dr inż. Tomasz Ponikiewski, Katedra Procesów Budowlanych, Politechnika Śląska Związki samozagęszczalności i wytrzymałości fibrobetonu w aspekcie zmiennych czynników technologicznych Analizowanie związków samozagęszczalności i wytrzymałości fibrobetonu w aspekcie zmiennych czynników technologicznych jest jedną z nowych tendencji w badaniach betonów. Technologia betonu samozagęszczalnego pozwala na kształtowanie struktury obiektów inżynierskich w szybszy i bezpieczniejszy sposób niż w przypadku zastosowania betonu o tradycyjnych właściwościach. Zabiegi technologiczne formowania elementów betonowych z betonu samozagęszczalnego są znacznie uproszczone, a efekty końcowe pozwalają na eksponowanie struktur stwardniałego betonu w szerszym zakresie. Problem nierównomiernego rozmieszczenia włókien w objętości stwardniałego betonu po przeprowadzonych technologicznych procesach betonowania był już sygnalizowany. Problemem wynikającym z zastosowania mieszanek na spoiwach cementowych modyfikowanych włóknami jest konieczność zapewnienia równomiernego rozłożenia włókien w objętości formowanego elementu. W dotychczasowych badaniach wykazywano wpływ wymiarów wytwarzanego elementu na ukierunkowanie włókien zawartych w mieszance betonowej. Nierównomierne i kierunkowe rozmieszczanie się zbrojenia rozproszonego w trak- cie zabiegów technologicznych przynosi pewne problemy, związane z losowością dystrybucji włókien w objętości betonu. Ogólna tendencja poprawy charakterystyk stwardniałego betonu wraz ze wzrostem zawartości włókien w jego objętości powoduje pogarszanie urabialności tychże mieszanek w trakcie ich formowania. Analiza wzajemnie wykluczających się czynników zachodzących w wyniku dodania włókien stalowych i polipropylenowych do mieszanki samozagęszczalnej, czyli pogarszanie urabialności, czy utrata cech samozagęszczalności oraz poprawa wytrzymałości na ściskanie tych betonów są omawiane w niniejszym artykule. O efektywności stosowania zbrojenia rozproszonego niech świadczy tab. 1, przedstawiająca wybrane zastosowania betonów modyfikowanych włóknami stalowymi. 24
Summary The problem of even distribution of fibres in a whole formed piece always occurs with application of concrete mixes modified by fibres. Analysis of the impact this randomness has on workability and strength parameters of concrete is one of the present trends in investigation of normal and self-compacting concretes. In this paper an analysis is presented which deals with cross-sections of concrete beams in which steel fibres were applied. Aktualny stan wiedzy Elementy z włókien coraz śmielej wkraczają w światowe budownictwo. Najnowsze kompozyty fibrobetonowe, wykonane na bazie mieszanki samozagęszczalnej, często charakteryzujące się bardzo dużą zawartością włókien (do około 15%), znajdują coraz szersze zastosowanie i coraz częściej stosuje się je jako podstawowy materiał konstrukcyjny w budownictwie zamiast zwykłego betonu. Nowo- czesne techniki, takie jak konstrukcje stalowo-fibrobetonowe, betony zbrojone matami z włókien stalowych czy zbrojenie hybrydowe (prętowo-włóknowe) konstrukcji betonowych, stwarzają bardzo szerokie możliwości stosowania samozagęszczalnych fibrobetonów (4), przy wykazywanych problemach technologicznych (3). Elementy z dodatkiem włókien stalowych i polipropylenowych odpowiadają najważniejszym wymaganiom, które będą decydowały o rozwoju budownictwa w XXI wieku, a którymi są (3): wysoka wytrzymałość i trwałość, spełnienie warunków ekologicznych przez wykorzystywanie surowców wtórnych, walory ekonomiczne w ogólnym znaczeniu, tzn. wraz z kosztami eksploatacji. Liczba zmian korzystnie wpływających na właściwości kompozytów z dodatkiem włókien jest obszerna (rys. 1) w porównaniu z ich wadami, których obecność można obecnie zredukować, ale tylko w pewnym zakresie. Z punktu widzenia technologii robót budowlanych problemy zastosowania fibrobetonów są związane z następującymi czynnikami technologicznymi: www.autostrady.elamed.pl 25
Element konstrukcyjny lub rodzaj konstrukcji zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie zwiększenie trwałości Poprawa następujących właściwości zwiększenie odporności na działanie wody i mrozu ograniczenie wymiarów przekroju elementu ograniczenie szerokości rys rury betonowe tak tak tak tak tak ściany oporowe nie tak nie nie tak fasady i elewacje tak w o z* nie tak tak schody prefabrykowane w o z w o z tak tak tak prefabrykowane słupy tak tak tak tak tak płyty lotnisk tak w o z tak w o z tak stabilizacja zboczy tak tak tak tak tak posadzki przemysłowe tak w o z tak tak tak elementy obc. punktowo tak tak nie w o z tak fundamenty maszyn w o z tak nie nie tak pale wbijane w o z tak nie nie w o z komory reaktorów nie tak tak nie tak konstrukcje łupinowe tak w o z w o z tak tak szalunki tracone tak nie nie tak tak tunelowe kon. torkretowe tak tak nie tak tak belki wstępnie sprężone w o z nie nie w o z tak zabezpieczenie osuwisk tak tak tak w o z w o z nawierzchnie drogowe tak tak tak tak tak sejfy bankowe nie tak nie tak w o z górnicze tubingi tak w o z w o z tak tak słupy stalowo-betonowe tak nie nie nie tak zbiorniki tak tak nie tak tak falochrony tak tak tak w o z w o z *w o z w ograniczonym zakresie Tab. 1. Wybrane zastosowania betonów modyfikowanych włóknami stalowymi Rys. 1. Umowny schemat zalet zastosowania fibrobetonu zamiast betonu zwykłego utrudnioną pompowalnością mieszanki ze zbrojeniem rozproszonym, niejednorodnością rozmieszczenia włókien w matrycy betonowej, nadmierną koncentracją włókien w miejscach zbrojenia konstrukcyjnego podczas formowania konstrukcji, utratą własności samozagęszczalności w mieszankach SCC modyfikowanych zbrojeniem rozproszonym, nadmiernym wzrostem zawartości powietrza, wynikającym z konieczności wydłużania procesu formowania. W związku z powyższym zachodzi konieczność dalszego weryfikowania i optymalizacji doboru zbrojenia rozproszonego w aspekcie zmiennych czynników technologicznych. Założenia i metodyka badań Najważniejszym dodatkiem samozagęszczalnych mieszanek betonowych, wykorzystywanych do badań urabialności i wytrzymałości na ściskanie, są włókna stalowe i polipropylenowe. Ponieważ są one jedynym zmiennym składnikiem w samozagęszczalnych mieszankach, przy ich wyborze kierowano się różnorodnością kształtu i długości. Dobrano je tak, aby ich geometria, kształt i procentowa zawartość w mieszance różniły się między sobą i nie odbiegały od zastosowań włókien w praktyce (tab. 2). Zmiennymi w badaniach są dwa parametry związane z zastosowanymi do badań włóknami: rodzaj wykorzystywanych włókien: włókna stalowe 4 poziomy, włókna polipropylenowe (PP) 3 poziomy, udział objętościowy włókien: włókna stalowe 4 poziomy (0,5; 1,0; 1,5 i 2,0% objętości betonu), włókna polipropylenowe 3 poziomy (0,1; 0,2 i 0,3% objętości betonu). Uzyskano doświadczalny skład samozagęszczalnej mieszanki betonowej (tab. 3) o niskiej skłonności do segregacji i sedymentacji. Wzorcowa mieszanka ( świadek ) charakteryzowała się rozpływem R = 700 mm oraz czasem rozpływu T50 = 6 sekund, spełniającym własności samozagęszczalności. W badaniach modyfikowano ją dodatkiem włókien, nie korygując przy tym składu mieszanki. Udział objętościowy zastosowanych w badaniach włókien stalowych odpowiadał zawartości 39,25-78,50-117,75-157,00 kg/m 3, w przypadku włókien polipropylenowych odpowiadał zawartości 0,9-1,8-2,7 kg/m 3. Ilość zbrojenia rozproszonego dobierano zgodnie z zaleceniami technicznymi. 26
Rys. 2. Wpływ rodzaju i zawartości włókien stalowych i PP na czas rozpływu T50 Rys. 3. Wpływ rodzaju i zawartości włókien stalowych i PP na średnicę rozpływu R Analiza wyników urabialności samozagęszczalnej mieszanki fibrobetonowej Urabialność mieszanek betonu samozagęszczalnego modyfikowanych włóknami stalowymi i polipropylenowymi badano za pomocą jednopunktowego testu rozpływu. Na podstawie badań wstępnych, określających zależność pomiędzy czasem i średnicą rozpływu, ustalono przybliżoną granicę samozagęszczalności dla badanych mieszanek z dodatkiem włókien, wg założenia: czas rozpływu T50 = maks. 9 sekund oraz średnica rozpływu R = min 600 mm. Przeprowadzone badania wykazały wpływ włókien na czas i średnicę rozpływu. Czas wzrasta, a średnica maleje wraz ze wzrostem ich zawartości w mieszance. Rys. 2 przedstawia zmianę czasu rozpływu T50 wraz ze wzrostem zawartości włókien stalowych i polipropylenowych dla rozpatrywanych zmiennych przedziałów udziału objętościowego rodzaju włókien. Dodatek zbrojenia rozproszonego ma duży wpływ na urabialność mieszanki, zmniejsza się ona wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien (rys. 2). Obserwowana jest również tendencja pogarszania się urabialności wraz ze wzrostem długości włókien zarówno stalowych, jak i polipropylenowych. Można także zauważyć, że im smukłość zastosowanych włókien jest mniejsza, tym mniejszy jest czas rozpływu, co jest szczególnie widoczne przy większych udziałach objętościowych włókien w mieszance. Zmierzono także ostateczną średnicę R, do której rozpłynęła się modyfikowana zbrojeniem rozproszonym mieszanka. Przeprowadzone badania wykazały wpływ włókien na czas i średnicę rozpływu. Czas wzrasta, a średnica maleje wraz ze wzrostem zawartości włókien w mieszance. Na rys. 3 przedstawiono zmianę średnicy rozpływu R wraz ze wzrostem zawartości włókien stalowych i polipropylenowych. Dodatek zbrojenia rozproszonego ma duży wpływ na urabialność mieszanki. Średnica rozpływu mieszanki fibrobetonowej zmniejsza się wraz ze wzrostem smukłości i udziału objętościowego włókien stalowych oraz PP. Kształt włókien stalowych, których smukłość jest zbliżona, nie odgrywa istotnej roli w zmianie średnicy rozpływu, natomiast spadek smukłości włókien powoduje wzrost średnicy rozpływu, co wiąże się z polepszeniem urabialności. Warunkiem zapewnienia samozagęszczalności badanym mieszanką jest zmodyfikowanie składu poprzez zwiększenie wskaźnika wypełnienia kruszywa zaczynem lub zastosowanie kruszywa o większym uziarnieniu niż te, którego użyto w badaniach. Analizując warunek samozagęszczalności jako optymalny udział objętościowy włókien stalowych w badanych mieszankach należy uznać 1,0%. Do takiej zawartości włókien i przy stałym składzie badane mieszanki były samozagęszczalne. W przypadku włókien PP wzrost długości włókien powoduje zmniej- www.autostrady.elamed.pl 27
szanie rozpływu mieszanek, czyli pogorszenie urabialności. Z punktu widzenia urabialności optymalne jest stosowanie włókien fibrylowanych o długości 6 mm, przy udziale objętościowym do 0,2%. Badania wykazały, że nie jest praktyczne stosowanie włókien ciętych o długości 12 i 19 mm. Analiza wyników wytrzymałości na ściskanie fibrobetonów Modyfikowanie mieszanki betonowej włóknami stalowymi pozwala na polepszenie większości parametrów stwardniałego kompozytu. Analizując wykres przedstawiony na rys. 4, obserwujemy wzrost wytrzymałości wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien stalowych. W przypadku włókien PP wraz ze wzrostem udziału objętościowego w mieszance następuje minimalny wzrost wytrzymałości lub niewielki spadek w zależności od rodzaju użytych w badaniach włókien. Mając na uwadze wzrost wytrzymałości na ściskanie, optymalne jest stosowanie włókien stalowych przy ich zawartościach do 1,5%. Wyższe udziały objętościowe włókien nie wpływają w znaczący sposób na wytrzymałość na ściskanie. Przedstawione wyniki badań betonów samozagęszczalnych modyfikowanych zbrojeniem rozproszonym wykazują wpływ tego dodatku na pogarszanie się urabialności świeżej mieszanki i wzrost wytrzymałości na ściskanie stwardniałych fibrobetonów. Z punktu widzenia zachowania samozagęszczalności mieszanek z włóknami stalowymi zawartość 2,0-procentowa w matrycy wydaje się optymalna, ale nie w przypadku dodawania wszystkich rozpatrywanych włókien. Wraz ze spadkiem udziału objętościowego włókien w matrycy wzrasta ilość możliwych do zastosowania włókien stalowych z jednoczesnym zapewnieniem samozagęszczalności, lecz przy mniejszym prawdopodobieństwie poprawy wytrzymałości na ściskanie. Podobnie jest w przypadku stosowania włókien polipropylenowych. Kryterium samozagęszczalności spełniane jest zawsze przy niskich zawartościach włókien w mieszance, natomiast im ich więcej, tym pogarsza się urabialność. Należy tutaj dodać, że włókna polipropylenowe, które spełniają warunek samozagęszczalności, nie podwyższają jednocześnie wytrzymałości na ściskanie. W niniejszej pracy zaprezentowano badania wpływu włókien polipropylenowych i stalowych o zróżnicowanych parametrach geometrycznych w celu określenia wpływu ich udziału objętościowego oraz kształtu na urabialność i wytrzymałość na ściskanie betonów samozagęszczalnych. Tendencja do poprawy charakterystyk stwardniałego betonu samozagęszczalnego wraz ze wzrostem zawartości zbrojenia rozproszonego w jego objętości powoduje pogarszanie urabialności tychże mieszanek w trakcie formowania (5). Oprócz lekkiego wzrostu wytrzymałości na ściskanie beton modyfikowany włóknami, w stosunku do betonu bez ich zawartości, ma inne główne zalety, takie jak: zwiększona wytrzymałość na zginanie, zwiększona odporność dynamiczna, podwyższona odkształcalność graniczna, zanik występowania szerokich rys. Jak każdy materiał budowlany, także beton modyfikowany zbrojeniem rozproszonym ma również wady. Na podstawie przeprowadzonych badań można zaproponować pewne rozwiązania ograniczające problemy zastosowania fibrobetonów. Podsumowanie Przedstawione wyniki badań BSZ modyfikowanych zbrojeniem rozproszonym wykazują wpływ tego dodatku na pogarszanie się urabialności świeżej mieszanki i wzrost wytrzymałości na ściskanie stwardniałych fibrobetonów. Z punktu widzenia zachowania samozagęszczalności mieszanek z włóknami stalowymi zawartość 2,0-procentowa w matrycy wydaje się optymalna, ale nie w przypadku dodawania wszystkich rozpatrywanych włókien. Wraz ze spadkiem udziału objętościowego włókien w matrycy wzrasta ilość możliwych do zastosowania włókien stalowych, z jednoczesnym zapewnieniem samozagęszczalności, lecz przy mniejszym prawdopodobieństwie poprawy wytrzymałości na ściskanie. Podobnie jest w przypadku stosowaniu włókien PP. Kryterium samozagęszczalności spełniane jest zawsze przy niskich zawartościach włókien w mieszance, natomiast im ich więcej, tym pogarsza się urabialność. Należy tutaj dodać, że włókna PP, które spełniają warunek samozagęszczalności, nie podwyższają jednocześnie wytrzymałości na ściskanie. Nie można jednoznacznie określić czynnika charakteryzującego włókna, który ma największy wpływ na pogorszenie urabialności mieszanki. Można jedynie podać optymalne wymiary włókien stalowych, dla których występuje znikome pogorszenie urabialności długość do 35 mm, smukłość do 50 mm. W badaniach przy każdym rozpatrywanym udziale objętościowym najlepszym czasem T50 i średnicą rozpływu charakteryzowały się mieszanki z włóknem falistym Steelcrete 0,8 x 35. Kształt włókien stalowych, których smukłość jest zbliżona, nie odgrywa istotnej roli w zmianie urabialności. W badaniach włókien o zbliżonej smukłości, charakteryzowały się podobnym czasem T50 i średnicą rozpływu przy każdym udziale objętościowym. Zapewnienie warunku samozagęszczalności (przyjęto kryterium: T50 = maks. 9 s, R = min. 600 mm), mieszanką, które nie osiągnęły założonej granicy rozpływu, wymaga korekty ich składu, poprzez zwiększenie dawki SP, zwiększenie wskaźnika wypełnienia kruszywa zaczynem lub też zastosowanie kruszywa o uziarnieniu 0-16 mm. q Piśmiennictwo 1. Brandt A.M.: Zastosowanie włókien jako uzbrojenia w elementach betonowych. Konferencja Beton na progu nowego Milenium, Kraków, 9-10.11.2000 r. 2. Drynda D.: Wpływ parametrów geometrycznych zbrojenia rozproszonego na właściwości świeżego i stwardniałego betonu samozagęszczalnego. Rozprawa magisterska, promotor: dr inż. Tomasz Ponikiewski, Gliwice 2006. 3. Grünwald S.: Performance-based design of self-compacting fibre reinforced concrete. Technische Universiteit, Delft, 2004. 4. Katzer J.: Zastosowanie inżynierskie fibrobetonów. Warstwy, nr 1/2001. 5. Katzer J.: Włókna stalowe stosowane do modyfikacji betonu. Warstwy, VII-IX 2003. 6. Ponikiewski T.: Wpływ włókien na samozagęszczalność mieszanki betonowej. VIII Sympozjum Naukowo-Techniczne Reologia w Technologii Betonu, Gliwice 2006. 7. Ponikiewski T.: Badania losowości dystrybucji włókien w mieszankach na spoiwach cementowych. IX Seminarium reologiczne, Gliwice 2007. 28