Wpływ zbrojenia rozproszonego na parametry mechaniczne betonu

Transkrypt

1 KO N S T R U KC J EE L E M E N T YM AT E R I A ŁY 3 Wpływ zbrojenia rozproszonego na parametry mechaniczne betonu 1. Wprowadzenie Coraz większe wymagania stawiane konstrukcjom inżynierskim wykonywanym z betonu powodują, że beton jako mieszanina wyłącznie trzech podstawowych składników: cementu, kruszywa i wody jest stosowany coraz rzadziej. Do betonów stosuje się: domieszki (plastyfikatory, superplastyfikatory, opóźniające lub przyspieszające czas wiązania, napowietrzające i inne) i dodatki (popiół lotny, żużel wielkopiecowy, pył krzemionkowy). Wprowadza się także zbrojenie rozproszone w postaci włókien. Włókna mogą być naturalne (np. celulozowe, z bambusa, orzecha kokosowego, traw) lub sztuczne (np. stalowe, polipropylenowe, poliwinylowe, polietylenowe, poliwinylowo-alkoholowe, węglowe, szklane). Zbrojenie rozproszone w postaci różnego typu włókien w zasadzie nie wpływa na f c, w pewnym stopniu poprawia f ct, natomiast wpływa decydująco na ciągliwość betonu po przekroczeniu f ct. Poprawa właściwości wytrzymałościowych betonu przy rozciąganiu zależy od właściwego zakotwienia zbrojenia rozproszonego w matrycy betonowej. Przy zastosowaniu jako rozproszonego zbrojenia drucików stalowych, zamiast prostych stosuje się różne kształty karbowane (crimped), z zakrzywionymi końcami (hooked), z końcówkami w kształ- cie wiosła (paddled) i inne. Maksymalne stosowane ilości włókien stalowych w badaniach laboratoryjnych ograniczają się do objętości około % (1 kg/m 3 ) i są uzależnione m.in. od smukłości i kształtu włókna, a ograniczenie objętości do % wynika ze względów technologicznych. W praktyce, jeżeli pominiemy w rozważaniach technologię SIFCON, stosowane ilości są mniejsze i wynoszą od około,5 do 1,% (od 3 do 9 kg/m 3 ). Badania laboratoryjne prowadzone w wielu ośrodkach krajowych i zagranicznych dotyczyły przede wszystkim cech wytrzymałościowych tego nowego tworzywa. Przytoczone poniżej pokazują jak szerokie i zróżnicowane jest spektrum badawcze. Wpływ stosunku długości włókna do maksymalnego wymiaru ziarna kruszywa był przedmiotem badań Chenkui i Guofan a [1]. W tych badaniach zastosowano włókna stalowe dł. 5, 35, 5 mm w ilości do 1,5% objętościowo. Zbadano łącznie około próbek. Mierzono wytrzymałość na rozciąganie przez rozłupywanie (kostki mm) i na zginanie statyczne i zmęczeniowe (belki mm). W badaniach Taylora i innych [] analizowano betony o projektowanej wytrzymałości na ściskanie od do 1 MPa, co MPa. Zastosowano włókna stalowe długości 3 mm i średnicy,5 mm. Badano kostki mm (f c ), belki Artykuł był prezentowany na 51. Konferencji Naukowej w Krynicy 5 r. Mgr inż. Tomasz Domański, dr hab. inż. Artem Czkwianianc, Politechnika Łódzka mm (wytrzymałość na rozciąganie przez zginanie i skręcanie) oraz walce 1/ mm (wytrzymałość na rozciąganie przez rozłupywanie). Zagadnieniami wpływu zbrojenia rozproszonego (włókna stalowe z zakrzywionymi końcami o długości 3 mm i średnicy,5 mm) na f c oraz na σε betonu we wczesnym okresie dojrzewania zajmowali się Ding i Kusterle [3]. Badali betony w wieku od do 7 h z maksymalną zawartością włókna kg/m 3. W badaniach Yao i innych [] pokazano wpływ jednoczesnego użycia różnych typów włókien (węglowe, PP, stalowe z zakrzywionymi końcami o długości 3 mm i średnicy,5 mm) na betony o projektowanej wytrzymałości na ściskanie 5 i 55 MPa. Ilość włókien ograniczono do,5% objętości. Badano kostki mm (wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie przez rozłupywanie) i belki mm (wytrzymałość na zginanie). W badaniach Barragána i innych [5] badano wpływ wysokości próbki, głębokości nacięcia na zależność naprężenie rozwarcie rysy. Jako zbrojenie zastosowano włókna stalowe o długości mm i średnicy,75 mm w ilości kg/m 3. Badaniom poddano również próbki wycięte z większego elementu pionowo i poziomo do kierunku betonowania. Wpływ efektu rozmiaru różnych typów próbek na różne parametry wytrzymałościowe betonów PRZEGLĄD BUDOWLANY /

2 KONSTRUKCJEELEMENTYMATERIAŁY zbrojonych zbrojeniem rozproszonym przedstawiono w badaniach Balendrana i innych [], i Zhou i innych [7]. Badania przeprowadzono dla betonu zwykłego o f c = 115 MPa i betonu lekkiego o f c = 9 MPa. Z badań wynika jednoznacznie korzystny wpływ zbrojenia rozproszonego na właściwości wytrzymałościowe betonu przy rozciąganiu. Wnioski wynikające z badań odnoszą się jednak zawsze do konkretnego rodzaju włókna i betonu i autorzy podkreślają, że nie można ich uogólniać na inne zastosowania. Rys. 1. Badanie próbek walcowych mechaniczne czujniki tensometryczne Rys.. Badania belek czujnik indukcyjny PRZEGLĄD BUDOWLANY / Tabela 1. Skład mieszanek betonowych Seria 5/ 5/1s 5/s 55/ 55/1s 55/s CEM I 3,5R [kg/m 3 ] Popiół lotny [kg/m 3 ] Piasek / [kg/m 3 ] Żwir / [kg/m 3 ] Żwir /1 [kg/m 3 ] Woda [dm 3 /m 3 ] Superplastyfikator BVT 99 [kg/m 3 ] 1,3 1,3 1,3 Włókno stalowe [kg/m 3 ] 3 3 Tabela. Właściwości mieszanki betonowej Parametr/seria 5/ 5/1s 5/s 55/ 55/1s 55/s Opad stożka [mm] Gęstość [kg/m 3 ] Zawartość powietrza [%] 1, 1, 1,,,9, Tabela 3. Rodzaj przeprowadzonych badań Rodzaj próbki Liczba próbek dla każdego betonu Badany parametr Walec 15/3 mm E cm, f c,cyl, σ ε Kostka mm f c,cube, f ct,sp Belka mm fct,be Dlatego też postanowiono, że uzupełnieniem badań stanów granicznych strefy przypodporowej w belkach dwuprzęsłowych [, 9], będą badania dotyczące samej matrycy betonowej i te badania zostały omówione w tym artykule.. Program i opis badań Podstawowy skład mieszanek obu serii przedstawiono w tabeli 1. Skład dobrano tak, by uzyskać betony o projektowanej wytrzymałości f c,cube = 5 i 55 MPa. Do betonów zastosowano zbrojenie rozproszone w postaci włókien stalowych karbowanych o długości 5 mm i średnicy 1 mm. Zbadano betonów (z każdego wykonując po zaroby). Wybrane właściwości mieszanki przedstawiono w tabeli. Rodzaj próbek, ich liczbę i badany na nich parametr przedstawiono w tabeli 3. To zestawienie dotyczy wszystkich zbadanych betonów. Próbki po dwóch dniach od zarobienia rozformowano i na kolejne 1 dni umieszczano w wodzie. Następnie, na kolejne dwa tygodnie próbki, tj. do momentu badania, przechowywano w hali laboratoryjnej. Próbki walcowe do badania przygotowano metodą kapslowania. Badania wykonano po dniach dojrzewania. Próbki badano do zniszczenia. Badania próbek walcowych i kostkowych wykonano w prasie FORM+TEST o nośności 3 kn, z automatycznym sterowaniem prędkością obciążenia. Dla próbek walcowych, w próbie, aż do zniszczenia (E c, f c,cyl, σε), przyrost naprężeń wynosił,57 MPa/s. Badania odkształceń prowadzono mechanicznymi czujnikami tensometrycznymi o bazie pomiarowej 15 mm i dokładności odczytu,1 mm (rys. 1). Czujniki siły i odkształcenia były podłączone do komputerowego Systemu Akwizycji Danych. Czas próbkowania wynosił, s. Przed tym badaniem, na tych samych próbkach określono moduł sprężystości E c, metodą według DIN Przy badaniu wytrzymałości na ściskanie (f c,cube ) przyrost naprężeń wynosił,9 MPa/s, zgodny z normą PN-EN 139-3:1, 33

3 KO N S T R U KC J EE L E M E N T YM AT E R I A ŁY Tabela. Wyniki badań wytrzymałościowych i modułu sprężystości 3 Beton 5/ 5/1s 5/s 7 55/ /1s 5 55/s 5 f c,cube a przy badaniu wytrzymałości f ct,sp,5 MPa/s, zgodnie z normą PN-EN 139-:1. Badanie belek (f ct,fl ) przeprowadzono w prasie ZD- obciążając próbkę jedną siłą skupioną ustawioną centryczne, przy rozstawie podpór 3 mm. Odkształcenia dolnych włókien belki mierzono za pomocą czujnika indukcyjnego o dokładności odczytu,1 mm, na bazie pomiarowej mm (rys. ). Przyrost naprężeń wynosił, MPa/s, a czas próbkowania wynosił, s. 3. Wyniki badań, 5,3 7, 55,7,3 5, W tabeli zestawiono wyniki badań wytrzymałościowych i modułu sprężystości.. Analiza wyników badań f c,cyl 3,5 3, 37,5, 7,,5.1. Właściwości mieszanki betonowej Dodatek włókien stalowych nie wpłynął ani na konsystencję mieszanki betonowej, ani na zawartość powietrza. Zawartość powietrza w betonach o wytrzymałości około 5 MPa (mieszanki bez domieszki) wynosiła od 1, do 1,%, zaś w betonach wytrzymałości około 55 MPa (mieszanki z domieszką upłynniającą) wynosiła od, do,9%. 3,7 3,3 3,3 3, 3,,,,,,,, 3,, 5, 5, 5, Dodatek włókien stalowych spowodował proporcjonalny do ilości włókien wzrost gęstości mieszanki... Wytrzymałości na ściskanie, moduł sprężystości i zależność σε przy ściskaniu / /1s f ct,sp 3,3 3,,17,33 5,7, 3,,, 5, 5, 5,1 5, 5, 5, f ct,fl,15,,9,5 5,35 5, /s 1 3 Rys. 3. Zależność σε przy ściskaniu E c wg DIN Dodatek włókien stalowych nie wpłynął znacząco ani na wytrzymałość kostkową f c,cube, ani na walcową f c,cyl. Została zachowana odpowiednia proporcja między tymi wytrzymałościami. Stosunek f c,cyl /f c,cube wynosił od, do,, średnio,3. 55/ /1s E c 55/s PRZEGLĄD BUDOWLANY / f c f c,cube 37, 311, 3, 91, 311, 311,

4 KONSTRUKCJEELEMENTYMATERIAŁY 1, 1, c / cmax c / cmax 5/s,, 55/s 5/ 5/1s,, 55/1s,, 55/,,,, Rys.. Sprowadzone zależności σε przy ściskaniu 1 1 5/ 55/,,1,,3,,5,,,1,,3,,5, 1 5/1s,,1,,3,,5, 1 5/s,,1,,3,,5, Rys. 5. Zależność σε przy rozciąganiu 1 5/s Rys.. Zależność σε przy rozciąganiu w próbie zginania PRZEGLĄD BUDOWLANY / 1 55/s,,1,,3,,5, 1 55/s Włókna stalowe nie miały też wpływu na moduł sprężystości. Wartości modułu określone dwiema metodami (wg DIN-15 i z zależności σε z przedziału od,1 do, f c były zbliżone i prawie jednakowe dla wszystkich betonów. Wpływ zbrojenia rozproszonego daje się natomiast zauważyć w zależności σε, ale jedynie w opadającej części wykresu (rys. 3 i ). Na wykresach przedstawiono wartości średnie z trzech baz pomiarowych o długości 15 mm, usytuowanych na próbce walcowej co 1. Ze względu na dużą częstotliwość pomiarów, zależności σε w części wznoszącej wykresu, do osiągnięcia wytrzymałości f c,cyl przedstawiono linią ciągłą, zaś dla części opadającej poszczególne odczyty zaznaczono w postaci kropek połączonych linią. Każdy kolejny odczyt następował po, s. Odkształcenia odpowiadające f c,cyl w betonach serii 5 wynosiły od, do,, zaś w betonach serii 55 od, do,. Z rysunku wynika, że niewielki wpływ zbrojenia rozproszonego na odkształcenia betonu po osiągnięciu wytrzymałości f c,cyl daje się zauważyć jedynie przy zastosowaniu kg włókien stalowych w m 3 betonu..3. Wytrzymałość na rozciąganie i zależność σε przy rozciąganiu Włókna stalowe wpłynęły korzystnie na wytrzymałość betonu przy rozciąganiu (tab. ). Wyniki badań wytrzymałościowych uzyskanych metodą rozłupywania i zginania wykazują, że wytrzymałość betonu z dodatkiem włókien w ilości 3 kg/m 3 była większa o około 1%, a przy ilości kg/m 3 o 5% w odniesieniu do wytrzymałości samej matrycy betonowej. Na rysunku 5 przedstawiono zależność σε przy rozciąganiu w próbie zginania. Rozmyty wykres części wznoszącej wynika z przyjętego czasu próbkowania (, s) i dokładności czujnika (,1 mm), o rząd wielkości mniejszej niż w wypadku naprężeń ściskających. Podobnie 35

5 KO N S T R U KC J EE L E M E N T YM AT E R I A ŁY jak dla ściskania, w części opadającej wykresu poszczególne odczyty zaznaczono w postaci kropek. Dla belek 55/1 s nie podano zależności z powodu awarii czujnika. Charakter wykresu σε w części wznoszącej jest wyraźnie krzywoliniowy z odkształceniem odpowiadającym f ct,fl równym od,15 do,. Próbki bez zbrojenia rozproszonego po osiągnięciu odkształceń około, niszczyły się gwałtownie. Dodatek włókien w ilości 3 kg/m 3 wpłynął nieznacznie na ciągliwość betonu. Odkształcenia przy zniszczeniu wynosiły około,. Dodatek włókien w ilości kg/m 3 wpłynął na ciągliwość zdecydowanie. Na rysunku przedstawiono zależność σε części opadającej aż do odkształcenia 3. Tej wartości odkształcenia, przy bazie pomiarowej mm, odpowiada rysa o szerokości rozwarcia mm. Nobiakrylak nowe możliwości Równomierne rozmieszczenie punktów pomiarowych świadczy o realizacji badania z zachowaniem stałego przyrostu odkształcenia. Maksymalne naprężenia σ ct utrzymują się aż do wartości 5 (rysa 1 mm), a w wypadku betonu 55/ s obserwujemy przy tych naprężeniach maksimum naprężeń o wartości przekraczającej f ct. Wysoki jest też poziom naprężeń σ ct przy szerokości rozwarcia rysy mm (odkształcenia 1 ). Dla betonu 5/ s wynosi on około, f ct, a dla 55/ s około,7 f ct. BIBLIOGRAFIA [1] Chenkui H., Guofan Z., Properties of Steel Fibre Reinforced Concrete Containing Larger Coarse Aggregate, Cement & Concrete Composites 1995, pp [] Taylor M., Lydon F. D., Barr B. I.G., Toughness Measurements on Steel Fibrereinforced High Strength Concrete, Cement & Concrete Composites 1997, pp [3] Ding Y., Kusterle W., Compressive stressstrain relationship of steel fibre-reinforced concrete at early age, Cement & Concrete Research, pp [] Yao W., Li J., Wu K., Mechanical properties of hybrid fiber-reinforced concrete at low fiber volume fraction, Cement & Concrete Research 3, pp. 73. [5] Barragán B. E., Gettu R., Martin M. A., Zerbino R. L., Uniaxial tension test for steel fibre reinforced concrete-a parametric study, Cement & Concrete Composites 3, pp [] Balendran R. V., Zhou F. P., Nadeem A., Leung A. Y. T., Influence of steel fibres on strength and ductility of normal and lightweinght high strength concrete, Building and Environment, pp [7] Zhou F. P., Balendran R. V., Jeary A. P., Size effect on flexural, splitting tensile, and torsional strengths of high-strength concrete, Cement & Concrete Research 199, pp [] Domański T., Czkwianianc A., Wpływ zbrojenia rozproszonego na odkształcenia w strefach ścinania w belkach dwuprzęsłowych, Krynica, s. 19. [9] Domański T., Badania strefy przypodporowej ze zbrojeniem rozproszonym w belkach dwuprzęsłowych, Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej Zeszyt 1, s NOBIAKRYLAK emalia poliuretanowa akrylowa marki Nobiles ma teraz nowe zastosowanie. Można jej używać nie tylko do malowania powierzchni metalowych, ale także do malowania i odnawiania powierzchni laminowanych: np. jachtów, kajaków i desek windsurfingowych. 3 Nobiakrylak przeznaczony jest za tem do ochronno-dekoracyjnego malowania oraz odnawiania po wierzchni: metalowych, np. maszyn, urządzeń, podwozi samochodowych; elementów i konstrukcji stalowych; laminowanych np. sportowego sprzętu wodnego; drewnianych i drewnopodobnych narażonych na działanie wody i niekorzystnych warunków atmosferycznych. Charakteryzuje się doskonałą przyczepnością do malowanych podłoży po wcześniejszym zagruntowaniu podkładem antykorozyjnym, np. Podkładem Poliuretanowym (podłoże stalowe) lub epoksydowym Nobiepoksyd (stalowe, laminaty). Emalia nadaje wysoki połysk i ma szeroką paletę kolorów. Jej głównymi zaletami są szybkie schnięcie, odporność na działanie czynników mechanicznych, dobre zabezpieczenie malowanych powierzchni przed działaniem niekorzystnych warunków atmosferycznych (np. promienie UV) i chemicznych oraz odporność na działanie wody. Emalia wraz z podkładem Nobiepoksyd posiada atest Centrum Techniki Okrętowej w Gdańsku. Dostępna jest w blaszanych opakowaniach o pojemności 1 l i 1 l. Cena: wg cennika netto za opakowanie 1 litr: od 3,99 do,99 zł (w zależności od koloru). PRZEGLĄD BUDOWLANY /