ZASTOSOWANIE METODY SKALOWANIA W ULTRADŹWIĘKOWEJ OCENIE WŁAŚCIWOŚCI BETONU ŻYWICZNEGO

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE METODY SKALOWANIA W ULTRADŹWIĘKOWEJ OCENIE WŁAŚCIWOŚCI BETONU ŻYWICZNEGO Andrzej GARBACZ Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Lądowej 1. WPROWADZENIE Betony żywiczne PC ( z ang. Polymer Concrete) zaliczane są do bezcementowych kompozytów betonopodobnych [1]. Stosowane są one w wielu odpowiedzialnych zastosowaniach, takich jak rury, płyty, elementy kanalizacji oraz zbiorniki na ciecze agresywne, np. wanny elektrolityczne, gdzie stosunkowo wysoki koszt materiałowy rekompensowany jest przez ich dobre właściwości techniczne, a szczególnie chemoodporność [2-4]. Użyteczność i trwałość elementów z PC wymaga przeprowadzania kontroli jakościowej. W tym celu korzystne byłoby opracowanie odpowiedniej procedury badań nieniszczących []. W odniesieniu do elementów z betonu żywicznego, ze względu na podobieństwo cech geometrycznych struktury betonów cementowych i betonów żywicznych, sposób postępowania mógłby zasadniczo odpowiadać ogólnie znanej metodyce badań ultradźwiękowych betonów cementowych [6]. Polega ona na pomiarze prędkości fali ultradźwiękowej przechodzącej przez element betonowy i określeniu zależności między szybkością fali a wybranymi cechami technicznymi kompozytu wyznaczonymi w badaniach niszczących (krzywe referencyjne). Przy opracowywaniu krzywych referencyjnych należy wziąć pod uwagę różnice we właściwościach, szczególnie w odniesieniu do cech sprężystych, zaczynu cementowego i spoiwa żywicznego. W przypadku kompozytów żywicznych do podstawowego zbioru elementów wpływających na rozprzestrzenianie się fali ultradźwiękowej można zaliczyć: rodzaj spoiwa i wypełniacza, zawartość i uziarnienie kruszywa, zawartość mikrowypełniacza oraz zawartość porów []. Istotnym czynnikiem jest również adhezja między spoiwem żywicznym a kruszywem [,7]. 2. MATERIAŁ I PROCEDURA BADAWCZA Zgodnie z instrukcją ITB nr 9 [8] określenie zależności między wynikami badań nieniszczących a właściwościami technicznymi przeprowadza się dwiema metodami: - skalowania: metoda dokładnego wyznaczania związków empirycznych na podstawie statystycznej analizy korelacyjnej wyników badania próbek betonowych, - dobierania hipotetycznej krzywej regresji na próbkach wykonanych według tej samej receptury i technologii. 1

2 W niniejszej pracy analizie statystycznej poddano zbiór wyników badań nieniszczących i niszczących zgromadzonych w Katedrze Inżynierii Materiałów Budowlanych Politechniki Warszawskiej wykonanych łącznie dla 3 zbiorników z betonu żywicznego na ciecze chemicznie agresywne. Wykonane były one z betonu winyloestrowego (nominalna zawartość żywicy 9% mas.) według tej samej receptury i technologii. Poszczególne obiekty różniły się zakresem przeprowadzonych badań. Skutkowało to niekompletnym zestawem wyników dla analizowanej populacji zbiorników. Najpełniejszy zestaw wyników otrzymano dla obiektów włączanych do użytkowania, dla których z tej samej mieszanki żywicznej wykonano równolegle próbki beleczkowe (4x4x16cm) do badań cech technicznych. Badania cech technicznych (gęstość pozorna, porowatość, zawartość spoiwa, nasiąkliwość, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu) przeprowadzono zgodnie z odpowiednimi normami i wytycznymi [9]. Badania nieniszczące przeprowadzono metodą ultradźwiękową oraz dodatkowo metodą sklerometryczną bezpośrednio na powierzchni zbiorników. Pomiary wykonano w sześciu obszarach pomiarowych po pomiarów w każdym obszarze. Ultradźwiękowe badania pomiaru czasu przejścia wykonano metodą powierzchniową [] za pomocą aparatu Concrete Teter CT1 prod. Unipan-Ultrasonic przy stałym rozstawie głowic 8cm. Przed pomiarem przeprowadzono kalibrację przyrządu na próbce beleczkowej z plexi zgodnie z instrukcją producenta. Badania sklerometryczne przeprowadzono za pomocą młotka Schmidta typu N stosując procedurę badawczą opisaną w instrukcji ITB nr 2 [11]. Badania ultradźwiękowe i sklerometryczne wykonano odpowiednio na 13 i 6 obiektach. 3. WYNIKI I ICH DYSKUSJA Podsumowanie wyników badań nieniszczących wykonanych na powierzchni zbiorników oraz badań cech technicznych próbek beleczkowych zebrano w tablicy 1. Tablica 1. Zestawienie wyników analizy statystycznej właściwości betonu żywicznego, z którego wykonano zbiorniki na ciecze chemicznie agresywne Prędkość średnia fali ultradźw., v Liczba odbicia L Gęstość pozorna Porowatość Zawartość spoiwa Nasiąkli - wość Wytrzym.na ściskanie Wytrz na rozciaganie. przy rozłup Jednostka km/s - kg/m 3 % % % MPa MPa Liczba wyników Wynik średni 4, 49, ,22 9,38,1 81,23 28,9 wynik min. 3,41 4,87 3,8 8,2,3 61,6 24,6 Wynik maks. 4,6 9, , 11,24,77 2, 33,62 Odchylenie standardowe,26 2,36 34,84 1,28,7,1 9,6 4,91 Współczynnik zmienności,6,,2,21,6,99,12,17 Wyniki badań prędkości ultradźwiękowej stanowią próbę losową o największej liczności (113 obiektów). Prędkość fali charakteryzuję się nierównomiernym rozkładem o znacznym rozrzucie wyników - 1,24km/s. Na podstawie otrzymanego histogramu (rys.1) można zauważyć, że większość wyników (8 %) jest wyższa niż 4 km/s. 2

3 Wyniki badań sklerometrycznych (rys.2) zawierają się w wąskim zakresie wartości liczby odbicia - 88% wyników mieście się w przedziale Wartości liczby L znacznie odbiegające od reszty (L=7 6) stanowią % populacji i powinny być odrzucone w dalszej analizie statystycznej V [km/s] Rys.1 Rozkład wartości prędkości fali ultradźwiękowej, v, dla badanych zbiorników z betonu winyloestrowego ,7 1,7 18,3 33,3 21,7 1, 3,3 3,3,,,,,, 1, Rys.2 Rozkład wartości liczby odbicia, L, dla badanych zbiorników z betonu winyloestrowego L Gęstość pozorna (rys.3a) odznacza się najmniejszym rozrzutem spośród badanych cech. Wartość średnia wynosi 221kg/m 3 przy niskim współczynniku zmienności - 2%. Rozkład wartości gęstości jest nierównomierny - gęstość większości próbek (ok. 8%) była większa od 2 kg/m 3. Rozkłady zawartości spoiwa (rys.3b) oraz porowatości (rys.3c) są zbliżone do rozkładu normalnego. Średnia zawartość spoiwa w próbkach beleczkowych wynosi 9,4 % przy niskim współczynniku zmienności 6%. Jest wartość zbliżona do wartości projektowanej. Zawartość spoiwa niższą niż 9 % stwierdzono w przypadku % próbek. Średnia wartość porowatości wynosi 6,2 % przy stosunkowo dużym współczynniku zmienności 21%. Zależność między zawartością spoiwa i porowatością (rys.3d) charakteryzuje się niskim współczynnikiem korelacji (r=,48). a) b) ,9, 21 1, ,9 216, , 2 23,3 22 1, 224 gęstość pozorna [kg/m^3] 9, , ,3 8,6 8,9 9,2 9, 9,8,1,4,7 11 zawartość spoiwa [%] c) d) 1 3, 3,3,4 4, 18, 12, 13,13,,9 7,6 6,, 6, 7, 4,3 3,3 8, 1,1 1,1 9, porowatość [%] y = -1,217x + 17,742 R 2 =, porowatość [%] zawartość spoiwa [%] Rys. 3. Rozkład wartości: a) gęstości pozornej, b) zawartości spoiwa, c) porowatości oraz d) zależność między zawartością spoiwa a porowatością dla badanych próbek betonu winyloestrowego 3

4 Jednakże, daje się zauważyć trend spadku porowatości ze wzrostem zawartości spoiwa. Potwierdza to jednocześnie, że obok zawartości spoiwa stopień zagęszczenia próbek w formach może mieć istotny wpływ na porowatość. Różnice w porowatości próbek nie miały istotnego wpływu na ich nasiąkliwość, która dla 8% próbek była niższa niż,2%. Wskazuje to, że zasadniczą część porów stanowiły pory zamknięte, co jest charakterystyczne dla betonów żywicznych. Badania wytrzymałości na ściskanie przeprowadzono na próbkach reprezentujących 111 obiekty (rys.4a). Rozkład wartości wytrzymałości charakteryzuje się stosunkowo dużym rozrzutem. Średnia wartość wytrzymałości wynosi 81MPa przy dużym współczynnikiem zmienności - 12%. Zależność między wytrzymałością na ściskanie a zawartością spoiwa charakteryzuje się niskim współczynnik korelacji (r=,2) z zauważalnym trendem wzrostu wytrzymałości na ściskanie ze wzrostem zawartości spoiwa żywicznego. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu (rys.4b) stanowią populację o najmniejszej liczności (4 obiektów). Rozkład wartości tej cechy zbliżony jest do rozkładu normalnego. Wartość średnia wytrzymałości wynosi 29 MPa, a współczynnik zmienności 17%. a) b) 1 18, 16,2 1,3 13, 8,1 8,1 6,3 6,3 4, 2,7, wytrzymałość na ściskanie [MPa] 3 27, 17, 1, 12, 7, 2,,, 2,, wytrzymałość na rozłupywanie [MPa] Rys.4. Rozkład wartości: a) wytrzymałości na ściskanie, b) wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu W kolejnym etapie pracy, wyniki badań poddano analizie statystycznej w celu stwierdzenia czy istnieją związki statystyczne, które mogłyby stanowić podstawę wyznaczenia krzywych skalujących dla nieniszczącej oceny wybranych właściwości technicznych betonu żywicznego w konstrukcji. W analizach brano pod uwagę tylko te obiekty, dla których dysponowano jednocześnie wynikami badań NDT i badań cech technicznych. Przy wyznaczaniu krzywych skalujących stosowano typów funkcji regresji: liniową, logarytmiczną, wielomianową, potęgową i wykładniczą. Na podstawie przeprowadzonej analizy statystycznej można stwierdzić, że najczęściej największe wartości współczynników regresji uzyskiwano w przypadku stosowania wielomianu drugiego stopnia. W przypadku zależności między prędkością fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na ściskanie albo zawartością spoiwa nieznacznie wyższe współczynniki regresji otrzymano dla funkcji potęgowej. Analiza wyników wskazuje, że prędkość fali ultradźwiękowej rośnie ze wzrostem gęstości pozornej próbek (rys.a), jednakże zależność ta charakteryzuje się niskim współczynnikiem korelacji r=,8. Bardziej statystycznie istotną zależność (rys.b) otrzymano dla relacji między prędkością fali a zawartością spoiwa (r=,7). Natomiast, porowatość próbek w badanym zakresie nie miała istotnego wpływu na prędkość fali. Zależność (rys.6) między wytrzymałością na ściskanie, Rc (MPa) a prędkością fali ultradźwiękowej, v (km/s) najlepiej opisuje (r=,7) krzywa ekspotencjalna o równaniu: Rc = 18,4 exp (,34v) oraz funkcja wielomianowa: Rc = -,168v2+27,83v-34,12 (r=,69). 4

5 W przypadku zależności między prędkością fali a wytrzymałością na rozłupywanie najwyższy współczynnik regresji (r=,6) uzyskano dla funkcji wielomianowej. Niskie współczynniki regresji mogą być spowodowane przyjętą techniką badania (metoda powierzchniowa), różnicą w sposobie zagęszczania i utwardzania betonu w zbiorniku i w próbkach beleczkowych. V [km/s] 4, 4, 3, y = -1E-x 2 +,61x - 61,89 R 2 =,3418 3, gęstość pozorna [kg/m^3] V[km/s], 4, 4, 3, 3, y = 1,24x,3 R 2 =, zawartość spoiwa [%] Rys.. Zależność między prędkością fali ultradźwiękowej i: (a) gęstością pozorną oraz (b) zawartością spoiwa 12 Rc [MPa] Rc = -.168v v Rc (ITB) =.879v v V [km/s] Rys.6. Zależność między prędkością fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na ściskanie krzywa skalująca dla badanego betonu winyloestrowego; na rysunku dodatkowo zamieszczoną krzywą regresji (linia przerywana) otrzymana w wyniku zastosowania procedury korygowania tzw. krzywej ITB dla betonów cementowych Według instrukcji ITB nr 9 dla badań ultradźwiękowych, wartość współczynnika regresji powinna wynosić nie mniej niż,7. Miarą jakości dopasowania oprócz współczynnika regresji jest średnie kwadratowe odchylenie względne, które w analizowanym przypadku wynosiło: v k = n i= 1 Ri ( V ) Ri ( ) Ri ( V ) n 1 2 *% =,8 < 12 % gdzie: R i (V) wytrzymałość na ściskanie oszacowana na podstawie prędkości fali, R i wytrzymałość na ściskanie wyznaczona metoda niszczącą. Ponieważ otrzymana funkcja regresji odznacza się współczynnikiem r zbliżonym do wymaganego, a wartość ν K jest mniejsza od wartości granicznej, można przyjąć otrzymaną krzywą jako krzywą skalowania dla badanego betonu żywicznego. Gwarantowana wytrzymałość na ściskanie betonu winyloestrowego wynosi w analizowanym przypadku 62 MPa. Wartość gwarantowana obliczona na podstawie wyników badań niszczących próbek beleczkowych wynosi 6 MPa. Można więc uznać, że przyjęta krzywa skalująca daje dość dobre oszacowanie wytrzymałości gwarantowanej Podobna analizę zastosowano dla wyników badań sklerometrycznych. Na jej podstawie można stwierdzić, że za wyjątkiem wytrzymałości na ściskanie, uzyskuje się znacznie niższe wartości współczynników regresji (rys.7). Wskazuje to, że metoda ultradźwiękowa jest bardziej odpowiednia do oceny stanu, zwykle cienkościennych elementów z betonów żywicznych.

6 Rys.7. Współczynniki regresji dla,8 zależności między prędkością fali,7 ultradźwiękowej, v, oraz liczby,6, odbicia, L, a wybranymi właściwościami technicznymi betonu,4,3, żywicznego (gęstość pozorna,, porowatość, zawartość spoiwa,, gęst poz porow zaw spoiw nasiąkl Rc nasiąkliwość, wytrzymałość na cecha korelowana wsp regr dla V wsp regr dla L ściskanie 4. WNIOSKI 1. Procedury badań ultradźwiękowych opracowane dla betonu cementowego mogą być wykorzystane do badań betonu żywicznego po opracowaniu odpowiednich krzywych skalujących. 2. W wyniku analizy regresji dla zależności między prędkością fali oraz liczbą odbicia a poszczególnymi cechami technicznymi najwyższe wartości współczynnika regresji uzyskano dla wytrzymałości na ściskanie (r >,7) przy średnim kwadratowym odchyleniu względnym poniżej 12%. W pozostałych przypadkach współczynniki były niższe. Wskazuje to na konieczność dopracowania procedury skalowania w odniesieniu do betonów żywicznych. 3. Niezależnie od istotności funkcji regresji najwyższe wartości współczynników regresji otrzymano w większości przypadków dla krzywej parabolicznej. Można sądzić, że krzywa wielomianowa jest najodpowiedniejsza do nieniszczącej oceny stanu betonów żywicznych. Równocześnie zauważono, że współczynniki regresji otrzymane w badaniach ultradźwiękowych były zawsze większe od odpowiadającym im współczynnikom w badaniach sklerometrycznych. Na tej podstawie można wnioskować, że metoda pomiaru prędkości fali ultradźwiękowej jest bardziej przydatna do nieniszczącej oceny stanu elementów wykonanych z betonów żywicznych. współczynnik regresji PODZIĘKOWANIA Praca została przygotowana w ramach pracy statutowej - grant nr 4 G Wstępna obróbka statystyczna wykorzystanego w publikacji zbioru danych została przeprowadzona przez Arkadiusza Dawca w ramach pracy inżynierskiej wykonanej pod kierunkiem autora. LITERATURA 1. Czarnecki L. Polymers in Concrete, Concrete International, Aug., 2. Czarnecki L.: Betony żywiczne, Arkady, Warszawa Fowler D.W.: Polymers in Concrete: a vision for the 21st century, Cement &Concrete Composites, 21 (1999), Czarnecki L., Garbacz A.: Betony winyloestrowe jako materiał wanien elektrolitycznych, 2 Polskie Symposjum Kompozyty Polimerowe, Szczecin (1994), Garbacz A., Ultrasonic methods applicable to C-PC, Proc. XI International Congress on Polymers in Concrete ICPIC 4, Berlin, s Runkiewicz L. Badania konstrukcji żelbetowych, Wyd. Biuro Gamma, Warszawa, 2, ss Garbacz A., Garboczi E.J.: Ultrasonic evaluation methods applicable to polymer concrete composites, NIST Report (NISTIR 697), National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD (USA) 8. Instrukcja ITB nr 9: Instrukcja stosowania metody ultradźwiękowej do nieniszczącej kontroli jakości betonu w konstrukcj, ITB, Warszawa Instrukcja ITB nr 194: Badania cech mechanicznych betonu na próbkach wykonanych w formach, ITB, Warszawa Runkiewicz L., Zacharski A.: Zastosowanie ultradźwiękowej powierzchniowej metody do oceny wytrzymałości i jednorodności betonu w konstrukcji, Mater. XXII KKBN, Szczyrk, Instrukcja ITB nr 2: Instrukcja stosowania młotków Schmidta do nieniszczącej kontroli jakości betonu w konstrukcji, ITB, Warszawa