ANALIZA TESTÓW I CZYNNIKÓW URABIALNOŚCI FIBROBETONÓW

Janusz SZWABOWSKI Tomasz PONIKIEWSKI Politechnika Śląska w Gliwicach ANALIZA TESTÓW I CZYNNIKÓW URABIALNOŚCI FIBROBETONÓW W referacie przeprowadza się analizę czynników urabialności mieszanek fibrobetonowych oraz stosowanych w tym celu testów. Rozpatrywano mieszanki z dodatkiem różnego rodzaju oraz miarodajność fizykalną metod pomiaru urabialności. Na podstawie analizy dotychczasowych badań, cytowanych w literaturze i własnych, stwierdza się, ze stosowane dotychczas testy urabialności mieszanek fibrobetonowych są fizycznie niejednoznaczne. Ze względu na reologiczne właściwości mieszanek fibrobetonowych, do ich badania miarodajne są metody reometryczne, umożliwiające określenie zachowania się materiału pod obciążeniem w pełnym zakresie odkształceń postaciowych, w szczególności w strefie płynięcia. 1. ANALIZA UJĘCIA URABIALNOŚCI W TECHNOLOGII FIBROBETONU 1.1. Definicje urabialności Definiowanie pojęcia urabialności wydaje się być proste i zrozumiałe. Jednakże, podobnie jak w przypadku mieszanki zwykłego betonu, przy wyrażeniu owego pojęcia jakościowo i ilościowo, pojawiają się wątpliwości. Dodawanie do matrycy cementowej na pewno nie ułatwia nam tego zadania, można nawet stwierdzić, że sprawa jeszcze bardziej się komplikuje. Najbardziej ogólna ze spotykanych w literaturze definicji określa urabialność jako łatwość, z którą dane składniki mogą być zmieszane w świeży beton, a następnie przenoszone, transportowane i układane, z minimalną utratą jednorodności. Jest to jedna z definicji reprezentujących tendencję do traktowania urabialności w sposób subiektywny, dążenie do opisu jednym terminem wszystkich wymagań technologicznych, jakie można postawić mieszance z punktu widzenia procesów jej wytwarzania, przetwarzania i transportu [7]. Odrębne definicje zawężające pojęcie urabialności, z widoczną tendencją do obiektywizacji jej oceny, określają urabialność

również jako właściwość mieszanki, czyli: zdolność do łatwego wypełniania formy (ciekłość, płynność), łatwość zagęszczenia (zagęszczalność), transport mieszanki (pompowalność), odporność na segregację i wyciek wody (stabilność). Podobnie możemy definiować urabialność mieszanek fibrobetonowych jednak z pewnymi uwagami. 1.2. Czynniki urabialności Za główne czynniki stanowiące o urabialności uważa się właściwości reologiczne mieszanki oraz układ obciążeń zewnętrznych charakterystycznych dla metody realizacji procesu [21]. Właściwości reologiczne mieszanki charakteryzują opór stawiany przez mieszankę odkształceniu i płynięciu. Są one konsekwencją stanu jej struktury, który uwarunkowany jest składem mieszanki oraz charakterystykami fizykochemicznymi i geometrycznymi składników. Układ obciążeń zewnętrznych ma za zadanie wywołać określony stan odkształcenia lub(i) ruchu mieszanki, lecz związane z tym pole przemieszczeń w mieszance nie powinno doprowadzić do utraty jej jednorodności. W pewnych warunkach efekt ten może jednak mieć miejsce, m.in. kiedy czas działania przyłożonych obciążeń jest zbyt długi, np. przy zagęszczaniu wibracyjnym lub mieszaniu, objawiając się segregacją składników. W przypadku mieszanek fibrobetonowych może wówczas występować zjawisko zaburzenia równomiernego rozkładu lub ich zbrylania się i tworzenia tzw. jeży [6]. 1.3. Pomiary urabialności fibrobetonów Trudności zobiektywizowania pojęcia urabialności znajdują odbicie w mnogości proponowanych sposobów jej pomiarów. Proponowane dotychczas testy urabialności mieszanek fibrobetonowych nie różnią się znacząco od analogicznych badań dla zwykłych mieszanek, jednak zagadnienie to jest traktowane w sposób znacznie uproszczony. Badania sprowadzają się generalnie do testów jednopunktowych: testu opadu stożka, testu Ve-Be, zalecanego testu odwróconego stożka [2], czy proponowanego testu sondą stożkową [8]. Jednak do testów pozostających w jednoznacznym związku z właściwościami reologicznymi mieszanek zaliczany jest test reometryczny (dwupunktowy), którego wyniki są rzeczywistymi, fizycznymi charakterystykami materiałowymi mieszanki [3,21]. Istotnym problemem jest dostosowanie tego testu do badań mieszanek z włóknami, wg przyjętych zasad reometrii. Konieczne jest osiągnięcie ustalonego stanu równowagi pomiędzy stanem naprężenia a stanem odkształcenia w próbce badanej fibromieszanki (pierwsza zasada reometrii). Warunkiem jednoznaczności pomiaru jest zachowanie

jednorodności próbki w całej jej objętości (druga zasada reometrii). Dla interesujących nas mieszanek fibrobetonowych problem ten, choć trudny, wydaje się być możliwy do zrealizowania. Z trzeciej zasady reometrii wynika, że w pomiarach reologicznych mieszanek na spoiwach cementowych najbardziej przydatnym stanem odkształcenia jest proste ścinanie, jednak przy zastosowaniu występuje nadmierna sztywność mieszanki o niskim W/C. 2. BADANIA URABIALNOŚCI MIESZANEK Z DODATKIEM WŁÓKIEN 2.1. Analiza testów urabialności mieszanek fibrobetonowych Najszersze pole zastosowań znalazły fibrobetony wzmacniane włóknem stalowym i polipropylenowym [4,6,17,18,19,22]. Wraz z ich zastosowaniem pojawiły się dodatkowe problemy z urabialnością. W raporcie Komitetu ACI (American Concrete Institute) nr 544 [2] poświęconym badaniom właściwości świeżych mieszanek fibrobetonowych nie zalecano stosowania testu opadu stożka do pomiaru urabialności tych mieszanek. Zaproponowano test odwróconego stożka opadowego. Kolejne publikacje wskazywały na ułomności testów jednopunktowych. G.H. Tattersall i P.F.G. Banfill [3] uważali jedynie test odwróconego stożka za odpowiedni do badania urabialności, chociaż zalecali oni poszukiwanie nowych metod. Została również przedstawiona próba oszacowania urabialności dla testów jednopunktowych [5] pod względem nacisku położonego na ocenę stabilności, ruchliwości i zagęszczalności wzbogacanego włóknami betonu (tabl.1). Kolejny raport Komitetu ACI 544 [16], pomimo stwierdzenia że pomiar urabialności metodą stożka opadowego w odniesieniu do kompozytów z włóknami jest czymś innym niż w przypadku zwykłej mieszanki betonowej, nadal zalecał stosowanie tego testu oraz testu odwróconego stożka. Test stożka opadowego można uznać za nieprzydatny w badaniach fibrobetonów ze względu na jego charakter statyczny - bez użycia wibracji. Zauważono m.in., że podczas mieszania i betonowania redukcja płynności i ruchliwości mieszanki z włóknami nie jest aż tak duża, jak wykazała to redukcja w badaniu stożkiem opadowym [9,14]. W przypadku testów dynamicznych pojawiają się inne problemy, m.in. możliwość zbrylania się podczas zagęszczania [1,3,4], owijanie się długich wokół wewnętrznego wibratora dla testu odwróconego stożka [3,11,14], ograniczona możliwość stosowania aparatu do testów Ve-Be w terenie [2], niepoprawne różnice w wynikach testów dla różnego rodzaju [9, 14].

Tabl.1 Przydatność testów urabialności Tabl.1 Usefulness of workability tests Test opadu stożka TESTY JEDNOPUNKTOWE Test Ve-Be Test stożka odwróconego Test rozpływu TESTY DWUPUNKTOWE Test reometryczny Charakterystyka testów Rodzaj mieszanki Betonowa tak tak nie tak tak Fibrobetonowa nieprzydatny tak tak b.i. tak Składowe urabialności Stabilność przydatny nieprzydatny nieprzydatny przydatny nieprzydatny Ciekłość nieprzydatny przydatny przydatny nieprzydatny nieprzydatny Zagęszczalność nieprzydatny przydatny nieprzydatny nieprzydatny nieprzydatny Charakter pomiaru Warunki badania statyczne dynamiczne dynamiczne dynamiczne dynamiczne Płynięcie grawitacyjne przydatny nieprzydatny nieprzydatny przydatny nieprzydatny Płynięcie w warunkach wibracji nieprzydatny przydatny przydatny przydatny nieprzydatny Granica przydatny nieprzydatny nieprzydatny przydatny przydatny Krzywa płynięcia postaciowego płynięcia Lepkość nieprzydatny nieprzydatny nieprzydatny przydatny przydatny plastyczna Oznaczenia: b.i. brak informacji Bardzo nieliczne są wyniki badań wpływu na parametry reologiczne mieszanki. Jest to spowodowane odmiennością zachowania się próbki takiej mieszaki pod obciążeniem. Ogranicza to poważnie możliwości pomiarów reologicznych reometrami stosowanymi do mieszanek zwykłych, ze względu na dużą trudność wywołania prostego ścinania w próbce mieszanki z włóknami, o stosunkowo niskim stosunku W/C [21]. Konieczne są modyfikacje układu zadawania odkształcenia próbki w stosowanych reometrach. Badania przeprowadzone na wiskozymetrze rotacyjnym Mk III (Two-point Workability Apparatus Mk III) dla mieszanek z włóknami stalowymi, dostarczyły jakościowych spostrzeżeń zdolności tego aparatu do pomiarów własności świeżej mieszanki fibrobetonowej (tabl.2) Tabl.2 Zachowanie mieszanki z włóknami stalowymi w aparacie Mk III [3] Tabl.2 Behaviour of steel-fibre-reinforced concretes in the two-point apparatus Mk III Zawartość Rozmiar (obj. %) (mm) 0.5 20 x 0.30 1.0 20 x 0.30 0.5 25 x 0.40 1.0 25 x 0.40 0.5 60 x 0.65 1.0 60 x 0.65 Stosunek W/C 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 Zbyt sztywnemoment obrotowy za wysoki Prawidłowy przebieg pomiaru Zakłócenia - włókna skłębiają się podczas testów

Badania reometrem ROD-1E wykazują niezadowalającą jakość wyników testu reometrycznego [20]. Wskazują także na konieczność modyfikacji testu reometrycznego lub wprowadzenia odmiennych metod pomiaru właściwości reologicznych mieszanek fibrobetonowych. Modyfikacja może obejmować także model reologiczny, jako mogący być odmiennym od przewidywanego przez standardową procedurę testu reometrycznego [21]. 2.2. Czynniki wpływające na urabialność fibrobetonów Obserwowane podczas badań przyczyny niskiej urabialności fibromieszanek w większości stosowanych testów oraz inne towarzyszące zjawiska zostały przedstawione w tabl.3. Na podstawie badań przeprowadzonych testami jednopunktowymi stwierdzono, że urabialność świeżej mieszanki betonowej z włóknami zależy od właściwości i proporcji jej składników [1,3,10,13]. Czynniki, które powodują pogorszenie urabialności kompozytu to: (1) wzrost zawartości żwiru, (2) wzrost zawartości objętościowej, (3) wzrost smukłości (stosunku długości do średnicy) i długości, (4) kształt i typ, (5) obniżenie wskaźnika W/C mieszanki. Parametry w mieszance betonowej mają duży wpływ na pomiar urabialności niezależnie od metody pomiaru [3,12,14]. W przypadku testu reometrycznego przykładowe wyniki badań przedstawiono na rys.1. Rys.1 Wpływ stalowych na parametry g i h (Wiskozymetr rotacyjny Mk III) [21] Fig.1 Effect of steel fibre on g i h (Mk III apparatus) Badano wpływ stalowych, o zróżnicowanej średnicy i długości, na parametry g i h mieszanki o różnym udziale objętościowym, w zależności od stosunku W/C.

Autorzy badane włókna [artykuł] / testy Hughes B.P., Fattuhi N.I. [1] / Testy 1, 2 Tattersall G.H., Banfill P. [3] / Testy 1, 2, 3, 4 Sachan A.K., Kameswara Rao C.V.S. [8] / Testy 1, 2, 3, 5 Al.-Tayyib A.J., wł. polipropylenowe [9] / Testy 1 Komloš K., Babál B. Włókna stalowe [10] / Testy 1, 2, 3, 5 Sorousian, Bayasi Z. [13] / Testy 1, 3 McWhannell G. wł. Polipropylenowe [14] / Testy 1 Johnston C.D. szklane i polipropylenowe [15], Testy 1, 2, 3 Wzrost długości Kształt Tabl.3 Wpływ cech na pogorszenie urabialności Tabl.3 Influence of fibre quality on deterioration workability OBSERWOWANE PODCZAS BADAŃ PRZYCZYNY POGORSZENIA URABIALNOŚCI Wzrost zawartości Wzrost średnicy Zbrylanie tak tak tak nie tak tak tak tak tak Tak dla 60 [mm] b.i. b.i. tak b.i. b.i. b.i. b.i. b.i. b.i. b.i. tak tak tak b.i. b.i. tak nie tak nie tak tak b.i. b.i. b.i. Tak dla 38-50[mm] tak tak tak tak b.i. tak b.i. tak b.i. b.i. Inne informacje Włókna okrągłe wykazują mniejszą urabialność od pofałdowanych, wzrost zawartości piasku (dla zaprawy), zawartości żwiru (dla betonu), spadek średnicy i wskaźnika W/C powodują spadek urabialności. Przy teście opadu stożka włókna zakończone haczykami dają opad zbliżony do uzyskiwanego dla prostych okrągłych, ale przy pomiarze czasu przepływu przez odwrócony stożek, ciekłość kompozytu z tymi włóknami okazuje się większa niż z prostymi i pofałdowanymi. Niezależnie od kształtu, największy wpływ na urabialność ma ich wydłużenie i zawartość. Długie cienkie włókna mają tendencję grupować się razem, krótkie i grube włókna nie zazębiają się i mogą być rozproszone prze wibrator. Wzrost zawartości powoduje wzrost g i h, podczas gdy wydłużenie powoduje wzrost wartości tylko parametru g. Badane włókna 50x0.5 [mm], zaobserwowano podczas testu zagłębiania się 4 kg stożka o kącie wierzchołkowym 30 o jego ewentualną miarę urabialności mieszanek Test penetracji stożka jest swoją prostotą porównywalny do testu stożka opadowego i może być odpowiedni nawet dla mieszanek o niskiej urabialności. Przeprowadzone testy wykazały zgodność wyników z innymi badaniami jednopunktowymi. Opad stożka dla mieszanek z włóknami jest niższy niż dla odpowiednich mieszanek zwykłych. Jednakże, podczas mieszania redukcja płynności i ruchliwości mieszanki z włóknami nie jest aż tak duża, jak wykazała to redukcja w badaniu testem opadu stożka. W/C = 0.50, Zastosowano włókna 40x0.4 i 30x0.4 o różnych kształtach i zawartości wagowej 2-6 %. Wzrost zawartości powoduje spadek płynności mieszanki, wyznaczony głównie przez test opadu stożka i test odwróconego stożka, oraz spadek zagęszczalności, określonej przez test Ve-Be oraz test penetracji sondą stożkową. Na podstawie zaproponowanej metody oceny subiektywnej badanych mieszanek, wpływ rodzaju na urabialność jest bez znaczenia. Mniejsza urabialność dla z większym wydłużeniem. Opad stożka dla pofałdowanych jest nieco wyższy niż dla prostych i haczykowatych. Zjawisko owijania się wokół prętów zbrojenia, zjawisko tiksotropii, wykazanie że pomimo mniejszego opadu stożka, urabialność fibromieszanki jest wyższa. Konieczność lepszego rozprowadzania w mieszance. Włókna stalowe: zalecany test Ve-Be i test odwróconego stożka, przy drugim teście dla długich włóknach problem z płynięciem przez stożek. Włókna szklane i polipropylenowe: zalecany test Ve-Be i test odwróconego stożka, przy drugim teście problem z owijaniem długich 57 i 64 [mm] wokół wibratora. Test opadu stożka 1, Test Ve-Be 2, Test stożka odwróconego 3, Test reometryczny 4, Test penetracji sondą stożkową 5 ; b.i. brak informacji

Z przedstawionych wykresów wynika, że wpływ udziału objętościowego włókna stalowego w mieszance na jej g jest mniejszy niż wpływ długości. Wzrost W/C powoduje bardzo szybki spadek wartości tego parametru, bez względu na udział i długość włókna w mieszance. W przypadku parametru h, jego wartość zależy głównie od udziału włókna w mieszance i rośnie z jego wzrostem. Wpływ długości jest relatywnie mniejszy. Zmiany W/C wywołują niewielkie i niejednoznaczne zmiany wartości h. Wprowadzenie zróżnicowania kształtu stalowych powoduje, że ich wpływ na parametry g i h jest bardziej złożony. 3. PODSUMOWANIE Zastosowanie do wzmocnienia betonów jest nowym wyzwaniem w badaniu ich urabialności. Stosowane standardowe testy są fizycznie niejednoznaczne a ich nieadekwatność została wykazana w wielu przeprowadzonych badaniach fibromieszanek. Ważne i celowe wydaje się podjęcie badań w kierunku rozpoznania rzeczywistej natury urabialności mieszanek kompozytów o matrycy cementowej zbrojonych włóknami, w ujęciu reologicznym. Umożliwi to bardziej efektywne dobieranie, stosowanie domieszek i dodatków a może nawet modelowanie numeryczne składu matrycy cementowej w tych kompozytach, coraz szerzej stosowanych w praktyce budowlanej. Zastosowanie testu reometrycznego wydaje się być dobrym rozwiązaniem zaistniałych problemów z pomiarem urabialności, ale wymaga to przeprowadzenia badań, uwzględniających różnorodność stosowanych i ich odmienny udział objętościowy w mieszance. Może również zachodzić konieczność poszukiwania nowych testów, adekwatnych do badanych struktur, konieczność identyfikacji reologicznej dobrania zmodyfikowanego modelu, równań reologicznych i parametrów oraz weryfikacji tych testów. Dostosowanie zasad testu reometrycznego do mieszanek fibrobetonowych i ich identyfikacja reologiczna jest przedmiotem badań prowadzonych aktualnie przez autorów na Politechnice Śląskiej. 4. LITERATURA 1. Hughes B.P. and Fattuhi N.I.: The workability of steel-fibre-reinforced concrete, Magazine of Concrete Research: Vol. 28, No. 96: September 1976, s. 157-161. 2. ACI Committee 544: Measurements of Properties of Fiber Reinforced Concrete, Journal of American Concrete Institute: July / 1978, Vol. 75, s. 283-289. 3. Tattersall G.H., Banfill P.F.G.: The Rheology of Fresh Concrete, Pitman, Londyn 1983

4. Jamroży Z.: Beton w włóknem stalowym zastosowany w technice, Mechanika kompozytów betonopodobnych. Prace IPPT PAN. Warszawa 1983. 5. Johnston C.D.: Measures of the Workability of Steel Fiber Reinforced Concrete and Their Precision, Cement, Concrete, and Aggregates 1984, s. 74-83. 6. Jamroży Z.: Drutobeton, Pol. Krakowska, 1985. 7. Szwabowski J.: Urabialność mieszanki betonowej w ujęciu reologicznym, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej z. 65, Gliwice 1987, s. 37. 8. Sachan A.K., Kameswara Rao C.V.S.: A cone penetration test for workability of fibre reinforced concrete, Materials and Structures. 1988, 21, s. 448-452. 9. Al.-Tayyib A.J., Al.-Zahrani M.M., Rasheeduzzafar and G.J. Al.-Sulaimani: Effects of polypropylene fiber reinforcement on the properties of fresh and hardened concrete in the Arabian gulf environment, Cement and Concrete Research, vol. 18, No. 4, 1988. 10. Komloš K., Babál B.: Investigation of rheological properties of steel fibre reinforced concrete mixes, Properties of fresh conrete, Procedings of the RILEM Colloguium, Edited by Wierig H.J., 1990, s. 77-82. 11. Tattersall G.H.: Workability and quality control of concrete, Chapman &Hall, 1991, s. 169-175. 12. Nanni A., Meamarian N.: Distribution and Opening of Fibrillated Polypropylene Fibers in Concrete, Cement & Conrete Composites 3, 1991, s. 107-114. 13. Sorousian and Z. Bayasi, Fiber-type effects on the performance of steel fiber reinforced concrete, ACI Material Journal/March - April 1991, s. 129-134. 14. McWhannell G.: The effects of polypropylene fibres in fresh concrete, Special Conretes: Workability and Mixing, Edited by J.M.Bartos, E & FN Spon., 1993. 15. Johnston C.D.: Comparative measurements of workability of fibre-reinforced concrete usin slump, Ve-Be and inverted cone tests, Special Conretes: Workability and Mixing, Edited by J.M.Bartos, E & FN Spon., 1993. 16. ACI Committee 544: Guide for Specifying, Proportioning, Mixing, Placing, and Finishing Steel Fiber Reinforced Concrete, ACI Materials Journal. Jan.-Feb.1993. 17. Bayasi Z., Zeng J.: Properties of polypropylene fiber reinforced concrete, ACI Material Journal/November - December 1993, s. 605-610. 18. Śliwiński J., Zych T.: Fibrobeton z włóknem polipropylenowym: technologia, właściwości i zastosowanie, Czas. Tech. - Budownictwo / PK.-Z.6, 1995, s. 32-42. 19. Brandt A.M.: Cement-based composites. Materials, mecanical properties and performacne, Chapman & Hall, London 1995. 20. Szwabowski J., Suchoń S.: Temat badawczy: Reologia mieszanki betonowej z włóknami stalowymi, Politechnika Śląska w Gliwicach, 1998. 21. Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999. 22. Śliwiński J.: Beton zwykły projektowanie i podstawowe właściwości, Polski Cement Sp z o.o., Kraków 1999. TESTS AND FACTORS OF FIBERCONCRETE WORKABILITY ANALYSIS (summary) The report presents study methods of workability concrete mixture with different types of fibres. By applying the fibre and concrete mixtures tests, that have been used so far, it shows modification necessity or introduction to different testing methods of its rheological properties. The rheometrical methods are recommended, which allows to define the action of the materials under the pressure in the full bend of molecules.