Concrete Refresher Course
Concrete Resfresher Course
1. พนฐานคอนกรต2. ปจจยทมผลตอคณสมบตของคอนกรต3. ความคงทนของคอนกรต
1. พนฐานคอนกรต
a) องคประกอบของคอนกรตb) ตวอยางคอนกรตชนดอนๆc) การพฒนาก าลง การบม การบมรอนd) ผลของความรอนทมตอคอนกรต e) คอนกรตหลา ปญหาเนองจากความรอนf) ความคงทน
•องคประกอบของคอนกรต•อากาศ น า ปน ทราย หน•น า ท าหนาท •เพมความขนเหลวท าใหท างานงาย
•และ ใชในปฏกรยา hydration
strength
w/c
slump
water
•องคประกอบของคอนกรต•อากาศ น า ปน ทราย หน•ปน •ท าปฏกรยากบน า• เปนตวใหก าลง• เปนตวใหความรอน• เปนตวท าใหเกดการหดตวเมอแหง• เปนตวทมราคาสงสดใน 5 ตว
Cement + H2O
3CaO.2SiO23H2O+ Ca(OH)2
Heat
•องคประกอบของคอนกรต•อากาศ น า ปน ทราย หน•ทราย หน • เปนตวเฉอย ไมท าปฏกรยาใดๆ•ยกเวนเมอมการท าปฏกรยา• เปนโครง (skeleton) ในคอนกรต•ก าลงรบแรงมผลอยางมากตอก าลงของคอนกรต •ราคาถก
ตวอยางคอนกรตชนดอนๆ
1. Hot weather concreting
•Cause(s): Hot, dry, windy weather.
• Effect: Short setting time, high slump loss requiring more water hence lower strength,plastic shrinkage cracks.
•Precautions: • Cool the concrete or ingredients.• Use high slump. • Minimize time for transport, place, and finish. • Consider night work. • Limit moisture loss by spraying.
1. Hot weather concreting
2. Lightweight concrete Used for insulation or where weight is critical. Good fire resistance.
Process: Use of light aggregates (natural or artificial) or use of aluminium powder (gas forming
admixture).
Drawbacks: High water absorption, high shrinkage, high creep.
2. Lightweight concrete
3. High density concrete
Used to absorb radiation.
Process: Use high density element such as barite (SG 4.0-4.6), hematite and magnetite.
Strength over 600 ksc
Target strength of 1300 ksc for concrete at 58-story, Two Union Tower in Seattle
Used in tall buildings, in bridges etc, reduce column size and weight and increase usable floor area.
Process: Use low w/c, superplasiticizer, fly ash and silica fume.
Drawbacks: Low ultimate compressive strain.
4. High Strength, High Performance concrete
4. High Strength, High Performance concrete
5. Reactive Powder Concrete http://www.ce.memphis.edu/1101/notes/concrete/PCA_manual/Chap17.pdf
Strength over 2,000 ksc
Target strength of 2000 – 4,000 ksc achieved
Process: 1. Use no gravel (sand and quartz powder instead.)
2. Fine steel fibers
3. Low w/c (<0.2)
4. superplasiticizer, fly ash and silica fume.
Drawbacks: Low relative tensile strength
•การพฒนาก าลงของคอนกรต และการบม•การพฒนาก าลงของคอนกรต•อาย
3 days 55%7 days 75%
•การพฒนาก าลงของคอนกรต และการบม•การพฒนาก าลงของคอนกรต•การบม strength
days
•การบมรอน
•ฝาทอระบายน า หนา 10 ซม. Retention time = 3 hr
Retention Time 3-8 hrsDepending on size
strength
hours
•ความรอนจากปฏกรยา hydration
•ปญหาใน mass concrete การราวจากความรอน
Cement + H2O 3CaO.2SiO23H2O+ Ca(OH)2
Heat
•ปญหาใน mass concrete การราวจากความรอน•อณหภม (thermal gradient)
•ความหนาชนงาน•มาตรการปองกน
•ปญหาใน mass concrete การราวจากความรอน•อณหภม
Low Temp
High Temp
•ปญหาใน mass concrete การราวจากความรอน•อณหภม (temperature)
• อณหภมสงสด ไมควรเกน 70 C เพอหลกเลยงการเกด DEF (Delay Ettringite Formation)• จาก δ = α.L.ΔT
• ดงนน ΔT = δ/(α.L) = ε/α• ได ΔT = 200x10-6 / (10x10-6 ) = 20 C• สวนตางของอณหภมตรงกลางกบทผว ไมควรเกน 20C (ENV206:1992)
•ปญหาใน mass concrete การราวจากความรอน•อณหภม (temperature)
•ความหนาชนงาน ก าหนดอณหภมภายใน• ACI 116R ใหนยามของ mass concrete วา เปนคอนกรตใดๆทมขนาดใหญจนตองมมาตรการ ลดการราวจากความรอนทเกดจากปฏกรยา hydration และจากการขยายตวทตามมา• ขอก าหนดบางแหงจดใหชนงานหนา 90 ซม.(3 feet) ขนไปจดเปน masss concrete•Minnesota DoT ก าหนดใหเปนคอนกกรตทมมตต าสดเกนกวา 1.20 เมตรขนไป
•ปญหาใน mass concrete การราวจากความรอน•อณหภม (temperature)
•กรณตวอยาง เสาคอนกรตขนาด 1.1 x 1.1 เมตร• ใชปนซเมนต Type I 500 กก./ลบ.ม. • โดยม silica fume 6% ของนน.ปน • เมอผสมแลวสามารถวดอณหภมภายในได สงกวา
เมอกอนผสม 45 C ภายในเวลา 30 ชวโมง
•ปญหาใน mass concrete การราวจากความรอน•มาตรการปองกน•Low heat material•Pre-cooling•Post-cooling•Surface insulation
•ปญหาใน mass concrete การราวจากความรอน•มาตรการปองกน•Low heat material•ใช Low heat cement (Type IV)•ใชเถาลอย• ใช cement content ต าๆ
•ปญหาใน mass concrete
•มาตรการปองกน•Low heat material•ใช Low heat cement (Type IV)
•ปญหาใน mass concrete
•มาตรการปองกน•Low heat material•ใชเถาลอย
•ปญหาใน mass concrete
•การใชเถาลอย มประโยชน 3 ทาง•1. ลดน า สามารถลดน าได 9-12% (ใช FA 30-40%)
การลดน า หรอลด w/c ไปขนาดนเทากบเปนการเพมก าลงไดประมาณ 50 ksc strength
w/c
•ปญหาใน mass concrete
•การใชเถาลอย มประโยชน 3 ทาง•2. ท าปฏกรยา pozzolanic ชวยเพมก าลงใหคอนกรต
Cement + H2O
3CaO.2SiO23H2O+ Ca(OH)2
Heat
Ca(OH)2+ FA+H2O CSH
•ปญหาใน mass concrete
•การใชเถาลอย มประโยชน 3 ทาง•3. ปฏกรยา pozzolanic เปนปฏกรยาคายความรอนชา
•ปญหาใน mass concrete
•มาตรการปองกน•Low heat material• ใช cement content ต าๆ•ใชหนขนาดโต พนทผวนอย ใชปนนอย
•ปญหาใน mass concrete
•มาตรการปองกน•Pre-cooling•ใชน าเยน น าแขงเกลด (ชวยลดอณหภม การละลายของน าแขงชวยดดความรอนแฝงดวย)•เกบหน-ทรายในทเยน เพราะหน-ทรายเปนสวนประกอบสวนใหญ ประมาณ 70-80 % ของคอนกรต
•ปญหาใน mass concrete
•มาตรการปองกน•Post-cooling•ใชระบบทอระบาย• ราคาสง •แตมประสทธผลด
•ปญหาใน mass concrete
•มาตรการปองกน•Surface insulation ปองกนการระบายความรอน•วสดทใชอาจเปนสวนของไมแบบ โฟม
ปจจยทมผลตอคณสมบตของคอนกรต
1. Within: Ingredients cement content, agg. (size, strength, content), texture, chem. composition (expansion)
2. Without: Testing speed, specimen size and shape3. Attack on concrete, durability
Durability considerations in concrete work
Effect of w/c on concrete
strength
property
w/c
durability
ปรมาณสารทยอมใหในน าผสมคอนกรต (มยผ.)
ชอสาร ยอมให (%)
คลอไรด
คอนกรตอดแรง
คอนกรตเสรมเหลก0.05
0.10
ซลเฟต 0.30
ดาง 0.06
สารแขวนลอย 5.00
max. w/c ในโครงสรางตางๆ (ACI)
ลกษณะโครงสราง
เปยกน าตลอดเวลา
สมผสคลอไรด/ซลเฟต
Cover<3cm 0.45 0.40
Cover>3cm 0.50 0.45
w/c ในสภาวะแวดลอมตางๆโซเดยมซลเฟต% แมกนเซยมซลเฟต% w/c ทยอมให
0.015 – 0.15 0.03 – 0.10 0.50
0.15 – 1.00 0.10 – 0.30 0.45
> 1.00 > 0.30 0.40
w/c ในสภาวะแวดลอมตางๆ
คอนกรตตานทานคลอไรด w/c ทยอมให
ระยะหมมากพอ 0.45
ระยะหมต า 0.40
ระยะหมเหลกเสรม คอนกรตหลอในท (มม.)หลอตดดน ใชดนเปนแบบ สมผสดน หรอ ถกแดดฝน
เหลกเสรม>16มม
เหลกเสรม<=16มมไมสมผสดน ไมถกแดดฝน
พน ผนงตง ทมเหลก<=36มม
คาน เสา พนอนๆคอนกรตหลอในน า
75
50
40
20
100
สมประสทธระยะหมเหลกเสรม
w/c สมประสทธ> 0.65 1.2
0.45 – 0.65 1.0
< 0.45 0.8
Concrete durability
ATTACKING AGENTS•ACIDS•SULFATE •CARBONATION•CHLORIDE •ALKALI-AGGREGATE REACTION
ACID ATTACK
ACID ATTACK•CEMENT IS HIGHLY ALKALINE
CEMENT + H2O CSH + Ca(OH)2•CAN BE ATTACKED BY STRONG ACIDS •pH 6.5, 5.5, 4.5•ACID RAIN -> NITRIC, SUFURIC •MILK PLANT, CHEMICAL PLANT, SEWAGE•SEWAGE ->H2S-> H2SO4
ACID ATTACKS•NO STANDARD RESISTANCE TESTS •USE OF POZZOLANS HELPS•SURFACE TREATMENTS
SULFATE ATTACK
SULFATE ATTACK•SULFATES OF Na, K, Mg, Ca•FOUND IN SOIL, GROUND WATER, FERTILIZERS, INDUSTRIAL
WASTEWATER•VARIOUS MECHANISMS PROPOSED, ESSENTIALLY:ATTACK ON C3AETTRINGITEEXPANSION STRESS•ALSO ATTACK ON Ca(OH)2 AND CSH•ATTACK CRACK, SPALL, SOFTEN
•WHEN SULFATE CONCENTRATION IN SOIL 0.1 TO 2 %•MINIMIZE C3A CONTENT TYPE 5 ?•SINCE ETTRINGITE AND GYPSUM ARE SOLUBLE IN
CHLORIDE SOLUTION, EXPANSION IS LOW IN MARINE ENVIRONMENT. •USE POZZOLAN, LOW W/C
SULFATE ATTACK
Strength, imperm., durability
Water / cement
SULFATE ATTACK
•RESISTANCE TESTS: •1. IMMERSE OR WET AND DRY IN
Mg OR Na SULFATE SOLUTION, FIND EXPANSION, LOSS IN MASS, STRENGTH .
SULFATE ATTACK
•RESISTANCE TESTS: •2. GYPSUM ADDED IN MORTAR MIX
UNTIL SO3 CONTENT = 7% BEFORE CASTINGFIND EXPANSION AT 14 DAYS
SULFATE ATTACK
CARBONATION
CARBONATION•MECHANISM: •CO2 + H2O + Ca(OH)2 CaCO3 + 2H2O
CARBONATION• 1. CAUSES CARBONATION SHRINKAGE, UP TO
300-500 MICROSTRAIN.•2. REDUCES pH FROM 13.5 DOWN TO 9 OR 9.5. THIS BREAKS DOWN THE PROTECTIVE “PASSIVATION” FILM AROUND STEEL.• 3. REACTION NEEDS CO2 AND MOISTURE.
CARBONATION•CO2 CONCENTRATION •.03% OR 300 ppm IN AIR. • ALL CAN BE ATTACKED.•MOISTURE OF 50 TO 70% SPEEDS UP
CARBONATION.
CARBONATION•MEASUREMENT:• MIX 1% PHENOLPHTHALEIN IN ALCOHOL SOLUTION.• BREAK OUT A PIECE OF CONCRETE SPECIMEN. • SPRAY THE SOLUTION ON BROKEN SURFACE. THE
UNCARBONATED PART WILL TURN PINK. THE COLOR OF THE CARBONATED PART REMAIN UNCHANGED.• THE pH AT THE COLOR CHANGE IS ABOUT 9.5,
INDICATING SUBSTANTIAL CARBONATION.
Carbonation test
CARBONATEDUNCARBONATED
CARBONATION•PROTECTIVE MEASURE:•NOT MUCH CAN BE DONE, CONSIDERING
DIFFICULTIES IN CONTROLING MOISTURE OR CO2 IN THE ATMOSPHERE. •USE OF CO2 ABSORBING ADDITIVE HAS BEEN
SUGGESTED.
CHLORIDE ATTACK
CHLORIDE ATTACK•CHLORIDE CONCENTRATION IN SEA ABOUT 3.5%•TIDAL ZONE MORE SEVERE ATTACK•ALL MARINE CONCRETE STRUCTURES
SUSCEPTIBLE.
CHLORIDE ATTACK•ATTACK MECHANISM: Cl- CAUSES RUSTS IN
STEEL BY ELECTROCHEMICAL REACTIONS.•STEEL IN CONCRETE PROTECTED BY SELF-FORMED “RUST” LAYER. •THE LAYER IS STABLE IN HIGH pH and LOW
CHLORIDE CONDITION.
CORROSION MECHANISM
CORROSION MECHANISM•CORROSION CELL
(OH)-Fe2+
Fe2+
STEEL
CONCRETE
ANODEH2O
O2
CATHODECathode Reaction:
O2 + 2H2O 4(OH)-
Anode Reaction: Fe Fe++ + 2e (OH)-
Corrosion Reaction:
Fe++ + (OH)- Fe(OH)2 Fe(OH)3 Fe2O3
CATHODIC PROTECTION• STEEL PROTECTION
STEEL
CONCRETE
ANODE
INSULATOR
CHLORIDE ATTACK•ATTACK MECHANISM (cont.)•1. RUSTING CAUSES SWELLING AND THEN CRACKING OR
SPALLING.•2. FOR RUSTING TO CONTINUE, BOTH MOISTURE AND
OXYGEN MUST BE AVAILABLE.•3. TO STOP CORROSION, MUST REDUCE MOISTURE (BY
DRYING ), REDUCE FLOW (BY REDUCING W/C), OR OXYGEN SUPPLY (BY SURFACE TREATMENT).
CHLORIDE ATTACK•ATTACK MECHAMISM (cont.)•4. NITRITES OF Na OR Ca CONVERT FERROUS IONS INTO
STABLE FERRIC OXIDE. •5. EPOXY COATING OF STEEL.•6. CATHODIC PROTECTION.•7. SPECIAL CASES. STAINLESS STEEL, OR CORR STEEL MAY
BE USED. BUT EXPENSIVE.
CHLORIDE ATTACK•TESTS•1. RAPID TEST OF CHLORIDE PENETRATION INTO
CONCRETE. DONE BY USING 60 V TO DRIVE CHLORIDES IN NaCl SOLUTION, THROUGH CONCRETE DISC.
NaCl NaOH
CHLORIDE ATTACK•TESTS•2. SPRAYING METHOD. BY SPRAYING 0.1 N. AgNO3 ON
FRESHLY BROKEN SURFACE ON CONCRETE. PRECIPITATE OF AgCl SHOWS DARKENED AREA WHERE CHLORIDE IONS HAVE REACHED.
CHLORIDE ATTACK
CHLORIDE
CONCRETE
CHLORIDE ATTACK•TESTS•3. ACCELERATED TEST OF STEEL CORROSION. DONE BY
USING DIRECT CURRENT TO ACCELERATE ELECTRO-CHEMICAL REACTION.
CHLORIDE ATTACK
15 x 30 CM CYLINDER
Epoxy
ACCELERATED CORROSION OF STEEL UNDER 12 DC VOLT.