Jacek KATZER *) Zdzisław PIĄTEK**) Wodoszczelność piaskobetonów modyfikowanych mikrokrzemionką i włóknami stalowymi poddanych cyklom wstępnych obciążeń. 1. Wstęp Badanie wodoszczelności próbek po ich rozformowaniu nie odzwierciedla rzeczywistej wodoszczelności kompozytu betonowego w gotowej konstrukcji. Każda nawet najprostsza konstrukcja pracuje w warunkach obciążenia wielokrotnie pojawiającego się i zanikającego w czasie. Wpływ zmienności obciążeń statycznych w czasie na parametry betonu znany jest od dawna w szczególności jeśli chodzi o jego wytrzymałość na ściskanie [1]. Powyższe fakty skłoniły autorów do przeprowadzenia badań wodoszczelności kompozytów fibropiaskobetonowych modyfikowanych mikrokrzemionką (MK) i włóknami stalowymi (ZB) po różnych cyklach obciążeń. 2. Program i metodyka badań W programie badań przewidziano wykonanie 12 zarobów, po 18 próbek 15*15*15cm każdy, w których zastępowano odpowiednio od 0% do 25% cementu mikrokrzemionką w postaci suchego pyłu z Huty Łaziska oraz dodawano od 0% do 2% zbrojenia rozproszonego produkcji krajowej typu Ekomet szczegółowo opisanego w [2]. Ze względu na fakt, że zarówno obecność mikrokrzemionki jak i zbrojenia rozproszonego z osobna w mieszance betonowej bardzo zagęszcza jej konsystencję wszystkie mieszanki betonowe modyfikowano superplastyfikatorem Betoplast w ilości 1,8%. Badania były prowadzone z zastosowaniem matematycznego planowania eksperymentów. W tym celu wykorzystano plan centralny kompozycyjny bazujący na planie Placketta-Burmana [3,4] opisany w tab.1. Obiekt badań rozpatrzony został jako złożony układ, którego struktura jest nieznana i niedostępna dla obserwatora, natomiast znane są parametry wejścia i wyjścia. Wyniki pomiarów poddane zostały statystycznemu opracowaniu, w którym wartości obarczone błędem grubym oceniono na podstawie kryterium Smirnowa-Grabbsa [5]. W analizie regresyjnej wyników badań wartości błędu odtworzenia określone zostały na podstawie czterokrotnego niezależnego powtórzenia doświadczenia w punkcie nr 9, który znajduje się w środku obszaru zmienności czynników. Obiektywny charakter przeprowadzenia doświadczeń zapewniony został poprzez wybór kolejności realizacji poszczególnych eksperymentów z tablicy liczb losowych. Całość obliczeń związanych z wyznaczaniem współczynników regresji równań oraz graficzną interpretację uzyskanego modelu matematycznego przeprowadzono przy wykorzystaniu programu Statistica. (*) Mgr inż. - Politechnika Koszalińska
(**) Prof. dr hab. inż. - Politechnika Koszalińska Tablica 1. Plan eksperymentu. Numer Czynniki wejścia w ekspery- wartościach kodowych wartościach naturalnych mentu x 1 x 2 MK % ZB % 1-1,00000-1,00000 5,0 0,4 2-1,00000 1,00000 5,0 1,6 3 1,00000-1,00000 20,0 0,4 4 1,00000 1,00000 20,0 1,6 5-1,68179 0,00000 0,0 1,0 6 1,68179 0,00000 25,0 1,0 7 0,00000-1,68179 12,5 0,0 8 0,00000 1,68179 12,5 2,0 9,10,11,12 0,00000 0,00000 12,5 1,0 Opierając się na wynikach badań opisanych w [1] próbki z każdego zarobu podzielono na trzy niezależne grupy, które poddano wstępnemu obciążeniu - każda grupa według innego cyklu. Cykl pierwszy to ośmiokrotne obciążenie do momentu wywołania naprężeń stanowiących 45% naprężeń niszczących i odciążenie próbek. Próbki obciążano siłą wzrastającą równomiernie i odpowiadającą prędkości przyrostu naprężeń 0,5 +/- 0,1 MPa/s. Uzyskana w tych warunkach częstotliwość pulsacji wynosiła 1/35 Hz. Przebieg pierwszego cyklu obciążania przedstawiono na rys.1. Cykl drugi to jednokrotne obciążenie próbek do momentu wywołania naprężeń stanowiących 90% naprężeń niszczących i odciążenie próbek. Przebieg drugiego cyklu obciążania przedstawiono na rys.2. Cykl trzeci to cykl porównawczy, czyli brak wstępnego obciążania próbek. 20 16 12 MPa 8 4 0 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 Czas t w sekundach Rys.1. Cykl obciążeń nr 1 dla zarobu nr 4 - ośmiokrotne obciążenie i odciążenie próbek.
40 35 30 25 MPa 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Czas t w sekundach Rys.2. Cykl obciążeń nr 2 dla zarobu nr 4 - jednokrotne obciążenie próbek. Próbki po cyklu obciążeń były poddane badaniu wodoszczelności. Wodoszczelność piaskobetonu badano na urządzeniu skonstruowanym w ITB szczegółowo opisanym w [6,7]. Badania prowadzono pod stałym ciśnieniem 1,2 MPa w ciągu 72 godzin. Po tym czasie próbki rozłupywano i mierzono głębokość wniknięcia wody. Wyniki przedstawiono za pomocą współczynnika prędkości przepływu k V [8,9] obliczonego według zależności (1): k V x max 2 h t i i, (1) gdzie: x max - maksymalna głębokość penetracji wody w metrach, h i - ciśnienie wody w metrach H 2 O, t i - czas trwania ciśnienia h i w sekundach. Wyrażenie wodoszczelności za pomocą współczynnika k V pozwala na porównywanie wodoszczelności próbek, przez które w trakcie badania przesączyła się woda i tych, które pozostały do końca badania szczelne. Można również porównać wodoszczelność próbek badanych w różny sposób. W tab.2. zestawiono wodoszczelność wyrażoną za pomocą normowych stopni wodoszczelności (od W2 do W12), za pomocą hipotetycznych stopni wodoszczelności wyznaczonych zgodnie z metodą normową (od W14 do W50) oraz wodoszczelność wyrażoną za pomocą współczynnika k V. Tabela nr 2 pozwala na szybkie przeliczenie wodoszczelności wyrażonej za pomocą współczynnika k V na stopnie wodoszczelności.i tak na przykład współczynnik k V = 150, 200, 250 i 300 *10-12 m/s odpowiada hipotetycznym stopniom wodoszczelności W18, W16, W14 i W12.
Tablica 2. Tablica przeliczeniowa stopni wodoszczelności wyznaczonych według reguły podanej w normie Beton zwykły na współczynnik przepływu k V Stopień h i t i gdzie h i t i [m s] k V 10-12 [m/s] wodoszczelności t i = 86400 [s] W2 ciśnienie 0,2 MPa 1 728 000 1 728 000 6510,4166 W4 ciśnienie 0,4 MPa 3 456 000 5 184 000 2170,1383 W6 ciśnienie 0,6 MPa 5 184 000 10 968 000 1085,0694 W8 ciśnienie 0,8 MPa 6 912 000 17 280 000 651,0416 W10 ciśnienie 1,0 MPa 8 640 000 25 920 000 434,0277 W12 ciśnienie 1,2 MPa 10 368 000 36 288 000 310,0198 W14 ciśnienie 1,4 MPa 12 096 000 48 384 000 232,5148 W16 ciśnienie 1,6 MPa 13 824 000 62 208 000 180,8449 W18 ciśnienie 1,8 MPa 15 552 000 77 760 000 144,6759 W20 ciśnienie 2,0 MPa 17 280 000 95 040 000 118,3712 W22 ciśnienie 2,2 MPa 19 008 000 114 048 000 98,6426 W24 ciśnienie 2,4 MPa 20 736 000 134 784 000 83,4668 W26 ciśnienie 2,6 MPa 22 464 000 157 248 000 71,5430 W28 ciśnienie 2,8 MPa 24 192 000 181 440 000 62,0039 W30 ciśnienie 3,0 MPa 25 920 000 207 360 000 54,2534 W32 ciśnienie 3,2 MPa 27 648 000 235 008 000 47,8707 W34 ciśnienie 3,4 MPa 29 376 000 264 384 000 42,5517 W36 ciśnienie 3,6 MPa 31 104 000 295 488 000 38,0726 W38 ciśnienie 3,8 MPa 32 832 000 328 320 000 34,2653 W40 ciśnienie 4,0 MPa 34 560 000 362 880 000 31,0019 W42 ciśnienie 4,2 MPa 36 288 000 399 168 000 28,1836 W44 ciśnienie 4,4 MPa 38 016 000 437 184 000 25,7328 W46 ciśnienie 4,6 MPa 39 744 000 476 928 000 23,5884 W48 ciśnienie 4,8 MPa 41 472 000 518 400 000 21,7013 W50 ciśnienie 5,0 MPa 43 200 000 561 600 000 20,0320 3. Uzyskane wyniki Na rys.3. przedstawiono wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych poddanych cyklowi obciążeń wstępnych nr 1. Wodoszczelność omawianych kompozytów rośnie tak ze względu na dodatek MK jak i ZB. Przyrosty szczelności są w obu kierunkach równomierne i bardzo zbliżone do zależności liniowej. Zarób porównawczy ma k V = 340 *10-12 m/s a najbardziej szczelny o maksymalnych dodatkach MK i ZB k V = 120*10-12 m/s. Równanie (2) opisuje powierzchnię zobrazowaną na rys.3. 2 2 k 341, 635 8, 651x 0, 058x 51, 088y 9, 412y 1821, xy V 45 (2) Na rys.4. przedstawiono wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych poddanych cyklowi obciążeń wstępnych nr 2. Wodoszczelność rośnie przede wszystkim ze względu na rosnący dodatek ZB. Dodatek MK wpływa na poprawienie wodoszczelności omawianych kompozytów, ale jego
znaczenie jest w tym przypadku bardzo ograniczone. Zarób niemodyfikowany ma k V =3985 10-12 m/s, a zarób o maksymalnym dodatku MK i ZB k V =680 10-12 m/s 2,0 1,5 150,000 200,000 250,000 300,000 350,000 abov e Dodatek ZB w % 1,0 0,5 0,0 0 5 10 15 20 25 Dodatek MK w % Rys.3. Wodoszczelność kompozytu piaskobetonowego k V 10-12 m/s po wstępnym obciążeniu wg rys. 1. w zależności od dodatku MK i ZB. 2,0 1,5 Dodatek ZB w % 1,0 0,5 0,0 0 5 10 15 20 25 Dodatek MK w % 1500,000 2000,000 2500,000 3000,000 3500,000 4000,000 abov e Rys.4. Wodoszczelność kompozytu piaskobetonowego k V 10-12 m/s po wstępnym obciążeniu wg rys. 2. w zależności od dodatku MK i ZB.
2 2 k 3985121, 39, 678x 0, 812x 1542, 159y 102, 607y 2, 944xy (3) V 90 Na rys.5. przedstawiono wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych nie poddanych żadnym obciążeniom wstępnym. Wodoszczelność betonu bez dodatków wyrażona za pomocą współczynnika k V wynosi 230 10-12 m/s. Modyfikacja piaskobetonu samym zbrojeniem rozproszonym pozwoliła uzyskać szczelność rzędu 103 10-12 m/s. Modyfikacja zarobu tylko i wyłącznie mikrokrzemionką pozwoliła osiągnąć wielkość 39*10-12 m/s. Na rys.5. wyraźnie widać, że dodatek zbrojenia pogarsza szczelność osiągniętą dzięki mikrokrzemionce gdy jej ilość nie przekracza 10%. Przy zwiększaniu ilości mikrokrzemionki szczelność kompozytu piaskobetonowego zwiększa się szczególnie w zarobach o dużej zawartości zbrojenia. Przy dodatku mikrokrzemionki większym od 15% wszystkie zaroby wykazują bardzo dużą szczelność, która stabilizuje się na poziomie 25-23*10-12 m/s. 2,0 1,5 Dodatek ZB w % 1,0 0,5 0,0 0 5 10 15 20 25 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 above Dodatek MK w % Rys.5. Wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych nie poddanych wstępnym obciążeniu k V 10-12 m/s w zależności od dodatku mikrokrzemionki MK i zbrojenia rozproszonego ZB 4. Omówienie wyników Wodoszczelność kompozytów fibropiaskobetonowych nie poddanych żadnym obciążeniom wstępnym kształtuje się na poziomie od k V =23 do 230 10-12 m/s. Kompozyty poddane cylkowi obciążeń wstępnych nr 1 charakteryzują się wodoszczelnością od k V =120 do 340 10-12 m/s, a kompozyty obciążone według cyklu obciążeń wstępnych nr 2 od k V =680 do 3985 10-12 m/s. Jeżeli przyjmiemy wodoszczelność kompozytów nieobciążonych za punkt odniesienia to stosunek wodoszczelność piaskobetonu niemodyfikowanego nieobciążonego, obciążonego cyklem obciążeń nr 1 i nr 2 wynosi 1:5:29. Podobny stosunek dla kompozytu modyfikowanego maksymalnym dodatkiem MK i ZB to 1:1,5:17. Z
powyższych proporcji widać wyraźnie jak duży wpływ na wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych ma dodatek włókien stalowych oraz rodzaj obciążenia wstępnego. Wraz ze wzrostem obciążenia wstępnego coraz większy wpływa na utrzymywanie przez kompozyt piaskobetonowy szczelności ma wielkość dodatku włókien stalowych. Dodatek mikrokrzemionki tak bardzo uszczelniający strukturę betonów nie poddanych obciążeniom wstępnym traci swoje pierwszoplanowe znaczenie wraz ze wzrastającym obciążeniem. Na rys.5 wyraźnie widzimy, że wodoszczelność piaskobetonów zależy przede wszystkim od dodatku MK. Na rys.3. po wstępnym obciążeniu wywołującym 45% naprężeń niszczących wodoszczelność w porównywalnym stopniu zależy od wielkości dodatku MK i ZB. Przy obciążeniu wywołującym 90% naprężeń niszczących wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych zależy już w decydującym stopniu od wielkości dodatku ZB. Beton pracujący w konstrukcji najczęściej przenosi obciążenia wywołujące w przybliżeniu połowę naprężeń niszczących i w pewnym zakresie zmieniających się w czasie. Z tego względu dla zastosowań inżynierskich najważniejsza jest wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych poddanych cyklowi obciążeń wstępnych nr 1. W takim wypadku wodoszczelność kompozytu piaskobetonowego modyfikowanego samą mikrokrzemionką badana w sposób tradycyjny spełniłaby z nawiązką wszelkie wymogi normowe. Ten sam beton poddany cyklowi obciążeń nr 1 traci około 80% swojej pierwotnej wodoszczelności i w rezultacie przestaje spełniać pierwotne wymogi wodoszczelnościowe. Niska wodoszczelność betonu negatywnie wpływa na jego techniczną żywotność, trwałość oraz odporność na działanie czynników atmosferycznych, co ma decydujący wpływ na jego inżynierską przydatność. Przeprowadzone przez autorów badania dowodzą, że dodatek włókien stalowych oprócz poprawy cech wytrzymałościowych kompozytów piaskobetonowych [6,10,11] pozwala na utrzymanie przez omawiane kompozyty stosunkowo wysokiej wodoszczelności po cyklu obciążeń wstępnych, co ma bardzo duże znaczenie dla przyszłych zastosowań kompozytów piaskobetonowych modyfikowanych MK i ZB w szeroko rozumianej praktyce. Przeprowadzone badania pozwalają stwierdzić że: 5. Wnioski 1. Poddanie próbek cyklom obciążeń wstępnych ma duży wpływ na ich późniejszą wodoszczelność. 2. Wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych nieobciążonych zależy w decydującym stopniu od dodatku MK. 3. Wodoszczelność kompozytów piaskobetonowych poddanych wstępnym obciążeniom zależy w decydującym stopniu od dodatku ZB. 4. Współczynnik k V pozwala na pomiar wodoszczelności zarówno kompozytów nisko- jak i wyskowodoszczelnych. 5. Wodoszczelność zbadana na próbkach wstępnie nieobciążonych nie pozwala na jakiekolwiek wnioskowanie na temat wodoszczelności próbek poddanych obciążeniu wstępnemu. 6. Dodatek włókien stalowych pozwala na utrzymanie przez kompozyt piaskobetonowy poddany wstępnemu obciążeniu stosunkowo wysokiej wodoszczelności.
Literatura [1] Lenkiewicz W., Pidek W., Wytrzymałość betonu na ściskanie w elementach debiutujących, XVI Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii PAN i Komitetu Nauki PZITB - Krynica 1970 [2] Katzer J.: Krajowe włókna stalowe uszlachetniające beton, Warstwy 4/97 [3] Piasta Z., Rusin Z., Piasta J., Przykłady wykorzystania planów drugiego rzędu w badaniach doświadczalnych z zakresu technologii betonu, Archiwum Inzynierii Lądowej - Tom XXXII Z. 2/1986 [4] Świtoński A., Kształtowanie struktury i wytrzymałości betonu, WSInż w Opolu, Studia i Monografie z.68, 1993 [5] Smirnow N.W., Dunin-Barkowski I.W., Krótki kurs statystyki matematycznej dla zastosowań technicznych, PWN, Warszawa 1966. [6] Piątek Z., Katzer J., Wodoszczelność piaskobetonów modyfikowanych mikrokrzemionką i zbrojeniem rozproszonym, II Konferencja Naukowo-Techniczna MATBUD 98, Kraków-Mogilany 1998 [7] Macieik L., Katzer J., Mikrokrzemionka jako dodatek do szczelnych betonów, Materiały Budowlane 11/95 [8] Śliwiński J., Fiertak M., Współczynnik filtracji w badaniach betonów cementowych, Cement Wapno Gips 3/92 [9] Śliwiński J.,Witek K.: Metody oceny parametrów charakteryzujących wodoszczelność betonu, Inżynieria i Budownictwo 10/94 [10] Piątek Z., Katzer J., Rozpoznanie możliwości wykonania piaskobetonów specjalnych na bazie piasku odpadowego, mikrokrzemionki i zbrojenia rozproszonego, XVI Konferencja Naukowo- Techniczna Jadwisin 98 [11] Katzer J.: Szczelny beton z dodatkiem mikrokrzemionki modyfikowany superplastyfikatorem, Materiały Budowlane 11/96 [12] Kledyński Z., Badania wodoszczelności betonu w świetle teorii nasycania ciał kapilarnoporowatych, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej 12/92 The recognition of the opportunities to produce special concretes based on waste fine aggregate, microsilica and steel fibre. Summary This lecture describes the research on concrete based on fine aggregate modified by microsilica and steel fibres. The authors modified concrete by exchanging from 0 to 25% of cement for the microsilica and adding from 0 to 2 % of steel fibres. The received results of the research on the consistence, compression strength, tensile strength and waterproofness are presented on charts number 1,2,3,4. The authors managed to improve considerably compression strength and waterproofness of the examined concrete mixes. The biggest problem during the research constituted the workability of concrete mixes which remains without any relation with the consistence. For the most optimum concrete mixes the authors of this lecture consider the ones which contain from 15 to 20% of microsilica and from 1 to 1,5% of steel fibre.