KSZTAŁTOWANIE URABIALNOŚCI FIBROBETONU SAMOZAGĘSZCZALNEGO

Transkrypt

1 Tomasz Ponikiewski 1 KSZTAŁTOWANIE URABIALNOŚCI FIBROBETONU SAMOZAGĘSZCZALNEGO 1. Wprowadzenie Obecny stan wiedzy nie jest wystarczający do efektywnego kształtowania urabialności mieszanek samozagęszczalnych z dodatkiem zbrojenia rozproszonego. Konieczne są dalsze badania, zwłaszcza uwzględniające wpływ zmiennych właściwości geometrycznych i materiałowych włókien. Technologia betonu samozagęszczalnego pozwala na kształtowanie struktury obiektów inżynierskich w sposób szybszy i bezpieczniejszy niż w przypadku zastosowania betonu o tradycyjnych właściwościach. Zabiegi technologiczne formowania elementów betonowych z betonu samozagęszczalnego są znacznie uproszczone a efekty końcowe pozwalają na eksponowanie struktur stwardniałego betonu w szerszym zakresie. Jedną z modyfikacji rozpatrywanych betonów jest dodawanie do ich objętości włókien różnego rodzaju w postaci zbrojenia rozproszonego. Nie jest to zagadnienie nowe w technologii betonu [1][2][5][4][5][6][8][8] [9], lecz w przypadku betonów o właściwościach samozagęszczalności stanowi aktualny obszar badań [11][13][14]. Ogólna tendencja poprawy charakterystyk stwardniałego betonu samozagęszczalnego wraz ze wzrostem zawartości włókien w jego objętości, powoduje pogarszanie urabialności tychże mieszanek w trakcie ich formowania. Aktualnym problemem, także w przypadku betonów samozagęszczalnych modyfikowanych włóknami stalowymi i syntetycznymi, jest trudność realizacji procesów technologicznych w trakcie robót betonowych. Zmusza to do rozpoznania rzeczywistej natury ich urabialności i określenia wpływu dodawania włókien na zjawiska zachodzące w świeżym i stwardniałym betonie samozagęszczalnym. Celem prezentowanych badań było określenie urabialności mieszanek samozagęszczalnych z dodatkiem włókien stalowych i syntetycznych. W badaniach rozpatrywano zmienną długość i udział objętościowy włókien. Wyniki badań zaprezentowano dla dwóch klas konsystencji mieszanek samozagęszczalnych. Przeprowadzono badania testem rozpływu oraz testem reologicznym. 1 dr inż., Katedra Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych, Politechnika Śląska, Tomasz.Ponikiewski@polsl.pl

2 2. Założenia i metodyka badań W referacie zostały przedstawione wyniki badań urabialności wykonane normowym testem rozpływu. Dla wybranych składów mieszanek (z dodatkiem włókien syntetycznych) wykonano badania metodą reometrycznego testu urabialności (RTU). Zostały one przeprowadzone za pomocą reometru do zapraw i mieszanek betonowych BT 2. (rys.1). Istota RTU została omówiona szczegółowo w literaturze [9]. a) b) Rys. 1. Reometr BT-2 do wyznaczania parametrów reologicznych mieszanek betonowych a) widok ogólny aparatu podczas procedury pomiarowej; b) odczyt parametrów reologicznych mieszanki samozagęszczalnej na podstawie krzywej płynięcia Wyniki pomiarów reometrycznych aproksymowano dwuparametrowym modelem reologicznym Binghama. Pozwoliło to na określenie dwóch podstawowych parametrów reologicznych granicy płynięcia g oraz lepkości plastycznej h. Skład badanej mieszanki samozagęszczalnej przedstawiono w tablicy 1. Badania wykonano uwzględniając wpływ następujących czynników: materiał włókien stalowe i syntetyczne; rodzaj włókien stalowych (patrz tabela 2); udział masowy włókien stalowych: kg/m 3 (0,25 1,5)% objętości; rodzaj włókien syntetycznych (patrz tabela 3); udział masowy włókien syntetycznych: 1 10 kg/m 3 (0,1 1,1)% objętości; Zastosowano w badaniach superplastyfikator na bazie eteru polikarboksylanowego. Charakterystyka włókien stalowych została opracowana m.in. na podstawie [12]. Zastosowane do badań włókna zostały wytypowane z dosyć licznej grupy dostępnych na rynku. Dobór miał na celu zaprezentowanie wpływu włókien o różnych parametrach materiałowych i geometrycznych na urabialność mieszanek samozagęszczalnych. Włókna stalowe dozowano w ilości kg/m 3 proporcjonalnie do ich geometrii (udział objętościowy włókien w mieszance odwrotnie proporcjonalny do długości włókien). Włókna syntetyczne dozowano w ilości 2 10 kg/m 3 proporcjonalnie do ich gęstości objętościowej oraz parametrów geometrycznych. Należy zaznaczyć, że kształt włókien, ze względu na zmienność ich geometrii, jest dodatkowym czynnikiem, wpływającym na

3 wyniki badań, lecz nakładającym się na rozpatrywane pozostałe parametry zmienne włókien. Tablica 1. Skład mieszanki samozagęszczalnej SKŁADNIK kg/m 3 CEM II B-M (S-V) CEM I Piasek 0-2 mm Kruszywo otoczakowe 2-8 mm Superplastyfikator Glenium ACE 48 (3.5 % m.c.) 17,15 - Superplastyfikator Glenium SKY 592 (2,5 % m.c.) - 15,00 Stabilizator RheoMatrix (0.4 % m.c.) 1,95 2,41 PARAMETRY Punkt piaskowy (%) W/C 0,44 0,31 Klasa konsystencji (SF) SF3 SF2 Tablica 2. Charakterystyka geometryczno-materiałowa badanych włókien stalowych Nazwa Długość Średnica Przekrój Wytrzym. na Kształt Materiał (mm) (mm) poprzeczny rozc.(n/mm 2 ) SW 50/1.0 50±10% 1,0±10% okrągły Stal niskowęglowa 1100±15% DM 6/0,17 6±10% 0,17±10% okrągły Stal niskowęglowa 2100±15% SF ±10% 3,80±10% sierpowaty S355 J2 G3 980±15% KE 20/1,7 20±10% 1,70±10% prostokątny 2) DC01 770±15% SW 35 35±10% 2,30±2,95 1) część okręgu Oznaczenia: 1) szerokość (mm); 2) grubość 0,50±10%; Stal niskowęglowa 800±15% Tablica 3. Charakterystyka geometryczno-materiałowa badanych włókien syntetycznych Nazwa Długość Wytrzym. na Średnica Klasa Kształt Materiał (mm) rozc.(n/mm 2 ) SBF 5 5±10% 16 [µm] kołowy proste Polimerowobazaltowe SBF 12 12±10% 16 [µm] kołowy proste Polimerowobazaltowe FS ,66 [mm] II; odkształcone Polipropylen, 600 FS ,66 [mm] FS [µm] makrowłókna II; makrowłókna Ia; mikrowłókna odkształcone Proste, pojedyncze polietylen Polipropylen, polietylen 600 Polipropylen 600 Została opracowana i wdrożona procedura przygotowania mieszanek betonowych, pozwalająca zachować technologiczną powtarzalność wyników.

4 Kolejność postępowania w procedurze przygotowania mieszanki betonowej: 1. Dozowanie kruszywa 2. Dozowanie piasku 3. Dozowanie cementu 4. Dozowanie włókien 5. Wstępne mieszanie składników 3 minuty 6. Dozowanie 2/3 ilości wody 7. Dozowanie 1/6 ilości wody wraz z pełną dawką superplastyfikatora 8. Mieszanie składników 2 minuty 9. Dozowane 1/6 ilości wody z pełną dawką stabilizatora 10. Mieszanie wszystkich składników 2 minuty 3. Wyniki badań i ich omówienie Na rys. 2 przedstawiono wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien stalowych na średnicę rozpływu D max oraz czas rozpływu T 500 mieszanek samozagęszczalnych. Mieszanka bez dodatku włókien spełniała dwie klasy konsystencji. Generalnie wraz ze wzrostem ilości dozowanych włókien stalowych, pogarsza się urabialność mieszanek z ich dodatkiem. Stwierdzono brak utraty samozagęszczalności SCC ze wszystkimi badanymi włóknami stalowymi dla zawartości włókien do 40 kg/m 3. Przy dozowaniu 60 kg/m 3, nastąpiła największa utrata samozagęszczalności (D max z 780 do 720 mm) dla mieszanki z dodatkiem wybranych włókien stalowych długich. Zaobserwowano niewielki spadek średnicy rozpływu dla mieszanek z zawartością 80 kg/m 3 włókien stalowych krótkich. Wartość średnicy rozpływu dla włókien najdłuższych 50 mm jest praktycznie niezmienna w przedziale dozowania kg/m 3. Utrata parametrów samozagęszczalności nastąpiła dla mieszanki z dodatkiem włókien najkrótszych przy zawartości 120 kg/m3. Czas rozpływu T 500 badanych mieszanek samozagęszczalnych wzrasta wraz ze wzrostem zawartości a) Rys. 2a. Badania mieszanek samozagęszczalnych testem rozpływu; wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien stalowych na średnicę rozpływu D max,

5 b) Rys. 2b. Badania mieszanek samozagęszczalnych testem rozpływu; wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien stalowych na czas rozpływu T500 włókien w mieszance. Dla zawartości włókien w przedziale kg/m3 zaobserwowano brak zwiększenia się czasu rozpływu mieszanek w przypadku 3 typów włókien. Przykładowe testy rozpływu badanych mieszanek samozagęszczalnych z dodatkiem włókien stalowych przedstawiono na rys. 3. a) b) Rys. 3. Test rozpływu mieszanki samozagęszczalnej: a) bez włókien; b) zawierającej włókna stalowe DW38/1,0N 60 kg/m3 Na rys. 4 przedstawiono wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien syntetycznych na średnicę rozpływu Dmax oraz czas rozpływu T500 mieszanek samozagęszczalnych. Stwierdzono zmniejszanie się średnicy rozpływu mieszanki samozagęszczalnej wraz ze zwiększaniem się zawartości włókien w mieszance.

6 Największe zmniejszenie średnicy rozpływu stwierdzono dla mieszanek z dodatkiem mikro-włókien polipropylenowych. Już przy zawartości tych włókien na poziomie 2 kg/m 3 wartość D max spadła do wartości 490 mm i mieszanka utraciła cechy samozagęszczalnej. Dla mieszanek z makro-włóknami polipropylenowymi o zawartości 6 kg/m 3 otrzymano średnicę 400 mm. W przypadku pozostałych rozpatrywanych włókien w przedziale zawartości 2 4 kg/m 3 średnica rozpływu była zbliżona i wynosiła mm. Czas rozpływu zwiększa się wraz ze wzrostem ilości włókien syntetycznych w mieszance. Zwiększanie ilości mikro-włókien polipropylenowych najszybciej powoduje wydłużenia czasu rozpływu mieszanki. a) b) Rys. 4. Badania mieszanek samozagęszczalnych testem rozpływu; wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien syntetycznych na: a) średnicę rozpływu D max b) czas rozpływu T 500

7 Przykładowe testy rozpływu badanych mieszanek samozagęszczalnych z dodatkiem włókien syntetycznych przedstawiono na rys. 5. Należy zaznaczyć, że wszystkie mieszanki z dodatkiem włókien stalowych i syntetycznych charakteryzowały się wskaźnikiem wizualnej stabilności VSI oceny mieszanek samozagęszczalnych równym VSI 0. a) b) Rys. 5. Test rozpływu mieszanki samozagęszczalnej zawierającej: a) włókna bazaltowe długości 5 mm 6 kg/m3; b) makro-włókna polipropylenowe długości 40 mm 4 kg/m3 Na rys. 6. przedstawiono wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien syntetycznych na wartość granicy płynięcia g mieszanek samozagęszczalnych z ich dodatkiem. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że wartość granicy płynięcia wzrasta wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien w mieszance. Wykazano wpływ materiału włókien na wartość granicy płynięcia. W przypadku mikrowłókien polipropylenowych stwierdzono największy przyrost granicy płynięcia g dla zawartości 2 kg/m3 w mieszance samozagęszczalnej. W przedziale zawartości 2 4 kg/m3, mieszanki z makro-włóknami polipropylenowymi oraz bazaltowymi charakteryzują się stosunkowo najniższą wartością granicy płynięcia. Dla zawartości 6 kg/m3 włókien bazaltowych długości 5 mm mieszanka z ich dodatkiem wykazuje najmniejszy przyrost wartości granicy płynięcia. Dla zawartości 6 kg/m3 włókien długich bazaltowych dodawanych do mieszanki, następuje relatywnie najwyższy wzrost granicy płynięcia. Na rys. 7. przedstawiono wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien syntetycznych na wartość granicy płynięcia h mieszanek samozagęszczalnych z ich dodatkiem. Generalnie wartość lepkości plastycznej wzrasta wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien w mieszance. Największy przyrost lepkości plastycznej uzyskano dla mieszanek z makro-włóknami polipropylenowymi. Spadek lepkości plastycznej uzyskano dla mieszanek z włóknami bazaltowymi długości 25 mm w odniesieniu do mieszanki wzorcowej. Mieszanki z mikro-włóknami polipropylenowymi analizowane w przedziale zawartości 1 2 kg/m3 wykazywały się nieznacznym przyrostem lekkości plastycznej.

8 Rys. 6. Badania mieszanek samozagęszczalnych testem reometrycznym; wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien syntetycznych na wartość granicy płynięcia g Rys. 7. Badania mieszanek samozagęszczalnych testem reometrycznym; wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien syntetycznych na wartość lepkości plastycznej h

9 4. Podsumowanie i wnioski końcowe Analiza wpływu włókien stalowych oraz syntetycznych na szybkość utraty samozagęszczalności mieszanek z ich dodatkiem była przedmiotem niniejszego artykułu. Przedstawione badania betonów samozagęszczalnych modyfikowanych włóknami wykazują wpływ ich dodatku na pogarszanie się urabialności mieszanki samozagęszczalnej. Pomimo pogarszania się urabialności można uzyskać mieszanki samozagęszczalne z dodatkiem włókien stalowych oraz syntetycznych. Samozagęszczalność mieszanek betonowych pogarsza się wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien w mieszance samozagęszczalnej. Z punktu widzenia zachowania samozagęszczalności mieszanek z dodatkiem włókien stalowych, ich zawartość na poziomie 80 kg/m 3 nie powoduje znacznego pogorszenia urabialności. Rozpatrywane włókna syntetyczne również wpływają na pogarszanie urabialności mieszanek samozagęszczalnych z ich dodatkiem. Wykazano największe pogarszanie samozagęszczalności mieszanek z dodatkiem mikro-włókien polipropylenowych długości 12 mm. Mieszanka z zawartością 2 kg/m 3 tych włókien utraciła właściwości mieszanki samozagęszczalnej. Mieszanki z dodatkiem włókien polimerowo-bazaltowych utraciły właściwości mieszanki samozagęszczalnej przy zawartości 6 kg/m 3. Najmniejsze pogorszenie samozagęszczalności uzyskano dla mieszanek betonowych z dodatkiem włókien polipropylenowo-polietylenowych. Dozowanie tych włókien w ilości do 4 kg/m 3 powoduje zmniejszanie się średnicy rozpływu mieszanek samozagęszczalnych z ich dodatkiem o około 90 mm. Badania reologiczne mieszanek samozagęszczalnych potwierdziły trend wzrostu wartości granicy płynięcia g wraz ze wzrostem ilości dozowanych włókien syntetycznych. Badania potwierdziły korelację uzyskanych wyników pomiędzy testem technologicznym rozpływu a reometrycznym testem urabialności. Literatura [1] ACI Committee : SP-233CD: Workability of SCC: Roles of Its Constituents and Measurement Techniques, ACI, [2] ACI Committee 544: 544.3R-08: Guide for Specifying, Proportioning, and Production of Fiber-Reinforced Concrete, ACI, [3] Barragán B., Zerbino R., Gettu R., Soriano M., de la Cruz C., Giaccio G., Bravo M.: Development and application of steel fibre reinforced self-compacting concrete, 6 th RILEM Symposium on Fibre-Reinforced Concretes (FRC) BEFIB 2004, Varenna, Italy, [4] Brandt A.M.: Zastosowanie włókien, jako uzbrojenia w elementach betonowych, Konferencja: Beton na progu nowego Milenium, Kraków, , [5] Ding Y., Thomaseth D., Niederegger Ch., Thomas A., Lukas W.: 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, Italy,

10 [6] Kaszyńska M.: Beton samozagęszczalny rozwój technologii i wyniki badań, Konferencja Dni betonu, Wisła, 2004, [7] Brandt A.M., Cement-based composites. Materials, mechanical properties and performance, Taylor & Francis, USA & Canada [8] Grünewald S.: Performance-based design of self-compacting fibre reinforced concrete, Doctor`s thesis, [9] Khayat K.H., Roussel Y. Testing and performance of fibre-reinforced selfconsolidating concrete. In: Proceedings of the First RILEM International Symposium on Self-compacting Concrete, Stockholm, Sweden, September 1999, RILEM Publications, Bagneux, France, pp [10] Szwabowski J., Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [11] Khayat K.H., Ghoddousi P., Kassimi F., 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 [12] [13] Ponikiewski T.: The rheological properties of fresh steel fibre reinforced selfcompacting concrete, in: Proc. Int. Symp. `Brittle Matrix Composites 8`, A.M.Brandt, V.C.Li, I.H.Marshall, Warsaw [14] Ponikiewski T.: 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 THE WORKABILITY SHAPE OF FRESH FIBRE REINFORCED SELF-COMPACTING CONCRETE Summary In the paper the methodology and test results of the investigation are presented and discussed on the influence of steel and synthetic fibres on rheological properties of Fibre Reinforced Self- Compacting Concrete (FRSCC). The rheological parameters of FRSCC behaves as a Bingham body, their rheological parameters yield value g and plastic viscosity h were determined by using new kind of rheometer BT2 to mortar and concrete mix research. In the research, an experimental verification of a significance of an influence: kind and volume fraction of fibres, lengths and shape of fibres on rheological properties of FRSCC was investigated. The rheological properties of steel FRSCC from workability point of view are better than for SCC with other types of fibres.