WPŁYW DODATKÓW W POSTACI WŁÓKIEN NA WŁAŚCIWOŚCI BETONU. ZALETY PŁYNĄCE ZE STOSOWANIA FIBROBETONÓW.

Transkrypt

1 Marek Jędrkowiak I rok (studia II stopnia) Koło Naukowe Konkret przy Katedrze Konstrukcji Betonowych Politechnika Wrocławska Opiekun naukowy referatu: dr inż. Tomasz Trapko WPŁYW DODATKÓW W POSTACI WŁÓKIEN NA WŁAŚCIWOŚCI BETONU. ZALETY PŁYNĄCE ZE STOSOWANIA FIBROBETONÓW. EFFECT OF ADDITIVES IN THE FORM OF FIBRES ON THE PROPERTIES OF CONCRETE. ADVANTAGES DERIVING FROM THE IMPLEMENTATION FIBER-REINFORCED CONCRETE. 1. Wprowadzenie Mówiąc o nowoczesnym projektowaniu i realizacji konstrukcji szczególną uwagę należy zwrócić na rozwój materiałów. Rozwój konstrukcji uzależniony jest od rozwoju materiałów. Biorąc pod uwagę fakt, że beton jest obecnie najbardziej wykorzystywanym materiałem, spośród wszystkich wytworzonych przez człowieka należy poświęcić mu najwięcej uwagi, zarówno pod względem ciągłego udoskonalania właściwości fizycznych, jak i ochrony środowiska (redukcja emisji C0 2 przemysł cementowy 5 7% ogółu, ograniczenie zużycia wody 5% zużycia wody ogółem) [1]. W pracy zwrócono uwagę na polepszenie właściwości fizycznych i mechanicznych betonu przez zastosowanie dodatków w postaci włókien. Fibrobeton to kompozyt cementowy z dodatkiem w postaci włókien ze stali, polipropylenu, włókien LiTraCon i innych. Obecnie najczęściej stosowanymi w budownictwie są włókna stalowe i polipropylenowe. Włókna z tworzyw sztucznych, włókna węglowe czy szklane stosowane są w betonach BWW i SWW np. DUCTAL. Jest to kompozyt betonowy składający się z bardzo drobnego kruszywa i dużej ilości włókien szklanych o wytrzymałości na ściskanie wynoszącej nawet 230MPa i na rozciąganie przy zginaniu do 50MPa. Należy zwrócić uwagę na dążenie do zmniejszenia wartości stosunku wytrzymałości na ściskanie do wytrzymałości na rozciąganie. W wymienionym ultrawytrzymałym betonie stosunek ten wynosi 4, w betonach zwykłych ok. 10. W przypadku stosowania włókien stalowych czy polimerowych dąży się do wymuszenia na betonie pracy w zakresie plastycznym, zmniejszenie ww. stosunku schodzi na drugi plan. Właściwości fizyczne betonu można udoskonalić stosując włókna o różnym kształcie i z różnego materiału. 2. Włókna stalowe Długoletni proces powstawania betonów modyfikowanych włóknami stalowymi (drutobetony, SFRC Steel Fibre Reinforced Concrete) został rozpoczęty w 1874 roku przez A. Bernarda, który jako pierwszy opatentował idee wzmacniania betonu opiłkami stalowymi [9]. Dopiero w 1910 roku Parter postawił hipotezę, że beton z dodatkiem krótkich drutów polepsza jednorodność betonu zbrojonego jedynie grubymi prętami. W 1918 roku natomiast H. Alfsen opatentował modyfikowanie betonu długimi drutami stalowymi, co miało wg niego zwiększyć wytrzymałość betonu na rozciąganie. Pomimo widocznych zalet stosowania drutów stalowych, fibrobeton nie zyskał zaufania wśród konstruktorów, z uwagi na

2 trudności w określeniu rzeczywistych wartości parametrów fizycznych kompozytu. Dopiero w 1963 roku rozpoczęto definiowanie teorii SFRC (Romualdi, Barbon). Postawiono tezy o przeciwdziałaniu włókien stalowych powstawaniu rys, ograniczaniu ich rozmiarów i rozstawów. Efektywność włókien stalowych zależy od wytrzymałości stali z której są wykonane (>1000MPa), oraz kształtu włókien (najkorzystniejsze włókna zakończone hakiem). Obecnie drutobeton ciągle zyskuje zaufanie konstruktorów, można znaleźć wiele artykułów na temat wykorzystania tego materiału, prowadzone są liczne badania dotyczące wytrzymałości fibrobetonów na zginanie, ich cech reologicznych i odkształcalnościowych. Obecnie na świecie znajduje się około 30 producentów włókien stalowych oferujących przeważnie asortyment składający się z 5 rodzajów włókien: proste, zakończone hakiem (HE), faliste (TABIX), zakończone spłaszczeniem (HFE) lub stożkami (TWINCONE). Rys. 1. Asortyment włókien oferowany przez firmę ArcelorMittal [12] Spośród wszystkich wykorzystywanych w budownictwie włókien stalowych 90% stanowią włókna kształtowane, dzięki czemu efektywniej i pełniej wykorzystuje się siły przyczepności pomiędzy stalą i betonem. Skuteczność zbrojenia włóknami stalowymi zależy od smukłości elementów, która stanowi o łatwości mieszania się dodatku ze składnikami mieszanki betonowej. Producenci oferują włókna o smukłości mniejszej niż 150, przy czym 50% wszystkich wykorzystanych włókien charakteryzuje smukłość od 45 do 63,5. SFRC charakteryzuje się mniejszą podatnością na powstawanie rys skurczowych. Jest materiałem elastyczno plastycznym, po przekroczeniu naprężeń krytycznych utrzymuje swoją nośność. Jest odporny na pękanie i zmęczenie. Charakteryzuje się zmniejszoną ścieralnością, odpornością na korozję, mrozoodpornością i szczelnością. 3. Włókna polimerowe W przypadku dodania włókien polimerowych (mieszanina polipropylenu i polietylenu) przyjmuje się, że nie zmieniają one właściwości fizycznych betonu. Dodanie włókien z tworzywa sztucznego zapobiega przede wszystkim powstawaniu rys skurczowych powstających w okresie skurczu chemicznego betonu (zarówno wewnętrznego jak i zewnętrznego). Na rys. 2. przedstawiono schematycznie rolę włókien polimerowych [8]: Rys. 2. Włókna polimerowe w betonie

3 Wytrzymałość wczesna betonu niezbrojonego, w przeciwieństwie do fibrobetonu jest mniejsza od powstających w tym samym czasie naprężeń skurczowych, co powoduje zarysowanie elementu. Powstałe natomiast w betonie zbrojonym włóknami rysy charakteryzują się bardzo małą rozwartością (niewidoczną dla ludzkiego oka). Zwiększa się zatem szczelność powstałej z kompozytu FRC (Fibre Reinforced Concrete) przegrody. Polimer charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą 380MPa i modułem Younga 3,8GPa. Przyjmuje się, że jeżeli moduł sprężystości betonu jest większy od modułu polimeru, włókna nie pracują. Wyższość FRC nad betonem zwykłym polega przede wszystkim na posiadaniu ekwiwalentnej wytrzymałości na zginanie, analogicznie jak w przypadku SFRC. Dzięki tej właściwości beton po osiągnięciu granicy wytrzymałości jest zdolny do dalszego przenoszenia obciążeń. Dodane włókna należy mieszać z innymi składnikami mieszanki betonowej w czasie min. 30s, dzięki czemu uzyskuje się optymalny kształt włókna - powierzchnia kontaktu włókna i matrycy betonowej jest większa przez rozszczepienie końcówek. Ilość włókien w m 3 betonu zależy od przeznaczenia kompozytu np. w przypadku betonu towarowego optymalne właściwości mieszanki uzyskuje się dodając 3-5kg/m 3 włókien, w prefabrykacji 1 3 kg/m Beton LiTraCon (light transmitting concrete) Beton LiTraCon zalicza się do betonów dekoracyjnych. Został opatentowany w 2001 roku przez węgierskiego architekta Arona Losonczi. Sprzedawany jest w blokach o wymiarach 300mm x 600mm i gr mm. Rolę włókien zmieniających w tym przypadku przede wszystkim właściwości fizyczne (beton jest półprzezroczysty), pełnią światłowody. Ich zawartość w mieszance betonowej wynosi ok. 4%. Tak otrzymany kompozyt charakteryzuje się gęstością od kg/m 3 (beton zwykły), wytrzymałością na ściskanie 50MPa i na rozciąganie przy zginaniu 7MPa [13]. Nie obserwuje się zatem negatywnego wpływu światłowodów na właściwości mechaniczne mieszanki betonowej. Fot. 1. Ścianka działowa z bloczków LiTraCon [13] 5. Wytrzymałość równoważna fibrobetonów na zginanie Beton jako materiał kruchy po osiągnięciu wytrzymałości na rozciąganie pęka, przez co praca zginania, którą można utożsamiać z polem pod wykresem obciążenie zginające ugięcie (rys. 3.) jest mała. Fibrobeton nie ulega kruchemu pękaniu. Po osiągnięciu wytrzymałości na zginanie, może przenosić jeszcze znaczne obciążenia. Pracuje zatem również w zakresie plastycznym. Poprzez zmianę charakteru pracy, praca zginania mieszanki fibrobetonowej jest zdecydowanie większa niż zwykłej betonowej.

4 Rys. 3. Schematyczny wykres obciążenie ugięcie dla rozciągania przy zginaniu Dotychczasowe obliczenia posadzek żelbetowych na podłożu gruntowym oparte były na teorii sprężystości, przez co nie wykorzystywano jakże cennych właściwości kompozytu. O nośności decydowała wytrzymałość betonu na rozciąganie. Projektując posadzkę, w której zastosowano fibrobeton, należy korzystać nie z teorii sprężystości, a plastyczności z metody linii załomów. Wykorzystuje się wówczas zwiększoną pracę pękania, uwzględnioną w obliczeniach w postaci tzw. równoważnej wytrzymałości fibrobetonów na zginanie. Zgodnie z normą japońską, na którą powołują się autorzy badań fibrobetonów wytrzymałość równoważną określa się na beleczkach 150x150x450, przy rozstawie podpór 300mm, obciążoną siłą skupioną w środku rozpiętości. Określana wartość jest wprost proporcjonalna do pracy zginania i wyraża się wzorem [4]: f eq T L = (1) δ b 2 L / 150 b h Gdzie: T b praca zginania (określona dla odciętej δ L / 150 ) δ - ugięcie graniczne równe L / 150 L /150 L rozpiętość belki b, h wymiary przekroju poprzecznego T b Warto zauważyć, że to, zgodnie z definicją, wartość średnia funkcji. Można zatem δ L /150 zdefiniować wytrzymałość równoważną betonu na rozciąganie jako naprężenie wywołane średnią wartością siły (w funkcji odkształcenia). Przy obliczaniu pola pod wykresem należy pamiętać, że jest ono ograniczone przez odkształcenie równe δ L / 150, stąd praca zginania wynosi: T b = δ L / P( u) du (2) 5. Wpływ wymiarów i zawartości włókien na właściwości mechaniczne SFRC i FRC [2] Zarówno w przypadku stosowania włókien stalowych jak i polimerowych, wytrzymałość równoważna fibrobetonów na rozciąganie f eq rośnie wraz ze wzrostem zawartości włókien i wzrostem smukłości. Dla włókien stalowych, przy dozowaniu

5 od 15 kg/m 3 do 40kg/m 3, stwierdzono liniowy charakter zależności. Wzory te zależą jednak od wielu parametrów, m. in. od klasy mieszanki betonowej. Należy mieć świadomość, że zwiększenie zawartości włókien w mieszance betonowej ma negatywny wpływ na konsystencję i urabialność betonu. Autor [2] wykonał badania na próbce macierzystej (bez dodatku włókien), na 3 próbkach FRC o zawartości włókien odpowiednio 2, 3, 4kg/m 3 oraz dwóch SFRC o zawartości włókien 15 i 25kg/m 3. Badania dotyczące zginania przeprowadzono na próbkach płytowych o wymiarach 100mm x 450mm x 800mm, a ściskania na normowych kostkach sześciennych. Z przeprowadzonych badań wynika, że ze wzrostem zawartości włókien wzrasta wartość wytrzymałości równoważnej betonu na zginanie. Zwiększenie stopnia zbrojenia zbrojeniem rozproszonym powoduje wzrost porowatości mieszanki betonowej, co skutkuje nieznacznym spadkiem wartości wytrzymałości na ściskanie. Wszystkie próbki po przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie zachowują integralność, mimo dużych odkształceń są zdolne do dalszego przenoszenia obciążeń. Zaobserwowano także zmianę konsystencji wraz ze wzrostem zawartości włókien polimerowych, należy zatem przy projektowaniu mieszanki betonowej przewidzieć zastosowanie dodatków upłynniających. Zgodnie z równaniem wytrzymałości [5]: C f cm = A( 1,2) m 0, 5 (3) W niedopuszczalne jest zwiększanie wskaźnika w/c, ponieważ spowodowało by to zmniejszenie projektowanej wytrzymałości betonu. Przy zastosowaniu włókien z tworzywa sztucznego nie stwierdzono wzrostu wytrzymałości na rozciąganie. Dla próbki SFRC o zawartości włókien 15kg/m 3 wystąpił wzrost wytrzymałości na rozciąganie o 20%. Nie zaobserwowano znaczącego wpływu włókien na zmianę współczynnika sprężystości przy zginaniu. 6. Cechy odkształcalnościowe fibrobetonu [6, 7] Dążenie do uzyskiwania możliwie najmniejszych wysokości przekrojów przy jak największej rozpiętości elementów żelbetowych przekłada się na stosowanie betonów wysoko wartościowych z dodatkiem zbrojenia rozproszonego. Stan graniczny użytkowania staje się przez to często decydującym. W przypadku elementów żelbetowych wyróżnia się ugięcia doraźne (powstające w momencie obciążenia) i długotrwałe odkształcenia spowodowane m. in. reologicznymi cechami betonu oraz zarysowaniem. Elementy fibrobetonowe są mniej podatne na zarysowanie niż żelbetowe rysy ulegają rozszczepieniu, dzięki czemu powstaje gęsta siatka mikrorys, o bardzo małej szerokości rozwarcia. Należy jednak pamiętać, że na ugięcie wpływa również kierunek rozmieszczenia włókien. Szczegółowe dane dotyczące próbek i wartości liczbowych otrzymanych wyników można znaleźć w pozycjach [6, 7]. W niniejszym referacie przedstawiono jedynie wnioski z badań przeprowadzonych przez Czesława Bywalskiego i Mieczysława Kamińskiego. Zarówno ugięcia długotrwałe jak i krótkotrwałe dla belek modyfikowanych włóknami stalowymi były mniejsze od belek żelbetowych. Podsumowując, ugięcia całkowite (suma ugięć doraźnych i długotrwałych) są mniejsze w przypadku zastosowania zbrojenia rozproszonego. Zmniejszenie ugięcia nie jest spowodowane zmniejszeniem pełzania, ponieważ dodanie włókien ma pomijalnie mały wpływ na wartości pełzania. Do obliczeń ugięć elementów fibrobetonowych można przyjmować odkształcenia pełzania jak dla elementów betonowych. Włókna nie mają znaczącego wpływu na zmianę modułu sprężystości E c. Należy jednak zwrócić uwagę, że obliczone rzeczywiste wartości modułu Younga są mniejsze o ok.15% od wartości normowych, przez co obliczone wartości ugięć mogą być mniejsze od ugięć rzeczywistych. Zakładając równomierne rozmieszczenie włókien w mieszance betonowej, oraz uwzględniając fakt, że zbrojenie rozproszone nie wpływa znacząca ma odkształcenia pełzania i moduł Younga, ugięcia obliczone

6 z algorytmem zaproponowanym przez normę PN-B-03264:2002 mają taką samą wartość zarówno dla fibrobetonów jak i żelbetu, mimo, że badania stanowią inaczej. Konieczne jest zatem dalsze badanie cech odkształcalnościowych w celu zaproponowania algorytmu obliczenia ugięcia z uwzględnieniem dodatków w postaci włókien. 7. Zastosowanie fibrobetonów Wyróżnia się zastosowanie fibrobetonu przy produkcji betonu towarowego i natryskowego, oraz w prefabrykacji. Beton towarowy z dodatkiem włókien można stosować przy wykonywaniu płyt fundamentowych, posadzek na gruncie. Wykorzystuje się wtedy zwiększoną energię zginania fibrobetonu, dzięki czemu możliwe jest zmniejszenie wysokości projektowanych elementów. Zastosowanie włókien stalowych pozwala na częściowe wyeliminowanie siatek zbrojeniowych, co znacząco zmniejsza koszty realizacji obiektu. Fibrobeton znajduje również zastosowanie w budownictwie wodnym i w konstrukcji zbiorników na ciecze, gdzie wymagana są bardzo małe szerokości rozwarcia rys. Należy wskazać również mieszanki o bardzo i ultra wysokiej wytrzymałości np. przywołany we wstępie DUCTAL. Otrzymanie takich właściwości betonu, zmniejszenie jego kruchości nie było by możliwe bez zastosowania odpowiednich domieszek w postaci włókien. Na skutek stosowania mieszanek fibrobetonowych zmniejsza się wysokość i zwiększa rozpiętość elementów belkowych oraz płytowych. Możliwe staje się zatem projektowanie co raz to niższych konstrukcji stropów, co ma szczególne znaczenie w budownictwie wysokim. Drugim kierunkiem jest prefabrykacja, szczególnie w przypadku elementów cienkościennych np. kręgów studni, gdzie przy rozformowywaniu i transporcie dochodzi do odłupywania betonu. Zastosowanie włókien zwiększa odporność betonu na uszkodzenia mechaniczne, dzięki czemu można ograniczyć stosowanie zbrojenia przypowierzchniowego. Z uwagi na wzrost mrozoodporności należy również wskazać na zastosowanie fibrobetonów w elementach narażonych na działanie wody tj. w przypadku krawężników, obrzeży drogowych. Fibrobeton stosuje się również w technologii betonu natryskowego. Zastosowanie włókien, przede wszystkim stalowych, zdecydowanie zwiększa przyczepność do podłoża, ograniczając tym samym stosowanie siatek zbrojeniowych i przyspieszając czas oraz efektywność realizacji. 8. Bibliografia [1] Czarnecki L., Kurdowski W., Tendencje kształtujące przyszłość betonu konferencja Dni Betonu 2006; [2] Glinicki M. A., Badania właściwości fibrobetonu z makrowłóknami syntetycznymi, przeznaczonego na podłogi przemysłowe [w:] Cement Wapno Beton 4/2008 ; [3] Glinicki M. A. Tendencje rozwojowe technologii betonu [w:] Przegląd budowlany 12/2007 ; [4] Glinicki M. A., Wytrzymałość równoważna fibrobetonu na zginanie [w:] Inżynier Budownictwa 1/2008 ; [5] Jamroży Z., Beton i jego technologie, PWN, Warszawa 2009; [6] Kamiński M., Bywalski Cz., Badanie cech reologicznych zginanych elementów żelbetowych modyfikowanych włóknami stalowymi konferencja Dni Betonu 2006; [7] Kamiński M., Bywalski Cz., Wpływ składu betonu i fibrobetonu na ich cechy odkształcalnościowe konferencja Dni Betonu 2008; [8] Karwacki J., Beton kompozytowy z włóknami [w:] Polski cement 3/2001 ; [9] Katzer J., Włókna stalowe stosowane do modyfikacji betonu [w:] Budownictwo Technologie Architektura 3/2003 ; [10] Kisiel I., Reologia w budownictwie, Arkady, Warszawa 1967; [11] Mizera J., Fibrobeton nie tylko do posadzek [w:] Inżynier Budownictwa 1/2007 ; [12] Materiały informacyjne firmy ArcelorMittal; [13]