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.