Tomasz PONIKIEWSKI 1 Janusz SZWABOWSKI 2 WPŁYW WŁÓKIEN POLIPROPYLENOWYCH NA WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE ZAPRAW I MIESZANEK BETONOWYCH 1. Wprowadzenie W referacie zostały przedstawione wyniki badań reologicznych mieszanek na spoiwach cementowych modyfikowanych włóknami polipropylenowymi zapraw (ZMWP) oraz mieszanek betonowych (BMWP). Mieszanki modyfikowane włóknami polipropylenowymi znalazły zastosowanie m.in. przy realizacji posadzek przemysłowych czy też obudów budowli podziemnych, wpływając pozytywnie na właściwości betonu np. w czasie potencjalnych pożarów. Technologiczna trudność wykonywania betonów modyfikowanych włóknami zmusza do rozpoznania rzeczywistej natury ich urabialności. Autorzy podkreślają przydatność normowych testów urabialności m.in. w warunkach budowy [1] ale ważne i celowe było podjęcie badań w kierunku rozpoznania urabialności mieszanek kompozytów o matrycy cementowej zbrojonych włóknami, w ujęciu reologicznym. Tym bardziej, że wcześniejsze badania korelacji pomiędzy wynikami testów jednopunktowych oraz testu reologicznego wykazały brak korelacji, tzn. informacje uzyskiwane testami jednopunktowymi były mniej miarodajne [2]. Miarodajnych informacji w tym zakresie mogą dostarczyć badania wykonywane reometrycznym testem urabialności (RTU). Wykonywanie RTU z wykorzystaniem zapraw normowych oraz mieszanek betonowych pozwoliło na porównanie natury zjawisk zachodzących w świeżej zaprawie i mieszance betonowej, modyfikowanych włóknami polipropylenowymi. W pierwszej kolejności przeprowadzono identyfikację reologiczną badanych, modyfikowanych włóknami mieszanek. Wykonano aproksymację wyników pomiarów dwuparametrowym modelem reologicznym Bingham`a i trójparametrowym modelem Hershell`a-Bulkey`a, wyznaczono adekwatny model oraz równanie reologiczne. Pozwoliło to na określenie dwóch podstawowych parametrów reologicznych granicy płynięcia g oraz lepkości plastycznej h, jednoznacznie określających zachowanie się mieszanki w zróżnicowanych warunkach obciążeń, występujących w trakcie wykonywania fibrobetonów. Następnie wykonano statystyczną analizę wpływu rozpatrywanych czynników składu na parametry reologiczne ZMWP i BMWP używając plan randomizowany kwadratów grecko-łacińskich 3 3 PS/RQ-GL. 1 Dr inż., Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej 2 Prof. dr hab. inż., Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej
2. Założenia i metodyka badań Właściwości reologiczne mieszanek na spoiwach cementowych z dodatkiem włókien określono stosując reometryczny test urabialności (RTU), omówiony szczegółowo w [3],[4]. Badania ZMWP przeprowadzono wiskozymetrem rotacyjnym Viskomat NT (rys.1a), natomiast badania BMWP reometrem ROD-1E (rys.2a). Procedurę pomiarową przedstawiono na rys. 1b i 2b, wyniki przedstawiono dla prędkości malejących. Prędkość obrotowa, [1/min] 14 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Czas [s] Wyznaczenie g & h Rys. 1. Procedura pomiarowa Viskomatu NT przy pomiarze właściwości reologicznych ZMWP 7 Prędkość obrotowa [1/min] 6 5 4 3 2 1 Wyznaczenie g & h 3 6 9 12 15 18 Czas [s] Rys. 2. Procedura pomiarowa reometru ROD-1E przy pomiarze właściwości reologicznych BMWP W badaniach przeprowadzono analizę porównawczą modelów charakteryzujących właściwości reologiczne zapraw i mieszanek, celem wyznaczenia modelu optymalnie charakteryzującego właściwości reologiczne badanych zapraw i mieszanek betonowych modyfikowanych włóknami polipropylenowymi. Na podstawie tej analizy stwierdzono że modelem adekwatnym do wyznaczenia parametrów reologicznych jest model reologiczny
Bingham`a. Wyznaczając parametry reologiczne przy pomocy modelu Hershell`a-Bulkey`a (H.B.), dla najwyższych współczynników korelacji r uzyskiwano, w większości rozpatrywanych przypadków, wartości ujemne dla granicy płynięcia g. Potwierdza to brak fizykalnej miarodajności modelu H.B. do określania właściwości reologicznych włóknozapraw. Na korzyść modelu Binghama przemawia również jego dwuparametrowy charakter, co przy zbliżonych, otrzymywanych wartościach współczynników determinacji r 2 jest dodatkowym argumentem. Przykładowe krzywe płynięcia, aproksymowane dwoma rozpatrywanym modelami reologicznymi, przedstawiono na rys. 3. 12 12 Moment obrotowy [Nmm] 1 8 6 4 2 g=4.47; h=.66 r=.97 2 4 6 8 1 12 Prędkość obrotowa [obr/min] Moment obrotowy [Nmm] 1 8 6 4 2 g=.1; h=.95; n=.85 r=.98 2 4 6 8 1 12 Prędkość obrotowa [obr/min] Rys. 3. Przykładowe krzywe płynięcia ZMWP oraz uzyskane parametry reologiczne przy aproksymacji: a) modelem Bingham`a; b) modelem Hershell`a-Bulkey`a W celu przeprowadzenia analizy porównawczej właściwości reologicznych zapraw i mieszanek z dodatkiem włókien, wykonano modernizację układu pomiarowego dla mieszanek betonowych (rys. 4). Wykonano nowy cylinder pomiarowy (objętość 44 dm 3 ) oraz sondę pomiarową w skali 5:1 w odniesieniu do naczynia i sondy pomiarowej Viskomatu NT. Przy średnicy 8 cm naczynia Viskomatu NT do pomiaru właściwości reologicznych zaczynów i zapraw dla frakcji kruszywa do 2 mm, dla reometru ROD-1E przyjęto średnicę naczynia 4 cm i maksymalną frakcję kruszywa do 1 mm jako skalę odniesienia między zaprawami i mieszankami betonowymi. Rys. 4. Reometr ROD-1E; a) Cylinder pomiarowy z nową sondą pomiarową; b) Cylinder wypełniony BMWP podczas procedury pomiarowej
3. Plan szczegółowy eksperymentu Temperatura zarobów w trakcie pomiarów wynosiła 2±2 o C. W badaniach zastosowano cement portlandzki drogowy siarczanoodporny CEM I MSR 42,5. Sposób mieszania składników zaprawy odpowiada PN EN 48-1 z wyjątkiem włókien, które mieszano najpierw z wodą i superplastyfikatorem a następnie dodawano do piasku i cementu. W odniesieniu do udziału objętościowego włókien w badaniach przyjęto wspólny dla wszystkich rodzajów włókien zakres zmienności celem umożliwienia analizy porównawczej istotności ich wpływu na właściwości reologiczne zapraw. Zaprawy i mieszanki betonowe były modyfikowane ze względu na zmienny w badaniach wskaźnik W/C, zawartość superplastyfikatora (SP), udział objętościowy i długość włókien polipropylenowych fibrylowanych. Plan badań czynnikowych przedstawia tablica 1. Tablica 1. Plan badań czynnikowych Etap Cel etapów Czynniki zmienne Wpływ włókien 1. Wskaźnik W/C.47.5.53 polipropylenowych na 2. Dawka SP 1; 1.5; 2.% wagi cementu I parametry reologiczne 3. Zawartość włókien.1;.2;.3% ZMWP 4. Długość włókien 3; 6; 12 mm II Wpływ włókien polipropylenowych na parametry reologiczne BMWP 1. Wskaźnik W/C.45.465.48 2. Dawka SP.5; 1.; 1.5% wagi cementu 3. Zawartość włókien.1;.2;.3% 4. Długość włókien 3; 6; 12 mm Ze względu na zjawisko segregacji przy wykonywaniu mieszanek betonowych z ustalonymi i wykonanymi dla zapraw poziomami zmienności wskaźnika W/C oraz superplastyfikatora, zdecydowano o ich obniżeniu wg tablicy 2. Należy dodać, że wykonanie zapraw z ustalonymi dla mieszanek betonowych niższymi poziomami zmienności wskaźnika W/C i superplastyfikatora było niemożliwe, ze względu na zbyt sztywne zaroby do przeprowadzenia ich analizy reologicznej w Viskomacie NT. Do przeprowadzenia analizy wariancji wpływów poszczególnych czynników wykorzystano plan randomizowany kwadratów grecko-łacińskich 3 3 PS/RQ-GL (plan kwadratów II rzędu PS/RQ-II), z dwoma powtórzeniami, opisany w [5]. Plan badań metodą kwadratów grecko-łacińskich oraz analizę wariancji wykonano za pomocą programu STATISTICA. Zaw. SP / Długość włókien [mm] Tablica 2. Kwadraty grecko-łacińskie z przyporządkowanymi wartościami dla zapraw (ZMWP) i mieszanek betonowych (BMWP) Zaprawa (ZMWP) Zaw. SP Mieszanka betonowa (BMWP) Wskaźnik W/C / / Wskaźnik W/C / Zawartość włókien [%] Długość Zawartość włókien [%] włókien.47.1.5.2.53.3 [mm].45.1.465.2.48.3 1. 6 A α B β C γ.5 6 A α B β C γ 1.5 12 B γ C α A β 1. 12 B γ C α A β 2. 19 C β A γ B α 1.5 19 C β A γ B α
4. Wyniki badań Analiza porównawcza właściwości reologicznych zapraw, wyznaczonych Viskomatem NT oraz mieszanek betonowych, wyznaczonych reometrem ROD-1E, pozwoliła na wstępne porównanie właściwości reologicznych mieszanek na spoiwach cementowych, poddanych badaniom na dwóch aparatach o różnej objętości naczyń pomiarowych. Interpretacja wpływu dwóch rozpatrywanych czynników na wartość granicy płynięcia g jest ograniczona ze względu na zmienność dwóch pozostałych czynników w przypadku każdej rozpatrywanej zaprawy i mieszanki betonowej. Z tego powodu charakter poznawczy zastosowanej metody kwadratów grecko-łacinskich ogranicza się do analizy wariancji wpływu rozpatrywanych czynników na parametry reologiczne badanych zapraw (ZMWP) i mieszanek (BMWP), co przedstawiono w tablicy 3 i 4. Na podstawie analizy wariancji przy założonym przedziale zmienności rozpatrywanych czynników niezależnych, stwierdzono brak istotności wpływu (najwyższa istotność wpływu dla Poz. Istot. =.) udziału objętościowego badanych włókien oraz ich długości na granicę płynięcia g oraz istotny wpływ długości włókien na lepkość plastyczną h rozpatrywanych ZMWP. W przypadku BMWP, wykazano brak wysokiej istotności wpływu udziału objętościowego badanych włókien oraz ich długości na granicę płynięcia g oraz brak istotności wpływu udziału objętościowego badanych włókien oraz ich długości na lepkość plastyczną h. Tablica 3. Analiza wariancji granicy płynięcia g i lepkości plastycznej h dla ZMWP. Źródło wariancji Suma St sw Średni kwadrat Wart. F Poz. Istot. Suma St sw Średni Wart. F Poz. Istot. ANOVA dla : Granicy płynięcia g Lepkości plastycznej h A: Wskaźnik W/C 1184.296 2 592.148 695.13. 468.667 2 234.33 73.57. B: Zawartość SP 139.185 2 69.593 81.696. 6.889 2 3.444 1.81.36 C: Zawartość włókien.296 2.148.174.842 37.556 2 18.778 5.895.11 D: Długość włókien.296 2.148.174.842 72.222 2 36.111 11.34.1 Błąd resztkowy 15.333 18.852 57.333 18 3.185 Tablica 4. Analiza wariancji granicy płynięcia g i lepkości plastycznej h dla BMWP Źródło wariancji Suma St sw Średni kwadrat Wart. F Poz. Istot. Suma St sw Średni Wart. F Poz. Istot. ANOVA dla : Granicy płynięcia g Lepkości plastycznej h A: Wskaźnik W/C 399.519 2 1995.26 1.7946.195 214.889 2 17.44 1.9897.166 B: Zawartość SP 896.74 2 448.4.43.674 296.222 2 148.11 2.7428.91 C: Zawartość włókien 1844.963 2 922.48.8297.452 172.667 2 86.33 1.5988.23 D: Długość włókien 1498.963 2 749.48.6741.522 16.889 2 53.44.9897.391 Błąd resztkowy 212.67 18 1111.81 972 18 54
Należy zaznaczyć, że prezentowane na rys. 5 8 wpływy dwóch wybranych czynników na parametry reologiczne badanych ZMWP oraz BMWP są obarczone błędem wpływu dwóch pozostałych czynników zmiennych, uwzględnionych w planie badań. Na rys. 5. przedstawiono wartości granicy płynięcia g dla ZMWP oraz BMWP, przy założeniu istotności wpływów zawartości SP oraz wskaźnika W/C oraz ukrytej istotności wpływów długości włókien i zawartości włókien. W przypadku BMWP obserwowany jest wzrost granicy płynięcia wraz ze spadkiem wskaźnika W/C oraz zawartości SP, niezależnie od zawartości i długości włókien. Dla ZMWP kierunki zmian wartości granicy płynięcia g nie są tak jednoznaczne przy jednoczesnym wyraźnie zauważalnym wpływie czynników charakteryzujących włókna na rozpatrywany parametr reologiczny. Na rys. 6. przedstawiono wartości lepkości plastycznych h dla ZMWP oraz BMWP, przy założeniu istotności wpływów zawartości SP oraz wskaźnika W/C oraz ukrytej istotności wpływów długości włókien i zawartości włókien. Obserwujemy odmienne kierunki zmian wartości lepkości plastycznej h przy porównaniu badanych ZMWP oraz BMWP, z czego wynika odmienny wpływ włókien na rozpatrywane mieszanki na spoiwach cementowych. Granica płynięcia g [Nmm] 3 2 1 14,16 4,37 9,1 3,8 8,32 8,45 4,78,78 5,67,47,5 1 1,5,53 W/ C 2 Zawartość SP [%] Granica płynięcia g [Nm] 3 25,1 21,33 18,52 2 15,22 15,75 14,72 1 1,2 6,3,45 4,38,465,5 1,48 W/C 1,5 Zawartość SP [%] Rys. 5. Wartości granicy płynięcia g przy istotności wpływów zawartości SP oraz wskaźnika W/C; a) dla badanych ZMWP; b) dla badanych BMWP Lepkość plastyczna h [Nmmmin] 1,,8,6,4,2,,98,53,63,58,55,51,55,46,44,47,5 1 1,5,53 W/C 2 Zawartość SP [%] Lepkość plastyczna h [Nms] 1,,8,6,4,2,2,,5,12,21,1,23,29,13,18,19,48,465 1,45 W/C 1,5 Zawartość SP [%] Rys. 6. Wartości lepkości plastycznej h przy istotności wpływów zawartości SP oraz wskaźnika W/C; a) dla badanych ZMWP; b) dla badanych BMWP
Na rys. 7. przedstawiono wartości granicy płynięcia g dla ZMWP oraz BMWP, przy założeniu istotności wpływów zawartości włókien oraz wskaźnika W/C. W przypadku ZMWP, wraz ze wzrostem zawartości włókien i ukrytym wzrostem zawartości SP, granica płynięcia g maleje, co potwierdza większy wpływ zawartości SP od zawartości włókien na rozpatrywany parametr reologiczny w założonym przedziale zmienności. W przypadku BMWP, obserwujemy odmienne kierunki zmian wartości granicy płynięcia g przy porównaniu badanych ZMWP oraz BMWP. Granica płynięcia g [Nmm] 3 14,16 2 8,45 8,32 1 9,1 4,37 5,67 3,8,1,2,3 Zawartość włókien [%] 4,78,78,47,5,53 W/C Granica płynięcia g [Nm] 25,1 3 21,33 18,52 2 15,22 14,72 1,2 6,3 15,75 1 4,38,1,2,48,3 Zawartość włókien [%],465,45 W/C Rys. 7. Wartości granicy płynięcia g przy istotności wpływów zawartości włókien oraz wskaźnika W/C; a) dla badanych ZMWP; b) dla badanych BMWP Na rys. 8. przedstawiono wartości lepkości plastycznej h dla ZMWP oraz BMWP, przy założeniu istotności wpływów długości włókien oraz wskaźnika W/C. Również w tym przypadku obserwujemy odmienne kierunki zmian wartości lepkości plastycznej h przy porównaniu badanych ZMWP oraz BMWP. Najwyższa lepkość plastyczna obserwowana jest dla zaprawy o charakterystyce (W/C=.47; długość włókien 19 mm; zawartość SP 2% oraz zawartość włókien.3%) oraz dla mieszanki betonowej o charakterystyce (W/C=.465; długość włókien 12 mm; zawartość SP 1% oraz zawartość włókien.2%). 1,,98 1, Lepkość plastyczna h [Nmmmin],8,53,63,58,6,55,51,55,4,46,44,2, 6 12 19 Długość włókien [mm],47,5,53 W/C Lepkość plastyczna h [Nms],8,6,4,23,13,29,12,21,2,18,2,,1,19,48,465 6 12,45 W/C 19 Długość włókien [mm] Rys. 8. Wartości lepkości plastycznej h przy istotności wpływów długości włókien oraz wskaźnika W/C; a) dla badanych ZMWP; b) dla badanych BMWP
5. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że badane zaprawy modyfikowane włóknami polipropylenowymi nie mogą być rozpatrywane jako modelowe mieszanki betonowe modyfikowane włóknami polipropylenowymi. Zostało wykazane, że wpływ czynników zmiennych dotyczących włókien na parametry reologiczne jest odmienny dla zapraw i mieszanek betonowych. Wykonana analiza wariancji wybranych czynników składu zapraw i mieszanek, przy założonym przedziale zmienności rozpatrywanych czynników niezależnych, wykazała: istotny wpływ wskaźnika W/C i zawartości SP na granicę płynięcia g badanych ZMWP istotny wpływ wskaźnika W/C i długości włókien na lepkość plastyczną h badanych ZMWP wyróżniający się wpływ wskaźnika W/C oraz udziału objętościowego włókien na granicę płynięcia g dla badanych mieszanek BMWP wyróżniający się wpływ zawartości SP na lepkość plastyczną h dla badanych BMWP 6. Literatura [1] SZWABOWSKI J., PONIKIEWSKI T., Rheological properties of fresh concrete with polypropylene fibres, 3 rd International Conference: Concrete&Concrete Structures, (Žilina, Slovak Republic, 24-25.4.22), 331 338. [2] PONIKIEWSKI T., Plastyczność włókno-zaprawy a jej właściwości reologiczne, III Semin. Doktorantów W. Budownictwa, Gliwice-Wisła, 21-22.11.22 r., s. 465-474. [3] SZWABOWSKI J., Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999. [4] PONIKIEWSKI T., SZWABOWSKI J., The influence of selected composition factors on the rheological properties of fibre reinforced fresh mortar, in: Proc. Int. Symp. `Brittle Matrix Composites 7`, A.M.Brandt, V.C.Li, I.H.Marshall, Warsaw, 13-15.1.23. [5] OKTABA W., Metody statystyki matematycznej w doświadczalnictwie, PWN, Warszawa, 198. INFLUENCE OF POLYPROPYLENE FIBRES ON RHEOLOGICAL PROPERTIES OF MORTAR AND CONCRETE MIX Summary It has been shown that the addition of polypropylene fibrillated fibres to the fresh mortar and concrete mix changes the composite rheology. Modified fresh mortars with polypropylene fibres can`t be considered as a model of fresh concrete mix with the same polypropylene fibres. It was proven that influence of the fibre parameters on rheological properties of mortars and concrete is not the same. Greco-Latin Square analysis of variance of obtained rheological parameters for mortars showed that fibres length have the significant influence on plastic viscosity h of tested mortars in the investigated range of changes influence fibre and matrix parameters. Fibre volume fraction have higher influence than fibre length on yield value g and plastic viscosity h of tested concrete mix in the investigated range of changes influence fibre and matrix parameters.