Badania rozmieszczenia zbrojenia rozproszonego w betonach SCC

Transkrypt

1 Tomasz Ponikiewski Grzegorz Cygan Badania rozmieszczenia zbrojenia rozproszonego w betonach SCC The investigation OF distribution of fibres in reinforced selfcompacting concrete Streszczenie W artykule przedstawiono wpływ wybranej metody formowania betonu SCC na rozmieszczenie włókien stalowych. Zaprezentowano analizę przekrojów próbek elementów belkowych, wykonanych z betonu modyfikowanego włóknami stalowymi i formowanych podczas badania L-box. Analizę wykonano przy pomocy autorskiego programu komputerowego do analizy obrazu zgładów fibrobetonowych. Analizowanie wpływu losowości włókien na urabialność oraz parametry wytrzymałościowe betonów jest jedną z nowych tendencji w badaniach betonów zwykłych i samozagęszczalnych. Nierównomierne i kierunkowe rozmieszczanie się zbrojenia rozproszonego w trakcie zabiegów technologicznych powoduje problemy, związane z losowością dystrybucji włókien w objętości betonu, co potwierdzono w prezentowanych badaniach. Abstract The paper presents and discusses the influence of the selected forming method of selfcompacting concrete on distribution of fibres. The paper also presents an analysis dealing with cross-sections of SCC concrete beams in which steel fibres were applied and L-box test formed. This analysis was carried out using special software for the analysis of polished micro-sections of fibre-concretes. The analysis of the impact this randomness has on workability and strength parameters of concrete is one of the present trends in investigation of normal and self-compacting concrete. The lack of regularity and directional reorientation of fibres during technological processes causes some problems linked with their random distribution in the concrete mass and it has been confirmed in presented research. dr inż. Tomasz Ponikiewski Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa mgr inż. Grzegorz Cygan Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa

2 Tomasz Ponikiewski, Grzegorz Cygan 1. Wprowadzenie Technologia betonów samozagęszczalnych jest aktualnie przedmiotem bardzo dużego zainteresowania badawczego. Jednakże istniejący stan wiedzy w zakresie samozagęszczalnych betonów modyfikowanych włóknami różnego rodzaju jest dość ograniczony. Dostępne publikacje z badań takich betonów, szczególnie pod względem projektowania i metod formowania są nieliczne. Analizowanie zmienności rozmieszczenia i ukierunkowania zbrojenia rozproszonego w betonach SFRSCC (Steel-Fibre-Reinforced Self- Compacting Concrete) oraz ich wpływu na parametry mechaniczne jest jedną z nowych tendencji w badaniach betonów samozagęszczalnych. Dodatek zbrojenia rozproszonego poprawia w mniejszym lub większym stopniu różne parametry SFRSCC, ale jednocześnie uwidacznia trudności w przygotowaniu składu spełniającego warunek samozagęszczalności, jednorodności matrycy w swojej objętości, a zarazem wyraźnej poprawy właściwości fizyko-mechanicznych [1, 2, 3, 4]. Niewiele jest badań w zakresie rzeczywistego rozmieszczenia zbrojenia rozproszonego w samozagęszczalnej mieszance betonowej i wpływu ich dystrybucji na urabialność i właściwości mechaniczne betonu samozagęszczalnego [5, 6]. Nierozpoznanym obszarem badawczym jest wpływ metod formowania SFRSCC na zachowanie zakładanych w projektowaniu parametrów technologicznych [7] i mechanicznych betonu, ze względu na brak informacji o rzeczywistym rozproszeniu oraz ukierunkowaniu włókien w mieszance w trakcie procesów technologicznych. 2. Założenia i metodyka badań Skład badanych mieszanek SCC przedstawiono w tabeli 1. Opis oraz przyjęte oznaczenia próbek wykonanych w ramach badań przedstawiono w tabeli 2. Rozpatrywano w badaniach 4 rodzaje włókien stalowych na 3 poziomach udziału objętościowego. Kryterium samozagęszczalności spełniały mieszanki z maksymalną zawartością włókien 0,75%, przyjęto więc, że będzie to maksymalna analizowana zawartość włókien. Tabela 1. Skład zaprojektowanej mieszanki samozagęszczalnej Składnik Na 1 m 3 [kg/m 3 ] Na zarób [kg/15 dm 3 ] CEM II B-S 42,5 [kg] 466 6,990 Popiół lotny 58 0,870 Woda 188 2,820 SP na bazie eterów polikarboksylanowych [1,0% m.c.] 4,66 0,070 Kruszywo sjenitowe 2-8 [mm] 809,5 12,14 Piasek 0-2 [mm] 809,5 12,14 W/(C+D) 0,36 0,36 2

3 Badania rozmieszczenia zbrojenia rozproszonego w betonach SCC Tabela 2. Rodzaje zastosowanych do badań włókien stalowych i oznaczenia próbek Lp Kształt włókien Smukłość Długość Średnica [mm] [mm] Numer próbki wg zawartości włókien: 0-0,25-0,50-0,75 [%] 11 haczykowate ,66 P13 - P2 P1 P3 22 haczykowate ,1 P13 - P5 P4 P6 33 proste 64 25,4 0,4 P13 - P8 P7 P9 44 faliste ,7 P13 - P11 P10 P12 Zakres badań obejmował: Przygotowanie mieszanki betonowej wg podanego składu w tabelach 1 i 2 Wykonanie próby rozpływu stożkiem Abramsa po upływie 20 minut od ukończenia procesu mieszania celem weryfikacji samozagęszczalności Wypełnienie skrzynki wypływowej L-box po ponownym wymieszaniu mieszanki SFRSCC oraz wykonanie badania Rozformowanie otrzymanych próbek z rozbieralnej formy L-box po 24 godzinach od formowania; przykładowy wygląd betonu po rozformowaniu przedstawiono na fot. 1. Przygotowywanie zgładów betonów wg rys. 1. Analiza autorskim programem komputerowym do analizy obrazu zgładów fibrobetonowych. a) b) Fot. 1. Wykonane w skrzynce wypływowej L-box i rozformowane próbki SFRSCC dla a) włókien prostych 0,40/25,4 w pomiarach P8 P7 P9; b) włókien falistych 0,7 x 30 w pomiarach P11 P10 P12 [8] Badanie przy pomocy rozbieralnych skrzynek wypływowych L-box pozwoliło na ocenę samozagęszczalności mieszanki w warunkach rozstawów prętów zbrojeniowych, zdolności mieszanki do samopoziomowania się oraz skłonności do segregacji i blokowania włókien. Należy zaznaczyć, że mieszanka wzorcowa P-13 uzyskała pełny rozpływ w skrzynce L-box. 3

4 Tomasz Ponikiewski, Grzegorz Cygan Kolejnym etapem badań było podzielenie otrzymanych próbek betonowych na części, w celu otrzymania zgładów do dalszej analizy komputerowej. Przyjęto, że próbki zgładów będą dzielone na części długości 100 mm. Na rys. 1 przedstawiono założony system numeracji próbek i poszczególnych zgładów. Rys. 1. Założony system numeracji próbek i poszczególnych zgładów W badaniach przyjęto siatkę podziałową, której wymiary zostały przyjęte dla zgładu SFRSCC o największy przekroju tzn. 100 x 200 mm (rys. 2). Pionowo dokonano podziału zgładu na cztery pola, natomiast poziomo założono szerokość na osiem pól. Rys. 2. Zastosowana siatka podziału zgładów W każdym polu generowane są przez program komputerowy wartości określające ilość włókien znajdujących się w danym obszarze. 4

5 3. Wyniki badań i ich omówienie Badania rozmieszczenia zbrojenia rozproszonego w betonach SCC W badaniach uzyskano mapy obrazujące rzeczywisty rozkład włókien stalowych w zgładach betonów SFRSCC (zawartość w poszczególnych polach siatki). Aby umożliwić porównanie poszczególnych map, do wszystkich rysunków przyjęto taką samą skalę kolorów, przyjętej dla próbki z największą zawartością włókien. Przykładowa mapa rozkładu włókien dla przekroju h100 próbki P1 została przedstawiona na rys. 3. Rys. 3. Mapa rozkładu włókien dla przekroju h100 dla próbki P1 Przykładowe rozmieszczenie i oznaczenie włókien stalowych dla wybranych 3 badanych betonów we wszystkich zgładach pomiarowych przedstawiono na rys Stwierdzono, że wraz z oddaleniem się od zasuwy L-box a, ilość włókien w kolejnych zgładach jest coraz mniejsza. Stwierdzono blokowanie się mieszanki przy prętach, ich przepływ nie był jednolity, czego efektem było rozmieszczanie się mieszanki w dolnych rzędach próbki w sposób zależny od ilości i rodzaju włókien (fot. 1). Różnice pomiędzy zawartością włókien w polach pomiarowych w jednym poziomie lub pionie dochodzą nawet do 50%. Badano również wpływ rodzaju włókien na ich liczbę w przekrojach pomiarowych formy L-box. Przykładowe wyniki badań dla zawartości włókien 0,75% przedstawiono na rys. 7. Zastosowane włókna faliste w próbce P12 przy zawartości 0,75% wykazywały się znacznie mniej negatywnym wpływem na blokowanie się mieszanki między prętami L-box a, w porównaniu z próbkami P3, P6 i P9. Wykazano znaczący wpływ kształtu włókien na urabialność mieszanki. Im większa smukłość zastosowanych włókien tym większy wpływ na urabialność. Włókna proste o dużej smukłości próbki P9 niemalże całkowicie zostały zablokowane przy prętach skrzynki L-box. W przypadku zawartości włókien 0,50% procentowy spadek ilości włókien pomiędzy przekrojem h100 i h200 wynosił 17%, natomiast między przekrojem pierwszym i ostatnim 45%. Dla zawartości włókien 0,25% blokowanie się włókien przed prętami nie jest duże w porównaniu z próbkami o większej zawartości włókien (rys. 8). Procentowy spadek ilości włókien w próbce P2 między przekrojem h100 i h200 wynosił 8%, natomiast między przekrojem pierwszym i ostatnim wynosił 31%, natomiast w próbce P5 odpowiednio 2 i 23%. 5

6 Tomasz Ponikiewski, Grzegorz Cygan Rys. 4. Model rozkładu włókien próbki P1 [8] Rys. 5. Model rozkładu włókien próbki P2 [8] Rys. 6. Model rozkładu włókien próbki P12 [8] Rys. 7. Wpływ rodzaju włókien na ich liczbę w przekrojach pomiarowych formy L-box dla zawartości włókien 0,75% [8] 6

7 Badania rozmieszczenia zbrojenia rozproszonego w betonach SCC Rys. 8. Wpływ rodzaju włókien na ich liczbę w przekrojach pomiarowych formy L-box dla zawartości włókien 0,25% [8] 4. Podsumowanie i wnioski końcowe Przeprowadzone badania potwierdzają problemy technologiczne z równomiernym rozmieszczeniem włókien stalowych w matrycy betonu SFRSCC. Symulacja przepływu mieszani betonowej w aparacie L-box wykazywała blokowanie się włókien na prętach imitujących zbrojenie zwiększające się wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien w betonie. Wykazano również wpływ smukłości oraz kształtu włókien na zjawisko blokowania. Dotychczasowe badania nie dostarczyły systematycznych, zweryfikowanych danych doświadczalnych umożliwiających projektowanie SFRSCC z warunku zakładanych parametrów mechanicznych oraz rzeczywistego 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 SFRSCC 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 zbrojenia rozproszonego. Literatura [1] I. Busterud, K. Johansen, A. I. Dossland: Production of fibre reinforced SCC, in: Proceedings of the second North American conference on the design and use of self-consolidating concrete and the fourth international RILEM Symposium on self-compacting concret, Chicago, IL, USA, October 2005, Hanley Wood, Minneapolis, MN, USA, pp

8 Tomasz Ponikiewski, Grzegorz Cygan [2] Y. Ding, D. Thomaseth, Ch. Niederegger, A. Thomas, W. Lukas: 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, taly [3] S. Grünewald: Performance-based design of self-compacting fibre reinforced concrete, Doctor`s thesis, [4] S. Grünewald, J. C. Walraven: Optimisation of the mixture composition of self-compacting fibre reinforced concrete. In: Proceedings of the Second North American conference on the Design and Use of Self-consolidating Concrete and the Fourth International RILEM Symposium on Self-compacting Concrete, Chicago, IL, USA, October 2005, Minneapolis, MN, USA, pp [5] K. H. Khayat, P. Ghoddousi, F. Kassimi: 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 [6] T. Ponikiewski: The rheological properties of fresh steel fibre reinforced self-compacting concrete, in: Proc. Int. Symp. `Brittle Matrix Composites 8`, A.M.Brandt, V.C.Li, I.H.Marshall, Cambridge and Warsaw [7] T. Ponikiewski: 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 [8] T. Kmita: Analiza losowości romieszczenia zbrojenia rozproszonego w betonach samozagęszczalnych. Praca magisterska. Promotor: Tomasz Ponikiewski, Gliwice