WPŁYW GEOMETRII I DYSTRYBUCJI ZBROJENIA ROZPROSZONEGO NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIBROBETONÓW SAMOZAGĘSZCZALNYCH. 1. Wprowadzenie

Transkrypt

1 dr hab. inż. Jacek GOŁASZEWSKI, Prof. Pol. Śl. dr inż. Tomasz PONIKIEWSKI mgr inż. Klaudia WILK ŁAKOTA mgr inż. Leszek SZYNKIEWICZ Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa, Katedra Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych WPŁYW GEOMETRII I DYSTRYBUCJI ZBROJENIA ROZPROSZONEGO NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIBROBETONÓW SAMOZAGĘSZCZALNYCH 1. Wprowadzenie Dotychczasowe badania fibrobetonów samozagęszczalnych (FBSZ) pokazują złożoność problemu jakim jest określenie korelacji pomiędzy liczbą i kształtem włókien, a właściwościami mieszanki betonu stwardniałego. Przeprowadzono badania urabialności mieszanki oraz wytrzymałości zaformowanych elementów [1],[2],[3]. Zaczęto także wykorzystywać metody komputerowe w celu określenia liczby i ukierunkowania włókien [4], []. Wyniki wcześniejszych badań [6],[7],[8] potwierdzają tezę, iż kluczowym czynnikiem mającym wpływ na parametry mechaniczne jest rozmieszczenie i ukierunkowanie włókien. Potwierdzona została także zasada ułożenia zbrojenia rozproszonego zgodnie z kierunkiem rozpływu mieszanki w formie [6]. Ponadto, przeprowadzone dotychczas badania rozmieszczenia zbrojenia rozproszonego nie przedstawiają wyraźnych metod projektowania fibrobetonów [9], [1]. Co więcej trudności technologiczne wykonania elementów z FBSZ mogą także prowadzić do rozbieżności pomiędzy zakładanymi, a uzyskanymi właściwościami betonu [8] ściśle związanymi z orientacją oraz losowym rozmieszczeniem włókien. W artykule przedstawiono porównanie wyników badań próbek z FBSZ przy użyciu dwóch rodzajów włókien stalowych. Celem przeprowadzonych badań było wykazanie różnicy wpływu zastosowanego zbrojenia rozproszonego na wybrane właściwości wykonanych elementów.

2 2 2. Metody badań Do badań przyjęto belki z fibrobetonu samozagęszczalnego o wymiarach 18x1x1 mm, które były formowane przy jednym z jej końców (Rys. 1). Zastosowano włókna faliste oraz haczykowate o dwóch udziałach objętościowych. Parametry włókien przedstawia Tablica 1, ich wygląd ukazuje Rys. 2. Dodatkowo wprowadzoną zmienną była konsystencja mieszanki. Po stwardnieniu betonu przecinano element badawczy na 3 belki 6x1x1 mm, następnie określano ich wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu zgodnie z zaleceniem RILEM [11]. Po przeprowadzonym badaniu z belek wycinano kostki. Płaszczyzny cięcia wykorzystano do zobrazowania rozkładu włókien wg metody opisanej w [12]. Rys. 1 Sposób układania betonu w belce Fig. 1 Method for laying concrete in beam Tablica 1/ Table 1 CHARAKTERYSTYKA GEOMETRYCZNA UŻYTYCH WŁÓKIEN STALOWYCH CHARACTERISTICS OF APPLIED STEEL FIBRES Nazwa Name F1 F2 Długość Length [mm] 2±1 % 3±1 % Szerokość Przekrój Cross Width Section [mm] 1,7±1% 2,3-2,9 Prostokąt rectangular część okręgu part of circle Materiał Material blacha stalowa zimnowalcowana cold-rolled steel plate Stal niskowęglowa low-carbon steel Wytrzymałość na rozciąganie Tensile strength [N/mm 2 ] 77±1% 8±1%

3 3 Rys. 2 Wygląd włókien F1 i F2 Fig. 2 Appearance of fibers F1 and F2 Tablica 2/ Table 2 SKŁAD BAZOWY MIESZANKI BETONOWEJ BASIC COMPOSITION OF CONCRETE MIXTURE Składnik / Component Mieszanka betonowa/ Concrete mixture A B C D E F G H WS 1 (1-1,%) F1-8 kg F1-12 kg F1-8 kg F1-12 kg F2-8 kg F2-12 kg SP 2 (1,- 12,2 12,2 7,3 kg 7,3 kg 2,% mc) kg kg 7,3 kg 7,3 kg cement CEM I 42, R 49 kg woda 21 kg piasek -2mm 84 kg kruszywo 2-8mm 84 kg RL 3 (,4%mc) 1,96 kg punkt piaskowy % W/C,4 F2-8 kg 12,2 kg F2-12 kg 12,2 kg 1 WS włókna stalowe 2 SP superplastyfikator na bazie eterów polikarboksylowych 3 RL- środek regulujący lepkość na bazie syntetycznego kopolimeru

4 4 3. Wyniki badań i ich omówienie 3.1. Wpływ włókien na właściwości reologiczne Na Rys. 3 i Rys. 4 przedstawiono wpływ rodzaju i zawartości włókien na średnicę rozpływu SF mieszanki i czas rozpływu T. Uzyskane wyniki pokazują iż wraz ze wzrostem zawartości włókien w mieszance maleje średnica rozpływu, a czas rozpływu rośnie. Rozpływ, SF [mm] A B E F C D G H F1 F2 Rys. 3 Rozpływ poszczególnych mieszanek betonowych Fig. 3 The flow of concrete mixtures Efekt utraty zdolności płynięcia jest szczególnie widoczny przy porównaniu mieszanek D i H, gdzie w wyniku zwiększenia liczby włókien klasa konsystencji mieszanki spadła z SF3 do SF2. 2 Czas rozpływu, T [s] 1, 1, F1 F2 A B E F C D G H Rys. 4 Czas rozpływu poszczególnych mieszanek betonowych Fig. 4 The flow time of concrete mixtures

5 3.2. Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu Poniższe wykresy (Rys. -Rys. 8) obrazują wyniki badania wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu powstałych belek. Wykresy po lewej stronie przedstawiają elementy z zastosowaniem haczykowatych włókien F1, analogicznie po prawej stronie próbki z falistymi włóknami F2. Kolejno, wykresy w poszczególnych wierszach obrazują porównanie belek o tych samych proporcjach składu mieszanki betonowej, lecz przy różnym rodzaju zbrojenia rozproszonego. Porównując elementy pod kątem zastosowanego zbrojenia rozproszonego można wyjść z założenia, iż belki z falistymi włóknami przedstawiały lepsze wyniki badania. Możliwym czynnikiem mającym wpływ na taką tendencje jest większa długość włókien. 3 A 3 E C G Rys. Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu belek z włóknami F1 Fig. The flexural strength in bending of beams with fibres F Rys. 6 Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu belek z włókienami F2 Fig. 6 The flexural strength in bending of beams with fibres F2

6 B F D 3 H Rys. 7 Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu belek z włóknami F1 Fig. 7 The flexural strength in bending of beams with fibres F Rys. 8 Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu belek z włóknami F2 Fig. 8 The flexural strength in bending of beams with fibres F2 Większość elementów z zastosowaniem włókien F1 (poza belką B) przedstawia zbliżoną zdolność przenoszenia obciążenia wszystkich trzech części poszczególnych próbek (I, II oraz III). Wartość maksymalnej siły zginającej przenoszonej przez elementy z większą zawartością włókien haczykowatych (1,%) wzrastała średnio o 11 29%. Natomiast dla belek z zawartością zbrojenia rozproszonego typu F2 zdolność przenoszenia obciążenia różni się przy porównaniu poszczególnych części (I, II oraz III ) danego elementu. W przeważającej mierze belki środkowe (II) wykazywały się najlepszymi wynikami. Wartość maksymalnej siły zginającej przenoszonej przez elementy z większą zawartością włókien falistych wzrastała średnio o 2 28%. Wraz ze wzrostem ugięcia, wartość siły zginającej maleje. Przy ugięciu 2 mm belek o większym rozpływie mieszanki betonowej można zauważyć, iż elementy z włóknami haczykowatymi wykazują zmniejszoną zdolność przenoszenia obciążenia o 3 4%. Natomiast dla ugięcia równego mm tych samych próbek wartość siły

7 7 zginającej spadła o 77%. Analogicznie dla belek o mniejszym rozpływie mieszanki betonowej wartość przenoszonej siły zginającej dla 2 mmm ugięcia zmalała o 4 6%, a przy ugięciu równym mm spadek wynosił nawet 6 8% Wytrzymałość na ściskanie Zestawienie wyników badania wytrzymałości na ściskanie przedstawiono na Rys. 9 (dla włókien F1) oraz Rys. 1 (dla włókien F2). Stwierdzono, iż zastosowanie włókien ma niewielki wpływ na wytrzymałość na ściskanie FBSZ. Wpływ ten jest bardziej widoczny w belkach o zwiększonej zawartości zbrojenia rozproszonego. Zaobserwowano, iż elementy z zastosowaniem włókien haczykowatych F1 wykazywały zwiększoną wytrzymałość na ściskanie belek o mniejszym rozpływie mieszanki betonowej. Wzrost ten przy zawartości włókien równej 1% objętości wynosił 4 8%, zaś dla większej ich zawartości (1,%) wytrzymałość wzrastała o 8 17%. Belki o większym rozpływie mieszanki charakteryzowałyy się minimalnie zwiększoną wytrzymałościąą na ściskanie o 1 6% przy użyciu włókien F2 zwłaszcza przy 1,% ich zawartości. Wytzymałość na ściskanie 8, 83, 81, 79, 77, 7, 73, 71, 69, 67, 6, Numer ele ementu Rys. 9 Wytrzymałość na ściskanie belek z włóknami F1 (A, B, C, D). Fig. 9 The compressive strength of beams with fibres F1 (A, B, C, D) A B C D

8 8 Wytzymałość na ściskanie 8, 83, 81, 79, 77, 7, 73, 71, 69, 67, 6, Numer ele ementu Rys. 1 Wytrzymałość na ściskanie belek z włóknami F2 (E, F, G, H). Fig. 1 The compressive strength of beams with fibres F2 (E, F, G, H). E F G H 3.4. Rozmieszczenie włókien W wyniku analizy otrzymano mapy rozkładu włókien stalowych w zgładach. W badaniach przyjęto siatkę podziału 32x32. Program generujee wartości liczby włókien, których środek ciężkości znajduje się w danym obszarze. Stwierdzono większą tendencję do osiadania włókien falistych. Na Rys. 12 pokazano rozkład włókien haczykowatych i falistych w odległości 12 mm od miejsca betonowania widoczne jest bardziej równomierne rozmieszczenie włókien haczykowatych, w porównaniu do włókien falistych. Rys. 11 Rozkład włókien a) Fig. 11 Fiber distribution a) haczykowatych F1, b) falistych F2 hooked F1, b) wavy F2 Analiza poszczególnych przekrojów belek (Rys. 12 i Rys. 13) pokazuje iż wraz ze wzrostem odległości od miejsca betonowania spada liczba włókien. Liczba włókien

9 9 w przekroju oddalonym o 14 mm od miejsca betonowania jest średnio o 3% mniejsza niż na początku elementu. Mieszanki o mniejszym rozpływie wykazują większe różnice w liczbie włókien, podobnie jak te z włóknami falistymi. 4 3 Liczba włókien [szt] A B E F Odległość od miejsca betonowania [mm] Rys. 12 Wpływ rodzaju i zawartości włókien na rozmieszczenie włókien w poszczególnych przekrojach belki przy SP= 1,% Fig. 12 Influence of the type and content of fibers on the fiber distribution in the sections of the beam at the SP = 1.% 4 3 Liczba włókien [szt] C D G H Odległość od miejsca betonowania [mm] Rys. 13 Wpływ rodzaju i zawartości włókien na rozmieszczenie włókien w poszczególnych przekrojach belki przy SP= 2,% Fig. 13 Influence of the type and content of fibers on the fiber distribution in the sections of the beam at the SP = 2.%

10 1 4. Podsumowanie Betonowanie elementów belkowych przy krótszym boku sprawia, że włókna ustawiają się równoległe to kierunku rozpływu mieszanki. Potwierdzają to uzyskane wyniki badania wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu, gdzie belki dalej oddalone od miejsca betonowania wykazywały podobne lub lepsze parametry od belki najbliżej miejsca betonowania pomimo mniejszej liczby włókien w przekroju. Świadczy to o lepszym wykorzystaniu nośności włókien. Nie zauważono natomiast znaczącego wpływu na wytrzymałość na ściskanie. Zaobserwowano także, że włókna faliste mają większą skłonność do osiadania. Przyczyn należy szukać w większej masie włókien falistych w stosunku do haczykowatych (w jednym kilogramie włókien haczykowatych jest ok. 2, razy więcej w porównaniu do włókien falistych). Przeprowadzone badania potwierdzają złożoność problemu ukierunkowania włókien, mogą jednak stanowić wstęp do opracowania metod projektowania konstrukcji, które będą zabudowywane fibrobetonem samozagęszczalnym. Jak pokazują wyniki metoda taka powinna uwzględniać nie tylko rodzaj i zawartość włókien, ale również właściwości reologiczne mieszanki betonowej oraz kształt betonowanego elementu i miejsce podawania mieszanki. BIBLIOGRAFIA 1. Ponikiewski T., Cygan G. Wybrane właściwości samozagęszczających się fibrobetonów. Cement Wapno Beton. 78, 211, strony Szwabowski J., Ponikiewski T. Wpływ geometrii włókien stalowych na wybrane charakterystyki fibrobetonów samozagęszczalnych. Cement Wapno Beton. 7, 28, strony Ponikiewski T. Reologiczne i mechaniczne właściwości betonów samozagęszczalnych z włóknami stalowymi. Cement Wapno Beton. 79, 212, strony Ponikiewski T., Gołaszewski J. Nowa metoda badania losowej dystrybucji włókien w wysokowartościowym betonie samozagęszczalnym. Cement Wapno Beton. 79, 212, strony Rudzki M., Bugdol M., Ponikiewski T. Determination of steel fibers orientation in SCC using computed tomography and digital image analysis methods. Cement Wapno Beton. 8, 213, strony

11 11 6. Ponikiewski T., Gołaszewski J. Wpływ lokalnego wypełniania formy mieszanką na wytrzymałość i rozmieszczenie włókien w małych elementach z fibrobetonu samozagęszczającego się. Cement Wapno Beton. 8, 213, strony Ferrara L., Meda A. Relationships between fibre distribution, workability and the mechanical properties of SFRC applied to precast roof elements. Materials and Structures. 39, 26, strony Kang S.-T., Kim J.-K. Investigation on the flexural behavior of UHPCC considering the effect of fiber orientation distribution. Construction and Building Materials. 28, 211, strony Zerbino R., Tobes J. M., Bossio M. E., Giaccio G. On the orientation of fibres in structural members fabricated with self compacting fibre reinforced concrete. Cement and Concret Components. 34, 191,, Ding Y., Azevedo C., Aguiar J. B., Jalali S. Study on residual behavior and fl exural toughness of fi bre cocktail reinforced self compacting high performance concrete after exposure to high temperature. Construction and Building Materials. 26, 21, RILEM TC 162-TDF: 'Test and design methods for steel fibre reinforced concrete. 12. Ponikiewski T., Cygan G., Kmita T. Ocena jednorodności rozmieszczenia włókien stalowych w drobnoziarnistym betonie samozagęszczalnym z wykorzystaniem testu L-box. Cement Wapno Beton. 78, 211, strony Szwabowski J., Gołaszewski J. Technologia betonu samozagęszczalnego. Kraków : Stowarzyszenie Producentów Cementu, Akcay B., Ali Tasdemir M. Mechanical behaviour and fibre dispersion of hybrid steel fibre reinforced self-compacting concrete. Construction and Building Materials. 28, 212, strony Boulekbache B., Hamrat M., Chemrouk M., Amziane S. Flowability of fibre-reinforced concrete and its effect on the mechanical properties of the material. Construction and Building Materials. 24, 21, strony Katzer J, Domski J. Quality and mechanical properties of engineered steel fibres used as reinforcement for concrete. Construction and Building Materials. 34, 212, strony Kim DJ, Naaman AE, El-Tawil S. Comparative flexural behavior of four fiber reinforced cementitious composites. ement & Concrete Composites. 3, 28, strony

12 Ding Y., Liu S., Zhang Y., Thomas A. The investigation on the workability of fibre cocktail reinforced self-compacting high performance concrete. Construction and Building Materials. 22, 28, strony Pająk M., Ponikiewski T. Effect of the shape of the steel fibers on the mechanical properties of self-compacting concrete with,% of volume ratio of steel fibers. Cement Wapno Beton. 8, 213, strony WPŁYW GEOMETRII I DYSTRYBUCJI ZBROJENIA ROZPROSZONEGO NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIBROBETONÓW SAMOZAGĘSZCZALNYCH Streszczenie W artykule zaprezentowano wyniki badań formowanych belek betonowych 18x1x1mm podzielonych na 3 belki o wymiarach 6x1x1mm. Dokonano oznaczenia wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu wg procedury RILEM TC 162-TDF. Z przebadanych elementów wycięto kostki 1x1x1mm na których oznaczono wytrzymałość na ściskanie. Płaszczyzny cięcia posłużyły do określenia liczby włókien stalowych w poszczególnych przekrojach belek za pomocą autorskiego programu komputerowego. Zbadano wpływ liczby włókien na właściwości mechaniczne próbek. Wykazano iż odległość i miejsce podawania mieszanki betonowej mają wpływ na rozkład włókien oraz na wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu. W przeważającej części belki środkowe wykazywały się najlepszymi wynikami. Tylko w dwóch badanych przypadkach belki bliżej lub dalej położone charakteryzowały się lepszymi wynikami badań. Próbki zawierające włókna faliste wykazywały lepsze wyniki niż próbki o analogicznym składzie, lecz z włóknami haczykowatymi. Możliwym czynnikiem mającym wpływ na taką tendencje jest większa długość włókien. Nie stwierdzono dużego wpływu na wytrzymałość na ściskanie, jednak próbki z włóknami haczykowatymi charakteryzowały się minimalnie lepszymi wynikami. Ponadto analiza rozmieszczenia włókien wykazała, iż przy 1% zawartości włókien widoczna jest duża dysproporcja pomiędzy liczbą włókien w górnych i dolnych połówkach przekrojów. Efekt ten jest szczególnie widoczny przy zastosowaniu włókien falistych długości 3 mm. Włókna haczykowate długości 2 mm wykazują mniejszą tendencję do osiadania. Wraz ze wzrostem zawartości włókien w mieszance, dysproporcje te uległy zmniejszeniu. Prezentowane badania są częścią szerszych

13 13 badań betonów samozagęszczalnych z dodatkiem włókien stalowych, formowanych jako różne konstrukcje modelowe.