การเปลี่ยนรูป ( Deformation )

การเปลี่ยนรูป ( Deformation ) นางสาวกัลยาทิพย์ บัวทอง รหัสนักศึกษา 5310110034 นางสาวกานต์ชนก สาเหลา รหัสนักศึกษา 5310110036 นายการัณย์ บิลละ รหัสนักศึกษา 5310110038 ภาควิชาวิศวกรรมโยธา มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์

การเปลี่ยนรูป (DEFORMATION) คอนกรีตในสภาพใช้งานอาจมีการเปลี่ยนรูป (Deformation) โดยสาเหตุที่สำคัญ 2 ประการคือ 1. การเปลี่ยนรูปที่ขึ้นอยู่กับน้ำหนักบรรทุก (Load Dependent deformation)ได้แก่ Elastic Strain และCreep 2. การเปลี่ยนรูปที่ไม่ขึ้นกับน้ำหนัก (Load Independent Deformation)ได้แก่Shrinkage และ Thermal Expansion

1.ความเครียดยืดหยุ่น (Elastic Strains) เมื่อใส่แรงลงในคอนกรีตจะเกิดหน่วยการหดตัวหรือความเครียด (Strain) ซึ่งจะพบว่าคอนกรีตไม่ใช่วัสดุที่มีความยืดหยุ่นที่แท้จริง หน่วยแรง (Stress) ไม่ได้แปรผันโดยตรงกับความเครียด ในคอนกรีต

กราฟ Stress-strain ของคอนกรีต

โมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีตโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต • โมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต (modulus ofelasticity), Ecเป็นตัวแสดงถึงความต้านทานต่อการเสียรูป (deformation) ของคอนกรีตเมื่อมีแรงกดอัดมากระทำ จากการทดสอบจะพบว่า • โมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีตมีค่าแปรเปลี่ยนตามกำลังของคอนกรีต หน่วยน้ำหนักของคอนกรีต ตลอดจนขนาด และระยะเวลาที่รับ • น้ำหนักบรรทุก เมื่อคอนกรีตรับน้ำหนักบรรทุกอยู่ในช่วงใช้งาน และกระทำในช่วงเวลาสั้น ๆ

โมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต (ต่อ) ซึ่งอาจจะสมมติให้คอนกรีตเป็นวัสดุยืดหยุ่น (elastic materials) ได้ โดยมีความเครียด (elastic strain) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ หน่วยแรงอัดที่กระทำ แต่เมื่อคอนกรีตรับน้ำหนักบรรทุกคงค้างเป็น เวลานาน ๆ (long-term loading) ต้องพิจารณารวมความเครียดแบบพลาสติก (plastic strain) ด้วย เพราะโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีตจะลดลงทำให้คอนกรีตเกิดการเสียรูปมากขึ้น

รูปแสดงวิธีการหาค่าโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต (Chu-Kia Wang, 1992)

การคำนวณหาค่าโมดูลัสยืดหยุ่นการคำนวณหาค่าโมดูลัสยืดหยุ่น โมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต หาได้จากอัตราส่วนของ • หน่วยแรงอัดต่อความเครียด หากำลังต้านทานแรงอัดของคอนกรีต โดยทั่วไปความสัมพันธ์นี้มีลักษณะเป็นรูปโค้งพาราโบลาซึ่งการหาค่าโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีตนั้น มาตรฐาน ACI และ ว.ส.ท. ใช้วิธี Secant Modulus ซึ่งคำนวณจากความลาดเอียงของเส้นที่ลากจากจุดเริ่มต้นกับจุดใด ๆ ที่ต้องการหา ซึ่งมักพิจารณาที่จุดซึ่งมี • หน่วยแรงอัดเท่ากับ 45% ของหน่วยแรงอัดสูงสุด ( 0.45 fc′) • บนเส้นสัมพันธ์ระหว่าง หน่วยแรงอัดกับความเครียด

โดยถือว่าค่าโมดูลัสยืดหยุ่นที่หาโดยวิธีการนี้เป็นค่าโมดูลัสยืดหยุ่นที่แท้จริงของคอนกรีตในช่วงใช้งาน เนื่องจากได้พิจารณารวมถึงความเครียดแบบพลาสติกเข้าไปด้วยมาตรฐาน ACI และ ว.ส.ท. กำหนดสูตรสำหรับหาค่าโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต โดยให้ขึ้นกับ กำลังต้านทานแรงอัดสูงสุดและหน่วยน้ำหนักของคอนกรีต ดังสมการ Ec= 4,270 w1.5 kg/cm2 หรือ • Ec= 0.043 w1.5MPa…….สมการที่ 1

เมื่อ • Ecคือ โมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีต(kg/cm2) • W คือ หน่วยน้ำหนักของคอนกรีต(ton/m3) • fc′ คือ กำลังอัดสูงสุดของคอนกรีตรูปทรงกระบอกเมื่ออายุ 28วัน (kg/cm2) ดังนั้น สำหรับคอนกรีตธรรมดา ที่มีหน่วยน้ำหนัก W = 2,323 kg/m3จะได้ตามสมการที่ 2 • Ec= 15,100kg/cm2 • Ec = 4,700 MPa ………..สมการที่ 2

สำหรับการทดสอบกำลังรับแรงกดอัดของคอนกรีต สามารถหาค่า โมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีตได้จาก อัตราส่วนระหว่างหน่วยแรงกดอัดกับความเครียดกดอัด บนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงกดอัดและความเครียดกดอัดของคอนกรีต ในช่วงที่คอนกรีตมีพฤติกรรม แบบยืดหยุ่นเชิงเส้น (linear elastic) ซึ่งมาตรฐานASTM C469-94 ได้กำหนดสมการในการคำนวณหาค่าโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีตดังสมการที่ 3 • Ec = (S2 − S 1) /( -0.000050) ………..สมการที่ 3 • เมื่อ • S1คือ หน่วยแรงที่ตัวอย่างทดสอบเกิดความเครียดกดอัดเท่ากับ50× 10-6 mm/mm S2คือ หน่วยแรงที่มีค่าประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ของหน่วยแรงกดอัดสูงสุด ε2คือ ความเครียดกดอัดที่เกิดจากหน่วยแรง S2

การวัดค่าโมดูลัสยืดหยุ่นการวัดค่าโมดูลัสยืดหยุ่น ค่าโมดูลัสยืดหยุ่น (Modulus of Elasticity) ชนิดต่างๆ ของคอนกรีตมีดังนี้ 1. โมดูลัสสัมผัสเบื้องต้น (Initial Tangent Modulus) คือ ค่าความลาดเอียงของเส้นสัมผัสกับโค้งตรงจุดเริ่มซึ่งเป็นค่าโมดูลัสที่ใกล้เคียงโมดูลัสยืดหยุ่นที่สุด 2.โมดูลัสเส้นเชื่อมจุดเริ่มกับจุดบนส่วนโค้ง (Secant Modulus ) นับเป็นค่าโมดูลัส ที่ทำงานได้ดีในทางปฏิบัติ • 3. โมดูลัสสัมผัส (Tangent Modulus) • คือ ความลาดเอียงของเส้นสัมผัสกับจุดใดๆ บนเส้นสัมพันธ์ระหว่าง • หน่วยแรง และหน่วยการหดตัว

ปัจจัยที่มีผลต่อโมดูลัสยืดหยุ่น (Ec) • อัตราการให้น้ำหนัก • - การให้น้ำหนักที่เร็ว จะส่งผลให้ ค่าโมดูลัสสูงขึ้น • ระดับของหน่วยแรง • - Secant Modulus ลดลง เมื่อหน่วยแรงเพิ่มขึ้น • กำลังของคอนกรีต • - Secant Modulus มีค่ามากขึ้น เมื่อกำลังอัดสูงขึ้น

ปัจจัยที่มีผลต่อโมดูลัสยืดหยุ่น (Ec) • สภาพของก้อนตัวอย่าง • ก้อนตัวอย่างที่อยู่ในสภาพเปียก จะให้ค่าโมดูลัสที่สูงกว่าตัวอย่าง • ที่อยู่ในสภาพแห้ง • คุณสมบัติของมวลรวม - มวลรวมที่มีค่าโมดูลัสสูง จะส่งผลให้ค่าโมดูลัสของคอนกรีต ณ ระดับกำลังอัดที่เท่ากับโมดูลัสยืดหยุ่นของคอนกรีตเบา จะมีค่าเพียง 40-50% ของคอนกรีตปกติ

Poisson’s Ratio (µ) Poisson’s คือ อัตราส่วนของ หน่วยการหดตัวด้านข้าง (Lateral Strain) ต่อหน่วยการหดตัวในแนวแกนที่รับน้ำหนัก (Axial Strain)เมื่อมีการให้น้ำหนัก คอนกรีตปกติจะมีค่า 0.15-0.20 คอนกรีตที่มีค่าความแข็งแรงสูงจะมีค่า Poisson’s Raitoต่ำ

2. การคืบ (Creep) การคืบของคอนกรีต คือ การเปลี่ยนรูปของคอนกรีตภายใต้น้ำหนักหรือแรงกดที่บรรทุกค้างไว้เป็นเวลานาน โดยมีข้อสันนิษฐานว่า การคืบของคอนกรีตเกิดจาก การหดตัวของช่องว่างภายในเนื้อคอนกรีต การไหลของซีเมนต์เพสต์(Viscous Flow) การไหลของผลึก (Crystalline Flow) ในวัสดุผสม และ • จากการซึมของน้ำจาก Gelเมื่อมีน้ำหนักภายนอกกระทำต่อคอนกรีต

พิจารณาก้อนตัวอย่างคอนกรีตรูปทรงกระบอกรับแรงกด P แท่งคอนกรีตจะหดตัวทันที โดยระยะหดตัวเริ่มแรก (Elastic Deformation) เป็น เมื่อปล่อยให้แรงกด P ค้างเป็นเวลานานจะพบว่าแท่งคอนกรีตจะหดตัวเพิ่มอีกเป็นระยะ ซึ่งเป็นผลเนื่องจากการคืบของคอนกรีต (Creep) รูปแสดง การคืบของคอนกรีตภายใต้แรงกด P

ความสัมพันธ์ระหว่างระยะหดตัวกับเวลาความสัมพันธ์ระหว่างระยะหดตัวกับเวลา

ปัจจัยที่มีผลต่อการคืบปัจจัยที่มีผลต่อการคืบ • ชนิดของปูนซีเมนต์ - การคืบจะเพิ่มขึ้นเมื่อใช้ปูนซีเมนต์ที่พัฒนากำลังอัดช้า 2. น้ำยาผสมคอนกรีต - น้ำยาลดน้ำและลดน้ำจำนวนมาก การคืบจะใกล้เคียงกับคอนกรีตทั่วๆไป 3. วัสดุทดแทนปูนซีเมนต์ - PFAและ GGBS จะช่วยลดการคืบ

เพิ่มเติม PFA หรือ Fly Ash ใช้ในการผสมคอนกรีตเพื่อเพิ่มคุณสมบัติของคอนกรีตให้ดีขึ้น PFA เป็นของแข็งเม็ดกลมละเอียด ลอยขึ้นมาพร้อมกับอากาศร้อนที่เกิดจากการเผาถ่านหินบดละเอียด (Pulverized Coal) ในโรงไฟฟ้า GGBS หรือ ตะกรันเหล็ก (Ground Granular Blast Furnace Slag) ตะกรันเหล็กเป็นของเหลือ (by-product) ของกระบวนการผลิตเหล็กโดยใช้เตาหลอม ตะกรันที่เกิดขึ้นเป็นผลจากการหลอมตัวของแคลเซียมออกไซด์จากหินปูนกับซิลิกอนและ อะลูมินาจากแท่งเหล็กและถ่านโค้ก(Coke)

ปัจจัยที่มีผลต่อการคืบ(ต่อ)ปัจจัยที่มีผลต่อการคืบ(ต่อ) 4. ชนิดของมวลรวม - การคืบเกิดเนื่องจากซีเมนต์เพสต์ ดังนั้นชนิดของมวลรวมมีผลต่อการคืบน้อย - หินที่มีความแข็งมาก จะก่อให้เกิดการคืบน้อย 5.ปริมาณของมวลรวม - ยิ่งให้ปริมาณมวลรวมมาก การคืบจะยิ่งน้อย 6.อัตราส่วนของหน่วยแรงต่อกำลัง - การคืบจะผันแปรโดยตรงต่ออัตราส่วนนี้ในทุกๆ อายุ ของคอนกรีต 7.อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ - สำหรับซีเมนต์เพสต์ที่คงที่ อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ที่ต่ำลงจะส่งผลให้ การคืบลดลง

ปัจจัยที่มีผลต่อการคืบ(ต่อ)ปัจจัยที่มีผลต่อการคืบ(ต่อ) 8. อายุ ณ เวลารับน้ำหนัก- สำหรับคอนกรีตที่กำหนดให้ การคืบจะลดลง เมื่ออายุคอนกรีต ณ เวลารับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้น9. ขนาดตัวอย่าง- การเพิ่มขนาดจะก่อให้เกิดการลดลงของการคืบ ณ จุดที่อัตราส่วนของหน่วยแรงต่อกำลังคงที่10. ความชื้น- ความชื้นสัมพัทธ์ที่สูง จะก่อให้เกิดการคืบลดลง11. อุณหภูมิ- อุณหภูมิที่สูงขึ้น จะก่อให้เกิดการคืบมากขึ้น

3. การหดตัว (SHRINKAGE) คือ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของคอนกรีตเมื่อเกิดการสูญเสียน้ำหรือเกิดปฏิกิริยาเคมีของส่วนผสม

Plastic Shrinkage • สาเหตุ เกิดจากการจมตัวลงของส่วนที่เป็นของแข็งในส่วนผสมและ การสูญเสียน้ำจากคอนกรีตสด • ลักษณะ จะเกิดก่อนซีเมนต์เพสต์แข็งตัว โดยมีลักษณะแตกที่ผิวหน้า และจะลึกลงไปในเนื้อคอนกรีต จะเกิดในคอนกรีตที่เทเป็นบริเวณกว้าง เช่น ถนนคอนกรีต พื้น

Plastic Shrinkage(ต่อ) • เวลาการเกิด ก่อนซีเมนต์เพสต์แข็งตัว • การป้องกัน 1. ลดการสูญเสียน้ำ 2. เปลี่ยนสัดส่วนผสมเพื่อให้เกิดการยึดเกาะกันดี 3. ไม่ควรทำการเขย่าซ้ำ (Revibration)

Plastic Shrinkage อ้างอิง http://buildingresearch.com.np/services/srr/srr2.php อ้างอิง http://www.donan.com/june-2011-newsletter

Plastic Shrinkage อ้างอิง http://www.cement.org/tech/faq_cracking.asp อ้างอิง http://civil-engg-world.blogspot.com/2011/04/plastic- shrinkage-cracking-in-concrete.html

Autogenous Shrinkage • สาเหตุ ปฏิกิริยาระหว่างน้ำกับปูนซีเมนต์ ก่อให้เกิดการลดลงของปริมาตร คือ ปริมาตรของสิ่งที่ได้จากปฏิกิริยาไฮเดรชั่นน้อยกว่าปริมาตร ของน้ำกับซีเมนต์ที่ผสมกัน

Autogenous Shrinkage(ต่อ) • เวลาการเกิด ในคอนกรีตที่ก่อตัวแล้ว • การป้องกัน เปลี่ยนสัดส่วนผสม โดยคอนกรีตยิ่งเหลวมากจะเกิดการหดตัว ประเภทนี้มาก

Figure 1 – Chemical shrinkage and autogenous shrinkage volume changes of fresh concrete. Not to scale. อ้างอิง http://www.cement.org/tech/cct_cracking.asp

Carbonation Shrinkage • สาเหตุ เกิดจากแคลเซียมไฮดรอกไซด์ทำปฏิกิริยา กับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ ดังสมการ จากปฏิกิริยานี้ก่อให้เกิดการลดลงของปริมาตรของเพสต์และ เกิดการหดตัวเกิดในคอนกรีตที่แข็งตัวแล้ว

Carbonation Shrinkage(ต่อ) • การเกิด เกิดในคอนกรีตที่แข็งตัวแล้ว • ปัจจัยที่มีผล • ความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ • ความพรุนของเพสต์ • ปริมาณความชื้น จุดที่เหมาะสมที่สุดคือ เมื่อความชื้นสัมพัทธ์ 50-60%

Carbonation Shrinkage(ต่อ) • การป้องกัน • ใช้คอนกรีตที่มีเนื้อแน่นมาก • เลือกสัดส่วนที่อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ต่ำ (w/c ต่ำ) • ทำการบ่มคอนกรีตที่ดี

Carbonation Shrinkage อ้างอิง http://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/pavements/pccp/01165/03.cfm

Drying Shrinkage • สาเหตุ การสูญเสียน้ำทั้งจาก capillary และจาก gel pore • การเกิด เกิดในคอนกรีตที่แข็งตัวแล้ว อัตราการหดตัวช่วงแรกจะสูงและ ไม่สามารถคืนกลับได้ (irreversible) แต่อัตราในช่วงหลัง จะเกิดน้อยลง และเป็นประเภทที่กลับคืนได้ (Reversible)

Drying Shrinkage (ต่อ) • การลดความเสี่ยงของการแตกร้าวเนื่องจากการหดตัวทำได้โดย1. ลดปริมาณซีเมนต์ในส่วนผสม2. ทำการบ่มให้เหมาะสมทั้งวิธีการและช่วงเวลา3. ทำแนวต่อให้เหมาะสม4. เลือกใช้ปูนซีเมนต์ประเภท Shrinkage Compensate

Drying Shrinkage อ้างอิง http://leadstates.transportation.org/asr/library/C315/c315c.stm อ้างอิง http://www.cement.org/tech/faq_cracking.asp

การวัดความกว้างของรอยแตกคอนกรีตการวัดความกว้างของรอยแตกคอนกรีต “ รอยแตกร้าวบนกำแพงคอนกรีตลดความงดงามทาง สถาปัตยกรรมของอาคารไปและยังเป็นสาเหตุให้เกิดการรั่ว ซึมของน้ำฝนหรือน้ำใต้ดิน ยิ่งไปกว่านั้นรอยแตกยังเป็น สัญญาณบอกเหตุการณ์วิบัติซึ่งอาจเกิดตามมา ดังนั้นเมื่อเกิด รอยแตกควรจะทำการตรวจสอบ ”

การตรวจสอบรอยร้าวนั้น ควรจะเก็บข้อมูลต่อไปนี้ • ตำแหน่งของรอยร้าวในโครงสร้าง • รูปแบบรอยแตก (แนวราบ, แนวดิ่ง, แนวเฉียงทแยงมุม,กระจายทั่ว) • ความยาว • ความกว้าง (ลึกถึงผิวสีทา, ถึงผิวปูนฉาบ,ทะลุทั้งกำแพง) • อายุ • รอยร้าวยังไม่หยุดหรือเคลื่อนตัว (Active, moving) หรือ รอยร้าวหยุด (Dormant)

เครื่องมือที่ใช้ในการวัดรอยแตกเครื่องมือที่ใช้ในการวัดรอยแตก บรรทัดเปรียบเทียบ (Crack Comparator) กล้องขยายวัดรอยแตก (Graduated magnifying device) อ้างอิงhttp://www.civilclub.net/webboard/index.php?topic=6309.0

ปัจจัยที่มีผลต่อการหดตัวปัจจัยที่มีผลต่อการหดตัว

4. การเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อน (Thermal Movement) คุณสมบัตินี้ นำไปใช้ประโยชน์สำหรับการออกแบบงานฐานรากแผ่นขนาดใหญ่เช่น เขื่อน หรือคอนกรีตที่ต้องสัมผัสกับอุณหภูมิสูงมากหรือต่ำมาก คุณสมบัติที่สำคัญ มีดังนี้ 1. Thermal Conductivity คือ ความสามารถของคอนกรีต ที่จะนำความร้อน หน่วย : J/s/m2 ปัจจัยที่มีผลกระทบ: • ความหนาแน่นของคอนกรีต • อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ ยิ่งมีช่องว่าง (Air Void) มาก คอนกรีตจะนำความร้อนต่ำ เช่น คอนกรีตเบาที่มีช่องว่างสูง จะมีการนำความร้อนต่ำ เช่น เหมาะสำหรับ งานฉนวนความร้อน

Air Void อ้างอิง http://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/pavements/pccp/01165/03.cfm

4. การเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อน(ต่อ) (Thermal Movement) 2. Coefficient of Thermal Expansion คือการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของคอนกรีตที่อุณหภูมิเปลี่ยนไป ปัจจัยที่มีผลกระทบ : 1) สัดส่วนผสม 2) ปริมาณความชื้นคอนกรีต ณ ที่ความชื้น 60% จะมีการขยายตัวสูงสุด 3) คุณภาพและคุณสมบัติของมวลรวม

5. สรุปปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของคอนกรีต เราได้กล่าวมาทั้งคุณสมบัติของคอนกรีตเหลวและคอนกรีตแข็งตัวแล้ว ในหัวข้อนี้จะสรุปปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของคอนกรีต ซึ่งแสดงได้ดังตาราง

THE END

การเปลี่ยนรูป ( Deformation )