Transcript 14. ความทนทานของคอนกรีต

ความทนทานของคอนกรี ต
จัดทาโดย
นายพีร์รัชต์ เลขขา รหัส5210110416
สาขาวิศวกรรมศาสตร์สิ่งแวดล้อม
ชั้นปี ที่ 3
ความทนทานของคอนกรี ต
ความทนทานของคอนกรี ตเป็ นคุณสมบัติที่สาคัญมาก
ประการหนึ่งซึ่ งหมายถึงความสามารถในการทนต่อการ
เปลี่ยนแปลงต่อสภาพแวดล้อม ทนต่อการทาลายจาก
สารเคมี ทนต่อแรงกระแทกหรื อการกระทาอื่นๆตลอดอายุ
การใช้งานของโครงสร้างนั้น
ความทนทานของคอนกรี ต
เมื่อกล่าวถึงคอนกรี ต กาลังอัด เป็ นคุณสมบัติประการ
แรกและประการสาคัญที่ผอู้ อกแบบ ผูค้ วบคุมงานก่อสร้าง
ผูร้ ับเหมา คานึงถึง รวมทั้งข้อกาหนดสาหรับงานก่อสร้าง
ต่างๆล้วนระบุถึงกาลังคอนกรี ตของโครงสร้างที่ออกแบบ
ไว้ แต่คุณสมบัติที่สาคัญมากที่มกั จะถูกมองข้ามนั้นคือ
ความทนทาน (Durability)
คอนกรี ตที่ทนทานจะต้องคงสภาพได้งานตลอดอายุ
การใช้งาน สิ่ งก่อสร้างคอนกรี ตจานวนมากที่ถูกออกแบบ
และก่อสร้างโดยไม่คานึงถึงความทนทานจึงส่ งผลให้เกิด
ความเสี ยหายอย่างมากในปั จจุบนั ทาให้สิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย
จานวนมหาศาลในการซ่อมแซมรวมทั้งอายุการใช้งานของ
สิ่ งก่อสร้างนั้นก็จะลดลงด้วย
ต้นเหตุที่ทาให้คอนกรี ตขาดความทนทาน และเกิดความเสี ยหาย
สามารถสรุ ปได้ 3 ประการใหญ่ๆ คือ
1.) สาเหตุดา้ นกายภาพ (Physical)
2.) สาเหตุดา้ นเคมี (Chemical)
3.) สาเหตุดา้ นกล (Mechanical)
นอกจากตัวคอนกรี ตที่มีคุณสมบัติเหมาะสมกับการใช้งานแล้ว
การที่จะได้โครงสร้างคอนกรี ตเสริ มเหล็กที่มีความทนทานจะต้อง
อาศัยองค์ประกอบอื่นๆ อีกตั้งแต่การออกแบบโครงสร้างจนถึงการ
ใช้งาน ซึ่งสามารถสรุ ปได้เป็ น 4 ขั้นตอนคือ
1) การออกแบบที่ดี
2) ข้อกาหนดที่เหมาะสม
3) การก่อสร้างที่ดี
4) การบารุ งรักษาอย่างสม่าเสมอ
วัตถุดิบ
คอนกรี ต
การก่อสร้าง
การออกแบบ
,
มวลรวม
,
ชนิด,ขนาดคละ
,
ปูนซีเมนต์
ชนิด,ความละเอียด
น้ า
คุณภาพและสิ่ งเจือปน
น้ ายาผสมคอนกรี ต
ชนิด,ผลข้างเคียง
,
,
,
--------------------------------------
,
,
,
--------------------------------------
ในบทนี้ขอกล่าวถึงปัจจัยที่สาคัญที่สุดที่มีผลต่อ
ความทนทานของคอนกรี ตนัน่ คือ ความสามารถใน
การซึมผ่านขอน้ าสู่คอนกรี ต (Permeability) และ
ขบวนการซึมผ่านของน้ า ความชื้น และอากาศสู่
คอนกรี ต
ความสามารถซึมผ่านได้ (Permeability)
ความสามารถซึ มผ่านของน้ า คือ ความสะดวกหรื อง่าย
ซึ่ งของเหลวหรื อก๊าซ สามารถซึ มผ่านคอนกรี ต คุณสมบัติน้ ี
จะเป็ นตัวชี้บ่งว่าคอนกรี ตในโครงสร้างนั้นๆ จะทนทาน
มากน้อยเพียงใด
ถึงแม้วา่ จะไม่มีการกาหนดวิธีการทดสอบ แต่
ความสามารถซึ มผ่านของน้ า สามารถวัดได้โดยน้ าที่มีความ
ดัน ดันผ่านคอนกรี ตเมื่อถึงสภาพที่คอนกรี ตอิ่มตัวน้ าจะซึ ม
ผ่านคอนกรี ตนั้นออกมาทาการวัดปริ มาณน้ านี้ในช่วงเวลา
หนึ่งรวมทั้งวัดความหนาของคอนกรี ต โดยความสามารถ
ซึ มผ่านของน้ าจะถูกแสดงออกมาในรู ปของสัมประสิ ทธิ์
การซึ มผ่านของน้ า ดังสมการของ Dracy
สมการของ Darcy
คือ อัตราการไหลของน้ า
A คือ ขนาดหน้าตัดของตัวอย่าง
คือ การลดลงของ Hydraulic head
L คือ ความหนาของก้อนตัวอย่าง
K คือ ค่าสัมประสิ ทธิ์การซึมผ่านของน้ ามีหน่วยเป็ น ม. / วินาที
สัมประสิ ทธิ์การซึมผ่าน( ×10-12 ม. / วินาที )
10
8
รู ปแสดงความสัมพันธ์
ระหว่าง สัมประสิ ทธิ์
การซึ มผ่านของน้ า และ
ความพรุ นภายในเนื้อ
คอนกรี ต
6
4
2
0
10
20
30
ความพรุ น ( %)
นอกจากนี้ยงั มีการทดสอบมาตรฐานของประเทศอังกฤษ คือ การ
ทดสอบการดูดซึ มน้ าของผิวคอนกรี ต ( Initial Surface Absorption )
ซึ่ งเป็ นอัตราการไหลของน้ าเข้าไปในคอนกรี ตต่อหน่วยพื้นที่ภายใน
เวลาที่กาหนด
เครื่ องทดสอบ การดูดซึ มน้ าของผิวคอนกรี ต
สาหรับคอนกรี ตที่ใช้ทวั่ ๆไป ความสามารถในการซึม
ผ่านของน้ า จะถูกควบคุมโดยความพรุ นของซี เมนต์เพสต์
โดยความพรุ น ( Capillary Porosity ) จะมากน้อยขึ้นกับ
อัตราส่ วนน้ าต่อปูนซี เมนต์และความสมบูรณ์ของ
ปฏิกิริยาไฮเดรชัน่ ( Degree of Hydration )
สัมประสิ ทธิ์ การซึ มผ่าน( ×10-12 ม. / วินาที )
140
120
100
80
60
40
20
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
อัตราส่ วนน้ าต่อซี เมนต์
รู ปความสัมพันธ์ระหว่างการซึมผ่านของน้ ากับอัตราส่ วนน้ าต่อซีเมนต์
ช่องทางไหลของน้ า(Capillary)จะถูกแบ่งหรื อทา
ให้แยกออกไม่ต่อเนื่องกัน ในส่ วนผสมที่กาหนด w/c
ให้ความสามารถการซึมผ่านลดลงถ้าปูนซี เมนต์มีการ
เกิดปฏิกิริยาไฮเดรชัน่ ลดลงอย่างต่อเนื่องดังรู ป
ความสามารถการซึ มผ่านของน้ าลดลงเมื่อปฏิกิริยา
ไฮเดรชัน่ สมบูรณ์ข้ ึน
สัมประสิ ทธิ์การซึมผ่านของน้ า ( ม. / วินาที )
10-4
10-6
10-8
10-10
10-12
10-14
0
10
20
30
( )
รู ปความสามารถซึมผ่านของน้ าลดลงเมื่อปฏิกิริยาไฮเดรชัน่ สมบูรณ์ข้ ึน
การสามารถซึ มผ่านของน้ าไม่ใช่เป็ นสัดส่ วน
โดยตรงกับความพรุ นของเนื้อคอนกรี ต จาก
รู ปแสดงให้เห็นว่าคอนกรี ตทั้ง 2 มีความพรุ น
เท่ากัน แต่มีความสามารถในการซึ มผ่านของน้ า
แตกต่างกัน
Capillary pores
C-S-H framework
(a)
Capillary pores
C-S-H framework
(b)
รู ปคอนกรี ตมีความพรุ นเท่ากัน แต่
(a) การซึมผ่านของน้ าสูง – เนื่องจาก Capillary Pore เชื่อมต่อกัน
(b) การซึมผ่านของน้ าต่า – เนื่องจาก Capillary Pore แยกจากกัน
จะเห็นได้วา่ เฉพาะ Capillary Pore ที่เชื่อมกันจะ
ก่อให้เกิดการซึ มผ่านของน้ าสู งในขณะที่ความพรุ นเท่ากัน
เมื่อพิจารณาในเรื่ อง ความทนทานจาเป็ นอย่างยิง่ ที่จะต้อง
ทาให้คอนกรี ตเกิดความสามารถซึ มผ่านของน้ าที่ต่า
(Low Permeability) ในเวลาที่เร็ วที่สุดนัน่ คือควรเลือกใช้
คอนกรี ตที่มีอตั ราส่ วนน้ าต่อซี เมนต์ต่า
นอกจากอัตราส่ วนน้ าต่อซี เมนต์แล้วการทาให้
คอนกรี ตอัดแน่นและการบ่มยังเป็ นองค์ประกอบที่
สาคัญมากที่จะทาให้การซึ มผ่านของน้ าต่าช่วยให้
คอนกรี ตมีความทนทานสู งขึ้น
ขบวนการซึมผ่านของน้ า ความชื้น และ อากาศ
ขบวนการที่ทาให้คอนกรี ตเสี ยหาย หรื อขาดความทนทาน
ส่ วนใหญ่มาจากการที่น้ า ความชื้นหรื ออากาศซึ มผ่านช่องว่างที่
ต่อเนื่อง หรื อรอยแตกร้าวของคอนกรี ต โดยทั้งน้ าและอากาศที่
ซึ มผ่านนี้จะนาพาสารที่เป็ นอันตรายเข้าไปในเนื้อคอนกรี ตเมื่อ
มีปริ มาณที่เหมาะสมจะก่อให้เกิดความเสี ยหาย ขบวนการซึม
ผ่านของน้ า สามารถเขียนเป็ นแผนภาพดังนี้
คอนกรี ต
(วัสดุเนื้อพรุ น)
ขบวนการป้ องกัน
รู ป ขบวนการซึ มผ่านของน้ า ความชื้น และอากาศ
คอนกรีตชายฝั่งทะเล (Marine Concrete)
สาเหตุที่มีการผลิต Marine Concrete
เนื่องจากโครงสร้างคอนกรี ตเสริ มเหล็กที่ตอ้ งสัมผัสน้ าทะเล
น้ ากร่ อยหรื ออยูบ่ ริ เวณชายฝั่ง รวมทั้งโครงสร้างใต้ดินบริ เวณนั้น
จะประสบปั ญหาความเสี ยหายอย่างมากจากสภาพแวดล้อม
ดังนั้นในการออกแบบให้โครงสร้างมีอายุการใช้งานตามที่
ต้องการจะต้องคานึงถึงความต้านทานความเสี ยหายที่จะเกิดขึ้น
ด้วย ซึ่งคอนกรี ตถือว่าเป็ นส่ วนสาคัญเนื่องจากเป็ น "ด่านแรก"
ของโครงสร้างที่จะต้านทานความเสี ยหาย
เดิมมีความเข้าใจกันว่า คอนกรี ตที่มีส่วนผสมของปูนซีเมนต์
ประเภทที่ 5 ซึ่งมีปริ มาณ C3A ที่ต่าจะเหมาะสาหรับโครงสร้างที่
สัมผัสน้ าทะเล แต่เมื่อพิจารณาถึงองค์ประกอบในน้ าทะเลโดย
แท้จริ งแล้วพบว่าวิธีการนี้ไม่เพียงพอเสี ยแล้ว ทั้งนี้เพราะในน้ า
ทะเล มีปริ มาณซัลเฟตอยูป่ ระมาณ 10% ส่ วนคลอไรด์น้ นั กลับมี
ปริ มาณถึง 90% ดังนั้นการคานึงถึงทุกองค์ประกอบของน้ าทะเล
ดูจะมีเหตุผลมากกว่าการพิจารณาแต่เพียงซัลเฟตเท่านั้น
นอกจากโครงสร้างสัมผัสน้ าทะเลแล้ว โครงสร้างที่
สัมผัสไอทะเล ที่อาจจะอยูห่ ่างชายฝั่งหลายกิโลเมตรก็ยงั
จัดว่าเป็ นโครงสร้างที่ตอ้ งคานึงถึงความต้านทานต่อน้ า
ทะเลเช่นกัน เนื่องจากเกลือในอากาศสามารถแพร่ ไปถึง
โครงสร้างที่ห่างจากทะเลถึง 3 กิโลเมตร
คลอไรด์ เป็ นสาเหตุสาคัญของการกัดกร่ อนในเหล็ก
เสริม
คลอไรด์ซ่ ึงเป็ นองค์ประกอบหลักในน้ าทะเลจะซึมเข้าสู่เนื้อ
คอนกรี ต โดยคลอไรด์อิสระ(Free Chloride) จะเป็ นส่ วนสาคัญ ทา
ให้เหล็กเสริ มภายในเกิดสนิม สนิมเหล็กจะทาให้คอนกรี ตสูญเสี ย
แรงยึดเกาะกับเหล็กเสริ ม และจะขยายตัวดันให้คอนกรี ตหุ ม้
เหล็กเสริ มหลุดร่ อนนอกจากนั้นพื้นที่หน้าตัดเหล็กเสริ มก็จะลดลง
จนทาให้โครงสร้างพังทลายได้
คุณสมบัติของ Marine Concrete ที่เหมาะสมกับงานโครงสร้าง
บริ เวณชายฝั่งทะเล
- ความสามารถทนทานต่อการแพร่ ของคลอไรด์
- การเพิม่ ความสามารถในการจับยึดคลอไรด์ในคอนกรี ต
(Chloride Binding Capacity) การใช้วสั ดุเชื่อมประสานที่
เหมาะสม ได้แก่ ปูนซีเมนต์ชนิดที่มีปริ มาณ C3A
เหมาะสม และวัสดุปอซโซลานจะช่วยลดการแพร่ ของ
คลอไรด์
- ความสามารถทนทานต่อแมกนีเซียมซัลเฟต ด้วยความทึบน้ าที่
ดีเยีย่ มของ CPAC Marine Concrete แมกนีเซียมอิออนจะแพร่
เข้าไปทาลาย CSH ได้ยาก นอกจากนั้น Ca(OH)2 ซึ่งเป็ น
สารประกอบที่ก่อให้เกิดการขยายตัวก็จะลดลงจากปฏิกริ ยาปอซ
โซลานด้วยเช่นกัน
- ความสามารถทนทานต่อแรงกระทาทางกายภาพ คุณสมบัติน้ ี
ออกแบบมาเพื่อให้สามารถต้านทานต่อแรงกระแทกของคลื่นและ
การขัดสี ของกรวด ทราย โดย CPAC Marine Concrete สามารถอัด
แน่นได้ง่ายซึ่งจะทาให้คอนกรี ตมีเนื้อสม่าเสมอ และได้ระยะหุม้
ตามต้องการ ดังเห็นได้จากผลทดสอบความสามารถในการ
ต้านทานการขัดสี ของ CPAC Marine Concrete ที่มีค่าสูงกว่า
คอนกรี ตทัว่ ไปอย่างชัดเจน
เหล็กเสริ มภายในโครงสร้างที่สมั ผัสน้ าทะเลหรื อน้ ากร่ อยจะเสี ยหาย
จากการกัดกร่ อนของคลอไรด์