Wpływ zbrojenia rozproszonego na parametry mechaniczne betonu.pdf

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

Wpływ zbrojenia rozproszonego

na parametry mechaniczne

betonu

Artykuł był prezentowany na

51. Konferencji Naukowej

w Krynicy 2005 r.

Mgr inż. Tomasz Domański, dr hab. inż. Artem Czkwianianc, Politechnika Łódzka

1. Wprowadzenie

cie wiosła (paddled) i inne. Mak-

symalne stosowane ilości włókien

stalowych w badaniach laboratoryj-

nych ograniczają się do objętości

około 2% (160 kg/m 3 ) i są uzależ-

nione m.in. od smukłości i kształtu

włókna, a ograniczenie objętości

do 2% wynika ze względów tech-

nologicznych. W praktyce, jeżeli

pominiemy w rozważaniach tech-

nologię SIFCON, stosowane ilości

są mniejsze i wynoszą od około

0,5 do 1,0% (od 30 do 90 kg/m 3 ).

Badania laboratoryjne prowadzo-

ne w wielu ośrodkach krajowych

i zagranicznych dotyczyły przede

wszystkim cech wytrzymałościo-

wych tego nowego tworzywa.

Przytoczone poniżej pokazują jak

szerokie i zróżnicowane jest spek-

trum badawcze.

Wpływ stosunku długości włók-

na do maksymalnego wymiaru

ziarna kruszywa był przedmiotem

badań Chenkui i Guofan’a [1].

W tych badaniach zastosowano

włókna stalowe dł. 25, 35, 45 mm

w ilości do 1,5% objętościowo.

Zbadano łącznie około 400 próbek.

Mierzono wytrzymałość na rozcią-

ganie przez rozłupywanie (kostki

150×150×150 mm) i na zginanie

statyczne i zmęczeniowe (belki

150×150×500 mm). W badaniach

Taylora i innych [2] analizowano

betony o projektowanej wytrzy-

małości na ściskanie od 40 do

120 MPa, co 20 MPa. Zastosowano

włókna stalowe długości 30 mm

i średnicy 0,5 mm. Badano kost-

ki 100×100×100 mm (f c ), belki

100×100×500 mm (wytrzyma-

łość na rozciąganie przez zgi-

nanie i skręcanie) oraz walce

∅ 100/200 mm (wytrzymałość na

rozciąganie przez rozłupywanie).

Zagadnieniami wpływu zbrojenia

rozproszonego (włókna stalowe

z zakrzywionymi końcami o długo-

ści 30 mm i średnicy 0,5 mm) na f c

oraz na σ – ε betonu we wczesnym

okresie dojrzewania zajmowali się

Ding i Kusterle [3]. Badali betony

w wieku od 8 do 72 h z maksymal-

ną zawartością włókna 60 kg/m 3 .

W badaniach Yao i innych [4] poka-

zano wpływ jednoczesnego użycia

różnych typów włókien (węglowe,

PP, stalowe z zakrzywionymi koń-

cami o długości 30 mm i średnicy

0,5 mm) na betony o projektowa-

nej wytrzymałości na ściskanie

45 i 55 MPa. Ilość włókien ograni-

czono do 0,5% objętości. Badano

kostki 100×100×100 mm (wytrzy-

małość na ściskanie i rozcią-

ganie przez rozłupywanie) i belki

100×100×500 mm (wytrzyma-

łość na zginanie). W badaniach

Barragána i innych [5] badano

wpływ wysokości próbki, głęboko-

ści nacięcia na zależność napręże-

nie – rozwarcie rysy. Jako zbrojenie

zastosowano włókna stalowe o dłu-

gości 60 mm i średnicy 0,75 mm

w ilości 40 kg/m 3 . Badaniom pod-

dano również próbki wycięte z wię-

kszego elementu pionowo i pozio-

mo do kierunku betonowania.

Wpływ efektu rozmiaru różnych

typów próbek na różne parame-

try wytrzymałościowe betonów

Coraz większe wymagania stawia-

ne konstrukcjom inżynierskim wy-

konywanym z betonu powodują,

że beton jako mieszanina wyłącz-

nie trzech podstawowych skład-

ników: cementu, kruszywa i wody

jest stosowany coraz rzadziej.

Do betonów stosuje się: domieszki

(plastyfikatory, superplastyfikatory,

opóźniające lub przyspieszające

czas wiązania, napowietrzające

i inne) i dodatki (popiół lotny, żużel

wielkopiecowy, pył krzemionko-

wy). Wprowadza się także zbro-

jenie rozproszone w postaci włó-

kien. Włókna mogą być naturalne

(np. celulozowe, z bambusa, orze-

cha kokosowego, traw) lub sztucz-

ne (np. stalowe, polipropylenowe,

poliwinylowe, polietylenowe, poli-

winylowo-alkoholowe, węglowe,

szklane).

Zbrojenie rozproszone w postaci

różnego typu włókien w zasadzie

nie wpływa na f c , w pewnym stop-

niu poprawia f ct , natomiast wpływa

decydująco na ciągliwość beto-

nu po przekroczeniu f ct . Poprawa

właściwości wytrzymałościowych

betonu przy rozciąganiu zależy

od właściwego zakotwienia zbro-

jenia rozproszonego w matrycy

betonowej.

Przy zastosowaniu jako rozpro-

szonego zbrojenia drucików stalo-

wych, zamiast prostych stosuje się

różne kształty – karbowane (crim-

ped), z zakrzywionymi końcami

(hooked), z końcówkami w kształ-

PRZEGLĄD BUDOWLANY 6/2006

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

zbrojonych zbrojeniem rozproszo-

nym przedstawiono w badaniach

Balendrana i innych [6], i Zhou

i innych [7]. Badania przepro-

wadzono dla betonu zwykłego

o f c = 115 MPa i betonu lekkiego

o f c = 90 MPa.

Z badań wynika jednoznacznie

korzystny wpływ zbrojenia rozpro-

szonego na właściwości wytrzyma-

łościowe betonu przy rozciąganiu.

Wnioski wynikające z badań odno-

szą się jednak zawsze do konkret-

nego rodzaju włókna i betonu

i autorzy podkreślają, że nie można

ich uogólniać na inne zastosowania.

Tabela 1. Skład mieszanek betonowych

Seria 45/0 45/1s 45/2s 55/0 55/1s 55/2s

CEM I 32,5R [kg/m 3 ] 300 300 300 380 380 380

Popiół lotny [kg/m 3 ] 60 60 60 60 60 60

Piasek 0/2 [kg/m 3 ] 731 731 731 587 587 587

Żwir 2/8 [kg/m 3 ] 588 588 588 622 622 622

Żwir 8/16 [kg/m 3 ] 463 463 463 518 518 518

Woda [dm 3 /m 3 ] 185 185 185 180 180 180

Superplastyfikator BVT 99 [kg/m 3 ] – – – 1,32 1,32 1,32

Włókno stalowe [kg/m 3 ]

0 30 60 0 30 60

Tabela 2. Właściwości mieszanki betonowej

Parametr/seria 45/0 45/1s 45/2s 55/0 55/1s 55/2s

Opad stożka [mm] 120 115 80 80 140 70

Gęstość [kg/m 3 ] 2353 2388 2417 2369 2382 2405

Zawartość powietrza [%] 1,4 1,4 1,6 2,2 2,9 2,6

Tabela 3. Rodzaj przeprowadzonych badań

Rodzaj próbki Liczba próbek dla każdego betonu Badany parametr

Walec ∅ 150/300 mm

E cm , f c,cyl , σ − ε

Kostka 150×150×150 mm

f c,cube , f ct,sp

Belka 100×100×500 mm

f ct,be

Dlatego też postanowiono, że uzu-

pełnieniem badań stanów granicz-

nych strefy przypodporowej w bel-

kach dwuprzęsłowych [8, 9], będą

badania dotyczące samej matry-

cy betonowej i te badania zostały

omówione w tym artykule.

próbki, tj. do momentu badania,

przechowywano w hali laborato-

ryjnej. Próbki walcowe do badania

przygotowano metodą kapslowa-

nia.

Badania wykonano po 28 dniach

dojrzewania. Próbki badano do

zniszczenia. Badania próbek wal-

cowych i kostkowych wykonano

w prasie FORM+TEST o nośności

3000 kN, z automatycznym ste-

rowaniem prędkością obciążenia.

Dla próbek walcowych, w pró-

bie, aż do zniszczenia (E c , f c,cyl ,

σ – ε ), przyrost naprężeń wynosił

0,057 MPa/s. Badania odkształceń

prowadzono mechanicznymi czuj-

nikami tensometrycznymi o bazie

pomiarowej 150 mm i dokładności

odczytu 0,001 mm (rys. 1).

Czujniki siły i odkształcenia były

podłączone do komputerowego

Systemu Akwizycji Danych. Czas

próbkowania wynosił 0,2 s. Przed

tym badaniem, na tych samych

próbkach określono moduł spręży-

stości E c , metodą według DIN-

-1045. Przy badaniu wytrzymałości

na ściskanie (f c,cube ) przyrost naprę-

żeń wynosił 0,49 MPa/s, zgodny

z normą PN-EN 12390-3:2001,

Rys. 1. Badanie próbek walcowych –

mechaniczne czujniki tensometryczne

2. Program i opis badań

Podstawowy skład mieszanek obu

serii przedstawiono w tabeli 1.

Skład dobrano tak, by uzyskać

betony o projektowanej wytrzyma-

łości f c,cube = 45 i 55 MPa.

Do betonów zastosowano zbroje-

nie rozproszone w postaci włókien

stalowych karbowanych o długości

50 mm i średnicy 1 mm.

Zbadano 6 betonów (z każdego

wykonując po 2 zaroby). Wybrane

właściwości mieszanki przedsta-

wiono w tabeli 2.

Rodzaj próbek, ich liczbę i badany

na nich parametr przedstawiono

w tabeli 3. To zestawienie dotyczy

wszystkich zbadanych betonów.

Próbki po dwóch dniach od zaro-

bienia rozformowano i na kolej-

ne 12 dni umieszczano w wodzie.

Następnie, na kolejne dwa tygodnie

Rys. 2. Badania belek – czujnik indu-

kcyjny

PRZEGLĄD BUDOWLANY 6/2006

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

Tabela 4. Wyniki badań wytrzymałościowych i modułu sprężystości

Beton

f c,cube

[MPa]

f c,cyl

[MPa]

f ct,sp

[MPa]

f ct,fl

[MPa]

E c wg DIN

[MPa]

E c

[MPa]

f c

f c,cube

45/0 46

46,0

38,5

3,7

3,3

3,43

4,4

3,9

4,15

31200

30800

31000

30000

31400

30700 0,84

45/1s 46

45,3

38,0

3,8

3,6

4,4

3,93

3,8

4,6

4,20

30100

31400

30750

30850

31350

31100 0,84

45/2s 46

47,0

37,5

4,4

4,8

4,6

4,60

4,4

5,4

4,90

31300

31100

31200

31550

32400

32000 0,80

55/0 57

55,7

44,0

4,6

3,9

4,0

4,17

5,0

3,9

4,45

–

28200

30000

29100 0,80

55/1s 54

53,3

47,0

4,4

3,8

4,8

4,33

5,1

5,6

5,35

–

30000

32150

31100 0,88

55/2s 53

54,0

44,5

5,0

5,2

5,6

5,27

5,8

5,2

5,50

32800

31700

32250

31450

30700

31100 0,82

a przy badaniu wytrzymałości

f ct,sp 0,05 MPa/s, zgodnie z normą

PN-EN 12390-6:2001.

Badanie belek (f ct,fl ) przeprowa-

dzono w prasie ZD-20 obciążając

próbkę jedną siłą skupioną usta-

wioną centryczne, przy rozstawie

podpór 300 mm. Odkształcenia

dolnych włókien belki mierzono

za pomocą czujnika indukcyjnego

o dokładności odczytu 0,01 mm,

na bazie pomiarowej 200 mm

(rys. 2). Przyrost naprężeń wynosił

0,02 MPa/s, a czas próbkowania

wynosił 0,2 s.

Dodatek włókien stalowych spo-

wodował proporcjonalny do ilości

włókien wzrost gęstości mieszanki.

Dodatek włókien stalowych nie

wpłynął znacząco ani na wytrzy-

małość kostkową f c,cube , ani na

walcową f c,cyl . Została zachowa-

na odpowiednia proporcja między

tymi wytrzymałościami. Stosunek

f c,cyl /f c,cube wynosił od 0,80 do 0,88,

średnio 0,83.

4.2. Wytrzymałości na ściskanie,

moduł sprężystości i zależność

σ – ε przy ściskaniu

� c [MPa]

45/0

� c [MPa]

55/0

� [‰]

3. Wyniki badań

0 1 2 3 4 5 6

W tabeli 4 zestawiono wyniki

badań wytrzymałościowych i mo-

dułu sprężystości.

� c [MPa]

45/1s

� c [MPa]

55/1s

4. Analiza wyników badań

� [‰]

4.1. Właściwości mieszanki beto-

nowej

Dodatek włókien stalowych nie

wpłynął ani na konsystencję mie-

szanki betonowej, ani na zawartość

powietrza. Zawartość powietrza

w betonach o wytrzymałości około

45 MPa (mieszanki bez domieszki)

wynosiła od 1,4 do 1,6%, zaś w be-

tonach wytrzymałości około 55 MPa

(mieszanki z domieszką upłynnia-

jącą) wynosiła od 2,2 do 2,9%.

0 1 2 3 4 5 6

� c [MPa]

45/2s

� c [MPa]

55/2s

� [‰]

0 1 2 3 4 5 6

Rys. 3. Zależność σ – ε przy ściskaniu

PRZEGLĄD BUDOWLANY 6/2006

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

1,0

Włókna stalowe nie miały też wpły-

wu na moduł sprężystości. Warto-

ści modułu określone dwiema

metodami (wg DIN-1045 i z zależ-

ności σ – ε z przedziału od 0,1

do 0,4 f c były zbliżone i prawie jed-

nakowe dla wszystkich betonów.

Wpływ zbrojenia rozproszonego

daje się natomiast zauważyć

w zależności σ – ε , ale jedynie w opa-

dającej części wykresu (rys. 3 i 4).

Na wykresach przedstawiono war-

tości średnie z trzech baz pomia-

rowych o długości 150 mm, usy-

tuowanych na próbce walcowej

co 120°. Ze względu na dużą czę-

stotliwość pomiarów, zależności

σ – ε w części wznoszącej wykresu,

do osiągnięcia wytrzymałości f c,cyl

przedstawiono linią ciągłą, zaś dla

części opadającej poszczególne

odczyty zaznaczono w postaci kro-

pek połączonych linią. Każdy kolej-

ny odczyt następował po 0,2 s.

Odkształcenia odpowiadające f c,cyl

w betonach serii 45 wynosiły od 2,0

do 2,2‰, zaś w betonach serii 55

od 2,2 do 2,4‰. Z rysunku 4 wyni-

ka, że niewielki wpływ zbrojenia

rozproszonego na odkształcenia

betonu po osiągnięciu wytrzymało-

ści f c,cyl daje się zauważyć jedynie

przy zastosowaniu 60 kg włókien

stalowych w m 3 betonu.

� c / � cmax

45/2s

0,8

55/2s

45/0

45/1s

0,6

0,4

55/1s

0,2

55/0

0,0

� [‰]

0,0

� [‰]

0 1 2 3 4 5 6

Rys. 4. Sprowadzone zależności σ – ε przy ściskaniu

� ct [MPa]

45/0

55/0

� [‰]

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

� ct [MPa]

45/1s

� [‰]

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

� ct [MPa]

45/2s

55/2s

4.3. Wytrzymałość na rozciąga-

nie i zależność σ – ε przy rozcią-

ganiu

Włókna stalowe wpłynęły korzyst-

nie na wytrzymałość betonu przy

rozciąganiu (tab. 4). Wyniki badań

wytrzymałościowych uzyskanych

metodą rozłupywania i zginania

wykazują, że wytrzymałość beto-

nu z dodatkiem włókien w ilości

30 kg/m 3 była większa o około

10%, a przy ilości 60 kg/m 3 o 25%

w odniesieniu do wytrzymałości

samej matrycy betonowej.

Na rysunku 5 przedstawiono zależ-

ność σ – ε przy rozciąganiu w próbie

zginania. Rozmyty wykres części

wznoszącej wynika z przyjętego

czasu próbkowania (0,2 s) i dokła-

dności czujnika (0,01 mm), o rząd

wielkości mniejszej niż w wypadku

naprężeń ściskających. Podobnie

� [‰]

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Rys. 5. Zależność σ – ε przy rozciąganiu

� ct [MPa]

45/2s

55/2s

� [‰]

0 5 10 15 20 25 30

Rys. 6. Zależność σ – ε przy rozciąganiu w próbie zginania

PRZEGLĄD BUDOWLANY 6/2006

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

jak dla ściskania, w części opada-

jącej wykresu poszczególne odczy-

ty zaznaczono w postaci kropek.

Dla belek 55/1 s nie podano zależ-

ności z powodu awarii czujnika.

Charakter wykresu σ – ε w części

wznoszącej jest wyraźnie krzywo-

liniowy z odkształceniem odpo-

wiadającym f ct,fl równym od 0,15

do 0,20‰. Próbki bez zbrojenia

rozproszonego po osiągnięciu

odkształceń około 0,2‰ niszczy-

ły się gwałtownie. Dodatek włó-

kien w ilości 30 kg/m 3 wpłynął

nieznacznie na ciągliwość beto-

nu. Odkształcenia przy zniszcze-

niu wynosiły około 0,4‰. Dodatek

włókien w ilości 60 kg/m 3 wpły-

nął na ciągliwość zdecydowa-

nie. Na rysunku 6 przedstawiono

zależność σ – ε części opadającej

aż do odkształcenia 30‰. Tej war-

tości odkształcenia, przy bazie

pomiarowej 200 mm, odpowiada

rysa o szerokości rozwarcia 6 mm.

Równomierne rozmieszczenie pun-

któw pomiarowych świadczy o rea-

lizacji badania z zachowaniem sta-

łego przyrostu odkształcenia.

Maksymalne naprężenia σ ct utrzy-

mują się aż do wartości 5‰ (rysa

1 mm), a w wypadku betonu 55/2 s

obserwujemy przy tych napręże-

niach maksimum naprężeń o war-

tości przekraczającej f ct . Wysoki

jest też poziom naprężeń σ ct przy

szerokości rozwarcia rysy 2 mm

(odkształcenia 10‰). Dla betonu

45/2 s wynosi on około 0,6 f ct , a dla

55/2 s około 0,7 f ct .

concrete at early age, Cement & Concrete

Research 2000, pp. 1573–1579.

[4] Yao W., Li J., Wu K., Mechanical

properties of hybrid fiber-reinforced concrete

at low fiber volume fraction, Cement &

Concrete Research 2003, pp. 27–30.

[5] Barragán B. E., Gettu R., Martin M. A.,

Zerbino R. L., Uniaxial tension test for steel

fibre reinforced concrete-a parametric study,

Cement & Concrete Composites 2003, pp.

767–777.

[6] Balendran R. V., Zhou F. P., Nadeem

A., Leung A. Y. T., Influence of steel fibres

on strength and ductility of normal and

lightweinght high strength concrete, Building

and Environment 2002, pp. 1361–1367.

[7] Zhou F. P., Balendran R. V., Jeary A. P.,

Size effect on flexural, splitting tensile, and

torsional strengths of high-strength concrete,

Cement & Concrete Research 1998, pp.

1725–1736.

[8] Domański T., Czkwianianc A., Wpływ

zbrojenia rozproszonego na odkształcenia

w strefach ścinania w belkach

dwuprzęsłowych, Krynica 2004, s. 19–26.

[9] Domański T., Badania strefy

przypodporowej ze zbrojeniem rozproszonym

w belkach dwuprzęsłowych, Zeszyty

naukowe Politechniki Śląskiej – Zeszyt 102,

s. 123–130.

BIBLIOGRAFIA

[1] Chenkui H., Guofan Z., Properties of Steel

Fibre Reinforced Concrete Containing Larger

Coarse Aggregate, Cement & Concrete

Composites 1995, pp. 199–206.

[2] Taylor M., Lydon F. D., Barr B. I.G.,

Toughness Measurements on Steel Fibre-

reinforced High Strength Concrete, Cement &

Concrete Composites 1997, pp. 329–340.

[3] Ding Y., Kusterle W., Compressive stress-

strain relationship of steel fibre-reinforced

Nobiakrylak

– nowe możliwości

NOBIAKRYLAK – emalia poliuretanowa akrylowa marki Nobiles – ma teraz nowe zastosowanie.

Można jej używać nie tylko do malowania powierzchni metalowych, ale także do malowania

i odnawiania powierzchni laminowanych: np. jachtów, kajaków i desek windsurfingowych.

Nobiakrylak przeznaczony jest za

tem do ochronno-dekoracyjnego

malowania oraz odnawiania po

wierzchni:

• metalowych, np. maszyn, urzą-

dzeń, podwozi samochodowych;

• elementów i konstrukcji stalo-

wych;

• laminowanych np. sportowego

sprzętu wodnego;

• drewnianych i drewnopodobnych

narażonych na działanie wody i nie-

korzystnych warunków atmosferycz-

nych.

Charakteryzuje się doskonałą przy-

czepnością do malowanych pod-

łoży po wcześniejszym zagrunto-

waniu podkładem antykorozyjnym,

np. Podkładem Poliuretanowym

(podłoże stalowe) lub epoksydowym

– Nobiepoksyd (stalowe, laminaty).

Emalia nadaje wysoki połysk i ma

szeroką paletę kolorów. Jej głów-

nymi zaletami są szybkie schnięcie,

odporność na działanie czynników

mechanicznych, dobre zabezpiecze-

nie malowanych powierzchni przed

działaniem niekorzystnych warun-

ków atmosferycznych (np. promie-

nie UV) i chemicznych oraz odpor-

ność na działanie wody. Emalia wraz

z podkładem Nobiepoksyd posiada

atest Centrum Techniki Okrętowej

w Gdańsku. Dostępna jest w bla-

szanych opakowaniach o pojem-

ności 1 l i 10 l. Cena: wg cen-

nika netto za opakowanie 1 litr:

od 34 ,99 do 48,99 zł (w zależności

od koloru).

PRZEGLĄD BUDOWLANY 6/2006

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: