Tomasz Ponikiewski 1 ZWIĄZKI SAMOZAGĘSZCZALNOŚCI I WYTRZYMAŁOŚCI FIBROBETONU W ASPEKCIE ZMIENNYCH CZYNNIKÓW TECHNOLOGICZNYCH 1. Wprowadzenie Analizowanie związków samozagęszczalności i wytrzymałości fibrobetonu w aspekcie zmiennych czynników technologicznych jest jedną z nowych tendencji w badaniach betonów. 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. Problem nierównomiernego rozmieszczenia włókien w objętości stwardniałego betonu po przeprowadzonych technologicznych procesach betonowania był już sygnalizowany [6][7]. Problemem wynikającym z zastosowania mieszanek na spoiwach cementowych modyfikowanych włóknami jest konieczność zapewnienia równomiernego rozłożenia włókien w objętości formowanego elementu. W dotychczasowych badaniach wykazywano wpływ wymiarów wytwarzanego elementu na ukierunkowanie włókien zawartych w mieszance betonowej. Nierównomierne i kierunkowe rozmieszczanie się zbrojenia rozproszonego w trakcie zabiegów technologicznych przynosi pewne problemy, związane z losowością dystrybucji włókien w objętości betonu. Ogólna tendencja poprawy charakterystyk stwardniałego betonu wraz ze wzrostem zawartości włókien w jego objętości, powoduje pogarszanie urabialności tychże mieszanek w trakcie ich formowania. Analiza wzajemnie wykluczających się czynników zachodzących w wyniku dodania włókien stalowych i polipropylenowych do mieszanki samozagęszczalnej, czyli pogarszanie urabialności, czy utrata cech samozagęszczalności oraz poprawa wytrzymałości na ściskanie tych betonów, jest omawiana w niniejszej pracy. O efektywności stosowania zbrojenia rozproszonego niech świadczy tablica 1, przedstawiająca wybrane zastosowania betonów modyfikowanych włóknami stalowymi. 1 dr inż., Katedra Procesów Budowlanych, Politechnika Śląska, e-mail: Tomasz.Ponikiewski@polsl.pl
2. Aktualny stan wiedzy Elementy z włókien coraz śmielej wkraczają w światowe budownictwo. Najnowsze kompozyty fibrobetonowe, wykonane na bazie mieszanki samozagęszczalnej, często charakteryzujące się bardzo dużą zawartością włókien (do około 15%), znajdują coraz szersze zastosowanie i coraz częściej stosuje się je jako podstawowy materiał konstrukcyjny w budownictwie zamiast zwykłego betonu. Nowoczesne techniki, takie jak konstrukcje stalowo fibrobetonowe, betony zbrojone matami z włókien stalowych, czy zbrojenie hybrydowe (prętowo włókowe) konstrukcji betonowych, stwarzają bardzo szerokie możliwości stosowania samozagęszczalnych fibrobetonów [4], przy wykazywanych problemach technologicznych [3]. Tablica 1. Wybrane zastosowania betonów modyfikowanych włóknami stalowymi, [4] Poprawa następujących właściwości Element Zwiększenie Ograniczenie Zwiększenie Ograniczenie konstrukcyjny Zwiększenie odporności wymiarów wytrzymałości szerokości lub rodzaj konstrukcji trwałości na działanie przekroju na rozciąganie rys wody i mrozu elementu Rury betonowe tak tak tak tak tak Ściany oporowe nie tak nie nie tak Fasady i elewacje tak w o z nie tak tak Schody prefabrykowane w o z w o z tak tak tak Prefabrykowane słupy tak tak tak tak tak Płyty lotnisk tak w o z tak w o z tak Stabilizacja zboczy tak tak tak tak tak Posadzki przemysłowe tak w o z tak tak tak Elementy obc. punktowo tak tak nie w o z tak Fundamenty maszyn w o z tak nie nie tak Pale wbijane w o z tak nie nie w o z Komory reaktorów nie tak tak nie tak Konstrukcje łupinowe tak w o z w o z tak tak Szalunki tracone tak nie nie tak tak Tunelowe kon. torkretowe tak tak nie tak tak Belki wstępnie sprężone w o z nie nie w o z tak Zabezpieczenie osuwisk tak tak tak w o z w o z Nawierzchnie drogowe tak tak tak tak tak Sejfy bankowe nie tak nie tak w o z Górnicze tubingi tak w o z w o z tak tak Słupy stalowo-betonowe tak nie nie nie tak Zbiorniki tak tak nie tak tak Falochrony tak tak tak w o z w o z w o z w ograniczonym zakresie
Elementy z dodatkiem włókien stalowych i polipropylenowych odpowiadają najważniejszym wymaganiom, które będą decydowały o rozwoju budownictwa w XXI wieku, a którymi są [1]: wysoka wytrzymałość i trwałość, spełnienie warunków ekologicznych przez wykorzystywanie surowców wtórnych, walory ekonomiczne w ogólnym znaczeniu, tzn. wraz z kosztami eksploatacji. Ilość zmian korzystnie wpływających na właściwości kompozytów z dodatkiem włókien jest obszerna (rys.1) w porównaniu do ich wad, których obecność można obecnie zredukować ale w pewnym tylko zakresie. Rys. 1. Umowny schemat zalet zastosowania fibrobetonu zamiast betonu zwykłego [5] Z punktu widzenia technologii robót budowlanych, problemy zastosowania fibrobetonów są związane z czynnikami technologicznymi: utrudnioną pompowalnością mieszanki ze zbrojeniem rozproszonym, niejednorodnością rozmieszczenia włókien w matrycy betonowej, nadmierną koncentracją włókien w miejscach zbrojenia konstrukcyjnego podczas formowania konstrukcji, utratą własności samozagęszczalności w mieszankach SCC modyfikowanych zbrojeniem rozproszonym, nadmiernym wzrostem zawartości powietrza, wynikającym z konieczności wydłużania procesu formowania W związku z powyższym, zachodzi konieczność dalszego weryfikowania i optymalizacji doboru zbrojenia rozproszonego w aspekcie zmiennych czynników technologicznych. 3. Założenia i metodyka badań Najważniejszym dodatkiem samozagęszczalnych mieszanek betonowych, wykorzystywanych do badań urabialności i wytrzymałości na ściskanie, są włókna stalowe i polipropylenowe. Ponieważ są one jedynym zmiennym składnikiem w samozagęszczalnych mieszankach, przy ich wyborze kierowano się różnorodnością kształtu i długości. Dobrano je tak, aby ich geometria, kształt i procentowa zawartość w mieszance różniła się między sobą i nie odbiegała od zastosowań włókien w praktyce (tablica 2).
Zmiennymi w badaniach są dwa parametry związane z zastosowanymi do badań włóknami: rodzaj wykorzystywanych włókien: - włókna stalowe 4 poziomy, - włókna polipropylenowe (PP) 3 poziomy, udział objętościowy włókien: - włókna stalowe 4 poziomy (0,5; 1,0; 1,5; 2,0% objętości betonu), - włókna polipropylenowe 3 poziomy (0,1; 0,2; 0,3% objętości betonu). Tablica 2. Charakterystyka i oznaczenia zastosowanych do badań włókien [2] Producent Średnica Długość Smukłość Oznaczenie Materiał Kształt Lp. lub nazwa włókien włókien włókien handlowe włókien włókien handlowa [mm] [mm] [l/d] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] 1 Drumet 0,4 25 stal proste 0,40 25 62 1000 2 Steelcrete 0,8 35 stal faliste 0,80 35 44 1100 3 Dramix RC-65/60-BN stal z hakiem 0,90 60 65 1000 4 Dramix RC-80/60-BN stal z hakiem 0,75 60 80 1150 5 Texa-Fib Texa-Fib3 polipr. cięte 0,03 12 400 420 6 Texa-Fib Texa-Fib polipr. cięte 0,06 19 315 420 7 Harbourite H 324 polipr. fibrylow. 0,10 6 60 500 Uzyskano doświadczalny skład samozagęszczalnej mieszanki betonowej (tablica 3) o niskiej skłonności do segregacji i sedymentacji. Wzorcowa mieszanka ( świadek ) charakteryzowała się rozpływem R = 700 mm oraz czasem rozpływu T 50 = 6 sekund, spełniającym własności samozagęszczalności. W badaniach była ona modyfikowano dodatkiem włókien, nie korygując przy tym składu mieszanki. Udział objętościowy zastosowanych w badaniach włókien stalowych odpowiadał zawartości 39,25-78,50-117,75-157,00 kg/m 3, w przypadku włókien polipropylenowych odpowiadał zawartości 0,9-1,8-2,7 kg/m 3. Ilość zbrojenia rozproszonego dobierano zgodnie z zaleceniami technicznymi. Tablica 3. Skład wzorcowej samozagęszczalnej mieszanki betonowej [2] Składnik Na zarób [15 dm 3 ] Na 1 m 3 CEM II B-S 42,5N [kg] 5,29 353 Piasek 0-2 [kg] 11,92 795 Kruszywo 2-8 [kg] 12,41 827 Woda [kg] 2,531 169 SP Viscorete 3 (1,5%) [kg] 0,0793 5,3 Popiół lotny [kg] 2,1 140 W/C+D 0,34 4. Analiza wyników urabialności samozagęszczalnej mieszanki fibrobetonowej Urabialność mieszanek betonu samozagęszczalnego modyfikowanych włóknami stalowymi i polipropylenowymi badano za pomocą jednopunktowego testu rozpływu. Na podstawie badań wstępnych, określających zależność pomiędzy czasem i średnicą rozpływu, ustalono przybliżoną granicę samozagęszczalności dla badanych mieszanek z dodatkiem włókien, wg założenia: czas rozpływu T 50 = max 9 sekund oraz średnica rozpływu R = min 600 mm. Przeprowadzone badania wykazały wpływ włókien na czas
i średnicę rozpływu. Czas wzrasta, a średnica maleje wraz ze wzrostem ich zawartości w mieszance. Rysunek 2 przedstawia zmianę czasu rozpływu T 50 wraz ze wzrostem zawartości włókien stalowych i polipropylenowych dla rozpatrywanych, zmiennych przedziałów udziału objętościowego rodzaju włókien. Dodatek zbrojenia rozproszonego ma duży wpływ na urabialność mieszanki, zmniejsza się ona wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien (rys. 2). Obserwowana jest również tendencja pogarszania się urabialności wraz ze wzrostem długości włókien zarówno stalowych jak i polipropylenowych. Można także zauważyć, że im smukłość zastosowanych włókien jest mniejsza, tym mniejszy jest czas rozpływu, co jest szczególnie widoczne przy większych udziałach objętościowych włókien w mieszance. Czas T50 [s] 25 20 15 10 5 0 Dramix 80/60 Dramix 65/60 Steelcrete 0,8x35 Drumet0,4x25 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Czas T50 [s] 25 20 15 10 5 0 Harbourite 6mm Texa-Fib 12mm Texa-Fib 19mm 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Rys. 2. Wpływ rodzaju i zawartości włókien stalowych i PP na czas rozpływu T 50 Zmierzono także ostateczną średnicę R, do której rozpłynęła się modyfikowana zbrojeniem rozproszonym mieszanka. Przeprowadzone badania wykazały wpływ włókien na czas i średnicę rozpływu. Czas wzrasta, a średnica maleje wraz ze wzrostem zawartości włókien w mieszance. Na rysunku 3 przedstawiono zmianę średnicy rozpływu R wraz ze wzrostem zawartości włókien stalowych i polipropylenowych. Dodatek zbrojenia rozproszonego ma duży wpływ na urabialność mieszanki. Średnica rozpływu mieszanki fibrobetonowej zmniejsza się wraz ze wzrostem smukłości i udziału objętościowego włókien stalowych oraz PP. Kształt włókien stalowych, których smukłość jest zbliżona nie odgrywa istotnej roli w zmianie średnicy rozpływu, natomiast spadek smukłości włókien powoduje wzrost Średnica rozpływu R [mm] 750 700 650 600 550 500 Dramix 80/60 Dramix 65/60 Steelcrete 0,8x35 Drumet 0,4x25 Średnica rozpływu R [mm] 750 700 650 600 550 Harbourite 6mm Texa-Fib 12mm Texa-Fib 19mm 450 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 500 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Rys. 3. Wpływ rodzaju i zawartości włókien stalowych i PP na średnicę rozpływu R
średnicy rozpływu, co wiąże się z polepszeniem urabialności. Warunkiem zapewnienia samozagęszczalności badanym mieszanką jest zmodyfikowanie składu, poprzez zwiększenie wskaźnika wypełnienia kruszywa zaczynem lub zastosowanie kruszywa o większym uziarnieniu niż te, które użyto w badaniach. Analizując warunek samozagęszczalności jako optymalny udział objętościowy włókien stalowych w badanych mieszankach należy uznać 1,0%. Do takiej zawartości włókien i przy stałym składzie badane mieszanki były samozagęszczalne. W przypadku włókien PP, wzrost długości włókien powoduje zmniejszanie rozpływu mieszanek, czyli pogorszenie urabialności. Z punktu widzenia urabialności, optymalne jest stosowanie włókien fibrylowanych długości 6 mm przy udziale objętościowym do 0,2%. Badania wykazały, że nie jest praktyczne stosowanie włókien ciętych długości 12 i 19 mm. 5. Analiza wyników wytrzymałości na ściskanie fibrobetonów Modyfikowanie mieszanki betonowej włóknami stalowymi pozwala na polepszenie większości parametrów stwardniałego kompozytu. Analizując wykres przedstawiony na rys. 4, obserwujemy wzrost wytrzymałości wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien stalowych. W przypadku włókien PP, wraz ze wzrostem udziału objętościowego w mieszance, następuje minimalny wzrost wytrzymałości lub niewielki spadek w zależności od rodzaju użytych w badaniach włókien. Mając na uwadze wzrost wytrzymałości na ściskanie, optymalne jest stosowanie włókien stalowych przy ich zawartościach do 1,5%. Wyższe udziały objętościowe włókien nie wpływają w sposób znaczący na wytrzymałość na ściskanie. Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 70 65 60 55 50 45 40 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Dramix 80/60 Dramix 65/60 Steelcrete 0,8x35 Drumet 0,4x25 Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 70 65 60 55 50 45 40 Harbourite 6mm Texa-Fib 12mm Texa-Fib 19mm 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Rys. 4. Wpływ rodzaju i zawartości włókien stalowych i PP na wytrzymałość na ściskanie Przedstawione wyniki badań betonów samozagęszczalnych modyfikowanych zbrojeniem rozproszonym wykazują wpływ tego dodatku na pogarszanie się urabialności świeżej mieszanki i wzrost wytrzymałości na ściskanie stwardniałych fibrobetonów. Z punktu widzenia zachowania samozagęszczalności mieszanek z włóknami stalowymi, zawartość 2,0-%-owa w matrycy wydaje się optymalna, ale nie w przypadku dodawania wszystkich rozpatrywanych włókien. Wraz ze spadkiem udziału objętościowego włókien w matrycy wzrasta ilość możliwych do zastosowania włókien stalowych z jednoczesnym zapewnieniem samozagęszczalności, lecz przy mniejszym prawdopodobieństwie poprawy wytrzymałości na ściskanie. Podobnie jest w przypadku stosowaniu włókien polipropylenowych. Kryterium samozagęszczalności spełniane jest zawsze przy niskich
zawartościach włókien w mieszance, natomiast im ich więcej, tym pogarsza się urabialność. Należy tutaj dodać, że włókna polipropylenowe, które spełniają warunek samozagęszczalności nie podwyższają jednocześnie wytrzymałości na ściskanie. W niniejszej pracy zaprezentowano badania wpływu włókien polipropylenowych i stalowych o zróżnicowanych parametrach geometrycznych, celem określanie wpływu ich udziału objętościowego oraz kształtu na urabialność i wytrzymałość na ściskanie betonów samozagęszczalnych. Tendencja do poprawy charakterystyk stwardniałego betonu samozagęszczalnego wraz ze wzrostem zawartości zbrojenia rozproszonego w jego objętości, powoduje pogarszanie urabialności tychże mieszanek w trakcie formowania [5]. Oprócz lekkiego wzrostu wytrzymałości na ściskanie beton modyfikowany włóknami, w stosunku do betonu bez ich zawartości, posiada swoje inne główne zalety, takie jak: zwiększoną wytrzymałość na zginanie, zwiększoną odporność dynamiczną, podwyższoną odkształcalność graniczną, zanik występowania szerokich rys. Jak każdy materiał budowlany, także beton modyfikowany zbrojeniem rozproszonym posiada również wady. Na podstawie przeprowadzonych badań, można zaproponować pewne rozwiązania, ograniczające problemy zastosowania fibrobetonów. Tablica 4. Rozwiązania problemów technologiczny betonów ze zbrojeniem rozproszonym Problem technologiczny Zmiana Propozycja rozwiązania problemu Pompowalność pogorszona - betonowanie z zasypników, - osobne dodawanie włókien, Rozmieszczenie włókien w mieszance Koncentracja włókien przy zbrojeniu Cechy samozagęszczalności Zawartość powietrza w o z w ograniczonym zakresie nierównomierne tak utrata cech wzrost - zmniejszenie smukłości włókien - betonowanie z zasypników, - wydłużenie procesu mieszania, - zmniejszenie smukłości włókien, - betonowanie z zasypników, - betonowanie pompą centralnie nad miejscem wbudowania, - dodatkowe zagęszczanie mieszanki, - korekta składu, - zmniejszenie smukłości włókien, - zmniejszenie udziału objętościowego włókien - dodatkowe zagęszczanie mieszanki, - domieszki odpowietrzające, - konieczność przyśpieszenia procesu formowania 6. Podsumowanie Przedstawione wyniki badań BSZ modyfikowanych zbrojeniem rozproszonym wykazują wpływ tego dodatku na pogarszanie się urabialności świeżej mieszanki i wzrost wytrzymałości na ściskanie stwardniałych fibrobetonów. Z punktu widzenia zachowania samozagęszczalności mieszanek z włóknami stalowymi, zawartość 2,0-%-owa w matrycy wydaje się optymalna, ale nie w przypadku dodawania wszystkich rozpatrywanych włókien. Wraz ze spadkiem udziału objętościowego włókien w matrycy wzrasta ilość możliwych do zastosowania włókien stalowych z jednoczesnym zapewnieniem samozagęszczalności, lecz przy mniejszym prawdopodobieństwie poprawy wytrzymałości
na ściskanie. Podobnie jest w przypadku stosowaniu włókien PP. Kryterium samozagęszczalności spełniane jest zawsze przy niskich zawartościach włókien w mieszance, natomiast im ich więcej, tym pogarsza się urabialność. Należy tutaj dodać, że włókna PP, które spełniają warunek samozagęszczalności nie podwyższają jednocześnie wytrzymałości na ściskanie. Nie można jednoznacznie określić czynnika charakteryzującego włókna, który ma największy wpływ na pogorszenie urabialności mieszanki. Można jedynie podać optymalne wymiary włókien stalowych, dla których występuje znikome pogorszenie urabialności - długość do 35 mm, smukłość do 50. W badaniach przy każdym rozpatrywanym udziale objętościowym najlepszym czasem T 50 i średnicą rozpływu charakteryzowały się mieszanki z włóknem falistym Steelcrete 0,8x35. Kształt włókien stalowych, których smukłość jest zbliżona nie odgrywa istotnej roli w zmianie urabialności. W badaniach włókien o zbliżonej smukłości, charakteryzowały się podobnym czasem T 50 i średnicą rozpływu przy każdym udziale objętościowym. Zapewnienie warunku samozagęszczalności (przyjęto kryterium: T 50 = max. 9 s, R = min. 600 mm), mieszanką, które nie osiągnęły założonej granicy rozpływu, wymaga korekty ich składu, poprzez zwiększenie dawki SP, zwiększenie wskaźnika wypełnienia kruszywa zaczynem, lub też zastosowanie kruszywa o uziarnieniu 0-16 mm. Literatura [1] Brandt A.M.: Zastosowanie włókien jako uzbrojenia w elementach betonowych. Konferencja: Beton na progu nowego Milenium, Kraków, 9-10.11.2000r. [2] Drynda D., Wpływ parametrów geometrycznych zbrojenia rozproszonego na właściwości świeżego i stwardniałego betonu samozagęszczalnego, Rozprawa magisterska, Promotor: dr inż. Tomasz Ponikiewski, Gliwice 2006. [3] Grünwald S.: Performance-based design of self-compacting fibre reinforced concrete. Technische Universiteit Delft, 2004r. [4] Katzer J.: Zastosowanie inżynierskie fibrobetonów. Warstwy, 1/2001r. [5] Katzer J.: Włókna stalowe stosowane do modyfikacji betonu. Warstwy, VII- IX.2003r. [6] Ponikiewski T.: Wpływ włókien na samozagęszczalność mieszanki betonowej. VIII Sympozjum Naukowo - Techniczne Reologia w Technologii Betonu, Gliwice, czerwiec 2006r. [7] Ponikiewski T., Badania losowości dystrybucji włókien w mieszankach na spoiwach cementowych, IX Seminarium reologiczne, Gliwice 2007. THE FIBRE REINFORCED CEONERETE SELF-COMPACTING AND STRENGTH RELATIONSHIPS FOR VARIABLES TECHNOLOGICAL FACTORS Summary The problem of even distribution of fibres in a whole formed piece always occurs with application of concrete mixes modified by fibres. 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 concretes. In this paper an analysis is presented which deals with cross-sections of concrete beams in which steel fibres were applied.