Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad VLIV RŮZNÝCH DRUHŮ OCELOVÝCH DRÁTKŮ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI VYSOKOPEVNOSTNÍHO BETONU Jaroslava Koťátková 1), Ondřej Holčapek 2), Petr Huňka 3), Pavel Reiterman 2) 1) Experimentální centrum, Fakulta stavební, ČVUT, Praha 6 2) Materiály a konstrukce budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad 3) Stachema s.r.o., Kolín ANOTACE Tato práce je zaměřena na studium chování různých typů ocelových vláken a porovnání jejich vlivu na mechanické vlastnosti vysokopevnostního betonu (High Strength Concrete = HSC). Nejvíce ovlivněnými charakteristikami byly lomová energie, pevnost v tahu za ohybu a pevnost v příčném tahu. Právě zlepšování těchto vlastností je hlavním důvodem vyztužování pomocí vláken, neboť nevyztužený beton vykazuje špatnou duktilitu, což může mít za následek náhlé porušení konstrukčního prvku. Výsledky zkoušek bylo potvrzeno očekávané zlepšení přetvárných vlastností betonů, u nichž byla vlákna aplikována. Použitá vlákna se lišila kotevní úpravou, použitou třídou oceli a délkou. Nejvyšších hodnot lomové energie bylo dosaženo při použití nejdelších ze studovaných vláken, tedy 60 mm dlouhých s průměrem 0,75 mm. Na druhou stranu kratší vlákna (30 mm) stejného průměru vykázala vyšší hodnoty pevností v tahu za ohybu a v příčném tahu. Rozptýlená výztuž nemůže nikdy plně nahradit tradiční prutovou výztuž, jež je cíleně vkládána do míst extrémních tahových napětí. Ovšem rozptýlená výztuž může přispět ke zvýšení odolnosti prvku při specifických podmínkách namáhání. SUMMARY This paper is focused on the comparison of different types of steel fibres in relation to their influence on the final mechanical properties of High Strength Concrete (HSC). The most affected characteristics of concrete were fracture energy, flexural and split strength, which are the main goals of using fibre reinforcement, as HSC has otherwise low ductility that can result in sudden failure of the concrete structural element. Expected better behaviour of highstrength steel fibres hooked at the ends than of the ones of normal strength with only flattened ends was approved. The highest values of fracture energy was achieved with the longest steel fibres 60 mm (diameter 0.75 mm). Whereas shorter fibres (30 mm) of the same diameter reached increased flexural and split strength. ÚVOD V posledních letech byl zaznamenán výrazný vývoj vysokopevnostního betonu. Hlavním úkolem takového materiálu je, jak sám název napovídá, získat vysokou pevnost v tlaku i z dlouhodobého pohledu. Toho lze docílit správným návrhem betonové směsi, který zahrnuje nízký vodní součinitel, použití vhodných přísad a příměsí, jako jsou například křemičitý úlet, popílek, vysokopecní struska apod. [1]. Intenzivním výzkumem bylo zjištěno, že kompaktní struktura vyskopevnostního betonu napomáhá zlepšování i dalších vlastností, což se projevilo delší životností betonového prvku a vznikl tak nový pojem vysokohodnotný beton (High Performance Concrete HPC), pro nějž je charakteristická i vysoká trvanlivost. Na druhou stranu, spolu se zkvalitněním určitých vlastností se objevily i určité nežádoucí dopady na vlastnosti betonu [2]. Příliš hutná struktura betonu sice zvyšuje tahové pevnosti, ovšem 137
k porušení dochází náhle. Tzv. nízká duktilita HSC způsobuje křehký lom, který je s ohledem na dosažení určitého stupně bezpečnosti betonových konstrukcí nežádoucí. To lze odstranit přídavkem vláken, čímž se zvyšuje tuhost betonu a lomová energie. Vlákna jsou schopna přenášet tahová napětí betonu, u kterého už se objevily trhliny, zabraňují jejich dalšímu rozvoji a zvyšují tak pevnost betonu v tahu [3]. Průřez je tak schopen i porušení přenášet jisté zatížení. Řada dalších studií i praktické zkušenosti potvrdily pozitivní dopad použití rozptýlené výztuže na užitné vlastnosti betonu - nižší smršťování, vyšší odolnost nárazu a požáru, únavová pevnost, apod. Ocelová vlákna jsou na trhu k dostupná v široké škále, lišící se v délce, průměru, tvaru a povrchové úpravě. Tyto charakteristiky výrazně ovlivňují chování a vlastnosti vysokopevnostního betonu vyztuženého ocelovými vlákny (Steel Fibre Reinforced High Strength Concrete = SFRHSC). Koncová úprava, především v podobě háků, spolu s vyšším obsahem vláken zvyšují tuhost betonu, schopnost pohlcování energie a Poissonův součinitel, přičemž ale zhoršují zpracovatelnost čerstvé směsi [4]. Využití SFRHSC lze nalézt hned v několika případech například ve výrobě lehčených kompozitních mostních desek, ve zvyšování únosnosti a životnosti vyztužených betonových konstrukčních prvků, zvyšování odolnosti styků sloup-průvlak pod cyklickým zatěžováním atd. SFRHSC kromě toho vykazuje dobrou odolnost seizmicitě a přináší tak nové možnosti při návrhu konstrukcí určených do regionů s vysokou pravděpodobností výskytu zemětřesení [5]. Použití ocelových drátků je také jedním z možných mechanismů zajištění kotevní oblasti tradičních výztužných tyčí a drátů v betonu [6]. Představují pasivní zpevnění a snižují tak riziko odštěpení betonu od výztuže, vliv tohoto jevu roste společně s tlakovou pevností použitého betonu, neboť dosah radiálního napětí je u daného betonového segmentu v oblasti výztuže delší. Efektivnost tohoto jevu však závisí na délce a průměru vláken. García-Taengua a kol. [6] během svého výzkumu zjistili, že delší a štíhlejší ocelová vlákna mají vyšší tendenci zvyšovat soudržnost betonu, čímž se snižuje potřebná tloušťka krycí vrstvy. Vliv poměru délky k průměru byl na mechanické vlastnosti betonu studován Wangem a kol. [7]. Výsledky ukázaly, že existuje hraniční hodnota tohoto poměru, nad kterou už je další zvyšování pevnosti a modulu pružnosti nevýznamné, zatímco tuhost a lomová energie stále roste. Wang a kol. se také zabývali chováním SFRHSC při nárazu projektilem. Při vyšším poměru délky vlákna k jeho průměru bylo při nárazu absorbováno více energie, vzniklé krátery byly menší a reziduální rychlost projektilu byla snížena [8]. Typ vlákna ovlivňuje také vlastnosti čerstvé směsi. Při použití dvou nebo více druhů vláken, které se od sebe liší délkou, je z hlediska zlepšení zpracovatelnosti výhodnější použít větší množství kratších vláken v poměru k těm delším [9]. Cílem této práce bylo zhodnotit vliv různých druhů ocelových vláken na mechanické vlastnosti vysokopevnostního betonu. Použitá vlákna se lišila svou délkou, průměrem, pevností, povrchovou úpravou a tvarem [10, 11]. MATERIÁLY Složení zkoumaných směsí poskytuje Tabulka 1. Hlavní pojivovou složku tvořil portlandský cement CEM 42,5 R. Aby bylo dosaženo parametrů vysokopevnostního betonu, byl cement ve všech směsích doplněn příměsí křemičitého úletu. Dále bylo použito kamenivo ve třech frakcích, voda a plastifikátor všechny tyto složky se dávkovaly ve stejném množství. Čtyři směsi lišící se typem ocelových vláken byly doplněny směsí referenční bez obsahu vláken. Směsi II-IV obsahovaly vysokopevnostní ocelová vlákna se stejným tvarem a povrchovou úpravou lišící se pouze v délce a průměru, poslední směs č. V obsahovala vlákna z oceli o normální pevnosti, bez povrchové úpravy a s odlišnou kotevní úpravou (zploštění konců). 138
Tab. 1 Složení studovaných směsí. Složka [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] Kamenivo 0-4 mm Dobříň 980 980 980 980 980 4-8 mm Sýkořice 210 210 210 210 210 8-16 mm Sýkořice 480 480 480 480 480 Cement CEM I 42.5R 400 400 400 400 400 Křemičitý úlet Stachesil 35 35 35 35 35 Plastifikátor Stachement 2000 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 voda pitná 180 180 180 180 180 Referenční směs 0 - - - - Vysokopevnostní ocel s koncovou úpravou hák a povrchovou úpravou, 60 mm, 0,75 Vysokopevnostní mm ocel s koncovou úpravou hák a povrchovou úpravou, 30 mm, 0,75 Vysokopevnostní mm, ocel s koncovou úpravou hák a povrchovou úpravou,, 25 mm, 0,4 Ocel mm normální pevnosti se zploštělými konci 40 mm, 0,8 mm - 50 - - - - - 50 - - - - - 50 - - - - - 50 EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Zkušební tělesa o rozměrech 100 x 100 x 400 mm byla ve stáří 28 dní podrobena zkoušce tříbodovým ohybem s možností záznamu zatěžování pro určení pevnosti v tahu za ohybu a lomové energie. Pevnost v tahu za ohybu byla určena podle vztahu (1), ze známých hodnot maximální dosažené síly při zatěžování, rozměrů vzorku a rozpětí podpor, které je dáno uspořádáním zkoušky. Lomová energie, celková práce potřebná pro úplné porušení vzorku, byla určena výpočtem podle vztahu (2). Představuje tak plochu pod křivkou v pracovním diagramu dané zkoušky. Pevnost v tlaku a pevnost v příčném tahu byla určována na zkušebních krychlích o hraně 150 mm podle [13]. Před testováním byly vzorky zváženy a změřeny pro výpočet objemové hmotnosti. f cf = 3 F l 2 d 1 d 2 2, (1) kde: fcf je pevnost v tahu za ohybu [MPa] F je maximální dosažená síla při zatěžování [N] d1 a d2 jsou průřezové rozměry zkušebního tělesa [mm] l je vzdálenost podpor[mm]. 139
Pevnost v příčném tahu [MPa] G f = 1 F(w)dw, d 1 d 2 (2) kde: G f je lomová energie [J/m 2 ] F (w) je funkce zatěžování [N] d1 a d2 jsou průřezové rozměry zkušebního tělesa [mm] w je deformace [mm]. VÝSLEDKY Získané výsledky jsou shrnuty v Tabulce 2. Každá hodnota je průměrem tří provedených měření. Nejvyšší hodnoty lomové energie (17 830 J/m 2 ) bylo dosaženo pro směs č.ii obsahující vysokopevnostní ocelová vlákna délky 60 mm a průmětu 0,75 mm. Také směsi III a IV dosáhly vysokých hodnot v porovnání se směsí referenční a směsí č. V, tedy s ocelovými vlákny normální pevnosti (viz obr. 3). Vlákna použitá ve směsi č. V měla navíc méně efektivní tvar a žádnou povrchovou úpravu, jejich horší chování v tomto směru tedy nebylo nijak překvapující. Nejlepší výsledky z hlediska pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v příčném tahu vykázala směs č. III směs s vyskopevnostními ocelovými vlákny o délce 30 mm a průměru 0,75 mm (viz obr. 2 a 3). Hodnoty tlakové pevnosti se pro jednotlivé směsi nijak výrazně nelišily. Tab. 2 Mechanické vlastnosti a objemová hmotnost. Objemová hmotnost [kg/m 3 ] 2263 2356 2343 2354 2377 Pevnost v tlaku [MPa] 56,9 71,5 72,9 65,0 72,8 Pevnost v příčném tahu [MPa] 3,1 6,8 7,3 6,1 4,8 Pevnost v tahu za ohybu [MPa] 4,9 8,5 10,1 6,1 6,7 Lomová energie [J/m 2 ] 345 17830 12160 10175 860 10 8 6 4 2 0 6.8 7.3 6.1 4.8 3.1 Směs Obr. 1 Pevnost v příčném tahu [MPa]. 140
Lomová energie [J/m 2 ] Pevnost v tahu za ohybu [MPa] 12 10 8 6 4 2 0 10.1 8.5 6.1 6.7 4.9 Směs Obr. 2 Pevnost v tahu za ohybu [MPa]. 20000 16000 12000 8000 17830 12160 10175 4000 0 345 860 Směs Obr. 3 Lomová energie [J/m 2 ]. SHRNUTÍ V této práci byl hodnocen vliv různých druhů ocelových vláken na mechanické vlastnosti vysokopevnostního betonu. Byla použita vlákna lišící se svou délkou, průměrem, pevností, povrchovou úpravou a tvarem. Z výsledků této experimentální studie lze vyvodit, že vedle druhu materiálu, povrchové úpravy a tvaru, také geometrie ocelových vláken hraje značnou roli. Nejvýraznější nárůst tuhosti betonových zkušebních těles byl zaznamenán pro vlákna o délce 60 mm. Na druhou stranu kratší vlákna (o délce 30 mm) měla za následek vyšší hodnoty pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v příčném tahu. Tento fakt si lze vysvětlovat tím, že v případě delších vláken je v cementové matrici početně méně kusů těchto vláken při stejné objemové dávce v porovnání s vlákny kratšími. Vývoj prvotní trhliny je tak rychlejší, což se projevilo nižšími hodnotami ohybové pevnosti. Delší vlákna ale při dalším rozvoji trhlin dovolují jejich širší otevření, což umožňuje větší deformaci prvku, než dojde k jeho porušení (jak bylo patrné z vyšších hodnot lomové energie), zatímco kratší vlákna jsou z cementové matrice vytaženy dříve. Efektivita použití vláken z oceli normální pevnosti byla podle očekávání nižší. 141
LITERATURA [1] REITERMAN, P., JOGL, M., BAUMELT, V., SEIFRT, J., 2014, Development and Mix Design of HPC and UHPFRC, Advanced Material Research, Vol. 982, pp. 130-135. [2] KEPPERT, M., VEJMELKOVÁ, E., ČERNÝ, R., ŠVARCOVÁ, S., BEZDIČKA, P.: Microstructural changes and residual properties of fiber reinforced cement composites exposed to elevated temperatures. Cement Wapno Beton, 2012, Vol. 17/79, no. 2, p. 77-89. [3] ZATLOUKAL, J., VAVŘINÍK, T., 2014, Influence of different mechanical properties to the concrete penetration resistence, Advanced Materials Research, Vol. 982, pp. 119-124. [4] VOGEL, F., HOLČAPEK, O., VAVŘINÍK, T., KEPPERT, M., Time progress of compressive strength of high performance concrete, Applied Mechanics and Materials, Vol. 486, pp. 167-172. [5] SHAH, A., A., RIBAKOV, Y., Recent trends in steel fibered high-strength concrete. Materials. 2011, vol. 32, 8-9, s. 4122-4151. [6] GARCÍA-TAENGUA, E., MARTÍ-VARGAS, J., R., SERNA P., Splitting of concrete cover in steel fiber reinforced concrete: Semi-empirical modeling and minimum confinement requirements. Construction and Building Materials. 2014, vol. 66, s. 743-751. [7] WANG, Z.L., WU, J., WANG, J., G., Experimental and numerical analysis on effect of fibre aspect ratio on mechanical properties of SRFC. Construction and Building Materials. 2010, vol. 24, issue 4, s. 559-565. [8] MÁRA, M., MÁCA, P., 2014, Fracture surface measurement of concrete with respect to loading speed, Advanced Materials Research, Vol. 982, pp. 94-99. [9] MOHAMMADI, Y., SINGH, S., P., KAUSHIK S.,K., Properties of steel fibrous concrete containing mixed fibres in fresh and hardened state. Construction and Building Materials. 2008, vol. 22, issue 5, s. 956-965. [10] TVAROG, M., FORNUSEK, J., 2014, Influence of casting direction on the mechanical properties of cementitious fiber reinforced composites, Advanced Materials Research, Vol. 982, pp. 32-37. [11] VLACH, T., NOVOTNÁ, M., FIALA, C., LAIBLOVÁ, L., HÁJEK, P., Interaction of composite reinforcement produced from rovings with high performance concrete, Proceedings of EAN 2014-52nd International Conference on Experimental Stress Analysis, 2014, Mariánské Lázně. [12] REITERMAN, P., HOLCAPEK, O., VOGEL, F., JOGL, M., KOTATKOVA, J., 2014, Fracture and mechanical properties of fire resistant fibre composites containing fine ground ceramic powder, Advanced Materials Research, Vol. 897, pp. 192-195. [13] ČSN EN 12390-3: Ztvrdlý beton stanovení pevnosti v tlaku zkušebních těles. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 142