V LIV PŘÍDAVKU VLÁKEN NA VLASTNOSTI LEHKÉHO

Transkript

1 V LIV PŘÍDAVKU VLÁKEN NA VLASTNOSTI LEHKÉHO SAMOZHUTNITELNÉHO B E T O N U THE EFFECT OF FIBRE R E I N F O R C E M E N T ADDITION ON THE L I G H T W E I G H T SELF COMPACTING CONCRETE PROPERTIES M ICHALA HUBERTOVÁ, R UDOLF HELA Příspěvek popisuje poznatky z etapy vývoje lehkých samozhutnitelných betonů (LWSCC) zabývající se studiem vlivu různých typů vláken na vlastnosti LWSCC (reologické i základní fyzikálně-mechanické vlastnosti). The paper describes the research results of Lightweight Self Compacting Concrete (LWSCC) development, especially of the influence of fibre reinforcement on the LWSCC properties (the rheology and basic physico-mechanical properties). Rovnoměrné rozptýlení vláken v betonu může významným způsobem ovlivnit některé fyzikálně mechanické vlastnosti pokládané za jeho slabiny. Především schopnost betonu odolávat účinkům tahových napětí, křehký charakter jeho porušení a v neposlední řadě i projevy objemových změn při jeho tvrdnutí a zrání či tepelném namáhání. Při návrhu a výrobě vláknobetonu je nutné vhodně zvolit druh vlákna, jeho odpovídající množství a technologii výroby, která je složitější než u normálního betonu. Vlákna obecně mohou výrobu betonu komplikovat z důvodu jejich odlišného chování a vlastností oproti ostatním složkám. Vlákna se aplikují v matricích složených z prakticky čistého cementu až po klasické malty a betony. Do klasických maltových a betonových směsí se jako krátkovlákenné vyztužení v běžné stavební výrobě v největší míře používají vlákna ocelová, skleněná (alkalivzdorná) a syntetická organická (polypropylenová, celulozová apod.). Díky rychlému vývoji v této oblasti se dnes objevují aplikace s novými polymerními vysokomodulovými vlákny z polyetylénu (PE) nebo z polyvinylalkoholu (PVA). Dále existují vlákna speciální, jako jsou vlákna uhlíková, nylonová, hliníková a whiskery (velmi jemný typ vláken krystalické povahy do velikosti 1 μm). Mezi nejpodstatnější vlastnosti vláken pro návrh vláknobetonu patří modul pružnosti v tahu, mez pevnosti v tahu a hustota. Významný je vliv vláken na potlačení vzniku trhlin v betonu. Jakýkoli cementový kompozit se v průběhu vysychání a ochlazování smršťuje. Pokud změně objemu materiálu není bráněno, hovoříme o volném smršťování (nevzniká napětí). Omezením objemových změn dochází v materiálu k nárůstu napětí. V místech, kde napětí dosáhne tahové pevnosti materiálu (betonu), se začne rozvíjet trhlina. Rozvoj, šíření a spojování trhlin vede ke vzniku větších poruch, které mohou dále vést až k destrukci konstrukce. Proto je důležité zabránit vzniku těchto trhlin, a to ve všech směrech konstrukce. Pro omezení objemových změn cementové matrice a následného vzniku trhlin se používají vlákna s vysokou jemností, jejichž modul pružnosti by měl být vyšší než u matrice. Nejpoužívanější jsou v tomto případě vlákna polypropylénová a skleněná. Vyztužení betonu musí být rovnoměrné. Dávkování jemných vláken se pohybuje od,7 do 1,1 kg/m 3 betonu. Tyto vlákna zhoršují zpracovatelnost (pokles cca o 3 až 6 mm při zkoušce sednutí kužele). Při míchání těchto betonů je nutné použít intenzivní způsoby (míchačky s nuceným oběhem) nebo prodloužit dobu míchání, aby nevznikly shluky vláken. Všesměrně rozptýlená jemná vlákna dokáží zvýšit houževnatost a odolnost materiálu právě proti vzniku a šíření trhlin zejména v ranném stádiu zrání. Platí to i pro skleněná a ocelová vlákna, i když jejich aplikací lze dosáhnout i určitého zvýšení pevností v tahu za ohybu ve srovnání s nevyztuženou matricí. Ve ztvrdlém stavu, kdy mají trhlinky při namáhání betonu tendenci šířit se a spojovat v trhliny větší, zajišťují omezení a stabilizaci tohoto procesu, a zvyšují tak celkovou houževnatost betonu. Pro zvýšení vybraných mechanických vlastností betonu se používají vlákna kovová a syntetická. Rozdíl mezi vláknobetonem a prostým betonem je zřejmý z porovnání pracovních diagramů obou betonů při namáhání v tahu, resp. tahu za ohybu. Projeví se nejen nárůst pevnosti způsobený oddálením vzniku trhlinek v jeho struktuře, ale především fakt, že i po vzniku viditelných trhlin aktivovaná vlákna způsobují, že vláknobeton je jako houževnatý materiál schopen přenášet jistá reziduální tahová napětí. E XPERIMENTÁLNÍ PRÁCE Lehké betony vykazují dost křehké lomové chování. Za účelem zvýšení duktility těchto betonů se může s výhodou použít vláknové rozptýlené výztuže. Během vývoje lehkých samozhutnitelných betonů (Light Weight Self Compacting Concrete LWSCC) na Ústavu technologie stavebních hmot a dílců Fakulty stavební v Brně vznikla myšlenka ověřit vliv různých druhů vláken na vlastnosti již navržených a ověřených receptur LWSCC. V rámci experimentálních prací byly vyrobeny dvě sady receptur. Jedna sada obsahovala lehké kamenivo Liapor v kombinaci s přírodním kamenivem (označení ) a druhá byla vyrobena výhradně s lehkým kamenivem Liapor (označení I). V každé sadě byla vyrobena referenční receptura, která byla dále modifikována různými typy vláken. Byla použita syntetická vlákna délky 5 mm v množství 1, 4 a 8 kg/m 3, což je obvyklé rozmezí dávkování. Dále byla použita polypropylenová vlákna délky 12 mm v množství,91 kg/m 3 (,1 % objemových) a dva druhy ocelových vláken. První typ ocelových vláken měl kruhový průřez o průměru,4 mm a délce 12 mm. Druhý typ ocelových vláken byl podélně zvlněný, kruhového průřezu průměru,6 mm a délky 2 mm. Oba druhy ocelových vláken byly dávkovány v množství 25 kg/m 3. Každá sada tedy obsahovala sedm receptur, tj. jednu referenční a šest receptur s přídavkem vláken (schéma a označení receptur viz obr. 1). Základní složení referenčních receptur je uvedeno v tabulce 1. Na jednotlivých recepturách byl sledován vliv přídavku různých typů vláken na reologické vlastnosti, které byly zkoušeny obvykle používanými metodami pro samozhutnitelné betony. Jednalo se o zkoušku rozlití obráceného Abramsova kužele, Orimet, J-Ring a L-Box. Zpracovatelnost těchto receptur byla zkoušena 16 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/27

2 CEM I 42,5 R přírodní kamenivo Liapor [m 3 ] popílek prášková mikrosilika PCE [%] stabilizátor v/c Obr. 1 Schéma a označení receptur Fig. 1 Schema and marking of set I and set II of mix-designs Tab. 1 Složení referenčních receptur Tab. 1 Mix proportion (reference mix) Tab. 2 Reologické vlastnosti souboru receptur Tab. 2 Rheological properties of set I 37 58, ,5 1,4,39 I , ,5 1,4,39 Test / zpracovatelnost [min] / doporučené hodnoty Slump flow [mm] Flow time [s] Orimet [s] L Box h 2 /h 1 1kg 4kg 8 kg PP zvlněná rovná 2,6 2,4 2,5 6,4 5,5 3,8 3,2 2 až ,1 4, ,2 4, až ,5 3,1 3,5 7 8,3 4,9 4 1 až 5 6 4,3 4,8 4,8 9,1 13,4 8,1 7,2 1, ,74,89,95,8 až 1 6,91, ,48,74,83 v časech po namíchání, po 6 a po 9 min. Dále bylo prováděno měření objemových změn, a to jak v čerstvém stavu ihned po namíchání, tak v průběhu zrání na ztvrdlém betonu. Nakonec byly stanoveny fyzikálně-mechanické vlastnosti těchto receptur včetně statických modulů pružnosti. Diskuze výsledků čerstvý beton Pro měření objemových změn čerstvého betonu ihned po namíchání byla použita speciální forma. Tělo formy je kónické délky 375,55 mm, jedno čelo formy je pevně spojeno s tělem formy, druhé posuvné čelo umožňuje volný pohyb a je schopno sledovat změny délky uloženého čerstvého betonu. Součástí těla formy je stojan pro uchycení digitálního úchylkoměru s výstupem na PC a přesností,1 mm, hodnoty jsou automaticky zaznamenávány po 3 min. do PC. Na obrázku 2 je graficky znázorněn průběh objemových změn v čerstvém betonu souboru receptur v čase ihned po namíchání betonu do 48 h od namíchání. Čerstvý beton uložený do konické formy nebyl ošetřován, teplota v místnosti během měření byla cca 2 C. K nejrychlejším změnám v objemu docházelo v průběhu prvních 1 h od zamíchání čerstvého betonu, poté se změny ustálily. Mimo přídavku syntetických vláken v množství 1 kg/m 3 měla všechna vlákna pozitivní vliv na omezení objemových Obr. 2 Průběh objemových změn v čerstvém stavu souboru receptur Fig. 2 Volumetric changes of fresh concrete set I Obr. 3 Průběh objemových změn během zrání betonu receptur Fig. 3 Volumetric changes of concrete set I during concrete setting B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/27 17

3 Obr. 4 Pevnost v tlaku jednotlivých receptur po 7 a 28 d Fig. 4 Compressive strength of each mix-design after 7 and 28 days Obr. 5 Pevnost v tahu za ohybu jednotlivých receptur Fig. 5 Flexural strength of each mix-design Obr. 6 Pevnost v příčném tahu (Brazilská zkouška) jednotlivých receptur Fig. 6 Splitting tensile strength (Brazillian test) Obr. 7 Závislost mezi dynamickým modulem pružnosti LWSCC a statickým modulem pružnosti Fig. 7 Relationship of dynamic and static elasticity modules of LWSCCa statickým modulem pružnosti Obr. 8 Závislost mezi dynamickým modulem pružnosti lehkého vláknobetonu a pevností v tlaku po 28 dnech Fig. 8 Relationship of dynamic elasticity modulus and compressive strength of LWSCC Obr. 9 Porovnání převodních součinitelů pro lehké vláknobetony a obyčejné betony Fig. 9 Conversion coefficient comparison of lightweight fibre reinforcement concrete and normalweight concrete 18 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/27

4 změn. Podobný trend vykazovala receptura I s použitím výhradně lehkého kameniva Liapor. Co se týká reologických vlastností jednotlivých receptur, lze konstatovat, že obvyklá kritéria [1] pro pohyblivost lehkých samozhutnitelných betonů splnily spolu s referenční recepturou pouze receptury s použitím obou typů ocelových vláken. Syntetická i polypropylenová vlákna způsobovala vysokou blokaci čerstvého betonu (u receptur s použitím výhradně lehkého kameniva pouze syntetická vlákna). Obr. 1 Řez zkušebním tělesem receptury s kombinací přírodního kameniva a lehkého kameniva Liapor a přídavkem syntetických vláken v množství 4 kg/m 3 Fig. 1 Cross-section of tested specimen of set I with addition of 4 kg.m -3 synthetic fibres Obr. 11 Blokace čerstvého betonu způsobená přídavkem syntetických vláken, a) I-Ring, b) L-box Fig. 11 Synthetic fibres cause the blocking of fresh concrete Obr. 12 I PP kompaktnost čerstvého betonu a) s polypropylenovými vlákny, b) s ocelovými vlákny Fig. 12 Mix design II compactness of fresh concrete with polypropylene and steel fibres after testing 11a 12a Diskuze výsledků ztvrdlý beton Byly zkoušeny objemové změny v průběhu zrání betonu, a to jak na vzorcích uložených v normovém vodním uložení, tak u vzorků uložených v laboratorním prostředí. Jejich průběh v čase 1 až 45 d od uložení je znázorněn na obr. 3. Z výsledků je patrné, jak důležité je tyto betony správně ošetřovat, a to jak LWSCC s přídavkem vláken, tak i bez nich. Receptury uložené v laboratorním prostředí (cca 22 o C s nízkou relativní vlhkostí) vykazovaly výrazné smršťování. Receptury s využitím pouze lehkého kameniva vykazovaly nižší hodnoty smrštění, což jen ověřuje známou vlastnost nižších objemových změn betonu s využitím lehkých pórovitých kameniv (oproti obyčejnému betonu). U referenční receptury bylo dosaženo pevnosti v tlaku 4 MPa, při objemové hmotnosti 174 kg/m 3. U referenční receptury I bylo dosaženo 29 MPa pevnosti v tlaku při objemové hmotnosti ve vysušeném stavu 1 43 kg/m 3. Hodnoty pevností v tlaku jednotlivých receptur jsou patrné z grafického znázornění na obrázku 4. Zajímavější jsou hodnoty pevností v tahu za ohybu uvedené na obrázku 5, kde je jasně patrný jejich nárůst, a to zejména u receptur s využitím výhradně lehkého kameniva Liapor, kde pevnost v tahu za ohybu velmi výrazně zvýšilo použití syntetických vláken v množství 4 a 8 kg/m 3 o 4 %, a PP vláken až o 142 %. Hodnoty pevností v příčném tahu tzv. Brazilskou zkouškou jsou uvedeny na obr. 6. U receptur pevnost v příčném tahu nejvíce ovlivnila opět syntetická vlákna v množství 4 kg/m 3, kde se mez vzniku první trhliny zvýšila o 17 % a mez porušení o 36 %. U I nejvíce pozitivně ovlivnila opět syntetická vlákna v množství 4 a 8 kg/m 3, kde se mez vzniku první trhliny nezvýšila, ale mez porušení se zvýšila o 35 %. Dále PP vlákna, kde se mez vzniku první trhliny zvýšila o 28 % a mez porušení o 27 %. Všechny pevnostní charakteristiky byly stanovovány na zkušebních tělesech tvaru krychle o délce hrany 15 mm, které zrály v normových podmínkách. Při návrhu betonových a železobetonových konstrukcí je kromě různých pevností důležitým parametrem i statický modul pružnosti betonu. Tento lze stanovovat dvěma způsoby, jednak přímo ze zatěžování zkušebních těles a zjišťováním odpovídajících deformací, jednak nepřímo pomocí dynamických nedestruktivních metod zkoušení (ultrazvuková impulsová a rezonanční metoda) a následným přepočtem dynamického modulu na statický s využitím zmenšovacího koeficientu 1 11b 12b B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/27 19

5 (pro obyčejné betony jsou hodnoty pro uvedené metody v ČSN ). Pro obyčejné betony obecně platí, že hodnota dynamického modulu je vyšší než statického modulu pružnosti a závisí i na pevnostní třídě betonu. Na všech recepturách byly naměřeny statické i dynamické moduly pružnosti, které byly spolu srovnány. U souboru receptur byl dynamický modul oproti statickému vyšší o 22 %, u souboru I o 18 %. Závislost mezi dynamickým modulem pružnosti E bu a statickým modulem pružnosti, resp. pevností v tlaku je znázorněna na obrázcích 7 a 8. Zejména závislost mezi moduly se vyznačuje vysokou těsností korelace (R =,96). Na obr. 9 je uvedeno porovnání převodních součinitelů pro převod dynamického modulu z ultrazvukové metody na statický modul pružnosti uváděný pro obyčejné betony v ČSN s hodnotami zjištěnými pro lehké vláknobetony. Z porovnání přepočítacích koeficientů mezi modulem pružnosti z měření ultrazvukovou impulsovou metodou a statickým modulem pružnosti pro obyčejné betony (hodnoty uvedené v ČSN ) a pro lehké vláknobetony vyplývá, že rozdíly v jejich hodnotách jsou minimální (,5 až 2,1 %). Dosažené výsledky ukázaly reálnost využití ultrazvukové impulsové metody i pro stanovení modulů pružnosti lehkých vysokohodnotných betonů. Je však třeba mít na zřeteli, že tato měření je třeba provádět za přesně definovaných podmínek, zejména vlhkostí betonu. Vzhledem k omezenému rozsahu sledovaného souboru je třeba zjištění hodnot převodních součinitelů zatím považovat jako informativní. Pro jejich korektní stanovení je nezbytné zvýšit četnost prvků v souboru, ale i rozšířit rozsah sledovaných pevnostních tříd. Prezentované výsledky jsou pouze jedním z impulsů pro další práce v této problematice. Literatura: [1] EFNARC Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete, Surrey United Kingdom 22, EFNARC 22. ISBN: [2] Kolísko J., Dubský N., Klečka T.: Použití krátkých rozptýlených vláken v betonech a maltách. In Seminář TKP pozemních komunikací Kapitola 18. Beton pro konstrukce, ČBS ČSSI Praha 25, str , ISBN: [3] Bodnárová L.: Kompozitní materiály ve stavebnictví. Skriptum VUT FAST Brno, Akademické nakladatelství CERM, s. r. o., Brno 22, ISBN: [4] Balaguru, Perumalsamy N., Shah Surendra P.: Fiber reinforced cement composites, R. R. Donnellwy & Sons Company, USA 1992, ISBN: [5] Vašková J., Vodička J.: Konstrukční vláknobetony se syntetickými vlákny. In 11. Betonářské dny 24. str , ISBN: [6] Krátký J., Trtík K., Vodička J.: Drátkobetonové konstrukce, Edice betonové stavitelství ČKAIT, Praha 1999, ISBN: Z ÁVĚR Závěrem lze jednoznačně konstatovat, že pro technologii lehkých samozhutnitelných betonů lze s ohledem na splnění reologických vlastností a kladný vliv vláken na fyzikálně-mechanické vlastnosti s výhodou použít pouze některé typy krátkých ocelových vláken (do 12 mm) a u LWSCC s použitím výhradně lehkého kameniva doporučujeme krátká polypropylenová vlákna v délce do 12 mm. Použití delších syntetických vláken (5 mm) není vhodné z hlediska nesplnění požadavků na reologické vlastnosti čerstvých samozhutnitelných betonů. Z hlediska jejich velmi efektivního působení na fyzikálně-mechanické vlastnosti ztvrdlého betonu lze tyto vlákna s výhodou použít do vibrovaných lehkých betonů. Totéž platí případně také pro delší polypropylenová vlákna. Obecně lze potvrdit, že vliv délky, příp. tvaru vláken na reologické chování čerstvých betonů je pro lehké betony podstatně zásadnější a negativnější než u běžných hutných betonů. Dle výsledků se ukazuje, že vliv přídavku různých typů vláken je rozdílný u lehkých betonů s použitím výhradně lehkého kameniva oproti lehkým betonům s přídavkem kombinace lehkého a přírodního kameniva. Dle výsledků výzkumu lze ale všechny použité typy vláken doporučit pro použití v technologii lehkých vibrovaných betonů, neboť přídavkem různých typů vláken lze modifikovat a zejména zlepšovat některé fyzikálně-mechanické vlastnosti [7] Chia K. S., Zhang M. H.: Influence of Rheological Parameters on the Stability of Fresh High-Strength Lightweight Aggregate Concrete. In 7 th CANMET/ACI Inter. Conf. on Recent Advances in Concrete Technology, Las Vegas, U.S.A. 24, pp [8] Mechtcherine V., Haist M., Müller H. S.: Development of self-compacting lighweight concrete with and without fibre-reinforcement, In Non-traditional cement and concrete 22, Brno 22, str , ISBN [9] Spiratos Haist M., Mechtcherine V., Beitzel H., Müller H. S.: Retrofitting of Building Structures using Pumpable Self-compacting lightweight concrete, In 3 rd Inter. Symp. on Self- Compacting Concrete. Reyjkjavik, Iceland 23, str [1] Józsa Z.: Use of Glass and Synthetics fibres Preventing Early Age Cracking of Normal and Lightweight Concrete. In 1st CCC Congress on Fibre Reinforced Concrete in Practice, Graz 25, pp [11] BIBM, CEMBUREAU, ERMCO, EFCA, EFNARC The European Guidelines for Self Compacting Concrete, May 25, lehkého betonu, které lze do určité míry považovat za jejich slabinu. Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu GA ČR 13/7/76 Vývoj lehkých betonů pro široké konstrukční využití a za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M579, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS. Ing. Michala Hubertová, Ph.D. Lias Vintířov, Lehký stavební materiál, k. s Vintířov tel.: hubertova@liapor.cz, Fakulta stavební VUT v Brně Ústav technologie stavebních hmot a dílců hubertova.m@fce.vutbr.cz Doc. Ing. Rudolf Hela, CSc. Fakulta stavební VUT v Brně Ústav technologie stavebních hmot a dílců Veveří 331/95, 62 Brno tel.: , fax.: hela.r@fce.vutbr.cz, Text článku byl posouzen odborným lektorem. 2 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/27

6