SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŁÓDZKA ul. Żeromskiego Łódź KATEDRA BUDOWNICTWA BETONOWEGO NIP: REGON: LABORATORIUM BADAWCZE MATERIAŁÓW I KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH Al. Politechniki Łódź SPRAWOZDANIE Z BADAŃ Temat: Badanie przyczepności prętów kompozytowych GFRP i BFRP do betonu Zleceniodawca: Katedra Budownictwa Betonowego Własne badania naukowe. Nr umowy: Zlecenie wewnętrzne Data Zlecenia: r. Data opracowania: r. Sprawozdanie zawiera: Wyniki badania próbek zbrojonych prętami GFRP i BFRP Opracowali: Autoryzował: Zaakceptował: P. Szymczak P. Olbryk Sz. Chołostiakow prof. dr hab. inż. M. Kamińska Wyniki badań odnoszą się wyłącznie do badanych obiektów. Sprawozdanie z badań bez pisemnej zgody Laboratorium nie powinno być powielane inaczej jak w całości. Liczba Raportów 1 Nr egz. 1 /1 Strona / Stron 1 / 9

2 1. Wprowadzenie Badania objęły pręty kompozytowe, zawierające włókna szklane (GFRP Glass Fibre Reinforced Polymer) i włókna bazaltowe (BFRP). Badaniu poddano pręty GFRP o średnicach nominalnych 8,5mm i 11mm oraz pręty BFRP o średnicach nominalnych 7mm i 9mm. Badania prowadzono zgodnie z normą PN-EN Stal do zbrojenia betonu; postanowienia ogólne. Do oceny przyczepności prętów do betonu zastosowano metodę badania opisaną w Załączniku C do tej normy. 2. Materiały Geometryczne i wytrzymałościowe cechy prętów kompozytowych, zastosowanych w badaniach, są przedstawione w tablicy 1. Tablica 1. Cechy prętów kompozytowych Włókna szklane Włókna bazaltowe Nominalna średnica mm 8, Dopuszczalne odchyłki pomiarowe mm ± 0,5 ± 0,5 ± 0,5 ± 0,5 Nominalne pole przekroju mm 2 56,75 95,05 38,49 63,63 Charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie MPa Moduł sprężystości GPa 46,8 49,1 52,8 56,3 Charakterystyczne odkształcenie graniczne 20,1 19,6 17,4 15,8 Ciężar jednostkowy g/m Zbrojenie stalowe próbek wykonano ze stali St500, zgodnie z wymaganiami PN-EN 10080, rys. C.3 Badanie belki typu A (d < 16mm). Zastosowano beton o składzie przedstawionym w tablicy 2. Tablica 2. Skład mieszanki betonowej zastosowanej w badaniu Skład [kg] [kg/dm 3 ] [litry] Piasek 0-2mm 875 2, Żwir 2-8mm 948 2, CEM II 32,5R Cemex 300 3,10 97 Sika Perfin 1,5 - - Woda wodociągowa 195 1, Powietrze Wytrzymałość betonu na ściskanie określono na 6 próbkach walcowych Φ150/300mm, a wytrzymałość na rozciąganie, metodą rozłupywania, na 6 kostkach o boku 150mm. Część próbek zbadano rozpoczynając badania przyczepności, a pozostałe w dniu zakończenia właściwych badań. Wyniki są przedstawione w tablicach 3 i 4.

3 Tablica 3. Wytrzymałościowe cechy betonu na ściskanie Wymiary próbki średnica d wysokość h Masa próbki [g] Gęstość [kg/m 3 ] Średnia gęstość [kg/m 3 ] Siła niszcząca [kn] Wytrzymałość na ściskanie [MPa] ,6 30, ,1 32, ,9 31, ,4 33, ,5 31, ,3 33,1 Średnia wytrzymałość na ściskanie [MPa] 31,9 P Tablica 4. Wytrzymałościowe cechy betonu na rozciąganie wysokość Wymiary próbki szerokość długość Masa próbki [g] Gęstość [kg/m 3 ] Średnia gęstość [kg/m 3 ] Siła niszcząca [kn] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] *) ,1 2, ,3 2, ,1 2, ,6 2,7 K ,2 2, ,2 2,9 P próbki zbadane w dniu rozpoczęcia badań przyczepności K - próbki zbadane w dniu ukończeniu badania przyczepności *) wytrzymałość na rozciąganie określona metodą rozłupywania 3. Próbki do badań Średnia wytrzymałość na rozciąganie [MPa] *) Próbki do badań przygotowano zgodnie z wymaganiami PN-EN. Długość odcinka przyczepności wynosiła w każdym przypadku 10d (d nominalna średnica pręta), na pozostałych odcinkach przyczepność wykluczano stosując tulejki z tworzywa sztucznego o średnicy wewnętrznej 14,6mm. Wszystkie wymiary próbek spełniały wymagania normowe. Zbrojenie próbki przedstawiono na rys. 1. 2,50 2,80 Rys. 1.a) Widok stalowego zbrojenia próbki; b)widok pręta kompozytowego na odcinku przyczepności

4 4. Opis badań 4.1. Stanowisko badawcze Stanowisko badawcze zostało przygotowane zgodnie z wymaganiami PN-EN Spełniono wszystkie wymagania dotyczące sposobu podparcia i obciążania elementów. Widok próbki ustawionej na podporach i przygotowanej do badań przedstawia rys. 2. Rys. 2. a) Próbka na stanowisku badawczym; b) Widok przegubu belki 4.2. Oprzyrządowanie i obciążanie próbek Przemieszczenia pręta kompozytowego względem betonu rejestrowano przy obu końcach próbki, za pomocą przetworników przemieszczeń liniowych o dokładności odczytu 0,01mm. Przetworniki były umieszczone w uchwytach, przymocowanych do czołowych płaszczyzn próbki (rys.3). Rys.3. Zamocowanie przetwornika przemieszczeń liniowych

5 Siła [kn] Siła [kn] Siła [kn] Siła [kn] Siła obciążająca próbkę była oceniana na podstawie wskazań czujnika ciśnieniowego, umieszczonego w układzie hydraulicznym prasy. Wszystkie odczyty były zapisywane za pomocą komputerowym systemu akwizycji danych. Przy każdym badaniu próbkę początkowo obciążano siłami przykładanymi skokowo, w celu sprawdzenia poprawności ustawienia, a potem przechodzono na obciążenie i zapis ciągły. Wyniki były w tym przypadku rejestrowane co 1 sekundę. Badanie uznawano za zakończone, gdy występował gwałtowny przyrost przemieszczenia na jednym z czujników i towarzyszący mu spadek siły obciążającej. 5. Wyniki badania 5.1. Zależności siła poślizg Przykładowe wykresy zależności siła przemieszczenie przedstawiono na rys Strona "z" 10 Strona "nz" 5 0-1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Przemieszczenie pręta 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 Strona "z" 5,0 Strona "nz" 0,0-2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 Przemieszczenie pręta 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 Strona "z" 10,0 Strona "nz" 0,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Przemieszczenie pręta Strona "z" 10 Strona "nz" 5 0-2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 Przemieszczenie pręta Rys.3. Przykładowe krzywe siła-poślizg: a)próbka G8.5.3; b)próbka G11.4; c)próbka B7.1; d)próbka B9.1 (czytane rzędami poziomymi)

6 Warto podkreślić, że we wszystkich przypadkach wskazania obydwu czujników były zbliżone, różnice pojawiały się dopiero w fazie utraty przyczepności w obszarze przy jednej z podpór. Świadczy to o stabilności zjawiska przyczepności badanych prętów kompozytowych do betonu Wyniki liczbowe Wyniki badania przedstawiono w formie tabelarycznej. W tablicy 5 podano wartości sił odpowiadających przemieszczeniom pręta względem betonu, wynoszącym odpowiednio 0,01mm, 0,1 mm, 1,0mm, oraz zarejestrowane wartości sił maksymalnych. Rozróżniono przy tym dwie części próbki z, w której doszło do utraty przyczepności, oraz nz, w której do tego nie doszło. Tablica 5. Siły obciążające próbkę, odpowiadające określonym przemieszczeniom pręta względem betonu Symbol Średnica nominalna Pole nominalne [mm 2 ] Siła [kn] odpowiadająca przemieszczeniu pręta 0,01 0,1 1,0 max z nz z nz z nz z nz G ,5 27,5 26,0 37,5 38,5-40,0 G ,2 27,5 20,0 30, ,1 G ,5 56,75 20,0 26,6 29,0 40,5 42,5-42,9 G ,0 29,5 27,5 30,0 42,5-42,7 G ,0 32,0 32,0 38, ,4 G ,5 29,5 34,5 41,0 47,5-48,8 G ,0 36,0 41,5 48,0 56,0 57,0 58,7 G ,05 24,5 27,8 36,5 39,0 47,0-49,4 G ,0 27,0 36,0 38,0 56,1 62,2 62,5 G ,5 25,8 32,2 46,0 51,0-54,0 B7-1 6,0 6,4 12,9 12,8 23,9 23,9 27,9 B7-2 2,5-12, ,1 B ,49 6,0 16,2 18, ,2 B7-4 17,5 20,2 20,7 21,9 26,2-27,5 B7-5 5,5 5,9 9,1 14,5 22,0 25,6 26,4 B9-1 13,1 22,4 21,6 29,9 32,0-34,3 B9-2 17,0 22,5 20,8 29,6 30,2-34,9 B ,63 17,5 26,3 24,0 33,1 34,6-37,5 B9-4 18,7 19,5 22,8 29,5 33,5-37,5 B9-5 *) 2,5-5,0-10,5-17,0 z - wyniki pomiaru w tej części próbki, w której doszło do zerwania przyczepności nz - wyniki pomiaru w tej części próbki, w której nie nastąpiło zerwanie przyczepności *) - wynik pominięto ze względu na mechaniczne uszkodzenia pręta w części środkowej

7 W tablicy 6 są podane wartości naprężeń rozciągających w prętach kompozytowych, określone ze wzoru: gdzie: σ naprężenie rozciągające w pręcie kompozytowym [MPa] F a całkowita siłą przyłożona do próbki [kn] A p nominalne pole prekroju pręta [mm 2 ] Tablica 6. Naprężenia rozciągające w pręcie kompozytowym Symbol Średnica nominalna Naprężenie w pręcie kompozytowym [MPa] σ 0,01 σ 0,1 σ 1 σ max wynik średnia wynik średnia wynik średnia wynik średnia G ,3 572,7 848,0 881,0 G ,6 439,6-927,5 G ,5 440, , , ,9 G ,5 605,7 936,1 940,5 G ,6 704,8-910,8 G ,8 453,7 624,7 641,1 G ,9 545,8 736,5 771,3 G , , , ,0 G ,2 473,5 737,8 821,4 G ,2 423,5 670,7 710,7 B ,9 418,9 776,2 905,8 B7-2 81,2 389,7-944,7 B , , ,4 B ,3 671,9 849,9 893,1 B ,6 295,5 714,5 857,4 B ,4 628,7 673,9 B ,0 408,6 593,3 686,3 B , , , ,7 B ,4 447,9 658,1 736,9 B9-5 *) Naprężenia przyczepności określano na podstawie wzoru: gdzie: τ naprężenie przyczepności pręta kompozytowego [MPa] σ naprężenie rozciągające w pręcie kompozytowym [MPa] Wyniki obliczeń są zestawione w tablicy 7.

8 Tablica 7. Naprężenia przyczepności Symbol G8.5-1 Średnica nominalna Naprężenie przyczepności [MPa] τ 0,01 τ 0,1 τ 1 τ max wynik średnia wynik średnia wynik średnia wynik średnia 6,9 14,3 21,2 22,0 G ,6 11,0-23,2 G ,5 11,0 10,4 16,0 14,8 23,4 22,7 23,6 G ,9 15,1 23,4 23,5 G ,8 17,6-22,8 G11-1 7,1 11,3 15,6 16,0 G ,5 13,6 18,4 19,3 G ,1 7,7 12,0 11,9 15,5 16,9 16,2 G11-4 6,9 11,8 18,4 20,5 G11-5 5,8 10,6 16,8 17,8 B7-1 4,9 10,5 19,4 22,6 B7-2 2,0 9,7-23,6 B ,9 6,1 14,9 11,9-19,5 20,5 B7-4 14,2 16,8 21,2 22,3 B7-5 4,5 7,4 17,9 21,4 B ,6 15,7 16,8 B9-2 8,3 10,2 14,8 17,2 B ,6 8,7 11,8 11,0 17,0 16,0 18,4 B9-4 9,2 11,2 16,5 18,4 B9-5 *) ,0 18,0 22,1 17,7 6. Podsumowanie Wyniki badań prętów kompozytowych wykazały, że zarówno pręty z włókien szklanych (GFRP) oraz włókien bazaltowych (BFRP) charakteryzują się bardzo dobrą przyczepnością do betonu. Naprężenia w pręcie kompozytowym, odpowiadające utracie przyczepności pręta do betonu, są rzędu 70 do nawet 90% charakterystycznej wytrzymałości pręta na rozciąganie. Naprężenia przyczepności, odpowiadające przemieszczeniu pręta względem betonu równym 0,01mm, wynosiły odpowiednio: - pręty GFRP 2,74 do 3,72 razy więcej niż wytrzymałość betonu na rozciąganie;

9 - pręty BFRP 2,17 do 3,11 razy więcej niż wytrzymałość betonu na rozciąganie. Spostrzeżenia poczynione podczas badania belek zbrojonych całkowicie lub częściowo prętami kompozytowymi także wskazują na bardzo dobrą przyczepność takich prętów do betonu. Wszystkie wyniki pomiarów są dostępne w archiwum Katedry Budownictwa Betonowego Politechniki Łódzkiej.