BADANIA DOŚWIADCZALNE WŁAŚCIWOŚCI MŁODEGO BETONU STOSOWANEGO DO NAWIERZCHNI BETONOWYCH Andrzej Seruga 1, Mariusz Zych 2, Wojciech Politalski 3 Politechnika Krakowska Streszczenie: W artykule zaprezentowano wyniki badań doświadczalnych właściwości młodego betonu. W procesie projektowym konstrukcji używa się właściwości mechanicznych betonu, które często nie są opisane w żadnych normach czy wytycznych. Poszukiwane wartości są często powiązane z podstawowym parametrem betonu, jakim jest jego wytrzymałość na ściskanie. Ponadto niektóre z nich są słabo bądź nawet nie są wcale opisane w początkowej fazie dojrzewania betonu. Ten artykuł przedstawia wyniki otrzymane z typowych badań właściwości mechanicznych: wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, odkształcenia od skurczu oraz przedstawia autorskie badanie obejmujące pełzanie pod działaniem stałych naprężeń ściskających i rozciągających. Słowa kluczowe: wytrzymałość betonu, pełzanie, sprężone nawierzchnie betonowe, młody beton 1. Wstęp Na początku procesu wiązania betonu przyrasta nie tylko jego wytrzymałość, lecz również ilość wydzielanego ciepła hydratacji [1]. W większości przypadków znaczący przyrost wydzielanego ciepła jest niezauważalny. Stąd też wpływ przyrostu temperatury na odkształcenia w przekroju jest bardzo mały. Zjawisko to nie występuje jedynie w konstrukcjach masywnych [1], które z powodu swojej objętości i kształtu mają zdolność magazynowania większej ilości wyprodukowanego podczas hydratacji ciepła, lecz także w konstrukcjach poddanych znaczącym zmianom temperatury tj. wpływu promieniowania słonecznego lub ochłodzenia w nocy [2, 3]. Co więcej odkształcenia spowodowane tym wpływem temperatury są prawie w całości ograniczone. Stąd też nawierzchnie betonowe są takim rodzajem konstrukcji, która z powodu dużych powierzchni może w krótkim czasie podlegać nagłemu ogrzaniu i ochłodzeniu. Co więcej odkształcenia są częściowo ograniczone na całej dolnej powierzchni, stąd też w takich wypadkach jesteśmy zmuszeni wykonać dylatacje. Niniejsza praca jest jedynie fragmentem działań dotyczących analizy konstrukcji poddanej zarysowaniu młodego betonu podczas jego dojrzewania [4]. Rozkład temperatury w tego typu konstrukcjach wywołany hydratacją i otaczającymi warunkami termicznymi może spowodować powstanie naprężeń rozciągających przekraczających wytrzymałość betonu na rozciąganie. Głównym celem niniejszej pracy jest zbadanie oraz prezentacja właściwości młodego betonu, który później opisany przy użyciu odpowiednich modeli materiałowych może służyć do analizy rozkładu naprężeń termicznych i zarysowania młodego betonu. Co więcej model ten umożliwia 1 dr hab. inż. prof. PK, aseruga@imikb.wil.pk.edu.pl 2 dr inż., mmzych@interia.pl 3 mgr inż., wpolitalski@pk.edu.pl
Badania doświadczalne właściwości młodego betonu stosowanego do nawierzchni betonowych optymalizację rozwiązań tego typu konstrukcji. Używane przez autorów przykłady modeli oparte są na rzeczywistych obiektach, w których pojawiło się zarysowanie młodego betonu i zostały przedstawione w następujących publikacjach [5, 6, 7]. Do stworzenia zaawansowanego modelu konieczne jest odnalezienie rozwiązania w poszczególnych przykładach, które będzie brało pod uwagę rozkład ciepła hydratacji i opisywało zależności pomiędzy σ(t) - ε(t) podczas dojrzewania betonu. Przedstawione w pracy badania obejmują: wytrzymałość betonu na ściskanie i rozciąganie, odkształcenia skurczowe i badanie pełzania betonu pod działaniem naprężeń rozciągających i ściskających podczas dojrzewania betonu. Badanie pełzania pozwala odnaleźć prawidłowe parametry np. dla modelu lepko-sprężystego w analizie naprężeń termicznych. Przedstawione w pracy badania doświadczalne dotyczą oceny parametrów wytrzymałościowych betonu zastosowanego do wykonania odcinka nawierzchni drogowej z betonu dwukierunkowo sprężonego. Badany odcinek drogi o wymiarach 20 x 3,5 m i grubości 0,23 m był fragmentem zatoki autobusowej przy jednej z dróg szybkiego ruchu w rejonie Krakowa (rys. 1). Celem prowadzonych badań na terenie obiektu było określenie rozkładu temperatury na grubości betonowej płyty w początkowym okresie dojrzewania betonu, jak również w okresie poprzedzającym dopuszczenie drogi do eksploatacji. Ponadto, za pomocą zainstalowanych czujników strunowych rejestrowano zmiany odkształceń betonu w analizowanym okresie. Bliższe dane dotyczące programu i wyników badań doświadczalnych z tego odcinka drogi są przedmiotem pracy [9]. Rysunek 1: Dwukierunkowo sprężona płyta zatoki autobusowej 2. Badania przeprowadzone podczas dojrzewania młodego betonu W niniejszej pracy przedstawiony zostanie rozwój właściwości mechanicznych betonu określonych na podstawie badań próbek pobranych podczas realizacji drogi i dojrzewających w warunkach laboratoryjnych. Równocześnie w okresie betonowania odcinka próbnego pobrano elementy próbne do badań laboratoryjnych, których celem było określenie: pełzania pod działaniem stałych naprężeń ściskających i rozciągających oraz rozkład temperatury w warunkach quasi-adiabatycznych (ostatnie z wymienionych badań nie jest przedmiotem publikacji). 2.1 Badanie wytrzymałości betonu na ściskanie i rozciąganie. W celu otrzymania informacji odnośnie wytrzymałości betonu przeprowadzono kilka badań. Test wytrzymałości na ściskanie obejmował badanie próbek walcowych o wymiarach 150 x 300 mm oraz kostek o boku 100 mm. Wytrzymałość na rozciąganie określono przeprowadzając badanie wytrzymałości na zginanie beleczek o wymiarach 150 x 150 x 600 mm oraz test na rozłupanie kostek o boku 150 mm. Otrzymane wyniki pokazano na rys. 2 i 3. 2
Seruga A., Zych M., Politalski W. Rysunek 2: Wytrzymałość betonu na ściskanie Rysunek 3: Wytrzymałość betonu na rozciąganie 2.2 Badanie skurczu betonu. To badanie przeprowadzono na 6 próbkach o wymiarach 100 x 100 x 500 mm. W celu określenia średnich zmian odkształceń pomierzono odkształcenia na każdym z boków próbki. Wyniki badania pokazano na rys. 4 i porównano z wytycznymi do obliczania skurczu autogenicznego i od wysychania podanymi w EC2, przy założeniu, że wilgotność względna RH wynosiła 45%, cement wchodzący w skład mieszanki betonowej był klasy R, miarodajny wymiar elementu h 0 = 50 mm a wiek betonu na początku procesu wysychania wynosi 12 godzin. Należy podkreślić, że wyniki badania wykazują bardzo dobrą zbieżność do obliczeń teoretycznych. Dodatkowo na wykresie pokazano wahania temperatury podczas pierwszego miesiąca dojrzewania betonu od 23-go lipca do 21-go sierpnia 2010 roku. 3
Badania doświadczalne właściwości młodego betonu stosowanego do nawierzchni betonowych Rysunek 4: Skurcz betonu oraz temperatura otoczenia 2.3 Doświadczenie pełzania młodego betonu przy stałym naprężeniu ściskającym oraz rozciągającym. Zjawisko pełzania, w obecnym ujęciu inżynierskim, jest sprowadzone przede wszystkim do pełzania dojrzałego betonu i jest ono opisane w sposób praktyczny i uniwersalny. W przypadku oceny poziomu pełzania młodego dojrzewającego betonu modele inżynierskie są bezradne. Aby uzyskać potrzebne parametry w zakresie badanych nawierzchni, do opisu tego zjawiska przeprowadzono doświadczenia pełzania młodego betonu obciążonego stałym naprężeniem ściskającym i rozciągającym. Obciążenie badanych próbek w początkowym okresie dojrzewania wynika z bardzo wczesnych obciążeń generowanych zmiennym polem temperatury. Naprężenia ściskające pojawiają się w momencie wzrostu temperatury od procesu hydratacji, zatem już w pierwszym dniu od zabetonowania. Naprężenia rozciągające powstają w momencie znacznego obniżenia się temperatury konstrukcji, zatem już kilka dni po jej wykonaniu. Badania przeprowadzono na próbkach betonowych o średnicy 0,15 m i długości 1,2 m. Pomiary wykonywano z zastosowaniem wgłębnego czujnika strunowego o bazie pomiarowej 150 mm, który umieszczono wewnątrz próbki w połowie jej długości, tak aby znajdował się on w zakresie jednoosiowego stanu naprężeń. Na końcach każdego czujnika zostały dodane poziome elementy, które zapewniały stałe jego położenie w osi próbki (rys. 5a). Zastosowano elektroniczną rejestrację danych (rys. 5b) o kroku czasowym 15 min, jednak podczas obciążania rejestracja była wykonywane co 1 min. Aby uzyskać podczas badania temperaturę betonu zbliżoną do temperatur panujących w konstrukcjach wykonanych na tym betonie, zastosowano twardą formę styropianową o grubości ścianki 0,15 m i średnicy wewnętrznej 0,15 m. Ponadto takie ocieplenie zapewniło stosunkowo wolne zmiany temperatury w samym środku elementu, jednakową temperaturę w przekroju próbki, a ponadto w znacznym stopniu wytłumiło cykliczne zmiany temperatury otoczenia. Aby wykluczyć przepływ wilgoci z badanych próbek, do powierzchni wewnętrznych form przyklejono folię. 4
Seruga A., Zych M., Politalski W. Rysunek 5: a) Strunowy czujnik do pomiaru odkształceń wewnątrz betonu b) stacja pomiarowa Łącznie wykonano 9 jednakowych próbek, z czego po 3 przeznaczono na badanie pełzania przy ściskaniu i rozciąganiu, a trzy pozostałe były świadkami. Do badania pełzania przy stałym naprężeniu ściskającym zaprojektowano stanowisko pod maszynę wytrzymałościową Instron-Schenck. Dzięki poprzecznemu ułożenia trawersów, z odpowiednim układem łożysk oraz łatwej możliwości korekty położenia badanych elementów, możliwe było otrzymanie równomiernego obciążenia poszczególnych elementów (rys. 6a). Podczas obciążenia rejestrowano cały czas siły przekazywane na poszczególne elementy za pomocą siłomierzy usytuowanych na górnej powierzchni próbek (rys. 6b). a) c) Rysunek 6: a) Stanowisko do badania pełzania przy stałym naprężeniu ściskającym b, c) układ siłomierzy i łożysk 5
Badania doświadczalne właściwości młodego betonu stosowanego do nawierzchni betonowych Badanie pełzania, przy stałym naprężeniu rozciągającym (ze względu na problemy technologiczne), jest zdecydowanie rzadziej przeprowadzane, zwłaszcza na kilkudniowym betonie. W tym celu wykorzystano ramę stalową, do której podwieszono badane próbki (rys. 7a), a stałe naprężenia rozciągające zostały wywołane przez podwieszenie stalowych obciążników (ze względów bezpieczeństwa kilka centymetrów nad ziemią). Na górnej i dolnej powierzchni elementu wykształcono połączenia przegubowe (rys. 7 b, c). a) c) Rysunek 7: a) Stanowisko do badania pełzania przy stałym naprężeniu rozciągającym b) przegubowe połączenie u góry, c) przegubowe połączenie na dole Podczas całego cyklu prowadzonych badań, tj. od chwili zabetonowania do zakończenia obciążenia elementów, dokonywano pomiaru temperatury we wszystkich 9 elementach (rys. 8a). Temperatura była mierzona dokładnie w połowie bazy czujnika rejestrującego odkształcenia. Z przedstawionego przebiegu temperatur możemy zaobserwować, iż skrajne różnice temperatur dla różnych elementów, były zaledwie w zakresie około 1,5 o C (rys. 8b). Z pewnością pewien niewielki wpływ miały na to różne warunki brzegowe elementów ściskanych, rozciąganych i świadków. Biorąc ponadto pod uwagę błąd pomiaru wynikający z dokładności czujników pomiaru temperatury, należy uznać otrzymaną powtarzalność wyników za bardzo dobrą (wszystkie elementy zabetonowano z jednego zarobu). Nie zmienia to jednak faktu, że niewielkie różnice temperatur miały pewien wpływ na dokładność później otrzymanych wyników. 6
Seruga A., Zych M., Politalski W. Rysunek 8: a) Rozwój temperatury we wszystkich 9 próbkach b) zmiany temperatury w wybranym przedziale czasu 7
Badania doświadczalne właściwości młodego betonu stosowanego do nawierzchni betonowych Trzy z elementów poddano naprężeniom ściskającym we wczesnym okresie dojrzewania betonu, tj. 24 godziny po zabetonowaniu. Elementy te obciążono siłą ściskającą (na stanowisku zaprezentowanym na rys. 6) powodującą bardzo małe naprężenia ściskające na poziomie 3,93 MPa (próbka nr 1,2) oraz 4,48 MPa (próbka nr 3). Wczesny moment obciążenia wynikał z czasu w jakim w rzeczywistej konstrukcji powstają naprężenia ściskające. Podczas tych badań zaistniały problemy ze stałą pracą maszyny obciążającej. Niespodziewanie pojawiło się kilka przerw spowodowanych brakiem prądu pierwsza przerwa wystąpiła po 20 godzinach od zabetonowania. Później elementy zostały obciążone nieco większą siłą powodującą naprężenia na poziomie 6,3 i 7,2 MPa. Pomierzone zmiany odkształceń w tych elementach przedstawiono na rys. 9 (3 wykresy w zakresie minus). Pomiar ten nie zawiera kompensacji odkształceń od temperatury czujnika i zawiera wszystkie składowe odkształcenia betonu podczas jego dojrzewania (tj. skurcz, termika). Rysunek 9: Przyrost pomierzonych odkształceń w elementach ściskanych, rozciąganych i świadkach Trzy kolejne elementy zamierzano poddać naprężeniom rozciągającym 2 dni po zabetonowaniu. Czas przyłożenia obciążenia wynikał z okresu, na który przypada studzenie się konstrukcji, ale już na tyle duże, że pojawiają się naprężenia rozciągające. Wartość obciążenia została ustalona na poziomie 0,56 MPa. Zmiany odkształceń w trzech świadkach (w zakresie do 100 micro-odkształceń) i zmiany odkształceń w trzech rozciąganych próbkach przedstawiono na rys. 10. Podczas betonowania elementów, beton w każdej próbce został zawibrowany, jednak pionowa pozycja czujnika powodowała, że w okresie jego stabilizacji zmiany odkształceń różnych czujników bardzo się różniły. Uznano, że za początek prezentowanych pomiarów odkształceń dla wszystkich elementów będzie przyjęty czas przyłożenia obciążenia, co powoduje, że na przedstawionych wynikach pomiaru przed przyłożeniem obciążenia, odkształcenia są równe zero. Przyjęcie tego założenia nie wpływa w żaden sposób na wynik końcowy prezentowanych pomiarów, tj. odkształceń od działania obciążenia ściskającego lub rozciągającego, czyli wcześniej zdefiniowanego celu pomiaru. 8
Seruga A., Zych M., Politalski W. Rysunek 10: Przyrost pomierzonych odkształceń w elementach rozciąganych oraz świadkach Dla tak otrzymanych wyników policzono wartości średnie spośród 3 świadków, 3 elementów ściskanych i 3 elementów rozciąganych (rys. 11). Następnie odejmując uśrednione wartości odkształceń wyznaczono zmiany odkształcenia od samych naprężeń ściskających i rozciągających (rys. 12) (z wyłączeniem wpływu temperatury i skurczu). Rysunek 11: Przyrost pomierzonych średnich odkształceń w elementach ściskanych, rozciąganych i w świadkach 9
Badania doświadczalne właściwości młodego betonu stosowanego do nawierzchni betonowych Rysunek 12: Odkształcenia pełzania w elementach rozciąganych i ściskanych Przyrost odkształceń pełzania w elementach rozciąganych powodowany obciążeniem zewnętrznym przedstawiono na rys. 13 (wartość średnia). Rysunek 13: Przyrost odkształceń pełzania w elemenatch rozciąganych powodowany wyłącznie obciażeniem zewnętrznym 10
Seruga A., Zych M., Politalski W. 3. Wnioski końcowe. Stwierdzona doświadczalnie wytrzymałość betonu na ściskanie potwierdziła spełnienie wymagań projektowych odnośnie jego klasy. Należy jednak zauważyć, że wytrzymałość betonu na rozciąganie przy zginaniu będąca podstawowym parametrem przy projektowaniu nawierzchni drogowych jest relatywnie niska. Obliczenia skurczu betonu wykonane w oparciu o EC2 oraz wyniki badania miały dobrą zbieżność. Przygotowane badania pełzania w zakresie rodzaju stosowanych form spełniły założenia o idealnym kształcie zabetonowanych elementów oraz o jednakowym i stabilnym rozwoju temperatury w poszczególnych próbkach. Zaprojektowane stanowisko i sposób przekazywania obciążenia zapewniły właściwy przebieg i równomierny sposób obciążenia elementów. Wszystkie pomierzone właściwości oraz zmiany tych właściwości w czasie są podstawą do określenia i szukania parametrów oraz modeli materiałowych do opisu przebadanego betonu. Pozwoli to na modelowanie rzeczywistych konstrukcji z dokładnym uwzględnieniem w ich pracy przebadanych właściwości. Powyższa praca została wykonana w ramach programu badawczego NR 04-0009-04/2008 The application of unbonded tendons to the construction of precast concrete cylindrical tanks for liquid and prestressed concrete pavements realizowanego w latach 2008-2010r. Bibliografia [1] E H. GUO (2006) Fundamental modeling of curling response in concrete pavements. 6th International DUT Workshop on Fundamental Modelling of Design and Performance of Concrete Pavements. September 15-16 2006, Belgium. [2] RILEM RAPORT 15 (1998) Prevention of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. Edited by R. Springenschmid. London. 1998. [3] DE SCHUTTER G (1999) Hydration and temperature development of concrete made with blast-furnace slag cement. Cement and Concrete Research 29 (1999) 143-149. [4] ZYCH Mariusz (2011) Analiza pracy ścian zbiorników żelbetowych we wczesnym okresie dojrzewania betonu, w aspekcie ich wodoszczelności. Doctoral Thesis, Kraków February 2011. [5] SERUGA Andrzej, ZYCH Mariusz (2008) The modeling of early age cracking in monolithic reinforced concrete rectangular tank wall. The 6th Conference. Analytical Models and New Concepts in Concrete and Masonry Structures, Łódź-Poland 2008. [6] ZYCH Mariusz (2008) Phase analysis of young concrete cracking in FEM based on an example of rectangular RC tank (in polish version). Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Budownictwo, z 113. 2008. [7] ZYCH Mariusz (2008) Numerical analysis of reinforcement stresses and stages of early age cracking in concrete tank s wall. JUNIORSTAV, 23 January 2008, Brno. [8] SHIMOMURA Taizo, NISHIZAWA Tatsuo, OZEKI Takato (2008) Evaluation of thermal stress in airport concrete pavement slab by 3D-FEM analysis. The 9th International Conference on Concrete Pavements. San Francisco, California, August 17-21,2008. [9] SERUGA A. SZYDŁOWSKI R. Badania doświadczalne nawierzchni drogowej z betonu sprężonego. Konferencja Naukowo-Techniczna Konstrukcje Sprężone 21-23 marca 2012. 11
Badania doświadczalne właściwości młodego betonu stosowanego do nawierzchni betonowych EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF EARLY AGE CONCRETE PROPERTIES FOR CONCRETE PAVEMENTS Abstract: In this paper the results of experimental investigation of young concrete properties are presented. During the design process of concrete structures a number of mechanical properties of concrete are used, which are not normally a part of the concrete specifications. Desirable values are often related to the primary parameter of concrete mean concrete compressive strength. Some of them are poorly or not described at all at the very beginning of concrete maturing. This paper describes the results obtained from a common mechanical test of compressive and tensile strength, shrinkage strain and author s test dealing with creep under constant compressive and tensile stresses of young concrete. Keywords: Concrete strength, creep, prestressed concrete pavements, young concrete. 12