V SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 3 Tomasz Ponikiewski 1 WPŁYW WŁÓKIEN NA WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE ZAPRAW CEMENTOWYCH 1. Wprowadzenie Istniej kilka nazw opisujących beton z dodatkiem włókien. Najczęstszym określeniem spotykanym w literaturze jest fibrobeton. Innymi określeniami jest beton ze zbrojeniem rozproszonym, z mikrozbrojeniem [3],[7], drutobeton [6], kompozyty włókniste lub betony mikrozbrojone. Podstawową i najczęściej stosowaną nazwą anglojęzyczną jest Fibre-reinforced concrete (FRC), czyli beton wzmocniony włóknami. Z punktu widzenia technologii przygotowywania mieszanek fibrobetonowych, pojawiają się problemy z ich urabialnością. Ogólna tendencja poprawy charakterystyk fibrobetonów m.in. wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien w mieszance, przy różnym kształcie włókien celem poprawy ich zakotwienia w matrycy czy rodzajem zastosowanego typu włókien, powoduje pogarszanie się urabialności fibromieszanek. Z punktu widzenia badań urabialności, stosowane standardowe testy jednopunktowe (np. opad stożka, metoda rozpływu) są fizycznie niejednoznaczne a ich nieadekwatność została wykazana w wielu przeprowadzonych badaniach fibromieszanek [11][12] i potwierdzona m.in. w raportach American Concrete Institute [1]. Autor podkreśla przydatność normowych testów urabialności m.in. w warunkach budowy ale ważne i celowe było podjęcie badań w kierunku rozpoznania rzeczywistej natury 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 [9]. Miarodajnych informacji w tym zakresie mogą dostarczyć tylko badania wykonywane reometrycznym testem urabialności (RTU). Przede wszystkim pozwala on na określenie dwóch podstawowych parametrów reologicznych granicy płynięcia g oraz lepkości plastycznej h, jednoznacznie określających zachowanie się mieszanki fibrobetonowej w zróżnicowanych warunkach obciążeń, występujących w trakcie wykonywania fibrobetonów. Wykonywanie RTU z wykorzystaniem zapraw normowych pozwala, w odniesieniu do badań mieszanek betonowych, na znaczące zredukowanie kosztu badań oraz wyeliminowanie niekontrolowanego wpływu zmian uziarnienia, przy jednoczesnej podobnej naturze zjawisk zachodzących w świeżej zaprawie i mieszance betonowej [4]. Wiadomo, że wraz ze wzrostem granicy płynięcia maleje urabialność (odkształcalność) zaprawy natomiast zmiana lepkości plastycznej określa prędkość rozpływu zaprawy. Im lepkość mniejsza tym prędkość rozpływu większa. 1 mgr inż., Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej, e-mail: ponik@polsl.gliwice.pl
Badania metodą reometryczną zostały przeprowadzone za pomocą reometru do zaczynów i zapraw na zaprawach z wykorzystaniem przede wszystkim włókien wiotkich: polipropylenowych, szklanych, węglowych oraz sztywnych - stalowych. Zaprawa była modyfikowana ze względu na zmienny w badaniach wskaźnik W/C, udział objętościowy, długość i rodzaj włókien. 2. Ogólna charakterystyka fibrobetonu Fibrobetony są materiałami kompozytowymi o spoiwie cementowym (zaczyny, zaprawy i betony), w których rozmieszczone są krótkie włókna z różnych tworzyw. Podstawowym celem stosowania zbrojenia rozproszonego w betonie jest kontrolowanie powstawania i propagacji rys [2]. Jeżeli liczba wprowadzonych do betonu włókien jest odpowiednio duża, to występujące w betonie defekty w postaci drobnych rys wywołanych skurczem lub efektami termicznymi zostaną zszyte przez włókna [13]. W przypadku rys powstających wskutek oddziaływania na beton obciążeń zewnętrznych ma miejsce podobny efekt. W chwili gdy nastąpi lokalne pęknięcie betonu-matrycy, obciążenia zostaną przejęte przez włókna. Rosnące obciążenie włókna wywołać może albo jego wysnucie z matrycy, albo zerwanie. Sposób, w jaki włókno utraci swą nośność będzie zależało od wytrzymałości włókien, ich przekroju poprzecznego oraz siły kotwiącej włókno w matrycy, która zależy od przyczepności zaczynu do jego powierzchni bocznej oraz kształtu zakończeń. Zbrojenie rozproszone w postaci włókien, stosuje się w betonach zwykłych, a także w betonach zbrojonych prętami stalowymi, siatkami oraz w betonach sprężonych. Oprócz hamowania powstawania i rozwoju zarysowań w betonie, włókna wpływają znacznie na podwyższenie energii zniszczenia [3]. We właściwej ilości zastosowanie włókien pozwala na uzyskanie wzrostu wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie, oraz wzrost odporności zmęczeniowej i udarności. Uzyskiwane efekty stosowania włókien zależą m.in. od ich właściwości fizycznych. Podano je w tablicy 1, zestawiając dla porównania z właściwościami matrycy. Tablica 1. Typowe właściwości włókien oraz matryc wg [5]. Rodzaj włókien lub matrycy Gęstość pozorna (Mg/m³) Średnica lub grubość (µm) Długość (mm) Moduł sprężystości (GPa) Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) Udział objętośc. (%) zaprawa 1.8-2. 3-5 - 1-3 1-1 85-97 beton 1.8-2.4 1 - - - 4 1-4 97-99.5 poliamidowe 1.45 1-15 5 - ciągłe 7-13 29 1-5 węglowe pitch 1.6 18 3 - ciągłe 3-32 6 3-5 węglowe PAN 1.75-1.95 7 3 - ciągłe 25-39 29 3-5 szklane 2.7 12.5 1-5 7 6-25 3-7 PAN 1.16 13-14 6 17-9 - 1 2-1 HDPE.96 9 3-5 5 2-4 polietylenowe (o wysok module).96-5 Ciągłe 1-3 > 4 5-1 Polipropylenowe.91-1 5-4 4 4 6.1 -.2 poliwinylowe (PVA) 1-3 3-8 2-6 12-4 7-15 2-3 stalowe 7.86 1-6 6-6 7 -.5-2. Duże różnice w gęstości pozornej włókien mają istotne znaczenie przy ich dozowaniu do mieszanki betonowej. Dozowanie może być: objętościowe włókien w procentach w stosunku do objętości betonu, wagowe w procentach w stosunku do masy betonu lub wagowe włókien na m 3 betonu. To zróżnicowanie jest bardzo ważne w praktycznym zastosowaniu włókien (tablica 2). Ilości włókien w kg na m 3 betonu zależą od rodzaju włókien. Przy
jednakowym udziale objętościowym (%) różnią się masą. Przedział zużycia włókien polipropylenowych został w tablicy rozszerzony o objętość,1%, która to ilość jest zalecana jako optymalna przez producentów tych włókien. W przypadku włókien stalowych objętość może być zwiększana nawet do %, gdzie taka ilość jest stosowana np. w betonach SIFCON. Zwykle zawartość włókien stalowych w fibrobetonie nie przekracza 2% udziału objętościowego. Tablica 2. Zużycie wypełniaczy włóknistych do betonu [8]. Włókna Polipropylenowe Stalowe Szklane objętość % masa % kg/m 3 masa % kg/m 3 masa % kg/m 3,1,4,9,2,8 1,8,4,15 3,6,5, 4,5 1,7 39,7,27 6,3 2,4 55 1, 3,4 78 1,13 26 2, 6,8 156 2,26 52 2,5 8,15 195 2,83 65 3, 3,39 78 4, 4,52 14 Rozpatrując problem zmian właściwości betonu ze względu na częstość i rodzaj stosowanych włókien, to najszersze pole zastosowań znalazły betony wzmacniane włóknami stalowymi oraz polipropylenowymi. Z tego względu, w tablicy 3 podano kierunki zmian właściwości betonu jakie może powodować dodatek tych rodzajów włókien oraz ich granice. Tablica 3. Kierunki zmian właściwości betonu wywołane dodatkiem włókien [13]. Właściwość Stalowe Rodzaj włókien Polipropylenowe Udział objętościowy.25-1.3 % ( - 1 kg/m 3 ).1 -.5 % (.9 4.5 kg/m 3 ) Skurcz redukcja o ok. 3 do 5 % redukcja o ok. 3 do 5% (zwłaszcza skurczu plastycznego) Wytrzymałość na ściskanie wzrost o 1 do 3% niewielki wzrost Wytrzymałość na rozciąganie wzrost o do 4% niewielki wzrost Wytrzymałość na zginanie wzrost o 3 do 7% niewielki wzrost Udarność wzrost do 6 razy wzrost do 3 razy Nasiąkliwość bez zmian lub niewielki wzrost bez zmian lub niewielkie obniżenie Mrozoodporność wzrost o 3 do 6% wzrost o ok. 3% Ścieralność redukcja do 5% praktycznie bez zmian Wodoszczelność praktycznie bez zmian lub niewielkie polepszenie polepszenie o ok. % Urabialność pogorszenie o 3 do 4% pogorszenie w zależności od zawartości oraz smukłości włókien 3. Założenia i metodyka badań Badania przeprowadzono na zaprawach normowych wg PN EN 196-1:1996, ze względu na podobną naturę zjawisk zachodzących w świeżej zaprawie i mieszance betonowej, przy jednoczesnym mniejszym koszcie i pracochłonności. W badaniach uwzględniono wpływ następujących zmiennych czynników: wskaźnik W/C 4 poziomy - ; ; ; ; udział objętościowy włókien 3 poziomy -,1;,3 i,5% obj. zaprawy; długość włókien 1-3 poziomów - wg tablicy 4 rodzaj włókien 4 poziomy - wg tablicy 4
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. Zaprawa była modyfikowana ze względu na zmienny w badaniach wskaźnik W/C, udział objętościowy, długość i rodzaj włókien. Zestawienie badanych włókien przedstawiono w tablicy 4. Ilość dodawanego cementu wynosiła 45 g/zarób natomiast piasku normowego 135 g/zarób. Rodzaj włókna Kształt włókien Tablica 4. Właściwości badanych włókien Gęstość Moduł Cena [Euro] (kg pozorna sprężystości włókien/ 1% włók. (kg/m 3 ) (GPa) w 1m 3 betonu) Długości włókien (mm) Oznaczenie włókien Polipropylenowe fibrylowane 9 4 8 / 75 6, 12, 19 [Har6/Har12/Har19] Polipropylenowe pojedyncze 9 4 8 / 75 3, 6, 12 [Fib3/Fib6/Fib12] Stalowe pojedyncze, proste 785,75 / 6 6, 13 [Stal6/Stal13] Szklane pasmo włókien 27 7 7 / 182 13 [Sz13] Węglowe typu pitch pojedyncze 163 3 35 / 56 3, 6, 1 [W3/W6/W1] Temperatura zarobów w trakcie pomiarów wynosiła ±2 o C. Zawartość superplastyfikatora FM 34 była stała i wynosiła 1% zawartości cementu. 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 dodawano do suchych składników (włókna stalowe, szklane) lub mieszano najpierw z wodą i superplastyfikatorem (włókna polipropylenowe, węglowe) a następnie dodawano do piasku i cementu. Maksymalny udział objętościowy włókien ograniczono do,5% objętości zaprawy ze względu na trudności pomiarowe w przypadku większej zawartości włókien. Właściwości reologiczne zapraw z dodatkiem włókien określono stosując reometryczny test urabialności (RTU), omówiony szczegółowo w [1]. Badania przeprowadzono na wiskozymetrze rotacyjnym Viskomat NT (rys. 1). Prędkość obrotowa sondy zmieniała się w przedziale od 1 do 1 obr/min. Wyniki przedstawiono dla prędkości malejących. M [Nmm] 1 8 6 4 g = 44,138 Nmm h =,1323 Nmmmin r =,975 y =,1323x + 44,138 r=,975 4 6 8 1 1 14 N [obr/min] Rys. 1. Przebieg procedury pomiarowej aparatem Viskomat NT (widok z prawej)
4. Wyniki badań i ich omówienie Z przedstawionych na rysunkach rezultatów badań wynika że właściwości reologiczne zapraw różnią się istotnie, zależnie od zastosowanych włókien oraz ich udziału objętościowego w zaprawie. Dla zapraw bez włókien obserwujemy niewielki wzrost wartości g wraz ze spadkiem zawartości wody w mieszance, co jest zjawiskiem spodziewanym. Najwyższe wartości granicy płynięcia g, czyli najgorszą urabialność uzyskano dla zapraw z dodatkiem włókien polipropylenowych elementarnych (rys.4) oraz węglowych (rys.11-13). Wartość granicy płynięcia dla tych rodzajów włókien wzrasta ze wzrostem udziału objętościowego włókien w zaprawie, szczególne od wartości,3%. Najniższe wartości granicy płynięcia czyli najlepszą urabialność uzyskano dla zapraw z dodatkiem włókien polipropylenowych fibrylowanych (rys.5 i 6) oraz włókien stalowych (rys.9). Wyniki badań dla lepkości plastycznej h włókno-zapraw nie są one tak jednoznaczne jak w przypadku granicy płynięcia. Dla zapraw bez włókien obserwujemy niewielki wzrost lepkości h wraz ze spadkiem zawartości wody w mieszance. Podobną tendencję obserwujemy dla zapraw z dodatkiem,1% wszystkich rodzajów włókien. Dodanie,3% włókien powoduje najwyższy wzrost lepkości plastycznej dla zaprawy z dodatkiem włókien polipropylenowych elementarnych długości 12 mm (rys.4). Niska wartość lepkości plastycznej występuje w zaprawach z włóknami węglowymi dla,5% ich udziału objętościowego (rys.12 i 13). 5 Włókna [Fib 3]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [Fib 3]; Lepkość plastyczna h; 4,8 3 1,6,4,2, Rys. 2. Wpływ zawartości włókien polipropylenowych pojedynczych [Fib 3] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h. 5 Włókna [Fib 6]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [Fib 6]; Lepkość plastyczna h; 4,8 3 1,6,4,2, Rys. 3. Wpływ zawartości włókien polipropylenowych pojedynczych [Fib 6] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h.
6 Włókna [Fib 12]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [Fib 12]; Lepkość plastyczna h; 5,8 4 3,6,4 1,2, Rys. 4. Wpływ zawartości włókien polipropylenowych pojedynczych [Fib 12] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h. 5 Włókna [Har 6]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [Har 6]; Lepkość plastyczna h; 4,8 3,6,4 1,2, Rys. 5. Wpływ zawartości włókien polipropylenowych fibrylowanych [Har 6] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h. 5 Włókna [Har 12]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [Har 12]; Lepkość plastyczna h; 4,8 3 1,6,4,2, Rys. 6. Wpływ zawartości włókien polipropylenowych fibrylowanych [Har 12] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h.
5 Włókna [Har 19]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [Har 19]; Lepkość plastyczna h; 4,8 3,6,4 1,2, Rys. 7. Wpływ zawartości włókien polipropylenowych fibrylowanych [Har 19] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h. 5 Włókna [Sz 13]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [Sz 13]; Lepkość plastyczna h; 4,8 3 1,6,4,2, Rys. 8. Wpływ zawartości włókien szklanych [Sz 13] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h. 5 Włókna [S 6]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [S 6]; Lepkość plastyczna h; 4,8 3 1,6,4,2, Rys. 9. Wpływ zawartości włókien stalowych [S 6] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h.
5 Włókna [S 13]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [S 13] ; Lepkość plastyczna h; 4,8 3 1,6,4,2, Rys. 1. Wpływ zawartości włókien stalowych [S 13] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h. 6 Włókna [W 3]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [W 3]; Lepkość plastyczna h; 5,8 4 3,6,4 1,2, Rys. 11. Wpływ zawartości włókien węglowych [W 3] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h. 6 Włókna [W 6]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [W 6]; Lepkość plastyczna h; 5,8 4 3,6,4 1,2, Rys. 12. Wpływ zawartości włókien węglowych [W 6] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h.
6 Włókna [W 1]; Granica płynięcia g; 1, Włókna [W 1]; Lepkość plastyczna h; 5,8 4 3,6,4 1,2, Rys. 13. Wpływ zawartości włókien węglowych [W 1] i wskaźnika W/C na parametry reologiczne włókno-zapraw; a) granica płynięcia g; b) lepkość plastyczna h. Na podstawie analizy statystycznej wyników badań przedstawionej w tablicy 5, można stwierdzić, że granica płynięcia badanych zapraw z dodatkiem włókien zależy przede wszystkim od rodzaju włókien i ich udziału objętościowego w zaprawie. W przypadku lepkości plastycznej badanych zapraw zasadniczy wpływ na jej zmianę ma wskaźnik W/C oraz długość włókien. Tabl.5 Analiza wariacji granicy płynięcia i lepkości plastycznej wszystkich włókno-zapraw Źródło wariancji Suma kwadrat. St. Swob. Średni kwadrat Wart. F Poz. Istot. Suma kwadrat. St. Swob. Średni kwadrat Wart. F Poz. Istot. ANOVA dla : Granicy płynięcia g Lepkości plastycznej h A: W / C 12,211 4 25,553,24,915,788 4,197 27,34, B: Rodzaj włókien 2761,854 3 9,618 8,655,,4 3,13 1,844,143 C: Dług. włókien 31,149 7 44,37,417,891,146 7,21 2,9,8 D: Zawar. włókien 4564,446 3 1521,482 14,3,,61 3, 2,821,42 Błąd resztkowy 13189,7 124 16,3685,8947 124,72 Błąd całkowity 28,74 141 2,2964 141 5. Wnioski W odniesieniu do badanych włókno-zapraw i ich charakterystyk, stwierdzono że: - reologiczny test urabialności wykazał pogarszanie się urabialności zapraw z dodatkiem włókien w odniesieniu do zapraw świadków, - analiza statystyczna wyników badań wykazała wysoką istotność i równorzędność wpływu rodzaju włókien i ich udziału objętościowego na granicę płynięcia oraz wpływ wskaźnika W/C i długości włókien na lepkość plastyczną badanych zapraw, - spośród badanych zapraw z różnymi rodzajami włókien zaprawy z włóknami stalowymi oraz polipropylenowymi fibrylowanymi wykazują najmniejsze pogorszenie urabialności wywołane obecnością włókien w zaprawie w badanym zakresie ich udziału objętościowego i długości,
- w przypadku włókien polipropylenowych pojedynczych, węglowych oraz szklanych pogorszenie urabialności spowodowane jest głównie wzrostem udziału objętościowego włókien w zaprawie. Literatura 1. ACI Committee 544.2R-88: Measurements of Properties of Fiber Reinforced Concrete, ACI Materials Journal, Nov.-Dec., 1988, 583-594. 2. Brandt A.M.: Zastosowanie włókien jako uzbrojenia w elementach betonowych, Konferencja: Beton na progu nowego Milenium, Kraków, 9-1.11., 433-444. 3. Glinicki M.A.: Elementy projektowania zbrojenia rozproszonego w betonach, XVII Ogólnopolska Konferencja Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji,Ustroń, 2 r., 37-51. 4. Gołaszewski J.: Wpływ cementu i superplastyfikatora na właściwości zapraw, IV Sympozjum N.T. Reologia w technologii betonu, Gliwice, 2, s. 77-9. 5. Illston J.M. (ed.): Construction materials - their nature and behaviour, Chapman & Hall, London 1994. 6. Jamroży Z.: Drutobeton, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków, 1985. 7. Jamroży Z.: Betony ze zbrojeniem rozproszonym, XVII Ogólnopolska Konferencja Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń, -23 lutego 2 r. 8. Osiecka E.: Wybrane zagadnienia z technologii mineralnych kompozytów budowlanych, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa,. 9. Ponikiewski T.: Plastyczność włókno-zaprawy a jej właściwości reologiczne, III Seminarium Doktorantów Wydziałów Budownictwa, Gliwice-Wisła, 21-22.11.2 r., s. 465-474. 1. Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999. 11. Szwabowski J., Ponikiewski T.: Analiza testów i czynników urabialności fibrobetonów, III K.N.T. Matbud`, Kraków Mogilany, 28-3.VI., s. 331-338. 12. Szwabowski J., Ponikiewski T.: Rheological properties of fresh concrete with polypropylene fibres, 3 rd International Conference: Concrete&Concrete Structures, Žilina, Slovakia, 24-25.4.2 r., p. 331 338. 13. Śliwiński J.: Beton zwykły projektowanie i podstawowe właściwości, Wyd. Polski Cement Sp. z o.o., Kraków, 1999. INFLUENCE THE TYPE OF FIBRES ON RHEOLOGICAL PROPERTIES OF MORTAR Summary The main goal for the research presented was the determination of the rheological behaviour of workability fibre reinforced fresh mortar (FRFM) investigated with a rotary rheometer - Viskomat NT. An investigation was carried to identify the real nature of the workability of FRFM. The use of the rheological test seems to be a good solution for the problems with the measurement of workability, in this case. In the research, the influence of different types of fibres and their volume fraction in mixes was investigated. In the paper the results obtained for mixes with polypropylene, steel, carbon and glass fibres are presented. Fibre types and fibre volume fraction are important factors. It has been shown that the addition of fibres to the fresh mortar changes the composite rheology.