληροτήτων μετά από μετρήσεις με διαφορετικές μεθόδους (ASTM E140). Οι μετατροπές ισχύουν για συγκεκριμένα κράματα. 1.12. Συσχέτιση σκληρότητας με αντοχή σε εφελκυσμό. Ο προσδιορισμός της σκληρότητας διείσδυσης είναι δυνατόν να συσχετιστεί με τον κατά προσέγγιση προσδιορισμό της αντοχής σε εφελκυσμό (στ) του υλικού. Ο συσχετισμός αυτός εφαρμόζεται στις περιπτώσεις εκείνες που ο προσδιορισμός με το πείραμα του εφελκυσμού είτε είναι ανέφικτος είτε δύσκολος. Οι προσεγγιστικές σχέσεις που εφαρμόζονται για τις βασικές κατηγορίες μεταλλικών υλικών ενδιαφέροντος δομικού είναι : - Χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα για σκληρότητα 120 - 175 ΗΒ στ = 0,34 ΗΒ (kg/mm2) - Χαλκός, ορείχαλκος, μπρούτζος. στ = 0,55 ΗΒ (kg/mm2) - ανοπτημένος - σκληρυμένος με παραμόρφωση στ = 0,40 HB - Αλουμίνιο και κράματα αλουμινίου για ΗΒ μεταξύ 20 – 25 στ = 0,33 - 0,36 ΗΒ Ντουραλουμίνιο στ = 0,36 ΗΒ 1.13. Πειραματικό μέρος Όργανα – Υλικά 1. Σκληρόμετρο Brinell WPM 2. Σκληρόμετρο Rockwell WPM 3. Οπτικό Μεταλλογραφικό Μικροσκόπιο Leitz Metallovert 4. Ηλεκτρονικός Υπολογιστής 5. Πρότυπα δοκίμια σκληρομέτρησης 6. Κατάλληλα προετοιμασμένα δοκίμια αλουμινίου, χαλκού, μπρούντζου και χάλυβα. - 19 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Σχήμα 5. Πρότυπα δοκίμια σκληρομέτρησης. 1.13.1. Βαθμονόμηση σκληρόμετρου Rockwell Η βαθμονόμηση του σκληρόμετρου γίνεται με τη βοήθεια πρότυπων δοκιμίων γνωστής σκληρότητας. Σε κάθε πρότυπο δοκίμιο πραγματοποιούνται πέντε διαδοχικές μετρήσεις σκληρότητας. Ελέγχεται η ακρίβεια και η ορθότητα της μηχανής. Σε περίπτωση που η μηχανή παρουσιάζει και ακρίβεια και ορθότητα, οι ενδείξεις της μηχανής θεωρούνται σωστές. Σε περίπτωση που η μηχανή παρουσιάζει ακρίβεια, αλλά δεν παρουσιάζει ορθότητα, κατασκευάζεται καμπύλη βαθμονόμησης. Οι τιμές τοποθετούνται σε διάγραμμα, άξονας Χ – πραγματικές τιμές, άξονας Υ – τιμές μέτρησης και χαράσσεται η ευθεία βαθμονόμησης. Όλες οι ενδείξεις στις επόμενες μετρήσεις σκληρότητας διορθώνονται με βάση το παραπάνω διάγραμμα. Σε περίπτωση που η μηχανή δεν παρουσιάζει ακρίβεια, είναι ακατάλληλη για χρήση και επιβάλλεται έλεγχος και επισκευή από ειδικό. 1.13.2. Μετρήσεις Rockwell B Θα μετρηθούν με τη μέθοδο Rockwell B οι σκληρότητες δοκιμίων αλουμινίου, χαλκού, μπρούντζου και ανοπτημένου χάλυβα. - Η μέτρηση γίνεται σε 2 διαφορετικά σημεία και ως σκληρότητα λαμβάνεται ο μέσος όρος των μετρήσεων. - Συμπληρώνεται πίνακας πειραματικών μετρήσεων. - Για κάθε δοκίμιο και για κάθε μέτρηση ελέγχεται η ακρίβεια των μετρήσεων με βάση τους περιορισμούς της μεθόδου. -Τα υλικά ταξινομούνται βάσει σκληρότητας (από το πιο μαλακό προς το πιο σκληρό). 1.13.3. Μετρήσεις Brinell Θα μετρηθεί με τη μέθοδο Brinell η σκληρότητα δοκιμίων μαλακού χάλυβα. - Πραγματοποιούνται μετρήσεις σκληρότητας για τιμές F 62,5 kgf και 187,5 kgf - Συμπληρώνεται πίνακας πειραματικών μετρήσεων. - Για κάθε δοκίμιο και για κάθε μέτρηση ελέγχεται η ακρίβεια των μετρήσεων με βάση τους περιορισμούς της μεθόδου. - Οι τιμές σκληρότητας Brinell μετατρέπονται σε τιμές σκληρότητας Rockwell B με βάση το σχετικό πίνακα και συγκρίνονται. 1.13.4. Μέτρηση σκληρότητας χάλυβα Tempcore - 20 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Σε κάθετη διατομή κατάλληλα προετοιμασμένου δοκιμίου δομικού χάλυβα Tempcore μετρείται η σκληρότητα με τη μέθοδο Rockwell B. Η μέτρηση γίνεται σε 9 διαδοχικά σημεία μίας διαμέτρου και οι μετρήσεις καταγράφονται σε πίνακα: Απόσταση (mm) – Σκληρότητα (HRB) – Διορθωμένη σκληρότητα (HRB). Οι παραπάνω τιμές τοποθετούνται σε διάγραμμα, άξονας Χ (απόσταση, mm), άξονας Υ (Διορθωμένη σκληρότητα (HRB)). Σχολιάζονται οι τιμές σκληρότητας σε σχέση με την απόσταση από το κέντρο και αιτιολογείται η απάντηση. Σχήμα 6. Κάθετη διατομή χάλυβα οπλισμού. 1.14. Βιβλιογραφία 1. Α. Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, 8η εκδ, Πάτρα, 2008. 2. Γ. Χρυσουλάκης, Δ. Παντελής, Επιστήμη και Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών, εκδ. Παπασωτηρίου, Αθήνα 2003. 3. Α. Κορωναίος, Γ. Πουλάκος, Τεχνικά Υλικά, Τόμος 4, Ε.Μ.Π., Αθήνα 2006. 4. Α. Κορωναίος, Γ. Πουλάκος, Τεχνικά Υλικά, Τόμος 3, Ε.Μ.Π., Αθήνα 2005. 5. ΚΤΧ 2008 Έγκριση Νέου Κανονισμού Τεχνολογίας Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος (ΦΕΚ 1416Β/17.7.2008) 6. ASTM E10-01 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials 7. ASTM E18-03 Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials 8. ASTM E140-02 Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness 9. ASTM A370-03α Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products 10. ASTM E384-99 Standard Test Method for Microidentation Hardness of Materials 11. ASTM E1842-96 Standard Test Method for Macro-Rockwell Hardness Testing of Metallic Materials - 21 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Τα αντίστοιχα πρότυπα ISO ISO 6506-1:2005 Metallic materials -- Brinell hardness test -- Part 1: Test method ISO 6506-2:2005 Metallic materials -- Brinell hardness test -- Part 2: Verification and calibration of testing machines ISO 6506-3:2005 Metallic materials -- Brinell hardness test -- Part 3: Calibration of reference blocks ISO 6506-4:2005 Metallic materials -- Brinell hardness test -- Part 4: Table of hardness values ISO 6507-1:2005 Metallic materials -- Vickers hardness test -- Part 1: Test method ISO 6507-2:2005 Metallic materials -- Vickers hardness test -- Part 2: Verification and calibration of testing machines ISO 6507-3:2005 Metallic materials -- Vickers hardness test -- Part 3: Calibration of reference blocks ISO 6507-4:2005 Metallic materials -- Vickers hardness test -- Part 4: Tables of hardness values ISO 6508-1:2005 Metallic materials -- Rockwell hardness test -- Part 1: Test method (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) ISO 6508-2:2005 Metallic materials -- Rockwell hardness test -- Part 2: Verification and calibration of testing machines (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) ISO 6508-3:2005 Metallic materials -- Rockwell hardness test -- Part 3: Calibration of reference blocks (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) Το ASTM E92-82 Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials αποσύρθηκε και αντικαταστάθηκε από το E384. - 22 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 2. ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ – ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ 2.1. Εισαγωγή Τα στερεά σώματα διακρίνονται σε κρυσταλλικά και άμορφα. Στα κρυσταλλικά στερεά οι δομικές μονάδες (μόρια, άτομα ή ιόντα) που το αποτελούν, κατέχουν στο χώρο συγκεκριμένες θέσεις και σχηματίζουν κανονικά γεωμετρικά σχήματα (στοιχειώδης κρύσταλλος), που επαναλαμβανόμενα αποτελούν ένα κρύσταλλο του στερεού. Ανάλογα με το γεωμετρικό σχήμα του στοιχειώδους κρυστάλλου που σχηματίζουν, τα κρυσταλλικά στερεά κατατάσσονται σε ένα από τα επτά κρυσταλλικά συστήματα: κυβικό, τετραγωνικό, ορθορομβικό, ρομβοεδρικό, μονοκλινές, τρικλινές και εξαγωνικό. Υπάρχουν δεκατέσσερις τύποι κρυσταλλικών πλεγμάτων, αλλά τα περισσότερα μέταλλα κρυσταλλώνονται σε τρία απλά και μεγάλης συμμετρίας κρυσταλλικά πλέγματα: ¾ Χωροκεντρωμένο κυβικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις 8 κορυφές του κύβου και ένα στο κέντρο του κύβου) (π.χ. Fe, Cr, Mo, Ka, Na). ¾ Εδρoκεντρωμένο κυβικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις 8 κορυφές του κύβου και στα κέντρα των 6 εδρών) (π.χ. Al, Cu, Au, Ag, Pt, Mo, Ni). ¾ Μέγιστης πυκνότητας εξαγωνικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις κορυφές και τα κέντρα των εξαγώνων και στο επίπεδο του μέσου του πρίσματος στις 3 πλευρές εναλλάξ) (π.χ. Zn, Cd, Mg, Co, Ti). Σχήμα 1. α) χωροκεντρωμένο κυβικό, β) εδροκεντρωμένο κυβικό, γ) υψηλής πυκνότητας εξαγωνικό. Ένα καθαρό μέταλλο μεταβαίνοντας από την υγρή κατάσταση (τήγμα) στη στερεή κρυσταλλώνεται, αποκτά δηλαδή την κρυσταλλική του δομή. Όταν το τήγμα ψυχόμενο αποκτήσει ορισμένη θερμοκρασία, χαρακτηριστική για κάθε καθαρό μέταλλο (σημείο τήξης ή πήξης), τότε αρχίζει η στερεοποίησή του. Αρχικά σχηματίζονται στη μάζα του τήγματος μικροσκοπικοί κρύσταλλοι, σε τυχαίες θέσεις, που ονομάζονται πυρήνες ή κέντρα κρυστάλλωσης. Στις θέσεις όπου έχουν δημιουργηθεί πυρήνες, αρχίζει ο σχηματισμός κρυσταλλικής δομής με προσθήκη ατόμων, σε θέσεις που καθορίζονται από το είδος του κρυσταλλικού πλέγματος του συγκεκριμένου μετάλλου. Όσο διαρκεί η στερεοποίηση, στους πυρήνες προστίθενται και άλλα άτομα, αρχίζουν να σχηματίζονται κρύσταλλοι, ενώ σε άλλες νέες τυχαίες θέσεις δημιουργούνται νέοι πυρήνες. Ο αριθμός των νέων πυρήνων περιορίζεται, καθώς η απόψυξη συνεχίζεται. Οι κρύσταλλοι αυτοί έχουν την μορφή δενδριτών, δηλαδή κρυσταλλικών σκελετών με διακλαδώσεις. Τα κλαδιά των δενδριτών συνεχίζουν να αναπτύσσονται, μέχρι όλος ο χώρος να καταληφθεί από στερεοποιημένο μέταλλο. Οι εξωτερικοί κλάδοι των δενδριτών, κατά την ανάπτυξή τους, εφάπτονται με κλάδους άλλων - 23 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής γειτονικών δενδριτών, που προέρχονται από άλλους πυρήνες. Έτσι στις θέσεις επαφής διαφορετικών δενδριτών είναι αδύνατη η περαιτέρω ανάπτυξη. Όταν συμπληρωθεί η στερεοποίηση, το μέταλλο αποτελείται από κόκκους ή κρυσταλλίτες. Το μέταλλο δηλαδή δεν απαρτίζεται από συνεχές κρυσταλλικό πλέγμα (μονοκρύσταλλος), αλλά από πολλούς κρυσταλλίτες, με ιδιαίτερο ο καθένας προσανατολισμό. Οι επιφάνειες επαφής των δενδριτών αποτελούν τα όρια των κόκκων. Τα όρια των κόκκων είναι ζώνες ατόμων υψηλότερης ενέργειας σε σχέση με τα άτομα των γειτονικών κόκκων. Εξαιτίας αυτού, η τήξη των καθαρών μετάλλων ξεκινά από τα όρια των κόκκων, τα οποία έχουν χαμηλότερο σημείο τήξης από τον κύριο κρύσταλλο κατά 15°C. Επιπλέον οι διάφορες προσμίξεις που περιέχουν τα μέταλλα καταλαμβάνουν τα όρια των κόκκων, γιατί έχουν την τάση να παραμένουν με το μέταλλο που στερεοποιείται τελευταίο. Ένας μονοκρύσταλλος είναι, γενικά, ανισότροπος. Αντίθετα, ένα πολυκρυσταλλικό μέταλλο είναι, γενικά, ισότροπο, δεδομένου ότι οι κόκκοι έχουν διάφορους προσανατολισμούς και οι ιδιότητες, μετρούμενες σε ένα μεγάλο αριθμό κόκκων, παρουσιάζουν τη μέση τιμή του συνόλου. Η ταχύτητα ψύξης του τήγματος επηρεάζει την μικροκρυσταλλική δομή. Απότομη ψύξη συνεπάγεται τη δημιουργία πολλών πυρήνων και οδηγεί σε λεπτόκοκκο στερεό. Αντίθετα αργή ψύξη οδηγεί σε χοντρόκοκκο στερεό. 2.2. Κράματα Κράμα ονομάζεται κάθε μεταλλικό σώμα που προέρχεται από την ανάμιξη δύο ή περισσότερων χημικών στοιχείων, από τα οποία το ένα τουλάχιστον είναι μέταλλο, ενώ το άλλο μπορεί να είναι επίσης μέταλλο (που είναι και η πιο συνηθισμένη περίπτωση), ή αμέταλλο (όπως π.χ. C, N2). Το πλέον σύνηθες κράμα αυτής της περίπτωσης είναι το κράμα Fe με C. Εάν ο C βρίσκεται σε αναλογία 0,01 – 2 %, το κράμα Fe/C ονομάζεται χάλυβας. Εάν ο C βρίσκεται σε αναλογία 2,5 – 4%, το κράμα Fe/C ονομάζεται χυτοσίδηρος. Τα κράματα δύο συστατικών ονομάζονται διμερή κράματα. Τα κράματα έχουν ιδιότητες σε μικρό ή μεγάλο βαθμό, διαφορετικές από εκείνες των συστατικών τους (π.χ. μηχανική αντοχή, σκληρότητα, αντοχή στη διάβρωση). Ο όρος φάση αναφέρεται σε μια ομογενή περιοχή της ύλης, όπου τόσο η χημική σύσταση, όσο και η κρυσταλλική δομή, κατά συνέπεια και οι ιδιότητες, διατηρούνται ίδιες σε όλη της την έκταση. Αποτελεί τμήμα ενός συστήματος και διαχωρίζεται από τα υπόλοιπα τμήματα του συστήματος από μια επιφάνεια. Στη συνήθη θερμοκρασία τα διάφορα κράματα αποτελούνται από μία ή περισσότερες φάσεις που ο αριθμός τους εξαρτάται κυρίως από τη σύσταση του κάθε κράματος. Η φύση και η κρυσταλλική δομή των στερεών φάσεων των κραμάτων μελετούνται με εξειδικευμένες φυσικοχημικές μεθόδους, οι σπουδαιότερες από τις οποίες είναι η θερμική ανάλυση, η μικροσκοπική ανάλυση και η ακτινανάλυση (ακτίνες Χ). Η συστηματική μελέτη των κραμάτων με τις παραπάνω μεθόδους απέδειξε, ότι σε στερεά κατάσταση, τα κράματα μπορεί να έχουν την ακόλουθη σύσταση: Α) Μεταξύ των μετάλλων που αποτελούν το κράμα σχηματίζεται καθορισμένης αναλογίας χημική ένωση η οποία ονομάζεται διαμεταλλική ένωση. Οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων στις διαμεταλλικές ενώσεις είναι μεταλλικοί δεσμοί και επομένως στις ενώσεις αυτές η αναλογία ατόμων δεν ανταποκρίνεται αναγκαστικά στο σθένος τους. Έτσι ενώ ορισμένες έχουν τύπους που ανταποκρίνονται στο σθένος των ατόμων τους όπως π.χ. Μg2Sη, CuBe, Μg2Ρb, οι περισσότερες από τις διαμεταλλικές ενώσεις έχουν τύπους που δεν ανταποκρίνονται στο σθένος των ατόμων τους, όπως π.χ. Cu5Sη, CοΖη3, Cu9ΑΙ4 κ.ά. Πολλές διαμεταλλικές ενώσεις χαρακτηρίζονται από την ικανότητα που έχουν να διαλύουν σε περίσσεια ένα από τα συστατικά τους. Β) Το στερεό διάλυμα είναι ομογενής κρυσταλλική φάση δύο ή περισσότερων στοιχείων. Όπως στα υγρά διαλύματα, έτσι και στην περίπτωση αυτή, η σύσταση του στερεού διαλύματος είναι μεταβλητή. Υπάρχει επίσης και βαθμός κορεσμού, ο οποίος, όπως και στα υγρά διαλύματα, εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Έτσι π.χ. ο χαλκός διαλύει έως 5% άργυρο, ο μόλυβδος μέχρι - 24 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής 19,1% κασσίτερο, ο κασσίτερος μέχρι 2,5% μόλυβδο, ενώ ο χαλκός και το νικέλιο διαλύονται μεταξύ τους σε οποιαδήποτε αναλογία. Στα κράματα της κατηγορίας αυτής, εάν το μέταλλο που βρίσκεται στη μεγαλύτερη αναλογία θεωρηθεί σαν το διαλυτικό μέσο, το δε άλλο μέταλλο ή άλλα μέταλλα σαν το διαλυμένο σώμα, τότε τα άτομα του διαλυμένου σώματος αντικαθιστούν τυχαία άτομα του διαλυτικού μέσου. Στην κρυσταλλική δομή δηλαδή του στερεού διαλύματος συμβαίνει αντικατάσταση των ατόμων της μιας κρυσταλλικής δομής από άτομα της άλλης. Ένας τέτοιος τύπος στερεού διαλύματος ονομάζεται στερεό διάλυμα αντικατάστασης. Οι ιδιότητες των στερεών διαλυμάτων είναι όμοιες με τις ιδιότητες του διαλυτικού μετάλλου με τη διαφορά ότι συνήθως έχουν μικρότερη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, είναι σκληρότερα και λιγότερο ελατά από το καθαρό μέταλλο. Ένας άλλος τύπος στερεών διαλυμάτων είναι τα καρβίδια, τα υδρίδια, τα βορίδια και τα νιτρίδια. Στα στερεά αυτά διαλύματα τα άτομα του διαλυμένου αμέταλλου στοιχείου βρίσκονται στα διάκενα του κρυσταλλικού πλέγματος του μετάλλου. Επειδή τα διαστήματα μεταξύ των ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα των μετάλλων είναι μικρά, ο τύπος αυτός των στερεών διαλυμάτων, περιορίζεται στη διάλυση στα μέταλλα, αμετάλλων στοιχείων, των οποίων τα άτομα έχουν πάρα πολύ μικρό όγκο, όπως το υδρογόνο, ο άνθρακας, το άζωτο και το βόριο. Ένας τέτοιος τύπος στερεού διαλύματος ονομάζεται στερεό διάλυμα παρεμβολής. Σχήμα 2. α) Κρύσταλλος β) Στερεό διάλυμα αντικατάστασης γ) Στερεό διάλυμα παρεμβολής Γ) Τα κράματα είναι μηχανικά μίγματα φάσεων, οι οποίες μπορούν να είναι καθαρό μέταλλο, στερεό διάλυμα ή διαμεταλλική ένωση. Στην περίπτωση π.χ. του κράματος χαλκού - μολύβδου, καθαρός μόλυβδος είναι διασκορπισμένος σε μορφή μικρών σφαιριδίων μέσα σε χαλκό. Τα κράματα αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από μια αναλογία αναμίξεως των συστατικών του κράματος στην οποία το κράμα παρουσιάζει το ταπεινότερο σημείο τήξεως, το οποίο ονομάζεται ευτηκτικό σημείο. Το κράμα δε που αντιστοιχεί στην αναλογία αυτή ονομάζεται ευτηκτικό. Ένα κράμα μπορεί να παρουσιάζει μια ή και περισσότερες από τις συστάσεις αυτές. 2.3. Καμπύλες ψύξης Ένα υγρό σώμα (τήγμα) ευρισκόμενο σε σταθερή θερμοκρασία περιβάλλοντος, χαμηλότερη του σημείου τήξης, μεταβαίνει στη στερεά κατάσταση. Η καταγραφή της θερμοκρασίας του σώματος συναρτήσει του χρόνου, δίνει την καμπύλη ψύξης του υλικού. Η μορφή της καμπύλης εξαρτάται από τη φύση του σώματος. Οι καθαρές ουσίες, όταν είναι σε κρυσταλλική μορφή, έχουν σε σταθερή πίεση συγκεκριμένο σημείο (θερμοκρασία) πήξης (ή τήξης), που αποτελεί και την ταυτότητα της καθαρής ουσίας (σχήμα 3α). Οι καθαρές ουσίες σε άμορφη κατάσταση δεν έχουν συγκεκριμένο σημείο τήξης, αλλά μεταβαίνουν σταδιακά, καθώς κατέρχεται η θερμοκρασία από την υγρή στη στερεά κατάσταση (σχήμα 3γ). Τα κράματα δεν έχουν συγκεκριμένη θερμοκρασία πήξης (ή τήξης) αλλά - 25 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής χαρακτηρίζονται από μία θερμοκρασία έναρξης και μία θερμοκρασία λήξης της πήξης (ή τήξης) (σχήματα 3β, 3γ). Οι θερμοκρασίες αυτές εξαρτώνται από τη φύση και την εκατοστιαία σύσταση του κράματος. θ Α θ Β Γ θ1 Ε θ Ζ Θ σ.τ. Υ Δ (α) t Κ Μ Λ Η Ι (β) t Ν (γ) t Σχήμα 3. Καμπύλες ψύξης. α) Καθαρή κρυσταλλική ουσία ή κράμα ευτηκτικού τύπου που έχει την ευτηκτική σύσταση. β) Κράμα ευτηκτικού τύπου. γ) Κράμα με πλήρη αναμιξιμότητα των συστατικών του σε στερεά κατάσταση ή άμορφο στερεό. 2.4. Θερμική ανάλυση Η μέθοδος της χημικής ανάλυσης δεν μπορεί στην περίπτωση των κραμάτων να καθορίσει την κρυσταλλική τους δομή, αλλά μόνο την αναλογία των συστατικών τους. Αν υποτεθεί π.χ. ότι γίνεται χημική ανάλυση σε σίδηρο, ο οποίος τη μια φορά ετάκη και αφέθηκε να ψυχθεί μόνος του, ενώ την άλλη φορά ψύχθηκε απότομα από τους 900°C, η χημική ανάλυση και των δύο αυτών δειγμάτων, με τις συνηθισμένες αναλυτικές μεθόδους, θα οδηγήσει στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για τον ίδιο σίδηρο. Στην πραγματικότητα όμως ο σίδηρος που έχει ψυχθεί απότομα από τους 900°C έχει διαφορετική κρυσταλλική δομή και διαφορετικές ιδιότητες. Στα κράματα είναι ακόμα πιο χαρακτηριστική η ανεπάρκεια της χημικής ανάλυσης. Έτσι π.χ. στο κράμα χρυσού – χαλκού, ο χαλκός διαλύεται στο χρυσό και παραμένει διαλυμένος και μετά τη στερεοποίηση, σχηματίζοντας στερεό διάλυμα. Η χημική ανάλυση του κράματος αυτού οδηγεί μόνο στο συμπέρασμα ότι το κράμα αποτελείται από π.χ. 30% χαλκό και 70% χρυσό, χωρίς να μπορεί να καθορίσει εάν ο χρυσός και ο χαλκός αποτελούν ενιαίο κρυσταλλικό είδος, εάν δηλαδή είναι διαμεταλλική ένωση, μίγμα στερεών φάσεων ή στερεό διάλυμα. Για το λόγο αυτό ακριβώς τα κράματα εξετάζονται με μεθόδους όπως η θερμική ανάλυση. Η θερμική ανάλυση βασίζεται στις καμπύλες ψύξης. Για παράδειγμα οι καμπύλες ψύξης στο σχήμα 3 αντιστοιχούν : α) Καμπύλη ψύξης καθαρής κρυσταλλικής ουσίας, όπου ΑΒ τήγμα, Υ έναρξη κρυστάλλωσης (στερεοποίησης) με υστέρηση πήξης, ΒΓ στερεοποίηση στη σταθερή θερμοκρασία του σημείου τήξης (σ.τ.), Γ πέρας στερεοποίησης, ΓΔ στερεό. Η καμπύλη (α) καλύπτει και την περίπτωση στερεοποίησης κράματος ευτηκτικού τύπου που έχει την ευτηκτική σύσταση. Τότε στο σ.τ. αντιστοιχεί η ευτηκτική θερμοκρασία. β) Καμπύλη ψύξης κράματος ευτηκτικού τύπου, με μη αναμιξιμότητα των συστατικών του σε στερεά κατάσταση (π.χ. κράμα Ζη-Cd) ή μερική αναμιξιμότητα των συστατικών του σε στερεά κατάσταση (π.χ. κράμα Pb-Sn), όπου EΖ τήγμα, Ζ έναρξη κρυστάλλωσης, Η το τήγμα που απομένει - 26 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής έχει την ευτηκτική σύσταση, ΗΘ στερεοποίηση τήγματος που έχει την ευτηκτική σύσταση σε σταθερή θερμοκρασία (ευτηκτική θερμοκρασία) με σχηματισμό ευτηκτικών κόκκων, ΘΙ στερεό. γ) Καμπύλη ψύξης κράματος με πλήρη αναμιξιμότητα των συστατικών του σε στερεά κατάσταση π.χ. κράμα Cu-Ni, όπου ΚΛ τήγμα, Λ έναρξη στερεοποίησης, Μ πέρας στερεοποίησης, ΜΝ στερεό. Η καμπύλη (γ) καλύπτει και την περίπτωση στερεοποίησης άμορφου στερεού. 2.5. Διαγράμματα φάσεων κραμάτων Η κατανομή των φάσεων ενός κράματος σε διάφορες θερμοκρασίες και για διάφορες αναλογίες σύστασής του, δίνονται από τα διαγράμματα ισορροπίας των φάσεων. Τα διαγράμματα αυτά προκύπτουν με τη βοήθεια της θερμικής ανάλυσης. Το πλήρες διάγραμμα φάσεων ενός κράματος δύο συστατικών ευτηκτικού τύπου προκύπτει από το σχηματισμό κραμάτων από τα δύο στοιχεία με διάφορες εκατοστιαίες αναλογίες και πειραματικά κατασκευάζεται η καμπύλη της μεταβολής της θερμοκρασίας του καθενός κράματος, σε συνάρτηση με το χρόνο (καμπύλες ψύξης). Ενώνονται τα σημεία Ζ που παριστάνουν την αρχή στερεοποίησης των διαφόρων κραμάτων, καθώς και τα τμήματα ΗΘ τα οποία είναι περιοχές στασιμότητας της θερμοκρασίας (βλ. σχήμα 3β). Για μια ορισμένη αναλογία του κράματος, η καμπύλη ψύξης του είναι όμοια με τη καμπύλη που αντιστοιχεί σε καθαρή κρυσταλλική ουσία (σχήμα 3α). Δηλαδή παρουσιάζει μια στασιμότητα της θερμοκρασίας, σε μια περιοχή, όπου στερεοποιούνται ταυτόχρονα και τα δύο στοιχεία. Η καμπύλη επομένως του κράματος αυτού θα είναι ομαλή χωρίς το τμήμα ΖΗ, το οποίο αντιπροσωπεύει την καθυστέρηση της πτώσης της θερμοκρασίας. Το μίγμα της αναλογίας αυτής είναι το ευτηκτικό κράμα των δύο στοιχείων που αποτελούν το κράμα και η θερμοκρασία όπου παρατηρείται η στασιμότητα (σταθεροποίηση) της θερμοκρασίας είναι η ευτηκτική θερμοκρασία. Προφανώς στο ευτηκτικό κράμα τα σημεία Ζ και Η συμπίπτουν. Zn 1 2 3 4 5 500 oC 425 oC 400 oC 300 oC 275 oC 200 oC Αυξανόμενη περιεκτικότητα σε κάδμιο Σχήμα 4. Καμπύλες ψύξης κραμάτων ψευδαργύρου - καδμίου Το σχήμα 4 παριστάνει ένα τέτοιο πλήρες διάγραμμα του κράματος ψευδαργύρου - καδμίου. Οι καμπύλες 1 - 5 που είναι μεταξύ της καμπύλης Ζη (η οποία αντιστοιχεί στον καθαρό ψευδάργυρο) και της καμπύλης Cd (η οποία αντιστοιχεί στο καθαρό κάδμιο) αντιστοιχούν σε κράματα αυξανόμενης περιεκτικότητας σε κάδμιο. Η καμπύλη 4 αντιστοιχεί στο ευτηκτικό κράμα - 27 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ψευδαργύρου - καδμίου. Στο σχήμα 5 παριστάνεται το διάγραμμα φάσεων του κράματος ψευδαργύρου - καδμίου. Η περιοχή 1 περιλαμβάνει το τήγμα, η περιοχή 2 το τήγμα με κρυστάλλους ψευδαργύρου, η περιοχή 3 το ευτηκτικό μίγμα με κρυστάλλους ψευδαργύρου, η περιοχή 4 το ευτηκτικό μίγμα με κρυστάλλους καδμίου και η περιοχή 5 το τήγμα με κρυστάλλους καδμίου. Η περιοχή 1 είναι μονοφασική περιοχή, ενώ οι περιοχές 2, 3, 4 και 5 διφασικές. Το σημείο Ε είναι το ευτηκτικό σημείο του κράματος και αντιστοιχεί στην ευτηκτική θερμοκρασία και στην ευτηκτική αναλογία (σύσταση). Η ευτηκτική θερμοκρασία (275oC) είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του ευτηκτότερου συστατικού του κράματος (Cd με σ.τ. 320 oC). 500oC 420oC 400oC 1 τήγμα Α 320oC Β 300oC 275oC 2 τήγμα+κρύσταλλοι Zn Ε 5 Γ Δ 3 ευτηκτικό μίγμα + κρύσταλλοι Zn 200oC 0 100 20 80 40 60 60 40 ευτηκτικό μίγμα+ κρύσταλλοι Cd 4 80 20 τήγμα +κρύσταλλοι Cd 100 0 Cd Zn Σχήμα 5. Φάσεις του κράματος ψευδαργύρου - καδμίου Η γραμμή ΑΕΒ ονομάζεται liquidus. Πάνω από την γραμμή αυτή υπάρχει τήγμα. Η γραμμή ΓΕΔ ονομάζεται solidus. Κάτω από την γραμμή αυτή υπάρχει στερεό. Κράματα που έχουν σύσταση αριστερά της ευτηκτικής σύστασης ονομάζονται υποευτηκτικά, ενώ τα κράματα που έχουν σύσταση δεξιά της ευτηκτικής σύστασης ονομάζονται υπερευτηκτικά. Στο σχήμα 5 επίσης φαίνονται οι κόκκοι του κράματος για διάφορες περιεκτικότητες. Το λευκό χρώμα αντιστοιχεί σε καθαρό Cd, ενώ το μαύρο αντιστοιχεί σε καθαρό Ζη. Οι γραμμωτοί κόκκοι αντιστοιχούν σε κράμα που έχει την ευτηκτική σύσταση (ευτηκτικό μίγμα) και διακρίνονται οι επάλληλες στρώσεις Cd (λευκό) και Ζη (μαύρο). Τα παραπάνω διαγράμματα αφορούν στην περίπτωση κατά την οποία δύο μέταλλα, όπως ο ψευδάργυρος και το κάδμιο, σχηματίζουν μίγμα στερεών φάσεων, οι οποίες αποτελούνται από καθαρό μέταλλο. Τα μέταλλα αυτά είναι πλήρως μη αναμίξιμα σε στερεά κατάσταση, δηλαδή παρουσιάζουν μηδενική αμοιβαία διαλυτότητα σε στερεά κατάσταση. Τα διαγράμματα αυτά είναι χαρακτηριστικά για όλα τα κράματα της κατηγορίας αυτής. - 28 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής 2.6. Το διάγραμμα φάσεων του κράματος Sn-Pb Τα κράματα κασσιτέρου – μολύβδου αφορούν στην περίπτωση κατά την οποία δύο μέταλλα, όπως ο Sn και ο Pb, σχηματίζουν μίγμα στερεών φάσεων, οι οποίες αποτελούνται από στερεό διάλυμα. Τα μέταλλα αυτά είναι μερικώς αναμίξιμα σε στερεά κατάσταση, δηλαδή παρουσιάζουν αμοιβαία διαλυτότητα σε στερεά κατάσταση με όρια διαλυτότητας. Τα διαγράμματα αυτά είναι χαρακτηριστικά για όλα τα κράματα της κατηγορίας αυτής. Για παράδειγμα, στο διάγραμμα ισορροπίας φάσεων του κράματος κασσιτέρου – μολύβδου στο σχήμα 6, διακρίνονται η υγρή φάση L (τήγμα) και οι στερεές φάσεις α (στερεό διάλυμα Sn σε Pb) και β (στερεό διάλυμα Pb σε Sn). Επίσης διακρίνονται οι καμπύλες liquidus (ΑΕΔ) και solidus (ΑΒΕΓΔ), καθώς και το ευτηκτικό σημείο Ε (για 61,9 % Sn) στους 183°C. 327oC 300 Α L Ζ ο θ1 C 200 α 183oC 100 Β 19,1 α+L 232oC Ε 61,9 Θ α + ευτηκτικό μίγμα β+L Γ 97,5 β β + ευτηκτικό Λ Κ 0 Δ 30 50 % Sn 100 Σχήμα 6. Διάγραμμα ισορροπίας φάσεων του κράματος Pb – Sn Πάνω από την καμπύλη liquidus υπάρχει τήγμα, ενώ κάτω από την καμπύλη solidus υπάρχει στερεό. Το ευτηκτικό σημείο Ε αντιστοιχεί στην χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορεί να υπάρξει το κράμα σε κατάσταση τήγματος και η αντίστοιχη % σύσταση αποτελεί την ευτηκτική σύσταση. Επίσης φαίνονται οι καμπύλες solvus (KB) και (ΓΛ). Οι καμπύλες solvus είναι καμπύλες διαλυτότητας. Η καμπύλη ΚΒ εκφράζει την διαλυτότητα σε στερεά κατάσταση του Sn μέσα σε Pb συναρτήσει της θερμοκρασίας. Η μέγιστη διαλυτότητα εμφανίζεται στην ευτηκτική θερμοκρασία (183°C) και είναι 19,1% σε Sn. Η καμπύλη ΓΛ εκφράζει την διαλυτότητα σε στερεά κατάσταση του Pb μέσα σε Sn συναρτήσει της θερμοκρασίας. Η μέγιστη διαλυτότητα εμφανίζεται στην ευτηκτική θερμοκρασία (183°C) και είναι 2,5% σε Pb με 97,5% σε Sn. Οι γραμμές liquidus, solidus και solvus ορίζουν τα όρια των φάσεων στο διάγραμμα ισορροπίας φάσεων του κράματος Pb – Sn. Με L συμβολίζεται το τήγμα, με α το στερεό διάλυμα του Sn μέσα στο Pb (σύμβολο (Pb)%Sn) και με β το στερεό διάλυμα του Pb μέσα στο Sn (σύμβολο (Sn)%Pb). Οι περιοχές των στερεών διαλυμάτων (α, β) και του τήγματος (L) είναι μονοφασικές. Οι άλλες περιοχές του διαγράμματος είναι διφασικές. Γενικά οι καμπύλες liquidus και solidus των διαγραμμάτων φάσεων, καταρτίζονται με την παρακολούθηση του ρυθμού μείωσης της θερμοκρασίας του τήγματος ενός μετάλλου ή κράματος όταν βρίσκεται σε σταθερή θερμοκρασία περιβάλλοντος, χαμηλότερη από εκείνη της πήξης του (καμπύλη ψύξης μετάλλου), δηλαδή με τη μέθοδο της θερμικής ανάλυσης. - 29 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Για παράδειγμα η καμπύλη ψύξης ενός κράματος 30% Sn και 70% Pb (βλ. σχήμα 6) έχει τη μορφή της καμπύλης (β) του σχήματος 3. Στο σημείο Ζ του σχήματος 3β αρχίζει η στερεοποίηση του κράματος και είναι σημείο της καμπύλης liquidus (βλ. και σχήμα 6 σημείο Ζ). Στο σημείο Θ του σχήματος 3β έχει ολοκληρωθεί η στερεοποίηση του κράματος και είναι σημείο της καμπύλης solidus (βλ. και σχήμα 6 σημείο Θ). Από τις καμπύλες ψύξης και άλλων κραμάτων Sn-Pb με διάφορες % συστάσεις μπορούν να προσδιοριστούν και τα άλλα σημεία των καμπυλών liquidus και solidus. Ενώνοντας τα σημεία κατασκευάζεται το διάγραμμα φάσεων του κράματος Sn-Pb. Αντίστροφα, αν είναι γνωστή η ποιοτική σύσταση ενός κράματος πχ. Sn-Pb, αλλά όχι η ποσοτική (% περιεκτικότητα), μπορεί να προσδιοριστεί εφόσον είναι διαθέσιμο το διάγραμμα φάσεων. Κατασκευάζεται η καμπύλη ψύξης του κράματος που έχει την μορφή της καμπύλης (β) του σχήματος 3. Από το σημείο Ζ της καμπύλης προσδιορίζεται η αντίστοιχη θερμοκρασία θ1. Στη συνέχεια στο διάγραμμα φάσεων (σχήμα 6) φέρεται από το θ1 ευθεία παράλληλη στον οριζόντιο άξονα και από το σημείο τομής της ευθείας με την liquidus (σημείο Ζ) προσδιορίζεται η % σύσταση του κράματος. 2.7. Υπολογισμός του είδους των φάσεων Υποθέτοντας ένα κράμα 30% σε Sn και 70% σε Pb βρίσκεται σε θερμοκρασία 200°C, στο σχήμα 7 η θέση του αντιστοιχεί στο σημείο Ζ που βρίσκεται σε διφασική περιοχή (α + L). Δηλαδή το κράμα αποτελείται από δύο φάσεις, αφενός στερεό διάλυμα Sn μέσα σε Pb (α) και αφετέρου τήγμα (L). Από το σημείο Ζ φέρεται το ευθύγραμμο τμήμα ΒΘ παράλληλο προς τον άξονα των x. Τα σημεία Β και Θ είναι στα όρια της διφασικής περιοχής (α + L) και το Β αντιστοιχεί στο στερεό διάλυμα (α) και το Θ στο τήγμα (L). Φέροντας από το Β την κάθετο προς τον άξονα των x βρίσκεται ότι η περιεκτικότητα του στερεού διαλύματος (α) είναι 17% σε Sn και αυτή η φάση συμβολίζεται (Pb)17. Φέροντας από το Θ την κάθετο προς τον άξονα των x βρίσκεται η περιεκτικότητα του τήγματος (L) 50% σε Sn και αυτή η φάση συμβολίζεται (L)50. Με ανάλογο τρόπο σε κάθε διφασική περιοχή, μπορεί να βρεθούν τα είδη των φάσεων και η χημική σύσταση της κάθε φάσης. o 327 C 300 θ1 οC 200 100 Α L α α+L Β 232 oC Ζ Θ α + ευτηκτικό μίγμα Ε 61,9 β+L Γ 97,5 β Δ β + ευτηκτικό μίγμα Λ 17 % Sn 50 Σχήμα 7. Υπολογισμός του είδους των φάσεων από το διάγραμμα φάσεων - 30 - 100 ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής 2.8. Υπολογισμός της ποσότητας των φάσεων. Ο κανόνας του μοχλού. Για τον υπολογισμό των ποσοτήτων των δύο φάσεων (Pb)17 και (L)50 ισχύει: (Pb)17 + (L)50 = 100 (1) Εφαρμόζοντας το θεώρημα των ροπών (κανόνας του μοχλού) ως προς το σημείο Ζ ισχύει : (Pb)17 . ΒΖ = (L)50 . ΖΘ (2) Η σχέση (2) γράφεται υπό μορφή αναλογίας : (Pb)17 ΖΘ = (L)50 ΒΖ (3) Εφαρμόζοντας ιδιότητα των αναλογιών η (3) γίνεται : (Pb)17 ΖΘ = (L) 50 + (Pb)17 ΒΖ + ΖΘ (4) Από τις σχέσεις (1) και (4) τελικά προκύπτει : (Pb)17 = (ΖΘ/ΒΘ).100 (L)50 = 100 - (Pb)17 Μετρώντας τα ευθύγραμμα τμήματα πάνω στον άξονα των x προκύπτει: ΖΘ = 50 – 30 και ΒΘ = 50 – 17 και τελικά : (Pb)17 = 60,61% και (L)50 = 39,39%. (5) (6) 2.9. Υπολογισμός του είδους και της ποσότητας των φάσεων μέσα στους κόκκους Δίνεται κράμα αποτελούμενο από Sn και Pb με περιεκτικότητα 61,9% σε Sn (ευτηκτική σύσταση). Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τήγμα που έχει την ευτηκτική σύσταση, στερεοποιείται σε σταθερή θερμοκρασία 183°C (ευτηκτική θερμοκρασία). Οι κόκκοι που σχηματίζονται από τη στερεοποίηση του ευτηκτικού τήγματος είναι διφασικοί, αποτελούμενοι από επάλληλες στρώσεις στερεού διαλύματος Sn μέσα σε Pb (α) και στερεού διαλύματος Pb μέσα σε Sn (β). Οι επάλληλες αυτές στρώσεις στο μεταλλογραφικό μικροσκόπιο εμφανίζονται σαν γραμμώσεις. 327oC 300 Α θ1 C α 200 100 0 Β 232 oC Ζ Θ α + ευτηκτικό μίγμα Κ 2 25oC L α+L ο Ε 61,9 Δ β + ευτηκτικό μίγμα Ν Μ 30 β+L Γ 97,5 β % Sn 50 Π 99,5 Λ 100 Σχήμα 8. Υπολογισμός του είδους και της ποσότητας των φάσεων μέσα στους κόκκους Έστω ότι η θερμοκρασία του κράματος είναι 183-°C, δηλαδή οριακά κάτω από την ευτηκτική θερμοκρασία. Η θέση του κράματος στο διάγραμμα φάσεων είναι οριακά κάτω από την solidus, δηλαδή το κράμα έχει στερεοποιηθεί. Για να βρούμε την ποσότητα κάθε μιας από τις δύο φάσεις - 31 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής (Pb)19,1 και (Sn)2,5 που αποτελούν τους σχηματισθέντες κόκκους, εφαρμόζουμε τον κανόνα του μοχλού : 97,5-61,9 ( Pb)19,1 = 100 = 45, 4% (7) 97,5-19,1 (Sn)2,5 = 100 – 45,4 = 54,6 % (8) Εάν η θερμοκρασία του παραπάνω κράματος κατεβεί στους 25°C, η θέση του κράματος στο διάγραμμα φάσεων είναι στο σημείο Μ (βλ. σχήμα 8). Το κράμα είναι σε διφασική περιοχή και η ευθεία η παράλληλη προς τον άξονα των x τέμνει τα όρια της περιοχής (καμπύλες solvus) στα σημεία Κ και Λ. Από τις καμπύλες solvus φαίνεται ότι η διαλυτότητα του Sn στον Pb έχει μειωθεί από 19,1% που ήταν στους 183°C σε 2% και η διαλυτότητα του Pb στον Sn έχει μειωθεί από 2,5% που ήταν στους 183°C σε 0,5%. Για τον υπολογισμό της ποσότητας κάθε μιας από τις δύο φάσεις (Pb)2 και (Sn)0,5 που αποτελούν τους κόκκους στους 25°C, εφαρμόζεται ο κανόνας του μοχλού : ΜΛ 99,5-61,9 ( Pb) 2 = 100 = 100 = 38, 6% (9) ΚΛ 99,5-2 (Sn)0,5 = 100 – 38,6 = 61,4 % (10) Δίνεται κράμα Pb/Sn με περιεκτικότητα σε Sn 19,1%. Το κράμα αυτό σε θερμοκρασία 183-°C έχει στερεοποιηθεί και οι σχηματισθέντες κόκκοι είναι ομογενείς μονοφασικοί (το κράμα βρίσκεται οριακά στην μονοφασική περιοχή του στερεού διαλύματος τύπου α). Η φάση από την οποία αποτελούνται οι κόκκοι είναι η (Pb)19,1. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες το παραπάνω κράμα εισέρχεται σε διφασική περιοχή, γιατί όπως φαίνεται από την καμπύλη solvus η διαλυτότητα του Sn στον Pb μειώνεται και η επιπλέον ποσότητα του Sn που δεν μπορεί να διαλυθεί στον Pb αποβάλλεται στα όρια των κόκκων υπό μορφή στερεού διαλύματος τύπου β. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος π.χ. 25 °C η θέση του παραπάνω κράματος στο διάγραμμα φάσεων αντιστοιχεί στο σημείο Ν (βλ. σχήμα 8). Οι μονοφασικοί (ομογενείς) στους 183°C κόκκοι έχουν διασπαστεί και είναι διφασικοί (ετερογενείς). Από το σημείο Ν φέρουμε ευθεία παράλληλη προς τον άξονα των x, που τέμνει τα όρια της διφασικής περιοχής στα σημεία Κ και Λ. Οι δύο φάσεις που αποτελούν τους κόκκους είναι (Pb)2 και (Sn)0,5. Για τον υπολογισμό της ποσότητας κάθε μιας από τις δύο φάσεις (Pb)2 και (Sn)0,5 που αποτελούν τους κόκκους στους 25°C, εφαρμόζεται ο κανόνας του μοχλού : ΝΛ 99,5-19,1 ( Pb) 2 = 100 = 100 = 82,5% (11) ΚΛ 99,5-2 (Sn)0,5 = 100 – 82,5 = 17,5 % (12) Δίνεται κράμα Pb/Sn με περιεκτικότητα σε Sn 97,5%, άρα 2,5% σε Pb. Το κράμα αυτό σε θερμοκρασία 183-°C έχει στερεοποιηθεί και οι σχηματισθέντες κόκκοι είναι ομογενείς μονοφασικοί (το κράμα βρίσκεται οριακά στην μονοφασική περιοχή του στερεού διαλύματος τύπου β). Η φάση από την οποία αποτελούνται οι κόκκοι είναι η (Sn)2,5. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες το παραπάνω κράμα εισέρχεται σε διφασική περιοχή, γιατί όπως φαίνεται από την καμπύλη solvus η διαλυτότητα του Pb στον Sn μειώνεται και η επιπλέον ποσότητα του Pb που δεν μπορεί να διαλυθεί στον Sn αποβάλλεται στα όρια των κόκκων υπό μορφή στερεού διαλύματος τύπου α. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος π.χ. 25°C η θέση του παραπάνω κράματος στο διάγραμμα φάσεων αντιστοιχεί στο σημείο Π (βλ. σχήμα 8). Οι μονοφασικοί (ομογενείς) στους 183°C κόκκοι έχουν διασπαστεί και είναι διφασικοί (ετερογενείς). Από το σημείο Π φέρουμε ευθεία παράλληλη - 32 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής προς τον άξονα των x, που τέμνει τα όρια της διφασικής περιοχής στα σημεία Κ και Λ. Οι δύο φάσεις που αποτελούν τους κόκκους είναι (Pb)2 και (Sn)0,5. Για να βρούμε την ποσότητα κάθε μιας από τις δύο φάσεις (Pb)2 και (Sn)0,5 που αποτελούν τους κόκκους στους 25°C, εφαρμόζουμε τον κανόνα του μοχλού: ΠΛ 99,5-97,5 ( Pb) 2 = 100 = 100 = 2, 05% (13) ΚΛ 99,5-2 (Sn)0,5 = 100 – 2,05 = 97,95 % (14) 2.10. Συγκολλήσεις τύπου Soldering Η τεχνολογία των ψυχρών κολλήσεων ή των συγκολλήσεων soldering χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές, από κολλήσεις ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε ηλεκτρονικές πλακέτες έως κολλήσεις σε βιομηχανικούς εναλλάκτες θερμότητας. Με την τεχνική soldering συγκολλούνται δύο υλικά με τη χρήση ενός τρίτου συγκολλητικού υλικού, το οποίο με την τήξη του επιτυγχάνει τη συγκόλληση χωρίς να τακούν τα προς συγκόλληση υλικά. Όταν τα συγκολλητικά υλικά που χρησιμοποιούνται, τήκονται κάτω από τους 450°C, η συγκόλληση ονομάζεται soldering. Όταν η θερμοκρασία τήξης υπερβαίνει τους 450°C, η συγκόλληση ονομάζεται brazing. Οι χημικές συστάσεις και οι μηχανικές ιδιότητες των συγκολλητικών κραμάτων καλύπτονται από διεθνείς προδιαγραφές. Στις Η.Π.Α. χρησιμοποιείται η προδιαγραφή ASTM B32 (ASTM B3208 Standard Specification for Solder Metal), ενώ στην ΕΕ η προδιαγραφή ISO/DIS 9453 (ISO/DIS 9453 Soft solder alloys - Chemical compositions and forms). Τα συγκολλητικά κράματα υψηλού μολύβδου, που περιέχουν 5-20% κ.β. Sn, χρησιμοποιούνται στην μικροηλεκτρονική ή σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Έχουν μεγάλη περιοχή τήξης, γεγονός που τους προσδίδει δυνατότητα μορφοποίησης. Τα συγκολλητικά υλικά με την πιο ευρεία χρήση είναι το ευτηκτικό κράμα Pb-63Sn, καθώς και τα κράματα Pb-60Sn και Pb50Sn. Αυτά τα κράματα χρησιμοποιούνται τόσο σε ηλεκτρονικές (συναρμολόγηση ηλεκτρονικών πλακετών) όσο και σε δομικές εφαρμογές, όπως η συγκόλληση αγωγών μη πόσιμου νερού και αερίων. Η μικρή περιοχή τήξης περιορίζει την διαμορφωσιμότητά τους. Κράματα με υψηλότερο ποσοστό Sn (65-100%Sn), έχουν περιορισμένες εφαρμογές κυρίως λόγω του γεγονότος ότι το ίδιο εύρος τήξης επιτυγχάνεται με τα ποιο οικονομικά κράματα που είναι πλούσια σε Pb. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει παγκόσμιο ενδιαφέρον για την απομάκρυνση τοξικών στοιχείων από ηλεκτρονικά προϊόντα ευρείας χρήσεως. Αυτό έχει οδηγήσει σε αντίστοιχες προσπάθειες αντικατάστασης του μολύβδου στα συγκολλητικά κράματα που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρονική βιομηχανία. Οι προσπάθειες αυτές εστιάζονται στην ανάπτυξη συγκολλητικών κραμάτων χωρίς μόλυβδο (lead-free solder alloys) για την αντικατάσταση του κλασσικού κράματος Pb-Sn. Τα μεταλλικά στοιχεία που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τον Pb είναι μέταλλα χαμηλού σημείου τήξης όπως τα Bi, Sb και In, καθώς και εκείνα που σχηματίζουν ευτηκτικό σημείο με τον κασσίτερο όπως τα Ag και Cu. 2.11. Θερμικές ιδιότητες Κατά την απορρόφηση ποσού θερμότητας dQ από ένα υλικό, η θερμοκρασία του αυξάνεται κατά dT. Το διαφορικό πηλίκο (dQ/dT) ονομάζεται θερμοχωρητικότητα ή ειδική θερμότητα: dQ (15) C= dT Αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να προκληθεί είτε υπό σταθερό όγκο, είτε υπό σταθερή πίεση (Cp). Ισχύει ότι ειδική θερμότητα = θερμοχωρητικότητα / ατομικό βάρος. Οι - 33 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής μονάδες μέτρησης της θερμοχωρητικότητας στο S.I. είναι J/mol.K, ενώ οι μονάδες μέτρησης της ειδικής θερμότητας στο ίδιο σύστημα J/g.K. Χρησιμοποιώντας το συντελεστή μετατροπής joule σε cal (1 J/g = 0,24 cal/g) και μετατρέποντας τους βαθμούς Κ σε βαθμούς °C, η ειδική θερμότητα εκφράζεται σε μονάδες cal/g·°C. Η θερμική ενέργεια Q (σε cal) που απαιτείται για την ανύψωση της θερμοκρασίας κατά ΔΤ (σε °C), ενός σώματος μάζας m (σε g), που έχει ειδική θερμότητα Cp (cal/g·°C), δίνεται από τη σχέση: Q = m · Cp · ΔΤ (16) Για τη μετάβαση μιας ορισμένης ποσότητας υλικού από τη στερεά στην υγρή κατάσταση, απαιτείται η πρόσδοση ορισμένου ποσού θερμότητας. Η ποσότητα της θερμότητας αυτής ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα τήξης, εξαρτάται από το είδος του υλικού και είναι ανάλογη της μάζας του υλικού που τήκεται (αναφερόμαστε συνήθως στη λανθάνουσα θερμότητα ανά μονάδα μάζας). Λέγεται "λανθάνουσα θερμότητα", διότι η απορρόφησή της δεν αυξάνει τη θερμοκρασία του υλικού, αλλά ξοδεύεται στη μετατροπή του από στερεό σε υγρό. Καθ' όλη τη διάρκεια της τήξης, η θερμοκρασία του υλικού παραμένει σταθερή και ίση με τη θερμοκρασία τήξης. Η ειδική λανθάνουσα θερμότητα (LF) (σε kJ/kg) είναι η απαιτούμενη ποσότητα ενέργειας για τη μετατροπή 1 kg υλικού από τη στερεή κατάσταση στην υγρή (ή αντίστροφα) χωρίς αλλαγή θερμοκρασίας. Η λανθάνουσα θερμότητα τήξης QL (σε KJ) δίνεται από τη σχέση: QL = m · LF (17) όπου, m μάζα (σε kg) και LF ειδική λανθάνουσα θερμότητα (σε KJ/kg). Αν η ειδική λανθάνουσα θερμότητα εκφραστεί σε cal/g και η μάζα σε g, τότε η λανθάνουσα θερμότητα τήξης δίνεται σε cal/g. 2.12. Πειραματικό μέρος Σκοπός της άσκησης είναι η κατασκευή των καμπυλών ψύξης διαφόρων κραμάτων Sn/Pb γνωστής % χημικής σύστασης (% κ.β.), καθώς και των καμπυλών ψύξης καθαρού Pb και Sn. Στη συνέχεια με τη βοήθεια των παραπάνω καμπυλών κατασκευάζεται το διάγραμμα φάσεων του κράματος Sn/Pb. Με διαθέσιμο το διάγραμμα φάσεων προσδιορίζεται ακολούθως η % χημική σύσταση κράματος Sn/Pb, άγνωστης περιεκτικότητας (θερμική ανάλυση). 2.12.1. Πειραματική διάταξη Η πειραματική διάταξη αποτελείται από χωνευτήριο εντός του οποίου βρίσκεται ποσότητα κράματος ή καθαρού μετάλλου, τρίποδα, λύχνο υγραερίου, λαβίδα, ηλεκτρονικό θερμόμετρο (NiCr/Ni) και χρονόμετρο. Για την μέτρηση της θερμοκρασίας στην κατασκευή των καμπυλών ψύξης χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικά θερμόμετρα. Τα ηλεκτρονικά θερμόμετρα βασίζονται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Θερμοηλεκτρικό φαινόμενο ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο αναπτύσσεται ηλεκτρική τάση (διαφορά δυναμικού) στα άκρα συστήματος δύο διαφορετικών μετάλλων που βρίσκονται σε επαφή. Η τάση αυτή αυξάνεται όταν ανέρχεται η θερμοκρασία στην περιοχή της επαφής των δύο μετάλλων. Το σύστημα των δύο μετάλλων λέγεται θερμοστοιχείο. Το ζεύγος των δύο μετάλλων μαζί με το βολτόμετρο, βαθμονομημένο σε κλίμακα θερμοκρασιών, αποτελούν το ηλεκτρικό ή ηλεκτρονικό θερμόμετρο. - 34 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής αντισταθμιστικός αγωγός θερμοζεύγος Ψηφιακό θερμόμετρο κράμα χρονόμετρο λύχνος Σχήμα 9. Πειραματική διάταξη κατασκευής καμπυλών ψύξης 2.12.2. Εκτέλεση του πειράματος Το χωνευτήριο με το στερεοποιημένο κράμα τοποθετείται με τη βοήθεια της λαβίδας στον τρίποδα. Καταγράφεται η % σύσταση του κράματος. Το κράμα θερμαίνεται μέχρι τήξεως και μετά την τήξη η θέρμανση συνεχίζεται για 3 min τουλάχιστον. Ο λύχνος σβήνεται και το θερμοζεύγος βυθίζεται στο τηγμένο κράμα. Τη χρονική στιγμή t=0 καταγράφεται η θερμοκρασία και ταυτόχρονα τίθεται σε λειτουργία το χρονόμετρο. Ανά 5 sec καταγράφεται η πτώση της θερμοκρασίας έως ότου το κράμα φθάσει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Στη συνέχεια ο λύχνος ανάβει και θερμαίνεται το κράμα μέχρι τήξεως, έτσι ώστε το θερμοζεύγος να αποσπασθεί από το στερεοποιημένο κράμα. Απομακρύνεται με τη λαβίδα το χωνευτήριο από τον τρίποδα και τοποθετείται νέο χωνευτήριο με κράμα διαφορετικής σύστασης. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για κράματα διαφόρων γνωστών % χημικών συστάσεων, για καθαρό Pb, για καθαρό Sn και για ένα κράμα άγνωστης % χημικής σύστασης. Για κάθε περίπτωση οι μετρήσεις συγκεντρώνονται σε πίνακα με τρεις στήλες, ως εξής: "χρόνος", "ενδείξεις θερμομέτρου", "διορθωμένη θερμοκρασία" (αν απαιτείται διόρθωση). 2.12.3. Επεξεργασία μετρήσεων 1. Για τον καθαρό Pb, τον καθαρό Sn και για κάθε κράμα γνωστής % περιεκτικότητας κατασκευάζεται σε μιλιμετρέ χαρτί διάγραμμα απόψυξης T(°C) = f(t, sec) με άξονες (Χ) = χρόνος, (Υ) = θερμοκρασία. Κάθε αλλαγή στις καμπύλες απόψυξης (π.χ. σταθεροποίηση θερμοκρασίας, αλλαγή κλίσης), αποτελεί μια κρίσιμη θερμοκρασία. 2. Από τα προηγούμενα διαγράμματα βρίσκονται όλες οι κρίσιμες θερμοκρασίες, όπως το σημείο τήξης του Pb και Sn, οι θερμοκρασίες έναρξης και λήξης της πήξης των κραμάτων, καθώς και οι υπόλοιπες θερμοκρασίες solvus. 3. Κατασκευάζεται το διάγραμμα φάσεων του κράματος Sn-Pb. 4. Για το κράμα με άγνωστη % περιεκτικότητα κατασκευάζεται το πειραματικό διάγραμμα απόψυξης. Εντοπίζονται οι κρίσιμες θερμοκρασίες και μετά τις απαραίτητες διορθώσεις, προσδιορίζεται η % κ.β. χημική σύσταση του κράματος. 5. Για τα καθαρά μέταλλα, Sn και Pb, δίνονται τα ακόλουθα: • ΑΒSn=118,7, ΑΒPb=207,2 • Πυκνότητα στους 20°C dSn=7,3 g/cm³, dPb=11,34 g/cm³ - 35 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής • Σημείο τήξης σ.τ.Sn=232°C, σ.τ.Pb=327°C • LF,Sn=59,2 KJ/kg=1720 cal/mol=14,49 cal/g, LF,Pb=24,5 kJ/kg=1224 cal/mol=5,90 cal/g • CpSn=5,05+0,00480(273+T°C) cal/K.mol, CpPb=5,77+0,00202(273+T°C) cal/K.mol Από την καμπύλη ψύξης των καθαρών μετάλλων, υπολογίστε τα ποσά της θερμότητας που απαιτούνται στα τρία τμήματα της καμπύλης: α) τήγμα, β) στερεοποίηση, γ) στερεό. 2.13. Βιβλιογραφία 1. Ε.Φουντουκίδης, Εργαστηριακές ασκήσεις Χημικής και Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας, εκδ. Πουκαμισάς, Πειραιάς, 2009. 2. Α.Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, 8η εκδ, Πάτρα, 2008. 3. Γ.Χρυσουλάκης, Δ.Παντελής, Επιστήμη και Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών, εκδ. Παπασωτηρίου, Αθήνα 2003. 4. Α.Βατάλης, Επιστήμη & Τεχνολογία Υλικών, 2η εκδ, εκδ. Ζήτη, Θες/κη 2009. 5. Γ.Χαϊδεμενόπουλος, Φυσική Μεταλλουργία, εκδ. Τζιόλα, Αθήνα, 2007. 6. Π.Πετρόπουλου, Μεταλλουργία, εκδ. Ιδρύματος Ευγενίδου, Αθήνα, 1992. 7. Α.Κορωναίος, Γ. Πουλάκος, Τεχνικά Υλικά, Τόμος 4, Ε.Μ.Π., Αθήνα 2006. 8. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6th ed, McGraw-Hill, 1984. 9. Γ.Χαϊδεμενόπουλος, Εισαγωγή στις συγκολλήσεις, εκδ. Τζιόλα, Αθήνα, 2010. - 36 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 3. ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ ΧΑΛΥΒΑ ΟΠΛΙΣΜΟΥ 3.1.1. Δοκιμή εφελκυσμού Η δοκιμή του εφελκυσμού είναι η συνηθέστερη μηχανική δοκιμή. Συνίσταται στην υποβολή δοκιμίου, του προς χαρακτηρισμό υλικού, σε εφελκυστική καταπόνηση κατά τη διάρκεια της οποίας καταγράφεται η προκαλούμενη επιμήκυνση Δl. Εφελκυσμός ονομάζεται η καταπόνηση δοκιμίου, όταν οι εφαρμοζόμενες δυνάμεις F, που είναι ίσες και αντίθετες, ενεργούν κατά μήκος του άξονα του δοκιμίου, τείνουν δε να αυξήσουν το μήκος του. Θλίψη ονομάζεται η αντίθετη του εφελκυσμού καταπόνηση, δηλαδή όταν οι ίσες και αντίθετες δυνάμεις F τείνουν να ελαττώσουν το μήκος του δοκιμίου. Το μηχάνημα εφελκυσμού είναι κατασκευασμένο έτσι ώστε, να προκαλεί την επιμήκυνση του υλικού με έναν σταθερό ρυθμό, να μετράει το φορτίο που εφαρμόζεται στο υλικό, καθώς επίσης και τις προκαλούμενες επιμηκύνσεις (με τη βοήθεια του επιμηκυνσιόμετρου). Η δοκιμασία εφελκυσμού διαρκεί μικρό χρόνο και είναι καταστρεπτική, εφόσον το υλικό παραμορφώνεται μόνιμα και σπάει. Το εφαρμοζόμενο φορτίο και η αντίστοιχη επιμήκυνση καταγράφονται και σχεδιάζεται η λεγόμενη καμπύλη τάσης εφελκυσμού-παραμόρφωσης. Τα δοκίμια εφελκυσμού είναι συνήθως ράβδοι κυκλικής διατομής ή ελάσματα τυποποιημένων διαστάσεων. Η επιμήκυνση μετράται στο κεντρικό τμήμα του δοκιμίου που έχει σταθερή διατομή, ανάμεσα σε δύο χαραγές αναφοράς, που καθορίζουν το ωφέλιμο μήκος του δοκιμίου. Τα άκρα του δοκιμίου, με τα οποία θα συγκρατηθεί στις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού, έχουν ισχυρότερη διατομή. Τα τυποποιημένα χαρακτηριστικά των κυλινδρικών δοκιμίων εφελκυσμού κυκλικής διαμέτρου φαίνονται στον πίνακα 1. Πίνακας 1. Τυποποίηση διαστάσεων κυλινδρικών δοκιμίων εφελκυσμού Ευρώπη lo=10·do ή lo=5·do Η.Π.Α. lo=4·do με ή lo=2 in ή lo=1/2 in Αγγλία lo=3,54·do με ή lo=2 in ή lo=0,564 in Το απαιτούμενο φορτίο που παράγει μια ορισμένη επιμήκυνση καταγράφεται καθώς το δοκίμιο εφελκύεται με σταθερό ρυθμό. Προκύπτει έτσι η καμπύλη τάσης - παραμόρφωσης, που δίνεται στο σχήμα 1. Η μηχανική τάση, f σε MPa (N/mm²), ορίζεται ως: F (1) f = A όπου F (σε N) είναι η δύναμη εφελκυσμού και A (σε mm²) η αρχική διατομή του δοκιμίου. Η παραμόρφωση είναι η αύξηση του μήκους του δοκιμίου ανά μονάδα μήκους δοκιμής. Η μηχανική παραμόρφωση, ε, ή ειδική επιμήκυνση (ε%), ορίζεται ως: l − lo Δl (2) ε= = lo lo όπου l το μήκος του δοκιμίου για δεδομένο φορτίο και lο το αρχικό (μηδενική τάση) μήκος του δοκιμίου. Η καμπύλη του σχήματος, υποδιαιρείται σε δύο διακεκριμένες περιοχές: (1) Ελαστικής παραμόρφωσης και (2) Πλαστικής παραμόρφωσης. Ελαστική χαρακτηρίζεται η προσωρινή παραμόρφωση που αναιρείται τελείως όταν πάψει να υπάρχει η αιτία (το φορτίο) που την προκάλεσε, το δε δοκίμιο επανέρχεται στην αρχική του - 37 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής κατάσταση. Η ελαστική περιοχή της καμπύλης του σχήματος είναι το αρχικό γραμμικό της τμήμα. Πλαστική είναι η μόνιμη παραμόρφωση που παραμένει και μετά την άρση της αιτίας που την προκάλεσε. Η πλαστική περιοχή είναι το μη γραμμικό τμήμα της καμπύλης και αρχίζει μόλις η ολική τάση υπερβεί το όριο ελαστικότητας. Το σχήμα 1 συνοψίζει τις βασικές μηχανικές ιδιότητες που προσδιορίζονται από ένα πείραμα εφελκυσμού. Η κλίση της καμπύλης τάσης – παραμόρφωσης στην ελαστική περιοχή είναι το μέτρο ελαστικότητας, Ε, ή μέτρο Young. Η γραμμικότητα της καμπύλης τάσης – παραμόρφωσης στην ελαστική περιοχή είναι η γραφική παράσταση του νόμου του Hooke: σ=E·ε (3) όπου Ε, το μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσμό ή μέτρο Young. Το μέτρο ελαστικότητας Ε εκφράζει την ακαμψία του υλικού, δηλαδή την αντίσταση σε ελαστική παραμόρφωση. Το όριο διαρροής, όπως και το Ε, έχει μεγάλη πρακτική σημασία. Εκφράζει την αντίσταση του υλικού σε μόνιμη παραμόρφωση και δείχνει την ευκολία με την οποία ένα μέταλλο μπορεί να μορφοποιηθεί. Ένας άλλος όρος πρακτικού ενδιαφέροντος είναι η εναπομένουσα τάση, που ορίζεται ως η τάση που παραμένει στο υλικό μετά την απομάκρυνση όλων των εφαρμοζόμενων φορτίων. Αυτό συμβαίνει συνήθως μετά από διάφορες θερμομηχανικές κατεργασίες. Τάση 3 2 1 5 4 παραμόρφωση Σχήμα 1. Οι βασικές μηχανικές ιδιότητες που προσδιορίζονται από ένα πείραμα εφελκυσμού. 1. μέτρο ελαστικότητας, 2. όριο διαρροής, 3. αντοχή σε εφελκυσμό, 4. πλαστιμότητα, 5. συνεκτικότητα. Η μηχανική τάση συνεχίζει να αυξάνεται μέχρι ενός μεγίστου, που ονομάζεται αντοχή σε εφελκυσμό. Μετά την αντοχή σε εφελκυσμό, το δοκίμιο αρχίζει να δημιουργεί «λαιμό», που ορίζεται ως ο εντοπισμός της παραμόρφωσης σε μια μικρή περιοχή του δοκιμίου και η μηχανική τάση στο διάγραμμα του σχήματος μειώνεται. Αυτή η μείωση της τάσης συμβαίνει διότι η μηχανική τάση και η παραμόρφωση ορίζονται σε σχέση με τις αρχικές διαστάσεις του δοκιμίου. Η τάση συνεχίζει να αυξάνεται μέχρι τη θραύση του δοκιμίου. Μια άλλη σημαντική μηχανική ιδιότητα που προσδιορίζεται με τη δοκιμασία του εφελκυσμού είναι η πλαστιμότητα, που εκφράζει το μέγεθος της πλαστικής παραμόρφωσης που μπορεί να υποστεί ένα υλικό χωρίς να θραυστεί. Η πλαστιμότητα εκφράζεται είτε ως επί τοις εκατό επιμήκυνση κατά τη θραύση ή επί τοις εκατό μείωση της διατομής κατά τη θραύση. Ο συνδυασμός πλαστιμότητας και αντοχής περιγράφεται από τον όρο συνεκτικότητα ή δυσθραυστότητα, η οποία προσδιορίζεται από τη δοκιμή εφελκυσμού, ως το εμβαδόν της επιφάνειας κάτω από την καμπύλη - 38 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής τάσης-παραμόρφωσης μέχρι το σημείο θραύσης. Η δυσθραυστότητα αποτελεί μέρος της απαιτούμενης ενέργειας ανά μονάδα όγκου για τη θραύση του υλικού και εκφράζει την ικανότητα του υλικού να απορροφά ενέργεια μέχρι τη θραύση. Φορτίο Φορτίο 3.1.2. Καμπύλες εφελκυσμού Η καταγραφή της καμπύλης F = f(Δl) ή σ = f(ε) είναι χαρακτηριστική κάθε μεταλλικού υλικού. Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται δύο είδη καμπυλών εφελκυσμού που αντιστοιχούν στα δύο κύρια είδη δυνατής συμπεριφοράς των υλικών σε εφελκυσμό: Στην περίπτωση που το υλικό συμπεριφέρεται ως ψαθυρό, δεν υπάρχει πλαστική περιοχή, διότι η θραύση επέρχεται πριν την παραμόρφωση (σχήμα 2α). Παρατηρείται στον φαιό χυτοσίδηρο, σε χάλυβες μετά από βαφή και χωρίς ανόπτηση κ.λ.π. Στην περίπτωση που το υλικό συμπεριφέρεται ως όλκιμο, η μόνιμη παραμόρφωση που πραγματοποιείται συνοδεύεται συνήθως από σκλήρυνση του υλικού (σχήμα 2β). Η συμπεριφορά αυτή χαρακτηρίζει την πλειονότητα μετάλλων και κραμάτων. Επιμήκυνση (β) Επιμήκυνση (α) Σχήμα 2. Χαρακτηριστική συμπεριφορά σε εφελκυσμό: (α) συμπεριφορά ψαθυρού υλικού, (β) συμπεριφορά όλκιμου υλικού. Το όριο διαρροής είναι συνήθως η μέγιστη τάση που επιτρέπεται να παραλάβει μια κατασκευή, διότι πέρα από αυτό υπάρχει μόνιμη παραμόρφωση. Για ασφάλεια χρησιμοποιείται ο λεγόμενος Συντελεστής Ασφαλείας, ο οποίος είναι πάντοτε μεγαλύτερος της μονάδας, ώστε να υποβαθμίσει το όριο διαρροής κατά συγκεκριμένο ποσοστό, ανάλογα με την κάθε περίπτωση. Κατά αυτό το τρόπο ελαττώνεται η πιθανότητα αστοχίας υλικού σε περίπτωση καταπόνησης που θα ξεπεράσει τη μέγιστη επιτρεπτή λόγω βλάβης, λάθους ή ατυχήματος. Το όριο διαρροής δεν πρέπει να συγχέεται με το όριο καταστροφικής αστοχίας ενός υλικού. Ορισμένες φορές η υπέρβαση του ορίου διαρροής, τοπικά σε κάποιες θέσεις μιας κατασκευής, μπορεί να είναι αποδεκτή/επιτρεπτή. Πρέπει όμως να εξασφαλίζεται η ασφάλεια, ευστάθεια και λειτουργικότητα ολόκληρης της κατασκευής ως προς το μέγιστο φορτίο σχεδιασμού (π.χ. σεισμική φόρτιση). Το όριο διαρροής εξαρτάται από τη φύση του υλικού και παίρνει διάφορες τιμές, από πολύ μικρές για κάποια πλαστικά, έως πολύ μεγάλες για υλικά όπως το τιτάνιο και διάφορα κράματα χάλυβα. Δεν έχουν όλα τα υλικά όριο διαρροής, παρά μόνο τα σχετικά όλκιμα, όπως τα μέταλλα, τα κράματα και τα πολυμερή. Τα ψαθυρά υλικά, όπως τα κεραμικά και τα μεγάλης σκληρότητας - 39 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής κράματα είναι δυνατόν να παρουσιάζουν ταχεία διάδοση ρωγμών και ψαθυρή αστοχία με θραύση αμέσως μόλις η τάση ξεπεράσει την ελαστική περιοχή. Στο σχήμα 3α δίνεται ένα τυπικό διάγραμμα τάσεων - παραμορφώσεων σε εφελκυσμό, για χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος με διακριτό όριο διαρροής. Τέτοιο διάγραμμα παρουσιάζουν συνήθως οι χάλυβες κατηγορίας Β500C. Σχήμα 3α. Τυπικό διάγραμμα τάσεων – παραμορφώσεων για χάλυβα με διακριτό όριο διαρροής. εu,pl : πλαστική παραμένουσα παραμόρφωση υπό το μέγιστο φορτίο εu : συνολική παραμόρφωση υπό το μέγιστο φορτίο εu,el : ελαστική παραμόρφωση αντιστοιχούσα στο μέγιστο φορτίο Η συνολική ανηγμένη παραμόρφωση στο μέγιστο φορτίο, εu, διαφέρει από την ανηγμένη παραμόρφωση μετά τη θραύση, ε5. Συγκεκριμένα, η μέτρηση της εu γίνεται μακριά από την περιοχή θραύσης και από τις αρπάγες, ενώ η μέτρηση της ε5 γινόταν εκατέρωθεν της θραύσης επί συνολικού μήκους 5d. Στο ίδιο δοκίμιο η τιμή της ε5 είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη της τιμής της εu. Στην περίπτωση που είναι αδύνατο να καθοριστεί με ακρίβεια το όριο διαρροής, διότι η μετάβαση από την ελαστική στην πλαστική περιοχή πραγματοποιείται προοδευτικά, έχει οριστεί, συμβατικά, το όριο διαρροής να αντιστοιχεί στην καταπόνηση που επιφέρει μόνιμη παραμόρφωση 0,2%. Η τιμή f0,2% λαμβάνεται ως τομή, μιας ευθείας παράλληλης προς την ευθεία της ελαστικής περιοχής ή της εφαπτομένης στην αρχή της καμπύλης f-ε για παραμόρφωση 0,2%, και της καμπύλης εφελκυσμού. Η ανυπαρξία διακριτού ορίου διαρροής (βλ. και σχήμα 3β) μπορεί να οφείλεται συνήθως στην κατεργασία (π.χ. ψυχρή διαμόρφωση, προβλήματα κατά τη θερμική κατεργασία) ή σε ιδιαιτερότητες της χημικής σύστασης κ.α. - 40 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Σχήμα 3β. Προσδιορισμός ορίου διαρροής για χάλυβα με μη διακριτό όριο διαρροής Τέλος, πολλές φορές σε διάφορα κράματα ή σε διάφορους τύπους χαλύβων παρατηρείται διαφορετικής μορφής καμπύλη σ=f(ε), στη γειτονιά του σημείου διαρροής, δηλαδή κατά το πέρασμα από την ελαστική στην πλαστική περιοχή, παρουσιάζεται μια ασυνέχεια του σημείου διαρροής και εμφανίζεται ένα ανώτερο και ένα κατώτερο σημείο διαρροής. Το φαινόμενο αυτό πολλές φορές οφείλεται στην ύπαρξη διαταραχών στις διαχωριστικές επιφάνειες των κόκκων. Γενικά, τα κράματα είναι ανθεκτικότερα, αλλά λιγότερο όλκιμα από τα καθαρά μέταλλα. Η θερμοκρασία, οι προσμίξεις, η προηγούμενη κατεργασία του υλικού, η ταχύτητα φόρτισης του υλικού και το μέγεθος των κόκκων επηρεάζουν με τον ίδιο τρόπο κράματα και μέταλλα. Το όριο διαρροής και η μέγιστη τάση σε εφελκυσμό αυξάνονται σημαντικά στις χαμηλές θερμοκρασίες και ελαττώνονται αυξανομένης της θερμοκρασίας. Επίσης, γενικά, το μέτρο ελαστικότητας ελαττώνεται αυξανομένης της θερμοκρασίας, εφόσον η δομή του υλικού δεν αλλάζει. 3.2. Νέος Κανονισμός Τεχνολογίας Χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος (ΚΤΧ 2008) (ΦΕΚ 1416/Β/17-07-2008 και ΦΕΚ 2113/Β/13-10-2008) Ο Κανονισμός αυτός προδιαγράφει τις ελάχιστες γενικές και ειδικές απαιτήσεις τις οποίες πρέπει να ικανοποιούν οι χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος. Στον Κανονισμό γίνονται παραπομπές στα παρακάτω Πρότυπα και κανονιστικά κείμενα: • ΕΛΟΤ ΕΝ 10080 (2005): Χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος - Συγκολλήσιμοι χάλυβες – Γενικές απαιτήσεις • ΕΛΟΤ 1421-2 (2007): Χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος - Συγκολλήσιμοι χάλυβες - Μέρος 2: Τεχνική κατηγορία Β500Α • ΕΛΟΤ 1421-3 (2007): Χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος - Συγκολλήσιμοι χάλυβες - Μέρος 3: Τεχνική κατηγορία Β500C • ΕΛΟΤ 656 (1981): Συμβολισμοί για χρήση στις μελέτες τεχνικών έργων • ΕΛΟΤ ΕΝ 10020 (2000): Ορισμός και ταξινόμηση κατηγοριών χάλυβα • ΕΛΟΤ ΕΝ 10025 (2005): Προϊόντα θερμής έλασης για χάλυβες κατασκευών - Μέρος 2: Τεχνικοί όροι παράδοσης για μη κεκραμένους χάλυβες κατασκευών - 41 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής • ΕΛΟΤ ΕΝ ISO 15630-1 (2003): Χάλυβες για την όπλιση και την προένταση σκυροδέματος Μέθοδοι δοκιμών - Μέρος 1: Ράβδοι και σύρματα οπλισμού • ΕΛΟΤ ΕΝ ISO 15630-2 (2003): Χάλυβες για την όπλιση και την προένταση σκυροδέματος – Μέθοδοι δοκιμών - Μέρος 2: Ηλεκτροσυγκολλημένα πλέγματα • ΕΝ ISO 17660-1 (2006): Welding - Welding of reinforcing steel, Part 1: Load-bearing welded joints • ΕΝ ISO 17660-2 (2006): Welding - Welding of reinforcing steel, Part 2: Non load-bearing welded joints • ΕΛΟΤ ΕΝ ISO 13916 (1997): Συγκολλήσεις - Καθοδήγηση για τη μέτρηση της θερμοκρασίας προθέρμανσης, της θερμοκρασίας μεταξύ στρώσεων και της θερμοκρασίας διατήρησης της προθέρμανσης • EN 1990: Βάσεις σχεδιασμού (Ευρωκώδικας 0) • EN 1992-1-1 (2005): Σχεδιασμός φορέων από σκυρόδεμα - Μέρος 1-1: Γενικοί Κανόνες και Κανόνες για κτίρια (Ευρωκώδικας 2) • EN 1992-1-2 (2005): Σχεδιασμός φορέων από σκυρόδεμα - Μέρος 1-2: Γενικοί Κανόνες: Δομοστατικός σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς (Ευρωκώδικας 2) • EN 1993-1-10 (2005): Σχεδιασμός κατασκευών από χάλυβα - Μέρος 1-10: Αντοχή σε ψαθυρή θραύση και ιδιότητες κατά την έννοια του πάχους (Ευρωκώδικας 3) • EN 1998-1 (2005): Αντισεισμικός Σχεδιασμός – Μέρος 1: Γενικοί κανόνες, σεισμικές δράσεις και κανόνες για κτίρια (Ευρωκώδικας 8) • Ελληνικός Κανονισμός Ωπλισμένου Σκυροδέματος (ΕΚΩΣ) • Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος (ΚΤΣ) • Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός (ΕΑΚ) • ISO 3898 (1997): Βάσεις υπολογισμού κατασκευών- Συμβολισμοί - Γενικά Σύμβολα • ISO 1000 (1992): Μονάδες SI • DIN 488 (09/1984): Reinforcing steel • DIN 50905- Part3 (1987): Corrosion of metals; corrosion testing; corrosion characteristics under non-uniform and localized corrosion attack without mechanical stress. 3.2.1. Σύμβολα Τα σύμβολα του Κ.T.X. 2008 ακολουθούν τα Πρότυπα ΕΛΟΤ 656 και ISO 3898. Πίνακας 2. Τα κυριότερα σύμβολα που χρησιμοποιούνται στη δοκιμή εφελκυσμού Σύμβολο Σημασία Α Ονομαστική διατομή Αact Πραγματική διατομή Χk Χαρακτηριστική τιμή του μεγέθους Χ d (ή Φ) Ονομαστική διάμετρος εu Συνολική ανηγμένη παραμόρφωση (επιμήκυνση) στο μέγιστο φορτίο Ανηγμένη παραμόρφωση μετά τη θραύση, μετρούμενη σε μήκος 5d στην ε5 περιοχή θραύσης (κατά τα καταργηθέντα Πρότυπα ΕΛΟΤ 959 και ΕΛΟΤ 971) Ε Μέτρο ελαστικότητας ft Εφελκυστική αντοχή χάλυβα fy Όριο διαρροής χάλυβα f0,2 Συμβατικό όριο διαρροής για παραμένουσα παραμόρφωση εres=0,2% fy,act Πραγματικό όριο διαρροής χάλυβα fy,nom Ονομαστικό όριο διαρροής χάλυβα - 42 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ Τ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Θερμοκρασία Πίνακας 3. Αντιστοιχία συμβόλων του Κανονισμού με εκείνα του Προτύπου ΕΛΟΤ ΕΝ 10080 Περιγραφή Κ.T.X. 2008 ΕΛΟΤ ΕΝ 10080 Όριο διαρροής χάλυβα fy Re Συμβατικό όριο διαρροής για παραμένουσα παραμόρφωση f0,2 Rp0,2 0,2% Εφελκυστική αντοχή χάλυβα ft Rm Συνολική ανηγμένη παραμόρφωση στο μέγιστο φορτίο εu Agt 3.2.2. Ορισμοί Σίδηρος (καθαρός): Ως καθαρός σίδηρος χαρακτηρίζεται συνήθως κράμα με περιεκτικότητα σε άνθρακα και λοιπά κραματικά στοιχεία μικρότερη από 0,05%. Χάλυβας: Κράμα σιδήρου-άνθρακα (Fe-C) με περιεκτικότητα σε άνθρακα έως 2% και προσθήκες άλλων στοιχείων. Χάλυβας οπλισμού: Χάλυβας με κυκλική ή πρακτικά κυκλική διατομή, για τον οπλισμό του σκυροδέματος. Χάλυβας οπλισμού με νευρώσεις: Χάλυβας οπλισμού με δύο τουλάχιστον σειρές πλάγιων ανάγλυφων νευρώσεων, ομοιόμορφα κατανεμημένων κατά μήκος. Λείος χάλυβας οπλισμού: Χάλυβας οπλισμού με πρακτικά λεία επιφάνεια. Χάλυβας οπλισμού με έγγλυφες αυλακώσεις: Χάλυβας οπλισμού με καθορισμένες αυλακώσεις, ομοιόμορφα κατανεμημένες κατά μήκος. Μορφοσίδηρος (δομικός χάλυβας - structural steel): Χάλυβας κατασκευών σε διάφορες μορφές διατομής. Ολκή (drawing): Ψυχρή κατεργασία μιας ράβδου από χάλυβα η οποία ελκόμενη διέρχεται μέσα από κατάλληλη μήτρα, με αποτέλεσμα τη μείωση της διατομής και συνακόλουθη αύξηση της αντοχής. Έλαση (rolling): Διαδικασία διαμόρφωσης εν θερμώ ή εν ψυχρώ ενός μεταλλικού αντικειμένου με τη χρήση αντίρροπα περιστρεφόμενων κυλίνδρων. Παρτίδα ελέγχου: Ποσότητα χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος της ίδιας διατομής, προερχομένη από την ίδια χύτευση, σε ευθύγραμμες ράβδους ή κουλούρες, που έχει παραχθεί από την ίδια μονάδα παραγωγής και προσφέρεται για εξέταση οποιαδήποτε στιγμή. Ονομαστικές διάμετροι: Τυποποιημένες διάμετροι χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος τις οποίες δέχεται ο Κανονισμός. Ονομαστική διατομή: Το εμβαδόν πλήρους κυκλικής διατομής, διαμέτρου ίσης με την ονομαστική. Πραγματική διατομή: Το εμβαδόν της επιφάνειας υποθετικής κυκλικής διατομής μιας ράβδου ίσου μήκους και ίσου βάρους με το δεδομένο δοκίμιο. Η πραγματική διατομή υπολογίζεται από τμήμα ράβδου μήκους l και μάζας m, και από την πυκνότητα, d, του χάλυβα σύμφωνα με τη σχέση: Αact=127,4·m/l, όπου: Αact η πραγματική διατομή σε mm2, m η μάζα σε g, l το μήκος σε mm. Η πραγματική διάμετρος υπολογίζεται από την πραγματική διατομή. Ονομαστική μάζα ανά μέτρο μήκους: H μάζα ανά μέτρο μήκους, η οποία υπολογίζεται από την ονομαστική διατομή και την πυκνότητα του χάλυβα (η οποία λαμβάνεται ίση με 7850 kg/m3). - 43 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Χαρακτηριστική τιμή μεγέθους: Η τιμή του μεγέθους πάνω ή κάτω από την οποία αναμένεται να βρεθεί ποσοστό p όλων των τιμών σε έναν υποθετικό έλεγχο με άπειρα δοκίμια. Στο πλαίσιο του Κανονισμού, ως χαρακτηριστική τιμή ορίζεται η τιμή πάνω από την οποία υπάρχει πιθανότητα "α" να βρεθεί ποσοστό p των τιμών. Ελάχιστη τιμή: Η τιμή κάτω από την οποία δεν πρέπει να βρεθεί καμία τιμή δοκιμής. Μέγιστη τιμή: Η τιμή πάνω από την οποία δεν πρέπει να βρεθεί καμία τιμή δοκιμής. Συμβατικό όριο διαρροής: Η τάση που αντιστοιχεί σε παραμένουσα παραμόρφωση, μετά την αποφόρτιση, ίση με εres=0,2%. Εφελκυστική αντοχή: Η τάση που αντιστοιχεί στο μέγιστο φορτίο. Ολκιμότητα: Στο πλαίσιο του Κανονισμού, ο όρος χρησιμοποιείται για να εκφράσει τη σχέση των πλαστικών παραμορφώσεων ως προς τις ελαστικές παραμορφώσεις μιας ράβδου χάλυβα οπλισμού που δοκιμάζεται σε εφελκυσμό. Συνήθως εκφράζεται με το λόγο της ανηγμένης παραμόρφωσης στο μέγιστο φορτίο προς την ανηγμένη παραμόρφωση διαρροής. Πλαστιμότητα: Η ικανότητα ενός φορέα ή μιας διατομής ή μιας κρίσιμης περιοχής στοιχείου από οπλισμένο σκυρόδεμα να αποκρίνεται με μεγάλες μετελαστικές παραμορφώσεις, χωρίς σημαντική μείωση της φέρουσας ικανότητας. Η ολκιμότητα είναι ιδιότητα του υλικού, ενώ η πλαστιμότητα είναι ιδιότητα μιας διατομής ή μιας κρίσιμης περιοχής ή ενός δομικού στοιχείου ή ολόκληρου δομήματος από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η ολκιμότητα του χάλυβα είναι μια από τις προϋποθέσεις για να αποκτήσει πλαστιμότητα ένα στοιχείο από οπλισμένο σκυρόδεμα. Θερμοκρασία μετάπτωσης (transition temperature): Η θερμοκρασία στην οποία παρατηρείται σημαντική μεταβολή στα χαρακτηριστικά θραύσης ενός υλικού, με κυριότερη μεταβολή τη μετατροπή του τρόπου θραύσης από όλκιμο σε ψαθυρό. 3.2.3. Διάκριση χαλύβων Οι χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος διακρίνονται ως εξής: Α. Σύμφωνα με τη μέθοδο παραγωγής, σε: • Θερμής έλασης, χωρίς καμία άλλη περαιτέρω θερμική ή θερμομηχανική κατεργασία οποιασδήποτε μορφής (χάλυβες ΘΕ-Χ) • Θερμής έλασης, που ακολουθείται από μία άμεση εν σειρά διαδικασία θερμικής κατεργασίας (χάλυβες ΘΕ-Θ) • Ψυχρής κατεργασίας, με ολκή ή έλαση του αρχικού προϊόντος που προέρχεται από θερμή έλαση (χάλυβες ΨΚ-Ο) ή με στρέψη του αρχικού προϊόντος που προέρχεται από θερμή έλαση (χάλυβες ΨΚ-Σ) ή με συνδυασμό των παραπάνω. Β. Σύμφωνα με τη μορφή της επιφάνειας της ράβδου σε: • Λείους χάλυβες κυκλικής διατομής • Χάλυβες με ανάγλυφες νευρώσεις, υψηλής συνάφειας • Χάλυβες με κοιλότητες (έγγλυφες αυλακώσεις). Γ. Σύμφωνα με την ολκιμότητα, σε: • Χάλυβες χαμηλής ολκιμότητας • Χάλυβες μέσης ολκιμότητας • Χάλυβες υψηλής ολκιμότητας. - 44 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Δ. Σύμφωνα με τη συγκολλησιμότητα, σε: • Χάλυβες συγκολλήσιμους • Χάλυβες μη συγκολλήσιμους ή συγκολλήσιμους υπό προϋποθέσεις. Ε. Σύμφωνα με την αντοχή τους σε διάβρωση, σε: • Κοινούς χάλυβες, που είναι κράματα σιδήρου με άνθρακα (Fe-C) και με άλλα στοιχεία σε μικρές περιεκτικότητες • Ανοξείδωτους χάλυβες, που είναι κράματα σιδήρου με ελάχιστη περιεκτικότητα σε χρώμιο (Cr) 12%. Οι χάλυβες αυτοί είναι ανθεκτικοί σε διάβρωση. Η αντοχή τους σε διαβρωτικό περιβάλλον είναι μεγαλύτερη αν περιέχουν και άλλα κραματικά στοιχεία όπως νικέλιο (Ni), μολυβδένιο (Mo), τιτάνιο (Ti) κ.λπ. 3.2.4. Τεχνικές κατηγορίες ποιότητας χαλύβων Οι χάλυβες που αποτελούν αντικείμενο του Κανονισμού είναι συγκολλήσιμοι, διακρίνονται δε στις εξής τεχνικές κατηγορίες: • Β500Α κατά ΕΛΟΤ 1421-2 • B500C κατά ΕΛΟΤ 1421-3. Και για τις δύο αυτές κατηγορίες χαλύβων, η ονομαστική (χαρακτηριστική) τιμή του ορίου διαρροής fy,nom είναι 500MPa. 3.2.5. Μορφές χαλύβων Οι χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος παραδίδονται στις παρακάτω μορφές: • Ευθύγραμμες ράβδοι • Κουλούρες • Ευθυγραμμισμένα προϊόντα • Πλέγματα. 3.2.6. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά - Ονομαστικά μεγέθη Στον πίνακα 4, για κάθε ονομαστική διάμετρο, δίνονται επίσης το πεδίο εφαρμογής καθώς και η ονομαστική διατομή, η ονομαστική μάζα και οι ανοχές ως προς την ονομαστική μάζα (κατά τα Πρότυπα ΕΛΟΤ 1421-2 και ΕΛΟΤ 1421-3). Πίνακας 4. Ονομαστικές διάμετροι, ονομαστικές διατομές, ονομαστική μάζα και ανοχές ως προς την ονομαστική μάζα - Πεδίο εφαρμογής Πεδίο εφαρμογής Κουλούρες και Ηλεκτροσυγκολλημένα Ονομ. Ονομ. Ανοχές Ονομ. Ράβδοι ευθυγραμμισμένα πλέγματα και διατομή μάζα/ μάζας/ διάμετρος προϊόντα δικτυώματα (mm²) μέτρο μέτρο (mm) (kg/m) (%) B500Α B500C B500C B500Α B500C 5,0 √ √ 19,6 0,154 ±6 5,5 √ √ 23,8 0,187 ±6 6,0 √ √ √ √ √ 28,3 0,222 ±6 6,5 √ √ 33,2 0,260 ±6 - 45 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ 7,0 7,5 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 25,0 28,0 32,0 40,0 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 38,5 44,2 50,3 78,5 113 154 201 254 314 380 491 616 804 1257 0,302 0,347 0,395 0,617 0,888 1,21 1,58 2,00 2,47 2,98 3,85 4,83 6,31 9,86 ±6 ±6 ±6 ±4,5 ±4,5 ±4,5 ±4,5 ±4,5 ±4,5 ±4,5 ±4,5 ±4,5 ±4,5 ±4,5 3.2.7. Χημικά Χαρακτηριστικά Οι χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος είναι χάλυβες ελαφρά κραματωμένοι ή μη κραματωμένοι. Η διαδικασία παραγωγής (μεταλλουργική μέθοδος) και ο τύπος της αποξείδωσης του χάλυβα επαφίενται στην κρίση του παραγωγού. Οι ακόλουθοι περιορισμοί για τη χημική σύσταση εξασφαλίζουν τη συγκολλησιμότητα και την ανθεκτικότητα στο χρόνο των χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος. Συγκολλησιμότητα είναι η ικανότητα ενός μετάλλου να συγκολλάται υπό προδιαγεγραμμένες συνθήκες, έτσι ώστε η προκύπτουσα σύνδεση να ικανοποιεί τις απαιτήσεις σχεδιασμού. Σύμφωνα με το Πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 10080, οι χάλυβες θεωρούνται συγκολλήσιμοι όταν οι περιεκτικότητες σε άνθρακα (C), θείο (S), φωσφόρο (P), άζωτο (N), χαλκό (Cu), καθώς και η ισοδύναμη τιμή σε άνθρακα Ceq δεν υπερβαίνουν τις αντίστοιχες τιμές που δίνονται στον Πίνακα 5. Η ισοδύναμη τιμή σε άνθρακα, Ceq, υπολογίζεται σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, όπου τα σύμβολα των χημικών στοιχείων δείχνουν την επί τοις εκατό περιεκτικότητα κατά βάρος (% κ.β.), όπως προσδιορίζεται από τη χημική ανάλυση. Πίνακας 5. Μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές για τη χημική σύσταση (περιεκτικότητα % κ.β.) κατά ΕΛΟΤ ΕΝ 10080 Ισοδύναμη Άνθρακα Θείο Φωσφόρος Άζωτ Χαλκός τιμή ς ο S P Cu σε άνθρακα C (2) N (1) Ceq (2) Ανάλυση ρευστού 0,22 0,050 0,050 0,012 0,80 0,50 χάλυβα κατά τη χύτευση Ανάλυση τελικού 0,24 0,055 0,055 0,014 0,85 0,52 προϊόντος (1) Υψηλότερες τιμές σε άζωτο επιτρέπονται εάν υπάρχουν επαρκείς ποσότητες στοιχείων που το δεσμεύουν. (2) Επιτρέπεται η υπέρβαση των μέγιστων τιμών για τον άνθρακα κατά 0,03% κ.β., με την προϋπόθεση ότι μειώνονται αντίστοιχα οι ισοδύναμες τιμές σε άνθρακα κατά 0,02% κ.β. - 46 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής 3.2.8. Επίδραση των κραματικών στοιχείων στα χαρακτηριστικά των Χ.Ο.Σ. Άνθρακας (C). Στους Χ.Ο.Σ., ο άνθρακας είναι από τα βασικότερα κραματικά στοιχεία καθώς επηρεάζει σημαντικά την αντοχή και τη συγκολλησιμότητα τους. Αύξηση της περιεκτικότητας σε C οδηγεί σε αύξηση της σκληρότητας και της αντοχής αλλά παράλληλα σε αναπόφευκτη μείωση της ολκιμότητας και της συγκολλησιμότητας. Η αύξηση της περιεκτικότητας σε C αυξάνει την εμβαπτότητα (ικανότητα σκλήρυνσης με μαρτενσιτικό μετασχηματισμό - hardenability) του χάλυβα που σχετίζεται με το βάθος βαφής των χαλύβων. Η τελευταία ιδιότητα είναι ιδιαίτερα σημαντική στους Χ.Ο.Σ. αφού είναι συνυφασμένη με συγκεκριμένη θερμομηχανική μεταλλοτεχνική επεξεργασία (θερμή έλαση με άμεση θερμική κατεργασία), η οποία ακολουθείται κατά την παραγωγή της πλειονότητας των Χ.Ο.Σ. σήμερα στην Ευρώπη (Tempcore, Thermex κ.λπ.). Στην πράξη, περιεκτικότητα σε C μεταξύ 0,18-0,24% στο τελικό προϊόν αποτελεί έναν συμβιβασμό μεταξύ των παραπάνω αντικρουόμενων ιδιοτήτων και εξασφαλίζει υψηλή αντοχή, ικανοποιητική επιμήκυνση και καλή συγκολλησιμότητα. Μαγγάνιο (Mn). Η κραμάτωση των χαλύβων με άνθρακα έχει ορισμένους περιορισμούς, επειδή με την αύξηση του ποσοστού του μειώνεται η συγκολλησιμότητα. Η επίδραση του μαγγανίου στη συγκολλησιμότητα είναι περίπου 5 με 6 φορές μικρότερη σε σχέση με τον άνθρακα (σύμφωνα και με τον υπολογισμό της τιμής του ισοδυνάμου άνθρακα). Κατά συνέπεια η προσθήκη Mn αποτελεί έναν ιδιαίτερα ευέλικτο τρόπο ρύθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων των Χ.Ο.Σ. (αύξηση της περιεκτικότητας από 0,1-1% μπορεί να έχει θετική επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες μέχρι 15%). Επίσης, το Mn είναι ιδιαίτερα ωφέλιμο διότι δεσμεύει το ελεύθερο θείο (MnS), μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο δημιουργίας θειούχου σιδήρου (FeS) ο οποίος προκαλεί ψαθυροποίηση του χάλυβα κατά τη θέρμανση περί τους 900°C. Πυρίτιο (Si). Το πυρίτιο και το μαγγάνιο υπάρχουν σχεδόν σε όλους τους χάλυβες, επειδή περιέχονται στα μεταλλεύματα από τα οποία εξάγεται ο σίδηρος. Επί πλέον, το πυρίτιο προέρχεται τόσο από τη διαδικασία κάθαρσης (αποξείδωσης) του τήγματος, όσο και από τις πυρίμαχες επενδύσεις που χρησιμοποιούνται στους κλιβάνους τήξης, στους οποίους εισάγεται στο τήγμα κατά τη διαδικασία παραγωγής του χάλυβα. Κραμάτωση με πυρίτιο οδηγεί σε σκλήρυνση του χάλυβα, δίχως να επηρεάζεται σημαντικά η εμβαπτότητα και κατά συνέπεια και η συγκολλησιμότητα των χαλύβων. Αύξηση της περιεκτικότητας κατά ποσοστό 1% συνεπάγεται αύξηση της αντοχής κατά περίπου 100ΜΡα, ενώ αντίστοιχη είναι και η αύξηση του ορίου διαρροής. Φωσφόρος (Ρ). Ο φωσφόρος αποτελεί κατά κανόνα επιβλαβή ακαθαρσία για τους χάλυβες. O P συνδέεται με ψαθυροποίηση και μικροδιαφορισμό κατά τη στερεοποίηση του χάλυβα. Ως εκ τούτου, κατά τη μεταλλουργική διαδικασία παραγωγής, καταβάλλεται προσπάθεια, τα επίπεδα περιεκτικοτήτων για χάλυβες κατασκευών να διατηρούνται σε ποσοστά χαμηλότερα του 0,03%0,05%. Για τους Χ.Ο.Σ., περιεκτικότητες μέχρι 0,055% είναι αποδεκτές. Θείο (S). Η παρουσία θείου είναι ιδιαίτερα επιβλαβής στους χάλυβες επειδή αυξάνει την ευθραυστότητα. Προέρχεται κυρίως από τις πρώτες ύλες (scrap κ.λπ.), και ελέγχεται κατά την παραγωγική διαδικασία. Περιεκτικότητες 0,025%-0,030% είναι αποδεκτές για τους ειδικούς χάλυβες, ενώ για τους Χ.Ο.Σ. αποδεκτά ποσοστά είναι μέχρι 0,055%. Η παρουσία Mn είναι ιδιαίτερα ωφέλιμη διότι δεσμεύει το ελεύθερο θείο (MnS), μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο ψαθυροποίησης των χαλύβων. Άζωτο (Ν). Ο ρόλος του αζώτου είναι ιδιαίτερα σημαντικός. Παρ’ ότι συναντάται σε χαμηλές περιεκτικότητες στους Χ.Ο.Σ., θεωρείται γενικά ως ανεπιθύμητη πρόσμιξη. Η παρουσία αζώτου πέραν ενός ορίου είναι βλαπτική επειδή μειώνει την ολκιμότητα και ευνοεί την ευθραυστότητα επαναφοράς (ευθραυστότητα στο κυανούν). Επιπροσθέτως, είναι ενδεχόμενο να προκαλέσει πέραν της ευθραυστότητας και φαινόμενα γήρανσης στους χάλυβες που έχουν υποστεί εν ψυχρώ κατεργασία/καταπόνηση. Για τους Χ.Ο.Σ. σε παλαιότερες τυποποιήσεις (π.χ. DIN 488), είχε καθορισθεί ανώτερο όριο περιεκτικότητας 0,01% (ανάλυση χυτηρίου) και σε περίπτωση που η - 47 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής περιεκτικότητα σε φωσφόρο ήταν χαμηλότερη του 0,05% επιτρεπόταν η περιεκτικότητα σε άζωτο να φτάσει μέχρι το 0,012%. Στο Πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 10080 ορίζονται μέγιστες περιεκτικότητες 0,012% (ανάλυση χυτηρίου) και 0,014% (ανάλυση προϊόντος), και αναφέρεται σε υποσημείωση ότι είναι επιτρεπτές και μεγαλύτερες περιεκτικότητες εάν υπάρχουν επαρκείς ποσότητες στοιχείων που δεσμεύουν το άζωτο, χωρίς όμως να γίνεται περαιτέρω διευκρίνιση για τις ‘‘ποσότητες’’ και το ‘‘είδος’’ αυτών των κραματικών στοιχείων. Χαλκός (Cu). Στους Χ.Ο.Σ. ο χαλκός προέρχεται κατά κανόνα από την πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται. Παρά το γεγονός ότι, ακόμη και σε ελάχιστα ποσοστά, ο Cu, αυξάνει την αντοχή του χάλυβα σε οξείδωση κατά την έκθεσή του στις ατμοσφαιρικές συνθήκες και δεν επηρεάζει σημαντικά τη συγκολλησιμότητα, σχετίζεται άμεσα με τη θερμή ρηγμάτωση των κοινών χαλύβων. Ο χαλκός, ως ευγενέστερο του σιδήρου μέταλλο, δεν μπορεί να απομακρυνθεί από το τήγμα, με αποτέλεσμα να παρατηρείται συσσώρευσή του και αύξηση της περιεκτικότητάς του στους χάλυβες που παράγονται από τήξη παλαιοσιδήρου (scrap). Αυτό δεν παρατηρείται κατά την παραγωγή του χάλυβα μέσω χυτοσιδήρου, στην οποία χρησιμοποιούνται σιδηρομεταλλεύματα. Ο μόνος τρόπος ελέγχου της περιεκτικότητας του Cu στους Χ.Ο.Σ. (οι οποίοι ως επί το πλείστον παράγονται μέσω ηλεκτρικών καμίνων) είναι με κατάλληλη επιλογή της πρώτης ύλης, δηλ. της ποιότητας του παλαιοσιδήρου ή με αντικατάσταση ποσοστού του παλαιοσιδήρου με DRI (Direct Reduced Iron δηλ. υψηλής καθαρότητας σίδηρος). Βανάδιο (V). Το βανάδιο έχει χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή Χ.Ο.Σ., αφού και σε μικρές αναλογίες στο προϊόν (μικροκραμάτωση) επιτρέπει την απόκτηση των μηχανικών χαρακτηριστικών που προδιαγράφονται για την κατηγορία Β500C (και παλαιότερα του S500s) δίχως να απαιτείται περαιτέρω θερμική κατεργασία. Το V είναι ισχυρό καρβιδιογόνο στοιχείο (ενώνεται με τον άνθρακα, τον οποίο δεσμεύει για σχηματισμό καρβιδίων). Ακόμη και σε μικρές περιεκτικότητες αυξάνει την αντοχή σε εφελκυσμό και το όριο διαρροής στη θερμοκρασία περιβάλλοντος αλλά και σε υψηλότερες, εμποδίζοντας την αύξηση του μεγέθους του κόκκου στη μικρογραφική μορφή του χάλυβα, σε καθορισμένες συνθήκες έλασής του. Σε συνδυασμό με προσθήκες Cr και W, χρησιμοποιείται στην παραγωγή ειδικών χαλύβων θερμών κατεργασιών και ταχυχαλύβων (εργαλείων). Νιόβιο (Nb), Ταντάλιο (Ta). Όπως το βανάδιο, έτσι και το νιόβιο και το ταντάλιο μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως κραματικά στοιχεία αύξησης της αντοχής των Χ.Ο.Σ., διατηρώντας την ολκιμότητα σε σχετικά υψηλά επίπεδα. Τα στοιχεία αυτά συναντώνται συνήθως ως προσθήκες σταθεροποίησης στους ανοξείδωτους χάλυβες. Νικέλιο (Ni), Χρώμιο (Cr), Μολυβδαίνιο (Mo). Τα στοιχεία αυτά είναι κατ’ εξοχήν κραματικά για ειδικούς χάλυβες (χρωμονικελιούχοι, μολυβδαινιούχοι κ.λπ.). Οι περιεκτικότητες 18% Cr, 8% Ni είναι τυπικές αναλογίες των πλέον διαδεδομένων ποιοτήτων ανοξείδωτων χαλύβων (18/8). Στους Χ.Ο.Σ. συναντώνται συνήθως ως προσμίξεις από την πρώτη ύλη (scrap). Σε αναλογίες άνω του 0,5% (ιδίως για τα Cr και Mo) σε συνδυασμό με την περιεκτικότητα σε άνθρακα, είναι ενδεχόμενο να επηρεάσουν σημαντικά τα χαρακτηριστικά των χαλύβων (υπεραντοχή, ευθραυστότητα κατά τη διαδικασία παραγωγής κ.λπ.). Τα στοιχεία αυτά, λόγω και του κόστους τους, δεν εμφανίζονται σε μεγάλες αναλογίες στις συνθέσεις των Χ.Ο.Σ. και έτσι δεν δημιουργούνται προβλήματα στο τελικό προϊόν. Ενδεχόμενη παρουσία τους σε αυξημένα ποσοστά γίνεται αμέσως αντιληπτή κατά την παραγωγική διαδικασία (έλαση) και το πρόβλημα αντιμετωπίζεται πριν παραχθούν τελικά προϊόντα. 3.2.9. Ιδιότητες σε εφελκυσμό Τα υποχρεωτικά όρια των μηχανικών χαρακτηριστικών σε εφελκυσμό των χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος δίνονται στον Πίνακα 6. Για το όριο διαρροής fy, οι αναφερόμενες στον Πίνακα 6 - 48 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής τιμές είναι χαρακτηριστικές, ποσοστημορίου 95%. Για τη συνολική ανηγμένη παραμόρφωση στο μέγιστο φορτίο, εu, για τον λόγο ft/fy και για τον λόγο fy,act/fy,nom οι αναφερόμενες στον Πίνακα 6 τιμές είναι χαρακτηριστικές, ποσοστημορίου 90%. Οι τιμές των fy και ft υπολογίζονται με βάση την ονομαστική διατομή. Όταν δεν υπάρχει διακριτό όριο διαρροής, θα προσδιορίζεται το συμβατικό όριο διαρροής f0,2. Πίνακας 6. Όρια μηχανικών ιδιοτήτων χαλύβων σε εφελκυσμό κατά ΕΛΟΤ 1421-2 και ΕΛΟΤ 1421-3 (Χαρακτηριστικές τιμές, Xk) Ιδιότητα Τεχνική κατηγορία ποιότητας Β500Α Β500C Όριο διαρροής, fy (MPa) ≥500 ≥500 Λόγος της πραγματικής προς την ονομαστική _ ≤1,25 τιμή του ορίου διαρροής, fy,act/fy,nom Λόγος της εφελκυστικής αντοχής προς το όριο ≥1,05 ≥1,15 διαρροής, ft/fy (≥1,03 για d<6mm) ≤1,35 Συνολική ανηγμένη παραμόρφωση ≥2,5 ≥ 7,5 (επιμήκυνση) στο μέγιστο φορτίο εu (%) (≥2 για d<6mm) 3.2.10. Έλεγχος ιδιοτήτων σε εφελκυσμό Ελέγχονται τρία δοκίμια, μήκους περίπου 0,70m, τα οποία λαμβάνονται από τρία διαφορετικά δείγματα μιας παρτίδας. Τα δοκίμια πρέπει να ικανοποιούν τις απαιτήσεις της παραγράφου 2.9. Αν και τα τρία αποτελέσματα των δοκιμών ικανοποιούν τις τιμές του Πίνακα 6, τότε η παρτίδα θεωρείται ότι ικανοποιεί τις απαιτήσεις του Κανονισμού. Αν έστω και ένα δοκίμιο δεν ικανοποιεί τις απαιτήσεις, λαμβάνονται δέκα επί πλέον δοκίμια από διαφορετικά δείγματα της ίδιας παρτίδας, για τα οποία θα πρέπει να ισχύει το ένα από τα δύο παρακάτω κριτήρια (Α ή Β): Α. Κάθε μεμονωμένη τιμή θα πρέπει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις που καθορίζονται στον Πίνακα 6 ή Β. Θα ικανοποιούνται ταυτόχρονα οι απαιτήσεις των παρακάτω εδαφίων Ι και ΙΙ. Ι) Για την μέση τιμή, m, των δέκα δοκιμίων: α) Όταν η ιδιότητα έχει κατώτερο όριο, θα πρέπει να ισχύει: m ≥ xk + a όπου xk η χαρακτηριστική τιμή (βλ. Πίνακα 6) και a=10 MPa για το fy, και 0 για τα ft/fy και εu β) Όταν η ιδιότητα έχει ανώτερο όριο, θα πρέπει να ισχύει: m ≤ xk - a όπου xk η χαρακτηριστική τιμή (βλ. Πίνακα 6) και a=0,02 για το fy,act/fy,nom και 0 για το ft/fy ΙΙ) Κάθε μεμονωμένη τιμή θα πρέπει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις που καθορίζονται στους Πίνακες 7 και 8. Στην αντίθετη περίπτωση η παρτίδα απορρίπτεται. Πίνακας 7. Ελάχιστες τιμές των ιδιοτήτων σε εφελκυσμό μεμονωμένου δοκιμίου για την κατηγορία χαλύβων B500A κατά ΕΛΟΤ 1421-2 Ιδιότητα Απόλυτο ελάχιστο fy (MPa) 485 ft/fy 1,03α εu (%) 2β α ft/fy ≥ 1,02 για d < 6mm β εu ≥ 1,5 % για d < 6mm - 49 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πίνακας 8. Ελάχιστες και μέγιστες τιμές των ιδιοτήτων σε εφελκυσμό μεμονωμένου δοκιμίου για την κατηγορία χαλύβων B500C κατά ΕΛΟΤ 1421-3 Ιδιότητα Απόλυτο ελάχιστο Απόλυτο μέγιστο fy (MPa) 485 ft,act/fy,nom 1,27 ft/fy 1,13 1,37 εu (%) 7 3.3. Πειραματικό μέρος Δίνεται δοκίμιο χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος με νευρώσεις Β500C ολικού αρχικού μήκους L και βάρους m. Πριν τη δοκιμή εφελκυσμού, το δοκίμιο χαράσσεται ανά 0,5cm σε όλο το μήκος του. Το δοκίμιο υποβάλλεται σε εφελκυσμό μέχρι θραύσης του. Από τον εφελκυσμό προκύπτει το διάγραμμα των παραμορφώσεων (επιμηκύνσεων, ΔL) συναρτήσει των ασκούμενων δυνάμεων (F). Tα δύο τμήματα του οπλισμού, μαζί με το διάγραμμα, μελετώνται στο εργαστήριο. Κατασκευάζονται οι πίνακες δεδομένων και μετρήσεων και γίνονται οι σχετικοί υπολογισμοί. Ερευνάται κατά πόσον ο οπλισμός συμμορφώνεται με τα κριτήρια του ΚΤΧ 2008. ΠΙΝΑΚΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Σύμβολο(μονάδα) Σημασία μάζα m (g) αρχικό ολικό μήκος (πριν τον εφελκυσμό) L (mm) αρχικό καταπονούμενο μήκος Lo (mm) πυκνότητα ρ (kg/m³) δύναμη στο συμβατικό όριο διαρροής F0,2 (kN) δύναμη στο όριο διαρροής Fy (kN) μέγιστη εφελκυστική δύναμη Ft (kN) μέτρο ελαστικότητας E (GPa) Τιμή ρχ = 7850 kg/m³ Eχ,20οC = 200 GPa ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Σύμβολο (μονάδα) Σημασία L’ (mm) A (mm²) τελικό μήκος (μετά τη θραύση) ονομαστική διατομή d (mm) ονομαστική διάμετρος Τιμή ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ Σύμβολο(μονάδα) Σημασία πραγματική διατομή Aact (mm²) ονομαστική μάζα ανά μέτρο μήκους m/L (kg/m) 3 αρχικός καταπονούμενος όγκος Vo (mm ) ολική πλαστική επιμήκυνση ΔLπλ (mm) - 50 - ΚΤΧ Πιν.3.1 ΚΤΧ Πιν.3.1(έλεγχος m/L) Τιμή Aact = 127,4 (m/L) Vo = Aact · Lo ΔLπλ=L’–L=Lo’-Lo ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΔL0,2ελ (mm) συμβατικό όριο διαρροής για παραμένουσα παραμόρφωση εres=0,2% ολική επιμήκυνση στο συμβατικό όριο διαρροής πλαστική επιμήκυνση στο συμβατικό όριο διαρροής ελαστική επιμήκυνση στο συμβατικό όριο διαρροής Wελ (J) ελαστικό έργο f0,2 (MPa) ΔL0,2ολ (mm) ΔL0,2πλ (mm) * fy (MPa) fy,act (MPa) fy,nom (MPa) * fy,act / fy,nom ft (MPa) * ft / fy ΔLtολ (mm) ΔLtελ (mm) ΔLtπλ (mm) εo (%) ε5 (%) * εu (%) όριο διαρροής πραγματικό όριο διαρροής χαρακτηριστική τιμή ορίου διαρροής λόγος πραγματικού προς ονομαστικό όριο διαρροής εφελκυστική αντοχή (=η τάση που αντιστοιχεί στο μέγιστο φορτίο) λόγος εφελκυστικής αντοχής προς όριο διαρροής ολική επιμήκυνση στη μέγιστη εφελκυστική δύναμη ελαστική επιμήκυνση στη μέγιστη εφελκυστική δύναμη πλαστική επιμήκυνση στη μέγιστη εφελκυστική δύναμη ολική ανηγμένη παραμόρφωση ανηγμένη παραμόρφωση μετά τη θραύση, μετρούμενη σε μήκος 5d στην περιοχή θραύσης ολική ανηγμένη παραμόρφωση στο μέγιστο φορτίο εu (%) θεωρητικό εu (%) πρακτικό ανηγμένη επιμήκυνση στο μέγιστο φορτίο Ag (%) lo (mm) lo’ (mm) Δlo (mm) lu (mm) εres (%) εu/εres (%) f0,2 = F0,2 / A από διάγραμμα για F0,2 ΔL0,2πλ = 0,2% · Lo ΔL0,2ελ=ΔL0,2ολΔL0,2πλ από διάγραμμα Wελ = ½·ΔL0,2ελ·F0,2 fy = Fy / A fy,act = Fy / Aact ΚΤΧ Πιν.3.3 ΚΤΧ Πιν.3.3 ft = Ft / A ΚΤΧ Πιν.3.3 από διάγραμμα για Ft από διάγραμμα Wελ = ½ · ΔLtελ · Ft ΔLtπλ = ΔLtολ – ΔLtελ εo = [(L’-L)/Lo)·100 ε5 = Δlo/lo = [(lo’lo)/lo)·100 ΚΤΧ Πιν.3.3 εu = (ΔLtολ/Lo) · 100 εu = Ag + (ft/E) · 100 Ag = [(lu-lo)/lo]· 100 τμήμα δοκιμίου μήκους 5d (πριν τον lo = 5 · d εφελκυσμό) (το ίδιο) τμήμα δοκιμίου στην περιοχή του λαιμού (μετά τον εφελκυσμό) επιμήκυνση του τμήματος 5d Δlo = lo’-lo Μήκος τμήματος 5d στην περιοχή ομοιόμορφης πλαστικής παραμόρφωσης (μακριά από το λαιμό) εres παραμένουσα παραμόρφωση (ΔL0,2πλ/Lo)·100 λόγος παραμόρφωσης στο μέγιστο φορτίο - 51 - = ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ Wστ (J) Κs (J/mm³) Wδυν (J) ΚD (J/mm²) Au (mm²) Vu (mm3) Lu (mm) σ (J) FOE (kΝ) fOE (MPa) FOΑ (kΝ) fOΑ (MPa) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής προς την παραμένουσα παραμόρφωση (ολκιμότητα) στατικό έργο (μέχρι το σημείο δημιουργίας λαιμού) συντελεστής στατικού έργου (δυσθραυστότητα) δυναμικό έργο (από το σημείο δημιουργίας λαιμού έως τη θραύση) συντελεστής δυναμικού έργου καταπονούμενη διατομή δυναμικής φόρτισης καταπονούμενος όγκος στο μέγιστο φορτίο ολικό καταπονούμενο μήκος στο μέγιστο φορτίο Στερεότητα δύναμη στο όριο ελαστικότητας όριο ελαστικότητας, η μέγιστη τάση, μέχρι την οποία ένα υλικό συμπεριφέρεται ελαστικά δύναμη στο όριο αναλογίας όριο αναλογίας, η μέγιστη τάση, μέχρι την οποία ένα υλικό συμπεριφέρεται αναλογικά (σύμφωνα με το ν. Hooke) από διάγραμμα Ks = Wστ/Vo από διάγραμμα KD = Wδυν/Au Au = (Aact·Lo)/Lu Vo = Vu Lu = Lo + ΔLuπλ σ = Wδυν + Wστ fOE = FOE / A fOΑ = FOΑ / A 3.4. Βιβλιογραφία 1 . Νέος Κανονισμός Τεχνολογίας Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος ΚΤΧ 2008 (ΦΕΚ 1416/Β/17-07-2008 και ΦΕΚ 2113/Β/13-10-2008). 2 . Γ.Χρυσουλάκης, Δ.Παντελής, Επιστήμη και Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών, εκδ. Παπασωτηρίου, Αθήνα 2003. 3 . Α.Βατάλης, Επιστήμη & Τεχνολογία Υλικών, 2η εκδ, εκδ. Ζήτη, Θεσ/κη 2009. 4 . Π.Πετρόπουλου, Μεταλλουργία, εκδ. Ιδρύματος Ευγενίδου, Αθήνα, 1992. 5 . Α.Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, 8η εκδ, Πάτρα, 2008. - 52 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΕΝΟΤΗΤΑ 2η – ΑΔΡΑΝΗ ΥΛΙΚΑ - 53 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής - 54 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 4η ΜΕΡΟΣ Ι: ΓΝΩΡΙΜΙΑ ΚΑΙ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η βαθμονόμηση επιλεγμένων εργαστηριακών οργάνων για την αποφυγή τυχαίων ή συστηματικών σφαλμάτων κατά την διάρκεια εκτέλεσης μιας πειραματικής δοκιμής, λόγω εσφαλμένης ρύθμισης των οργάνων. Θεωρητικό Μέρος Βαθμονόμηση ενός μετρητικού οργάνου καλείται η ρύθμιση που κάνει ο χειριστής του πριν από μια μέτρηση, για να εξασφαλίσει ορθότητα στην τιμή του μετρούμενου μεγέθους. Συνήθως η βαθμονόμηση συμπεριλαμβάνει μέτρηση μιας πρότυπης τιμής του μεγέθους η οποία δίνεται από κάποια διάταξη ή συσκευή που καλείται βαθμονομητήρας, η οποία δημιουργεί αυτή την πρότυπη τιμή του υπόψη μεγέθους. Κατά κανόνα, η βαθμονόμηση γίνεται σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή του οργάνου. Στην περίπτωση που το όργανο αναφέρεται ότι συμφωνεί με κάποιο πρότυπο, οι οδηγίες αυτές θα πρέπει να συμφωνούν απόλυτα με τις διαδικασίες βαθμονόμησης που καθορίζει το πρότυπο. Διακρίβωση ενός μετρητικού οργάνου είναι περιοδικός λεπτομερειακός έλεγχος και βαθμονόμηση του οργάνου με τη χρήση πρότυπων οργάνων εξασφαλισμένης ορθότητας και σταθερότητας. Η διακρίβωση έχει διάφορες βαθμίδες από τη διακρίβωση που γίνεται στο ίδιο το ενδιαφερόμενο εργαστήριο, όταν αυτό διαθέτει ορισμένα κατάλληλα πρότυπα όργανα, ως τη διακρίβωση που γίνεται με πρότυπα όργανα που έχουν εξαιρετικά υψηλή ορθότητα και σταθερότητα και που μπορεί να υπάρχουν σε ένα και μοναδικό εργαστήριο στον κόσμο. Εκείνο που έχει ιδιαίτερη σημασία είναι ότι η διακρίβωση ενός οργάνου πρέπει να γίνεται με όργανα διακριβωμένα από μια υψηλότερη βαθμίδα διακρίβωσης. Η διακρίβωση των οργάνων ενός εργαστηρίου πρέπει να γίνεται σε τακτά χρονικά διαστήματα και σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα συνήθως σε διάστημα όχι μεγαλύτερο από δύο χρόνια. Κάθε όργανο οφείλει να έχει πάνω του ετικέτα, όπου αναγράφεται η ημερομηνία της τελευταίας καθώς και η ημερομηνία της επόμενης διακρίβωσης του. Πειραματικό Μέρος Συσκευές και όργανα: ¾ Μηχανικός ζυγός OHAUS ¾ Ηλεκτρονικός ζυγός ¾ Εργαστηριακός κλίβανος ¾ Κόσκινα. - 55 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πειραματική Διαδικασία: ¾ Μηχανικός ζυγός OHAUS: Αρχικά μηδενίζεται ο ζυγός αφού έχει τοποθετηθεί το σκεύος ζύγισης. Με τη χρήση πρότυπων βαρών, ελέγχεται η ακρίβεια του ζυγού, από τις αποκλίσεις που προσδιορίζονται σε διαδοχικές ζυγίσεις. ¾ Εργαστηριακός κλίβανος: Χρησιμοποιώντας υδραργυρικά θερμόμετρα, τόσο στο εσωτερικό του θαλάμου θέρμανσης όσο και στο εξωτερικό περιβάλλον (εκτός του θαλάμου), ελέγχονται οι ενδείξεις για την μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία, κατά την διακοπή παροχής ηλεκτρικού ρεύματος στον κλίβανο και έναρξης της παροχής ρεύματος, αντίστοιχα. ¾ Ηλεκτρονικός ζυγός: Με πρότυπα βάρη ελέγχεται η ορθότητα και ακρίβεια ζύγισης. ¾ Κόσκινα: Η δοκιμή ελέγχου πραγματοποιείται σύμφωνα με την αμερικάνικη προδιαγραφή ASTM E11 (American Society for Testing and Materials). Στο κόσκινο Νο50 με άνοιγμα τετραγωνικής οπής 300μm και πάχος σύρματος 0,125 mm, ελέγχεται με τη χρήση μικροσκοπίου το μέγεθος του ανοίγματος τετραγωνικής οπής και το πάχος σύρματος. Σύμφωνα με την προδιαγραφή, για να μπορεί να χαρακτηριστεί το προς μελέτη κόσκινο ως Νο50, θα πρέπει ο μέσος όρος των τιμών για το μέγεθος όλων των οπών που ελέγχθηκαν να εμφανίζει τυπικό σφάλμα ±0,014 mm, με μέγιστο άνοιγμα οπής μόνο για το 5% των τιμών 0,337mm, με μόνο μία τιμή έως 0,363 mm και πάχος σύρματος 0,215±0,075 mm. ΜΕΡΟΣ ΙΙ: ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ – ΤΕΤΡΑΜΕΡΙΣΜΟΣ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η λήψη αντιπροσωπευτικού εργοταξιακού δείγματος από σωρό αδρανών υλικών (άμμο, γαρμπίλι, χαλίκι) για την πραγματοποίηση ελέγχων και η πιστοποίηση της καταλληλότητας των αδρανών υλικών για την πιθανή χρήση τους στην παραγωγή σκυροδέματος σύμφωνα με τον Ελληνικό Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997 (Κ.Τ.Σ.- 97). Θεωρητικό Μέρος Ι. Αδρανή υλικά Ως αδρανή υλικά θεωρούνται τα διαβαθμισμένα, ορυκτής ή βιομηχανικής προέλευσης, υλικά που χρησιμοποιούνται είτε με συγκολλητικό μέσο (για παρασκευή κονιαμάτων, σκυροδεμάτων, ασφαλτομιγμάτων κλπ) είτε αυτούσια (έρμα σιδηροδρομικών γραμμών, στραγγιστηρίων, φίλτρων διηθήσεως ή καθαρισμού, βράχοι θωράκισης, κλπ), σε πάσης φύσεως τεχνικά έργα. Τα αδρανή δεν παρουσιάζουν χημικές συνδετικές ιδιότητες μεταξύ τους, παρά μόνο φυσική συνοχή λόγω της γεωμετρικής ταξινόμησης των κόκκων και του βάρους τους. Επίσης, σύμφωνα με την κλασσική αντίληψη, δεν αντιδρούν χημικά με το συγκολλητικό μέσο παρά μόνο συγκρατούνται από αυτό. Αποτελούν κύρια συστατικά του σκυροδέματος (δηλαδή εμφανίζουν την μεγαλύτερη % κ.β. αναλογία στη σύσταση του σκυροδέματος, περίπου 70-80% κ.β.) , γεγονός που συμβάλλει στο να διατηρείται χαμηλό το κόστος του σκυροδέματος, επειδή τα αδρανή είναι σχετικώς φθηνά υλικά, τόσο ως πρώτη ύλη όσο και ως διαδικασία παραγωγής. Δρουν δηλαδή ως πληρωτικά στο σκυρόδεμα και δεν συμμετέχουν στη διαδικασία ενυδατώσεως. Αυτό δεν είναι το μοναδικό πλεονέκτημα από τη χρήση αδρανών. Τα αδρανή, εκτός των άλλων, προσφέρουν αξιόλογα πλεονεκτήματα και από τεχνικής άποψης στο σκυρόδεμα. Επηρεάζουν θετικά τη στατική συμπεριφορά των κατασκευών από σκυρόδεμα, εξασφαλίζουν μεγάλη “σταθερότητα όγκου” και - 56 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των κατασκευών σε σχέση με την περίπτωση χρήσης μόνο τσιμεντοκονιάματος. Οι ισχύουσες προδιαγραφές στην Ελλάδα για τα αδρανή σκυροδέματος είναι ο Κ.Τ.Σ.-97 και το Σχέδιο Ελληνικού Προτύπου ΕΛΟΤ 408 (Θραυστά αδρανή για συνήθη σκυροδέματα). Σύμφωνα με το νέο Ευρωπαϊκό Πρότυπο Αδρανών Σκυροδέματος ΕΛΟΤ ΕΝ 12620, ως αδρανή υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν τεχνητά και ανακυκλωμένα αδρανή. Τα αδρανή που προορίζονται για την παραγωγή σκυροδέματος πρέπει να είναι καθαρά, χωρίς επιφανειακή σκόνη, άργιλο και οργανικές ύλες (συνήθως πλυμένα), σκληρά και μεγάλης αντοχής. Διακρίνονται στης εξής 4 κατηγορίες, με κριτήριο: 1. Την προέλευσή τους, σε (σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΛΟΤ EN 12620 για αδρανή σκυροδέματος): - Αδρανή φυσικής προέλευσης - Τεχνητά ή βιομηχανικά αδρανή - Ανακυκλωμένα αδρανή. Φυσικής προέλευσης είναι τα αδρανή τα οποία έχουν ληφθεί από το φυσικό περιβάλλον και δεν έχουν υποστεί τίποτε περισσότερο από μηχανική επεξεργασία θραύσης, πλυσίματος και διαλογής (πχ θραυστά πετρώματα, αλλουβιακοί σχηματισμοί, ποταμίσιες λιμναίες ή θαλάσσιες αποθέσεις, αποθέσεις άμμων ή χαλικιών, λάβα, ηφαιστειακοί τόφφοι, λατομικά προϊόντα κλπ). Τεχνητά ή βιομηχανικά είναι τα αδρανή που έχουν προκύψει ως προϊόντα ή παραπροϊόντα βιομηχανικής δραστηριότητας από χημική ή θερμική επεξεργασία πρώτων υλών ορυκτής ή άλλης προέλευσης (πχ τέφρες, σκωρίες, υπολείμματα καύσεων, άργιλοι, βερμικουλίτης, περλίτης, υλικά στίλβωσης, κλπ) Ανακυκλωμένα είναι τα αδρανή που προκύπτουν από την επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση δομικών υλικών από υφιστάμενες κατασκευές (υλικά κατεδαφίσεως σκυροδέματος, τοιχοποιίας, ασφαλτικών έργων κλπ) 2. Την πηγή λήψης τους, σε: - Φυσικά ή συλλεκτά αδρανή - Αδρανή λατομείων Οι παραπάνω κατηγορίες αναφέρονται στα πρωτογενή αδρανή φυσικής προέλευσης, ανεξάρτητα αν ακολουθεί άλλη κατεργασία που μπορεί να τα μετατρέψει σε τεχνητά – βιομηχανικά. «Φυσικά» ή συλλεκτά ονομάζονται τα αδρανή που η λήψη τους γίνεται από φυσικές αποθέσεις (π.χ. ποτάμια, ορυχεία κτλ.). Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως έχουν ή να επεξεργαστούν περαιτέρω ανάλογα με τις απαιτήσεις (π.χ. θραύση, πλύσιμο, κτλ.). Επειδή σε αυτά τα υλικά υπάρχει αυξημένος ο κίνδυνος της ύπαρξης αργιλικής παιπάλης, έχουν κατά κανόνα αυξημένες απαιτήσεις ως προς αυτή. Η τυποποίηση των φυσικών αδρανών είναι σχεδόν αδύνατη και η βελτίωση των - 57 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ιδιοτήτων τους εξαιρετικά αντιοικονομική. Η ανάγκη της βελτίωσης και τυποποίησης των δομικών υλικών, που κατασκευάζονται με βάση τα λίθινα προϊόντα, έχει οδηγήσει στο περιορισμό της χρησιμοποίησης των φυσικών αδρανών. Αδρανή λατομείων ονομάζονται τα αδρανή που προκύπτουν από εξόρυξη και θραύση όγκων πετρώματος. Αποτελούν την κύρια κατηγορία αδρανών υλικών που χρησιμοποιούνται στον Ελλαδικό χώρο και ως προς τη χημική τους σύσταση είναι κυρίως ασβεστολιθικής και σπανιότερα πυριτικής προέλευσης. 3. Το ειδικό τους βάρος, σε: - Κανονικού ειδικού βάρους - Ελαφροβαρή αδρανή - Βαριά αδρανή Κανονικού ειδικού βάρους είναι τα αδρανή με ειδικό βάρος από 2000 – 3000 kg/m3. Είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα αδρανή για τεχνικά έργα (ασφαλτικά, οδοστρωσίας, παραγωγή σκυροδέματος, κονιαμάτων, κτλ). Ελαφροβαρή είναι τα αδρανή με ειδικό βάρος <2000 kg/m3. Χρησιμοποιούνται κυρίως για ελαφροβαρή θερμομονωτικά σκυροδέματα; ή κονιάματα. Βαριά είναι τα αδρανή με ειδικό βάρος >3000 kg/m3. Έχουν ειδικές χρήσεις (πχ κατασκευές από σκυρόδεμα για προστασία από την ακτινοβολία κλπ ). 4. Το μέγεθος των κόκκων τους, σε (σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΛΟΤ EN 12620 για αδρανή σκυροδέματος): - Xονδρόκοκκα - Λεπτόκοκκα - Filler Λεπτόκοκκα (σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12620) είναι τα αδρανή με μέγιστο μέγεθος κόκκου 4 mm (διάφορα είδη άμμων). Xονδρόκοκκα (σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12620) είναι τα αδρανή με μέγιστο μέγεθος κόκκου >4 mm, και ελάχιστο >2 mm (ογκόλιθοι, κροκάλες, έρμα, χαλίκι, γαρμπίλι, ρυζάκι). Filler ή παιπάλη (σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12620) είναι το διαβαθμισμένο λεπτομερές αδρανές υλικό με μέγιστο κόκκο 2 mm, και το οποίο διέρχεται σε ποσοστό 70-100% από το κόσκινο 0,063 mm. - 58 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Τα αδρανή που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή σκυροδέματος έχουν διάφορα μεγέθη και ακανόνιστο σχήμα. Κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με το μέγεθός τους, συνήθως ως εξής: Άμμος: μέσο μέγεθος κόκκων έως 8 mm ή 3/8″ (=9,5 mm) (χονδρόκκοκη) και έως 4 mm (λεπτόκκοκη), Γαρμπίλι (ή ψηφίδες ή λιθοσύντριμμα): μέσο μέγεθος κόκκων από 5 έως 12,5 mm (λεπτόκκοκο ή χονδρόκκοκο) Σκύρα: μέσο μέγεθος κόκκων από 12,5 έως 38 mm ή ακόμη μεγαλύτερα. Είδη ελέγχων και δοκιμών αδρανών υλικών (σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12620) Οι μέθοδοι δοκιμών μπορούν να χωριστούν σε 6 κατηγορίες ανάλογα με το ελεγχόμενο χαρακτηριστικό/ιδιότητα: α) Γενικά Χαρακτηριστικά, β) Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά, γ) Φυσικά και Μηχανικά Χαρακτηριστικά, δ) Ιδιότητες των αδρανών σε θερμικές και καιρικές μεταβολές, ε) Χημικά Χαρακτηριστικά. Μια άλλη διάκριση των ιδιοτήτων είναι σε 3 βασικές κατηγορίες, όπου απαιτούνται αντίστοιχες μέθοδοι ελέγχου / δοκιμών: α. Γενικές ιδιότητες αδρανών - Κοκκομετρία - Σχήμα - Παιπάλη • Περιεκτικότητα • Ποιότητα - Πυκνότητα και υδαταπορροφητικότητα - Αλκαλοπυριτική δραστηριότητα - Πετρογραφική δομή - Επικίνδυνες ουσίες • Εκπομπή ραδιενέργειας • Αποδέσμευση βαρέων μετάλλων β. Ιδιότητες αδρανών για χρήσεις επιφανείας ή άλλη τελική χρήση - Αντίσταση σε θρυμματισμό & κρούση - Αντίσταση σε φθορά - Αντίσταση σε στίλβωση - Αντίσταση σε απότριψη - Ανθεκτικότητα σε ψύξη-απόψυξη - Περιεκτικότητα χλωριόντων γ. Ιδιότητες αδρανών που προέρχονται από ιδιαίτερες πηγές - Περιεκτικότητα κελυφών - Σταθερότητα όγκου - Περιεκτικότητα χλωριόντων, όπως θαλάσσιες αποθέσεις - Ενώσεις που περιέχουν θείο, όπως σκωρίες - Οργανικές και ελαφροβαρείς προσμίξεις - 59 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΙΙ. Δειγματοληψία Αδρανών – Τετραμερισμός (quartering) Η διεργασία της δειγματοληψίας αποσκοπεί στην λήψη ενός αντιπροσωπευτικού δείγματος από έναν πληθυσμό, που στην Τεχνολογία των αδρανών υλικών αφορά έναν σωρό, αν και οι διάφορες χρησιμοποιούμενες μεθοδολογίες δειγματοληψίας, εν γένει μπορούν να εφαρμοστούν σε όλα τα στερεά υλικά που παράγονται στη Χημική και Μεταλλουργική Βιομηχανία. Η δειγματοληψία πρέπει να προηγείται οποιασδήποτε δοκιμής που πρόκειται να υποστεί οποιοδήποτε είδος αδρανούς υλικού και μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τα αποτελέσματα των δοκιμών στις οποίες θα υποβληθεί ένα ληφθέν δείγμα. Δεν προσδιορίζει ιδιότητα αλλά θέτει όρους για την λήψη ενός αντιπροσωπευτικού εργοταξιακού δείγματος. Για αδρανή λατομείου που προορίζονται στην παραγωγή κονιαμάτων, τα στιγμιαία δείγματα θα πρέπει να είναι τυχαία και κατανεμημένα σε όλα τα σημεία της εξεταζόμενης παρτίδας. Τα στιγμιαία δείγματα θα πρέπει να ανακατεύονται και έτσι να αποτελούν το συνολικό εργοταξιακό δείγμα. Ανάλογα με το μέγεθος του μέγιστου κόκκου καθώς και με το επιθυμητό σημείο δειγματοληψίας (σωροί αποθήκευσης, μεταφορική ταινία, φορτηγά, πλοία κλπ) πρέπει να ακολουθείται διαφορετική διαδικασία. Κατά την διαδικασία του τετραμερισμού το προς εξέταση δείγμα αδειάζεται προσεκτικά σε μια επίπεδη επιφάνεια ώστε να σχηματιστεί ένας κώνος. Στη συνέχεια με ένα φτυάρι ή μία σπάτουλα ανακατεύεται το δείγμα και λαμβάνεται υλικό από τη βάση του κώνου το οποίο μεταφέρεται στην κορυφή του. Με φτυάρι ή σπάτουλα επιπεδώνεται η κορυφή του κώνου και χωρίζεται το υλικό σε τέσσερα τεταρτημόρια. Απομακρύνονται δύο οποιαδήποτε κατά κορυφήν τεταρτημόρια και λαμβάνεται το υλικό των δύο άλλων. Στη συνέχεια η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται άλλη μία φορά έτσι που το τελικό προς εξέταση δείγμα να είναι το ένα τέταρτο περίπου του αρχικού δείγματος. Σχήμα 1: Διαδικασία τετραμερισμού. Πειραματικό Μέρος Προδιαγραφές: Η δειγματοληψία πραγματοποιείται σύμφωνα με τις αμερικάνικες προδιαγραφές ASTM – D75 και AASHTO – T2. - 60 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Συσκευές και όργανα: ¾ Φτυάρι χωρητικότητας 3,5-3,75 kg, για την δειγματοληψία του χαλικιού ¾ Σέσουλα Νο300 (μικρή), χωρητικότητας 500-700 g, για την δειγματοληψία της άμμου ¾ Σέσουλα Νο350 (μεσαία), χωρητικότητας 1,0-1,5 kg, για την δειγματοληψία του γαρμπιλιού. Πειραματική Διαδικασία: Σε έναν σωρό αδρανούς υλικού χαράσσονται 4 γενέτειρες αντιδιαμετρικές μεταξύ τους. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές ASTM – D75 και AASHTO – T2 πρέπει να συλλεχθούν οι εξής ελάχιστες ποσότητες δείγματος: • Για το χαλίκι 50 kg • Για το γαρμπίλι 15 kg • Για την άμμο 10 kg Το δείγμα πρέπει να παίρνεται με τη βοήθεια ειδικού πτύου (scoop) και όχι με κλασσικού τύπου πτύο (φτυάρι), ώστε να εξασφαλίζεται η μη απόμειξη (segregation) του υλικού. Στην εκάστοτε γενέτειρα, πριν πραγματοποιηθούν οι λήψεις του υλικού, εισχωρείται το κατάλληλο σκεύος και απομακρύνεται υλικό από βάθος περίπου 20 cm, καθώς τα αδρανή υλικά είναι εκτεθειμένα στις εκάστοτε καιρικές συνθήκες. Από κάθε γενέτειρα, σε διαφορετικά ύψη κάθε φορά, λαμβάνεται η απαραίτητη ποσότητα με εφαρμογή 3 ή 4 λήψεων. ΜΕΡΟΣ ΙΙΙ: ΕΛΛΑΤΩΣΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ – ΔΙΜΕΡΙΣΜΟΣ ΑΔΡΑΝΩΝ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η μείωση της αρχικής ποσότητας ενός ομοιόμορφου αντιπροσωπευτικού δείγματος αδρανούς υλικού, σε μικρότερη αναγκαία ποσότητα, όπως απαιτείται από τις αντίστοιχες προδιαγραφές, βάσει των οποίων θα πραγματοποιηθούν οι δοκιμές ελέγχου για να κριθεί η καταλληλότητα των αδρανών υλικών για την παρασκευή σκυροδέματος. Θεωρητικό Μέρος Στην εργαστηριακή πρακτική είναι αναγκαία η ύπαρξη πλέον του ενός αντιπροσωπευτικών εργαστηριακών δειγμάτων για την διεξαγωγή πολλαπλών δοκιμών που προέρχονται από το ίδιο αντιπροσωπευτικό εργοταξιακό δείγμα. Συνεπώς είναι πολλές φορές αναγκαίος ο διαχωρισμός του αρχικού εργοταξιακού δείγματος. Η μέθοδος ελάττωσης της αρχικής μάζας και λήψης του τελικού δείγματος (για τον έλεγχο των ιδιοτήτων), ανάλογα με το μέγεθος του μέγιστου κόκκου καθώς και την επιθυμητή ποσότητα δείγματος προς δοκιμή γίνεται συνήθως με μία από τις δύο μεθόδους, οι οποίες είναι - με τη συσκευή διμερισμού (sample splitter) ή η μέθοδος του μηχανικού δειγματολήπτη (riffling) - η μέθοδος της τεταρτοτόμησης ή τετραμερισμού (quartering) όπως αυτή περιγράφηκε αναλυτικά στο Μέρος ΙΙ. Στη μέθοδο του μηχανικού δειγματολήπτη (Σχήμα 2) πρέπει να χρησιμοποιούνται δειγματολήπτες ρυθμιζόμενου ανοίγματος χωρισμάτων, ώστε να εξασφαλίζεται, ανάλογα με το μέγεθος του - 61 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής μέγιστου κόκκου, η ανεμπόδιστη διέλευση του τροφοδοτούμενου υλικού και η λήψη του στους υποδοχείς. Σχήμα 2: Συσκευή διμερισμού (sample splitter). Πειραματικό Μέρος Προδιαγραφές: Ο διμερισμός πραγματοποιείται σύμφωνα με τις αμερικάνικες προδιαγραφές ASTM – C702 και AASHTO – T248. Συσκευές και όργανα: ¾ Διάταξη Διμερισμού. Πειραματική Διαδικασία: Τα ανοίγματα της διμεριστικής μηχανής πρέπει να είναι τουλάχιστον 50% μεγαλύτερα σε μέγεθος από τον μέγιστο κόκκο του υλικού, ήτοι (1″=1 in=2,54 cm): ¾ Για το χαλίκι: d=1,0″·1,5=1,5″, ¾ Για το γαρμπίλι: d=0,5″·1,5=1″, ¾ Για την άμμο: d=4,75 mm·1,5=0,5″. - 62 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΜΕΡΟΣ ΙV: ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΙΠΑΛΗΣ ΠΛΥΣΙΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο προσδιορισμός του % κ.β. ποσοστού της παιπάλης πλυσίματος αδρανών υλικών και της φυσικής τους υγρασίας, για τον έλεγχο της συμμόρφωσής τους με τις απαιτήσεις του Κ.Τ.Σ.-97 για την χρησιμοποίησή τους στην παραγωγή σκυροδέματος. Θεωρητικό Μέρος Παιπάλη Παιπάλη ή filler, κατά το πρότυπο ASTM, ορίζεται το λεπτόκοκκο κλάσμα το οποίο διέρχεται από το κόσκινο Νο200 (το οποίο έχει άνοιγμα τετραγωνικής οπής 0,075mm). Σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12620 ως παιπάλη ορίζεται το διαβαθμισμένο λεπτομερές αδρανές υλικό με μέγιστο κόκκο 2 mm, και το οποίο διέρχεται σε ποσοστό 70 – 100% από το κόσκινο 0,063 mm. Από πλευράς χημικής σύστασης, στο κλάσμα της παιπάλης μπορεί να περιέχεται και η πιθανή παρουσία αργίλου. Η παιπάλη προσκολλάται στους κόκκους του υλικού, εμποδίζοντας την πρόσφυση και αγκύρωση των κόκκων των αδρανών με τη συνδετική κονία, είτε σχηματίζει συσσωματώματα, δημιουργώντας αδύνατα σημεία στην μάζα του κονιάματος, ή ακόμη διασκορπίζεται ομοιόμορφα μέσα στην μάζα του αδρανούς. Επίσης αυξάνει εν γένει την απαίτηση σε νερό στο σκυρόδεμα και ελαττώνει την αντοχή του. Παράλληλα συντελεί στην αύξηση της εργασιμότητας του μίγματος αδρανών - κονιάματος. Για τους παραπάνω λόγους η παιπάλη είναι ανεπιθύμητη (όπως και η άργιλος) σε αδρανή που προορίζονται στην παραγωγή σκυροδέματος. Σύμφωνα με τον Κ.Τ.Σ., για αδρανή σκυροδέματος το μέγιστο επιτρεπτό ποσοστό παιπάλης δεν πρέπει να υπερβαίνει το 16% κ.β. στην άμμο και το 1% κ.β. στα χονδρόκοκκα κλάσματα (σκύρα, γαρμπίλι, ρυζάκι). Ειδικότερα για άοπλα σκυροδέματα το κ.β. ποσοστό παιπάλης στην άμμο μπορεί να φτάσει το 20%. Η παιπάλη της φυσικής άμμου δεν πρέπει να υπερβαίνει το 5% κ.β.. Στο ασφαλτικό σκυρόδεμα και ειδικά για την στρώση κυκλοφορίας το ποσοστό παιπάλης των αδρανών πρέπει να βρίσκεται μεταξύ 5 – 12% κ.β.. Υψηλά ποσοστά παιπάλης αυξάνουν την εργασιμότητα στο ασφαλτικό σκυρόδεμα. Λόγω της προσκόλλησης της παιπάλης στο χονδρόκοκκο υλικό, ο διαχωρισμός της από αυτό με τον συνήθη τρόπο κοσκινίσματος είναι αρκετά δύσκολος και όχι πλήρης, γι' αυτό ο προσδιορισμός της γίνεται με πλύσιμο στο κόσκινο Νο200. Περιεχόμενη υγρασία των αδρανών (moisture content) Οι κόκκοι των αδρανών μπορούν να περιέχουν νερό στο εσωτερικό τους και επίσης εξωτερική επιφανειακή υγρασία, που οφείλονται στο χώρο και τον τρόπο αποθήκευσής τους. Το πορώδες των αδρανών δίνει τη δυνατότητα απορρόφησης νερού από τα ξηρά αδρανή (Σχήμα 3 και 4), γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα να μειώνεται το διαθέσιμο νερό που είναι απαραίτητο για τις αντιδράσεις ενυδάτωσης με τη συνδετική κονία (στην περίπτωση του σκυροδέματος με το τσιμέντο). Αντιθέτως, εάν τα αδρανή εμφανίζουν περίσσεια νερού (στο εσωτερικό τους αλλά και στην επιφάνειά τους), συνεισφέρουν νερό για τις αντιδράσεις ενυδάτωσης. - 63 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Στερεό Στερεό Κενό γεμάτο με νερό Κενό 1 2 Κενό με μερική πλήρωση σε νερό Σχήμα 3: Επιφανειακή δομή και πορώδες αδρανών. Στερεό Στερεό Νερό 4 Νερό 3 Κόκκος αδρανούς μερικώς κορεσμένο σε νερό και επιφανειακά ξηρός Κόκκος αδρανούς πλήρως κορεσμένος σε νερό και επιφανειακά ξηρός Σχήμα 4: Κόκκοι αδρανών (3) μερικώς και (4) πλήρως κορεσμένοι σε νερό αλλά επιφανειακά ξηροί. Με βάση τα παραπάνω, οι κόκκοι των αδρανών διακρίνονται στις παρακάτω τέσσερεις κατηγορίες, όσον αφορά στην κατάσταση τους από πλευράς υγρασίας: 1. Τελείως ξηροί (Oven-Dry ή OD), χωρίς καθόλου υγρασία δηλαδή έχουν υποστεί ολοκληρωτική ξήρανση 2. Μερικώς ξηροί (Air-Dry ή AD), όπου οι εσωτερικοί τους πόροι είναι μερικώς γεμάτοι με νερό ενώ η επιφάνειά τους είναι ξηρή. 3. Κόκκοι με πόρους γεμάτους με νερό (Saturated Surface-Dry ή SSD), ενώ η επιφάνειά τους δεν έχει υγρασία. 4. Κόκκοι με πόρους γεμάτους με νερό (Damp ή Wet), ενώ η επιφάνειά τους είναι καλυμμένη με στρώμα (φιλμ) νερού. Από τις παραπάνω τέσσερεις περιπτώσεις η πλέον χαρακτηριστική είναι η 3η (Σχήμα 4.3), η οποία αποτελεί κατάσταση ισορροπίας, όπου τα αδρανή ούτε απορροφούν αλλά ούτε και αποδίδουν νερό - 64 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής στην τσιμεντόπαστα. Η κατάσταση αυτή χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ειδικού βάρους των αδρανών που χρησιμοποιούνται στο σκυρόδεμα. Απορρόφηση νερού και επιφανειακή υγρασία Για να προσδιοριστεί η ποσότητα του νερού, που θα προσφερθεί στην τσιμεντόπαστα ή θα απορροφηθεί από τα αδρανή του σκυροδέματος, χρησιμοποιούνται οι παρακάτω τρεις (3) όροι: • Απορροφητική ικανότητα (Absorption Capacity ή AC): Αφορά στη μέγιστη ποσότητα νερού που μπορούν να απορροφήσουν τα αδρανή από την τσιμεντόπαστα. Η απορροφητική ικανότητα είναι το μέτρο του συνολικού όγκου των πόρων που είναι προσβάσιμοι από το νερό και μπορεί να προσδιοριστεί από τα αποτελέσματα προσδιορισμού του ειδικού βάρους (ASTM C – 127 και C – 128). Η ποσότητα αυτή κυμαίνεται μεταξύ 1 και 2,5% για τα συνήθη αδρανή και εκφράζεται ποσοστιαία από τη σχέση: W - WOD % AC = SSD ·100 WOD όπου WSSD: η μάζα του πλήρως κορεσμένου (επιφανειακά στεγνού, SSD) δείγματος σε g, WOD: η mάζα του πλήρως ξηραμένου (OD) δείγματος σε g. Η συνολική περιεχόμενη υγρασία (%) προσδιορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C – 566 εφαρμόζοντας τη σχέση: W - WOD Συνολική υγρασία (%) = ·100 WOD όπου W = μάζα του αρχικού δείγματος (με όλη την υγρασία του) σε g. • Εφικτή απορροφητική ικανότητα (Effective Absorption ή EA): Αφορά στην ποσοστιαία δυνατή (εφικτή) ποσότητα νερού, που μπορούν να απορροφήσουν τα αδρανή, ώστε να μεταπέσουν από την κατάσταση μερικού κορεσμού (AD) των πόρων τους στην κατάσταση πλήρους κορεσμού τους (SSD), η οποία στα συνήθη αδρανή κυμαίνεται από 0-8% κ.β.. Προσδιορίζεται από τη σχέση: W - WAD ·100 % EA = SSD WAD Η μάζα του νερού (Wabs) που μπορεί να απορροφηθεί από δεδομένη μάζα Wagg αδρανών σε κατάσταση μερικού κορεσμού (AD), προσδιορίζεται από τη σχέση: Wabs = (EA)·Wagg • Επιφανειακή υγρασία (Surface Moisture ή SM): Αφορά στην ποσοστιαία περίσσεια νερού, λόγω επιφανειακής υγρασίας των κόκκων, σε σχέση με την κατάσταση του πλήρους κορεσμένου αλλά επιφανειακά στεγνού κόκκου (SSD). Προσδιορίζεται από τη σχέση: Wwet - WSSD ·100 WSSD Ο παραπάνω συντελεστής χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της επιπλέον ποσότητας υγρασίας (Wadd), η οποία εισάγεται στο μίγμα των πρώτων υλών σκυροδέματος, μέσω των αδρανών δεδομένης μάζας Wagg. % SM = - 65 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Wadd = (SM)·Wagg Η ποσοστιαία προσφερόμενη από τα αδρανή υγρασία (Moisture content ή MC) δίνεται από τη σχέση: W - WSSD % MC = Stock ·100 WSSD Εάν η τιμή του MC > 0, τότε τα αδρανή εμφανίζουν επιφανειακή υγρασία, ενώ εάν MC < 0, τότε τα αδρανή έχουν δυνατότητα απορρόφησης νερού από την τσιμεντόπαστα. Συνεπώς, η συνολική υγρασία των αδρανών χαρακτηρίζει την αναμενόμενη συμπεριφορά τους κατά την παρασκευή σκυροδέματος. Τα λεπτόκοκκα αδρανή, τα οποία βρίσκονται αποθηκευμένα σε υπαίθριους σωρούς έχουν συνήθως επιφανειακή υγρασία κυμαινόμενη από 0-10% κ.β., ενώ τα χονδρόκοκκα από 0-2% κ.β.. Στα λεπτόκοκκα αδρανή κατακρατείται μεγαλύτερη ποσότητα νερού μεταξύ των τεμαχίων τους απ’ ό,τι μεταξύ των χονδρόκοκκων αδρανών, λόγω μεγαλύτερης ειδικής επιφάνειας. Αυτό το φίλμ (λεπτό στρώμα) επιφανειακής υγρασίας διατηρεί τους κόκκους των αδρανών σε μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ τους και αυξάνει το φαινόμενο όγκο τους, μειώνοντας με αυτό τον τρόπο το φαινόμενο ειδικό τους βάρος. Ειδικά στην περίπτωση της άμμου παρατηρείται διόγκωσή της που εξαρτάται από την επιφανειακή υγρασία και από την λεπτότητά της. Η διόγκωση της άμμου οφείλεται στο σχηματισμό υμενίων νερού μέσα στη μάζα της. Τα υμένια κρατάνε σε απόσταση τους κόκκους της άμμου. Όσο μικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση και το βάρος ανά μονάδα όγκου είναι μικρότερο. Τα σχηματιζόμενα υμένια καταστρέφονται με τη περαιτέρω αύξηση της υγρασίας, διότι τότε δημιουργείται ελεύθερη κίνηση του νερού μέσα στους κόκκους. Επομένως με την αύξηση της υγρασίας η άμμος χάνει την διόγκωση της και επανέρχεται στον αρχικό όγκο της ξηρής άμμου. Για αύξηση της υγρασίας από 5-8% κ.β. προκαλείται διόγκωση της άμμου κατά 20-30% κ.ο.. Η θραυστή άμμος υφίσταται τη μεγαλύτερη διόγκωση, περίπου 25%, για ποσοστό υγρασίας 8% κ.β. Πειραματικό Μέρος Προδιαγραφές: Ο προσδιορισμός του % κ.β. ποσοστού της παιπάλης πλυσίματος αδρανών υλικών και της φυσικής τους υγρασίας πραγματοποιείται σύμφωνα με τις αμερικάνικες προδιαγραφές ASTM – C117, AASHTO – T11 (American Association of State Highway and Transportation Officials). Συσκευές και όργανα: Κόσκινο Νο4, κόσκινο Νο200, μηχανικός ζυγός OHAUS, ηλεκτρονικός ζυγός, εργαστηριακός κλίβανος. Πειραματική Διαδικασία: Υπάρχουν δύο μέθοδοι προσδιορισμού του ποσοστού παιπάλης αδρανών υλικών: 1. Η μέθοδος αυτή διαρκεί τρεις ημέρες με την χρήση ενός μόνο δείγματος. Την πρώτη ημέρα ζυγίζεται το δείγμα και αυτό θα είναι το βάρος του υλικού με φυσική υγρασία (WΦΥ). Ακολούθως το δείγμα φέρεται εντός του εργαστηριακού κλίβανου και ξηραίνεται σε - 66 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής θερμοκρασία μεταξύ 105 – 110°C, η οποία διατηρείται σταθερή. Την δεύτερη ημέρα το δείγμα εξέρχεται από τον κλίβανο και προσδιορίζεται το βάρος του υλικού, φυσικό και ξηρό (WΦΞ). Ακολούθως το υλικό εκπλένεται στο κόσκινο Νο200 και στην συνέχεια φέρεται εντός του εργαστηριακού κλιβάνου σε θερμοκρασία μεταξύ 105 – 110°C, η οποία διατηρείται σταθερή. Την τρίτη ημέρα το δείγμα εξέρχεται από τον κλίβανο και προσδιορίζεται το βάρος του, πλυμένο και ξηρό (WΠΞ). 2. Η μέθοδος αυτή διαρκεί δύο ημέρες, με την χρήση δύο ‘αδερφικών’ δειγμάτων. Την πρώτη ημέρα το πρώτο αδερφικό δείγμα ζυγίζεται και προσδιορίζεται το βάρος του με φυσική υγρασία (WΦΥ1). Ακολουθεί έκπλυση του δείγματος στο κόσκινο Νο200 και στην συνέχεια φέρεται εντός του εργαστηριακού κλιβάνου σε θερμοκρασία μεταξύ 105 – 110°C, η οποία διατηρείται σταθερή. Το δεύτερο αδερφικό δείγμα ζυγίζεται, (αναφέρεται ως βάρος του υλικού με φυσική υγρασία (WΦΥ2)) και τοποθετείται εντός εργαστηριακού κλιβάνου, σε θερμοκρασία μεταξύ 105 – 110°C, η οποία διατηρείται σταθερή. Την δεύτερη ημέρα εξέρχεται το πρώτο αδερφικό δείγμα από τον εργαστηριακό κλίβανο και με ζύγιση προσδιορίζεται το βάρος του υλικού πλυμένο και ξηρό (WΠΞ1). Το δεύτερο αδερφικό δείγμα, αφού εξέλθει από τον κλίβανο, ζυγίζεται και προσδιορίζεται το βάρος του υλικού φυσικό και ξηρό (WΦΞ2). Υπολογισμοί – Επεξεργασία Μετρήσεων: Μέθοδος 1η: Υπολογισμός φυσικής υγρασίας: ΥΦ = WΦΥ - WΦΞ, σε (g) ΥΦ (%) = [(WΦΥ - WΦΞ) / WΦΞ]·100 Υπολογισμός παιπάλης πλυσίματος: Π.Π. = WΦΞ - WΠΞ , σε (g) Π.Π. (%) = [(WΦΞ - WΠΞ) / WΦΞ]·100 Μέθοδος 2η: Υπολογισμός φυσικής υγρασίας από το δεύτερο δείγμα: ΥΦ = WΦΥ2 - WΦΞ2, σε (g) ΥΦ (%) = [(WΦΥ2 - WΦΞ2) / WΦΞ2]·100 Υπολογισμός WΦΞ για το πρώτο δείγμα υπολογιστικά: WΦΞ1 = (WΦΥ1 · WΦΞ2)/ WΦΥ2 Υπολογισμός παιπάλης πλυσίματος: Π.Π.= WΦΞ1 - WΠΞ1, σε (g) Π.Π. (%)= [(WΦΞ1 - WΠΞ1) / WΦΞ1]·100 - 67 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 5η ΚΟΚΚΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η εύρεση της κατανομής μεγέθους κόκκων ενός αδρανούς υλικού και η κατασκευή της σχετικής κοκκομετρικής καμπύλης. Τα προσδιορισθέντα, με την κατά ASTM σειρά κοσκίνων, επί τοις εκατό ολικά διερχόμενα (% Pi) των αδρανών υλικών θα συγκριθούν με αυτά του Κ.Τ.Σ.-97 και θα χρησιμοποιηθούν για την χάραξη της κοκκομετρικής καμπύλης μίγματος αδρανών υλικών. Θεωρητικό Μέρος Το σκυρόδεμα είναι σήμερα το πιο διαδεδομένο δομικό υλικό και παρασκευάζεται από αδρανή υλικά, τσιμέντο και νερό. Ο τσιμεντοπολτός αποτελεί τον συνδετικό ιστό που καλύπτει τους κενούς χώρους μεταξύ των αδρανών υλικών και εμφανίζει χειρότερες μηχανικές ιδιότητες από αυτές των αδρανών. Η γνώση της κατανομής μεγέθους των κόκκων των αδρανών υλικών είναι απαραίτητη, ώστε κατά την παρασκευή σκυροδέματος να είναι δυνατό να υπολογιστούν οι ποσότητες από κάθε είδος αδρανών που πρέπει να αναμιχθούν, έτσι ώστε μεταξύ των αδρανών να υπάρχουν όσο το δυνατό λιγότεροι κενοί χώροι. Οι ποσότητες των αδρανών δηλαδή, πρέπει να είναι τέτοιες ώστε στα κενά μεταξύ των μεγαλύτερων κόκκων να χωρέσουν οι μικρότεροι κόκκοι κλπ. Με τον τρόπο αυτό απαιτείται λιγότερος τσιμεντοπολτός για την σύνδεση των σκύρων (χαλικιών) και άρα η παρασκευή φτηνού σκυροδέματος και μεγάλης θλιπτικής αντοχής, αφού το τσιμέντο είναι το ακριβότερο υλικό εκ των συστατικών του. Κόσκινα Τα Αμερικάνικα κόσκινα κατά ASTM έχουν τετραγωνική οπή και συμβολίζονται με το σύμβολο Nο, που αναγράφεται πριν από τον αριθμό του κόσκινου μέχρι και το κόσκινο Nο4, ενώ τα μεγαλύτερου ανοίγματος κόσκινα συμβολίζονται με το μέγεθος της οπής σε ίντσες π.χ. ½″. Η σειρά των αμερικάνικων κόσκινων (ASTM – Ε11) με το αντίστοιχο άνοιγμα οπής δίνεται στον παρακάτω Πίνακα 1: Πίνακας 1: Σειρά των αμερικάνικων κόσκινων κατά ASTM – Ε11 με τις διαστάσεις του αντίστοιχου ανοίγματος οπής. Κόσκινο Μέγεθος οπής (mm) Κόσκινο Μέγεθος οπής (mm) Κόσκινο Μέγεθος οπής (μm) 2″ 50 Νο4 4.75 Νο30 600 1½″ 37,5 Νο5 4 Νο40 425 1″ 25 Νο8 2,36 Νο50 300 ¾″ 19 Νο10 2 Νο70 212 ½″ 12,5 Νο16 1,18 Νο100 150 ⅜″ 9,5 Νο20 0,85 Νο200 75 Τα Ελληνικά κόσκινα έχουν κυκλική οπή και συμβολίζονται με το σύμβολο Φ που αναγράφεται πριν από τον αριθμό του κόσκινου. Εξαίρεση αποτελεί το κόσκινο 0,2 τετραγωνικής οπής, με άνοιγμα 0,2 mm. Για σκυρόδεμα με χαρακτηριστική αντοχή μεγαλύτερη από 12 ΜΡa, τα αδρανή πρέπει να προσκομίζονται χωρισμένα σε τρία τουλάχιστον κλάσματα (άμμος, γαρμπίλι, χαλίκι). - 68 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Ως μέγιστος κόκκος αδρανούς, dmax, ορίζεται το μέγεθος της οπής του μικρότερου κόσκινου μίας σειράς από το οποίο διέρχεται το 95% τουλάχιστον της ποσότητας του αδρανούς, ενώ από το αμέσως μεγαλύτερο κόσκινο διέρχεται κατά 100%. Ως άμμος ορ ίζεται το διερχόμενο κλάσμα από το κόσκινο Φ5, ή Νo4 σε ποσότητα τουλάχιστον 95%. Το ποσοστό των κόκκων της άμμου που περνάει από το κόσκινο 0,2 δεν πρέπει, σύμφωνα με τον Κ.Τ.Σ.-97, να υπερβαίνει: α) Το 20% του ξηρού βάρους της άμμου, όταν πρόκειται για σκυρόδεμα χαρακτηριστικής αντοχής ίσης ή μεγαλύτερης από 30 ΜΡa. β) Το 25% του ξηρού βάρους της άμμου, όταν πρόκειται για σκυρόδεμα χαρακτηριστικής αντοχής μικρότερης από 30 ΜΡa. γ) Το 31% του ξηρού βάρους της άμμου, όταν πρόκειται για άοπλα σκυροδέματα χωρίς ειδικές απαιτήσεις. Ως παιπάλη ή filler, κατά το πρότυπο ASTM, ορίζεται το λεπτόκοκκο κλάσμα το οποίο διέρχεται από το κόσκινο Νο200 (το οποίο έχει άνοιγμα τετραγωνικής οπής 0,075mm) και προσδιορίζεται σύμφωνα με τη μέθοδο ΣΚ-305. Σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 12620 ως παιπάλη ορίζεται το διαβαθμισμένο λεπτομερές αδρανές υλικό με μέγιστο κόκκο 2 mm, και το οποίο διέρχεται σε ποσοστό 70 – 100% από το κόσκινο 0,063 mm. Η παιπάλη της θραυστής άμμου δεν πρέπει να υπερβαίνει το 16% του ξηρού βάρους της και η παιπάλη των περισσότερο χοντρόκοκκων κλασμάτων (ρυζάκι, γαρμπίλι, χαλίκι) δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1% του ξηρού βάρους τους. Για άοπλα σκυροδέματα χωρίς ειδικές απαιτήσεις επιτρέπεται παιπάλη στην άμμο μέχρι 20% του ξηρού βάρους της. Η παιπάλη είναι ανεπιθύμητη πάνω από τα καθορισμένα όρια, επειδή παρουσιάζει μεγάλη ειδική επιφάνεια (cm2/g) και αυξάνει την ποσότητα του νερού που απαιτείται κατά την παρασκευή του σκυροδέματος, ώστε να επιτευχθεί το επιθυμητό εργάσιμο του νωπού σκυροδέματος (να είναι εύκολη η διάστρωσή του). Αυτό έχει σαν συνέπεια την μείωση της αντοχής, διότι η αντοχή του σκυροδέματος εξαρτάται από τον λόγο νερό/τσιμέντο (W/C) (W=νερό, C=τσιμέντο). Όσο λιγότερο νερό χρησιμοποιηθεί στην παρασκευή, για την ίδια εργασιμότητα, τόσο μεγαλύτερες οι μηχανικές αντοχές του σκυροδέματος. Η παιπάλη της φυσικής άμμου δεν πρέπει να υπερβαίνει το 5% του ξηρού της βάρους. Εδώ ο περιορισμός είναι αυστηρότερος γιατί η φυσική άμμος συνήθως περιέχει και γαιώδεις προσμίξεις, κυρίως άργιλο, ένα πολύ λεπτόκοκκο υλικό. Η άργιλος μειώνει σημαντικά την αντοχή του παρασκευαζόμενου σκυροδέματος, αφενός επειδή προσροφά νερό, αλλάζει την απαίτηση σε νερό και αφετέρου γιατί επικαλύπτει τους κόκκους των αδρανών και εμποδίζει την πρόσφυση με το τσιμέντο. Διαδικασία της κοκκομέτρησης - Υπολογισμoί Το συγκρατούμενο υλικό (residue) σε κάθε κόσκινο ζυγίζεται (συγκρατούμενο βάρος, ri) και συμπληρώνεται ο σχετικός πίνακας. Στη συνέχεια υπολογίζεται το ολικό συγκρατούμενο σε κάθε κόσκινο (Ri), δηλαδή τι θα κρατούσε κάθε κόσκινο, αν δεν υπήρχαν υπεράνω του τα μεγαλύτερα οπών κόσκινα. Προφανώς το ν-οστό κόσκινο, αρχίζοντας την αρίθμηση από πάνω, έχει ολικό συγκρατούμενο: Ri = r1 + r2 + ... + rν Στη συνέχεια για να είναι συγκρίσιμα τα αποτελέσματα του αυτού υλικού, όταν χρησιμοποιείται διαφορετική ποσότητα εργαστηριακού δείγματος κάθε φορά, υπολογίζεται το επί τοις εκατό ολικά συγκρατούμενο σε κάθε κόσκινο % Ri: - 69 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Ri ·100 BΞΗΡ Πέρασμα ή διερχόμενο (pass) ονομάζουμε την ποσότητα του υλικού που διέρχεται από κάποιο κόσκινο. Είναι προφανές ότι το επί τοις εκατό ολικά διερχόμενο % Ρi υπολογίζεται από την σχέση: % Ri = % Pi = 100 - %Ri Αν τα αποτελέσματα της κοσκίνησης μεταφερθούν σε ημιλογαριθμικό διάγραμμα, όπου στον οριζόντιο άξονα υπάρχουν οι διάμετροι των οπών των κοσκίνων και στον κατακόρυφο τα επί τοις εκατό ολικά διερχόμενα % Ρi ή τα επί τοις εκατό ολικά συγκρατούμενα σε κάθε κόσκινο % Ri, με ένωση των σημείων με ευθύγραμμα τμήματα προκύπτει η κατ’ ευφημισμό κοκκομετρική καμπύλη του αδρανούς υλικού. Ως μέτρο λεπτότητας (fineness module) της άμμου (fm) ορίζεται το πηλίκο του αθροίσματος των % ολικών συγκρατούμενων στα κόσκινα 3 in, 1.5 in, ¾ in, 3/8 in, No 4, No 8, No 16, No 30, No 50, No 100, δια 100. fm = % R3" + % R1.5" + % R3 / 4" + % R3 / 8" + % RNo 4 + % RNo 8 + % RNo 16 + % RNo 30 + % RNo 50 + % RNo 100 100 Με βάση την εμπειρία από τα εγχώρια αδρανή αλλά και τις προδιαγραφές αρκετών χωρών, ο Κ.Τ.Σ.-97 καθόρισε τις υποζώνες των διαγραμμάτων στα Σχήματα 1-4 και όρισε ότι για οπλισμένο σκυρόδεμα η κοκκομετρική καμπύλη πρέπει να βρίσκεται στην υποζώνη Δ ή και στην υποζώνη Β για σκυροδέματα κατηγορίας C30/37 ή μικρότερης. Η υποζώνη Ζ αφορά στο άοπλο σκυρόδεμα. Τα διαγράμματα των Σχημάτων 1-4 δίνονται συναρτήσει του μέγιστου κόκκου. Γενικά, κοκκομετρικές καμπύλες κάτω από την υποζώνη Δ αντιστοιχούν σε αρκετά χονδρόκοκκα αδρανή που δίνουν σκυροδέματα πτωχής εργασιμότητας, ενώ καμπύλες πάνω από την υποζώνη Ε αντιστοιχούν σε αδρανή γενικά λεπτόκοκκα που απαιτούν μεγάλη ποσότητα νερού και δίνουν σκυροδέματα μικρής ογκοσταθερότητας με μεγάλη πιθανότητα ρηγμάτωσης. Οι απαιτήσεις του Κ.Τ.Σ.-97 σχετικά με τις κοκκομετρικές καμπύλες σκυροδεμάτων ειδικών απαιτήσεων συνοψίζονται ως εξής: για σκυρόδεμα ανθεκτικό σε επιφανειακή φθορά η καμπύλη πρέπει να βρίσκεται στο κάτω μισό της υποζώνης Δ. ενώ για σκυροδέματα μειωμένης υδατοπερατότητας. μέσα σε νερό (όχι διαβρωτικό), στη θάλασσα, σε παραθαλάσσιο περιβάλλον ή ανθεκτικά σε χημικές προσβολές η καμπύλη πρέπει να βρίσκεται κοντά στη μέση γραμμή της υποζώνης Δ. - 70 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Σχήμα 1: Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου κόκκου □31,5 mm ή 1″. Σχήμα 2: Όρια κοκκομετρικής διαβαθμίσεως μίγματος αδρανών μέγιστου κόκκου □63 mm ή 1½″. - 71 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Σχήμα 3: Όρια κοκκομετρικής διαβαθμίσεως μίγματος αδρανών μέγιστου κόκκου □16 mm ή ½″. Σχήμα 4: Όρια κοκκομετρικής διαβαθμίσεως μίγματος αδρανών μέγιστου κόκκου □8 mm ή ⅜″. - 72 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πειραματικό Μέρος Προδιαγραφές: Ο προσδιορισμός της κατανομής μεγέθους κόκκων ενός αδρανούς υλικού και η κατασκευή της σχετικής κοκκομετρικής καμπύλης πραγματοποιείται σύμφωνα με τις αμερικάνικες προδιαγραφές ASTM – C136, AASHTO – T27. Συσκευές και όργανα: Αμερικάνικη σειρά κοσκίνων (1″, ¾″, ½″, ⅜″, Νο4, Νο8, Νο16, Νο30, Νο50, Νο100, Νο200), μηχανικός ζυγός OHAUS, ηλεκτρονικός ζυγός, μηχανική κοσκινίστρα. Πειραματική Διαδικασία: Τα αδρανή υλικά τα οποία θα ελεγχθούν θα πρέπει να είναι πλυμένα και ξηρά. Τα κόσκινα που θα χρησιμοποιηθούν τοποθετούνται στην διάταξη κοσκίνησης το ένα πάνω στο άλλο από το κόσκινο μεγαλύτερης οπής προς το κόσκινο μικρότερης οπής. Η σειρά των κοσκίνων φέρει κατάλληλο σκεύος στον πυθμένα της για τη συλλογή του λεπτότερου κλάσματος που καλείται υποδοχέας. Ο χρόνος κοσκίνησης, σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM – C136, είναι τα δέκα λεπτά. Μετά το τέλος της κοσκίνησης αποσυναρμολογείται η διάταξη και ένα – ένα τα κόσκινα με την σειρά αναδεύονται και με το χέρι. Το υλικό που απομένει στο i-κόσκινο και καλείται μερικό συγκρατούμενο (ri), μεταφέρεται στο επόμενο κόσκινο αφού απομακρύνουμε την παιπάλη που έχει μείνει με την βοήθεια ενός πινέλου. Το μερικό συγκρατούμενο (ri) κάθε κόσκινου ζυγίζεται και στην συνέχεια υπολογίζεται το ολικό συγκρατούμενο Ri ζυγίζοντας όλα τα συγκρατούμενα μαζί. Επίσης, υπολογίζεται το επί τοις εκατό συγκρατούμενο % Ri και το επί τοις εκατό διερχόμενο % Pi κάθε κόσκινου. Μετρήσεις: Πρότυπο κόσκινο (mm) 37,5 25,0 19,0 12,5 9,5 4,75 2,36 1,18 0,60 0,30 0,25 0,15 0,075 Υποδοχέας • • Αριθμός κόσκινου 11/2″ 1″ 3/4″ 1/2″ 3/8″ Νο4 Νο8 Νο16 Νο30 Νο50 Νο60 Νο100 Νο200 Υποδοχέας Π.Π. Απώλειες r (g) R (g) %R = (R – WΞΚ)·100 %P = 100 – %R - 73 - %R %P ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ • ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Απώλειες = WΠΞ – RΥΠ Δημιουργία μίγματος χαλικιού Α) χαλίκι 1, WΞΚ1 Β) χαλίκι 2, WΞΚ2 Σύνολο χαλίκι 1 + 2 Υπολογισμός ποσοστού: %ΠΧ1 = (WΞΚ1 / Σύνολο)·100 %ΠΧ2 = (WΞΚ2 / Σύνολο)·100 Τύπος σύνθεσης: %PΜΙΓΜΑΤΟΣ ΧΑΛΙΚΙΟΎ = [(%ΠΧ1·%PX1) + (%ΠX2·%PΧ2)]/100 Για κάθε κόσκινο. Δημιουργία μίγματος αδρανών υλικών %PΜΙΓΜΑΤΟΣ ΑΔΡΑΝΩΝ = [(%ΠΧ·%ΡΧ) + (%ΠΓ·%ΡΓ) + (%ΠΑ·%ΡΑ)]/100 Υπολογισμοί – Επεξεργασία Μετρήσεων: Για την χάραξη της κοκκομετρικής καμπύλης μίγματος αδρανών απαιτείται η κοκκομετρική ανάλυση κάθε συστατικού καθώς και το ποσοστό συμμετοχής του στο δείγμα. Επίσης πρέπει να προσδιοριστούν τα εξής μεγέθη: • Μέτρο λεπτότητας, το οποίο είναι χρήσιμο για την σύνθεση σκυροδέματος. • Τα όρια πάνω στις καμπύλες που πρέπει να κινούνται τα υλικά σύμφωνα με τις προδιαγραφές. • Τα όρια λατομείου (σύμφωνα με τον Κ.Τ.Σ. §4.3.4.8.). • Τα όρια μελέτης σύνθεσης (σύμφωνα με τον Κ.Τ.Σ. §4.3.4.8.). • Τα όρια κοκκομετρικής διαβαθμίσεως μίγματος αδρανών υλικών στις υποζώνες (Κ.Τ.Σ. §4.3.2.10.). - 74 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 6η ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΕΙΔΙΚΩΝ ΒΑΡΩΝ ΛΕΠΤΟΚΟΚΚΩΝ ΚΑΙ ΧΟΝΔΡΟΚΟΚΚΩΝ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο προσδιορισμός του ειδικού βάρους λεπτόκοκκων και χονδρόκοκκων αδρανών, ώστε να βρίσκεται μεταξύ των τιμών 2,4 - 3,0 σύμφωνα με τις απαιτήσεις του Κ.Τ.Σ.-97 και ο υπολογισμός του μοναδιαίου όγκου (1 m3) μίας συγκεκριμένης σύνθεσης σκυροδέματος. Θεωρητικό Μέρος Ο όρος ειδικό βάρος (bulk specific gravity) χρησιμοποιείται ευρύτατα στους υπολογισμούς ανάμιξης κλασμάτων αδρανών υλικών, την πραγματοποίηση διορθώσεων και για τους υπολογισμούς προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών για την παραγωγή του σκυροδέματος (μελέτη σύνθεσης). Η χρήση του όρου αφορά στον υπολογισμό του απόλυτου (πραγματικού όγκου) που θα καταλαμβάνει κάθε υλικό στο μίγμα (σκυρόδεμα). Για την περίπτωση των αδρανών, ο απόλυτος όγκος αναφέρεται στον όγκο των αδρανών (μαζί με τους πόρους τους), χωρίς όμως να συμπεριλαμβάνεται ο όγκος των κενών μεταξύ των τεμαχίων. Η αντικατάσταση των αδρανών, με άλλου τύπου αδρανή (διαφορετικού ειδικού βάρους) στο σκυρόδεμα, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση ή μείωση του τελικού όγκου του σκυροδέματος, εάν οι μάζες όλων των πρώτων υλών παραμείνουν σταθερές. Επειδή όμως το σκυρόδεμα συνήθως πωλείται με τη μονάδα όγκου (π.χ. m3), αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα, κατά περίπτωση, να επωφελείται είτε ο αγοραστής είτε ο πωλητής. Μεταβολή στο ειδικό βάρος των αδρανών προκαλεί επίσης μεταβολή της πυκνότητας του σκυροδέματος, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την ποιότητα του έργου για την οποία το σκυρόδεμα προορίζεται, ειδικά στις περιπτώσεις που έχουν τεθεί για το σκυρόδεμα κατώτερα όρια τιμών ειδικού βάρους. Πρέπει να επισημανθεί ότι το ειδικό βάρος των αδρανών δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέτρο χαρακτηρισμού της ποιότητάς τους, αλλά μόνο ως δείκτης μεταβολής των χαρακτηριστικών τους. Ορισμοί: Ειδικό βάρος: ο λόγος της μάζας μίας μονάδας όγκου του υλικού προς την μάζα ίσου όγκου απεσταγμένου νερού. Είναι μέγεθος αδιάστατο. Οι τιμές των ειδικών βαρών για αδρανή σκυροδέματος πρέπει να κυμαίνονται από 2,10 έως 3,00. Ε.Β. = mΥΛΙΚΟΥ / mΝΕΡΟΥ Φαινόμενο ειδικό βάρος: ο λόγος του ξηρού βάρους στον αέρα μίας μονάδας όγκου του αδρανούς υλικού προς το βάρος στον αέρα ίσου όγκου απεσταγμένου νερού στην ίδια θερμοκρασία. Φ.Ε.Β. = WΞΗΡΟΥ / WΝΕΡΟΥ Μικτό ειδικό βάρος ξηρής επιφανείας (Μ.Ε.Β.ΞΒ): είναι ο λόγος του βάρους ξηρού υλικού μίας μονάδας όγκου, προς το βάρος απεσταγμένου νερού ίσου όγκου. Μ.Ε.Β.ΞΒ = WΞΗΡΟΥ / WΝΕΡΟΥ Μικτό ειδικό βάρος κορεσμένης ξηράς επιφανείας (Μ.Ε.Β.ΚΞΕ): είναι ο λόγος του βάρους κορεσμένου και επιφανειακά ξηρού υλικού μιας μονάδας όγκου προς το βάρος του απεσταγμένου νερού στην ίδια θερμοκρασία. Μ.Ε.Β.ΚΞΕ = WΚΞΕ / WΝΕΡΟΥ - 75 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Υδαταπορροφητικότητα (ή υδροαπορροφητικότητα): ορίζεται η ιδιότητα των αδρανών (και άλλων δομικών υλικών) να απορροφούν χωρίς εξωτερική επιβολή πίεσης νερό. Αντιστοιχεί στην αύξηση του βάρους του αδρανούς υλικού χωρίς να συμπεριλαμβάνεται το νερό που υπάρχει στην εξωτερική επιφάνεια των κόκκων του. Πειραματικό Μέρος Προδιαγραφές: Η δειγματοληψία και ο προσδιορισμός του ειδικού βάρους πραγματοποιείται σύμφωνα με τις αμερικάνικες προδιαγραφές ASTM: • Για τα χονδρόκοκκα : ASTM – C127, AASHTO – T85. • Για τα λεπτόκοκκα : ASTM – C128, AASHTO – T84. Συσκευές και όργανα: Μηχανικός ζυγός OHAUS, ηλεκτρονικός ζυγός, συρμάτινο καλάθι με άνοιγμα οπής Νο8, υδραργυρικό θερμόμετρο ακρίβειας 0,1°C, εργαστηριακός κλίβανος, κώνος τύπανσης, ράβδος τύπανσης, πυκνόμετρο. Πειραματική Διαδικασία: • Χονδρόκοκκα Αδρανή: Το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί για την εύρεση των ειδικών βαρών είναι μεγίστου κόκκου Νο4, δηλαδή το συγκρατούμενο στο κόσκινο Νο4. Μηδενίζεται ο μηχανικός ζυγός με το ειδικό πτύο (scoop – σκουπ) και το συρμάτινο καλάθι ανοίγματος οπής Νο8 κρεμάμενο από το ζυγό και βυθισμένο σε δεξαμενή νερού. Έπειτα το υλικό φέρεται εντός σκεύους ζύγισης (καλάθι) και ζυγίζεται. Στην συνέχεια εμβαπτίζεται το υλικό για 24±4 ώρες και σε θερμοκρασία νερού (23,0±1,7)°C. Μετά το πέρας των 24 ωρών το υλικό αδειάζεται πάνω σε πετσέτες και σκουπίζεται επιφανειακά μέχρις ότου επιφανειακά να μην γυαλίζει. Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνεται υλικό κορεσμένο και επιφανειακά ξηρό. • Λεπτόκοκκα Αδρανή: Λαμβάνεται δείγμα φυσικής άμμου. Η θερμοκρασία του νερού στο οποίο θα εμβαπτιστεί η φυσική άμμος για 24±4 ώρες πρέπει να είναι (23,0±1,7)°C. Τα χαρακτηριστικά της φιάλης μετά από ζυγίσεις που απαιτούνται είναι, βάρος ξηρού δείγματος και βάρος φιάλης και βάρος νερού ως την χαραγή. Έπειτα αναδεύεται η φιάλη για να φύγουν τα κενά αέρος που δημιουργήθηκαν καθώς γεμιζόταν με νερό. Η φιάλη γεμίζεται μέχρι την χαραγή όπου δημιουργείται κοίλωμα όπου το κάτω μέρος του είναι στην χαραγή. Καταγράφεται το βάρος της φιάλης και το βάρος του δείγματος και το βάρος του νερού ως την χαραγή. Μετά το πέρας των 24 ωρών το δείγμα φέρεται εντός ταψιού, το οποίο στεγνώνεται με θερμό αέρα με την χρήση σεσουάρ. Ο έλεγχος της άμμου σχετικά με την υγρασία γίνεται γεμίζοντας με άμμο τον κώνο τύπανσης και με 25 χτυπήματα αφήνοντας την ράβδο από ύψος 5mm να συμπυκνωθεί, και ακολούθως αφαιρείται ο κώνος. Αν η άμμος καταρρεύσει είναι ξηρή, αν η άμμος διατηρήσει πλήρως το σχήμα της τότε είναι υγρή ενώ αν σκορπίσει μερικώς ή διαλύεται με ένα ελαφρό χτύπημα τότε είναι κορεσμένη και επιφανειακά ξηρή. - 76 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Υπολογισμοί – Επεξεργασία Μετρήσεων: • Χονδρόκοκκα αδρανή: Φ.Ε.Β. = Α A-C Μ.Ε.Β.ΚΞΕ = M.E.B.ΞΒ = B Β-C Υ/Α (%) = Α Β-C B- A ·100 A όπου Α: βάρος ξηρού δείγματος συγκρατούμενο στο Νο4 σε g, Β: βάρος δείγματος κορεσμένο και επιφανειακά ξηρό στον αέρα σε g, C: βάρος δείγματος κορεσμένο μέσα στο νερό, σε g. • Λεπτόκοκκα αδρανή: Φ.Ε.Β. = Α A+ Β-C Μ.Ε.Β.ΚΞΕ = S S + Β-C M.E.B.ΞΒ = Α S + Β-C Υ/Α (%) = S-A ·100 A όπου Α: βάρος ξηρού δείγματος σε g, Β: βάρος πυκνόμετρου και νερού ως την χαραγή σε g, C: βάρος πυκνόμετρου και δείγματος κορεσμένου και επιφανειακά ξηρού και νερό ως την χαραγή σε g, S: βάρος δείγματος κορεσμένο και επιφανειακά ξηρό σε g. - 77 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 7η ΜΕΡΟΣ Ι: ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΑΕΡΟΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η βαθμονόμηση της συσκευής αεροπεριεκτικότητας για την πραγματοποίηση ελέγχων προσδιορισμού της αεροπεριεκτικότητας στην παραγωγή σκυροδέματος σύμφωνα με τον Ελληνικό Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997 (Κ.Τ.Σ.- 97). Θεωρητικό Μέρος Το ποσοστό του αέρα το οποίο εγκλωβίζεται στο σκυρόδεμα (αεροπεριεκτικότητα), κατά την ανάμιξη των συστατικών του (αδρανή, τσιμέντο, νερό, πρόσθετα), είναι καθοριστικός παράγοντας της ποιότητάς του αλλά και της εν γένει συμπεριφοράς ενός δομικού στοιχείου το οποίο και θα μορφωθεί από το εν λόγω νωπό σκυρόδεμα. Η τιμή της συγκέντρωσης του εγκλωβισμένου αέρα είναι αποτέλεσμα πολλών παραγόντων, όπως: - η κοκκομετρική διαβάθμιση, ο τύπος και ο μέγιστος κόκκος των αδρανών που θα χρησιμοποιηθούν - ο τύπος και η λεπτότητα άλεσης του τσιμέντου - η περιεκτικότητα του μίγματος σε τσιμέντο ανά m3 - η περιεκτικότητα του μίγματος σε νερό η οποία καθορίζεται από τον λόγο νερού / τσιμέντο που έχει επιλεχθεί κατά την μελέτη σύνθεσης - ο τύπος του αναμικτήρα και ο χρόνος ανάδευσης των συστατικών - οι περιβαλλοντικές συνθήκες κατά την παρασκευή, διάστρωση και συντήρηση του σκυροδέματος. Για τους λόγους αυτούς, είναι απαραίτητο να ελεγχθεί το % ποσοστό αέρα στο μίγμα και να προσαρμόζεται αναλόγως η δοσολογία του αερακτικού προσθέτου, σε περίπτωση που η μελέτη σύνθεσης απαιτεί την προσθήκη του στο τελικό ανάμιγμα. Η αύξηση της περιεκτικότητας σε αέρα έχει γενικά επιβλαβή αποτελέσματα στις μηχανικές αντοχές, οι οποίες μπορούν επαρκώς να ανακτηθούν με τη χρήση ρευστοποιητών ή υπερρευστοποιητών. Πριν την εφαρμογή στο έργο πρέπει να διεξάγονται δοκιμές καταλληλότητας για το % ποσοστό της αεροπεριεκτικότητας του νωπού σκυροδέματος. Ο προσδιορισμός του ποσοστού του παγιδευμένου αέρα στη μάζα του νωπού σκυροδέματος (% αεροπεριεκτικότητα) συνήθως πραγματοποιείται με τις εξής 2 μεθοδολογίες: - Μέθοδος εξίσωσης των πιέσεων ή δοκιμή Washinghton - Ογκομετρική μέθοδος. Μέθοδος εξίσωσης των πιέσεων ή δοκιμή Washinghton Η μέθοδος εξίσωσης των πιέσεων εφαρμόζεται μόνο για νωπό σκυρόδεμα με αδρανή συμπαγούς δομής. Η αρχή της μεθόδου βασίζεται στο νόμο των Boyle – Mariotte, σύμφωνα με τον οποίο για δύο θερμοστατούμενα συγκοινωνούντα δοχεία σε ισορροπία, σε θερμοκρασία Το, με όγκους V1 και V2 και επικρατούσα πίεση P1 και P2 αντιστοίχως, ισχύει: P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 - 78 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Στη μέθοδο αυτή ένα δοχείο γνωστού όγκου (περίπου 8 ℓ) γεμίζεται με νωπό σκυρόδεμα. Σ’ αυτό προσαρμόζεται ένα άλλο δοχείο (κεφαλή της συσκευής αεροπεριεκτικότητας), όγκου V1 και γεμίζεται με αέρα υπό πίεση P1. Όταν τα δύο δοχεία έλθουν σε επικοινωνία, ο υπό πίεση αέρας του δεύτερου δοχείου εισέρχεται στο πρώτο δοχείο και γεμίζει τα κενά του νωπού σκυροδέματος που έχουν όγκο Vα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η αρχική πίεση του αέρα, P1, να μειωθεί στην τιμή P2. Επομένως, από το νόμο της εξίσωσης των πιέσεων προκύπτει ότι: P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ (V1 + Va ) ⇒ Va = V1 ⋅ ( P1 − P2 ) P2 Συνεπώς, η εκατοστιαία αναλογία του όγκου Vα ως προς τον γνωστό όγκο του πρώτου δοχείου V1 εκφράζει την περιεκτικότητα σε αέρα του νωπού σκυροδέματος: % αεροπεριεκ τικότητα = Va P −P ⋅ 100% = 1 2 ⋅ 100% V1 P2 Σχήμα 1: Συσκευή αεροπεριεκτικότητας (μέθοδος Washington). Ογκομετρική μέθοδος Στη μέθοδο αυτή δοχείο γνωστού όγκου (συσκευή Mayer) γεμίζεται με νωπό σκυρόδεμα μέχρι μια καθορισμένη στάθμη και το υπόλοιπο τμήμα του δοχείου γεμίζεται με νερό. Με συνεχή ανάδευση του συστήματος το νερό γεμίζει τους πόρους του σκυροδέματος και καταλαμβάνει τη θέση του αέρα. Από την ποσότητα του εξερχόμενου αέρα προσδιορίζεται η % περιεκτικότητα του νωπού σκυροδέματος σε αέρα. - 79 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πειραματικό Μέρος Υλικά: Απιονισμένο νερό. Συσκευές και όργανα: Μηχανικός ζυγός OHAUS, ηλεκτρονικός ζυγός, υδροβολέας, συσκευή αεροπεριεκτικότητας, ποτήρι ζέσεως των 250 ml, επίπεδη γυάλινη επιφάνεια. Πειραματική Διαδικασία: Ι. Περιγραφή της συσκευής αεροπεριεκτικότητας Η συσκευή αποτελείται από μεταλλικό δοχείο πίεσης με χωρητικότητα 8 ℓ, πάνω στο οποίο τοποθετείται κατάλληλο κάλυμμα που συσφίγγεται στο δοχείο με τέσσερις κοχλίες. Ελαστικός δακτύλιος, ο οποίος περιβάλλει το κάλυμμα, εξασφαλίζει την πλήρη στεγανότητα της σύνδεσης. Στην κορυφή και στο εμπρός τμήμα του καλύμματος υπάρχει θάλαμος πίεσης, στον οποίο είναι προσαρμοσμένη αντλία πίεσης. Στο κέντρο του βρίσκεται η βαλβίδα εξισορρόπησης του αέρα, ενώ στην αριστερή πλευρά του η βαλβίδα εισαγωγής - εξαγωγής νερού. Επίσης, υπάρχει μανόμετρο κατάλληλα βαθμονομημένο, ώστε στην κλίμακά του να δίνεται απ’ ευθείας η % περιεκτικότητα σε αέρα του νωπού σκυροδέματος (Σχήμα 1). ΙΙ. Βαθμονόμηση όγκου δοχείου αεροπεριεκτικότητας Ζυγίζεται αρχικά στον μηχανικό ζυγό OHAUS το δοχείο αεροπεριεκτικότητας, μαζί με το ειδικό scoop και την επίπεδη γυάλινη επιφάνεια και προσδιορίζεται το απόβαρο. Στη συνέχεια το δοχείο αεροπεριεκτικότητας γεμίζεται με απιονισμένο νερό του οποίου μετράται η θερμοκρασία, με την επίπεδη γυάλινη επιφάνεια αφαιρείται η πλεονάζουσα ποσότητα νερού και ακολούθως το σύστημα ζυγίζεται εκ νέου. ΙΙΙ. Βαθμονόμηση ένδειξης αεροπεριεκτικότητας Το δοχείο αεροπεριεκτικότητας γεμίζεται έως την κορυφή με απιονισμένο νερό, τοποθετείται η ειδική κεφαλή του δοχείου (καπάκι), ασφαλίζεται και ελέγχεται για τυχόν διαρροές. Στη συνέχεια με υδροβολέα πληρώνεται η κεφαλή με απιονισμένο νερό έως να υπερχειλίσει (να γεμίσει και ο κενός όγκος της κεφαλής με απιονισμένο νερό). Στη συνέχεια πρεσάρεται αέρας με την αντλία στον ειδικό θάλαμο της κεφαλής έως ότου η ένδειξη του οργάνου βρεθεί εντός της κόκκινης περιοχής RESET. Αν για κάποιο λόγο η ένδειξη υπερβεί αυτή την περιοχή, υπάρχει δυνατότητα διόρθωσης με τη χρήση του πλήκτρου CORRECTION. Λαμβάνεται μέτρηση της αεροπεριεκτικότητας με χρήση του πλήκτρου TEST (ο παγιδευμένος αέρας στον ειδικό θάλαμο της κεφαλής προσπαθεί να εκτονωθεί προς το δοχείο ογκομέτρησης και να εκτοπίσει τον εκεί εγκλωβισμένο αέρα), η οποία θα πρέπει να είναι μηδενική (0). Αν η ένδειξη δεν είναι μηδενική καταγράφεται. Ακολούθως αφαιρούνται περίπου 100 g απιονισμένου νερού τα οποία συλλέγονται εντός ποτηρίου ζέσεως των 250 ml και ζυγίζονται σε αναλυτικό ζυγό με ακρίβεια 0,1 g, για τον προσδιορισμό της μάζας του απιονισμένου νερού που αφαιρέθηκε από τη συσκευή η οποία πρέπει να μετατραπεί σε ποσοστό % εγκλωβισμένου αέρα. Ακολούθως πραγματοποιείται μέτρηση της αεροπεριεκτικότητας όπως περιγράφεται παραπάνω και καταγράφεται η ένδειξη της συσκευής αεροπεριεκτικότητας. Ακολουθούν διαδοχικές αφαιρέσεις απιονισμένου νερού έως ότου η προσδιορισμένη τιμή για την % αεροπεριεκτικότητα γίνει ίση με 5%. - 80 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Υπολογισμοί – Επεξεργασία Μετρήσεων: Ι. Βαθμονόμηση όγκου δοχείου αεροπεριεκτικότητας Με αφαίρεση των 2 αρχικών μετρήσεων προσδιορίζεται η μάζα του καθαρού όγκου απιονισμένου νερού στο δοχείο, mκ.α.ν.. Από τον Πίνακα 1 προσδιορίζεται το ειδικό βάρος του απιονισμένου νερού για την εκάστοτε θερμοκρασία του που μετρήθηκε. Ο βαθμονομημένος ή πραγματικός όγκος του δοχείου αεροπεριεκτικότητας προκύπτει από τη σχέση: m κ.α..ν. Vδοχ .αερ / τας = Ε.Β.νερού Τ Πίνακας 1: Πυκνότητα (g/cm3) χημικώς καθαρού νερού στην υγρή κατάσταση σε θερμοκρασία από 0°C έως 30.9°C ανά 0.1°C [Πηγή: R. H. Perry, D. W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th Edition, McGraw-Hill, New York, 1997]. Τ (°C) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.999841 0.999900 0.999941 0.999965 0.999973 0.999965 0.999941 0.999902 0.999849 0.999781 0.999700 0.999605 0.999498 0.999377 0.999244 0.999099 0.998943 0.998774 0.998595 0.998405 0.998203 0.997992 0.997770 0.997538 0.997296 0.997044 0.996783 0.996512 0.996232 0.995944 0.995646 0.999847 0.999905 0.999944 0.999967 0.999973 0.999963 0.999938 0.999898 0.999843 0.999774 0.999691 0.999595 0.999486 0.999364 0.999230 0.999084 0.998926 0.998757 0.998576 0.998385 0.998183 0.997970 0.997747 0.997514 0.997271 0.997018 0.996756 0.996485 0.996204 0.995914 0.995616 0.999854 0.999909 0.999947 0.999968 0.999973 0.999961 0.999935 0.999893 0.999837 0.999766 0.999682 0.999585 0.999475 0.999352 0.999216 0.999069 0.998910 0.998739 0.998558 0.998365 0.998162 0.997948 0.997724 0.997490 0.997246 0.996992 0.996729 0.996457 0.996175 0.995885 0.995586 0.999860 0.999914 0.999950 0.999969 0.999972 0.999959 0.999931 0.999888 0.999830 0.999758 0.999673 0.999574 0.999463 0.999339 0.999202 0.999054 0.998893 0.998722 0.998539 0.998345 0.998141 0.997926 0.997701 0.997466 0.997221 0.996967 0.996703 0.996429 0.996147 0.995855 0.995555 0.999866 0.999918 0.999953 0.999970 0.999972 0.999957 0.999927 0.999883 0.999824 0.999751 0.999664 0.999564 0.999451 0.999326 0.999188 0.999038 0.998877 0.998704 0.998520 0.998325 0.998120 0.997904 0.997678 0.997442 0.997196 0.996941 0.996676 0.996401 0.996118 0.995826 0.995525 0.999872 0.999923 0.999955 0.999971 0.999972 0.999955 0.999924 0.999877 0.999817 0.999742 0.999654 0.999553 0.999439 0.999312 0.999173 0.999023 0.998860 0.998686 0.998501 0.998305 0.998099 0.997882 0.997655 0.997418 0.997171 0.996914 0.996649 0.996373 0.996089 0.995796 0.995494 0.999878 0.999927 0.999958 0.999972 0.999970 0.999952 0.999920 0.999872 0.999810 0.999734 0.999645 0.999542 0.999427 0.999299 0.999159 0.999007 0.998843 0.998668 0.998482 0.998285 0.998078 0.997860 0.997632 0.997394 0.997146 0.996888 0.996621 0.996345 0.996060 0.995766 0.995464 0.999884 0.999930 0.999960 0.999972 0.999969 0.999950 0.999916 0.999866 0.999803 0.999726 0.999635 0.999531 0.999415 0.999285 0.999144 0.998991 0.998826 0.998650 0.998463 0.998265 0.998056 0.997837 0.997608 0.997369 0.997120 0.996862 0.996594 0.996317 0.996031 0.995736 0.995433 0.999889 0.999934 0.999962 0.999973 0.999968 0.999947 0.999911 0.999861 0.999796 0.999717 0.999625 0.999520 0.999402 0.999272 0.999129 0.998975 0.998809 0.998632 0.998444 0.998244 0.998035 0.997815 0.997585 0.997345 0.997095 0.996836 0.996567 0.996289 0.996002 0.995706 0.995402 0.999895 0.999938 0.999964 0.999973 0.999966 0.999944 0.999907 0.999855 0.999789 0.999709 0.999615 0.999509 0.999390 0.999258 0.999114 0.998959 0.998792 0.998613 0.998424 0.998224 0.998013 0.997792 0.997561 0.997320 0.997069 0.996809 0.996540 0.996261 0.995973 0.995676 0.995371 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 - 81 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΙΙ. Βαθμονόμηση ένδειξης αεροπεριεκτικότητας Η μετατροπή της μάζας του απιονισμένου νερού που αφαιρέθηκε από τη συσκευή σε ποσοστό % εγκλωβισμένου αέρα γίνεται ως εξής: Αν υποτεθεί ότι από την μάζα του καθαρού όγκου απιονισμένου νερού στο δοχείο, mκ.α.ν., (η οποία και αντιστοιχεί σε 100% όγκο αέρα) αφαιρεθούν mx g απιονισμένου νερού, η πραγματική τιμή για το % ποσοστό αεροπεριεκτικότητας θα είναι: Πραγματική τιμή (%) αεροπεριεκτικότητας = mx ⋅ 100 mκ .α .ν . Αφού γίνει προσδιορισμός της % αεροπεριεκτικότητας για όλες τις αφαιρούμενες ποσότητες απιονισμένου νερού, μέχρι την τιμή 5 %, κατασκευάζεται διάγραμμα βαθμονόμησης μεταξύ της ένδειξης για την % αεροπεριεκτικότητα συναρτήσει της πραγματικής τιμής για το % ποσοστό αεροπεριεκτικότητας. ΜΕΡΟΣ ΙΙ: ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΒΑΡΟΥΣ ΧΟΝΔΡΟΚΟΚΚΩΝ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο προσδιορισμός του φαινόμενου βάρους χονδρόκοκκων αδρανών για τον σχεδιασμό και την επιλογή μίας συγκεκριμένης σύνθεσης 1 m3 σκυροδέματος, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του Κ.Τ.Σ.-97. Πειραματικό Μέρος Υλικά: - Χαλίκι - Γαρμπίλι Συσκευές και όργανα: Μηχανικός ζυγός OHAUS, ηλεκτρονικός ζυγός, δοχείο αεροπεριεκτικότητας, φτυάρι, συρμάτινο καλάθι με άνοιγμα οπής Νο8, χυτοσιδηρή ράβδος συμπύκνωσης Φ16. Πειραματική Διαδικασία: Αρχικά ζυγίζεται το δοχείο αεροπεριεκτικότητας και προσδιορίζεται το βάρος του (απόβαρο). Ακολουθώντας τη διαδικασία δειγματοληψίας και διμερισμού, λαμβάνεται μια ποσότητα (κλάσμα) χαλικιού, περίπου 25-30 kg, η οποία φέρεται σε καθαρή επίπεδη επιφάνεια και ομογενοποιείται σύμφωνα με την παρακάτω διαδικασία. - 82 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Διαδικασία Ομογενοποίησης: Η ληφθείσα ποσότητα χαλικιού μέσω διμερισμού μορφώνεται σε κωνικό σωρό. Με τη χρήση φτυαριού, ακολουθώντας τη φορά των δεικτών του ρολογιού και με κατεύθυνση από την κορυφή του κωνικού σωρού προς τα έξω, ο σωρός ανοίγεται έως ότου φτάσει σε ένα ενδεικτικό πάχος περί των 5 cm. Εν συνεχεία και ακολουθώντας την αντίθετη φορά σε σχέση με προηγουμένως και εφαπτομενικά του επίπεδου σωρού, επαναδημιουργείται με την κίνηση του φτυαριού ο κωνικός σωρός. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για άλλες 2 φορές, έως ότου το υλικό διαμορφωθεί σε κύλινδρο πολύ μικρού ύψους, οπότε και η διαδικασία ομογενοποίησης θεωρείται ότι έχει ολοκληρωθεί. Από τον πεπλατυσμένο και επίπεδο σωρό λαμβάνεται μια ποσότητα υλικού η οποία φέρεται εντός του δοχείου αεροπεριεκτικότητας (1η στρώση) και το σύστημα συμπυκνώνεται εφαρμόζοντας 25 χτυπήματα, χρησιμοποιώντας μια χυτοσιδηρή ράβδο διατομής Φ16. Ακολουθεί η 2η στρώση υλικού που ομοίως λαμβάνεται από τον επίπεδο σωρό με την ίδια διαδικασία και τελικά και 3η στρώση. Μετά το τέλος των χειρισμών και της 3ης στρώσης, αφαιρούνται ή προστίθενται από την επιφάνεια του συστήματος τυχόν πλεονάζοντα ή απαιτούμενα χαλίκια αντίστοιχα, και το σύστημα ζυγίζεται στο ζυγό και προσδιορίζεται το καθαρό βάρος του δείγματος χαλικιού που περιέχεται στο δοχείο της συσκευής αεροπεριεκτικότητας. Η παραπάνω διαδικασία στο σύνολό της επαναλαμβάνεται και για το δείγμα γαρμπιλιού αντίστοιχης ποσότητας που λήφθηκε με δειγματοληψία και διμερισμό. Στο υπάρχον δείγμα χαλικιού προστίθενται βαθμιαία, ποσοστά 5% κ.β. γαρμπιλιού και μέχρι της δημιουργίας μίγματος χαλικιού – γαρμπιλιού σύστασης 50 – 50 % κ.β.. Εν συνεχεία ακολουθείται η ίδια πειραματική διαδικασία ομογενοποίησης όπως με τα καθαρά συστατικά, για κάθε ένα μίγμα χαλικιού – γαρμπιλιού συγκεκριμένης σύστασης και εκτελείται εκ νέου η δοκιμή του Φαινόμενου Βάρους για το εκάστοτε ανάμιγμα με συγκεκριμένη κάθε φορά % κ.β. σύσταση. Υπολογισμοί – Επεξεργασία Μετρήσεων: Το Φαινόμενο Βάρος του χαλικιού προσδιορίζεται από το πηλίκο του καθαρού βάρους του δείγματος χαλικιού εντός του δοχείου αεροπεριεκτικότητας προς τον όγκο του βαθμονομημένου δοχείου αεροπεριεκτικότητας: Φ.Β.ΧΑΛΙΚΙΟΥ= m ΚΑΘΑΡΟ ΒΑΡΟΣ ΧΑΛΙΚΙΟΥ VΒΑΘΜΟΝΟΜΗΜ. ΔΟΧΕΙΟΥ ΑΕΡ/ΤΑΣ Το Φαινόμενο Βάρος του γαρμπιλιού προσδιορίζεται από το πηλίκο του καθαρού βάρους του δείγματος γαρμπιλιού εντός του δοχείου αεροπεριεκτικότητας προς τον όγκο του βαθμονομημένου δοχείου αεροπεριεκτικότητας: Φ.Β. ΓΑΡΜΠΙΛΙΟΥ = m ΚΑΘΑΡΟ ΒΑΡΟΣ ΓΑΡΜΠΙΛΙΟΥ VΒΑΘΜΟΝΟΜΗΜ. ΔΟΧΕΙΟΥ ΑΕΡ/ΤΑΣ Ζητείται η κατασκευή διαγράμματος % κ.β. σύστασης μίγματος χαλικιού – γαρμπιλιού συναρτήσει του προσδιορισθέντος Φαινόμενου Βάρους. - 83 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΜΕΡΟΣ ΙΙΙ: ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΥΒΙΚΗΣ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΗΣ ΜΗΤΡΑΣ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η λήψη αντιπροσωπευτικού εργοταξιακού δείγματος από σωρό αδρανών υλικών (άμμο, γαρμπίλι, χαλίκι) για την πραγματοποίηση ελέγχων και η πιστοποίηση της καταλληλότητας των αδρανών υλικών για την πιθανή χρήση τους στην παραγωγή σκυροδέματος σύμφωνα με τον Ελληνικό Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997 (Κ.Τ.Σ.- 97). Πειραματικό Μέρος Προδιαγραφές: Ο έλεγχος πραγματοποιείται σύμφωνα με την προδιαγραφή ΣΚ 304. Συσκευές και όργανα: ¾ Χυτοσιδηρές μήτρες διαστάσεων 15cm x 15cm x 15 cm ¾ Πρότυπη γωνιά ¾ Πρότυπη ρίγα ευθύτητας ¾ Πρότυπα ελάσματα γνωστού πάχους (fillers) ¾ Παχύμετρο. Πειραματική Διαδικασία: Η χυτοσιδηρή μήτρα διαστάσεων 15cm x 15cm x 15 cm λύνεται, καθαρίζεται και σημαίνεται (κωδικοποιούνται όλες οι έδρες της με αρίθμηση). Ι. Έλεγχος επιπεδότητας Κάθε πλευρά της χυτοσιδηρής μήτρας και η βάση της σαρώνονται με έναν διακριβωμένο πρότυπο κανόνα (ρίγα) ευθύτητας, ούτως ώστε να προσδιοριστεί, σε περίπτωση που υπάρχει κάποιο κενό, ποιο είναι το αντίστοιχο πάχος του πρότυπου ελάσματος που διέρχεται από το κενό. Εάν δεν υπάρχει κάποιο κενό η επιπεδότητα είναι αποδεκτή, ενώ αν υπάρχει κενό (το πάχος του είναι ίσο με το πάχος του αντίστοιχου πρότυπου ελάσματος-filler) τότε το ανώτατο όριο για να κριθεί κατάλληλη από πλευράς επιπεδότητας είναι τα 0,075 mm ή 75 μm. ΙΙ. Έλεγχος καθετότητας Η χυτοσιδηρή μήτρα δένεται με τις έδρες της στις αντίστοιχες θέσεις σύμφωνα με την αρχική κωδικοποίηση. Ακολούθως τοποθετείται διακριβωμένη πρότυπη γωνιά 90°, με πλευρές μικρότερες των 15 cm (ώστε να χωρούν εντός της μήτρας) και πάλι σαρώνεται η γωνιά με πρότυπο έλασμα γνωστού πάχους (filler). Στην περίπτωση όπου δεν υπάρχει κάποιο κενό (δεν μπορεί να εισχωρήσει κάποιο filler), η συγκεκριμένη γωνία της μήτρας αυτής θεωρείται ίση με 90°. Στην περίπτωση όπου υπάρχει κενό (το πάχος του είναι ίσο με το πάχος του αντίστοιχου πρότυπου ελάσματος-filler) τότε μετράται το πάχος του ελάσματος και η απόσταση του κενού από το άκρο της γωνιάς. ΙΙΙ. Έλεγχος διαστάσεων Η χυτοσιδηρή μήτρα δένεται με τις έδρες της στις αντίστοιχες θέσεις σύμφωνα με την αρχική κωδικοποίηση και με τη βοήθεια παχύμετρου μετρούνται σε τουλάχιστον 3 σημεία μεταξύ δύο - 84 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής απέναντι εδρών (στα 2 άκρα και στο μέσον) οι περιεχόμενες αποστάσεις. Τέλος μετράται με το παχύμετρο το ύψος κάθε έδρας ή πλευράς από τη βάση της μήτρας σε 3 σημεία (στα 2 άκρα και στο μέσον). Υπολογισμοί – Επεξεργασία Μετρήσεων: Ι. Έλεγχος επιπεδότητας Εάν δεν προσδιορίστηκε κάποιο κενό η επιπεδότητα της χυτοσιδηρής μήτρας είναι αποδεκτή, ενώ αν υπάρχει κενό (το πάχος του είναι ίσο με το πάχος του αντίστοιχου πρότυπου ελάσματος-filler) τότε το ανώτατο όριο για να κριθεί κατάλληλη από πλευράς επιπεδότητας είναι τα 0,075 mm ή 75 μm. ΙΙ. Έλεγχος καθετότητας Στην περίπτωση όπου υπάρχει κενό μεταξύ έδρας και γωνιάς (το πάχος του κενού είναι ίσο με το πάχος του αντίστοιχου πρότυπου ελάσματος-filler) τότε μετράται το πάχος του ελάσματος και η απόσταση του κενού από το άκρο της γωνιάς. Αφού έχει μετρηθεί το μήκος της πλευράς της γωνιάς, προσδιορίζεται από το ορθογώνιο τρίγωνο που παριστάνει την ανάπτυξη του κενού χώρου κάτω από τη γωνιά και από το πάχος του πρότυπου ελάσματος, η γωνία α από τη σχέση: a = τοξεφα = πάχος filler μήκος πλευράς γωνιάς Τα όρια της γωνίας α ώστε η χυτοσιδηρή μήτρα να θεωρείται κατάλληλη από πλευράς καθετότητας είναι 90,0°±0,3°. ΙΙΙ. Έλεγχος διαστάσεων Το όριο για τις διαστάσεις όλων των εδρών ώστε η χυτοσιδηρή μήτρα να θεωρείται κατάλληλη από πλευράς διαστάσεων είναι 150,0±0,3 mm. - 85 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ελληνική: 1. Α. Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, 7η Εκδ., Πάτρα, 2005 2. R. Wendehorst, Δομικά Υλικά, 2η Έκδ., Εκδόσεις Μ. Γκιούρδα, Αθήνα, 1981 3. P. K. Mehta, P. J. M. Monteiro, Σκυρόδεμα. Μικροδομή, ιδιότητες και υλικά, (σε μετάφραση Ι. Παπαγιάννη), 3η Έκδ., Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα, 2009 4. Χ. Οικονόμου, Τεχνολογία του Σκυροδέματος, 3η Έκδοση, Εκδόσεις “ΣΕΛΚΑ - 4Μ” ΕΠΕ ΤeΚΔΟΤΙΚΗ, Αθήνα, 2003 Ξενόγλωσση: 5. R. H. Perry, D. W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th Edition, McGraw-Hill, New York, 1997 6. ASTM Standards, Section 4: Construction, Volume 04.02: Concrete and Aggregates 7. G. D. Taylor, Materials in Construction – Principles, Practice and Performance, Pearson Education, U.K., 2002 8. S. Somayaji, Civil Engineering Materials, 2nd ed., Prentice-Hall, New Jersey, U.S.A., 2001 9. M. S. Mamlouk, J. P. Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, 2nd Ed., Pearson Education, New Jersey, U.S.A., 2006 10. R. A. Flinn, P. K. Trojan, Engineering Materials and their Applications, 4th ed., Houghton Mifflin Company, Boston, U.S.A., 1990 11. S. Mindess, J. F. Young, D. Darwin, Concrete, 2nd ed., Pearson Education, New Jersey, U.S.A., 2003 12. A. M. Neville, Properties of Concrete, 4th ed., Pearson Education, London, U.K., 2004 13. P. C. Hewlett, Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 4th ed., Edward Arnold, London, 1998 14. H. F. W. Taylor, Cement Chemistry, 2nd ed., Thomas Telford Publishing, London, U.K., 1997 15. M. S. J. Gani, Cement and Concrete, Chapman & Hall, London, U.K., 1997 16. S. N. Gosh, Cement and Concrete Science and Technology, Vol. I Part I, ABI Books Pvt., New Delhi, India, 1991 17. S. N. Gosh, Cement and Concrete Science and Technology, Vol. I Part II, ABI Books Pvt., New Delhi, India, 1992 Κανονισμοί – Πρότυπα: 18. ASTM Standards, Section 4: Construction, Volume 04.02: Concrete and Aggregates 19. Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος ΚΤΣ-97 (ΦΕΚ 315/Β/17-4-97) 20. ΕΛΟΤ EN 12620: Αδρανή σκυροδέματος 21. ΕΛΟΤ ΕΝ 13043: Αδρανή ασφαλτομιγμάτων 22. ΕΛΟΤ ΕΝ 13139: Αδρανή Κονιαμάτων 23. ΕΛΟΤ ΕΝ 13383-1: Αδρανή για Ογκόλιθους για λιμενικά και υδραυλικά έργα 24. ΕΛΟΤ ΕΝ 13450: Αδρανή για έρμα σιδηροδρομικής γραμμής 25. ΕΛΟΤ ΕΝ 13242: Αδρανή για βάσεις και υποβάσεις σταθεροποιημένες ή μη 26. ΕΛΟΤ ΕΝ 13055: Ελαφροβαρή Αδρανή - 86 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΕΝΟΤΗΤΑ 3η – ΤΣΙΜΕΝΤΑ – ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ - 87 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής - 88 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 8η ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ACI-211 Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο σχεδιασμός μελέτης σύνθεσης 1 m3 σκυροδέματος σύμφωνα με την προδιαγραφή ACI-211. Θεωρητικό Μέρος 1. Η Έννοια της Μελέτης Σύνθεσης Με τον όρο μελέτη σύνθεσης σκυροδέματος δηλώνεται ο ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός των επί μέρους συστατικών του σκυροδέματος για την παραγωγή 1 m3. Η μελέτη σύνθεσης μπορεί να γίνει μόνο εργαστηριακά, βάσει μίας διαδικασίας διαδοχικών δοκιμών, χρησιμοποιώντας τα συγκεκριμένα υλικά που είναι διαθέσιμα για την παρασκευή του σκυροδέματος. Πρέπει να διεξάγεται στην αρχή κάθε έργου και να επαναλαμβάνεται: - όταν αλλάζει η πηγή λήψης αδρανών - όταν τα αδρανή παρουσιάζουν διαφορετική διαβάθμιση από εκείνη που είχαν στη μελέτη σύνθεσης, με αποκλίσεις που ξεπερνούν το 10% για τα κόσκινα τα μεγαλύτερα των □4 ή Νο. 4, το 8% για τα κόσκινα της άμμου (πλην του □0.25) και το 5% για το κόσκινο □0.25 - όταν αλλάζουν τα πρόσμικτα ή ο τύπος τσιμέντου ή η κατηγορία αντοχής τσιμέντου - όταν το μίγμα παρουσιάζει τάσεις απόμιξης ή η κάθισή του δεν ικανοποιεί τις σχετικές απαιτήσεις μολονότι τηρούνται οι αναλογίες της μελέτης σύνθεσης. Σύμφωνα με τον Ελληνικό Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997, μελέτες σύνθεσης μπορούν να γίνονται μόνο από Εργαστήρια του Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε., από Εργαστήρια των Α.Ε.Ι. και από αναγνωρισμένα ιδιωτικά Εργαστήρια (διαπιστευμένα Εργαστήρια και Εργαστήρια που εποπτεύονται από το Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε.). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο Ελληνικός Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997 στερείται αριθμητικής διαδικασίας για τη μελέτη σύνθεσης. 2. Απαιτήσεις για το Σκυρόδεμα Η σύνθεση των επί μέρους συστατικών του σκυροδέματος πρέπει να είναι τέτοια ώστε το σκυρόδεμα που θα προκύψει να εξυπηρετεί το στόχο για τον οποίο παρασκευάζεται. Ο στόχος αυτός είναι διττός: - Στη νωπή κατάσταση να μπορεί να πάρει τη μορφή του φορέα που σκυροδετείται χωρίς να προκύπτουν κενά (ώστε να μην μειώνεται η αντοχή του σκυροδέματος). - Στη σκληρυμένη κατάσταση να αποκτήσει την αντοχή, την ανθεκτικότητα και τα μηχανικά χαρακτηριστικά για τα οποία έχει σχεδιαστεί η κατασκευή. Ανάλογα με τη χρήση της κατασκευής, ορισμένα από τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά του σκυροδέματος μπορεί να εξειδικεύονται π.χ. η διαπερατότητα (δεξαμενές, υδροηλεκτρικά έργα), η χημική ανθεκτικότητα (έργα θεμελιώσεων, συλλογής λυμάτων), η αντίσταση σε τριβή (βιομηχανικά δάπεδα, χώροι στάθμευσης, οδοστρώματα από σκυρόδεμα) κλπ. Για την ικανοποίηση των στόχων αυτών τίθενται οι παρακάτω απαιτήσεις για την ποσοτική σύνθεση των συστατικών του σκυροδέματος: - Το νωπό σκυρόδεμα θα πρέπει να διαθέτει συγκεκριμένη τιμή εργασιμότητας. Μέτρο της - 89 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής εργασιμότητας του νωπού σκυροδέματος αποτελεί η κάθιση (slump) καθορισμένου όγκου σκυροδέματος, μετά τη συμβατική συμπύκνωση του. - Το σκληρυμένο σκυρόδεμα θα πρέπει να διαθέτει ορισμένη θλιπτική αντοχή, καθώς όλα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του είναι σε μεγάλο βαθμό εξαρτημένα από αυτήν. Μέτρο της θλιπτικής αντοχής του σκληρυμένου σκυροδέματος είναι η συμβατική του αντοχή fck για δοκίμια κυλινδρικού ή κυβικού σχήματος. 3. Βασικές Σχέσεις της Μελέτης Σύνθεσης Σε οποιαδήποτε μεθοδολογία για την εκπόνηση μελέτης σύνθεσης σκυροδέματος, ακολουθούνται σε γενικές γραμμές τα εξής βήματα, τα οποία διαφοροποιούνται ως προς τα κριτήρια και τις απαιτήσεις των εκάστοτε χρησιμοποιούμενων προδιαγραφών, κανονισμών ή προτύπων. Τα δεδομένα του προβλήματος είναι συνήθως: - η απαιτούμενη αντοχή fa - η μορφή των δοκιμίων ελέγχου (κυβικά ή κυλινδρικά) - η κάθιση του νωπού σκυροδέματος - ο μέγιστος κόκκος αδρανών - η ελάχιστη περιεκτικότητα τσιμέντου - τυχόν ειδικές απαιτήσεις (π.χ. επιχρισμένο ή ανεπίχριστο σκυρόδεμα, παραθαλάσσιο περιβάλλον, υδατοστεγανότητα κ.τ.λ.). Τα ζητούμενα μεγέθη είναι συνήθως τρία: - η ποσότητα (σε kg) του τσιμέντου (C), - η ποσότητα (σε kg) του νερού (W) και - η ποσότητα (σε kg) των αδρανών (Α). Αναζητούνται τρεις σχέσεις με αγνώστους τα παραπάνω μεγέθη C, W και Α. Η πρώτη σχέση προκύπτει από τον ορισμό της μελέτης σύνθεσης που περιγράφει ότι οι ποσότητες C, W και Α αντιστοιχούν σε 1 m3 σκυροδέματος, από όπου υπολογίζεται ο συνολικός στερεός όγκος των αδρανών σε 1 m3 αναμίγματος, αφαιρώντας από το 1 m3 σκυροδέματος τον όγκο του νερού, του τσιμέντου και του αέρα των κενών : Όγκος στερεών αδρανών ανά 1 m 3 σκυροδέματ ος = 1 - mC mW - Όγκος αέρα (m 3 ) ρC 1000 (1) όπου mC: η μάζα του τσιμέντου σε 1 m3 σκυροδέματος (kg) ρC: η πυκνότητα του τσιμέντου (περίπου ίση με 3100 kg/m3) mW: η μάζα του νερού σε 1 m3 σκυροδέματος (kg) Η δεύτερη σχέση προκύπτει από την σχέση εργασιμότητας και νερού, η οποία συνήθως δίνεται γραφικά και που προκύπτει εύκολα μετρώντας την κάθιση δοκιμαστικών μιγμάτων με διάφορες ποσότητες νερού. Η καμπύλη αυτή διαφοροποιείται αν αλλάξει η κοκκομετρική διαβάθμιση ή ο τύπος των αδρανών, ιδιαίτερα της άμμου. Η τρίτη σχέση προκύπτει από τη συσχέτιση της θλιπτικής αντοχής και του λόγου νερού/τσιμέντο, ω=W/C, γνωστού και ως υδατοτσιμεντοσυντελεστή, η οποία δίνεται επίσης γραφικά. Προκύπτει μετρώντας την αντοχή δοκιμαστικών μιγμάτων με διάφορους λόγους ω. Η καμπύλη αυτή διαφοροποιείται με τον τύπο του τσιμέντου. - 90 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Για σκυροδέματα για τα οποία δεν είναι γνωστό το ειδικό βάρος του νωπού μίγματος (με μη ασβεστολιθικά αδρανή) καθώς και για σκυροδέματα με ειδικές απαιτήσεις ακολουθείται ακριβέστερη μελέτη σύνθεσης. Για συνήθη σκυροδέματα (με ασβεστολιθικά αδρανή και τσιμέντο CEM II 32,5) οι αναλογίες σύνθεσης του σκυροδέματος κυμαίνονται στα παρακάτω όρια: Τσιμέντο: 300 έως 450 kg Νερό: 180 έως 240 kg Αδρανή: 1700 έως 1900 kg. Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση περιγράφεται αναλυτικά ο σχεδιασμός της μελέτης σύνθεσης για την παραγωγή 1 m3 σκυροδέματος σύμφωνα με την προδιαγραφή ACI-211 (American Concrete Institute). Πειραματικό Μέρος 1. Προδιαγραφές Ο σχεδιασμός της μελέτης σύνθεσης για την παραγωγή 1 m3 σκυροδέματος διεξάγεται σύμφωνα με την προδιαγραφή ACI-211. 2.Υπολογιστική Διαδικασία Γενικά Η μελέτη σύνθεσης πραγματοποιείται από τον μηχανικό παραγωγής στο γραφείο, πριν δοθεί προς υλοποίηση στο εργοστάσιο παρασκευής σκυροδέματος, αφού προηγουμένως έχουν προδιαγραφεί οι τυχόν ειδικές απαιτήσεις του έργου. Η πορεία εργασίας βασίζεται σε βιβλιογραφικά δεδομένα, σύμφωνα με την προδιαγραφή ACI-211, όπου από Πίνακες παρέχονται κατάλληλα δεδομένα και εξ’ αυτών προκύπτουν οι απαραίτητες συστάσεις των υλικών του αναμίγματος. Οι τιμές που αναγράφονται στους Πίνακες και οι προκύπτουσες συστάσεις στηρίζονται σε Αμερικανικά δεδομένα. Θα πρέπει να διευκρινιστεί στο σημείο αυτό ότι τα παραπάνω δεδομένα δεν είναι και υποχρεωτικά στη χρήση τους για την Ελλάδα, δεν αποτελούν απαιτήσεις του νόμου αλλά ελλείψει τέτοιας αριθμητικής διαδικασίας από τον Κ.Τ.Σ.-’97, χρησιμοποιούνται ως εργαλείο αναφοράς. Αν κατά την πορεία υπάρξει άλλη πληροφόρηση, μπορούν να ακολουθηθούν οι ανάλογες τροποποιήσεις από την διαδικασία κατά ACI-211. Δεδομένα του προβλήματος Το εργοστάσιο επιζητά να παράξει σκυρόδεμα κατηγορίας θλιπτικών αντοχών C25/30, κατηγορίας κάθισης S2, έκθεσης σε παραθαλάσσιο περιβάλλον (σύμφωνα με την προδιαγραφή ACI-211 η μέγιστη απόσταση κτίσματος στην παραλία από τη θάλασσα είναι τα 2 miles, ενώ η αντίστοιχη τιμή θεωρείται ίση με 1-2 km για την Ελλάδα). Ο μέγιστος κόκκος των αδρανών που θα χρησιμοποιηθούν θα αντιστοιχεί σε χαλίκι 1″ ή 25,4 mm. Επίσης απαιτείται ότι το παραγόμενο σκυρόδεμα θα πρέπει να είναι αντλήσιμο, χωρίς αερακτικό πρόσθετο. - 91 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Οι απαιτήσεις σχετικά με την κατηγορία θλιπτικών αντοχών (C25/30) του σκυροδέματος, το παραθαλάσσιο και την χρήση ή μη του αερακτικού προσθέτου επιβάλλονται/επιζητούνται από τον μηχανικό που εκπονεί τη μελέτη σύνθεσης Οι απαιτήσεις σχετικά με την εργασιμότητα (S2), επιβάλλονται/επιζητούνται από/για τον εργολάβο του έργου Οι απαιτήσεις σχετικά με τον μέγιστο κόκκο των αδρανών που θα χρησιμοποιηθούν (1″ ή 25,4 mm), επιζητούνται από το εργοστάσιο Οι απαιτήσεις σχετικά με το αντλήσιμο, επιζητούνται από τη φύση του έργου. Ειδικότερα: Αν το σκυρόδεμα απαιτείται να μην έχει χαλίκι (γαρμπιλομπετόν), μπορεί να χρησιμοποιηθεί τότε μόνον όταν στη σκυροδέτηση χρησιμοποιείται πυκνός οπλισμός, οπότε και απαιτείται η χρήση πιο λεπτόκοκκου μίγματος αδρανών ώστε να αποφευχθεί η επικάθιση των κόκκων του χαλικιού στον χάλυβα οπλισμού και η δημιουργία κενών, αλλά απαιτείται ειδική μελέτη. Η χρήση αερακτικού προσθέτου Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η χρήση αερακτικού προσθέτου εισάγει φυσαλίδες αέρα στο ανάμιγμα, με συνέπειες: - την μείωση (υπερβολική ενίοτε) των μηχανικών αντοχών και - την αύξηση (υπερβολική ενίοτε) του εργάσιμου. Συνεπώς, η χρήση αερακτικού προσθέτου θα πρέπει υποχρεωτικά να ληφθεί υπόψη στην μελέτη σύνθεσης με αποτέλεσμα η διαδικασία να περιπλέκεται σημαντικά. Αν τελικώς χρησιμοποιηθεί αερακτικό πρόσθετο, θα πρέπει να προστεθεί στο ανάμιγμα επιπλέον ποσότητα τσιμέντου για την αποφυγή της μείωσης των μηχανικών αντοχών, ενώ εφόσον το αερακτικό αυξάνει το εργάσιμο θα πρέπει να μειωθεί η συνολική ποσότητα νερού που θα χρησιμοποιηθεί, άρα πιθανότατα τα παραπάνω θα συνοδεύονται από αύξηση των μηχανικών αντοχών, οι οποίες θα πρέπει να παρατηρηθούν στον έλεγχο των μηχανικών αντοχών των δοκιμίων που θα ληφθούν. Η χρήση του αερακτικού επιβάλλεται στο έργο όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι κοντά στους 0°C για παρατεταμένες περιόδους (στην Αθήνα συνιστάται η αναμονή για 1-2 μέρες οπότε και συνήθως επέρχεται βελτίωση των καιρικών συνθηκών και άνοδος της θερμοκρασίας), ή αν υποχρεωτικά πρέπει να γίνει σκυροδέτηση. Αν δεν προστίθετο αερακτικό θα υπάρξει κίνδυνος από το φαινόμενο της παγοπληξίας η οποία θα δημιουργήσει προβλήματα στη δομή του παραγόμενου σκυροδέματος από τη δημιουργία πάγου κατά την πήξη του νερού του αναμίγματος, με συνέπεια την διαστολή του η οποία θα οδηγούσε στη ρηγμάτωσή του αφενός, αφετέρου δε στην μείωση των μηχανικών αντοχών και την εισαγωγή ξένων ιόντων. Οι φυσαλίδες αναλαμβάνουν τις εντάσεις και μεταβολές όγκου από την διόγκωση του νερού λειτουργώντας ως θερμική ανάρτηση και έτσι αποφεύγεται η ρηγμάτωση. Αν στο έργο λαμβανόταν έτοιμο εργοστασιακό σκυρόδεμα χωρίς αερακτικό πρόσθετο και προτεινόταν η εκ των υστέρων προσθήκη αερακτικού, με τη δικαιολογία ότι κατά την διάρκεια της νύχτας θα ακολουθήσει πτώση της θερμοκρασίας η οποία δεν προβλέφθηκε εξ’ αρχής, δεν θα πρέπει αυτό να προστεθεί στο προσκομισθέν εργοστασιακό σκυρόδεμα γιατί οι αντοχές του θα μειωθούν. Αν οι καιρικές συνθήκες και ο ιδιάζων χαρακτήρας του έργου επιβάλουν οπωσδήποτε την σκυροδέτηση (π.χ. έργο σε νησί όπου επικρατούν δυνατοί άνεμοι και χαμηλές θερμοκρασίες), η χρήση αερακτικού προτείνεται να αποφευχθεί και αντ’ αυτού να χρησιμοποιηθούν τρόποι ανόδου της θερμοκρασίας του σκυροδέματος κατά την συντήρηση, όπως π.χ. το σκέπασμα της κατασκευής με νάυλον οπότε λόγω του εξώθερμου της ενυδάτωσης, το νάυλον θα περιορίσει κατά το δυνατόν τις απώλειες σε θερμότητα, ή τη θέρμανση των δομικών στοιχείων με θερμαντικά μέσα για τις επόμενες 1-2 ημέρες. - 92 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Απαίτηση σε νερό Χρησιμοποιώντας βιβλιογραφικά δεδομένα τα οποία παρέχονται στην προδιαγραφή ACI-211, από τον Πίνακα Α1.5.2.3 για το νερό ανάμιξης (mixing water) προκύπτει η απαιτούμενη ποσότητα για το νερό ανάμιξης της σύνθεσης, αφού προηγουμένως έχει δοθεί ως δεδομένο η απαιτούμενη κάθιση του σκυροδέματος και ο μέγιστος κόκκος των αδρανών που θα χρησιμοποιηθούν. Πίνακας Α1.5.2.3: Απαιτήσεις κατά προσέγγιση του νερού ανάμιξης συναρτήσει της κάθισης και του μέγιστου κόκκου των αδρανών [18]. Απαίτηση σε νερό σε kg/m3 σκυροδέματος συναρτήσει του Κάθιση (cm) μέγιστου κόκκου των αδρανών σε mm 10 12,5 20 25 40 50 70 150 Σκυρόδεμα χωρίς τη χρήση αερακτικού 205 200 185 180 160 155 145 125 3–5 225 215 200 195 175 170 160 140 8 – 10 240 230 210 205 185 180 170 15 – 18 Κατά προσέγγιση ποσότητα 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,3 0,2 παγιδευμένου αέρα σε σκυρόδεμα χωρίς αερακτικό (%) Σκυρόδεμα με τη χρήση αερακτικού 180 175 165 160 145 140 135 120 3–5 200 190 180 175 160 155 150 135 8 – 10 215 205 190 185 170 165 160 15 – 18 Προτεινόμενο μέσο συνολικό 8,0 7,0 6,0 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 ποσοστό παγιδευμένου αέρα σε σκυρόδεμα με αερακτικό (%) Η επιθυμητή εργασιμότητα του σκυροδέματος προδιαγράφεται από την κατηγορία κάθισης, η οποία στην περίπτωση της παρούσης είναι η S2, ήτοι κάθιση 50-90 mm ή 5-9 cm (η ACI χρησιμοποιεί cm). Για μέγιστο κόκκο αδρανών ίσο με 25 mm (dmax=25 mm), ο Πίνακας Α1.5.2.3 δεν παρέχει δεδομένα για το νερό ανάμιξης για κάθιση στα 5-9 cm. Γι’ αυτό θεωρώντας μια μέση τιμή κάθισης ίση με 7 cm , από τα δεδομένα του Πίνακα Α1.5.2.3 θα είναι: Για κάθιση 8-10 cm (μέση τιμή 9 cm) απαιτούνται 195 kg νερού ανάμιξης, για κάθιση 3-5 cm (μέση τιμή 4 cm) ;=180 kg οπότε εφαρμόζοντας γραμμική παρεμβολή ως εξής: Για διαφορά μονάδων (9-4) cm=5 cm στην κάθιση, εμφανίζεται διαφορά μονάδων βάσης στο νερό ανάμιξης (195-180) kg=15 kg, ενώ για διαφορά (7-4) cm=3 cm στην κάθιση, ;=9 kg. Έτσι για κάθιση 4 cm αντιστοιχεί νερό ανάμιξης 180 kg, για κάθιση 9 cm ;=189 kg νερού ανάμιξης. Άρα για τη σύνθεση 1 m3 παραθαλάσσιου σκυροδέματος κατηγορίας αντοχών C25/30, κατηγορίας κάθισης S2, η απαιτούμενη ποσότητα νερού ανέρχεται σε 189 kg (W=189 kg). - 93 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Στο υπόμνημα του Πίνακα Α1.5.2.7.1 που αφορά το αερακτικό πρόσθετο, για κατηγορία κάθισης S2 στα 8-10 cm υπάρχει οδηγία που αναφέρει να αφαιρεθούν 20 kg νερού (λόγω αύξησης του εργάσιμου). Στον Πίνακα Α1.5.2.4 (a) δίνεται η συσχέτιση μεταξύ της τιμής του λόγου νερού/τσιμέντο, W/C, συναρτήσει της αντοχής σε θλίψη 28 ημερών για κυλινδρικό και όχι κυβικό δοκίμιο, σε μονάδες kg/cm2 (και όχι σε MPa). Έτσι για τη συνέχεια θα πρέπει να εκφραστεί η αντοχή σε θλίψη των 28 ημερών σε μονάδες kg/cm2 για κυλινδρικό δοκίμιο, διαμέτρου 15 cm και ύψους 30 cm. Πίνακας Α1.5.2.4 (a): Συσχέτιση μεταξύ λόγου νερού/τσιμέντο (W/C) και θλιπτικών αντοχών σκυροδέματος 28 ημερών [18]. Θλιπτική αντοχή 28 ημερών (kg/cm2) 450 400 350 300 250 200 150 Τιμή λόγου W/C (κατά βάρος) Σκυρόδεμα χωρίς τη χρήση Σκυρόδεμα με τη χρήση αερακτικού αερακτικού 0,38 0,43 0,48 0,40 0,55 0,46 0,62 0,53 0,70 0,61 0,71 0,80 Χρήση επιβραδυντή Σε περίπτωση που θα χρησιμοποιηθεί επιβραδυντής στο ανάμιγμα, η μάζα του υπολογίζεται επί τοις ‰ ως προς το τσιμέντο της σύνθεσης. Απαιτούμενη αντοχή fa σκυροδέματος Αυτή δίνεται από τη Σχέση 2: f a = f ck + 1.64 ⋅ S (2) Όπου: fck τιμή χαρακτηριστικής αντοχής, S τιμή τυπικής απόκλισης αντοχών του εργοστασίου. Πρέπει να ερωτηθεί το εργοστάσιο σκυροδέματος ποια είναι η τυπική του απόκλιση (και επειδή συνήθως δεν τη γνωρίζει, τότε χρησιμοποιείται αυτή των 6 δοκιμίων). Αν το εργοστάσιο σκυροδέματος δώσει ως τιμή τυπικής απόκλισης: • S<3 MPa, τότε στην Σχέση 2 χρησιμοποιείται τιμή τυπικής απόκλισης ίση με S=3 MPa (άρα στη Σχέση 2 δεν νοείται S<3 MPa) • S>3 MPa, τότε στην Σχέση 2 χρησιμοποιείται ότι βρέθηκε, ότι προσκομιστεί από το εργοστάσιο για τυπική απόκλιση S>3 MPa • αν το εργοστάσιο επικαλεστεί ότι δεν έχει στοιχεία, τότε στην Σχέση 2 χρησιμοποιείται εξ’ ορισμού η τιμή τυπικής απόκλισης S=5 MPa (με αυτόν τον τρόπο ο κανονισμός τιμωρεί τον παραγωγό ετοίμου εργοστασιακού σκυροδέματος με μεγάλη τιμή στην τυπική απόκλιση που θα χρησιμοποιηθεί στη Σχέση 2, εφόσον δεν λάμβανε δοκίμια για μέτρηση αντοχών και στατιστική επεξεργασία) - 94 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ • ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής αν το εργοστάσιο δεν έχει στοιχεία και χρησιμοποιεί φυσικά συλλεκτά αδρανή, τότε στην Σχέση 2 χρησιμοποιείται τιμή τυπικής απόκλισης ίση με S=6 MPa. Η τιμή 1,64 υποδηλώνει ότι η χαρακτηριστική αντοχή fck βρίσκεται 1,64 τυπικές αποκλίσεις μακριά από τον μέσον όρο. Κάτω της χαρακτηριστικής αντοχής των 30 MPa το εργοστάσιο θα εμφανίζει 5% τιμές υποαντοχών. Έστω εδώ ότι δηλώνεται ότι S<3 MPa. Τότε στην Σχέση 2 για την τυπική απόκλιση θα χρησιμοποιηθεί η τιμή S=3 MPa και άρα για τιμή χαρακτηριστικής αντοχής fck=30 MPa (κυβικού δοκιμίου για την Ελλάδα) προκύπτει η τιμή της απαιτούμενης αντοχής ως: fa=(30+1,64·3) MPa=34,9 MPa. Το σκυρόδεμα με τιμή απαιτούμενης αντοχής που προκύπτει από τη Σχέση 2 καλείται οριακό, λόγω του minimum 1,64. Ο νόμος δίνει το δικαίωμα να παραχθεί οριακό σκυρόδεμα με ανοχή 5%. Αν και εκ του νόμου δίδεται το δικαίωμα να βρεθούν κάτω από 5% υποαντοχές, εάν δεν ληφθούν από τον μηχανικό δοκίμια για προσδιορισμό των μηχανικών αντοχών τότε δεν μπορεί να βρεθεί τίποτα (δηλαδή εργοστασιακό σκυρόδεμα με τιμή απαιτούμενων αντοχών ίση π.χ. με 36 MPa δεν εξασφαλίζει την καταλληλότητά του από πλευράς αντοχών). Τα υψηλής ποιότητας εργοστάσια παράγουν συνθέσεις με τιμή απαιτούμενης αντοχής fa, που προκύπτει από τη σχέση f a = f ck + 2.00 ⋅ S και όχι την f a = f ck + 1.64 ⋅ S (δηλαδή μειώνοντας το ποσοστό των υποαντοχών που πιθανόν να εμφανιστούν σε 2,5% από 5%, αλλά με ταυτόχρονη αύξηση του κόστους του σκυροδέματος αφού απαιτείται η προσθήκη μεγαλύτερης ποσότητας τσιμέντου). Αν όλες οι σκυροδετήσεις ελέγχονταν, θα φαίνονταν ότι κάποιοι πελάτες αγοράζουν και λαμβάνουν σκυρόδεμα με μικρότερες αντοχές. Αν το εργαστήριο ποιοτικού ελέγχου του εργοστασίου ειδοποιούσε ότι μετρήθηκε η τιμή της απαιτούμενης αντοχής fa ίση με fa=27 MPa, τότε το εργαστήριο ποιοτικού ελέγχου του εργοστασίου θα λάμβανε δοκίμια και την επόμενη ημέρα. Αν επαναληφθεί η μέτρηση της ίδιας με την παραπάνω τιμή για την απαιτούμενη αντοχή και την επόμενη ημέρα η (ακραίο ενδεχόμενο με ελάχιστη πιθανότητα να συμβεί), τότε το σκυρόδεμα είναι κακής ποιότητας, προφανώς έχει γίνει λάθος στην παραγωγική διαδικασία και το εργοστάσιο θα πρέπει να σταματήσει να δίνει σκυρόδεμα αυτής της παρτίδας (δεν μπορεί να συμπέσουν 2 ημέρες με 27 MPa) και πρέπει να ενημερώσει τους πελάτες του. Παρόλα ταύτα, για τον λόγο αυτό συνηθίζεται να λέγεται ότι «το σκυρόδεμα έχει φιλότιμο» μιας και οι αντιδράσεις ενυδάτωσης συνεχίζουν να εξελίσσονται σε βάθος χρόνου οπότε και σε 1,5-2 χρόνια το παραπάνω κακής ποιότητας σκυρόδεμα θα αποκτήσει την απαιτούμενη αντοχή. Από τις απαιτήσεις του Κ.Τ.Σ.-’97 (§ 13.2.3.3.) φαίνεται ότι λόγω διαφορετικής γεωμετρίας, άρα και του διαφορετικού μηχανισμού κατανομής των θλιπτικών τάσεων, το κυβικό δοκίμιο διαστάσεων 20 cm x 20 cm x 20 cm έχει μικρότερη θλιπτική αντοχή κατά 5% έναντι του κυβικού δοκιμίου ακμής 15 cm x 15 cm x 15 cm. Έτσι η τιμή της απαιτούμενης θλιπτικής αντοχής fa για κυβικό δοκίμιο διαστάσεων 20 cm x 20 cm x 20 cm θα μειωθεί κατά 0,05·36 MPa=1,8 MPa, άρα θα αντιστοιχεί σε (36,0-1,8) MPa=34,2 MPa (τιμή της απαιτούμενης θλιπτικής αντοχής fa κυβικού δοκιμίου διαστάσεων 20 cm x 20 cm x 20 cm). Στον Πίνακα 13.2.3. του Κ.Τ.Σ.-’97 δίνεται ο συντελεστής αναγωγής της αντοχής κυλινδρικών δοκιμίων διαστάσεων 15 cm x 30 cm σε κύβους ακμής 20 cm. - 95 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πίνακας 13.2.3.: Συντελεστές αναγωγής αντοχών κυλινδρικών δοκιμίων σκυροδέματος διαστάσεων 15 cm x 30 cm σε αντοχές κυβικών δοκιμίων ακμής 20 cm (για ενδιάμεσες τιμές γίνεται γραμμική παρεμβολή) [19]. Αντοχή κυλινδρικού δοκιμίου 15 cm x 30 cm (MPa) Συντελεστής αναγωγής σε κύβο ακμής 20 cm ≤ 9,2 12,8 18,4 25,4 ≥ 39,5 1,3 1,25 1,22 1,18 1,14 Με γραμμική παρεμβολή για τα 34,2 MPa προκύπτει για την τιμή του συντελεστή αναγωγής: Κύλινδρος 15 cm x 30 cm 25,4 14,1 Κύβος ακμής 20 cm 29,9 4,23 39,5 34,2 15,06 45,03 Για (45,03-29,9) MPa=15,06 MPa, αντιστοιχεί διαφορά (39,5-25,4) MPa =14,1 MPa. Για διαφορά βάσης (34,2-29,9) MPa=4,23 MPa, πόση θα είναι η διαφορά βάσης για 14,1; Προκύπτει τιμή ίση με 3,96 MPa. Είναι προφανές ότι όσο αυξάνει η αντοχή του κυβικού δοκιμίου, αυξάνει και η αντοχή του κυλινδρικού. Άρα για το κυλινδρικό δοκίμιο που απαιτείται από την μεθοδολογία κατά ACI η θλιπτική αντοχή να είναι ίση με (25,4+3,96) MPa=29,36 MPa, αυτή θα πρέπει να μετατραπεί σε kg/cm2. Είναι γνωστό ότι 1 N/mm2=1 MPa=10,19 kg/cm2, οπότε η τιμή αντοχής 29,36 MPa κυλινδρικού δοκιμίου 15 cm x 30 cm αντιστοιχεί σε 29,36 MPa·10,19 kg/(cm2·MPa)=299,18 kg/cm2. Λόγος νερού/τσιμέντο (W/C) και προσδιορισμός του απαιτούμενου τσιμέντου της σύνθεσης Από τα βιβλιογραφικά δεδομένα του Πίνακα A1.5.2.4 (a) της ACI, για σκυρόδεμα χωρίς τη χρήση αερακτικού (non-air entrained concrete), θα προκύψει ο λόγος νερού/τσιμέντο W/C από την απαιτούμενη θλιπτική αντοχή των 28 ημερών (σε kg/cm2) κυλινδρικού δοκιμίου 15 cm x 30 cm με γραμμική παρεμβολή ως εξής: για τιμή θλιπτικής αντοχής 250 kg/cm2 ο λόγος W/C έχει τιμή ίση με 0,62 για τιμή θλιπτικής αντοχής 300 kg/cm2 ο λόγος W/C έχει τιμή ίση με 0,55 άρα για διαφορά 300-250=50 kg/cm2 η διαφορά στον W/C είναι ίση με W/C =0,62-0,55=0,07 (μιας και είναι ποσά αντιστρόφως ανάλογα), για διαφορά 299,18-250=49,18 kg/cm2 η διαφορά στον W/C=; οπότε προκύπτει διαφορά στον λόγο W/C ίση με W/C=0,07·49,18/50=0,069. Έτσι όσο αυξάνεται η τιμή της θλιπτικής αντοχής, η τιμή του λόγου W/C μειώνεται, άρα θα πρέπει να μειωθεί η τιμή του λόγου W/C κατά 0,069, ήτοι W/C=0,62-0,069=0,551. Στο σημείο αυτό εξάγεται η ποσότητα του τσιμέντου που πρέπει να χρησιμοποιηθεί από τον λόγο νερού/τσιμέντο W/C που προέκυψε, γνωρίζοντας την απαίτηση σε νερό (W=189 kg) ως εξής: - 96 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής W/C=0,551 άρα C=189 kg/0,551, οπότε C=343,0 kg η απαιτούμενη ποσότητα του τσιμέντου της σύνθεσης. Προσδιορισμός της απαιτούμενης ποσότητας αδρανών Θα χρησιμοποιηθούν τα δεδομένα του Πίνακα Α1.5.2.6 για τον όγκο των χονδρόκοκκων αδρανών ανά μονάδα όγκου σκυροδέματος, όπου απαιτούνται τα παρακάτω δεδομένα: 1. μέγιστος κόκκος χονδρόκοκκων αδρανών 2. μέτρο λεπτότητας της άμμου (fm) . Ως μέτρο λεπτότητας της άμμου (fm) ορίζεται το πηλίκο του αθροίσματος των % ολικών συγκρατούμενων (%Ri) στα κόσκινα 3″, 1.5″, ¾″, 3/8″, No 4, No 8, No 16, No 30, No 50, No 100, δια 100 (Σχέση 3). fm = % R3" + % R1.5" + % R3 / 4" + % R3 / 8" + % RNo 4 + % RNo 8 + % RNo16 + % RNo 30 + % RNo 50 + % RNo100 100 (3) Πίνακας Α1.5.2.6: Όγκος χονδρόκοκκων αδρανών ανά μονάδα όγκου σκυροδέματος Μέγιστος κόκκος χονδρόκοκκων αδρανών (mm) 10 12,5 20 25 40 50 70 150 Όγκος χονδρόκοκκων ξηρών αδρανών ανά μονάδα όγκου σκυροδέματος για διάφορες τιμές λεπτότητας άμμου fm 2,40 2,60 2,80 3,00 0,50 0,48 0,46 0,44 0,59 0,57 0,55 0,53 0,66 0,64 0,62 0,60 0,71 0,69 0,67 0,65 0,76 0,74 0,72 0,70 0,78 0,76 0,74 0,72 0,81 0,79 0,77 0,75 0,87 0,85 0,83 0,81 Για το συγκεκριμένο πρόβλημα προκύπτει ότι το μέτρο λεπτότητας της άμμου είναι ίσο με fm=2,88, άρα με γραμμική παρεμβολή από τον Πίνακα Α1.5.2.6 υπολογίζεται ο όγκος ξηρών χονδρόκοκκων αδρανών ανά μονάδα όγκου σκυροδέματος αναλόγως του μέτρου λεπτότητας της άμμου ως εξής: για fm=3,00, ο όγκος ξηρών χονδρόκοκκων αδρανών ανά όγκο σκυροδέματος έχει τιμή 0,65 για fm=2,80, ο όγκος ξηρών χονδρόκοκκων αδρανών ανά όγκο σκυροδέματος έχει τιμή 0,67 Ποια η διαφορά Χ στην τιμή όγκου ξηρών χονδρόκοκκων αδρανών ανά όγκο σκυροδέματος με τιμή της fm,= 2,88; Μετά από πράξεις προκύπτει ότι Χ=0,012, άρα ο όγκος ξηρών χονδρόκοκκων αδρανών ανά μονάδα όγκου σκυροδέματος είναι ίσος με 0,66 m3. Αν φανταστούμε έναν κύβο σκυροδέματος ακμής 1 m, σύμφωνα με την ACI-211, η παραπάνω τιμή 0,66 m3 για τον όγκο των ξηρών χονδρόκοκκων αδρανών δηλώνει ότι εντός του κύβου το χονδρόκοκκο κλάσμα των αδρανών θα έχει όγκο 0,66 m3. Ο υπόλοιπος όγκος που απομένει αποτελείται από τους κόκκους της άμμου (το λεπτό κλάσμα), του τσιμέντου και του νερού οι οποίοι θα κατανεμηθούν στα ενδιάμεσα κενά και στην πάνω επιφάνεια του σκυροδέματος. - 97 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Αυτό είναι και ένα από τα σημεία αδυναμίας της μεθόδου κατά ACI, δηλαδή ότι υπολογίζεται ο όγκος των χονδρόκοκκων αδρανών και όχι η μάζα τους σε kg. Έτσι θα πρέπει να μετατραπούν οι όγκοι σε μάζες (σε kg), με την προϋπόθεση ότι είναι γνωστά τα φαινόμενα ειδικά βάρη των λεπτόκοκκων και χονδρόκοκκων κλασμάτων αδρανών. Γνωρίζοντας τα φαινόμενα ειδικά βάρη (Φ.Β.) των χονδρόκοκκων αδρανών διεξάγονται οι προσδιορισμοί της μάζας του γαρμπιλιού, και του χαλικιού από τις μετατροπές του όγκου των χονδρόκοκκων. Για να υπολογιστεί το φαινόμενο βάρος των χονδρόκοκκων πρέπει να δοθεί ποσόστωση για το χαλίκι και το γαρμπίλι (το επιβάλει ο νόμος). Έστω (τυχαία) ότι το φαινόμενο βάρος των χονδρόκοκκων αδρανών είναι ίσο με 1580 kg/m3, δηλαδή 1 m3 χονδρόκοκκων αντιστοιχούν σε μάζα 1580 kg, τα 0,66 m3 χονδρόκοκκων θα αντιστοιχούν σε ;=1043 kg χονδρόκοκκων. Για να προχωρήσει η επίλυση στο σημείο αυτό θα πρέπει να επιβληθεί μια ποσόστωση για το μίγμα των χονδρόκοκκων χαλικιού- γαρμπιλιού, είτε τυχαία (π.χ. 20%-80%), είτε να δοθεί μια τέτοια πληροφορία. Έστω ποσόστωση 80% για το χαλίκι και 20% για το γαρμπίλι αντίστοιχα. Ούτως ή άλλως, ότι σύνθεση και αν προταθεί, το εργοστάσιο θα την ελέγξει στο εργαστήριο ποιοτικού ελέγχου και θα διαπιστώσει αν όλα βαίνουν καλώς (π.χ. για ποσόστωση 60% χαλίκι – 40% γαρμπίλι θα γίνουν όλοι οι απαραίτητοι έλεγχοι. Αν η ποσόστωση είναι μικρή, τότε δοκιμάζεται αυτή με 70-30%, 80-20% κοκ). Για τον συνδυασμό 80% χαλίκι – 20%γαρμπίλι η ευθεία Φ.Β. τυχαία δίνει 1580 kg/m3, οπότε για τα 0,66 m3 προκύπτουν 1048 kg χονδρόκοκκων με την παραπάνω σύσταση. Συνεπώς, η ποσότητα χαλικιού θα είναι ίση με 0,8·1043 kg=834,4 kg και ομοίως για το γαρμπίλι ίση με 0,2·1048 kg=209,6 kg. Μένει εδώ να προσδιοριστεί πόση είναι η απαιτούμενη ποσότητα της άμμου. Προκύπτουσα σύνθεση ανά m3 σκυροδέματος Στο σημείο αυτό ολοκληρώνονται οι υπολογισμοί με τη μέθοδο ACI-211. Αν διαιρεθούν τα παραπάνω βάρη με τα Φ.Β. των αδρανών, προκύπτει ο όγκος σε ℓ (λίτρα) των αδρανών που θα χρησιμοποιηθούν στη σύνθεση. Έτσι, στο 1 m3 σκυροδέματος (ή 1000 ℓ) τα 15 ℓ είναι ο αέρας (υποθέτοντας ότι η αεροπεριεκτικότητα είναι περίπου ίση με 1,5%) και τα υπόλοιπα η άμμος. Από το Φ.Β. της άμμου και τον όγκο σε ℓ της άμμου προκύπτει η μάζα της άμμου σε kg. Τα φαινόμενα ειδικά βάρη των αδρανών θα πρέπει να είναι γνωστά, οπότε με δεδομένες τις παρακάτω τιμές για κάθε κλάσμα αδρανών και για το τσιμέντο και νερό Φ.Β.άμμου=2670 kg/m3 Φ.Β.γαρμπιλιού=2704 kg/m3 Φ.Β.χαλικιού=2702 kg/m3 Φ.Β.τσιμέντου=3100 kg/m3 Φ.Βνερού=1000 kg/m3 καταλήγουμε στους όγκους όλων των συστατικών 1 m3 σκυροδέματος: - 98 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Αέρας=15 ℓ Νερό =189 ℓ Τσιμέντο=110,7 ℓ Χαλίκι=308,8 ℓ Γαρμπίλι=77,5 ℓ Άμμος=; Από τη Σχέση 1 προκύπτει ο όγκος της άμμου: Όγκος άμμου (ℓ) = 1000 ℓ σκυροδέματος – (Όγκος αέρα+νερού+τσιμέντου+χαλικιού+γαρμπιλιού) ίσος με 299,0 ℓ ή 299,0 ℓ άμμου·10-3 m3/ℓ·2670 kg/m3=798,3 kg άμμου. Τα απαιτούμενα υλικά της σύνθεσης που υπολογίστηκαν δίνονται συγκεντρωτικά στον παρακάτω Πίνακα: Νερό Τσιμέντο Χαλίκι Γαρμπίλι Άμμος Αέρας Απαιτούμενη ποσότητα (kg) 189,0 343,0 834,4 209,6 798,3 - Όγκος (ℓ) ανά m3 σκυροδέματος 189,0 110,7 308,8 77,5 299,0 15,0 Σύνολο 2274,3 1000,0 Υλικό Επισημάνσεις - Παρατηρήσεις • Σύμφωνα με το υπόμνημα του Πίνακα Α1.5.2.7.1 της ACI-211, απαιτούνται διορθώσεις εάν τα δεδομένα που ζητούσε η σύνθεση σε σύγκριση με αυτά που προέκυψαν καλύπτονται ή όχι (π.χ. κατηγορία κάθισης S2, παραθαλάσσιο σκυρόδεμα κτλ). • Από τον Πίνακα 5.2.5.1 του Κ.Τ.Σ.-’97 για ειδικά σκυροδέματα, για παραθαλάσσιο σκυρόδεμα θα πρέπει: 1. ο μέγιστος λόγος νερού / τσιμέντο να είναι ίσος με 0.60 (max W/C=0.60) > 0.551 που υπολογίστηκε, άρα καλύπτεται αυτή η απαίτηση 2. η ελάχιστη ποσότητα τσιμέντου να είναι ίση με 330 kg (min C=330 kg) < 343 kg που υπολογίστηκαν παραπάνω, η οποία επίσης καλύπτεται. • Είναι γνωστό ότι για τη σύνθεση σκυροδέματος κατηγορίας αντοχών C25/30, η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα τσιμέντου της σύνθεσης είναι τα 330 kg, ενώ από την παραπάνω ανάλυση προσδιορίστηκε σε 343 kg. Θα μπορούσε για λόγους μείωσης του κόστους να επιλεγούν στη σύνθεση 330 kg τσιμέντου που είναι και το ελάχιστο, δηλαδή να αφαιρεθούν 13 kg τσιμέντου; Αν επιχειρηθεί να μειωθεί η ποσότητα του τσιμέντου κατά 13 kg, τότε θα μεταβληθεί αυτομάτως και ο λόγος W/C στην τιμή W/C=189 kg/330 kg=0.57 < 0.60 που είναι το μέγιστο, άρα τα κριτήρια του Πίνακα 5.2.5.1 του Κ.Τ.Σ.-’97 για ειδικά σκυροδέματα καλύπτονται ακόμη. - 99 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Δεν πρέπει να επιχειρείται να μεταβληθεί η ποσότητα του νερού αφού μειώνοντας την απαιτούμενη ποσότητα τσιμέντου θα προκληθεί αναπόφευκτα και μείωση των μηχανικών αντοχών. • Τέλος θα πρέπει να ελεγχθεί και το αντλήσιμο, δηλαδή θα πρέπει το άθροισμα της ποσότητας του τσιμέντου και της παιπάλης των αδρανών που υπολογίστηκαν να υπερβαίνει τα 450 kg. Αφού η άμμος στη σύνθεση είναι λίγη σε ποσότητα (περίπου 800 kg), το σκυρόδεμα δεν είναι αντλήσιμο (καθίσταται αντλήσιμο όταν χρησιμοποιηθούν κατ’ ελάχιστον 910 kg άμμου). Άρα αποφασίζεται η προσθήκη επιπλέον 110 kg άμμου για να επιτευχθεί το αντλήσιμο, οπότε κατά σύνολο 110 kg θα μειωθεί η μάζα του χαλικιού (σε μεγαλύτερο βαθμό αφού μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή της πρέσας μεταφοράς σκυροδέματος) και το υπόλοιπο από την ποσότητα του γαρμπιλιού. Η σύνθεση θα αποτελείται σίγουρα από 189 kg νερό, 910 kg άμμο (πληροφορία), 330 kg τσιμέντο και για σύνολο 2375 kg σκυροδέματος θα πρέπει να τροποποιηθεί η ποσότητα του χαλικιού περίπου στα 738 kg (αφαιρούνται 13 kg τσιμέντο και προστίθενται 110 kg άμμου). Στην υποσημείωση του Πίνακα Α1.5.2.7.1 της ACI, αναφέρεται ότι για κάθε 5 kg διαφορά από το νερό ανάμιξης που προκύπτει από τον Πίνακα Α1.5.2.3 για κάθιση από 8-10 cm, απαιτείται διόρθωση. Αν επιχειρηθεί να αφαιρεθούν ή να προστεθούν 5 kg νερού, θα πρέπει το σύνολο της σύνθεσης (2375 kg) να μειωθεί κατά 8 kg στην αντίθετη κατεύθυνση. Για κάθε 20 kg διαφοράς στο τσιμέντο, πρέπει να διορθωθεί το βάρος της σύνθεσης κατά 3 kg στην ίδια κατεύθυνση. Δηλαδή αν πρέπει να αυξηθεί η ποσότητα τσιμέντου κατά 20 kg, θα πρέπει να αυξηθεί και η μάζα της σύνθεσης κατά (2375+3) kg. Αντίθετα διεξάγονται οι υπολογισμοί για μείωση της ποσότητας του τσιμέντου κατά 20 kg. Στην πορεία επίλυσης που περιγράφηκε παραπάνω, αφαιρέθηκαν από τη μάζα της σύνθεσης 13 kg τσιμέντου και θεωρήθηκε λανθασμένα ότι το βάρος της σύνθεσης παρέμεινε το ίδιο ΚΑΝΟΝΑΣ: Οποιαδήποτε προσθαφαίρεση υλικών στο 1 m3 σκυροδέματος (διορθώσεις ποσοτήτων) θα γίνεται με βάση τον όγκο (σε ℓ) και όχι την μάζα (σε kg). Τα -13 kg τσιμέντο αντιστοιχούν σε -13 kg/(3,1 kg/ℓ)=4,19 ℓ τσιμέντου. Εφόσον παραπάνω αποφασίστηκε να προστεθεί άμμος, θα προστεθούν 4,19 ℓ άμμου (Φ.Β.άμμου=2670 kg/m3) ή 4,19 ℓ·2,67 kg/ℓ=11,19 kg άμμου, ή κατά προσέγγιση 11 kg άμμου. Άρα όλη η σύνθεση θα έχει βάρος 2373 kg (διαφορά -13+11 kg=2 kg). Προσθαφαιρέσεις: Τσιμέντο με τσιμέντο (σε ℓ) Αδρανή με αδρανή (σε kg) Νερό σε αδρανή (σε ℓ) Αν προστεθούν στα 800 kg άμμου και επιπλέον 99 kg άμμου, αφαιρώντας ταυτόχρονα 99 kg χαλικιού, η σύνθεση θα γινόταν: άμμος=910 kg, χαλίκι=735 kg, γαρμπίλι=208 kg, τσιμέντο=330 kg, νερό=189 kg). Αν προστεθούν 5 kg νερό (=5 ℓ) τότε θα πρέπει να αφαιρεθούν 5 ℓ χαλικιού (=13,5 kg), άρα από τη σύνθεση χάνονται 8,5 kg (όπως αναφέρεται και στην υποσημείωση του Πίνακα Α1.5.2.7.1 της ACI-211). - 100 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Τέλος για το αντλήσιμο της σύνθεσης, όπως ειπώθηκε και παραπάνω θα πρέπει η συνολική μάζα των λεπτόκοκκων υλικών να υπερβαίνει τα 450 kg, δηλαδή (τσιμέντο + παιπάλη) > 450 kg, άρα (330 kg τσιμέντο + παιπάλη) > 450 kg. Γνωρίζεται η περιεκτικότητα της παιπάλης στην άμμο που χρησιμοποιήθηκε, π.χ. έστω 16%, δηλαδή 0,16·910 kg=145,6 kg παιπάλης, άρα (330 kg τσιμέντο + 145,6 kg παιπάλη)=475,6 kg > 450 kg, άρα δεν δημιουργείται πρόβλημα όσον αφορά το αντλήσιμο. Πρόσθετες ερωτήσεις (για να γίνει αντιληπτή η πολυπλοκότητα των ασκήσεων) i. Αν στη συγκεκριμένη σύνθεση (όπου θεωρητικά οι αντοχές θα είναι 36 MPa) προστεθεί αερακτικό, πόσο θα μεταβληθεί η αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος των 28 ημερών και πόσο η εργασιμότητά του (να υπολογιστούν); Η πορεία εργασίας περιλαμβάνει την χρήση των αντίστροφων Πινάκων για τη χρήση αερακτικού (non-entrained air concrete). ii. Πόσα kg τσιμέντο πρέπει να προστεθούν στη σύνθεση ώστε η απαιτούμενη θλιπτική αντοχή να μην μεταβληθεί; Στην πράξη το εργοστάσιο σκυροδέματος θα πρέπει να διαθέτει διαφορετικές μελέτες σύνθεσης για κάθε διαφορετική κατηγορία εργασιμότητας (π.χ. S2, S3, S4 και S5), για δεδομένη κατηγορία θλιπτικών αντοχών (π.χ. την C16/20). Αν η πρακτική που προταθεί είναι να προστεθεί επιπλέον νερό ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη κατηγορία κάθισης, τότε αυτομάτως θα πρέπει να προστεθεί στην σύνθεση και επιπλέον ποσότητα τσιμέντου ώστε να προκληθεί αύξηση της θλιπτικής αντοχής (η οποία θα μειωνόταν με την προσθήκη νερού), με συνέπεια την αύξηση της τιμής της του σκυροδέματος. Τότε κανείς εργολάβος δεν θα δεχόταν να δίνει διαφορετικές τιμές για σκυρόδεμα ίδιων αντοχών σε κάθιση S2, S3, S4 και S5. Για το λόγο αυτό το εργοστάσιο παρασκευάζει μία σύνθεση για κατηγορία αντοχών C16/20 και κάθιση S2 και για την παραγωγή σκυροδέματος ίδιας κατηγορίας αντοχών αλλά μεγαλύτερης κατηγορίας κάθισης προσθέτει υπερρευστοποιητή. Αυτή είναι η πρακτική της σημερινής εποχής. Παλαιότερα, όπου δεν υπήρχε υπερρευστοποιητής, όλοι οι υπολογισμοί έπρεπε να γίνουν εξ’ αρχής. - 101 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 9η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο εργαστηριακός έλεγχος των ιδιοτήτων του νωπού σκυροδέματος, σύμφωνα με τα κριτήρια και τις διαδικασίες που απαιτεί ο Ελληνικός Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997 (Κ.Τ.Σ.- 97). Θεωρητικό Μέρος Το σκυρόδεμα, το κατεξοχήν δομικό υλικό που χρησιμοποιείται στις δομικές κατασκευές, είναι ένα πολυσυστατικό μίγμα το οποίο παρασκευάζεται με την ανάμιξη αδρανών υλικών, τσιμέντου, νερού, ενώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συστατικά και ορυκτά πρόσθετα (φυσικές ποζολάνες, ιπτάμενες τέφρες, πυριτική παιπάλη κ.α.) και ειδικά βελτιωτικά πρόσθετα (ρευστοποιητές, υπερρευστοποιητές, επιβραδυντές ή επιταχυντές πήξης, αερακτικά πρόσθετα κ.α.). Το σκληρυμένο άοπλο σκυρόδεμα, όπως και το οπλισμένο σκυρόδεμα με χαλύβδινες ράβδους ή πλαίσια ανήκει στην κατηγορία των σύνθετων υλικών. Το τσιμέντο αποτελεί το υλικό – μήτρα (matrix), στην οποία είναι διασκορπισμένα τα αδρανή υλικά τα οποία και αποτελούν την 2η φάση, ενώ την 3η φάση αποτελεί ο χάλυβας οπλισμού, ο οποίος βελτιώνει την συμπεριφορά του σκυροδέματος στον εφελκυσμό και στην κάμψη. Οι ιδιότητες του σκυροδέματος εξαρτώνται από τις ιδιότητες των 2 ή 3 αυτών φάσεων, καθώς και από την αναλογία ανάμιξης των υλικών κατ’ όγκον (σύνθεση). Το τσιμέντο και τα αδρανή πρέπει να ικανοποιούν συγκεκριμένες απαιτήσεις των ισχυόντων κανονισμών (Κ.Τ.Σ.-97 για την Ελλάδα). Το νερό πρέπει να μην περιέχει επιβλαβείς ουσίες οι οποίες θα προκαλούσαν προβλήματα στην πήξη και σκλήρυνση, στην ανάπτυξη των μηχανικών αντοχών, στην προστασία του χαλύβδινου οπλισμού από τη διάβρωση ή θα μπορούσαν να επηρεάσουν δυσμενώς άλλες ιδιότητες του σκυροδέματος. Νωπό σκυρόδεμα ονομάζεται το παρασκευασμένο σκυρόδεμα, και για όσο χρονικό διάστημα διατηρεί το εργάσιμο, δηλαδή όσο είναι δυνατόν να μεταφέρεται και να διαστρώνεται. Το τσιμέντο αντιδρά χημικά με το νερό (ενυδάτωση) και δημιουργείται ο τσιμεντοπολτός, ο οποίος αποτελεί τη συνδετική ύλη του σκυροδέματος. Κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου λαμβάνουν χώρα ένα σύνολο διαφόρων χημικών αντιδράσεων που εξελίσσονται με διαφορετική χημική κινητική, καταλήγοντας στην δημιουργία κρυστάλλων ένυδρων μικτών αλάτων. Ο τσιμεντοπολτός αρχίζει να πήζει (στάδιο πήξης), γεμίζει τα κενά μεταξύ των κόκκων των αδρανών και καλύπτει την επιφάνειά τους. Με την πάροδο του χρόνου ο τσιμεντοπολτός γίνεται πιο συμπαγής και συνεκτικός, αποκτά αυξανόμενες μηχανικές αντοχές (στάδιο σκλήρυνσης), οπότε και αρχίζει η στερεοποίηση του σκυροδέματος, η οποία συνεχίζεται στον χρόνο. Εργασιμότητα σκυροδέματος Ως εργασιμότητα ορίζεται η ιδιότητα εκείνη που καθορίζει την προσπάθεια-έργο που απαιτείται για τη μεταφορά, διάστρωση, συμπύκνωση και τελείωμα του σκυροδέματος χωρίς απόμιξη των υλικών (είναι το φαινόμενο της διαφορικής καθ’ ύψος κατανομής, λόγω μεγέθους, των αδρανών στη μάζα του σκυροδέματος όπως φαίνεται στο Σχήμα 1). Η εργασιμότητα εξαρτάται βασικά από την ευκολία ροής, δηλαδή τη ρευστότητα του νωπού σκυροδέματος και τη συνοχή της μάζας ή συνεκτικότητας (την ικανότητα του νωπού σκυροδέματος να συγκρατεί τόσο το νερό όσο και τα αδρανή σε μία ομοιόμορφη μάζα). - 102 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Όπως και η ανθεκτικότητα σε διάρκεια (durability), η εργασιμότητα δεν αποτελεί θεμελιώδη ιδιότητα του σκυροδέματος, αλλά σχετίζεται με τον τύπο της κατασκευής και τις μεθόδους διάστρωσης, συμπύκνωσης και τελειώματος. Για παράδειγμα, σκυρόδεμα που θεωρείται ικανοποιητικής εργασιμότητας για την κατασκευή ενός φράγματος μπορεί να είναι τελείως ακατάλληλο (από άποψη εργασιμότητας) για την κατασκευή υποστυλωμάτων και δοκών. Η σημασία της εργασιμότητας στην τεχνολογία σκυροδέματος είναι τεράστια, καθώς σκυροδέματα που διαστρώνονται ή συμπυκνώνονται δύσκολα συνήθως εμφανίζουν προβληματική ανάπτυξη και τελική τιμή αντοχών και προβληματική ανθεκτικότητα σε διάρκεια. Οι βασικότεροι πειραματικοί έλεγχοι μέτρησης της εργασιμότητας που προβλέπει το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 206-1 είναι οι εξής: - δοκιμή κάθισης (είναι ο πρακτικότερος και πιο συνηθισμένος τρόπος μέτρησης της εργασιμότητας) - δοκιμή Vebe (ιδιαίτερα για αναμίγματα μικρής ρευστότητας) - δοκιμή βαθμού συμπύκνωσης (προσδιορίζει κυρίως την ευκολία συμπύκνωσης του νωπού σκυροδέματος) - δοκιμή μέτρου εξάπλωσης (ιδιαίτερα για σκυροδέματα μεγάλης ρευστότητας). Η εργασιμότητα του σκυροδέματος πρέπει να ελέγχεται πριν τη διάστρωση, μετά την εκφόρτωση συγκεκριμένης ποσότητας του αναμίγματος ή του φορτίου του αυτοκινήτου-μπετονιέρα (το ⅓ σύμφωνα με τον Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος, τα 0.3 m3 σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ 12350-1). Σχήμα 1: Φαινόμενο απόμιξης αδρανών υλικών στο σκυρόδεμα (εντονότερο στη δεξιά φωτογραφία). Αεροπεριεκτικότητα σκυροδέματος Κατά την ανάμιξη των συστατικών του σκυροδέματος είναι αναπόφευκτο το φαινόμενο της παγίδευσης φυσαλίδων αέρα στην μάζα του σκυροδέματος, συνήθως σφαιρικού σχήματος με διάμετρο έως 3 nm. Η % περιεκτικότητα του αέρα στο σκυρόδεμα καλείται αεροπεριεκτικότητα και - 103 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής πέραν ενός ορίου προκαλεί δυσμενείς επιπτώσεις στην αντοχή και στη διαπερατότητα του σκληρυνθέντος σκυροδέματος. Η αεροπεριεκτικότητα μπορεί έμμεσα να αυξηθεί με στόχο τον έλεγχο των φαινομένων αποσάθρωσης λόγω γένεσης εσωτερικών τάσεων σε περιπτώσεις συχνού παγώματος και τήξης (freeze and thawing) του νερού του σκυροδέματος και σε περιπτώσεις επιφανειακής φθοράς του από τη δράση χημικών αντιπγωτικών αλάτων (deicers). Η έμμεση αυτή αύξηση επιτυγχάνεται με την προσθήκη ειδικών βελτιωτικών προσθέτων (αερακτικά πρόσθετα), τα οποία παγιδεύουν φυσαλίδες αέρα στην μάζα του σκυροδέματος, κατάλληλου μεγέθους και σχήματος, συνήθως για την αποφυγή των δυσμενών επιδράσεων της παγοπληξίας, δηλαδή της ρηγμάτωσης του σκληρυνθέντος σκυροδέματος, η οποία είναι συνέπεια της αύξησης κατά 9% του όγκου του νερού που περιέχεται στο σκυρόδεμα λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας κάτω από το σημείο πήξης του νερού. Αυτό επιτυγχάνεται με τη δημιουργία μικρών φυσαλίδων, με διάμετρο όχι μεγαλύτερη από 0,3 mm, μέσα στη μάζα του νωπού σκυροδέματος που εξελίσσονται σε μικροπόρους στο σκληρυμένο σκυρόδεμα, οι οποίοι ανακόπτουν την αναρροφητική δράση των τριχοειδών σωλήνων, παραλαμβάνοντας και απορροφώντας τις δημιουργούμενες τάσεις (Σχήμα 2). Ειδικά στην περίπτωση χρησιμοποίησης αλάτων για την τήξη του πάγου και του χιονιού (αντιπαγωτικά άλατα), η απαιτούμενη ποσότητα θερμότητας λαμβάνεται από την τυχόν υποκείμενη μάζα του σκυροδέματος. Η θερμοκρασία του σκυροδέματος μειώνεται μέχρι τους –20°C και οι συνέπειες είναι οι ίδιες, όπως στην περίπτωση του παγετού. Σχήμα 2: Δράση των φυσαλίδων αέρα μέσα στο σκυρόδεμα. Οι δυσμενείς επιδράσεις από τη χρήση προσθέτων για την αύξηση της περιεκτικότητας σε αέρα είναι η αύξηση της συστολής ξήρανσης και η μείωση της τελικής αντοχής του σκυροδέματος στις περιπτώσεις αυξημένου πορώδους. Γενικώς, για κάθε 1% αύξηση του περιεχόμενου αέρα στο σκυρόδεμα προκαλείται μείωση της θλιπτικής αντοχής του κατά 5% περίπου. Εν τούτοις, η προσθήκη αερακτικών αυξάνει την εργασιμότητα του σκυροδέματος, συμβάλει στη μείωση της τάσης για απόμιξη των αδρανών, μειώνει το φαινόμενο της εξίδρωσης (άνοδος νερού με τσιμέντο και λεπτή άμμο προς την επιφάνεια του σκυροδέματος, bleeding) και επίσης μειώνει τη διαπερατότητά του, συμβάλλοντας με τον τρόπο αυτό στη διατήρηση της ανθεκτικότητάς του στο χρόνο. Γενικά, για σκυρόδεμα με αδρανή μεγίστου κόκκου μέχρι 32 mm η αεροπεριεκτικότητα έχει - 104 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής τιμή περίπου 1-2% ενώ σε σκυρόδεμα με αδρανή μικρότερου μεγίστου κόκκου είναι δυνατόν να φτάσει μέχρι και στην τιμή 6%. Πειραματικό Μέρος Υλικά: Χαλίκι, γαρμπίλι, άμμος, πόσιμο νερό, απιονισμένο νερό. Συσκευές και όργανα: Χυτοσιδηρές μήτρες, κώνος κάθισης, μηχανικός αναμικτήρας σκυροδέματος, πρότυπη ράβδος διαμέτρου Φ16, θερμόμετρο σκυροδέματος, μυστρί, δοχείο αεροπεριεκτικότητας, μηχανικός ζυγός OHAUS, ηλεκτρονικός ζυγός, υγρός θάλαμος, υδροβολέας. Πειραματική Διαδικασία: Αφού έχει προηγηθεί ο σχεδιασμός μελέτης σύνθεσης σκυροδέματος (κατά ACI), ακολουθεί η φάση ελέγχου των απαιτούμενων χαρακτηριστικών της σύνθεσης (κάθιση, αεροπεριεκτικότητα, φαινόμενο βάρος σκυροδέματος, θλιπτική αντοχή, αντλησιμότητα – πλαστιμότητα κλπ). Έχοντας τις αρχικές ποσότητες των συστατικών της σύνθεσης για 1 m3 νωπού σκυροδέματος, με ξηρά κλιβανισμένα αδρανή (ξ.κ.α.), αυτές θα πρέπει να μετατραπούν αναλογικά και αντιπροσωπευτικά σε εργαστηριακό ανάμιγμα, όγκου περίπου 35 ℓ. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: - Έχουν προσδιοριστεί οι υγρασίες των αδρανών, από τις οποίες υπολογίζεται το συνολικό νερό που περιέχει η μάζα (σε kg) των αδρανών της σύνθεσης. Το νερό που εμπεριέχεται στα αδρανή αφαιρείται από το νερό της αρχικής σύνθεσης και οι ποσότητες των αδρανών τροποποιούνται σύμφωνα με την υγρασία (σύνθεση 1 m3 νωπού σκυροδέματος με φυσικά υγρά αδρανή – Φ.Υ.αδρανή). Λαμβάνεται μια ποσότητα χαλικιού (mΧΑΛΙΚΙΟΥ) μετά από διμερισμό, περίπου 25 kg, η οποία θα είναι και ο οδηγός για το σχεδιασμό του εργαστηριακού αναμίγματος με τον εξής τρόπο, συμπληρώνοντας τον παρακάτω πίνακα: Συστατικό Χαλίκι Γαρμπίλι Άμμος Τσιμέντο Νερό Αέρας Μάζα συστατικού σε 1 m3 νωπού συμπυκνωμένου σκυροδέματος με φυσική υγρασία (Φ.Υ.) ΜΧΑΛΙΚΙΟΥ ΜΓΑΡΜΠΙΛΙΟΥ ΜΑΜΜΟΥ ΜΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΜΝΕΡΟΥ ΜΑΕΡΑ Σχέδιο Εργαστηριακού Αναμίγματος με φυσική υγρασία (Φ.Υ.) mΧΑΛΙΚΙΟΥ ;= ;= ;= ;= ;= Με τον ίδιο τρόπο υπολογίζονται οι ποσότητες όλων των συστατικών για το εργαστηριακό ανάμιγμα. - 105 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Οι υπολογισθείσες ποσότητες για κάθε συστατικό του εργαστηριακού αναμίγματος φέρονται εντός του εργαστηριακού αναμικτήρα με την εξής σειρά: χαλίκι, γαρμπίλι, άμμος , τσιμέντο, νερό (στο τέλος), ο χρόνος ξεκινά να μετρά από την προσθήκη της τελευταίας σταγόνας νερού και αναδεύονται. Με την λήξη της ανάδευσης ακολουθούνται οι παρακάτω δοκιμές. Ι. Μέτρηση θερμοκρασίας νωπού σκυροδέματος Εντός του νωπού σκυροδέματος του αναμικτήρα τοποθετείται θερμόμετρο σκυροδέματος και μετράται η θερμοκρασία του. ΙΙ. Δοκιμή κάθισης (slump test) Ο κώνος κάθισης (κώνος Abrams) διαβρέχεται εσωτερικά και αφού τοποθετηθεί σε λεία και επίπεδη επιφάνεια, γεμίζεται έως το ⅓ του ύψους του με σκυρόδεμα που λαμβάνεται με σέσουλα από διάφορες τυχαίες θέσεις εντός του αναμικτήρα. Ακολουθεί συμπύκνωση του σκυροδέματος με 25 χτυπήματα με πρότυπη ράβδο διαμέτρου Φ16. Η ίδια διαδικασία επαναλαμβάνεται και για τις άλλες 2 στρώσεις, ενώ προσοχή πρέπει να επιδεικνύεται κατά τη συμπύκνωση των 2 στρώσεων καθώς η πρότυπη ράβδος δεν πρέπει να εισέρχεται εντός της προηγούμενης στρώσης. Αφού ολοκληρωθεί η συμπύκνωση της 3ης στρώσης, μορφώνεται και επιπεδώνεται η επιφάνεια της κορυφής του κώνου και ο κώνος αφαιρείται αργά και σταθερά εντός χρόνου 5 s μέγιστο. Ο κώνος αναστρέφεται και τοποθετείται δίπλα από το νωπό σωρό σκυροδέματος. Στην επιφάνεια της κορυφής του κώνου κάθισης τοποθετείται η πρότυπη ράβδος Φ16 και μετράται η ελεύθερη απόσταση ανάμεσα σε αυτή και το υψηλότερο σημείο του νωπού σκυροδέματος με ακρίβεια cm. Προσδιορίζεται από τον Κ.Τ.Σ.-97 η κατηγορία κάθισης του σκυροδέματος. ΙΙΙ. Έλεγχος αντλησιμότητας – πλαστιμότητας Το μόρφωμα του νωπού σκυροδέματος που έχει προκύψει από την απομάκρυνση του κώνου κάθισης χτυπάται με την πρότυπη ράβδο διαμέτρου Φ16, με κατεύθυνση από το πλάι προς το κέντρο του κώνου. Αν η ράβδος εισέρχεται στο μόρφωμα και απλώς το παραμορφώνει, τότε το σκυρόδεμα θεωρείται αντλήσιμο και πλάστιμο. Αν πάλι η ράβδος αποκόπτει τεμάχια σκυροδέματος και αδρανών, τότε θεωρείται μη αντλήσιμο. ΙV. Λήψεις δοκιμίων Λαμβάνονται τουλάχιστον 2 δοκίμια με ποσότητες σκυροδέματος που φέρονται εντός χυτοσιδηρών μητρών με την εξής διαδικασία: Η μήτρα γεμίζεται με σκυρόδεμα έως το ½ του ύψους της και αυτό συμπυκνώνεται με 25 χτυπήματα με την πρότυπη ράβδο διαμέτρου Φ16. το ίδιο γίνεται και για το υλικό της 2ης στρώσης. Ακολούθως επιπεδώνεται η επιφάνεια της μήτρας με μυστρί και τοποθετείται ετικέτα με τον κωδικό και τα χαρακτηριστικά του δοκιμίου (ημερομηνία, κατηγορία σκυροδέματος, αύξων αριθμός δείγματος). Τα δοκίμια μετά την λήψη τους παραμένουν για 24±4 ώρες στις μήτρες και στη συνέχεια τοποθετούνται για συντήρηση εντός υγρού θαλάμου, θερμοκρασίας 20°±2°C και σχετικής υγρασίας μεγαλύτερης του 95% για 28 ημέρες. - 106 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής V. Δοκιμή Φαινόμενου Βάρους νωπού σκυροδέματος Ζυγίζεται το δοχείο αεροπεριεκτικότητας και προσδιορίζεται το απόβαρο. Γεμίζεται το δοχείο έως το ⅓ του ύψους του με νωπό σκυρόδεμα και συμπυκνώνεται με 25 ραβδισμούς με την πρότυπη ράβδο διαμέτρου Φ16. Το ίδιο ακολουθεί για τις 2 επόμενες στρώσεις με την μέθοδο που περιγράφηκε παραπάνω. Η επιφάνεια του δοχείου επιπεδώνεται με μυστρί και ζυγίζεται το μικτό βάρος του συστήματος. Προσδιορίζεται το καθαρό βάρος και υπολογίζεται το φαινόμενο βάρος από τη σχέση: καθαρό βάρος νωπού σκυροδέματ ος Φ .Β .ΣΚΥΡΟΜΕΜΑΤ ΟΣ = πραγματικό ς (βαθμονομη μένος) όγκος δοχείου αεροπερ/τα ς VΙ. Δοκιμή αεροπεριεκτικότητας σκυροδέματος Στο δοχείο αεροπεριεκτικότητας, γεμισμένο με νωπό σκυρόδεμα από την προηγούμενη δοκιμή, προσαρτάται η ειδική κεφαλή και συμπληρώνεται με απιονισμένο νερό. Ακολουθεί η μέτρηση της αεροπεριεκτικότητας, με την αλληλουχία χειρισμών, όπως αυτή περιγράφηκε αναλυτικά στην Άσκηση 7. Καταγράφεται η ένδειξη για το % ποσοστό της αεροπεριεκτικότητας στο σκυρόδεμα. VΙΙ. Προσδιορισμός θλιπτικής αντοχής σκυροδέματος Μετά από την συντήρηση των δοκιμίων στον υγρό θάλαμο, θερμοκρασίας 20°±2°C και σχετικής υγρασίας μεγαλύτερης του 95% τα δοκίμια είναι έτοιμα να υποστούν θραύση κατά τη δοκιμή θλίψης. Τα δοκίμια εξέρχονται του υγρού θαλάμου, σκουπίζονται επιφανειακά και ζυγίζονται με ακρίβεια 1 g. Έπειτα μετρώνται με παχύμετρο οι διαστάσεις τους, σε 3 σημεία για κάθε πλευρά, οι οποίες και δεν θα πρέπει να αποκλίνουν περισσότερο από ±3 mm σε σχέση με την ονομαστική διάσταση των 150 mm. Κάθε δοκίμιο φέρεται εντός της διάταξης δοκιμής θλίψης και υπολογίζεται η θλιβόμενη επιφάνεια (από το γινόμενο πλάτος x ύψος ή μήκος x πλάτος), ανάλογα με το πως το δοκίμιο εισήλθε στη διάταξη δοκιμής θλίψης. Απαγορεύεται από τον Κ.Τ.Σ.-97 η τοποθέτηση του δοκιμίου με την κατασκευαστική του επιφάνεια (αυτήν που ίσιωσε το μυστρί) ανάμεσα στις πλάκες θλίψης. Ξεκινά η φόρτιση του δοκιμίου έως ότου η συσκευή καταγράψει το ανώτερο φορτίο πριν τη θραύση (συνήθως δίνεται σε kN). Από το προσδιορισθέν φορτίο θραύσης και το εμβαδόν της θλιβόμενης επιφάνειας, υπολογίζεται η τάση θραύσης σε MPa, ως το πηλίκο των παραπάνω μεγεθών. Προσοχή πρέπει να δοθεί στην ταχύτητα φόρτισης η οποία πρέπει να είναι μεταξύ 0,1 – 1 Ν/mm2·s και στη συνολική διάρκεια της δοκιμής (από την έναρξη εφαρμογής του φορτίου έως τη θραύση) δεν πρέπει να διαρκέσει λιγότερο από 30 s. - 107 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 10η ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΘΛΙΠΤΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο προσδιορισμός των θλιπτικών αντοχών σκυροδέματος, η στατιστική τους επεξεργασία και η αξιολόγηση παραγωγής εργοστασίου σκυροδέματος, σύμφωνα με τα κριτήρια και τις διαδικασίες που απαιτεί ο Ελληνικός Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος 1997 (Κ.Τ.Σ.- 97). Θεωρητικό Μέρος Ι. Λήψη δοκιμίων σκυροδέματος Για την παρασκευή των δοκιμίων σκυροδέματος του έργου, ισχύουν οι διατάξεις του άρθρου 13 του Κανονισμού Τεχνολογίας Σκυροδέματος - 97 (ΦΕΚ 315/Β/17-4-97) και των Προδιαγραφών ΣΚ-303 και ΣΚ-350 του Υπουργείου Δημοσίων Έργων. Τα συμβατικά δοκίμια που προορίζονται για τους ελέγχους συμμορφώσεως θα είναι όλα κυβικά, διαστάσεων, 15 cm x 15 cm x 15 cm., λαμβανόμενα με χυτοσιδηρές μήτρες για ολόκληρο το έργο. Η μήτρα λήψεως των κυβικών δοκιμίων (που χρησιμοποιούνται στην πράξη σχεδόν κατ’ αποκλειστικότητα) πρέπει να είναι από χυτοσίδηρο (μαντέμι) ικανού πάχους, ώστε οι επιφάνειες των εδρών της να παραμένουν επίπεδες και απαραμόρφωτες υπό την πίεση του συμπυκνούμενου σκυροδέματος και την επενέργεια των κακώσεων και του χρόνου. Αυτοσχέδιες μήτρες από χάλυβα, πλαστικό, νοβοπάν, πολυστερίνη ή χαρτόνι, οδηγούν σε εσφαλμένα αποτελέσματα μικρής αντοχής, τόσο μικρότερης όσο πιο παραμορφώσιμο ή παραμορφωμένο είναι το υλικό κατασκευής τους και όσο πιο μεγάλη είναι η ηλικία τους (ακόμα και οι χυτοσιδηρές μήτρες θέλουν αντικατάσταση ή τουλάχιστον επεξεργασία, ύστερα από κάποιο χρόνο, ενδεικτικά ανά τετραετία χρήσεως). Οι προδιαγραφές (ΣΚ-303, § 2.2) ορίζουν ανοχή επιπεδότητας μιας έδρας δοκιμίου, μικρότερης από ένα 1/10 mm για έδρα 15 x 15 x 15 cm (ακριβώς 0.075 mm), ½° (μισή μοίρα) ανοχή γωνίας (παραλληλίας για δύο απέναντι ή καθετότητας για δύο παράπλευρες έδρες) και (κατά την προδιαγραφή ΣΚ-304, § 2) απόκλιση διαστάσεων ± 0.2% (ήτοι 0.3 mm για δοκίμια 15 cm x 15 cm x 15 cm, εκτιμάται ότι πρόκειται για την επιτρεπόμενη διαφορά διαστάσεων των ακμών), που είναι αδύνατο να ικανοποιηθούν από τα μη κατάλληλα υλικά μητρών. Σύμφωνα με την προδιαγραφή ΣΚ303, § 2.1, το μήκος της ακμής του κύβου δεν πρέπει να αποκλίνει της ονομαστικής του τιμής περισσότερο του 3% (που σημαίνει 4.5 mm για δοκίμιο 15 cm x 15 cm x 15 cm), αφού όπως είναι γνωστό διαφορετικών διαστάσεων δοκίμια δίνουν διαφορετικές ενδείξεις αντοχών, που χρειάζονται συντελεστές για να αναχθούν στη συμβατική αντοχή. Ο αριθμός των δοκιμίων που απαιτείται για κάθε διαστρωμένο τμήμα, είναι, ανά ημέρα έξι (6) για ποσότητα σκυροδέματος μέχρι 150 m3, ή δώδεκα (12) για ποσότητα σκυροδέματος μεγαλύτερη των 150 m3. Αριθμός δοκιμίων μικρότερος των έξι (6) ή των δώδεκα (12) αντίστοιχα, δεν επιτρέπει την εφαρμογή των Κριτηρίων Συμμορφώσεως Α και Β αντιστοίχως, που προβλέπει ο Κ.Τ.Σ.-97. Υποδεικνύεται η λήψη και έβδομου ή δέκατου τρίτου δοκιμίου, που θα καλύψει την περίπτωση καταστροφής ή τραυματισμού ή εμφανών ελαττωμάτων ενός από τα υπόλοιπα έξι ή δώδεκα. Στις περιπτώσεις που απαιτείται έλεγχος δοκιμίων και σε ηλικίες μικρότερες των 28 ημερών, τότε θα πρέπει να λαμβάνεται μεγαλύτερος αριθμός δοκιμίων. Από κάθε αυτοκίνητο μεταφοράς (βαρέλα) δεν επιτρέπεται η λήψη περισσοτέρων του ενός δοκιμίων, εκτός εάν το τμήμα που διαστρώνεται απαιτεί λιγότερα από έξι (6) αυτοκίνητα σκυροδέματος. Στην περίπτωση - 108 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής αυτή πρέπει μεταξύ της λήψεως του πρώτου και του δεύτερου δοκιμίου από το ίδιο αυτοκίνητο να έχει διαστρωθεί όγκος σκυροδέματος τουλάχιστον 1m3. Κατ' εξαίρεση, για ημερήσια ποσότητα σκυροδέματος μικρότερη των 20 m3 ισχύουν οι απαιτήσεις του άρθρου 13.3.10 του Κ.Τ.Σ.-97 και εφαρμόζεται το Κριτήριο Συμμορφώσεως Ε (Κ.Τ.Σ.-97, §13.6.5). Συνοπτικά, θα λαμβάνονται τότε τρία δοκίμια από κάθε αυτοκίνητο, από ένα (εάν δεν υπάρχει δεύτερο) ή δύο τυχαία αυτοκίνητα, που καθένα τους θα θεωρείται ότι αποτελεί ξεχωριστή παρτίδα. Το σκυρόδεμα που χρησιμοποιείται για την παρασκευή δοκιμίων δεν πρέπει να ανήκει στο αρχικό 15 – 20% του όγκου του σκυροδέματος του αυτοκινήτου (βαρέλας) που εκφορτώνεται, ούτε στο τελευταίο 15 – 20%. Αν χρησιμοποιηθεί υπερρευστοποιητής, η λήψη του δοκιμίου θα γίνεται μετά την ανάμιξή του. Ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ της λήψεως του σκυροδέματος και της παρασκευής του δοκιμίου, δεν πρέπει να ξεπερνά τα 15 min. Οι μήτρες πριν από τη χρήση τους πρέπει να έχουν λαδωθεί ελαφρά με ορυκτέλαιο. Για κάθιση σκυροδέματος μέχρι 50 mm, η συμπύκνωση γίνεται με δονητή, αμέσως μετά από το πλήρες γέμισμα της μήτρας. Για μεγαλύτερη κάθιση γίνεται με τη ράβδο συμπυκνώσεως Φ16, μήκους 60 cm., με στρογγυλεμένα άκρα, όπου κάθε μήτρα γεμίζεται με σέσουλα (όχι μυστρί, γιατί διαφεύγει το λεπτό υλικό) σε δύο στρώσεις (μισή και μισή κάθε φορά) και κάθε στρώση συμπυκνώνεται ιδιαίτερα με 25 χτυπήματα με την σχετική ράβδο. Κατά τη συμπύκνωση της κατώτερης στρώσης η ράβδος πρέπει να εισχωρεί μέχρι τον πυθμένα της μήτρας. Η συμπύκνωση θα γίνεται αμέσως μετά την τοποθέτηση του σκυροδέματος στη μήτρα και χωρίς διακοπή μεταξύ 1ης και 2ης στρώσης. Μετά τη συμπύκνωση επιπεδώνεται η τελική επιφάνεια και αριθμείται το δοκίμιο. Τα δοκίμια πρέπει να παραμείνουν στη σκιά, μέσα στις μήτρες, χωρίς χτυπήματα, δονήσεις, ξήρανση για τουλάχιστον 20 ώρες και όχι περισσότερο από 32 ώρες. Μετά την αφαίρεση τους από τις μήτρες τα δοκίμια μεταφέρονται το ταχύτερο δυνατόν σε δημόσιο ή αναγνωρισμένο ιδιωτικό εργαστήριο όπου θα θραυστούν (σύμφωνα με την προδιαγραφή ΣΚ-304). Σε περίπτωση που προβλέπεται σημαντική καθυστέρηση παραδόσεως στο εργαστήριο, τα δοκίμια πρέπει να διατηρηθούν συσκευασμένα μέσα σε υγρή άμμο, πριονίδια κ.λπ. για τη διατήρηση της υγρασίας τους. Κρούσεις και δονήσεις κατά τη μεταφορά και αποκλίσεις από τη θερμοκρασία συντηρήσεως (20°C ± 2°C), πρέπει να αποφεύγονται. Στα δοκίμια θα τοποθετείται, αμέσως με την παρασκευή τους, «ένδειξη γνησιότητας» (ταμπέλα) που θα δείχνει τουλάχιστον τον αριθμό του δοκιμίου, την ώρα λήψεως και το αυτοκίνητο προελεύσεως ή τον αριθμό του Δελτίου Αποστολής ή/και την υπογραφή του λήπτη ή του χρήστη ή του επιβλέποντος μηχανικού. Ανάλογη αναγραφή θα πρέπει να γίνεται στο αντίστοιχο Δελτίο Αποστολής, στο οποίο πρέπει επίσης να αναγράφεται το στοιχείο και η θέση διαστρώσεως και κάθε άλλη πληροφορία που θα επιτρέπει την ιχνηλασιμότητα της παρτίδας σκυροδέματος από την οποία προέρχεται το δοκίμιο (ΚΤΣ-97, § 13.3.9). Θα ήταν σκόπιμο, το ίδιο το Δελτίο Αποστολής, να έχει ως τμήμα του ένα είδος «αυτοκόλλητου», που θα μπορεί να ενσωματωθεί στο δοκίμιο, με τρόπο που δεν θα επιτρέπει την αντικατάσταση ή την παραποίηση, και θα έχει επάνω του τα στοιχεία που προαναφέρθηκαν. Συνιστάται η ζύγιση των δοκιμίων για τον προσδιορισμό του πραγματικού ειδικού βάρους του υπόψη σκυροδέματος, με το οποίο θα πραγματοποιηθεί ο υπολογισμός του όγκου της ποσότητας που προσκομίστηκε, από το βάρος του περιεχομένου κάθε αυτοκινήτου - βαρέλας. ΙΙ. Συντήρηση δοκιμίων σκυροδέματος Τα δοκίμια μετά την λήψη τους παραμένουν για 24±4 ώρες στις μήτρες και στη συνέχεια τοποθετούνται για συντήρηση εντός υγρού θαλάμου, θερμοκρασίας 20°±2°C και σχετικής υγρασίας μεγαλύτερης του 90% για 28 ημέρες. - 109 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Η σωστή συντήρηση των δοκιμίων είναι αποφασιστικής σημασίας για τον προσδιορισμό της θλιπτικής αντοχής τους, με ιδιαίτερη σημασία τη συντήρηση των 3 – 4 πρώτων. Είναι προφανές ότι η (συνήθης) καθυστέρηση παράδοσης των δοκιμίων στο εργαστήριο και η παραμονή τους στο εργοτάξιο σε τυχαίες συνθήκες, ακόμη και για 27 ημέρες, μέχρι της θραύσεως, θα οδηγήσει ασφαλώς σε μειωμένες μετρούμενες αντοχές, κατά 5 – 6 MPa για συνήθεις συνθήκες ή και πολύ περισσότερο για ιδιαιτέρως δυσμενείς. Όσο και αν φαίνεται παράξενο, η κακή συντήρηση των δοκιμίων στο εργαστήριο δεν είναι πολύ σπάνια περίπτωση. Τα δοκίμια πρέπει να τοποθετούνται στον υγρό θάλαμο σε κάποια απόσταση μεταξύ τους και να εδράζονται σε βέργες ή σε διάτρητη βάση, ώστε να μπορεί να ενεργήσει πλήρως η υγρασία του 90%, και αυτό προϋποθέτει άνεση χώρου που συχνά δεν διατίθεται. Η υγρασία πρέπει να επιτυγχάνεται με τις κατάλληλες συσκευές, καθώς δεν επαρκεί το σποραδικό κατάβρεγμα ενώ θα πρέπει να ελέγχεται συνεχώς τόσο αυτή όσο και η θερμοκρασία. ΙΙΙ. Δοκιμή θλίψης Τα δοκίμια θα ελεγχθούν σε θλίψη την 28η μέρα από την παρασκευή τους (την ίδια μέρα της εβδομάδας, π.χ. Πέμπτη, ύστερα από 4 εβδομάδες). Προ της δοκιμής θλίψης θα πρέπει να προηγηθεί μακροσκοπικός έλεγχος των δοκιμίων. Αν παρουσιάζονται ελαττώματα, αυτά πρέπει να έχουν αναφερθεί στην αίτηση υποβολής των δοκιμίων και θα πρέπει να αναγραφούν και στο φύλλο ελέγχου. Ρηγματωμένα δοκίμια δεν έχει νόημα να ελεγχθούν, ενώ επιφάνειες διάτρητες από μικρές φυσαλίδες ή μικρές αποτμήσεις γωνιών δεν καθιστούν τα δοκίμια υποχρεωτικώς απορριπτέα, αν και υποδεικνύουν ατελή συμπύκνωση ή άλλες αδυναμίες ως προς την επιπεδότητα κλπ. Θα πρέπει επίσης να προηγηθεί ακριβής μέτρηση των διαστάσεων του δοκιμίου σύμφωνα με την προδιαγραφή ΣΚ-304, § 5, με ακρίβεια 1 mm στο μέσο επίπεδο το κάθετο στον άξονα ενέργειας του φορτίου θραύσης. Είναι μια μέτρηση που συχνά παραλείπεται από τα εργαστήρια ελέγχου δοκιμών. Αν η πραγματική επιφάνεια θραύσεως είναι 14,9 cm x 14,9 cm, αντί για το 15 cm x 15 cm με το οποίο γίνεται η διαίρεση στο φύλλο ελέγχου, το επισήμως χορηγούμενο αποτέλεσμα της διαίρεσης οδηγεί σε μειωμένη τιμή για τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος κατά 1% περίπου. Προ της θραύσεως πρέπει επίσης να γίνει ζύγιση του δοκιμίου με ακρίβεια 0.25% του βάρους του (ήτοι ακρίβεια 20 g περίπου, στα 8 kg περίπου του βάρους του δοκιμίου 15 x 15 x 15 cm), σωστά επιπεδωμένου στην άνω επιφάνεια, η οποία επιτρέπει την εκτίμηση του φαινόμενου βάρους του σκυροδέματος. Οι επιφάνειες των πλακών της πρέσας που έρχονται σε επαφή με τα δοκίμια κατά τη θραύση, πρέπει σύμφωνα με την προδιαγραφή ΣΚ-304, § 4 να έχουν απόκλιση από την επιπεδότητα 0.01 mm ανά 100 mm ακμής ή 0.015 mm για τα 150 mm της ακμής του δοκιμίου, ήτοι πέντε φορές μικρότερη από αυτήν που προαναφέρθηκε ως απαίτηση για τις μήτρες, με ανοχή της απόκλισης μέχρι το διπλάσιο. Σύμφωνα με την προδιαγραφή ΣΚ-304, § 5.1, αν δηλαδή δεν ικανοποιείται η απαίτηση επιπεδότητας των εδρών των δοκιμίων που προαναφέρθηκε, μέσα στα επιτρεπόμενα όρια ανοχής, οι επιφάνειες που πρόκειται να φορτισθούν υφίστανται επεξεργασία (π.χ. καπέλωμα ή λειοτρίβηση), καθώς η φόρτιση των μικρών επιφανειών που προεξέχουν προκαλεί μια συγκέντρωση τάσεων, που επιταχύνει τη θραύση, δίνοντας εσφαλμένο (μικρότερο) αποτέλεσμα αντοχής σε θλίψη για το ελεγχόμενο δοκίμιο. Αντιθέτως, είναι γενικώς ανεκτό και αποδεκτό το (εσφαλμένο) «ξεχείλισμα» της μήτρας στην άνω επιφάνεια της μήτρας κατά την παρασκευή του δοκιμίου, που αυξάνει κατά μερικά mm την αντίστοιχη διατομή και το βάρος κατά μερικά g. Το φορτίο θραύσεως πρέπει να επιβάλλεται χωρίς κρούση, με τρόπο συνεχή και ομοιόμορφο, με ταχύτητα που πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 0.2 - 1.0 MPa/s και πρέπει να προκαλεί ομαλή αύξηση - 110 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής των τάσεων. Η μικρή ταχύτητα επιβάλλεται σε δοκίμια χαμηλής κατηγορίας σκυροδέματος και η μεγάλη ταχύτητα σε δοκίμια υψηλής αντοχής. Η συνολική διάρκεια της δοκιμής δεν επιτρέπεται να είναι μικρότερη από 30 s. Για δοκίμια σκυροδέματος εξαιρετικά χαμηλής αντοχής (μικρότερης των 6.0 MPa, η διάρκεια δοκιμής μπορεί να είναι μικρότερη από 30 s, χωρίς η ταχύτητα φορτίσεως να μπορεί να υπολείπεται των 0.2 MPa/s. IV. Στατιστική επεξεργασία θλιπτικών αντοχών Κύριο ερώτημα Ένα εργοστάσιο σκυροδέματος παράγει τελικώς μια κατηγορία θλιπτικών αντοχών (π.χ. C25/30) και αν ναι με τι αξιοπιστία; Για να απαντηθεί το παραπάνω ερώτημα, θα χρησιμοποιηθούν 6 συμβατικές θλιπτικές αντοχές στην ηλικία των 28 ημερών (28 d), από δοκίμια που ελήφθησαν από 6 διαφορετικές βαρέλες, σε 6 διαδοχικές ημέρες. Έστω οι παρακάτω τιμές για τις συμβατικές θλιπτικές αντοχές στην ηλικία των 28 ημερών των παραπάνω δοκιμίων: x1=38.9 MPa x2=39.3 MPa x3=37.6 MPa x4=33.9 MPa x5=39.7 MPa x6=37.5 MPa Απαιτούμενες μεταβλητές για τον έλεγχο ν 1. Πειραματικός μέσος όρος: xν , όπου xν = * * Στην περίπτωση μας (x ) = 37,82 MPa ∑x i =1 i ν * 6 ν 2. Πειραματική τυπική απόκλιση: Sν*−1 , όπου Sν*−1 = Στην περίπτωση μας (S * 6−1 ) =2,117 MPa ∑ (x i =1 i − xν* ) 2 ν −1 Ο αστερίσκος (*) αναφέρεται σε πειραματικά δεδομένα. Τα παραπάνω δεδομένα χαρακτηρίζονται ως πειραματικά γιατί βασίζονται σε πολύ λίγα στοιχεία. Ερώτημα 1 Αν στο εργοστάσιο ληφθεί άλλη μια εξάδα δοκιμίων τις επόμενες 6 ημέρες, τι τυπική απόκλιση θα εμφανιστεί; Αν ληφθούν άπειρες εξάδες διαφορετικών δοκιμίων (ο όρος άπειρο πρακτικά προσεγγίζεται με περίπου 60 πειραματικά δεδομένα για τον ποιοτικό έλεγχο στη βιομηχανία, με 120 πειραματικά δεδομένα για έργα μηχανικού, και περίπου με 240 πειραματικά δεδομένα στη μαθηματική πρακτική), που θα βρίσκεται ο πειραματικός μέσος όρος xν* σε σχέση πάντα με μια συγκεκριμένη εξάδα; - 111 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Από τον Πίνακα 1 για την κατανομή Student, την οποία και ακολουθούν αυτού του είδους τα πειραματικά δεδομένα, προσδιορίζεται ο συντελεστής t(α/2, ν-1) της σειράς. Για επιθυμητή στάθμη σημαντικότητας 90% (αβεβαιότητα α=10%) και πλήθος πειραματικών δεδομένων ν=6 προκύπτει η τιμή για τον συντελεστή t(5%, 6-1)=2.015. Ερώτημα 2 Πως μπορεί να εκτιμηθεί ο πραγματικός μέσος όρος που έχει παράγει ένα εργοστάσιο σε μια κατηγορία σκυροδέματος; Ο πραγματικός μέσος όρος μ προσδιορίζεται για την κατανομή Student από τη Σχέση 1: μ = xν ± t (a =5%,v −1) ⋅ * Sν*−1 ν (1) Για την παραπάνω σειρά των ληφθέντων πειραματικών μετρήσεων με πλήθος ν=6, ο πειραματικός μέσος όρος είναι ίσος με x 6* = 37.82 MPa, η πειραματική τυπική απόκλιση υπολογίζεται στην τιμή S 5* = 2.117 MPa και άρα ο πραγματικός μέσος όρος μ προσδιορίζεται από τη Σχέση 1 ως 2.117 μ = 37.8 ± 2.015 ⋅ σε MPa, 6 οπότε προκύπτουν οι εξής δύο τιμές για τον μ: μ=39.54 MPa ή μ=36.06 MPa (καλύτερος και χειρότερος μέσος όρος αντίστοιχα). Ερώτημα 3 Αν ληφθούν άπειρες εξάδες δοκιμίων, ποιος θα είναι ο μεγαλύτερος μέσος όρος που θα βρεθεί σε εξάδα; Η καλύτερη (μεγαλύτερη) τιμή του μ που υπολογίστηκε παραπάνω, ήτοι 39.54 MPa. Ερώτημα 4 Mπορεί να βρεθεί τιμή θλιπτικής αντοχής δοκιμίου, μεγαλύτερη των 39.54 MPa; Ναι, με πιθανότητα 5%. Στις άπειρες εξάδες δοκιμίων, η χειρότερη τιμή μέσου όρου είναι η 36.06 MPa. Ερώτημα 5 Υπάρχει περίπτωση να βρεθεί δοκίμιο με τιμή για θλιπτική αντοχή 28 d μικρότερη των 36.06 MPa; Ναι, με πιθανότητα 5%. Οι μέσοι όροι βρίσκονται στο διάστημα εμπιστοσύνης 36.06 MPa < μ < 39.54 MPa για τον πραγματικό μέσο όρο μ, με πιθανότητα 90% (για άπειρες εξάδες). Για τον ποιοτικό έλεγχο της παραγωγής του εργοστασίου ετοίμου σκυροδέματος, στη συνέχεια θα βασιστούμε στον χειρότερο πραγματικό μέσο όρο μ, άρα μ=36.06 MPa. - 112 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πίνακας 1: Δεδομένα της κατανομής Student. Στην 1η στήλη δίνονται οι τιμές της παραμέτρου ν-1 (βαθμοί ελευθερίας – degrees of freedom, d.f.) ενώ οι υπόλοιπες κατακόρυφες στήλες αντιστοιχούν στις τιμές α/2 για την αβεβαιότητα). - 113 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Ερώτημα 6 Ποια είναι η χειρότερη τυπική απόκλιση που μπορεί να επιτευχθεί; Η πραγματική τυπική απόκλιση σ προσδιορίζεται από τη Σχέση 2: σ = Sν*−1 ⋅ ν −1 X (2a =5%,ν −1) (2) όπου X (2a =5%,ν −1) συντελεστής από την κατανομή X 2 , ο οποίος υπολογίζεται από τα δεδομένα του Πίνακα 2. Για την σειρά των παραπάνω πειραματικών μετρήσεων προκύπτει ότι X (2a =5%,6−1) = 1.15 και άρα 6 −1 MPa ⇒ σ = 4.414 MPa, η οποία είναι η χειρότερη τυπική απόκλιση που μπορεί 1.15 να επιτευχθεί (γιατί είναι μεγαλύτερη από την Sν*−1 ). σ = 2.117 ⋅ Στις άπειρες εξάδες υπάρχει ενδεχόμενο να βρεθεί χειρότερη τιμή από την 4.414 MPa, με πιθανότητα 5%. Δεν ενδιαφέρει η καλύτερη τυπική απόκλιση η οποία υπολογίζεται από τη Σχέση 3: σ = Sν*−1 ⋅ ν −1 X (2a =95%,ν −1) (3) από όπου προκύπτει σ=1.42 MPa. Ερώτημα 7 Ποια είναι η καλύτερη τιμή τυπικής απόκλισης με πιθανότητα 5%. στις άπειρες εξάδες; Σύμφωνα με τα παραπάνω, σ=1.42 MPa. Ένα εργοστάσιο για τον καλύτερο έλεγχο της παραγωγής του, κρατά την μεγαλύτερη πραγματική τυπική απόκλιση σ και χρειάζεται τις τιμές των μ και σ. Η παραγωγή του εργοστασίου κρίνεται με βάση το χειρότερο σενάριο, άρα με τον πραγματικό μέσο όρο μ και την πραγματική τυπική απόκλιση σ. Πιο ελαστικός έλεγχος για το εργοστάσιο γίνεται με τον πειραματικό μέσο όρο xν* και την πραγματική τυπική απόκλιση σ. Ποτέ δεν χρησιμοποιείται η πειραματική τυπική απόκλιση Sν*−1 . Η χειρότερη μεμονωμένη τιμή στην εξάδα των παραπάνω δεδομένων είναι η 33.9 MPa. - 114 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πίνακας 2: Δεδομένα της κατανομής Χ2. Στην 1η στήλη δίνονται οι τιμές της παραμέτρου ν-1 (βαθμοί ελευθερίας – degrees of freedom, d.f.) ενώ οι υπόλοιπες κατακόρυφες στήλες αντιστοιχούν στις τιμές για την αβεβαιότητα α). Ερώτημα 8 Στις άπειρες εξάδες ποια θα είναι η καλύτερη/χειρότερη μεμονωμένη τιμή; Η καλύτερη/χειρότερη μεμονωμένη τιμή προκύπτει από τη Σχέση 4: xi = xν* ± t (a =5%,v −1) ⋅ Sν*−1 - 115 - (4) ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Για την παραπάνω σειρά δειγμάτων 6 τιμών αντοχής σε θλίψη, η Σχέση 4 για x 6* = 37.82 MPa, πειραματική τυπική απόκλιση S 5* = 2.117 MPa και t(5%, 6-1)=2.015 γράφεται xi = 37.82 ± 2.015 ⋅ 2.117 σε MPa, από όπου προκύπτει αντίστοιχα η καλύτερη μεμονωμένη τιμή με πιθανότητα 90% ίση με xi=42.07 MPa και η χειρότερη μεμονωμένη τιμή με πιθανότητα 90% ίση με xi=33.53 MPa. Ερώτημα 9 Το εργοστάσιο παράγει σκυρόδεμα κατηγορίας αντοχών C25/30 (ναι ή όχι και γιατί); Για να παράγει ένα εργοστάσιο σκυρόδεμα κατηγορίας CA/B, πρέπει να παρουσιάζει ποσοστό αντοχών με τιμή αντοχής μικρότερη από fck (δηλαδή Β για κυβικό δοκίμιο) σε ποσοστό από 0 εώς και 5%. Πως υπολογίζεται το ποσοστό αυτό των αντοχών; Αν ληφθούν αυτές οι άπειρες (πραγματικές) αντοχές εκ του εργοστασίου ( ≅ 60 δείγματα καθημερινής παραγωγής) και απεικονιστούν σε συνάρτηση με την συχνότητα εμφάνισής τους, θα προκύψει η μορφή καμπύλης κανονικής κατανομής του Σχήματος 1. Σημεία αλλαγής κοίλων Πραγματικός μέσος όρος Το 50% των πραγματικών αντοχών θα βρίσκονται αριστερά του μ και το άλλο 50% δεξιά του Σχήμα 1: Χαρακτηριστικά κανονικής κατανομής. Παράδειγμα: Έστω μ=30 MPa και σ=3 MPa (Σχήμα 2). - 116 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Σχήμα 2: Παράδειγμα υπολογισμού και βασικά μεγέθη της κανονικής κατανομής. Όλες οι άπειρες αντοχές είναι το 100% των αντοχών του εργοστασίου (Όλον = 1). Μεταξύ δύο ίσων αποστάσεων από τον πραγματικό μέσο όρο μ, υπάρχουν αντοχές ίσες με το εμβαδόν Α που περικλείεται από την καμπύλη της κατανομής και τον άξονα των x. Ότι δεν περικλείεται είναι το 1-Α (δηλαδή τι είναι εκτός). Επιπρόσθετα Ερωτήματα Πόσες αντοχές βρίσκονται κάτω από την τιμή μ-1·σ; 1− Α . Η απάντηση είναι ποσοστό ίσο με 2 Πόσες αντοχές βρίσκονται μεταξύ των τιμών μ-2·σ και μ+2·σ; Η απάντηση είναι ποσοστό ίσο με Α. Πόσες αντοχές βρίσκονται εκτός των τιμών μ-2·σ και μ+2·σ; Η απάντηση είναι ποσοστό ίσο με 1-Α. Πόσες αντοχές βρίσκονται κάτω από την τιμή μ-2·σ; 1− Α Η απάντηση είναι ποσοστό ίσο με . 2 Ομοίως προσδιορίζονται πόσες αντοχές βρίσκονται κάτω από την τιμή μ-3·σ. Τα ποσοστά αυτά είναι πάντα δεδομένα για αυτές τις αποστάσεις από τον πραγματικό μέσο όρο μ. Από τον Πίνακα 3 για την κανονική κατανομή, προκύπτει ότι για το διάστημα μ ± 1·σ είναι 1− A ⎛ 1− A ⎞ Α=68.27%, 1-Α=31.37% και = 15.86% , άρα κάτω από μ-1·σ θα υπάρχουν 18.56% ⎜ = ⎟ 2 ⎠ 2 ⎝ αντοχές. - 117 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πίνακας 3: Δεδομένα για την κανονική κατανομή. 1− A =2.27%. Εάν ενδιαφέρει 2 ποιο ποσοστό αντοχών υπάρχει κάτω από την τιμή μ-2·σ, η απάντηση είναι πάντοτε 2.27%. 1− A Στο διάστημα μ ± 3·σ αντίστοιχα θα είναι Α=99.73%, 1-Α=0.27%, =0.14%, δηλαδή πάντα θα 2 υπάρχουν 0.14% υποαντοχές κάτω από την τιμή μ-3·σ. Στο διάστημα μ ± 2·σ αντίστοιχα θα είναι Α=95.45%, 1-Α=4.55%, Στο εργοστάσιο ενδιαφέρουν πάντα οι χειρότερες τιμές, γι αυτό πάντα εστιάζουμε στην (χειρότερη) τιμή μ-θ·σ (και όχι στην μ+θ·σ). - 118 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Έτσι για το παραπάνω δείγμα των 6 αντοχών σε θλίψη ισάριθμων δοκιμίων, όπου υπολογίστηκαν οι τιμές μ=36.06 MPa και σ=4.414 MPa (Σχήμα 3). 15.86% 2.27% 0.13% 22.83 MPa 27.24 31.65 MPa MPa 36.06 MPa Σχήμα 3: Χαρακτηριστικά της κανονικής κατανομής για τις τιμές θλιπτικών αντοχών των 6 δοκιμίων του παραδείγματος. Στο ερώτημα: πόσες τιμές αντοχών έχει το εργοστάσιο με τιμή μικρότερη συμπεραίνεται ότι το ποσοστό αυτό είναι το 50 % (ο πραγματικός μέσος όρος μ). Στο ερώτημα: πόσες τιμές αντοχών έχει το εργοστάσιο με τιμή μικρότερη συμπεραίνεται ότι το ποσοστό αυτό είναι το 15.8 %. Στο ερώτημα: πόσες τιμές αντοχών έχει το εργοστάσιο με τιμή μικρότερη συμπεραίνεται ότι το ποσοστό αυτό είναι το 2.27 %. Στο ερώτημα: πόσες τιμές αντοχών έχει το εργοστάσιο με τιμή μικρότερη συμπεραίνεται ότι το ποσοστό αυτό είναι το 0.13 %. των 36.06 MPa;, των 31.65 MPa;, των 27.24 MPa;, των 22.83 MPa;, Η τιμή αντοχής 30 MPa είναι μεταξύ μ-2·σ και μ-1·σ άρα δεν είναι δυνατόν να απαντηθεί πόσο % ποσοστό αντοχών βρίσκεται κάτω των 30 MPa. Για να απαντηθεί αυτό το ερώτημα θα πρέπει να υπολογιστεί πόσες τυπικές αποκλίσεις απέχει η τιμή αντοχής 30 MPa από τον πραγματικό μέσο όρο μ. Για να υπολογιστεί για οποιαδήποτε αντοχή ζητηθεί, πόσες τυπικές αποκλίσεις αυτή απέχει από τον πραγματικό μέσο όρο μ, χρησιμοποιείται η Σχέση 5: z= xi − μ σ (5) όπου xi: οποιαδήποτε επιθυμητή τιμή. Άγνωστος εδώ είναι ο συντελεστής z, ο οποίος παριστάνει πόσες πραγματικές τυπικές αποκλίσεις σ απέχει η fck από την πραγματική μέση τιμή μ). - 119 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Επιλύοντας την Σχέση 5 ως προς z, προκύπτει ότι z = 30 − 36.06 ⇒ z = −1.374 . 4.41 Όμως πρέπει να ληφθεί υπόψη το χειρότερο σενάριο, δηλαδή μ-1.374·σ=30 MPa. Άρα θα πρέπει να αναζητηθούν από τον Πίνακα 3 της κατανομής οι τιμές των παραμέτρων Α, 1-Α 1− A για απόσταση ±1.374·σ από τον μ (δηλαδή για μ±1.374·σ). και 2 Όμως για το διάστημα μ±1.374·σ δεν υπάρχουν δεδομένα στον Πίνακα 3, οπότε με γραμμική παρεμβολή για την παράμετρο 1-Α, μεταξύ των διαστημάτων μ±1.35·σ (1-Α=0,177) και μ±1.40·σ (1-Α=0,1665), όπου υπάρχουν δεδομένα, προκύπτει ότι για το ζητούμενο διάστημα μ±1.374·σ είναι 1− A 1-Α=0.1719, άρα = 0.0859 ≅ 8.6% . 2 Εφόσον κάτω από 30 MPa βρίσκονται 8.6% υποαντοχές και όχι 5% το εργοστάσιο δεν παράγει σκυρόδεμα κατηγορίας αντοχών C25/30. Ερώτημα 10 Ποια είναι η χαρακτηριστική τιμή αντοχής fck που παράγει το εργοστάσιο (εφόσον προέκυψε ότι για το εργοστάσιο αυτή η τιμή δεν είναι τα 30 MPa, αφού το ποσοστό των αντοχών που μπορούν να μετρηθούν και να είναι μικρότερες της τιμής αυτής υπερβαίνει το 5%); Ποια αντοχή απέχει περισσότερο από το μ τόσο ώστε κάτω από το μ να είναι το 5% των αντοχών; Για την απάντηση των ερωτημάτων, χρησιμοποιείται και πάλι η Σχέση 5, όπου όμως τα z και xi είναι άγνωστα. 1− A Ποια είναι η υποαντοχή που έχει ποσοστό ακριβώς 5% (δηλαδή =5% ακριβώς); 2 1− A Τότε = 5% ⇒ 1 − A = 10% ⇒ A = 90% άρα από τον Πίνακα 3, για ποια τιμή μ ± θ·σ θα είναι 2 και Α=90% ακριβώς; Έτσι προσδιορίζεται ο συντελεστής z και μένει να προσδιοριστεί μόνον η άγνωστη τιμή xi. Στον Πίνακα 3 υπάρχουν δεδομένα για Α=90.11%. Όμως στο μικρότερο κάτω τμήμα του Πίνακα 3, υπάρχει η τιμή για Α=90% ακριβώς, όπου εκεί είναι μ ± 1.645·σ. xi − μ Άρα τότε z=1.645 οπότε = 1.645 ⇒ xi = μ − 1.645 ⋅ σ ⇒ xi = (36.06 − 1.645 ⋅ 4.414) MPa σ ⇒ xi = 28.80 MPa. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να σημειωθεί ότι χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό η σχέση xi = μ − 1.645 ⋅ σ (και όχι αυτή με xi = μ + 1.645 ⋅ σ από όπου θα κατέληγε, λανθασμένα, σε τιμή xi ≅ 43.32 MPa). Κάτω από την τιμή αντοχής 28.80 ΜPa (δηλαδή στη θέση μ-1.645·σ), οι υποαντοχές είναι 5% (χαρακτηριστική τιμή υποαντοχής του εργοστασίου). Ο συντελεστής 1.645 υπάρχει στην μελέτη σύνθεσης κατά ACI όπου η απαιτούμενη αντοχή fa προσδιορίζεται από τη Σχέση 6: - 120 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής fa=fck+1.645·S (6) Με αυτόν τον τρόπο σχεδιάζεται από το εργοστάσιο ένα οριακό σκυρόδεμα. Τα εργοστάσια με υψηλά standards ποιότητας δεν σχεδιάζουν οριακά, αλλά βάση της Σχέσης 7, fa=fck+2.00·S (7) δηλαδή για z=2.00, τιμή η οποία αντιστοιχεί πάντα σε ποσοστό 2.27% υποαντοχών, για μεγαλύτερη ασφάλεια. Αποδείχτηκε τελικά ότι αν και η χαμηλότερη τιμή θλιπτικών αντοχών που μετρήθηκε στα 6 δοκίμια που ελήφθησαν ήταν 33.9 MPa, εντούτοις το εργοστάσιο δεν παράγει σκυρόδεμα κατηγορίας αντοχών C25/30 (Σχήμα 4). Ερώτημα 11 Πως το εργοστάσιο θα αυξήσει την χαρακτηριστική τιμή υποαντοχής από 28.80 MPa σε 30 MPa; Μια πιθανή απάντηση είναι με αλλαγή στη σύνθεση του σκυροδέματος (π.χ. προσθήκη περισσότερου τσιμέντου). Ερώτημα 12 Πόσο % ποσοστό υποαντοχών θα παρουσιάζει το εργοστάσιο αυτό, κάτω από την τιμή αντοχής fck-2 MPa (=28 MPa) και fck-3 MPa (=27 MPa); Εδώ οι παράμετροι μ, σ είναι γνωστές και άγνωστος είναι ο συντελεστής z, οπότε με z = υπολογίζεται η τιμή του 1− A και προκύπτουν 2 απαντήσεις. 2 xi − μ σ Αναλυτικότερα: i) για fck-2 MPa(=28 MPa) θα είναι z = 28 − 36.06 ⇒ z = −1.826 ⇒ z ≅ −1.83 4.414 ii) για fck-3 MPa(=27 MPa) ομοίως προκύπτει ότι z = −2.053 ⇒ z ≅ −2.05 άρα για μ-1.83·σ και μ-2.05·σ θα εμφανίζονται υποαντοχές που υπολογίζονται αντίστοιχα από τα δεδομένα του Πίνακα 3: Για μ ± 1.85 ⋅ σ είναι αντίστοιχα 1 − A = 6.43% , για μ ± 1.80 ⋅ σ είναι αντίστοιχα 1 − A = 7.19% και για μ ± 2.05 ⋅ σ αντίστοιχα 1 − A = 4.04% . 1− A 1− A Άρα για μ ± 1.83 ⋅ σ προκύπτει ότι ≅ 3.405% και για μ ± 2.05 ⋅ σ είναι ≅ 2.02% . 2 2 - 121 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής μ-1.645·σ 28.80 MPa ενώ εδώ έπρεπε να παρουσιάζει την τιμή 30 MPa Σχήμα 4: Χαρακτηριστικά της κανονικής κατανομής για τις τιμές θλιπτικών αντοχών των 6 δοκιμίων του παραδείγματος. - 122 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 11η ΕΥΡΕΣΗ ΑΡΓΙΛΙΚΩΝ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΣΤΗΝ ΑΜΜΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο προσδιορισμός του ποσοστού της αργίλου στην άμμο σκυροδέματος για τον έλεγχο της καταλληλότητάς της για την παραγωγή σκυροδέματος. Θεωρητικό Μέρος Με τον όρο άργιλος χαρακτηρίζεται το λεπτόκοκκο υλικό, που αποτελείται από κόκκους με μέσο μέγεθος μικρότερο των 5 μm. Τα αργιλικά σωματίδια είναι λεπτά και πλακόμορφα, αποτελούνται από διστρωματικούς ή τριστρωματικούς φυλλοειδείς σχηματισμούς πυριτικών τετραέδρων και αργιλικών οκταέδρων και έχουν τη μορφή πεταλίων πολύ μικρών διαστάσεων. Η κρυσταλλική δομή των σωματιδίων και η υπεροχή του αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου στις δύο βασικές μονάδες από τις οποίες αποτελούνται, την πυριτική και την αργιλική, έχουν ως αποτέλεσμα η ελεύθερη επιφάνεια των σωματιδίων να είναι φορτισμένη αρνητικά. Όταν η άργιλος έρχεται σε επαφή με νερό, τον χώρο μεταξύ των αργιλικών σωματιδίων, καταλαμβάνουν τα μόρια του νερού, τα οποία και συμπεριφέρονται ως δίπολα με αρνητικό πόλο το άτομο του οξυγόνου και θετικό τα δύο άτομα του υδρογόνου. Η ταυτόχρονη παρουσία των αρνητικά φορτισμένων αργιλικών σωματιδίων και των δίπολων του νερού έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη ηλεκτρικών διαμοριακών δυνάμεων, στην διεπιφάνεια και το περιβάλλον των σωματιδίων, οι οποίες έλκουν και συγκρατούν τα δίπολα του νερού, σχηματίζοντας γύρω από τα σωματίδια μικρού εύρους στοιβάδα. Έτσι εξηγείται το γεγονός ότι η άργιλος έχει την ιδιότητα να προσροφά νερό. Όπως προαναφέρθηκε τα αργιλικά σωματίδια είναι πολυστρωματικοί σχηματισμοί. Η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων και η παρουσία ελεύθερων κατιόντων στον ενδοστρωματικό χώρο, είναι οι κύριες αιτίες της διόγκωσης ή μη της αργίλου. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά διαφέρουν από το ένα αργιλικό ορυκτό στο άλλο. Η παρουσία ελεύθερων κατιόντων έχει ως αποτέλεσμα την απορρόφηση δίπολων νερού στον μεταξύ των στρωμάτων χώρο, ώστε να επιτευχθεί χημική ισορροπία. Όταν οι αποστάσεις των στρωμάτων είναι μικρές, οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους (δυνάμεις Van der Waals) είναι πολύ ισχυρές και υπερισχύουν της απορρόφησης του νερού, οπότε και δεν υφίσταται διόγκωση. Στην αντίθετη περίπτωση, όταν δηλαδή οι αποστάσεις είναι μεγάλες, οι ενδοστρωματικοί δεσμοί είναι ασθενείς, και η απορρόφηση του νερού συνεχίζεται στον ενδοστρωματικό χώρο, έως ότου αυτοί καταργηθούν. Τότε επέρχεται διαχωρισμός των κόκκων της αργίλου, γίνεται ανακατανομή αυτών στο χώρο και παρατηρείται το φαινόμενο της διόγκωσης. Το μέγεθος του φαινομένου εξαρτάται και από άλλους παράγοντες (π.χ. πυκνότητα του επιφανειακού φορτίου, σθένος των κατιόντων, συγκέντρωση ηλεκτρολυτών, διηλεκτρική σταθερά κλπ), οι οποίοι δρουν μεμονωμένα ή και συνδυαστικά μεταξύ τους, ενισχύοντας ή αποδυναμώνοντας τους κύριους μηχανισμούς που προαναφέρθηκαν. Μια από τις βασικές παραμέτρους για την άρτια παραγωγή σκυροδέματος είναι η καταλληλότητα των αδρανών υλικών που επιλέγονται να χρησιμοποιηθούν ως προς την καθαρότητα τους από αργιλικές προσμίξεις. Το γενικότερο ενδιαφέρον για τις αργιλικές προσμίξεις των αδρανών υλικών, κυρίως της άμμου, έγκειται στο γεγονός ότι ορισμένα από αυτά περιέχουν αργιλικά ορυκτά τα οποία έχουν την τάση να προσροφούν νερό (υγροσκοπικότητα της αργίλου) και να διογκώνονται, με αποτέλεσμα να προκαλούνται ρηγματώσεις στο σκυρόδεμα. Η ιδιότητα αυτή, γνωστή ως δραστικότητα, τα καθιστά ακατάλληλα για χρήση τους στην παραγωγή σκυροδέματος καθώς - 123 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής αυξάνουν την απαίτηση σε νερό του σκυροδέματος, και προκαλούν προβλήματα στην πρόσφυση και συνάφεια μεταξύ των κόκκων των αδρανών και του τσιμεντοπολτού και κατ’ επέκταση στην ανάπτυξη των μηχανικών αντοχών του σκυροδέματος, παρά το γεγονός ότι μικρή ποσότητα αργίλου βελτιώνει το εργάσιμο του νωπού σκυροδέματος. Το ζήτημα της καθαρότητας των αδρανών υλικών λοιπόν, ανάγεται όχι μόνο στον προσδιορισμό της παρουσίας αργιλικών προσμίξεων αλλά και της ικανότητας αυτών για διόγκωση ή όχι. Για τον προσδιορισμό της παρουσίας αργιλικών προσμίξεων σε αδρανή σκυροδέματος και αδρανή οδοποιΐας, χρησιμοποιείται η δοκιμή του ισοδυνάμου άμμου, ενώ για την εξακρίβωση της δραστικότητας αυτών η δοκιμή του κυανού (μπλε) του μεθυλενίου. Ισοδύναμο Άμμου Ο έλεγχος εκτελείται με σκοπό το γρήγορο καθορισμό της σχετικής αναλογίας της λεπτότατης σκόνης αργιλώδους μορφής και της άμμου στα αδρανή που προορίζονται για την παραγωγή σκυροδέματος, όπως επίσης και στα αδρανή υλικά για την κατασκευή οδοστρωμάτων στην οδοποιΐα όπως για υποβάσεις, βάσεις και ασφαλτομίγματα, καθώς και στα χαλικομιγή ή αμμώδη εδάφη. Η ύπαρξη χαμηλού ποσοστού ισοδυνάμου άμμου χαρακτηρίζει τα αδρανή ως μη καθαρά και αποτελεί μια ένδειξη, μόνο, της ύπαρξης ποσότητας επιβλαβών προσμίξεων πολύ λεπτών κόκκων αργίλου. Κυανό (μπλε) του μεθυλενίου Η δοκιμή του κυανού (μπλε) του μεθυλενίου χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ενεργών αργιλικών ορυκτών στα αδρανή. Τα ενεργά αργιλικά ορυκτά, σε αντίθεση με τα μη ενεργά, έχουν την τάση να διογκώνονται ανάλογα με την περιεκτικότητα τους σε νερό. Η διόγκωση αυτή έχει καταστροφικές συνέπειες τόσο για το σκυρόδεμα, όσο και στην περίπτωση των ασφαλτομιγμάτων κατά την κατασκευή εύκαμπτων οδοστρωμάτων και στις ασύνδετες στρώσεις των οδοστρωμάτων. Ο έλεγχος βασίζεται στην αρχή της προσρόφησης, επί της ενεργής επιφάνειας των αργιλικών ορυκτών, των μορίων του δείκτη κυανό του μεθυλενίου. Κατά τη δοκιμή μετράται η ποσότητα του κυανού του μεθυλενίου για τη μοριακή επικάλυψη όλων των αργιλικών συστατικών των αδρανών. Πειραματικό Μέρος Υλικά: Άμμος, δείκτης κυανό (μπλε) του μεθυλενίου, απιονισμένο νερό. Συσκευές και όργανα: - Ισοδύναμο Άμμου: βαθμονομημένος ογκομετρικός κύλινδρος με πώμα από καουτσούκ, ειδικός αρδευτικός σωλήνας, υδροβολέας, χρονόμετρο, στήριγμα, διμεριστική μηχανή. - Κυανό του Μεθυλενίου: δοχείο, προχοϊδα, αναδευτήρας (μίξερ), διμεριστική μηχανή. Προδιαγραφές: - Ισοδύναμο Άμμου : ASTM – D241 9, AASHTO – T176 - Κυανό του Μεθυλενίου : ΕΝ – 933/9. - 124 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πειραματική Διαδικασία: Ι. Ισοδύναμο Άμμου Στον ειδικά βαθμονομημένο ογκομετρικό κύλινδρο (βαθμονόμηση ανά ″) φέρεται αρχικά το διάλυμα εργασίας και απιονισμένο νερό μέχρι την ένδειξη 4″ και ακολούθως 100-120 g ξηρής άμμου που διέρχεται από το κόσκινο Νο4. Ο βαθμονομημένος ογκομετρικός κύλινδρος κρούεται ηπίως και επανειλημμένα στη βάση του για την απομάκρυνση φυσαλίδων αέρα και αφήνεται σε ηρεμία για 10 min. Μετά το πέρας των 10 min κλείνεται με πώμα από καουτσούκ και πραγματοποιούνται 90 κύκλοι ανάδευσης σε περίοδο 30 δευτερολέπτων. Στην συνέχεια εισάγεται ειδικός αρδευτικός σωλήνας στον πυθμένα του κυλίνδρου και ξεπλένεται η άμμος με προσθήκη απιονισμένου νερού, μέχρι την ένδειξη 15″. Το σύστημα αφήνεται σε ηρεμία για 20 min ώστε να δημιουργηθεί με καθίζηση ένα λεπτό θολό στρώμα αιωρήματος αργίλου σε κολλοειδή διασπορά πάνω από τη στοιβάδα των κόκκων της καθαρής άμμου. Τότε μετράται το ύψος Η της στοιβάδας της άμμου μέσα στον ογκομετρικό κύλινδρο. Στη συνέχεια, με την βοήθεια ειδικού εξαρτήματος («ποδιού») το οποίο εισάγεται στον κύλινδρο και το οποίο αφήνεται να βυθιστεί ηπίως με το ίδιο του το βάρος και να σταματήσει στο καθαρό μέρος της άμμου, μετράται το ύψος h της στοιβάδας του θολού αιωρήματος της αργίλου. Η δοκιμή πραγματοποιείται εις διπλούν, δηλαδή σε δύο δείγματα άμμου σε δύο βαθμονομημένους ογκομετρικούς κυλίνδρους. ΙΙ. Κυανό (μπλε) του Μεθυλενίου Για τον έλεγχο απαιτούνται τουλάχιστον 200 g ξηρής άμμου που διέρχεται από το κόσκινο Νο4. Σε ογκομετρικό δοχείο προστίθενται αρχικά 500 g απιονισμένου νερού και ακολούθως το δείγμα της άμμου μάζας 200-210 g και το σύστημα αναδεύεται για 5 min στον αναδευτήρα (μίξερ) με ταχύτητα ανάδευσης 600 στροφές/min. Ακολουθεί προσθήκη 5 ml χρωστικού διαλύματος του δείκτη κυανού του μεθυλενίου και ανάδευση του συστήματος για 2 min με μειωμένη ταχύτητα στην τιμή των 400 στροφών/min. Στη συνέχεια εκτελείται η δοκιμή «κηλίδας». Η δοκιμή συνίσταται στο σχηματισμό μιας κηλίδας, που προκαλείται από μια σταγόνα που λαμβάνεται από το διάλυμα της άμμου. Η σταγόνα αφήνεται να προσροφηθεί σε διηθητικό χαρτί, που αποτελείται από μία κεντρικά αποτιθέμενη ουσία με γενικά στερεό μπλε χρώμα, η οποία περιβάλλεται από μία άχρωμη ζώνη. Η δοκιμή θεωρείται θετική όταν σχηματιστεί, περιφερειακά της κεντρικής απόθεσης, μία στεφάνη από ένα συνεχή δακτύλιο χρώματος ανοιχτού μπλε, πάχους περίπου 1 mm. Εάν μετά την προσθήκη της αρχικής ποσότητας των 5 ml χρωστικού διαλύματος δεν εμφανιστεί η στεφάνη, προστίθενται επιπλέον 5 ml χρωστικού διαλύματος, πραγματοποιείται ανάδευση για 2 min και εκτελείται δεύτερη δοκιμή κηλίδας. Εάν εξακολουθεί να μην εμφανίζεται η στεφάνη, η διαδικασία επαναλαμβάνεται κατά τον ίδιο ακριβώς τρόπο έως ότου αυτή εμφανιστεί. Η στεφάνη πρέπει να παραμείνει ορατή και αναλλοίωτη για 5 min, ώστε να θεωρηθεί ότι η δοκιμή περατώθηκε. Αν εξαφανιστεί πριν τα 4 min, προστίθενται επιπλέον 5 ml χρωστικού διαλύματος. Αν εξαφανιστεί κατά τη διάρκεια του 5ου λεπτού, προστίθενται μόνο 2 ml χρωστικού διαλύματος. Μετά το πέρας της δοκιμής, καταγράφεται ο συνολικός όγκος VB του χρωστικού διαλύματος που προστέθηκε για να δημιουργηθεί η στεφάνη, η οποία διατηρείται για 5 min, με ακρίβεια 1 ml. Υπολογισμοί – Επεξεργασία Μετρήσεων: Ι. Ισοδύναμο Άμμου - 125 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Από την μέτρηση του ύψους H της στοιβάδας της καθαρής άμμου και του ύψους h της στοιβάδας του αιωρήματος της αργίλου, υπολογίζεται ο δείκτης ισοδυνάμου άμμου Ι.Α. (στρογγυλοποίηση στον πλησιέστερο ακέραιο αριθμό), ως μέση τιμή 2 μετρήσεων, από τη σχέση I .A. = h ·100% H Όταν Ι.Α.≥65 η άμμος κρίνεται κατάλληλη για συνήθεις κατασκευές, ενώ για έργα απαιτήσεων θα πρέπει Ι.Α.≥70 και Ι.Α.≥75 για έργα πολύ υψηλών απαιτήσεων. Τα αποτελέσματα των δύο δοκιμών πρέπει να διαφέρουν μεταξύ τους το πολύ ±3 μονάδες Ι.Α.. Σε περίπτωση αποτελεσμάτων με διαφορά μεγαλύτερη από την επιτρεπόμενη, πραγματοποιείται έλεγχος και σε 3ο δείγμα άμμου και υπολογισμού της τελικής μέσης τιμής του δείκτη Ι.Α. χρησιμοποιείται η τελευταία τιμή με ένα εκ των δύο πρώτων αποτελεσμάτων που αυτό θα πρέπει να βρίσκεται εντός της επιτρεπόμενης διαφοράς. ΙΙ. Κυανό (μπλε) του Μεθυλενίου Υπολογίζεται η τιμή του δείκτη κυανού του μεθυλενίου, Μ.Β. (Methylene Blue), σε g χρωστικής ουσίας ανά kg αδρανούς υλικού (M.Β. πάντα μικρότερος της μονάδας) από τη σχέση M .B . = VB ·10 m (σε g/kg) όπου m: η μάζα του δείγματος της άμμου, VB: ο όγκος (σε ml) του δείκτη κυανού του μεθυλενίου που καταναλώθηκε. Σε κάθε περίπτωση η τιμή του δείκτη κυανού του μεθυλενίου, Μ.Β., καταγράφεται με ακρίβεια 0.10 g χρωστικής ουσίας ανά kg του κλάσματος αδρανούς υλικού. - 126 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΑΣΚΗΣΗ 12η ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΕΛΕΥΘΕΡΑΣ ΑΣΒΕΣΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ / ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο προσδιορισμός του ποσοστού της ελευθέρας ασβέστου (fCaO) σε κλίνκερ ή τσιμέντο Portland, για τον έλεγχο, αφενός μεν της διεργασίας έψησης του μίγματος πρώτων υλών, αφετέρου δε της καταλληλότητας του παραγομένου κλίνκερ και τσιμέντου. Θεωρητικό Μέρος 1. Τσιμέντο Portland Το τσιμέντo Portland και οι διάφοροι τύποι του αποτελούν υδραυλικές κονίες, δηλαδή κονίες που σχηματίζουν κάτω από την επίδραση νερού σταθερές ένυδρες ενώσεις, ελάχιστα υδατοδιαλυτές με μεγάλη μεταξύ τους συνάφεια. Οι ενώσεις αυτές με την πάροδο του χρόνου αυξάνουν τη συνοχή των πολτών και των κονιαμάτων που προέρχονται από αυτές, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη μηχανικών αντοχών. Σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 197-1, τσιμέντο (CEM) καλείται μια υδραυλική κονία, δηλαδή ένα λεπτοαλεσμένο ανόργανο υλικό, το οποίο όταν αναμειχθεί με νερό σχηματίζει μια πάστα που λόγω των αντιδράσεων ενυδάτωσης πήζει και σκληρύνεται έχοντας έκτοτε την ικανότητα να διατηρεί τις αντοχές της και τη σταθερότητά της κάτω από το νερό. Στο σχετικό πρότυπο EN 197-1, που αναφέρεται στην ενοποίηση των επιμέρους τύπων τσιμέντου που παράγονται στις διάφορες χώρες της Ευρώπης προβλέπονται οι εξής πέντε τύποι κοινών τσιμέντων με πολλές υποδιαιρέσεις: CEM I - τσιμέντα Portland, CEM II - σύνθετα τσιμέντα Portland, CEM III - σκωριοτσιμέντα, CEM IV - ποζολανικά τσιμέντα και CEM V - σύνθετα τσιμέντα. Στο πρότυπο αυτό, κάθε χώρα έχει συμπεριλάβει εκτός του κλίνκερ (προϊόν έψησης των πρώτων υλών), τα δικά της κύρια συστατικά τα οποία είναι παραπροϊόντα βασικών βιομηχανικών δραστηριοτήτων της ή αποτελούν μέρος του ορυκτού της πλούτου και τα οποία συμβάλλουν κατά περίπτωση στη βελτίωση ορισμένων από τις ιδιότητες του τσιμέντου. Ως τσιμέντο Portland κατά ASTM ορίζεται το προϊόν που προκύπτει μετά από έψηση σε θερμοκρασία κλινκεροποίησης (1380-1420ºC) ενός κατάλληλα αλεσμένου και πλήρως ομογενοποιημένου μίγματος που αποτελείται περίπου από 75% ασβεστολιθικά και 25% αργιλοπυριτικά υλικά και συνάλεση του προκύπτοντος προϊόντος, που καλείται κλίνκερ, με την κατάλληλη ποσότητα γύψου. Ας σημειωθεί ότι ως τσιμέντα Portland χαρακτηρίζονται αυτά των δύο πρώτων τύπων CEM Ι και ΙΙ, όπου το κλίνκερ συμμετέχει σε ποσοστό μεγαλύτερο του 65%. Το κλίνκερ λόγω της χημικής σύνθεσής του αλλά και του τρόπου παρασκευής του θεωρείται ότι ανήκει στην κατηγορία των κεραμικών υλικών. Ο υδραυλικός χαρακτήρας του τσιμέντου Portland αποδίδεται κυρίως στα προϊόντα ενυδάτωσης του πυριτικού διασβεστίου (2CaO·SiO2) και του πυριτικού τριασβεστίου (3CaO·SiO2), που είναι τα κύρια ορυκτολογικά συστατικά του κλίνκερ και αποτελούν τα 2/3 της μάζας του και δευτερευόντως στα προϊόντα ενυδάτωσης των δύο άλλων συστατικών του, που είναι το αργιλικό τριασβέστιο (3CaO·Al2O3) και το σιδηραργιλικό τετρασβέστιο (4CaO·Al2O3·Fe2O3). Επιπρόσθετα, στο κλίνκερ του τσιμέντου Portland η αναλογία CaO/SiO2 δεν πρέπει να είναι μικρότερη του 2 και το περιεχόμενο οξείδιο του μαγνησίου (MgO) δεν πρέπει να ξεπερνά το 5% w/w. - 127 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής 2. Πρώτες ύλες στη βιομηχανία τσιμέντου Όπως προκύπτει από τον ορισμό που προηγήθηκε για το τσιμέντο Portland, τα κύρια συστατικά του τσιμέντου Portland είναι κατά βάση ασβεστοπυριτικές ενώσεις. Έτσι, οι πρώτες ύλες για την παρασκευή του θα πρέπει να εξασφαλίζουν κυρίως ότι τα οξείδια CaO και SiO2 βρίσκονται στις κατάλληλες μορφές και αναλογίες. Τα συστατικά αυτά σπάνια βρίσκονται με την απαιτούμενη αναλογία σε μία πρώτη ύλη. Πρώτες ύλες με μεγάλη περιεκτικότητα σε CaO οι οποίες χρησιμοποιούνται, είναι ο ασβεστόλιθος, η κιμωλία καθώς και διάφορες μάργες. Για δε τα οξείδια Al2O3 και SiO2 χρησιμοποιούνται διάφορες άργιλοι που προτιμώνται από τον χαλαζία καθόσον ο τελευταίος αντιδρά πολύ δύσκολα με το CaO. Πολλές φορές όταν το Al2O3 και το Fe2O3 δεν βρίσκονται σε ικανοποιητικά ποσοστά στις δύο πρώτες ύλες, τότε χρησιμοποιούνται επιπλέον πρώτες ύλες, τα λεγόμενα διορθωτικά υλικά, όπως βωξίτες, πυριτική άμμος ή αποφρύγματα σιδηροπυρίτη κ.α., που σαν σκοπό έχουν τη διόρθωση των αναλογιών μεταξύ των κυρίων οξειδίων και οι οποίες ελέγχονται μέσω ειδικά καθορισμένων δεικτών. Στο σύνολο των πρώτων υλών που συμμετέχουν στις φάσεις του κλίνκερ δεν θα πρέπει να αγνοηθεί η επίδραση της τέφρας του καυσίμου η οποία αναπόφευκτα προσμετράται στο κλίνκερ, απορροφούμενη από αυτό. Τέλος στα συστατικά που απαρτίζουν το μίγμα των πρώτων υλών προσμετρούνται και ουσίες προστιθέμενες σε μικρό ποσοστό οι οποίες ως σκοπό έχουν να μειώσουν τη θερμοκρασία εμφάνισης της υγρής φάσης επιταχύνοντας με τον τρόπο αυτό την κλινκεροποίηση (fluxes και mineralizers). 3. Διαδικασία παραγωγής τσιμέντου Portland Τα κύρια στάδια της διαδικασίας παραγωγής του τσιμέντου είναι: α. προετοιμασία του μίγματος των πρώτων υλών (θραύση, ανάμιξη και άλεση), β. έψηση του μίγματος των πρώτων υλών και γ. συνάλεση του κλίνκερ με καθορισμένη ποσότητα γύψου. Το Διάγραμμα Ροής της παραγωγικής διαδικασίας τσιμέντου Portland δίνεται στο Σχήμα 1. 4. Έψηση μίγματος πρώτων υλών – Τεχνολογίες Έψησης Η έψηση είναι η βασική διεργασία της παραγωγικής διαδικασίας τσιμέντου κατά την οποία πραγματοποιούνται οι βασικές αντιδράσεις που σταδιακά οδηγούν στο μετασχηματισμό των πρώτων υλών από ασβεστόλιθο και άργιλο στα διπλά και τριπλά οξείδια, τα οποία και αποτελούν τις διάφορες ορυκτολογικές φάσεις του κλίνκερ. Οι αντιδράσεις αυτές είναι αρκετά περίπλοκες και δεν είναι μελετημένες σε όλες τους τις λεπτομέρειες, καθόσον τα μίγματα των πρώτων υλών σχεδόν ποτέ δεν είναι ακριβώς τα ίδια, ενώ επιπλέον κάθε περιστροφική κάμινος (Π.Κ.), που είναι ο καθιερωμένος τύπος αντιδραστήρα για την έψηση, έχει τις ιδιαιτερότητές της που σε μεγάλο βαθμό επηρεάζουν την πορεία των αντιδράσεων. Το σύστημα έψησης δεν περιλαμβάνει μόνο την περιστροφική κάμινο, αλλά και μια σειρά άλλων διατάξεων που την υποστηρίζουν, όπως για την καύση της χρησιμοποιούμενης καύσιμης ύλης, την εναλλαγή θερμότητας μεταξύ των απαερίων και του μίγματος των πρώτων υλών, τη ψύξη του κλίνκερ και την αποκονίωση των απαερίων της περιστροφικής καμίνου. Οι σύγχρονες τεχνολογικές εξελίξεις στις διατάξεις έψησης επικεντρώνονται στη μείωση του κόστους λειτουργίας, χωρίς να επηρεαστεί η ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος, ενώ παράλληλα καθίσταται απαραίτητο να μην επιβαρύνεται το περιβάλλον (μείωση NOx, SOx, αιωρούμενων στερεών κ.τ.λ.) από τη λειτουργία της εγκατάστασης. - 128 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Όπως αναφέρθηκε, η έψηση αποτελεί την κρίσιμη διεργασία της παραγωγικής διαδικασίας τσιμέντου και αυτό για τους εξής τρεις λόγους: • Στο στάδιο αυτό πραγματοποιούνται οι βασικοί χημικοί μετασχηματισμοί που σταδιακά οδηγούν στη δημιουργία των κύριων ορυκτολογικών συστατικών (φάσεων) του κλίνκερ • Στο στάδιο αυτό καθορίζεται κατά μεγάλο ποσοστό η ποιότητα του τελικού προϊόντος • Η έψηση μετέχει σε ποσοστό μέχρι και 90% στο κόστος παραγωγής του τσιμέντου, δεδομένου ότι καθορίζει σημαντικά την συνολική κατανάλωση ενέργειας, ως η περισσότερο ενεργειοβόρος διεργασία. Σχήμα 1: Διάγραμμα Ροής της παραγωγικής διαδικασίας τσιμέντου Portland. - 129 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής 5. Μετασχηματισμοί κατά την έψηση – Κύριες ορυκτολογικές φάσεις του κλίνκερ Τα οξείδια που απαρτίζουν τις κύριες φάσεις του κλίνκερ είναι τα CaO (οξείδιο του ασβεστίου), SiO2 (οξείδιο του πυριτίου), Al2O3 (οξείδιο του αργιλίου) και Fe2O3 (οξείδιο του σιδήρου) τα οποία και αποτελούν το 95% w/w της μάζας του. Ως δευτερεύοντα συστατικά στο κλίνκερ θεωρούνται τα MgO, SO3, K2O, Na2O, Cl-, P2O5, Cr2O3, TiO2 και άλλα. Τα τέσσερα στοιχεία Na, K, Mg και S εμφανίζονται σχεδόν σε όλα τα εμπορικά κλίνκερ σε συγκεντρώσεις από 1-5% w/w. Οι κύριες φάσεις που εμφανίζονται στο κλίνκερ δεν είναι καθαρές και συνήθως έχουν διάφορες προσμίξεις. Έτσι, ο όρος πυριτικό τριασβέστιο αφορά την αμιγή ένωση 3CaO·SiO2 ενώ ο όρος αλίτης αναφέρεται στην ορυκτολογική φάση με πιθανή πρόσμιξη και άλλων οξειδίων. Οι τέσσερις κύριες φάσεις του κλίνκερ παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Πίνακας 1. Κύριες ορυκτολογικές φάσεις του κλίνκερ. Τύπος Συντμήσεις Ονοματολογία αμιγούς φάσης Ονοματολογία των φάσεων του κλίνκερ 3CaO·SiO2 C3S Πυριτικό τριασβέστιο Αλίτης 2CaO·SiO2 C2S Πυριτικό διασβέστιο Βελίτης 3CaO·Al2O3 C3A Αργιλικό τριασβέστιο Αργιλική φάση 4CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF Σιδηραργιλικό ασβέστιο Σιδηραργιλική φάση ή φάση του φερρίτη 6. Γενική θεώρηση των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα κατά το σχηματισμό του κλίνκερ Οι φυσικοχημικοί μετασχηματισμοί που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της έψησης μπορούν να ταξινομηθούν για λόγους ευκολίας ως εξής: 1. Αντιδράσεις κάτω των 1300ºC, εκ των οποίων οι σημαντικότερες είναι i) η διάσπαση των αργίλων, ii) η διάσπαση του ασβεστολίθου και iii) η αντίδραση μεταξύ ασβεστολίθου ή του σχηματισθέντος CaO με τα προϊόντα διάσπασης των πυριτικών και σιδηραργιλικών ορυκτών. Στο στάδιο αυτό, η υγρή φάση σχηματίζεται σε μικρό βαθμό, η παρουσία της οποίας όμως παίζει σημαντικό ρόλο για την προώθηση των αντιδράσεων που ακολουθούν. Στο τέλος αυτού του σταδίου οι κύριες φάσεις που είναι παρούσες είναι οι CaO, C3S, C2S, C3A και C4AF. Οι δύο τελευταίες πιθανόν να μην είναι ταυτόσημες με τις αντίστοιχες στο τελικό προϊόν. 2. Αντιδράσεις στη θερμοκρασιακή περιοχή των 1300-1450ºC (αντιδράσεις κλινκεροποίησης). Σχηματίζεται τήγμα, κυρίως από αργιλικό τριασβέστιο και σιδηραργιλικό ασβέστιο. Στους 1450ºC περίπου το 20-30% w/w του αρχικού υλικού είναι στην υγρή κατάσταση. Το μεγαλύτερο μέρος του βελίτη και όλη σχεδόν η ελευθέρα άσβεστος αντιδρούν παρουσία της υγρής φάσης και σχηματίζουν την φάση του αλίτη. 3. Αντιδράσεις κατά την ψύξη. Το τήγμα κρυσταλλώνεται, ενώ συγχρόνως συμβαίνουν πολυμορφικές μεταπτώσεις του αλίτη και βελίτη. Η ακολουθία των φυσικοχημικών μετασχηματισμών που συμβαίνουν κατά την έψηση παρουσιάζεται στον Πίνακα 2, ενώ το είδος του μετασχηματισμού δίνεται στον Πίνακα 3. - 130 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πίνακας 2. Θερμοκρασιακές περιοχές και οι αντίστοιχες δράσεις κατά την έψηση του κλίνκερ. Θερμοκρασιακή περιοχή (ºC) Περιγραφή δράσης <200 Εξάτμιση 200-800 Προθέρμανση 800-1100 Ασβεστοποίηση 1100-1300 Εξώθερμες αντιδράσεις 1300-1450-1300 Κλινκεροποίηση 1300-1100 Ψύξη Πίνακας 3. Μετασχηματισμοί κατά την έψηση του μίγματος των πρώτων υλών. Θερμοκρασία (ºC) Μετασχηματισμοί 500-600 Αφυδάτωση και (2SiO2·Al2O3) διάσπαση αργίλων, Σχηματισμός μετακαολίνη 600-700 Διάσπαση του MgCO3 προς MgO και CO2 700-800 Διάσπαση του CaCO3 προς CaO και CO2 800-900 Σχηματισμός του C2S 900-950 Μεταβολή των άμορφων SiO2, Al2O3 σε κρυσταλλικά 900-1000 Αρχή σχηματισμού 5CaO·3Al2O3 και του 2CaO·Al2O3·SiO2 που διασπάται στους 1000ºC 1100-1200 Σχηματισμός του C3A και του C4AF 1260-1300 Πρώτη εμφάνιση υγρής φάσης 1300-1450 Σχηματισμός του C3S με παράλληλη μείωση του fCaO 7. Εψησιμότητα μίγματος πρώτων υλών Η εψησιμότητα είναι η ικανότητα για έψηση του μίγματος των πρώτων υλών και αποτελεί παράμετρο ιδιαίτερα σημαντική για τη βιομηχανία τσιμέντου. Η συμπεριφορά του μίγματος των πρώτων υλών κατά την κλινκεροποίηση επηρεάζεται ισχυρά από τη χημική, ορυκτολογική και κοκκομετρική του σύνθεση. Μεταβολές στα παραπάνω έχουν άμεσο αντίκτυπο στη λειτουργία της καμίνου, την πυρίμαχη επένδυση, την κατανάλωση καυσίμου και την ποιότητα του κλίνκερ. Όπως προαναφέρθηκε, κάθε μίγμα πρώτων υλών για παρασκευή τσιμέντου ψήνεται με το δικό του μοναδικό τρόπο, καταλήγοντας σε κλίνκερ μεταβλητής ποιότητας. Αν και συχνά χρησιμοποιείται λανθασμένα ο όρος δραστικότητα, η εψησιμότητα μαρτυρά την ευκολία με την οποία η ελευθέρα άσβεστος, (free CaO - fCaO) δηλαδή του οξειδίου του ασβεστίου CaO που δεν ενώνεται σε κάποια φάση του κλίνκερ, μπορεί να μειωθεί σε μια αποδεκτή τιμή μέσα στην κάμινο. Σε κάθε περίπτωση, αύξηση του fCaO σημαίνει μείωση της ικανότητας του μίγματος - 131 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής των πρώτων υλών προς έψηση, καθώς παρεμποδίζεται ο σχηματισμός του αλίτη (3CaO·SiO2) μέσω της αντίδρασης δέσμευσης της ελευθέρας ασβέστου από τον βελίτη (η οποία λαμβάνει χώρα παρουσία της υγρής φάσης), 2CaO·SiO2 + CaO → 3CaO·SiO2 (1) με παράλληλη ανίχνευση υψηλών επιπέδων συγκέντρωσης ελευθέρας ασβέστου, γεγονός το οποίο είναι ανεπιθύμητο, όπως επίσης και γιατί οδηγεί σε μειωμένη ογκοσταθερότητα και μειωμένες μηχανικές αντοχές των παραγόμενων τσιμεντοπολτών. Γενικά η εψησιμότητα εκφράζεται με έναν από τους παρακάτω τρόπους: - Προσδιορισμός της ελευθέρας ασβέστου για δεδομένη θερμοκρασία και σταθερό χρόνο Πρόκειται για τον πιο συνηθισμένο τρόπο μέτρησης της εψησιμότητας, με προσδιορισμό της ελευθέρας ασβέστου (fCaO) σύμφωνα με προτυποποιημένη μεθοδολογία, μετά από ψήσιμο του μίγματος των πρώτων υλών για ένα ορισμένο χρόνο t και σε μια ορισμένη θερμοκρασία Τ (fCaO=f(t,T)). - Προσδιορισμός του χρόνου για σταθερή θερμοκρασία ώστε fCaO ≤2% Προσδιορισμός του χρόνου t που απαιτείται για μείωση της ελευθέρας ασβέστου σε καθορισμένη τιμή (συνήθως ≤2%), μετά από ψήσιμο του μίγματος των πρώτων υλών σε μια ορισμένη θερμοκρασία Τ. Η εψησιμότητα ελαττώνεται με την αύξηση του χρόνου. Εκτός των άνω, ο υπολογισμός ή η εκτίμηση της εψησιμότητας πραγματοποιείται και με την χρήση των αναλυτικών τεχνικών της Οπτικής και Ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (OM, SEM), της θερμικής ανάλυσης (TG, DTG, DTA, DSC) και της Περίθλασης των ακτίνων Χ (XRD). 8. Παράγοντες που επιδρούν στην εψησιμότητα Το σύνολο των παραγόντων που επιδρούν στην εψησιμότητα αναφέρονται στη συνέχεια: - Ορυκτολογική σύσταση μίγματος πρώτων υλών - Χημική σύνθεση μίγματος πρώτων υλών - Κοκκομετρική διαβάθμιση μίγματος πρώτων υλών (λεπτότητα, κατανομή σωματιδίων, ομοιογένεια συστατικών, συσσωμάτωση σωματιδίων) - Θερμική κατεργασία μίγματος πρώτων υλών - Συνθήκες σχηματισμού υγρής φάσης - Ποιότητα κλίνκερ - Ατμόσφαιρα καμίνου (οξειδωτικές ή αναγωγικές συνθήκες). Στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί διάφορες σχέσεις για την ποσοτική έκφραση της εψησιμότητας, η οποία και αποτιμάται με τη χρήση δεικτών, οι οποίες είτε είναι θεωρητικές, είτε ημιεμπειρικές χρησιμοποιώντας και δεδομένα για τις φυσικοχημικές ιδιότητες των πρώτων υλών, είτε πειραματικές βασιζόμενες μόνο σε πειραματικά δεδομένα. - 132 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Πειραματικό Μέρος Υλικά: 0.5 g κλίνκερ ή τσιμέντου 80 ml αιθυλενογλυκόλης δείκτης κυανούν της βρωμοθυμόλης (αλκοολικό διάλυμα 0.1-0.5% w/ν) 100 ml απόλυτης αλκοόλης πρότυπο διάλυμα HCl οξέος, κανονικότητας 0.1Ν ή 1.0 Ν. Συσκευές και όργανα: λαβίδα ζύγισης αναλυτικός ζυγός 4 δεκαδικών ψηφίων κωνική φιάλη των 250 ml σιφώνιο εκροής των 50 ml ογκομετρικός κύλινδρος των 50 ml θερμαινόμενη συσκευή μαγνητικής ανάδευσης μαγνητικός αναδευτήρας γυάλινο θερμόμετρο ογκομετρικό φιαλίδιο δείκτη υάλινη συσκευή Buchner των 250 ή των 500 ml πορσελάνινος ηθμός Buchner με ελαστικό σφιγκτήρα συναρμογής μπλε ηθμός μικρής ταχύτητας (διαμέτρου 100 mm) αντλία κενού προσαρμοζόμενη σε βρύση ογκομετρικές φιάλες των 250, 500 και 1000 ml προχοΐδα των 25 ή 50 ml διπλού μηνίσκου πυριατήριο. Πειραματική Διαδικασία: Ζυγίζονται 0.5000±0.0010 g λειοτριβιμένου κλίνκερ ή τσιμέντου τα οποία φέρονται εντός κωνικής φιάλης των 250 ml και προστίθενται με σιφώνιο εκροής 50 ml αιθυλενογλυκόλης θερμοκρασίας 80ºC. To σύστημα αναδεύεται έντονα για 5±1 min σε θερμαινόμενη συσκευή ανάδευσης με μαγνητικό αναδευτήρα. Ακολούθως το διάλυμα διηθείται υπό κενό σε υάλινη συσκευή Buchner με μπλε ηθμό μικρής ταχύτητας (διαμέτρου 100 mm) και μετά το πέρας της διήθησης ο ηθμός εκπλένεται διαδοχικά τρεις φορές με 10ml αιθυλενογλυκόλης. Στο διήθημα προστίθεται δείκτης κυανούν της βρωμοθυμόλης (αλκοολικό διάλυμα 0.1-0.5% w/ν) και τιτλοδοτείται με πρότυπο διάλυμα HCl οξέος, κανονικότητας 0.1 Ν ή 1.0 Ν, κατά περίπτωση. Η τιτλοδότηση πραγματοποιείται σε συσκευή ανάδευσης με μαγνητικό αναδευτήρα και ολοκληρώνεται όταν παρατηρηθεί αλλαγή του χρώματος του διαλύματος από κυανούν σε πράσινο ελαιώδες. (Όλα τα σκεύη που χρησιμοποιούνται έχουν προηγουμένως ξηρανθεί και αποφεύγεται η παρατεταμένη επαφή του κλίνκερ με τον ατμοσφαιρικό αέρα). - 133 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής Υπολογισμοί - Αποτελέσματα: Η εκλεκτική εκχύλιση της ελευθέρας ασβέστου (ΜΒ=56) με εκχυλιστικό μέσον την αιθυλενογλυκόλη HOCH2CH2OH (ΜΒ=124), έχει ως αποτέλεσμα την δέσμευση των ιόντων ασβεστίου Ca2+ με την μορφή του βασικού άλατος του υδρόξυ-αιθυλενογλυκολικού ασβεστίου Ca(OH)(OCH2CH2OH) (ΜΒ=162), το οποίο εξουδετερώνεται με πρότυπο διάλυμα υδροχλωρικού οξέος HCl, σύμφωνα με το παρακάτω σχήμα αντιδράσεων: fCaO + HOCH2CH2OH → Ca(OH)(OCH2CH2OH) Ca(OH)(OCH2CH2OH) + HCl → [Ca(OCH2CH2OH)]+ +Cl- + H2O (2) (3) Στο ισοδύναμο σημείο, η ισότητα των γραμμοϊσοδυνάμων μεταξύ του υδρόξυ-αιθυλενογλυκολικού ασβεστίου Ca(OH)(OCH2CH2OH) και των γραμμοϊσοδυνάμων του πρότυπου διαλύματος HCl οξέος, οδηγεί στην παρακάτω σχέση υπολογισμού για την περιεκτικότητα σε ελευθέρα άσβεστο: % fCaO = 0.28 ⋅ Vδ . HCIοξ . mδειγ όπου Vδ.HCI οξ.: o όγκος (σε ml) του διαλύματος HCl οξέος κανονικότητας 0.1 Ν (μέσος όρος 3 μετρήσεων) και m: η μάζα (σε g) του δείγματος κλίνκερ ή τσιμέντου. Η % w/w περιεκτικότητα της ελευθέρας ασβέστου που προσδιορίζεται από την παραπάνω πειραματική διαδικασία (μέθοδος Musikas) δεν θα πρέπει να υπερβαίνει την τιμή 2.0% w/w για κλίνκερ τσιμέντου Portland, καθώς η μετατροπή της ελευθέρας ασβέστου σε Ca(OH)2 ακολουθεί διαφορετική κινητική από αυτή της ενυδάτωσης των υπόλοιπων ορυκτολογικών φάσεων του κλίνκερ και εμφάνιση των προαναφερθέντων ανεπιθύμητων ιδιοτήτων. Αντίστοιχα όρια προτείνονται για την % w/w περιεκτικότητα της ελευθέρας ασβέστου σε τσιμέντα Portland. - 134 - ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δρ Α. Ρούτουλας , Καθηγητής ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ελληνική: 27. Α. Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, 7η Εκδ., Πάτρα, 2005 28. R. Wendehorst, Δομικά Υλικά, 2η Έκδ., Εκδόσεις Μ. Γκιούρδα, Αθήνα, 1981 29. P. K. Mehta, P. J. M. Monteiro, Σκυρόδεμα. Μικροδομή, ιδιότητες και υλικά, (σε μετάφραση Ι. Παπαγιάννη), 3η Έκδ., Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα, 2009 30. Χ. Οικονόμου, Τεχνολογία του Σκυροδέματος, 3η Έκδοση, Εκδόσεις “ΣΕΛΚΑ - 4Μ” ΕΠΕ ΤeΚΔΟΤΙΚΗ, Αθήνα, 2003 31. Σ. Τσίμας, Σ. Τσιβιλής, “Επιστήμη και τεχνολογία τσιμέντου”, 1η εκδ., Ε.Μ.Π., Αθήνα, 1999 32. Γ. Παρισάκης, Β. Κασελούρη, Σ. Τσίμας, Χ. Φτίκος, Χημεία και Τεχνολογία Τσιμέντου, Εκδ. Ε.Μ.Π., Αθήνα, 1992 Ξενόγλωσση: 33. ASTM Standards, Section 4: Construction, Volume 04.02: Concrete and Aggregates 34. G. D. Taylor, Materials in Construction – Principles, Practice and Performance, Pearson Education, U.K., 2002 35. S. Somayaji, Civil Engineering Materials, 2nd ed., Prentice-Hall, New Jersey, U.S.A., 2001 36. M. S. Mamlouk, J. P. Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, 2nd Ed., Pearson Education, New Jersey, U.S.A., 2006 37. R. A. Flinn, P. K. Trojan, Engineering Materials and their Applications, 4th ed., Houghton Mifflin Company, Boston, U.S.A., 1990 38. S. Mindess, J. F. Young, D. Darwin, Concrete, 2nd ed., Pearson Education, New Jersey, U.S.A., 2003 39. A. M. Neville, Properties of Concrete, 4th ed., Pearson Education, London, U.K., 2004 40. P. C. Hewlett, Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 4th ed., Edward Arnold, London, 1998 41. H. F. W. Taylor, Cement Chemistry, 2nd ed., Thomas Telford Publishing, London, U.K., 1997 42. M. S. J. Gani, Cement and Concrete, Chapman & Hall, London, U.K., 1997 43. S. N. Gosh, Cement and Concrete Science and Technology, Vol. I Part I, ABI Books Pvt., New Delhi, India, 1991 44. S. N. Gosh, Cement and Concrete Science and Technology, Vol. I Part II, ABI Books Pvt., New Delhi, India, 1992 Κανονισμοί – Πρότυπα: 45. ASTM Standards, Section 4: Construction, Volume 04.02: Concrete and Aggregates 46. Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος ΚΤΣ-97 (ΦΕΚ 315/Β/17-4-97) 47. ΕΛΟΤ EN 12620: Αδρανή σκυροδέματος 48. ΕΛΟΤ ΕΝ 13043: Αδρανή ασφαλτομιγμάτων 49. ΕΛΟΤ ΕΝ 13139: Αδρανή Κονιαμάτων 50. ΕΛΟΤ ΕΝ 13383-1: Αδρανή για Ογκόλιθους για λιμενικά και υδραυλικά έργα 51. ΕΛΟΤ ΕΝ 13450: Αδρανή για έρμα σιδηροδρομικής γραμμής 52. ΕΛΟΤ ΕΝ 13242: Αδρανή για βάσεις και υποβάσεις σταθεροποιημένες ή μη 53. ΕΛΟΤ ΕΝ 13055: Ελαφροβαρή Αδρανή - 135 -