dr inż. Tomasz Ponikiewski, Katedra Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych, Politechnika Śląska Właściwości reologiczne zapraw i mieszanek betonowych modyfikowanych włóknami polipropylenowymi W artykule 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 (1) podkreślają przydatność normowych testów urabialności m.in. w warunkach budowy, 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 Etap Cel etapów Czynniki zmienne I II Wpływ polipropylenowych na parametry reologiczne ZMWP Wpływ polipropylenowych na parametry reologiczne BMWP Tab. 1. Plan badań czynnikowych 1. Wskaźnik W/C 0,47 0,50 0,53 2. Dawka SP 1; 1,5; 2,0% wagi cementu 3. Zawartość 0,1; 0,2; 0,3% 4. Długość 3; 6; 12 mm 1. Wskaźnik W/C 0,45 0,465 0,48 2. Dawka SP 0,5; 1,0; 1,5% wagi cementu 3. Zawartość 0,1; 0,2; 0,3% 4. Długość 3; 6; 12 mm Zaw. SP / długość [mm] Zaprawa (ZMWP) Zaw. SP/długość Mieszanka betonowa (BMWP) Wskaźnik W/C/zawartość [%] Wskaźnik W/C/zawartość [%] 0,47 0,1 0,50 0,2 0,53 0,3 [mm] 0,45 0,1 0,465 0,2 0,48 0,3 1,0 A α B β C γ 0,5 6 A α B β C γ 1,5 B γ C α A β 1,0 12 B γ C α A β 2,0 C β A γ B α 1,5 19 C β A γ B α Tab. 2. Kwadraty grecko-łacińskie z przyporządkowanymi wartościami dla zapraw (ZMWP) i mieszanek betonowych (BMWP) 24
Słowa kluczowe mieszanka betonowa, właściwości reologiczne, spoiwa cementowe, włókna polipropylenowe Key words mieszanka betonowa, właściwości reologiczne, spoiwa cementowe, włókna polipropylenowe 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. Rys. 1. Procedura pomiarowa Viskomatu NT przy pomiarze właściwości reologicznych ZMWP były mniej miarodajne (2, 4). 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 Binghama i trójparametrowym modelem Hershella-Bulkeya, 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 grecko-łacińskich 3 x 3 PS/RQ-GL. Założenia i metodyka badań Właściwości reologiczne mieszanek na spoiwach cementowych z dodatkiem określono, stosując reometryczny test urabialności (RTU), omówiony szczegółowo w (3). Badania ZMWP przeprowadzono wiskozymetrem rotacyjnym Viskomat NT (rys. 1), natomiast badania BMWP reometrem ROD-1E (fot. 1). Rys. 2. Procedura pomiarowa reometru ROD-1E przy pomiarze właściwości reologicznych BMWP Fot. 3. Reometr ROD-1E: a) cylinder pomiarowy z nową sondą pomiarową, b) cylinder wypełniony BMWP podczas procedury pomiarowej W badaniach przeprowadzono analizę porównawczą modelów charakteryzujących właściwości reologiczne zapraw i mieszanek w celu 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 Binghama. Wyznaczając parametry reologiczne przy pomocy modelu Hershella-Bulkeya (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 deter- www.autostrady.elamed.pl 25
Rys. 3. Przykładowe krzywe płynięcia ZMWP oraz uzyskane parametry reologiczne przy aproksymacji: a) modelem Bingham'a; b) modelem Hershell'a-Bulkey'a Rys. 4. Wartości granicy płynięcia g przy istotności wpływów zawartości SP oraz wskaźnika W/C: a) dla badanych ZMWP, b) dla badanych BMWP minacji r 2 jest dodatkowym argumentem. Przykładowe krzywe płynięcia, aproksymowane dwoma rozpatrywanymi modelami reologicznymi, przedstawiono na rys. 3. W celu przeprowadzenia analizy porównawczej właściwości reologicznych zapraw i mieszanek z dodatkiem wykonano modernizację układu pomiarowego dla mieszanek betonowych. 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 40 cm i maksymalną frakcję kruszywa do 10 mm jako skalę odniesienia między zaprawami i mieszankami betonowymi. Plan szczegółowy eksperymentu Temperatura zarobów w trakcie pomiarów wynosiła 20 ± 2 C. W badaniach zastosowano cement portlandzki drogowy Rys. 5. Wartości lepkości plastycznej h przy istotności wpływów zawartości SP oraz wskaźnika W/C: a) dla badanych ZMWP, b) dla badanych BMWP siarczanoodporny CEM I MSR 42,5. Sposób mieszania składników zaprawy odpowiada PN EN 480-1 z wyjątkiem, które mieszano najpierw z wodą i superplastyfikatorem, a następnie dodawano do piasku i cementu. W odniesieniu do udziału objętościowego w badaniach przyjęto wspólny dla wszystkich rodzajów zakres zmienności w celu 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 polipropylenowych fibrylowanych. Plan badań czynnikowych przedstawia tab. 1. 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 tab. 2. Należy dodać, że wykonanie zapraw z ustalonymi dla mieszanek betonowych niższymi poziomami zmienności wskaźnika W/C i superplastyfikatora było niemożli- 26
Źródło wariancji ANOVA dla: Granicy płynięcia g Lepkości plastycznej h A: Wskaźnik W/C 1184.296 2 592.148 695.13 0.000 468.667 2 234.33 73.57 0.000 B: Zawartość SP 139.185 2 69.593 81.696 0.000 6.889 2 3.444 1.081 0.360 C: Zawartość D: Długość 0.296 2 0.148 0.174 0.842 37.556 2 18.778 5.895 0.011 0.296 2 0.148 0.174 0.842 72.222 2 36.111 11.34 0.001 Błąd resztkowy 15.333 18 0.852 57.333 18 3.185 Tab. 3. Analiza wariancji granicy płynięcia g i lepkości plastycznej h dla ZMWP Źródło wariancji ANOVA dla: Granicy płynięcia g Lepkości plastycznej h A: Wskaźnik W/C 3990.519 2 1995.26 1.7946 0.195 214.889 2 107.44 1.9897 0.166 B: Zawartość SP 896.074 2 448.04 0.4030 0.674 296.222 2 148.11 2.7428 0.091 C: Zawartość D: Długość 1844.963 2 922.48 0.8297 0.452 172.667 2 86.33 1.5988 0.230 1498.963 2 749.48 0.6741 0.522 106.889 2 53.44 0.9897 0.391 Błąd resztkowy 20012.67 18 1111.81 972 18 54 Tab. 4. Analiza wariancji granicy płynięcia g i lepkości plastycznej h dla BMWP Rys. 6. Wartości granicy płynięcia g przy istotności wpływów zawartości oraz wskaźnika W/C: a) dla badanych ZMWP, b) dla badanych BMWP Rys. 7. Wartości lepkości plastycznej h przy istotności wpływów długości oraz wskaźnika W/C: a) dla badanych ZMWP, b) dla badanych BMWP we ze względu na zbyt sztywne zaroby do przeprowadzenia ich analizy reologicznej w Viskomacie NT. Do przeprowadzenia analizy wariancji wpływów poszczególnych czynników wykorzystano plan randomizowany grecko-łacińskich 3 x 3 PS/RQ-GL (plan II rzędu PS/ RQ-II), z dwoma powtórzeniami, opisany w (5). Plan badań metodą grecko-łacińskich oraz analizę wariancji wykonano za pomocą programu STATISTICA. 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 www.autostrady.elamed.pl 27
dwóch pozostałych czynników w przypadku każdej rozpatrywanej zaprawy i mieszanki betonowej. Z tego powodu charakter poznawczy zastosowanej metody grecko-łacińskich ogranicza się do analizy wariancji wpływu rozpatrywanych czynników na parametry reologiczne badanych zapraw (ZMWP) i mieszanek (BMWP), co przedstawiono w tab. 3 i 4. Na podstawie analizy wariancji przy założonym przedziale zmienności rozpatrywanych czynników niezależnych stwierdzono brak istotności wpływu (najwyższa istotność wpływu dla = 0,000) udziału objętościowego badanych oraz ich długości na granicę płynięcia g oraz istotny wpływ długości na lepkość plastyczną h rozpatrywanych ZMWP. W przypadku BMWP wykazano brak wysokiej istotności wpływu udziału objętościowego badanych oraz ich długości na granicę płynięcia g oraz brak istotności wpływu udziału objętościowego badanych oraz ich długości na lepkość plastyczną h. Należy zaznaczyć, że prezentowane na rys. 4-7 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. 4 przedstawiono wartości granicy płynięcia g dla ZMWP oraz BMWP, przy założeniu istotności wpływów zawartości SP oraz wskaźnika W/C oraz ukrytej istotności wpływów długości i zawartości. W przypadku BMWP obserwowany jest wzrost granicy płynięcia wraz ze spadkiem wskaźnika W/C oraz zawartości SP, niezależnie od zawartości i długości. 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. 5 przedstawiono wartości lepkości plastycznych h dla ZMWP oraz BMWP, przy założeniu istotności wpływów zawartości SP oraz wskaźnika W/C oraz ukrytej istotności wpływów długości i zawartości. Obserwujemy odmienne kierunki zmian wartości lepkości plastycznej h przy porównaniu badanych ZMWP oraz BMWP, z czego wynika odmienny wpływ na rozpatrywane mieszanki na spoiwach cementowych. Na rys. 6 przedstawiono wartości granicy płynięcia g dla ZMWP oraz BMWP, przy założeniu istotności wpływów zawartości oraz wskaźnika W/C. W przypadku ZMWP, wraz ze wzrostem zawartości i ukrytym wzrostem zawartości SP, granica płynięcia g maleje, co potwierdza większy wpływ zawartości SP od zawartości 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. Na rys. 7 przedstawiono wartości lepkości plastycznej h dla ZMWP oraz BMWP, przy założeniu istotności wpływów długości 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 = 0,47; długość : 19 mm; zawartość SP: 2% oraz zawartość : 0,3%) oraz dla mieszanki betonowej o charakterystyce (W/C = 0,465; długość 12 mm; zawartość SP: 1% oraz zawartość : 0,2%). Podsumowanie 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 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 na lepkość plastyczną h badanych ZMWP, wyróżniający się wpływ wskaźnika W/C oraz udziału objętościowego na granicę płynięcia g dla badanych mieszanek BMWP, wyróżniający się wpływ zawartości SP na lepkość plastyczną h dla badanych BMWP. q Piśmiennictwo 1. Ponikiewski T., Szwabowski J.: Wpływ geometrii stalowych na wybrane charakterystyki fibrobetonów samozagęszczalnych. Cement Wapno Beton, 75, 1/2008. 2. Ponikiewski, T., Szwabowski, J.: The influence of selected composition factors on the rheological properties of fibre reinforced fresh mortar. Proc. Int. Symp. Brittle Matrix Composites 7, Warsaw 2003. 3. Gołaszewski J.: Reologia zapraw a reologia mieszanek betonowych. Cement Wapno Beton, 73, 1/2006. 4. Ponikiewski T., Cygan G., Kmita T.: Ocena jednorodności rozmieszczenia stalowych w drobnoziarnistym betonie samozagęszczalnym z wykorzystaniem testu L-box. Cement Wapno Beton, 78, 1/2011. 5. Oktaba W.: Metody statystyki matematycznej w doświadczalnictwie. PWN, Warszawa 1980. 28