Μεθοδολογία διαχείρισης ποιότητας τεχνικών έργων σκυροδέματος σε ακραία περιβάλλοντα

Abstract

In this PhD thesis, options about managing the quality of constructions that mainly concern civil engineering projects based on concrete were studied. The primary focus was mostly on the characteristics of concrete and how these can be improved by the addition of contemporary nano-materials, as well as on the management of concrete pouring in the implementation phase of construction in order to ensure the quality of concrete both short term as well as long term throughout the life cycle of the project. In particular, and with regard to the initial phase, the aiming is focused in preventing of small-scale failures, e.g. surface cracks, profound or deep cracks may lead to possible demolition and re-concreting, whilst long term and in relation to the required initial maintenance (within a predefined interval), ensuring the achievement of the maximum possible strength in addition to quality and durability of the construction. The result of the research contributed to establishment of original material given that the maturity curves of a wide used type of concrete produced in Greece were developed, concretes with additional nano-materials were studied and designed, developed and tested exclusively in Greece, while a model was studied and developed for the first time that controls and suggests the optimal start day of a concreting while also incorporating a model to calculate the moisture evaporation rate (EVR) over the concrete surface. The methodology followed to conduct the research and with regard to the primary data, is basically experimental. Initially, an extensive literature review was carried out in order to gain an in-depth understanding of the maturity method. Then, the type of nano-material to be added to the most widely used concrete – C25/30, Interbeton) in Greece was sought and determined, with the ultimate goal of improving its mechanical properties. Then, a number of experiments were organized on cement mortar samples at the premises of the TITAN A.E. Cement Factory (www.titan.gr) in Drepano, Patras, as well as on concrete samples at the facilities of the Quality Control Laboratory of the concrete factory of INTERBETON A.E. (www.interbeton.gr) in Drepano Patras too. The experiments on cement mortars exceeded 380 tests, while on concrete the tests were over 500. The purpose of the experiments initially was to develop the maturity curves both for the "control" concrete mix, i.e. the standard C25/30, and for the one obtained after incorporating the additional nano-material - which in this particular research was nano-silica (nano-SiO2) - and then comparing and contrasting the results. The nano-silica (nano-SiO2 or nS) used was produced and prepared for integration into both cement mortar and concrete samples at the Plasma Laboratory of the Chemical Engineering Department of the University of Patras. Simultaneously and parallel to the experiments, a model was developed which calculates the moisture evaporation rate (EVR) over the concrete surface making it a advantageous and easy-to-use tool for the field engineer compared to the widely used nomogram of ACR 305 R which due to user subjectivity in its calculations, it is prone to errors and deviations. The EVR calculation model was then integrated into the final and broader model to analyze possible concreting start days. The range of possible days is seven (7) from the decision point based on which the model finally determines the optimum, considering independent parameters such as EVR and prevailing meteorological conditions. For the development of the model, a large amount of data (input data) was used - such as ambient temperature, concrete temperature, humidity, wind speed - over a period of two (2) years (2020 – 2021) from two different countries (Greece & Israel) which note a characteristically "adverse" combination of environmental conditions throughout the year and especially in the period from April to October where the majority of concreting takes place. The model was developed and completed through 3 phases, namely: development, validation & testing. Based on the results of the research, the maturity curves were successfully developed for the common (standard) C25/30 concrete as well as for the nano-reinforced, while from the analysis of the curves, a remarkable increase in the mechanical strength of the concrete in which the nano-reinforced was incorporated was recognized. silicon. Also, the final model for choosing the optimal concreting day was tested and verified.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, διερευνήθηκαν επιλογές προκειμένου για τη διαχείριση της ποιότητας των κατασκευών που αφορούν κυρίως σε έργα πολιτικού μηχανικού με βάση το σκυρόδεμα. Η πρωταρχική εστίαση αφορούσε κυρίως στα χαρακτηριστικά του σκυροδέματος και με γνώμονα πως αυτά μπορούν να βελτιωθούν με τη προσθήκη νέων σύγχρονων νάνο-υλικών, όσο και στη διαχείριση της σκυροδέτησης στη φάση της υλοποίησης της κατασκευής προκειμένου για τη διασφάλιση της ποιότητας της σκυροδέτησης τόσο στην αρχική φάση όσο και μακροσκοπικά σε όλο το κύκλο ζωής του έργου. Ειδικότερα και σε ότι αφορά την αρχική φάση, η στόχευση αφορά την αποφυγή αστοχιών μικρής κλίμακας π.χ. ρηγματώσεις επιφανείας, βάθους ή μεγάλης κλίμακας όπως πιθανή καθαίρεση και επανασκυροδέτηση, ενώ μακροσκοπικά και σε συνάρτηση με την απαιτούμενη αρχική συντήρηση (εντός του προβλεπόμενου διαστήματος), τη διασφάλιση επίτευξης της μέγιστης δυνατής αντοχής, ποιότητας και ανθεκτικότητας της κατασκευής. Το αποτέλεσμα της έρευνας συνέργησε στην εισφορά και πρωτοτυπιών αφού αναπτύχθηκαν καμπύλες ωριμότητας ευρέως τύπου χρησιμοποιούμενου σκυροδέματος στην Ελλάδα, σχεδιάστηκαν, αναπτύχθηκαν και δοκιμάστηκαν σκυροδέματα με πρόσθετα νάνο-υλικά τα οποία παρασκευάστηκαν αποκλειστικά στην Ελλάδα, ενώ μελετήθηκε και αναπτύχθηκε για πρώτη φορά μοντέλο το οποίο ελέγχει και προτείνει τη βέλτιστη ημέρα έναρξης μίας σκυροδέτησης ενσωματώνοντας συγχρόνως και μοντέλο για τον υπολογισμό του ρυθμού εξάτμισης υγρασίας (EVR) στην επιφάνεια του σκυροδέματος. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τη διεξαγωγή της έρευνας και σε ότι αφορά τα πρωτογενή δεδομένα, είναι κατά βάση πειραματική. Αρχικά έλαβε μέρος εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση προκειμένου κατανοηθεί σε βάθος η μέθοδος ωριμότητας (maturity method). Στη συνέχεια, αναζητήθηκε και προσδιορίστηκε ο τύπος του νάνο-υλικού που θα προστίθετο στο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο σκυρόδεμα – C25/30, Interbeton) στην Ελλάδα, με απώτερο σκοπό τη βελτίωση των μηχανικών του ιδιοτήτων. Κατόπιν, οργανώθηκε πλήθος πειραμάτων σε δοκίμια τσιμεντοκονιάματος στις εγκαταστάσεις του Εργοστασίου Τσιμέντου ΤΙΤΑΝ A.E (www.titan.gr) στο Δρέπανο Πατρών καθώς και σε δοκίμια σκυροδέματος στις εγκαταστάσεις του Εργαστηρίου Ποιοτικού Ελέγχου του εργοστασίου σκυροδέματος της INTERBETON A.E (www.interbeton.gr) επίσης στο Δρέπανο Πατρών. Τα πειράματα σε τσιμεντοκονιάματα ξεπέρασαν τα 380 δοκίμια ενώ σε σκυροδέματα τα δοκίμια ήταν πάνω από 500. Σκοπός των πειραμάτων αρχικά ήταν να αναπτυχθούν οι καμπύλες ωριμότητας τόσο για το “control” μείγμα σκυροδέματος δηλαδή το standard C25/30, όσο και αυτού που προέκυψε μετά την ενσωμάτωση του πρόσθετου νάνο-υλικού - το οποίο στη συγκεκριμένη έρευνα ήταν το νάνο-πυρίτιο (nano-SiO2) - και στη συνέχεια να γίνει σύγκριση και αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων. Το νάνο-πυρίτιο (nano-SiO2 ή nS) που χρησιμοποιήθηκε, παράχθηκε και προετοιμάστηκε για ενσωμάτωση τόσο στα δοκίμια τσιμεντοκονιάματος όσο και στα δοκίμια σκυροδέματος, στο Εργαστήριο Πλάσματος του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Πάτρας. Ταυτόχρονα και παράλληλα με τα πειράματα, αναπτύχθηκε μοντέλο το οποίο υπολογίζει το ρυθμό εξάτμισης υγρασίας (EVR) στην επιφάνεια του σκυροδέματος καθιστώντας το χρήσιμο και εύχρηστο εργαλείο για το μηχανικό πεδίου συγκρινόμενο με το ευρέως χρησιμοποιούμενο νομογράφημα του ACR 305 R το οποίο λόγω της υποκειμενικότητας του χρήστη στους υπολογισμούς του, είναι επιρρεπές σε σφάλματα και αποκλίσεις. Στη συνέχεια, το μοντέλο υπολογισμού του EVR ενσωματώθηκε στο τελικό και πιο ευρύ μοντέλο προκειμένου για την ανάλυση πιθανών ημέρων έναρξης σκυροδέτησης. Το εύρος των πιθανών ημερών είναι επτά (7) από το σημείο απόφασης βάση των οποίων το μοντέλο τελικά προσδιορίζει τη βέλτιστη, λαμβάνοντας υπόψιν ανεξάρτητους παραμέτρους όπως το EVR και τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες. Για την ανάπτυξη του μοντέλου, χρησιμοποιήθηκε πλήθος δεδομένων (input data) - όπως θερμοκρασία περιβάλλοντος, θερμοκρασία σκυροδέματος, υγρασία, ταχύτητα ανέμου - σε βάθος χρόνου δύο (2) ετών (2020 – 2021) από δύο διαφορετικές χώρες (Ελλάδα & Ισραήλ) οι οποίες σημειώνουν χαρακτηριστικά «δυσμενή» συνδυασμό περιβαλλοντικών συνθηκών καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους και ιδιαίτερα στο διάστημα από Απρίλιο έως Οκτώβριο όπου λαμβάνει χώρα και η πλειοψηφία των σκυροδετήσεων. Το μοντέλο αναπτύχθηκε και ολοκληρώθηκε δια μέσου 3 φάσεων, ήτοι: ανάπτυξη, επικύρωση & δοκιμή (development, validation & testing). Με βάση τα αποτελέσματα της έρευνας, αναπτύχθηκαν επιτυχώς οι καμπύλες ωριμότητας για το κοινό (standard) σκυρόδεμα C25/30 όσο και για το νάνο ενισχυμένο, ενώ από την ανάλυση των καμπυλών, αναγνωρίστηκε αξιοσημείωτη αύξηση της μηχανικής αντοχής του σκυροδέματος στο οποίο ενσωματώθηκε το νάνο-πυρίτιο. Επίσης, το τελικό μοντέλο προκειμένου για την επιλογή της βέλτιστης ημέρας σκυροδέτησης, δοκιμάστηκε και επαληθεύτηκε.