Beton samozagęszczalny, zbrojenie rozproszone, urabialność, reologia Tomasz PONIKIEWSKI * ASPEKTY TECHNOLOGICZNE ZASTOSOWANIA BETONU SAMOZAGĘSZCZALNEGO MODYFIKOWANEGO ZBROJENIEM ROZPROSZONYM Technologia betonu samozagęszczalnego pozwala na kształtowanie struktury obiektów inżynierskich w sposób szybszy i bezpieczniejszy 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. Jedną z modyfikacji rozpatrywanych betonów jest dodawanie do ich objętości włókien różnego rodzaju w postaci zbrojenia rozproszonego. Nie jest to zagadnienie nowe w technologii betonu, lecz w przypadku betonów o właściwościach samozagęszczalności stanowi aktualny obszar badań. Na podstawie przeprowadzonych badań urabialności w ujęciu reologicznym świeżych mieszanek samozagęszczalnych modyfikowanych włóknami stalowymi, ustalono problemy wynikające z zastosowania tak modyfikowanych mieszanek betonowych. Problemy technologiczne w zastosowaniu betonu samozagęszczalnego modyfikowanego włóknami stalowymi jako zbrojeniem rozproszonym jest przedmiotem prezentacji w referacie. 1. WPROWADZENIE 1.1. ISTOTA ZASTOSOWANIA BETONU SAMOZAGĘSZCZALNEGO Beton, jak i inne materiały, ulega stałej ewolucji dążąc do uzyskania materiału o znacznie polepszonych parametrach technicznych zarówno mieszanki betonowej jak i betonu stwardniałego. Wymagania stawiane nowoczesnym betonom to możliwie najwyższa ich jakość charakteryzująca się wydłużeniem okresu trwałości, zapewnieniem adekwatnych do potrzeb parametrów fizyczno-wytrzymałościowych, estetykę powierzchni elementów betonowych. Nie bez znaczenia jest poprawa warunków technologicznych, począwszy od produkcji mieszanki betonowej aż do pielęgnacji betonu uformowanego w konstrukcji. Zalety betonu samozagęszczalnego * Katedra Procesów Budowlanych, Wydział Budownictwa, 44-100 Gliwice, ul. Akademicka 5
takie jak [3]: wyeliminowanie wibrowania, a więc redukcja hałasu i obniżenie kosztów, łatwość układania w elementach o znacznym zagęszczeniu zbrojenia i o skomplikowanych kształtach, powodują, że jest on coraz szerzej stosowany w praktyce budowlanej na całym świecie, np. w budynkach wysokich, mostach, tunelach i wiaduktach. Uzyskanie betonów wysokiej jakości i udoskonalenie procesów technologii jego produkcji jest możliwe dzięki zastosowaniu nowoczesnych domieszek i dodatków do betonów. Na przełomie lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX wieku w Japonii przy zastosowaniu superplastyfikatorów nowej generacji udało się, w mieszankach betonowych o konsystencji ciekłej, zredukować do 40% wody (w stosunku do betonów zwykłych), co w połączeniu z modyfikacją własności reologicznych doprowadziło do uzyskania betonu samozagęszczającego. Udział frakcji poniżej 0,125 mm Pochodzących z cementu, kruszywa i stosowanych dodatków, które w połączeniu z wzajemnymi proporcjami, zastosowanymi domieszkami i ilości wody, stanowią podstawowy warunek uzyskania betonów samozagęszczających. 1.2 DEFINICJA BETONU SAMOZAGĘSZCZALNEGO Jeszcze kilka lat temu powszechna definicja betonu samozagęszczalnego była następująca [2]:,,beton, który ma zdolność do zagęszczania się i odpowietrzania pod własnym ciężarem, bez wibracji". Obecna rozpowszechniona definicja brzmi:,,beton, który ma właściwości płynięcia pod własnym ciężarem, szczelnego wypełnienia deskowań lub form, nawet przy występowaniu gęstego zbrojenia, bez stosowania wibracji i przy zachowaniu jego jednorodności". Beton SCC jest kolejnym krokiem do uzyskania mieszanki betonowej o parametrach w pełni niezależnych od jakości zagęszczania, charakteryzuje się nowymi, odmiennymi w stosunku do betonu tradycyjnego właściwościami w zakresie odpowietrzania i zagęszczania pod wpływem grawitacji, samorozlewności oraz długim okresem utrzymywania konsystencji. 2. ZBROJENIE ROZPROSZONE W BETONIE SAMOZAGĘSZCZALNYM 2.1. ISTOTA ZASTOSOWANIA Najczęściej stosowanymi wypełniaczami włóknistymi są włókna stalowe oraz polipropylenowe. Dodatek włókien wpływa przede wszystkim na hamowanie powstawania i rozwoju zarysowań w betonie oraz znaczne podwyższenie energii zniszczenia. Inne uzyskiwane lepsze charakterystyki, przy odpowiednim zastosowaniu włókien, to wzrost wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie, wzrost przyczepności prętów zbrojenia do betonu, odporność zmęczeniowa i udarnościowa [1]. Ogólna tendencja poprawy charakterystyk stwardniałego betonu samozagęszczalnego wraz ze
wzrostem zawartości włókien w jego objętości, powoduje pogarszanie urabialności tychże mieszanek w trakcie ich formowania. 2.2. PROBLEM BADAWCZY Aktualnym problemem, także w przypadku betonów samozagęszczalnych modyfikowanych włóknami stalowymi, jest technologiczna trudność ich wykonywania oraz realizacji procesów technologicznych w trakcie robót betonowych. Zmusza to do rozpoznania rzeczywistej natury ich urabialności i określenia wpływu dodawania włókien na zjawiska zachodzące w świeżym i stwardniałym betonie samozagęszczalnym. Analiza wykluczających się nawzajem czynników zachodzących w wyniku dodania włókien stalowych do betonu samozagęszczalnego: pogarszania się urabialności i poprawy właściwości mechanicznych betonów samozagęszczalnych jest przedmiotem niniejszego artykułu. Jedną z nowych tendencji w badaniach betonów samozagęszczalnych jest analizowanie wpływu włókien na urabialność oraz parametry wytrzymałościowe tychże betonów [4][5]. Projektowanie betonów samozagęszczalnych nie jest zagadnieniem łatwym; niedokładność w dozowaniu składników, zmienne właściwości materiałów i warunków dojrzewania mogą spowodować niepowodzenia w uzyskaniu wymaganych właściwości betonów samozagęszczalnych: płynności, zdolności do przepływu bez blokowania między prętami zbrojenia oraz odporności na segregację [6]. Autor na podstawie wcześniejszych badań [7][8][9], wytypował włókna stalowe o zróżnicowanych parametrach geometrycznych, celem określenia wpływu ich udziału objętościowego, długości oraz kształtu na właściwości reologiczne i mechaniczne betonów samozagęszczalnych. 3. BADANIA WŁASNE 3.1. ZAŁOŻENIA I METODYKA BADAŃ W referacie zostały przedstawione wyniki badań urabialności w ujęciu reologicznym mieszanek samozagęszczalnych modyfikowanych włóknami stalowymi. Badania metodą reometrycznego testu urabialności (RTU) zostały przeprowadzone za pomocą reometru do zapraw i mieszanek betonowych ROD-1E (Rys.1). Istota RTU została omówiona szczegółowa w literaturze [10].
a) b) Rys. 1. Procedura pomiarowa i widok reometru do wyznaczania parametrów reologicznych mieszanki samozagęszczalnej Fig. 1: Measuring procedure and the rotational rheometer used for testing rheological parameters of self-compacting concrete Wykonano aproksymację wyników pomiarów dwuparametrowym modelem reologicznym Bingham`a i trójparametrowym modelem Hershell`a-Bulkey`a. Pozwoliło to na określenie dwóch podstawowych parametrów reologicznych granicy płynięcia g oraz lepkości plastycznej h, których wartości przedstawiono na podstawie analizy modelem dwuparametrowym. Skład badanej mieszanki samozagęszczalnej przedstawiono w tablicy 1. Mieszanka betonowa była modyfikowana ze względu na zmienny w badaniach rodzaj i udział objętościowy włókien stalowych. Tablica 1. Skład mieszanki samozagęszczalnej Table 1. Self-compacting concrete mixtures Składnik na zarób na 1m 3 CEM II B-S 42,5 [kg] 12,3 344 Popiół lotny [kg] 4,9 138 Woda [kg] 5,9 164 SP Viscocrete 3 [1,5% m.c.] [kg] 0,19 5 Kruszywo 2-8 [kg] 29,0 810 Piasek 0-2 [kg] 27,8 776 Włókna stalowe [%] 0,25-0,50-0,75 W/(C+D) 0,34 0,34 Włókna stalowe do badań zostały wytypowane z dosyć licznej grupy dostępnych na rynku. Jednakże pomimo ich dostępności i różnorodności, trudno jest zakupić włókna o zbliżonych parametrach geometrycznych i kształcie. W artykule prezentowane są wyniki badań mieszanek samozagęszczalnych modyfikowanych trzema rodzajami
włókien stalowych (rys. 2) Rys. 2. Włókna stalowe zastosowane w badaniach: H 64x0,8 mm, F 30x0,7 mm, P 25x0,4 mm Fig. 2. Steel fibres used in research: H 64x0,8 mm, F 30x0,7 mm, P 25x0,4 mm Charakterystykę geometryczną badanych włókien oraz rozpatrywany ich udział objętościowy w mieszance betonowej przedstawiono w tablicy 2. Tablica 2. Zawartość badanych włókien stalowych w samozagęszczalnej mieszance betonowej Table 2. Composition of the investigated steel fibre reinforced self-compacting concrete ZAWARTOŚĆ WŁÓKIEN STALOWYCH [%] Mieszanka H 64x0,8 mm F 30x0,7 mm P 25x0,4 mm B1 - - - B2 0,50 - - B3-0,50 - B4-0,25 - B5 0,25 - - B6-0,75 - B7 0,75 - - B8 - - 0,50 Badania rozpoznawcze wykazały trudności pomiarowe RTU przy zawartości włókien stalowych na poziomie 1%. Duży przedział długości zastosowanych włókien (25 64 mm) ograniczył ich udział objętościowy do poziomów 0,25 0,50 0,75%, co odpowiada zawartości 19,5 39,0 58,5 kg/m 3. Kształt włókien ze względu na zmienność ich geometrii jest dodatkowym czynnikiem, wpływającym na wyniki badań lecz nakładającym się na rozpatrywane pozostałe parametry zmienne włókien.
3.2. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE W tablicy 3 przedstawiono wyniki badań ośmiu mieszanek samozagęszczalnych. Właściwości samozagęszczalne mieszanek badano określając czas i średnicę rozpływu stożkiem Abramsa oraz ustalając parametry reologiczne wyznaczone metodą RTU. Wytrzymałość na ściskanie określono po 28 dniach. Dodatkowo wykonano badania wytrzymałości na zginanie, celem określenia odporności na pękanie przy zginaniu w postaci tzw. równoważonej wytrzymałości na zginanie. Tablica 3. Wyniki badań właściwości betonów samozagęszczalnych z włóknami stalowymi Table 3. Test results for steel fibre reinforced self-compacting concrete Zarób Rozpływ Urabialność Parametry reologiczne T 50 [s] r [mm] g [Nm] h [Nmmin] r 2 ƒ c,cube [MPa] B1 4 740 1,65 0,33 0,997 50,3 B2 7 700 12,46 0,50 0,913 66,0 B3 8 680 6,61 0,63 0,956 60,7 B4 8 700 1,92 0,66 0,993 55,1 B5 8 680 5,11 0,63 0,975 56,4 B6 11 630 6,53 0,68 0,947 61,2 B7 17 630 13,28 0,63 0,683 65,1 B8 7 700 7,24 0,64 0,948 62,5 Wykazano wydłużenie czasu rozpływu i średnicy rozpływu wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien w mieszance betonowej (rys. 3). Wartości te są zbliżone dla wszystkich rozpatrywanych długości włókien do poziomu zawartości 0,5%. Przy udziale objętościowym 0,75% wykazano dodatkowy wpływ wzrostu długości włókien na zwiększenie czasu i obniżenie średnicy rozpływu. Badania zawartości włókien stalowych w objętości mieszanki po badaniu wykonanym stożkiem Abramsa wykazały ich zróżnicowaną zawartość (rys. 4). Zawartość włókien w obszarze centralnym V fmax była dwukrotnie większa od zawartości włókien w obszarze skrajnym V fmin rozpatrywanej mieszanki. Zaobserwowane zjawisko nierównomiernego rozmieszczenia włókien w trakcie przewidywanych procesów samozagęszczalności badanych mieszanek, zmusza do poszukiwań rozwiązania tego negatywnego zjawiska. Podstawowym założeniem stosowania włókien jest ich równomierne rozmieszczenie w całej objętości mieszanki po procesie samozagęszczenia. Wskazane jest przeprowadzenie dodatkowych badań, uwzględniających włókna o zróżnicowanym tzw. współczynniku włóknistym (tzn. udział objętościowy włókien x długość włókien / średnica włókien) ze wskazaniem optymalnie zaprojektowanej mieszanki pod względem równomiernego
przemieszczania włókien w procesach technologicznych. 20 15 H 64x0,8 mm F 30x0,7 mm P 25x0,4 mm 80 75 H 64x0,8 mm F 30x0,7 mm P 25x0,4 mm T50 [s] 10 r [cm] 70 5 65 0 0 0,25 0,5 0,75 1 Udział objętościowy włókien [%] 60 0 0,25 0,5 0,75 1 Udział objętościowy włókien [%] a) b) Rys. 3. Wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien stalowych na czas rozpływu (a) i średnicę rozpływ (b) wyznaczone stożkiem Abramsa Fig. 3: Influence of type and volume fraction of steel fibres on Abrams cone parameters; (a) flow time, (b) diameter of flow V fmax > V fmin Rys. 4. Mieszanka samozagęszczalna modyfikowana włóknami stalowymi po badaniu stożkiem Abramsa z zaznaczonym miejscami badania zawartości włókien. Fig. 4. Steel fibre reinforced self-compacting concrete after Abrams cone investigation with the place of fibre volume fraction research. Przeprowadzone badania reometryczne metodą RTU potwierdziły wpływ włókien stalowych na granice płynięcia g oraz lepkość plastyczną h w rozpatrywanym obszarze badawczym mieszanek samozagęszczalnych modyfikowanych ich dodatkiem (rys. 5). Wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien w mieszance wzrasta wartość granicy płynięcia g. Długość samych włókien również wpływa na wzrost granicy płynięcia, co jest szczególnie widoczne pomiędzy badanymi włóknami H 64x0,8 mm oraz F 30x0,7 mm. Dla włókien H 64x0,8 mm wartość g jest zdecydowanie najwyższa w całym rozpatrywanym udziale objętościowym włókien. Potwierdza to pogarszanie
się urabialności wykazane w badaniu stożkiem Abramsa. Najwyższy wzrost wartości granicy płynięcia g obserwujemy dla udziału objętościowego 0,50% i utrzymuje się na zbliżonym poziomie dla zawartości 0,75%. W przypadku lepkości plastycznej h wzrost jest obserwowany po dodaniu 0,25% włókien, niezależnie od ich parametrów geometrycznych i utrzymuje się na stałym poziomie do udziału objętościowego 0,75%. Należy pamiętać o zróżnicowanym kształcie badanych włókien połączonym z ich zróżnicowaną długością. Wskazane jest przeprowadzenie dodatkowych badań, eliminujących nakładanie się czynników zmiennych, charakteryzujących rozpatrywane włókna stalowe. Szeroka oferta handlowa włókien w tym zakresie narzuca jednak pewne ograniczenia. Granica płynięcia g [Nm] 16 14 12 10 8 6 4 F 30x0,7 mm 2 P 25x0,4 mm 0 0 0,25 0,5 0,75 1 Udział objętościow y w łókien [%] H 64x0,8 mm Lepkość plastyczna h [Nmmin] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 H 64x0,8 mm F 30x0,7 mm P 25x0,4 mm 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 Udział objętościow y w łókien [%] a) b) Rys. 5. Wpływ dodatku włókien stalowych na parametry reologiczne badanych mieszanek samozagęszczalnych; a) granicę płynięcia g, b) lepkość plastyczną h Fig. 5: Influence of steel fibres on rheological parameters of self-compacting concrete; a) yield value g, b) plastic viscosity h 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE Przedstawione badania betonów samozagęszczalnych modyfikowanych włóknami stalowymi wykazują wpływ ich dodatku na pogarszanie się urabialności świeżej mieszanki oraz wzrost wytrzymałości stwardniałych fibrobetonów z mieszanek samozagęszczalnych. Z punktu widzenia uzyskania optymalnej zawartości włókien stalowych w betonie samozagęszczalnym, w sposób ograniczony pogarszających urabialność oraz poprawiających wytrzymałość betonu na ściskanie, udział objętościowy włókien 0,5% wydaje się być zalecanym na podstawie rozpatrywanego, ograniczonego zakresu badawczego. Wystepują problemy z zachowaniem jednorodnego wypełnienia przestrzeni betonu dodawanymi włóknami a wymagane procesy technologiczne dla tego typu betonów jeszcze bardziej utrudniają zachowanie jednorodności struktury. Pompowany fibrobeton samozagęszczalny powinien być
bezpośrednio podawany w miejsce zabetonowania z ograniczeniem poziomego przemieszczania się mieszanki w obrębie formowanej struktury betonowej. Długość i udział objętościowy włókien stalowych w mieszance wpływa na pogarszanie się jej urabialności lecz wyraźnie poprawia parametry wytrzymałościowe. Sposób zachowania jednorodności włókien stalowych w procesie formowania betonu samozagęszczalnego z ich dodatkiem jest aktualnym problemem badawczym. Z punktu widzenia urabialności wydaje się właściwym dodawanie włókien krótszych o wyższym udziale objętościowym w mieszance betonowej, co powinno wpłynąć na zachowanie jednorodności struktury formowanego betonu. Wpływ kształtu stosowanych włókien ważny z punktu widzenia zakotwienia w matrycy betonu samozagęszczalnego nie został w badaniach jednoznacznie określony. LITERATURA [1] GLINICKI M.A.: Ocena i projektowanie fibrobetonów na podstawie wytrzymałości równoważonej, Drogi i mosty, nr 3/2002, IBDiM. [2] URBAN M.: Konsystencja mieszanki samozagęszczalnej a jej parametry reologiczne, IV Sympozjum Naukowo-Techniczne Reologia w technologii betonu, Gliwice, 2002, s. 91 98. [3] CZKWIANIANC A., PAWLICA J., ULAŃSKA D.: Skurcz i pełzanie betonów samozagęszczalnych, VI Symp. Naukowo-Techniczne Reologia w technologii betonu, Gliwice, 2004, s.71 91. [4] BARRAGÁN B., ZERBINO R., ETTU R., SORIANO M., DE LA CRUZ C., GIACCIO G., BRAVO M.: Development and application of steel fibre reinforced self-compacting concrete, 6 th RILEM Symp. on Fibre-Reinforced Concretes (FRC) BEFIB 2004, Varenna, Italy, 457 466. [5] DING Y., THOMASETH D., NIEDEREGGER Ch., THOMAS A., LUKAS W.: The investigation on the workability and flexural toughness of fibre cocktail reinforced self-compacting high performance concrete, 6 th RILEM - (FRC) BEFIB 2004, Varenna, Italy, 467 478. [6] KASZYŃSKA M.: Beton samozagęszczalny rozwój technologii i wyniki badań, Konferencja Dni betonu, Wisła, 2004, 95 110. [7] PONIKIEWSKI T., Aspekty doboru włókien z punktu widzenia technologii mieszanki betonowej, VI Seminarium reologiczne, Gliwice, 2004. [8] SZWABOWSKI J., PONIKIEWSKI T.: The rheological properties of fresh polypropylene fibre reinforced mortar and concrete, 6 th RILEM (FRC) BEFIB 2004, Varenna, Italy, 309 318. [9] PONIKIEWSKI T., SZWABOWSKI J., The influence of selected composition factors on the rheological properties of fibre reinforced fresh mortar, in: Proc. Int. Symp. `Brittle Matrix Composites 7`, A.M.Brandt, V.C.Li, I.H.Marshall, Warsaw, 13-15.10.2003. [10] SZWABOWSKI J., Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999. TECHNOLOGICAL ASPECTS OF SELF-COMPACTING CONCRETE WITH OF STEEL FIBRES In the paper the methodology and test results of the investigation are presented and discussed on the influence of steel fibres on rheological properties of self-compacting concrete (SCC). The rheological parameters of SCC behaves as a Bingham body, their rheological parameters yield value g and plastic
viscosity h were determined by using rheometer to mortar and concrete mix. The influence of steel fibre volume fraction and fibre length on rheological properties of SCC are important factors.