pobierz - Koło Naukowe KONKRET

Marek Jędrkowiak – I rok (studia II stopnia)
Koło Naukowe „Konkret” przy Katedrze Konstrukcji Betonowych
Politechnika Wrocławska
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Tomasz Trapko
WPŁYW DODATKÓW W POSTACI WŁÓKIEN NA WŁAŚCIWOŚCI BETONU.
ZALETY PŁYNĄCE ZE STOSOWANIA FIBROBETONÓW.
EFFECT OF ADDITIVES IN THE FORM OF FIBRES ON THE PROPERTIES OF CONCRETE.
ADVANTAGES DERIVING FROM THE IMPLEMENTATION FIBER-REINFORCED CONCRETE.
1. Wprowadzenie
Mówiąc o nowoczesnym projektowaniu i realizacji konstrukcji szczególną uwagę
należy zwrócić na rozwój materiałów. Rozwój konstrukcji uzależniony jest od rozwoju
materiałów. Biorąc pod uwagę fakt, że beton jest obecnie najbardziej wykorzystywanym
materiałem, spośród wszystkich wytworzonych przez człowieka należy poświęcić mu
najwięcej uwagi, zarówno pod względem ciągłego udoskonalania właściwości fizycznych, jak
i ochrony środowiska (redukcja emisji C02 – przemysł cementowy 5 – 7% ogółu,
ograniczenie zużycia wody – 5% zużycia wody ogółem) [1]. W pracy zwrócono uwagę na
polepszenie właściwości fizycznych i mechanicznych betonu przez zastosowanie dodatków
w postaci włókien. Fibrobeton to kompozyt cementowy z dodatkiem w postaci włókien ze
stali, polipropylenu, włókien LiTraCon i innych. Obecnie najczęściej stosowanymi
w budownictwie są włókna stalowe i polipropylenowe. Włókna z tworzyw sztucznych, włókna
węglowe czy szklane stosowane są w betonach BWW i SWW np. DUCTAL. Jest to
kompozyt betonowy składający się z bardzo drobnego kruszywa i dużej ilości włókien
szklanych o wytrzymałości na ściskanie wynoszącej nawet 230MPa i na rozciąganie przy
zginaniu do 50MPa. Należy zwrócić uwagę na dążenie do zmniejszenia wartości stosunku
wytrzymałości na ściskanie do wytrzymałości na rozciąganie. W wymienionym
ultrawytrzymałym betonie stosunek ten wynosi 4, w betonach zwykłych ok. 10. W przypadku
stosowania włókien stalowych czy polimerowych dąży się do wymuszenia na betonie pracy
w zakresie plastycznym, zmniejszenie ww. stosunku schodzi na drugi plan. Właściwości
fizyczne betonu można udoskonalić stosując włókna o różnym kształcie i z różnego
materiału.
2. Włókna stalowe
Długoletni proces powstawania betonów modyfikowanych włóknami stalowymi
(drutobetony, SFRC – Steel Fibre Reinforced Concrete) został rozpoczęty w 1874 roku przez
A. Bernarda, który jako pierwszy opatentował idee wzmacniania betonu opiłkami stalowymi
[9]. Dopiero w 1910 roku Parter postawił hipotezę, że beton z dodatkiem krótkich drutów
polepsza jednorodność betonu zbrojonego jedynie grubymi prętami. W 1918 roku natomiast
H. Alfsen opatentował modyfikowanie betonu długimi drutami stalowymi, co miało wg niego
zwiększyć wytrzymałość betonu na rozciąganie. Pomimo widocznych zalet stosowania
drutów stalowych, fibrobeton nie zyskał zaufania wśród konstruktorów, z uwagi na
trudności w określeniu rzeczywistych wartości parametrów fizycznych kompozytu. Dopiero
w 1963 roku rozpoczęto definiowanie teorii SFRC (Romualdi, Barbon). Postawiono tezy
o przeciwdziałaniu włókien stalowych powstawaniu rys, ograniczaniu ich rozmiarów
i rozstawów. Efektywność włókien stalowych zależy od wytrzymałości stali z której są
wykonane (>1000MPa), oraz kształtu włókien (najkorzystniejsze włókna zakończone
hakiem). Obecnie drutobeton ciągle zyskuje zaufanie konstruktorów, można znaleźć wiele
artykułów na temat wykorzystania tego materiału, prowadzone są liczne badania dotyczące
wytrzymałości fibrobetonów na zginanie, ich cech reologicznych i odkształcalnościowych.
Obecnie na świecie znajduje się około 30 producentów włókien stalowych oferujących
przeważnie asortyment składający się z 5 rodzajów włókien: proste, zakończone hakiem
(HE), faliste (TABIX), zakończone spłaszczeniem (HFE) lub stożkami (TWINCONE).
Rys. 1. Asortyment włókien oferowany przez firmę ArcelorMittal [12]
Spośród wszystkich wykorzystywanych w budownictwie włókien stalowych 90% stanowią
włókna kształtowane, dzięki czemu efektywniej i pełniej wykorzystuje się siły przyczepności
pomiędzy stalą i betonem. Skuteczność zbrojenia włóknami stalowymi zależy od smukłości
elementów, która stanowi o łatwości mieszania się dodatku ze składnikami mieszanki
betonowej. Producenci oferują włókna o smukłości mniejszej niż 150, przy czym 50%
wszystkich wykorzystanych włókien charakteryzuje smukłość od 45 do 63,5. SFRC
charakteryzuje się mniejszą podatnością na powstawanie rys skurczowych. Jest materiałem
elastyczno – plastycznym, po przekroczeniu naprężeń krytycznych utrzymuje swoją nośność.
Jest odporny na pękanie i zmęczenie. Charakteryzuje się zmniejszoną ścieralnością,
odpornością na korozję, mrozoodpornością i szczelnością.
3. Włókna polimerowe
W przypadku dodania włókien polimerowych (mieszanina polipropylenu i polietylenu)
przyjmuje się, że nie zmieniają one właściwości fizycznych betonu. Dodanie włókien
z tworzywa sztucznego zapobiega przede wszystkim powstawaniu rys skurczowych
powstających w okresie skurczu chemicznego betonu (zarówno wewnętrznego jak
i zewnętrznego). Na rys. 2. przedstawiono schematycznie rolę włókien polimerowych [8]:
Rys. 2. Włókna polimerowe w betonie
Wytrzymałość wczesna betonu niezbrojonego, w przeciwieństwie do fibrobetonu jest
mniejsza od powstających w tym samym czasie naprężeń skurczowych, co powoduje
zarysowanie elementu. Powstałe natomiast w betonie zbrojonym włóknami rysy
charakteryzują się bardzo małą rozwartością (niewidoczną dla ludzkiego oka). Zwiększa się
zatem szczelność powstałej z kompozytu FRC (Fibre Reinforced Concrete) przegrody.
Polimer charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą 380MPa i modułem
Younga 3,8GPa. Przyjmuje się, że jeżeli moduł sprężystości betonu jest większy od modułu
polimeru, włókna nie pracują. Wyższość FRC nad betonem zwykłym polega przede
wszystkim na posiadaniu ekwiwalentnej wytrzymałości na zginanie, analogicznie jak
w przypadku SFRC. Dzięki tej właściwości beton po osiągnięciu granicy wytrzymałości jest
zdolny do dalszego przenoszenia obciążeń. Dodane włókna należy mieszać z innymi
składnikami mieszanki betonowej w czasie min. 30s, dzięki czemu uzyskuje się optymalny
kształt włókna - powierzchnia kontaktu włókna i matrycy betonowej jest większa przez
rozszczepienie końcówek. Ilość włókien w m3 betonu zależy od przeznaczenia kompozytu
np. w przypadku betonu towarowego optymalne właściwości mieszanki uzyskuje się dodając
3-5kg/m3 włókien, w prefabrykacji – 1 – 3 kg/m3.
4. Beton LiTraCon (light transmitting concrete)
Beton LiTraCon zalicza się do betonów dekoracyjnych. Został opatentowany w 2001
roku przez węgierskiego architekta Arona Losonczi. Sprzedawany jest w blokach
o wymiarach 300mm x 600mm i gr. 25 – 500mm. Rolę włókien zmieniających w tym
przypadku przede wszystkim właściwości fizyczne (beton jest półprzezroczysty), pełnią
światłowody. Ich zawartość w mieszance betonowej wynosi ok. 4%. Tak otrzymany
kompozyt charakteryzuje się gęstością od 2100 – 2400kg/m3 (beton zwykły), wytrzymałością
na ściskanie 50MPa i na rozciąganie przy zginaniu 7MPa [13]. Nie obserwuje się zatem
negatywnego wpływu światłowodów na właściwości mechaniczne mieszanki betonowej.
Fot. 1. Ścianka działowa z bloczków LiTraCon [13]
5. Wytrzymałość równoważna fibrobetonów na zginanie
Beton jako materiał kruchy po osiągnięciu wytrzymałości na rozciąganie pęka, przez
co praca zginania, którą można utożsamiać z polem pod wykresem „obciążenie zginające –
ugięcie” (rys. 3.) jest mała. Fibrobeton nie ulega kruchemu pękaniu. Po osiągnięciu
wytrzymałości na zginanie, może przenosić jeszcze znaczne obciążenia. Pracuje zatem
również w zakresie plastycznym. Poprzez zmianę charakteru pracy, praca zginania
mieszanki fibrobetonowej jest zdecydowanie większa niż zwykłej betonowej.
Rys. 3. Schematyczny wykres obciążenie – ugięcie dla rozciągania przy zginaniu
Dotychczasowe obliczenia posadzek żelbetowych na podłożu gruntowym oparte były
na teorii sprężystości, przez co nie wykorzystywano jakże cennych właściwości kompozytu.
O nośności decydowała wytrzymałość betonu na rozciąganie. Projektując posadzkę, w której
zastosowano fibrobeton, należy korzystać nie z teorii sprężystości, a plastyczności –
z metody linii załomów. Wykorzystuje się wówczas zwiększoną pracę pękania, uwzględnioną
w obliczeniach w postaci tzw. równoważnej wytrzymałości fibrobetonów na zginanie. Zgodnie
z normą japońską, na którą powołują się autorzy badań fibrobetonów wytrzymałość
równoważną określa się na beleczkach 150x150x450, przy rozstawie podpór 300mm,
obciążoną siłą skupioną w środku rozpiętości. Określana wartość jest wprost proporcjonalna
do pracy zginania i wyraża się wzorem [4]:
f eq =
Tb
δ L / 150
⋅
L
b ⋅ h2
(1)
Gdzie: Tb – praca zginania (określona dla odciętej δ L /150 )
δ L /150 - ugięcie graniczne równe L / 150
L – rozpiętość belki
b, h – wymiary przekroju poprzecznego
Warto zauważyć, że
Tb
δ L /150
to, zgodnie z definicją, wartość średnia funkcji. Można zatem
zdefiniować wytrzymałość równoważną betonu na rozciąganie jako naprężenie wywołane
średnią wartością siły (w funkcji odkształcenia). Przy obliczaniu pola pod wykresem należy
pamiętać, że jest ono ograniczone przez odkształcenie równe δ L /150 , stąd praca zginania
wynosi:
Tb =
δ L / 150
∫ P(u )du
(2)
0
5. Wpływ wymiarów i zawartości włókien na właściwości mechaniczne SFRC i FRC
[2]
Zarówno w przypadku stosowania włókien stalowych jak i polimerowych,
wytrzymałość równoważna fibrobetonów na rozciąganie feq rośnie wraz ze wzrostem
zawartości włókien i wzrostem smukłości. Dla włókien stalowych, przy dozowaniu
od 15 kg/m3 do 40kg/m3, stwierdzono liniowy charakter zależności. Wzory te zależą jednak
od wielu parametrów, m. in. od klasy mieszanki betonowej. Należy mieć świadomość, że
zwiększenie zawartości włókien w mieszance betonowej ma negatywny wpływ na
konsystencję i urabialność betonu. Autor [2] wykonał badania na próbce macierzystej (bez
dodatku włókien), na 3 próbkach FRC o zawartości włókien odpowiednio 2, 3, 4kg/m3 oraz
dwóch SFRC o zawartości włókien 15 i 25kg/m3. Badania dotyczące zginania
przeprowadzono na próbkach „płytowych” o wymiarach 100mm x 450mm x 800mm,
a ściskania na normowych kostkach sześciennych. Z przeprowadzonych badań wynika, że
ze wzrostem zawartości włókien wzrasta wartość wytrzymałości równoważnej betonu na
zginanie. Zwiększenie stopnia zbrojenia zbrojeniem rozproszonym powoduje wzrost
porowatości mieszanki betonowej, co skutkuje nieznacznym spadkiem wartości
wytrzymałości na ściskanie. Wszystkie próbki po przekroczeniu wytrzymałości na
rozciąganie zachowują integralność, mimo dużych odkształceń są zdolne do dalszego
przenoszenia obciążeń. Zaobserwowano także zmianę konsystencji wraz ze wzrostem
zawartości włókien polimerowych, należy zatem przy projektowaniu mieszanki betonowej
przewidzieć zastosowanie dodatków upłynniających. Zgodnie z równaniem wytrzymałości
[5]:
C

f cm = A(1, 2)  m 0,5 
W

(3)
niedopuszczalne jest zwiększanie wskaźnika w/c, ponieważ spowodowało by to
zmniejszenie projektowanej wytrzymałości betonu. Przy zastosowaniu włókien z tworzywa
sztucznego nie stwierdzono wzrostu wytrzymałości na rozciąganie. Dla próbki SFRC
o zawartości włókien 15kg/m3 wystąpił wzrost wytrzymałości na rozciąganie o 20%. Nie
zaobserwowano znaczącego wpływu włókien na zmianę współczynnika sprężystości przy
zginaniu.
6. Cechy odkształcalnościowe fibrobetonu [6, 7]
Dążenie do uzyskiwania możliwie najmniejszych wysokości przekrojów przy jak
największej rozpiętości elementów żelbetowych przekłada się na stosowanie betonów
wysoko wartościowych z dodatkiem zbrojenia rozproszonego. Stan graniczny użytkowania
staje się przez to często decydującym. W przypadku elementów żelbetowych wyróżnia się
ugięcia doraźne (powstające w momencie obciążenia) i długotrwałe – odkształcenia
spowodowane m. in. reologicznymi cechami betonu oraz zarysowaniem. Elementy
fibrobetonowe są mniej podatne na zarysowanie niż żelbetowe – rysy ulegają
„rozszczepieniu”, dzięki czemu powstaje gęsta siatka mikrorys, o bardzo małej szerokości
rozwarcia. Należy jednak pamiętać, że na ugięcie wpływa również kierunek rozmieszczenia
włókien. Szczegółowe dane dotyczące próbek i wartości liczbowych otrzymanych wyników
można znaleźć w pozycjach [6, 7]. W niniejszym referacie przedstawiono jedynie wnioski
z badań przeprowadzonych przez Czesława Bywalskiego i Mieczysława Kamińskiego.
Zarówno ugięcia długotrwałe jak i krótkotrwałe dla belek modyfikowanych włóknami
stalowymi były mniejsze od belek żelbetowych. Podsumowując, ugięcia całkowite (suma
ugięć doraźnych i długotrwałych) są mniejsze w przypadku zastosowania zbrojenia
rozproszonego. Zmniejszenie ugięcia nie jest spowodowane zmniejszeniem pełzania,
ponieważ dodanie włókien ma pomijalnie mały wpływ na wartości pełzania. Do obliczeń
ugięć elementów fibrobetonowych można przyjmować odkształcenia pełzania jak dla
elementów betonowych. Włókna nie mają znaczącego wpływu na zmianę modułu
sprężystości Ec. Należy jednak zwrócić uwagę, że obliczone rzeczywiste wartości modułu
Younga są mniejsze o ok.15% od wartości normowych, przez co obliczone wartości ugięć
mogą być mniejsze od ugięć rzeczywistych. Zakładając równomierne rozmieszczenie
włókien w mieszance betonowej, oraz uwzględniając fakt, że zbrojenie rozproszone nie
wpływa znacząca ma odkształcenia pełzania i moduł Younga, ugięcia obliczone
z algorytmem zaproponowanym przez normę PN-B-03264:2002 mają taką samą wartość
zarówno dla fibrobetonów jak i żelbetu, mimo, że badania stanowią inaczej. Konieczne jest
zatem dalsze badanie cech odkształcalnościowych w celu zaproponowania algorytmu
obliczenia ugięcia z uwzględnieniem dodatków w postaci włókien.
7. Zastosowanie fibrobetonów
Wyróżnia się zastosowanie fibrobetonu przy produkcji betonu towarowego
i natryskowego, oraz w prefabrykacji. Beton towarowy z dodatkiem włókien można stosować
przy wykonywaniu płyt fundamentowych, posadzek na gruncie. Wykorzystuje się wtedy
zwiększoną energię zginania fibrobetonu, dzięki czemu możliwe jest zmniejszenie wysokości
projektowanych elementów. Zastosowanie włókien stalowych pozwala na częściowe
wyeliminowanie siatek zbrojeniowych, co znacząco zmniejsza koszty realizacji obiektu.
Fibrobeton znajduje również zastosowanie w budownictwie wodnym i w konstrukcji
zbiorników na ciecze, gdzie wymagana są bardzo małe szerokości rozwarcia rys. Należy
wskazać również mieszanki o bardzo i ultra wysokiej wytrzymałości np. przywołany we
wstępie DUCTAL. Otrzymanie takich właściwości betonu, zmniejszenie jego kruchości nie
było by możliwe bez zastosowania odpowiednich domieszek w postaci włókien. Na skutek
stosowania mieszanek fibrobetonowych zmniejsza się wysokość i zwiększa rozpiętość
elementów belkowych oraz płytowych. Możliwe staje się zatem projektowanie co raz to
niższych konstrukcji stropów, co ma szczególne znaczenie w budownictwie wysokim. Drugim
kierunkiem jest prefabrykacja, szczególnie w przypadku elementów cienkościennych np.
kręgów studni, gdzie przy rozformowywaniu i transporcie dochodzi do odłupywania betonu.
Zastosowanie włókien zwiększa odporność betonu na uszkodzenia mechaniczne, dzięki
czemu można ograniczyć stosowanie zbrojenia przypowierzchniowego. Z uwagi na wzrost
mrozoodporności należy również wskazać na zastosowanie fibrobetonów w elementach
narażonych na działanie wody tj. w przypadku krawężników, obrzeży drogowych. Fibrobeton
stosuje się również w technologii betonu natryskowego. Zastosowanie włókien, przede
wszystkim stalowych, zdecydowanie zwiększa przyczepność do podłoża, ograniczając tym
samym stosowanie siatek zbrojeniowych i przyspieszając czas oraz efektywność realizacji.
8. Bibliografia
[1] Czarnecki L., Kurdowski W., „Tendencje kształtujące przyszłość betonu” – konferencja
Dni Betonu 2006;
[2] Glinicki M. A., „Badania właściwości fibrobetonu z makrowłóknami syntetycznymi,
przeznaczonego na podłogi przemysłowe” [w:] „Cement – Wapno – Beton 4/2008”;
[3] Glinicki M. A. „Tendencje rozwojowe technologii betonu” [w:] „Przegląd budowlany
12/2007”;
[4] Glinicki M. A., „Wytrzymałość równoważna fibrobetonu na zginanie” [w:] „Inżynier
Budownictwa 1/2008”;
[5] Jamroży Z., „Beton i jego technologie”, PWN, Warszawa 2009;
[6] Kamiński M., Bywalski Cz., „Badanie cech reologicznych zginanych elementów
żelbetowych modyfikowanych włóknami stalowymi” – konferencja Dni Betonu 2006;
[7] Kamiński M., Bywalski Cz., „Wpływ składu betonu i fibrobetonu na ich cechy
odkształcalnościowe” – konferencja Dni Betonu 2008;
[8] Karwacki J., „Beton kompozytowy z włóknami” [w:] „Polski cement 3/2001”;
[9] Katzer J., „Włókna stalowe stosowane do modyfikacji betonu” [w:] „Budownictwo
Technologie Architektura 3/2003”;
[10] Kisiel I., „Reologia w budownictwie”, Arkady, Warszawa 1967;
[11] Mizera J., „Fibrobeton nie tylko do posadzek” [w:] „Inżynier Budownictwa 1/2007”;
[12] Materiały informacyjne firmy ArcelorMittal;
[13] http://www.litracon.hu/