6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami

Transkrypt

1 6.1 Wprowadzenie 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 1 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami Użycie włókien do poprawienia mechanicznych właściwości materiałów kruchych znane jest od zamierzchłych czasów. Już nasz protoplasta przenosząc się z jaskini do lepianki, używał już do jej zbudowania domieszki słomy do gliny. Podczas dalszej ewolucji tej idei zespalania dwóch materiałów wyjściowych celem wykorzystania wypadkowej ich właściwości pojawiły się takie układy materiałowe, jak glina ze słomą, zaprawy wapienne i cementowe z dodatkiem włosia końskiego, czy też dodatek mineralnego włókna azbestowego do betonu. Ćwierć wieku temu zaczęto coraz częściej stosować betony kompozytowe z włóknem stalowym i polipropylenowym, najpierw w Japonii, kraju zagrożeń sejsmicznych, a następnie w USA. Stosowanie włókna stalowego rozszerzyło się w latach osiemdziesiątych, a chcąc określić dynamikę wzrostu można przyjąć, że w ostatnich latach produkcja betonu zbrojonego włóknami stalowymi (BZWS) i betonu zbrojonego włóknami syntetycznymi (BZWSN) prawie podwaja się każdego roku [23]. Fibrobetony należą do obszernego zbioru materiałów kompozytowych powstających w wyniku dodania krótkich włókien do matryc z zapraw cementowych lub betonów, zwykle drobnoziarnistych. Na matrycę betonową stosowane są kruszywa naturalne lub sztuczne, przy czym największe ziarna nie przekraczają zwykle 10 mm choć znane są przypadki używania ziaren grubszych, nawet do 20 mm. Niekiedy są wprowadzane ponadto do matrycy różnego typu domieszki czy dodatki. Jako zbrojenie rozproszone dodawane są włókna stalowe o różnym ukształtowaniu, włókna z tworzyw sztucznych (np. polipropylenu, nylonu lub innych związków), włókna węglowe oraz pochodzenia organicznego np. z bawełny, sizalu oraz zwłaszcza w krajach azjatyckich bambusu [60]. Stwierdzono, że dodatek włókna stalowego stosowany w granicach 1% objętości, zasadniczo zmienia charakter betonu konwencjonalnego. Beton kompozytowy staje się ciałem quasi podatnym i po przekroczeniu naprężeń pierwszej rysy, dalej wykazuje swoją nośność, nieraz nawet wzrastającą wraz z wielkością odkształcenia. Beton zbrojony włóknem stalowym jest betonem o zbrojeniu równomiernie rozproszonym, co czyni z niego materiał jednorodny. Cienkie włókna rozproszone są w masie betonu, w ilości która zależy od potrzeb wynikających z jego zastosowania i wymagań stawianych przez użytkownika [24]. Zawartość włókien stalowych w fibrobetonie nie przekracza na ogół 2%, licząc objętościowo. Do produkcji elementów prefabrykowanych, głównie płyt posadzkowych opracowano metodę pozwalającą na upakowanie 5 18% włókien. Wyroby wykonywane w tej technologii, zwanej Sifcon, wykazują bardzo interesujące parametry, gdyż ich wytrzymałość na rozciąganie waha się od 27 MPa do 69 MPa, a na ściskanie od 103 MPa aż do 207 MPa [60]. Beton konwencjonalny jest materiałem nieelastycznym i niejednorodnym wskutek występujących w nim mikrospękań. Rolą włókien stalowych jest uzyskanie nowej struktury połączenia składników betonu. W efekcie powstawanie spękań skurczowych w fazie wiązania betonu zostaje rozproszone, a sama ich wielkość drastycznie zredukowana. Po związaniu betonu włókna stalowe przeciwstawiają się naprężeniom rozciągającym i powstawaniu spękań w procesie deformacji betonu pod obciążeniem, aż do pełnego zniszczenia struktury betonu [24]. Tak beton zbrojony włóknem stalowym, jak i syntetycznym jest odporny na powstawanie rys skurczowych. BZWS jest ponadto idealnym materiałem na elementy pracujące przede wszystkim na ściskanie, ale także poddawanym wielokrotnym obciążeniom dynamicznym, raptownym zmianom temperatury, wielokrotnemu przemarzaniu, czy działaniu wód agresywnych [23]. Luźne włókna stalowe stwarzają nieuniknione problemy w jednorodnym ich wymieszaniu w masie betonu. Mają bowiem tendencję do zbijania się w trudne do rozdzielenia struktury, tzw. jeże, które jednocześnie uniemożliwiają podawanie takiego betonu rurociągami oraz użycie włókien w betonie natryskowym. Zjawisko to leżało u podstaw konieczności ograniczenia długości używanego włókna, co z drugiej strony pogarsza wyraźnie jego efektywność. Pewnym rozwiązaniem jest pomysł łączenia włókien stalowych, klejem rozpuszczalnym w wodzie w pasma, co pozwala na stosowanie włókien znacznej długości i smukłości. Dzięki temu uzyskać można beton o korzystnych cechach wytrzymałościowych [24,50]. Zgoła odmiennie przedstawia się sytuacja w przypadku włókien syntetycznych np. polipropylenowych. Używane są w formie fibrylowanej wiązki powiązanych splotek. Podczas dodawania ich do

2 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 2 mieszanki betonowej siły występujące w trakcie mieszania powodują rozpad wiązek na miliony niezależnych włókienek rozkładających się równomiernie we wszystkich kierunkach [51]. Dzięki korzystnym cechom wytrzymałościowym BZWS możliwe jest zmniejszenie gabarytów konstrukcji. Bowiem np. beton z fibrą stosowany na posadzki grubości 15 cm odpowiada wytrzymałości konwencjonalnego żelbetu grubości 20 cm. Ze zmniejszonej grubości posadzek wynika ponadto mniejsza ilość prac ziemnych. Wyeliminowaniu ulega także wykonanie warstwy wyrównawczej z chudego betonu [49]. Warto też zauważyć, że zastosowanie fibrobetonu do elementów konstrukcyjnych prowadzi do znacznej redukcji zbrojenia w postaci prętów, zwłaszcza liczby i rozstawu strzemion [60]. Wszystkie te aspekty ekonomiki zastosowania fibrobetonu powodują, że elementy z tego materiału mogą być w ujęciu kosztów inwestycyjnych tańsze o ok. 10% w porównaniu z elementami wykonanymi z betonu zwykłego. Tańsze jest też utrzymanie, a także konserwacja i naprawy konstrukcji z BZWS [23]. 6.2 Betony kompozytowe zawierające włókna stalowe Zmiana budowy i charakterystyki betonu Beton zbrojony włóknem stalowym to materiał kompozytowy złożony z cementu, kruszywa mineralnego, piasku, wody i włókna stalowego. W odróżnieniu od żelbetu jest materiałem homogenicznym, o równomiernie rozproszonym zbrojeniu. Są to kilometry włókna w 1 m 3 betonu [50]. Podstawowymi parametrami włókien stalowych rzutującymi na właściwości betonu kompozytowego są: długość włókna, jego średnica, wytrzymałość na rozciąganie stali z którego jest wykonane, a także jego geometria. Od dawna znane jest znaczenie smukłości wyrażanej stosunkiem długości włókna do jego średnicy. Powinna ona wynosić nie mniej niż 50. Włókno o smukłości mniejszej jest zawsze technologicznie wątpliwe. Kolejną bardzo ważną cechą włókna wpływającą wyraźnie na charakterystykę betonu jest jego kształt. Musi on zagwarantować tak pewne, jak i podatne zakotwienie końców włókna w strukturze betonu [24]. Wpływ kształtu włókna stalowego na przyczepność matrycy betonowej zostanie dokładniej omówiony w następnym punkcie. Podstawową funkcją włókien stalowych w betonie jest zmniejszenie w nim koncentracji naprężeń. Włókna te równomiernie rozproszone w betonie, Przenoszą obciążenia jak mostki poprzez zaistniałą nieciągłość struktury, jaką jest rysa czy pęknięcie, przejmując siły wynikłe z obciążenia. Siły te przeniesione poprzez pęknięcie z jednej na drugą jego stronę, powodują zmniejszenie naprężeń na końcu pęknięcia w wyniku znacznie większego modułu Younga stali w stosunku do matrycy otaczającego je betonu. Opisane zjawisko hamuje przeistaczania się mikrorys w betonie w pęknięcia prowadzące do jego zniszczenia [24]. Jak rozkładają się naprężenia w takim przypadku przedstawiono na rysunku 6.1. Zasadniczą cechą betonu zbrojonego włóknem stalowym jest jego odporność na pękanie po ukazaniu się pierwszej rysy strukturalnej powstałej w wyniku zaistniałego obciążenia. W odróżnieniu od betonu zwykłego fibrobeton zachowuje się wtedy nie jak materiał kruchy, ulegający zniszczeniu, ale jak ciało o właściwościach plastycznych. Jest podatny i przenosi dalsze obciążenie. Stopień tej plastyczności, określany w wypadku betonu zbrojonego włóknem stalowym odpornością na pękanie może być kontrolowany drogą doboru właściwego rodzaju i ilości włókna [24]. Krzywa obciążenie odkształcenie uwidacznia jakże odmienny sposób zachowania się kompozytów z włóknem stalowym w stosunku do betonu zwykłego. Rys. 6.1 Naprężenie w betonie z fibrą lub bez [24]

3 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 3 Rys. 6.2 Relacja obciążenia i odkształcenia dla betonu nie zbrojonego i zbrojonego włóknami profilowanymi lub prostymi [50] Zarysowuje się także duża różnica wytrzymałości przy określonych odkształceniach w zależności od kształtu włókien. Włókna proste nawet przy większej zawartości dają gorsze rezultaty, niż włókna z zakrzywionymi końcami [50]. Wskutek zastosowania włókien beton, który był twardy ale kruchy, staje się mocnym a podatnym, co niesie za sobą wiele kolejnych zalet. Za przykład niech służy posadzka fibrobetonowa, która uzyskuje w ten sposób giętką strukturę oraz zminimalizowane zostaje niebezpieczeństwo wykruszania się naroży i krawędzi [49,50]. Zalety betonu zbrojonego włóknami stalowymi wynikają więc z jego większej plastyczności i zdolności pochłaniania energii. Szczególnie uwidacznia się to przy obciążeniach niszczących, gdy beton konwencjonalny uległby zniszczeniu [24] Znaczenie przyczepności włókien stalowych do matrycy betonowej Właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych zależą w znacznym stopniu od zjawisk zachodzących w warstwach kontaktowych między poszczególnymi fazami składowymi. W kompozytach fibrobetonowych włókna rozproszone mają na celu powstrzymanie propagacji rys oraz przenoszenie części sił wewnętrznych po zarysowaniu, co może być spełnione tylko przy zapewnieniu odpowiedniego zakotwiczenia włókien w matrycy cementowej przez przyczepność lub w inny sposób [7]. Tam gdzie rysa została zatrzymana przez włókno, zapewnia ono zachowanie spójności materiału. Zatrzymanie rysy czyli przejęcie obciążeń odbywa się dzięki przyczepności, przez którą rozumiemy siły łączące włókno z otaczającą je matrycą [9].

4 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 4 Rys. 6.3 Mechanizm zatrzymywania rys w fibrobetonie [9] Przyczepność włókien do matrycy betonowej jest spowodowana następującymi czynnikami: związkami fizyko chemicznymi, więzami spowodowanymi oddziaływaniami na poziomie atomowym, przyczepnością dzięki powstaniu nowych związków i tworzeniu się stref międzyfazowych. Inne czynniki wynikają z mechanicznego zazębiania się nierówności oraz tarcia i jak się okazuje to właśnie te ostatnie są decydujące o wielkości przyczepności włókien do matrycy betonowej [7,9]. Przejdźmy teraz do omówienia wpływu zmiany parametrów tak włókien jak i matrycy na przyczepność. Zacznijmy od wpływu obróbki chemicznej włókien. Otóż jak się okazuje jedynie pokrycie włókien miękkimi metalami takimi jak cynk, lub miedź daje wyraźne polepszenie przyczepności. Jednak zabieg ten podnosi znacznie koszt i tak drogich włókien stalowych. Biorąc pod uwagę pozostałe zabiegi obejmujące obróbkę chemiczną włókien nie można doszukać się zbieżności wyników w tym zakresie. Różnice w wynikach badań poszczególnych ośrodków wynikają zapewne ze zróżnicowanych warunków ich przeprowadzania. Nasuwa się jednak generalny wniosek, iż nie ma zasadniczej różnicy między włóknami nieobrobionymi i obrobionymi chemicznie. Należało się tego spodziewać, bowiem utrata przyczepności następuje poprzez ścięcie matrycy, a nie na styku włókno matryca [9]. Zwróćmy teraz uwagę na to, jak kształtuje się wpływ obróbki mechanicznej włókien na przyczepność. Ponieważ o wielkości przyczepności decyduje wytrzymałość matrycy na ściskanie, zatem można poprzez deformowanie włókien dążyć do tego, aby ścinanie odbywało się wzdłuż większych powierzchni. Deformować włókna można poprzez nagniatanie ich na całej długości, wykonywanie zakotwiczeń na końcach lub w ich pobliżu oraz przez wyginanie ich wzdłuż całej długości. Możliwe są oczywiście kombinacje powyższych rozwiązań. Przykłady możliwości obróbki włókien w tym zakresie zaprezentowano poniżej: Rys. 6.4 Przykłady obróbki mechanicznej włókien: a) nagniatanie, b) zakotwienia w pobliżu końców, c) zakotwienia w postaci haczyków, d) pofalowane [9] Badania potwierdzają, że przyczepność tak obrobionych włókien w porównaniu z włóknami gładkimi i trawionymi chemicznie, poprawia się radykalnie. Również w sposób zasadniczy zmienia się charakter wykresu siła - przemieszczenie. Do wyciągnięcia włókna nagniatanego potrzeba około 60% więcej energii, niż dla wyciągnięcia włókna gładkiego. Prezentuje to poniższy wykres:

5 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 5 Rys. 6.5 Przykładowe wykresy siły wyrywającej w funkcji przemieszczenia: a) włókno gładkie, b) włókno naginane [9] Co do tego, które włókna bardziej poprawiają przyczepność: nagniatane, faliste czy z haczykowatymi zakończeniami, zdania różnych badaczy są podzielone. Mimo tych różnic nie ulega jednak wątpliwości, że jedynie mechaniczne odkształcenie włókien poprawi ich przyczepność [9]. Jak już wspomniano utrata przyczepności następuje przez ścięcie matrycy, więc zmiany w składzie matrycy powinny wpłynąć na poziom przyczepności. Okazuje się jednak, że jeśli zmienić stosunek W/C oraz piasku do cementu, wówczas brak jest zasadniczych zmian. Źródła podają, że wraz ze wzrostem W/C możemy oczekiwać niezbyt dużego, ale jednak spadku przyczepności. Rys. 6.6 Wyniki badań wpływu stosunku W/C na wartość siły wyrywającej włókno [9] Nie zaobserwowano zmiany przyczepności w zależności od zmiany stosunku piasku do cementu. Z kolei większa zawartość porów w matrycy powoduje pewne zmniejszenie przyczepności. Przejdźmy do wpływu kąta nachylenia włókna do kierunku działania siły na przyczepność. W fibrobetonie ze względu na przypadkowe zorientowanie włókien należy się spodziewać zmiany przyczepności w zależności od kąta ich nachylenia. Badania to potwierdzają. Okazuje się, że następuje wzrost siły, jak i pracy zużytej przy wyciąganiu włókien przy zmianie kąta od 0 o do 30 o, następnie zaś powolny spadek, a powyżej 60 stopni gwałtowne obniżenie wartości siły i pracy [9]. Próbując ocenić wpływ liczby włókien w przekroju na przyczepność dostrzegamy rozdźwięk między teoretycznymi ustaleniami dotyczącymi kruchych pęknięć, mówiącymi o spadku przyczepności wraz ze wzrostem liczby włókien, a danymi doświadczalnymi. Tu wzrostowi tej liczby towarzyszy wzrost siły wyrywającej. Tłumaczy się to tym, że fibrobeton zachowuje się nie jak kruchy materiał, a przynajmniej częściowo jak ciągliwy. Związane jest to z tarciem między włóknem a matrycą po utracie przyczepności. W momencie zerwania zespolenia między włóknem a matrycą następuje tylko nieznaczny spadek siły

6 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 6 przenoszonej przez włókno, a różnica zostaje przyjęta przez sąsiednie włókna [9]. Efekty widzimy poniżej: Rys. 6.7 Porównanie wyników analizy teoretycznej i doświadczeń, wpływu liczby włókien w przekroju na wartość siły przenoszonej przez jedno włókno [9] Na koniec zastanówmy się nad zależnościami zachodzącymi między przyczepnością, a własnościami fibrobetonu. Z przeprowadzonych w tej materii badań wynika, iż nie istnieje tu prosta zależność. Z jednej strony włókna np. faliste o najlepszej przyczepności spowodowały obniżenie wytrzymałości na zginanie w odniesieniu do włókien gładkich, a z kolei włókna haczykowate mając gorszą przyczepność warunkują najlepszą wytrzymałość betonu na zginanie. Dobra przyczepność włókien nagniatanych i falistych nie znajduje odbicia we właściwościach fibrobetonu. Próbując to uzasadnić można przyjąć, że fale włókien powodowały koncentrację naprężeń w matrycy. W przypadku wyrywania pojedynczego włókna, koncentracja wokół szczytów fal włókna, przenosiła się na całą matrycę, natomiast w przypadkach gdy matryca była uzbrojona, następuje sumowanie naprężeń pochodzących od poszczególnych włókien [9] Cechy betonu podlegające modyfikacji wskutek użycia włókien stalowych Podstawowymi cechami BZWS są: wysoka wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, przy równoczesnej wysokiej odporności na pękanie przy zginaniu. Przy niskim dodatku włókien stalowych do betonu rzędu 30 kg/m 3 wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, tak w granicach odkształceń elastycznych, jak i niszcząca, nie zmienia się drastycznie w porównaniu z betonem nie zbrojonym. Jednakże zachowanie się betonu po przekroczeniu granicy odkształceń proporcjonalnych, zmienia się w sposób radykalny tak przed przekroczeniem wartości obciążenia niszczącego, jak i po jego przekroczeniu. Próbka nie ulega złamaniu i wykazuje znaczną ciągłą nośność podczas dalszej jej deformacji. W przypadku wyższej dawki włókien stalowych w betonie, wzrasta wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, tak w granicach odkształceń elastycznych, jak i wytrzymałość niszcząca [24]. Z kolei odporność na pękanie mówi o zdolności fibrobetonu do przejęcia obciążeń w określonym przedziale jego deformacji. Jest ona miarą zmian naprężeń w betonie w czasie jego pękania. Odporność na pękanie nie jest pojęciem wynikającym z zachowania się próbki w danym momencie pomiaru, ale obrazuje zachowanie się próbki przez cały czas jej odkształcania się poprzez punkt powstania pierwszej rysy, aż do odkształcenia się próbki do określonej wielkości strzałki ugięcia. Miarą odporności na pękanie jest wielość potrzebnej energii dla zadanego odkształcenia próbki mierzona wielkością pola pod krzywą obciążenie odkształcenie. Można ją określić na podstawie badań przebiegu procesu odkształcania normowej beleczki dokonanych zgodnie z normą japońską, amerykańską, czy angielską. Według normy japońskiej JSCE SF4 wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu określona jest maksymalnym obciążeniem niszczącym Pu. Najbardziej charakterystyczną cechą betonu zbrojonego włóknami stalowymi jest określony normą japońską współczynnik odporności na pękanie przy zginaniu zwany równoważną wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu fe. Określa ją wzór:

7 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 7 Tb l f C = 2 δ tb bh gdzie: T b odporność na pękanie przy zginaniu (powierzchnia pod krzywą do strzałki ugięcia beleczki równej 1/150 rozpiętości), δ tb wielkość strzałki ugięcia określana na 1/150 rozpiętości, b, h, l szerokość, wysokość, rozpiętość badanej belki. Parametry niezbędne do określenia równoważnej wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu pozwala ustalić poniższy wykres 6.8. Według zaś normy amerykańskiej ASTM C wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu określa się jako wytrzymałość momentu pojawienia się I rysy : f C = Pl 2 bh Moment ten przypada w punkcie, gdzie krzywa obciążenie odkształcenie odchyla się od linii prostej. Rys. 6.8 Określenie wytrzymałości równoważnej na rozciąganie przy zginaniu betonu zbrojonego włóknem stalowym [9] Rys. 6.9 Krzywa obciążenie odkształcenie betonu zbrojonego włóknem stalowym [9] Wielkością charakteryzującą odporność na pękanie jest wskaźnik tej odporności będący stosunkiem pochłoniętej energii (pracy) dla danego odkształcenia do pochłoniętej energii momentu I rysy [24]. Przytoczmy tu rezultaty badań przeprowadzonych przez Holenderski Instytut Naukowych Badań Stosowanych (TNO) dotyczących określenia odporności na pękanie przy zginaniu betonów zbrojonych haczykowato zagiętym na końcach włóknem stalowym Dramix firmy N.V. Bekaert S.A. Zestawienie uzyskanych wyników zawiera poniższa tabela:

8 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 8 Wyniki badań odporności na pękanie przy zginaniu BZWS [50] Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu betonu zbrojonego włóknami stalowymi Dramix *1,2 Gatunek włókna Dramix kg/m 3 betonu C25 wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu wytrzymałość równoważona na rozciąganie przy zginaniu ZC 60/ N/mm N/mm 2 ZC 60/ N/mm N/mm 2 ZC 60/ N/mm N/mm 2 *1 określone zgodnie z wytycznymi CUR. Zalecenia 10 (Holandia). Także w zgodności z normą japońską JSCE F4 i amerykańską ASTM C dla betonów zbrojonych włóknami stalowymi. *2 TNO Delft, Holandia, Raport B & B Tablica 6.1 Badania wykazały, że równoważna wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, będąca wielkością decydującą w wymiarowaniu konstrukcji z BZWS, jest różna dla każdego rodzaju i gatunku włókna stalowego, dla każdej jego ilości, a także zależy ona od klasy betonu [50]. Drugą cechą BZWS, której należy poświęcić nieco uwagi jest bardzo duża odporność na obciążenia dynamiczne. Odporność na uderzenia, czyli właśnie zmienne obciążenia dynamiczne jest jedną z ważkich cech tych betonów. Wyniki badań udarności dla betonu konwencjonalnego i betonów zbrojonych fibrą stalową o różnym kształcie prezentuje wykres: Rys Wyniki badań odporności na obciążenia dynamiczne [24] Jak widać beton z fibrą o prostym kształcie poprawia udarność około dwukrotnie. Dopiero beton z fibrą o haczykowatych zakończeniach ( Dramix ) w sposób bardzo wyraźny zwiększa odporność na uderzenia mimo mniejszej ilości włókien w betonie. Wynik ten uzyskano dla włókien charakteryzujących się dużą smukłości (powyżej 60) [23,24]. BZWS odznacza się ponadto zwiększoną odpornością zmęczeniową. W wyniku wielokrotnie zmiennego obciążenia beton konwencjonalny traci do 50% wytrzymałości statycznej. Odporność zmęczeniowa włóknem zbrojonych betonów jest znacznie wyższa z racji zdolności włókna do powstrzymywania powstawania spękań. Badania wykazały, że przy 2 x 10 6 cykli wynosi ona aż 90% wytrzymałości statycznej dla jednostronnej zmiany naprężeń oraz 70% tej wartości przy dwustronnej zmianie obciążeń (min.-zero-max.) [24]. Dodatek włókna stalowego ma ujemny wpływ na urabialność mieszanki betonowej. Poprzez właściwy dobór kruszywa i zastosowanie superplastyfikatorów, możliwym jest uzyskanie właściwej urabialności mieszanki betonowej z fibrą, tj. stabilizacja W/C w granicach 0.5 przy określonych maksymalnych ilościach dodanego do mieszanki włókna stalowego. Ilości te zależą od dwóch czynników: smukłości włókna i wymiarów maksymalnych ziarn kruszywa, będąc odwrotnie proporcjonalne do ich wielkości [24].

9 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 9 Innymi cechami, którymi charakteryzuje się beton zbrojony włóknem stalowym są np. wysoka odporność na nagłe zmiany temperatury, czy też odporność na korozję podyktowana tym, iż cienkie włókna tkwiąc szczelnie w matrycy betonu nie ulegają korozji. Nie występuje też rozsadzanie, pękanie i korozja betonu wskutek rdzewienia stali zbrojeniowej [50]. BZWS charakteryzuje się także niższą ścieralnością o kilka kilkadziesiąt procent w stosunku do betonu konwencjonalnego. Zmiana tych cech powoduje w sumie znaczne zwiększenie trwałości betonów zbrojonych włóknem stalowym [23]. 6.3 Fibrobetony zawierające włókna syntetyczne Zmiana charakterystyki betonu przez użycie włókien syntetycznych Od początku lat 80 tych systematycznemu wzrostowi podlega stosowanie włókien syntetycznych jako dodatku do zapraw i betonu. Włókna syntetyczne skutecznie eliminują rysy i pęknięcia skurczowe powstające w pierwszym okresie wiązania betonu. Nie zmieniają zaś innych cech fizycznych betonu, tak jak to się dzieje w przypadku włókien stalowych. Włókna tego typu są bardzo cienkie, gdyż ich grubość mierzy się w mikronach, a właściwie w denierach określających ile gram włókna przypada na 9 km jego długości [23]. Cechują się one stosunkowo dużą wytrzymałością na rozciąganie, bo ok. 500 N/mm 2, lecz małym modułem Younga wynoszącym N/mm 2, podczas gdy dla betonu wynosi on ok N/mm 2. Rolę jaką odgrywają włókna syntetyczne w strukturze betonu wyjaśnia następujący wykres: Rys Rola włókien polipropylenowych w funkcji czasu [24] Jak widać w pierwszych godzinach życia betonu, gdy ma on bardzo jeszcze niską wytrzymałość i niski moduł Younga, naprężenia powstałe wskutek skurczu przekraczają jego wytrzymałość, co daje w efekcie wystąpienie rys i pęknięć skurczowych. W tym właśnie okresie rola włókien jest najbardziej istotna. Ich wielka ilość równomiernie rozmieszczona w całej strukturze betonu zatrzymuje powstawanie naturalnych spękań skurczowych. Precyzując należy stwierdzić, iż spękania skurczowe w betonie nie zostają wyeliminowane, na co dzisiejszy poziom technologii nie pozwala. Stają się one natomiast tak drobne, że szerokość ich maleje o 2 rzędy wielkości. Są one niewidoczne i nie mają wpływu na wodoszczelność i wytrzymałość betonu [24]. Włókna przez pierwszych kilka godzin pozwalają na zatrzymanie w mieszance większej ilości wody redukując skurcz do momentu, gdy beton osiąga ostateczną wytrzymałość. A zatem w okresie tym, kiedy beton przechodzi ze stanu plastycznego w stały, następuje redukcja mikroszczelin. Włókna stanowią trójwymiarowe zbrojenie przeciwdziałające powstawaniu mikroszczelin. Powstające rzadkie szczeliny są wiązane włóknami syntetycznymi, które blokują ich rozprzestrzenianie się [48]. Fakt skutecznego przeciwdziałania rysom skurczowym betonu zwykłego umożliwia w fibrobe-

10 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 10 tonie rezygnację ze stosowania tzw. zbrojenia przeciwskurczowego w postaci siatek stalowych [23]. Działanie tych cienkich włókien (np. polipropylenowych) ustaje po czasie gdy narastający moduł Younga betonu przekroczy wartość modułu Younga polipropylenu. Ze względu na tę cechę zastosować można zbrojenie hybrydowe (włókna syntetyczne i stalowe) w efekcie czego w tym drugim okresie rolę zbrojenia rozproszonego przejmują włókna stalowe, których moduł Younga jest wielokrotnie wyższy w odniesieniu do betonu. Zatem wzajemne współdziałanie jest możliwe, co w efekcie daje tworzywo o jeszcze lepszych właściwościach fizycznych [24]. Poza eliminacją rys i pęknięć skurczowych fibra syntetyczna pozwala na uzyskanie całej gamy ulepszonych cech betonu. Mam tu na myśli dużą odporność na pękanie przy zginaniu, zdecydowaną poprawę udarności i odporność na obciążenia zmęczeniowe, odporności na korozję, czy na skokowe zmiany temperatury. Wzrasta ponadto odporność na ścieranie, a spada nasiąkliwość i wodoprzepuszczalność. Generalnie włókna syntetyczne poprawiają jakość powierzchni otrzymywanych z klasycznych mieszanek betonowych, dzięki zmniejszeniu liczby otworów, kanałów odprowadzających wodę zarobową (redukują ilość wydzielanego mleczka cementowego) [51]. W bardzo niewielu przypadkach (przy znacznych udziałach procentowych włókien syntetycznych) uzyskać można wzrost wytrzymałości na zginanie i rozrywanie Wpływ włókien syntetycznych na właściwości reologiczne zapraw Celem badań przeprowadzonych w Akademii Górniczo Hutniczej [10], które tutaj przedstawiono, było wyznaczenie zmian plastyczności i gęstości pozornej, świeżej zaprawy w funkcji ilości dodatku włókien oraz ich długości. Badania przeprowadzono zgodnie z PN 85/B Na podstawie uzyskanych wyników zaproponowano empiryczny opis zmian plastyczności i gęstości pozornej świeżej zaprawy. Do badań użyto cementu CP45N i piasku normowego. Współczynnik W/C wynosił 0.5. Posłużono się dwoma rodzajami włókien syntetycznych: polipropylenowymi (PP) i poliakrylonitrylowymi (PAN). Różnią się one zasadniczo wytrzymałością na rozciąganie (PP: 365 MPa, PAN: 1030 MPa), a zwłaszcza modułem Younga (PP: 3.5 GPa, PAN: 19 GPa prawie dorównuje betonowi). Włókna te dodawano w ilościach 0.5, 1, 2% objętościowych. Ogólnie rzecz biorąc we wszystkich przypadkach dodatek włókien znacznie ograniczał plastyczność zaprawy i w nieznacznym stopniu zmniejszał gęstość pozorną. Przechodząc jednak do szczegółowszych danych zaobserwujemy zmiany plastyczności zapraw w funkcji ilości dodatku włókien, jak również ich długości. Okazuje się, że zmiany plastyczności zapraw z udziałem tak włókien jednego jak i drugiego rodzaju, dla tych samych długości włókien, są bardzo zbliżone. Stąd na poniższych wykresach aproksymowano je jedną krzywą. W celu zmiany układu odniesienia z wartości bezwzględnych (rozpływ w cm) na wartości względne przyjęto rozpływ próbki zerowej jako 1 oraz wartość rozpływu równą 10 cm jako 0 (średnica próbki). Względne plastyczności zapraw w funkcji ilości dodanych włókien przedstawiają się następująco: dla 6 mm: p = e V/1.5, dla 12 mm: p = e V.

11 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 11 Rys Względne zmiany plastyczności zapraw z dodatkiem włókien 6 mm w funkcji ilości włókien [10] Rys Względne zmiany plastyczności zapraw z dodatkiem włókien 12 mm w funkcji ilości włókien [10] Na podstawie ustalonych zależności można określić od jakiej zawartości włókien plastyczność zapraw nie ulega zmianie w znaczący sposób. A zatem wprowadzenie badanych włókien polipropylenowych długości 6 mm w ilości powyżej 3.6% nie powoduje już widocznej zmiany plastyczności zaprawy. W przypadku włókien o długości 12 mm wielkość graniczna jest na poziomie 2.4%. Wartości te mają podstawowe znacznie w optymalizacji składu masy przeznaczonej do formowania elementów metodą ekstruzji, gdyż pozwalają na określenie minimalnego, optymalnego ekonomicznie dodatku włókien [10]. Jak już wspomniano w przypadku gęstości pozornej świeżych zapraw z dodatkiem włókien należy stwierdzić, iż zmniejsza się ona nieznacznie wraz z ilością wprowadzonych włókien. W tym przypadku rodzaj włókna (PP, PAN) wpływa na uzyskany wynik.

12 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 12 Rys Względne zmiany gęstości pozornej zapraw z dodatkiem włókien 6 mm w funkcji ilości włókien [10] Rys Względne zmiany gęstości pozornej zapraw z dodatkiem włókien 12 mm w funkcji ilości włókien [10] Zmianę gęstości pozornej ρs dla włókien polipropylenowych wyrażają empiryczne zależności: dla 6 mm: ζs = x V, dla 12 mm: ζs = x V a w przypadku włókien poliakrylonitrylowych: dla 6 mm: ζs = x V, dla 12 mm: ζs = x V Z powyższych relacji wynika, że maksymalne zmniejszenie gęstości pozornej uzyskano dla 12 mm włókien poliakrylonitrylowych: o 4.6% dla objętościowego udziału włókien rzędu 1% [10].

13 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami Wpływ pyłów krzemionkowych na właściwości fibrobetonów (na przykładzie włókien węglowych) Z dotychczasowych badań wynika, że skuteczność działania włókien jako rozproszonego mikrouzbrojenia w kompozytach cementowych oprócz ich rodzaju, zawartości i rozproszenia zależy w głównej mierze od wytrzymałości wiązania na styku włókno matryca. Możliwość rozproszenia krótkich włókien w matrycy cementowej i ograniczenie ich wpływu na urabialność dodatkiem pyłu krzemionkowego i superplastyfikatorów zwiększyło zainteresowanie tymi kompozytami. Stwierdzoną znaczną poprawę: odporności na pękanie, rozciąganie, udarności, zmniejszenie skurczu, itp. tłumaczy się modyfikacją mikrostruktury w warstwie przejściowej i zwiększeniem przyczepności włókien. Koncentrując się na wpływie rodzaju i zawartości włókien na proces niszczenia kompozytów, nie należy zapominać o udziale w tych procesach pyłów krzemionkowych. Na podstawie ostatnich badań okazuje się, że w przypadku kompozytu z włóknami PAN, optymalny dodatek pyłu odpowiadający największej poprawie właściwości mechanicznych betonu nie przekracza 10%. Udział produktów reakcji pucolanowej w modyfikacji mikrostruktury powoduje, że optymalizując skład betonu kompozytowego mikrokrzemionką, większego znaczenia nabiera wiek badanych próbek, bowiem zawartość włókien niezbędna do zwiększenia odporności na pękanie rośnie z wiekiem kompozytu [33]. Zastanówmy się teraz nad przebiegiem procesu pękania z jednej strony betonów zwykłych z fibrą oraz betonów wysokowartościowych także z dodatkiem włókien. Zatem w zwykłych betonach o zawartości włókien do 2%, zwiększenie odporności na pękanie ujawnia się głównie po przekroczeniu maksymalnego obciążenia i jest wyjaśnione dodatkiem energii na rozwieranie rysy i wywlekanie włókien mostkujących niszczące pęknięcie. Natomiast w wysokowartościowych kompozytach, podobnie jak w metalach, na krzywej obciążenie ugięcie pomiędzy zakresem liniowo sprężystym i maksymalnym obciążeniem pojawia się strefa odkształceń niesprężystych, w której rozproszenie energii jest związane z wystąpieniem zjawiska wielokrotnego zarysowania. Aby doszło do znacznego zwiększenia odporności na pękanie poprzez wielokrotne zarysowanie niezbędne jest dostosowanie właściwości matrycy do włókien tak, by rosnąca z obciążeniem energia była wydatkowana na tworzenie nowych rys, a nie na rozwieranie pierwszego pęknięcia. Minimalna zawartość włókien, przy której może wystąpić wielokrotne zarysowanie zależy od smukłości włókna i przyczepności włókien do matrycy, przy czym wzrost odporności na pękanie uwarunkowany jest wzrostem ilości włókien. Aby uzyskać kompozyt o znaczącej odporności na pękanie, przy minimalnym dodatku włókien należy w taki sposób zmodyfikować strukturę matrycy, aby zapewnić odpowiednio wysoką wytrzymałość wiązania matryca włókno i zwiększyć odporność na pękanie samej matrycy [33]. Przejdźmy jednak do badań określających wpływ pyłu krzemionkowego i zawartości niskomodułowych, krótkich włókien węglowych typu pitch (l=3 6 mm, d 15µm, wytrzymałość na rozciąganie ok. 800 MPa, moduł Younga ok. 40 GPa) na podstawowe właściwości mechaniczne i odporność na pękanie wysokowartościowych zapraw. Badania obejmowały dwie serie prób tak z pyłem krzemionkowym, jak i bez.

14 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 14 Rys Wpływ ilości włókien na gęstość i porowatość fibrobetonu z Pk lub bez. [33] Badania przeprowadzono po 28 i 56 dniach. Wskaźnik W/C był utrzymywany na stałym poziomie Zawartość pyłów krzemionkowych (z Łazisk ) wynosiła 10% masy cementu. Użyto cementu mostowego 45 z cementowni Rejowiec. Okazuje się, że dodatek 10% pyłów zmniejszając sedymentację ziarn, nieznacznie obniża gęstość i zwiększa porowatość. Zmniejszenie gęstości ze wzrostem zawartości włókien związane jest ze zwiększeniem zawartości powietrza i występuje w obu seriach zapraw. Natomiast wzrost porowatości jest wyraźniejszy tylko w serii z pyłem krzemionkowym. Po 28 dniach mniejszym gęstościom odpowiadają większe porowatości próbek, a po 56 minimalnie spada gęstość obu serii i znacznie zmniejsza się porowatość serii z mikrokrzemionką [33]. Badania wytrzymałości na ściskanie (f c ) ukazują, że niezależnie od czasu badania dodatek mikrokrzemionki znacznie zwiększa jej wartość oraz uwidacznia się tutaj silny wpływ zawartości włókien. Rys Wytrzymałość na ściskanie i na zginanie w zależności od ilości włókien i dodatku pyłów krzemionkowych [33]

15 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 15 W serii z mikrokrzemionką słabo zaznaczone maksimum wytrzymałości na ściskanie występuje przy zawartości włókien %, której odpowiada największy wzrost porowatości mierzonej po 28 dniach. Po 56 dniach to maksimum przesuwa się w kierunku najmniejszej zawartości włókien: 0.26%. Badając wytrzymałość na zginanie po 28 dniach stwierdza się jej wyraźny spadek wskutek dodania mikrokrzemionki, a dodanie włókien podnosi jej wartość. W serii bez pyłu zawartość włókien praktycznie nie wywiera wpływu na wytrzymałość na zginanie. Niewielki wpływ włókien na wytrzymałość na zginanie, przy znacznym zmniejszeniu wytrzymałości na ściskanie zwiększa stosunek f t / f c. W przypadku serii z pyłem zwiększenie kruchości kompozytów następuje wraz ze zwiększeniem wytrzymałości na ściskanie. Jak widać na wykresach 6.18 w obu seriach powierzchnie pod krzywymi, na podstawie których wyznaczono całkowitą energię pękania (W tet ) jako miarę odporności na pękanie, w badanym zakresie zwiększają się ze wzrostem zawartości włókien. Z relacji między całkowitą energią pękania, a zawartością objętościową włókien wynika, że w serii z pyłem krzemionkowym wyraźnie zwiększa się odporność na pękanie po 28 dniach już przy 0.79% włókien i zmniejsza się prawie o połowę po 56 dniach [33]. Rys Krzywe określające całkowitą energię pękania [33] Fakt, że o energii zarysowania decyduje matryca wyjaśnia dlaczego przy zwiększeniu wytrzymałości matrycy i przyczepności włókien przez dodanie pyłu krzemionkowego, wzrost odporności na pękanie mechanizmem wielokrotnego zarysowania pojawia się przy odpowiednio większej zawartości włókien, przy której zmniejsza się prawdopodobieństwo ich pękania. Ustalono, że minimalna zawartość włókien niezbędna do zwiększenia odporności na pękanie mechanizmem wielokrotnego zarysowania wyznaczona po 28 dniach dla serii z pyłem wynosi 1%, natomiast po 56 dniach ok. 1.5%. Gdy nie dodamy mikrokrzemionki, wówczas niezależnie od zawartości włókien, ze względu na ich stałe powiązanie z matrycą zwiększenie energii pękania wielokrotnym zarysowaniem nie występuje. W próbkach o największej odporności na pękanie i względnie małej wytrzymałości na ściskanie, część energii jest wydatkowana na pękanie włókien. Duża przyczepność włókien do matrycy oraz przykłady możliwych mechanizmów wydatkowania energii w procesie niszczenia kompozytu o największej odporności na pękanie wykazuje, że wypadkowy efekt wzrostu odporności na pękanie wysokowartościowych matryc z rozproszonym uzbrojeniem można zwiększyć głównie ograniczeniem pękania włókien.

16 6. Betony z matrycą cementową wzmacnianą włóknami 16 Dla warunków tutaj zaistniałych (W/(C+Pk) = 0.31, zawartość mikrokrzemionki=10%) ograniczenie pękania włókien można osiągnąć tylko odpowiednim zwiększeniem ich zawartości. Jednak włókna pełnią także rolę czynnika osłabiającego matrycę (spadek wytrzymałości na ściskanie zapraw zawierających powyżej 0.26% włókien) i w ten sposób zmniejszeniu ulega ilość włókien niezbędna do zwiększenia odporności na pękanie mechanizmem wielokrotnego zarysowania [33]. Rys Całkowita energia pękania w zależności od: objętości włókien, dodatku Pk, okresu dojrzewania betonu [33