dr inż. Tomasz Ponikiewski dr hab. inż. Jacek Gołaszewski, prof. nzw w Pol. Śl.

Transkrypt

1 dr inż. Tomasz Ponikiewski dr hab. inż. Jacek Gołaszewski, prof. nzw w Pol. Śl. Politechnika Śląska, Katedra Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych Wpływ zawartości włókien stalowych na ich rozkład w elementach z fibrobetonu samozagęszczalnego The influence of steel fibres contents on their distribution in fibre reinforced self-compacting concrete construction elements Streszczenie W artykule przedstawiono wpływ wybranej metody formowania fibrobetonów samozagęszczalnych na rozmieszczenie włókien stalowych. Zaprezentowano analizę elementów belkowych, wykonanych z betonu modyfikowanego włóknami stalowymi i poddanych procesowi formowania brzegowego. Rozpatrywano dwie długości włókien stalowych (35 i 50 mm) na trzech poziomach ich udziału objętościowego w mieszance ( %). Analizę struktury betonu zawierającego włókna stalowe wykonano przy pomocy tomografii komputerowej. Wykonano również badania wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu. Wykonane badania potwierdziły problemy z nierównomiernym i kierunkowym rozmieszczaniem się zbrojenia rozproszonego w trakcie zabiegów technologicznych. Abstract The paper presents influence of chosen self-compacting concrete (SCC) forming method on steel fibres distribution. Analysis of beams construction self-compacting concrete made elements with the addition of steel fibres and coastal forming were presented. Considered are two lengths of steel fibres (35 and 50 mm) at 3 levels of volume fraction ( %). Computed tomography method was used to fibre reinforced concrete structure analysis. Additionally, a study of flexural strength was carried out on SCC with steel fibres. These studies have confirmed the variable and directional distribution of using steel fibres in SCC during technological processes. 1 Wprowadzenie Technologia betonu samozagęszczalnego (BSZ) pozwala na kształtowanie struktury obiektów inżynierskich w sposób szybszy i bezpieczniejszy niż w przypadku zastosowania betonu o tradycyjnych właściwościach. Zabiegi technologiczne formowania elementów betonowych z betonu samozagęszczalnego są znacznie uproszczone a efekty końcowe pozwalają na eksponowanie struktur stwardniałego betonu w szerszym zakresie. Jedną z modyfikacji rozpatrywanych betonów jest dodawanie do ich objętości włókien stalowych w postaci zbrojenia rozproszonego. Nie jest to zagadnienie nowe w technologii betonu [1][2][5][4][5][6][8][8][9], lecz w przypadku betonów o właściwościach samozagęszczalności stanowi aktualny obszar badań [10][11][11][12]. Istotą problemu jest ustalenie jak w różnych konstrukcjach

2 zmienia się rozmieszczenie zbrojenia rozproszonego w zależności od sposobu układania mieszanki samozagęszczalnej, biorąc pod uwagę jej właściwości reologiczne, udział objętościowy i parametry geometryczne włókien stalowych. Zasadniczym celem prezentowanych badań było ustalenie rozmieszczenia i ukierunkowania włókien stalowych w betonach samozagęszczalnych (BSZWS) dla rozpatrywanego modelowego elementu konstrukcyjnego. 2. Założenia i metodyka badań Jako modelowym element konstrukcyjny, analizowano belki betonowe o wymiarach 120x15x15 cm, formowanym w miejscu skrajnym (rys.1), po stwardnieniu ciętym na dwie belki o wymiarach 60x15x15 cm. Belka II Belka I Rys. 1. Formowanie belki betonowej w pozycji skrajnej, poddanej dalszym badaniom jako dwie osobne belki. Tak przygotowane belki poddano analizie tomografią komputerową oraz badaniom wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu. Skład badanych mieszanek samozagęszczalnych przedstawiono w tablicy 1. Rozpatrywano w badaniach dwa rodzaje włókien stalowych na trzech poziomach udziału objętościowego. Charakterystyka geometryczno-materiałowa badanych włókien stalowych została przedstawiona w tablicy 2. Kryterium samozagęszczalności spełniały mieszanki w całym rozpatrywanym przedziale zawartości włókien. Tablica 1. Skład mieszanek samozagęszczalnych zawierających włókna stalowe SKŁADNIK kg/m 3 CEM I 490,0 Piasek 0-2 m 800,0 Kruszywo otoczakowe 2-8 mm 800,0 Włókna stalowe (0,5-1,0-1,5%) Superplastyfikator Glenium SKY 592 (3,5 % m.c.) 17,2 Stabilizator RheoMatrix (0.4 % m.c.) 1,96 Punkt piaskowy (%) 50,0 W/C 0,41 Klasa konsystencji (SF) = 770 mm SF3

3 Tablica 2. Charakterystyka geometryczno-materiałowa badanych włókien stalowych Nazwa Długość (mm) Szerokość (mm) Przekrój poprzeczny Kształt Materiał Wytrzym. na roz.(n/mm 2 ) SW 35/1.0 35±10% 2,30-2,95 część okręgu Stal niskowęgl. 880±15% SW 50/1.0 50±10% 2,30-2,95 część okręgu Stal niskowęgl. 880±15% Zakres przeprowadzonych badań obejmował: przygotowanie mieszanek BSZ wg podanego składu w tablicy 1, oznaczenie klasy samozagęszczalności SF po upływie 10 minut od ukończenia procesu mieszania, zaformowanie elementów jako belek długich o wymiarach 120x15x15 cm, rozformowanie otrzymanych belek po 24 godzinach od formowania, cięcie belek 120x15x15 cm na dwie belki z określeniem belki bliższej miejsca formowania (belka I) oraz dalszej od miejsca formowania (belka II), analiza metodą tomografii komputerowej (7-14 dni od zaformowania), wykonanie badania wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu f fl (28 dni od zaformowania), belki wykonano z dwoma powtórzeniami. Zastosowany do badań tomograf komputerowy był wyposażony w 64 rzędy detektorów, a rekonstruowana grubość warstwy serii natywnej badania tomograficznego wynosiła mm, co stanowiło szerokość pojedynczego detektora. Promieniowaniem prześwietlającym próbki była wiązka promieni rentgena. Dla każdej belki betonowej wynikiem badań była seria natywna zapisana w formacie DICOM składająca się z minimum 950 obrazów, seria rekonstruowana składająca się minimum z 1500 obrazów, przy uwzględnieniu interwału w zakresie 50 80% grubości warstwy natywnej. Warunki akwizycji były wyznaczone przez napięcie lampy nie mniejsze niż 140 kv i natężenie prądu wynoszące 400 mas. Na potrzeby prezenowanych wyników badań wykonano łącznie obrazów RTG o wymiarach 15x15 cm każdy, stosując metodę tomografii komputerowej. 3. Wyniki badań i ich omówienie Przedstawiono wyniki badań dla belek formowanych w jednym procesie ale w różnej odległości od miejsca formowania (rys. 1). Uzyskano wpływ odległości formowania mieszanki BSZ z dodatkiem włókien stalowych na ułożenie włókien w matrycy oraz badane parametry mechaniczne. Belka bliższa miejsca podawania mieszanki jest oznaczona jako belka I, odpowiednio belka dalsza jest oznaczona jako belka II. W badaniach uzyskano obraz 2D i 3D rzeczywistego rozkładu włókien stalowych w rozpatrywanych betonach samozagęszczalnych, dzięki zastosowaniu metody tomografii komputerowej. Na rys. 2 przedstawiono wybrane obrazy 2D i 3D włókien stalowych w badanych BSZ z dodatkiem zmiennej zawartości włókien SW35. Obrazy 3D przestawiono w następującym układzie badanych elementów: strona lewa - dół belki, strona prawa - góra belki. Obrazy 2D przedstawiają wybrane obrazy w miejscu wykonania nacięcia belek do przeprowadzenia badania wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu, wg zaleceń RILEM [13]. Dla zaformowanych betonów, wpływ zawartości włókien SW35 na wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu badanych BSZ zilustrowano na rys. 3 i rys. 4. Wykazano wzrost siły ugięcia wraz ze wzrostem zawartości włókien SW35 w BSZ, co było jednak do przewidzenia.

4 Włókna SW kg/m 3 belka II Włókna SW kg/m 3 belka I Włókna SW kg/m 3 belka II Włókna SW kg/m 3 belka I Włókna SW kg/m 3 belka II Włókna SW kg/m 3 belka I Rys. 2. Widok 2D i 3D włókien stalowych w badanych BSZ z dodatkiem zmiennej zawartości włókien SW35 (obrazy 3D: strona lewa - dół belki, strona prawa - góra belki). Rys. 3. Wpływ zawartości włókien stalowych SW35 na wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu dla formowanych belek typu I i II w pomiarze pierwszym. Nie stwierdzono znacznych różnic pomiędzy wykresami siły zginającej w funkcji ugięcia belek typu I i II dla BSZ z dodatkiem włókien stalowych SW35.

5 Rys. 4. Wpływ zawartości włókien stalowych SW35 na wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu dla formowanych belek typu I i II w pomiarze drugim. Na rys. 5 przedstawiono wybrane obrazy 2D i 3D włókien stalowych w badanych BSZ z dodatkiem zmiennej zawartości włókien SW50. Włókna SW kg/m 3 belka II Włókna SW kg/m 3 belka I Włókna SW kg/m 3 belka II Włókna SW kg/m 3 belka I Włókna SW kg/m 3 belka II Włókna SW kg/m 3 belka I Rys. 5. Widok 2D i 3D włókien stalowych w badanych BSZ z dodatkiem zmiennej zawartości włókien SW50 (obrazy 3D: strona lewa - dół belki, strona prawa - góra belki).

6 Dla zaformowanych betonów, wpływ zawartości włókien SW50 na wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu badanych BSZ zilustrowano na rys. 6 i rys. 7. Wykazano również wzrost siły ugięcia wraz ze wzrostem zawartości włókien SW50 w BSZ. Dodatkowo wykazano zwiększanie się siły ugięcia dla belek typu II względem belek typu I wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien SW50 w badanym BSZ. Rys. 6. Wpływ zawartości włókien stalowych SW50 na wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu dla formowanych belek typu I i II w pomiarze pierwszym. Rys. 7. Wpływ zawartości włókien stalowych SW50 na wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu dla formowanych belek typu I i II w pomiarze drugim. W referacie świadomie nie są prezentowane wyniki badań wytrzymałości na ściskanie rozpatrywanych BSZ ze względu na niewielki wpływ włókien stalowych na ten parametr, co zostało potwierdzone w innych badaniach, m.in. w [14]. Na podstawie niepublikowanych tutaj badań [15][16], autorzy stwierdzili niewielki spadek wartości wytrzymałości na ściskanie wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien stalowych w badanych BSZ. Na podstawie przedstawionych wybranych przekrojów badanych BSZ, nie można jednoznacznie stwierdzić równomiernego rozmieszczenia włókien stalowych w całej objętości badanych próbek. Nie stwierdzono także dużych skupisk włókien w matrycy betonowej. Dobrze widoczne jest równoległe ułożenie włókien, zgodne z kierunkiem przemieszczania się mieszanki w trakcie formowania. Niewiele jest włókien ułożonych prostopadle do tego kierunku. Należy podkreślić, że charakterystyczne

7 zaokrąglenia obrazów poszczególnych przekrojów belki betonowej, związanych z badaniami za pomocą tomografu, wynikają tylko z metody ich skanowania, a nie z geometrii próbek. 4. Podsumowanie i wnioski końcowe Przeprowadzone badania potwierdzają problemy technologiczne z równomiernym rozmieszczeniem włókien stalowych w matrycy BSZ. Symulacja przepływu mieszanki betonowej w formie wykazywała kierunkowanie się włókien równolegle do kierunku przepływu mieszanki. Zjawisko to pogłębia się w BSZ z rozpatrywanymi włóknami dłuższymi SW50 oraz wraz ze wzrostem ich udziału objętościowego w mieszance. Kierunkowanie się włókien spowodowało natomiast poprawę charakterystyki wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu badanych BSZ z włóknami dłuższymi SW50. W oparciu o wyniki badań rozmieszczenia włókien stalowych w belkach betonowych, do czego wykorzystano tomografię komputerową, stwierdzono możliwość prowadzenie analiz pozycji włókien w całej objętości BSZ. Pozwala na badanie rozmieszczenia włókien stalowych w całej objętości betonu, jak również w niewielkich, wybranych obszarach. Umożliwia to również znalezienie tendencji w ułożeniu włókien w zależności od kierunku formowania mieszanki betonowej, i to zarówno blisko bocznych ścian formy, jak i w układzie pionowym, przy powierzchni elementu oraz niedaleko dna formy. Tomografia komputerowa pozwala na uzyskanie dwuwymiarowych 2D i trójwymiarowych 3D obrazów rozmieszczenia włókien w całej wewnętrznej objętości elementu betonowego. Dotychczasowe badania nie dostarczyły systematycznych, zweryfikowanych danych doświadczalnych umożliwiających projektowanie BSZ z warunku zakładanych parametrów mechanicznych oraz rozmieszczenia i ukierunkowania zbrojenia rozproszonego. Konsekwencją tego jest rozbieżność w projektowanych i otrzymywanych parametrach mechanicznych tak modyfikowanych betonów. Ważne jest określenie stopnia odchyleń w zakładanych parametrach mechanicznych BSZ ze względu na rzeczywiste rozmieszczenie i ukierunkowanie zbrojenia rozproszonego. Uzyskane w badaniach zaprezentowanych oraz kolejnych wyniki będą stanowiły podstawę do opracowania metody projektowania fibrobetonów samozagęszczalnych z uwzględnieniem wybranych formowanych elementów konstrukcyjnych. Istotą problemu jest ustalenie jak w różnych konstrukcjach zmienia się rozmieszczenie zbrojenia rozproszonego w zależności od sposobu układania mieszanki, biorąc pod uwagę jej właściwości reologiczne, udział objętościowy i parametry geometryczne włókien stalowych. Uzyskane wyniki badawcze mogą być wykorzystane do zwiększenia dokładności modelowania właściwości mechanicznych wybranych elementów konstrukcji, przy zastosowaniu BSZ ze zbrojeniem rozproszonego. Autorzy dziękują Narodowemu Centrum Nauki za sfinansowanie prezentowanych badań w ramach grantu N N pt.: Wpływ metod formowania SFRSCC na rozmieszczenie i ukierunkowanie zbrojenia rozproszonego w wybranych elementach konstrukcyjnych.

8 5. Literatura [1] ACI Committee : SP-233CD: Workability of SCC: Roles of Its Constituents and Measurement Techniques, ACI, [2] ACI Committee 544: 544.3R-08: Guide for Specifying, Proportioning, and Production of Fiber-Reinforced Concrete, ACI, [3] Barragán B., Zerbino R., Gettu R., Soriano M., de la Cruz C., Giaccio G., Bravo M.: Development and application of steel fibre reinforced self-compacting concrete, 6 th RILEM Symposium on Fibre-Reinforced Concretes (FRC) BEFIB 2004, Varenna, Italy, [4] Brandt A.M.: Zastosowanie włókien, jako uzbrojenia w elementach betonowych, Konferencja: Beton na progu nowego Milenium, Kraków, , [5] Ding Y., Thomaseth D., Niederegger Ch., Thomas A., Lukas W.: The investigation on the workability and flexural toughness of fibre cocktail reinforced self-compacting high performance concrete, 6 th RILEM Symposium on Fibre- Reinforced Concretes (FRC) BEFIB 2004, Varenna, Italy, [6] Kaszyńska M.: Beton samozagęszczalny rozwój technologii i wyniki badań, Konferencja Dni betonu, Wisła, 2004, [7] Brandt A.M., Cement-based composites. Materials, mechanical properties and performance, Taylor & Francis, USA & Canada [8] Grünewald S.: Performance-based design of self-compacting fibre reinforced concrete, Doctor`s thesis, [9] Khayat K.H., Roussel Y. Testing and performance of fibre-reinforced selfconsolidating concrete. In: Proceedings of the First RILEM International Symposium on Self-compacting Concrete, Stockholm, Sweden, September 1999, RILEM Publications, Bagneux, France, pp [10] Khayat K.H., Ghoddousi P., Kassimi F., Effect of fiber type on workability and mechanical properties of SCC, In: Proceedings of the Third North American conference on the Design and Use of Self-consolidating Concrete SCC Chicago [11] Ponikiewski T.: The rheological properties of fresh steel fibre reinforced selfcompacting concrete, in: Proc. Int. Symp. `Brittle Matrix Composites 8`, A.M.Brandt, V.C.Li, I.H.Marshall, Warsaw [12] Ponikiewski T.: Investigation on random distribution of fibres in cement composites, in: Proc. Int. Symp. `Brittle Matrix Composites 9`, A.M.Brandt, J. Olek, I.H.Marshall, Warsaw [13] RILEM TC162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete, Recommendations: Bending test, Materials and Structures, 33, Jan.-Feb., [14] Glinicki M.A., Ocena i projektowanie fibrobetonów na podstawie wytrzymałości równoważonej, Drogi i mosty, 3/2002, IBDiM, pp [15] Ponikiewski T., Cygan G., Kmita T., Ocena jednorodności rozmieszczenia włókien stalowych w drobnoziarnistym betonie samozagęszczalnym z wykorzystaniem testu L-box, Cement Wapno Beton, 1/2011. [16] Ponikiewski T., Cygan G., Wybrane właściwości samozagęszczających się fibrobetonów z włóknami stalowymi, Cement Wapno Beton, 4/2011.