h odnotenie vplyvu assessment of influence of … · 2016. 8. 4. · m ateriÁly a technologie h...

M A T E R I Á L Y A T E C H N O L O G I E

H O D N O T E N I E V P L Y V U R O Z P T Ý L E N E J V Ý S T U Ž E N A V L A S T N O S T I B E T Ó N UA S S E S S M E N T O F I N F L U E N C E O F S P R E A D R E I N F O R C E M E N T O N C O N C R E T E P R O P E R T I E S

2 8 B E T O N • T E C H N O L O G I E • K O N S T R U K C E • S A N A C E 2 / 2 0 0 9

M A T E R I A L S A N D T E C H N O L O G Y

P E T E R B R I AT K A , P AT R I K Š E V Č Í K

Článok sa zaoberá vláknobetónom a vplyvom pridávania vlákien na úžitko-vé vlastnosti betónu. Pozornosť je veno-vaná trom základným oblastiam, podľa ktorých sa článok deli na tri základné línie, v úvode doplnené prehľadom vývo-ja používania rozptýlenej výstuže. Tieto línie predstavujú vlastnosti betónu a úči-nok vlákie na ne v rôznom veku. Prvá časť je zameraná na spracovateľnosť čerstvého betónu, druhá sa venuje pre-biehajúcemu tuhnutiu a začiatku tvrdnu-tia, kedy dochádza k veľkej strate vody vyparovaním, betón „sadá“ a to spôso-buje plastické zmrašťovanie ohrozujúce trvanlivosť betónu. Tento jav je možné efektívne obmedziť až odstrániť použitím jemných syntetických vlákien. Tretia časť sa zaoberá mechanickými vlastnosťa-mi zatvrdnutého betónu, spôsobom ich stanovenia a hodnotenia vplyvu dávky a tvaru vlákien na reziduálnu pevnosť betónu v ťahu za ohybu. This work deals with fiber reinforced concrete and influence of adding fibers on several concrete properties or more precise performances. An attention is paid to three essential scopes, by which the work is divided into three main lines, at the very beginning, supplemented with short historical review of the spread reinforcement utilization in construction and development of standards related to fibers and fiber-reinforced concrete. These main lines represent concrete properties and influence of fibers pre-sence on them at three different concre-te ages. Firstly - very early age (so called fresh concrete) targeted on workability defined by some degree of consistence. The second part deals with running setting of concrete and starting harde-ning, when massive water evaporation from cement paste occurs, concrete settles what results in plastic shrinkage harming concrete durability. This phe-nomenon may be effectively eliminated by using fine synthetic fibers. The third part is devoted to mechanical properties of hardened concrete, means of their

assessment and evaluation of influence of fibers dosage and their pattern on concrete residual strength.

H I S T Ó R I A

Vlákna sa používajú ako rozptýlená výstuž do heterogénnych materiálov vykazujú-cich nízku pevnosť v ťahu, pričom pri správnej technológii výroby takého-to kompozitu majú tendenciu izotropne zlepšovať jeho mechanické vlastnosti pri namáhaní ťahom i tlakom.

Prvé použitie predchodcov súčas-ných vlákien bolo odhadnuté na dobu z pred 3 500 rokov, kedy sa krehké (na slnku sušené) tehly vystužovali sla-mou. Postupom času sa ako výstužný materiál do mált začala používať konská srsť. Neskôr, na obdobie skoro 100 rokov, sa prešlo na azbestové vlákna. Po zistení ich vplyvu na zdravie sa začal intenzívny výskum nových druhov rozptýlenej výstu-že, ktorý viedol k predstaveniu oceľo-vých vlákien na americkom trhu v šesť-desiatych a na európskom trhu v sedem-desiatych rokoch minulého storočia [1]. Od tejto doby sa vlákna zdokonaľujú a prechádzajú určitým vývojom, čo má dopad na vlastnosti výsledného staveb-ného materiálu, do ktorého sa pridávajú (prevažne betón). Navyše, v deväťdesia-tych rokoch minulého storočia boli na trh uvedené syntetické (polymérové) vlák-na a dodnes sa sortiment i materiálová báza vlákien rozširuje. Všetky tieto zmeny a nové materiály museli nutne vyús-tiť do potreby vypracovania technických noriem špecifikujúcich vlastnosti a skú-šobné postupy ich zisťovania. So zmena-mi materiálov a stavu technického pozna-nia sú späté aj úpravy a modifikácie tech-nických noriem.

V Ý V O J S Ú V I S I AC I C H N O R I E M

Technické špecifikácie pre vlákna do betó-nu pripravujú Technické komisie CEN/TC 104 a CEN/TC 229 na základe mandá-tov Európskej komisie. Základné predme-tové normy, v ktorých sú uvedené definí-cie špecifikácie a preukazovanie zhody, sú EN 14889-1 [10] pre oceľové vlákna a EN 14889-2 [11] pre polymérové vlákna.

Uvedené normy sa okrem geometric-kých požiadaviek (rozmer, tvar) a mecha-nických požiadaviek (pevnosť v ťahu, modul pružnosti, ťažnosť) na samot-né vlákna zaoberajú aj vplyvom vlákien na vlastnosti čerstvého a zatvrdnutého betónu (konzistencia, pevnosť v ťahu).

Vplyv vlákien na betón sa overuje na vzorkách vyrobených z referenčného betónu podľa EN 14845-1 [12]. Konzisten-cia čerstvého betónu bez vlákien a s vlák-nami sa overuje podľa EN 12350-3 [5]. Vplyv vlákien na ťahové vlastnosti betó-nu sa overuje skúšaním pevnosti v ťahu za ohybu betónových trámcov s meraním reziduálnej (zostatkovej) pevnosti podľa EN 14651 [7]. Kritériá pre hodnotenie vplyvu vlákien na pevnosť betónu sú uve-dené v EN 14845-2 [13]. Meranie obsahu vlákien v čerstvom a zatvrdnutom betóne sa vykonáva podľa EN 14721 [14].

Ú V O D D O E X P E R I M E N TÁ L N E J Č A S T I

TSÚS, ako notifikovaná osoba a akredito-vané laboratórium, vykonáva skúšky vlá-kien a betónov s vláknami v zmysle uve-dených noriem. Výsledky týchto normo-vých skúšok sme spracovali, aby sme mohli odvodiť závislosti vlastností čerstvé-ho ale aj zatvrdnutého vláknobetónu (VB) od širokého spektra okrajových (vstup-ných) podmienok, a tým prispieť k prehĺ-beniu technického poznania tohto zlo-žitého materiálu. Z dôvodu rozmanitos-ti okrajových podmienok skúšok v porov-naní s množstvom samotných skúšok sa pri vyhodnocovaní výsledkov pristúpilo k porovnávacej metóde.

Zamerali sme sa na:• zmenu konzistencie čerstvého betónu

(ČB) po pridaní vlákien, čo ovplyvňu-je technológiu spracovania ČB od jeho miešania, cez transport, ukladanie, zhut-ňovanie až po úpravu povrchu a ošetro-vanie,

• obmedzenie plastického zmrašťovania betónu použitím polypropylénových vlákien (ďalej len PP vlákna), samot-né skúšky boli vykonané v rámci výs-kumu oddelenia stavebných materiálov na Stavebnej fakulte Univerzity Purdue,

• mechanické vlastnosti zatvrdnutého VB


2 9B E T O N • T E C H N O L O G I E • K O N S T R U K C E • S A N A C E 2 / 2 0 0 9


úzko späté napríklad s typom, tvarom, rozmermi, množstvom a dispergova-ním vlákien počas miešania.V skúškach boli použité oceľové a PP

vlákna, značenie pre jednotlivé vlákna (obr. 1).

K O N Z I S T E N C I A

Konzistencia ČB predstavuje označenie (stupeň) získaný na základe merania určitej veličiny (podľa jednej zo čtyroch metód jej stanovenia – pre bežné betó-ny). V práci sú použité časy merané metó-dou Vebe [5], ktorou sa meria čas vibrácie potrebný na úplné pretvorenie ČB v tvare zrezaného kužeľa na valec (ohraničený nádobou a zhora sklenou doskou) prie-meru 240 mm. Vibrácia je vnášaná pro-stredníctvom vibračného stolíka.

Keďže výsledky skúšok boli zbierané z viacerých zákaziek počas dlhšieho obdo-bia, získané konzistencie referenčného betónu neboli rovnaké a z toho dôvodu zavádzame pojem relatívna zmena kon-

zistencie vyjadrený podľa vzťahu 1, kde ΔV je zmena konzistencie, tF je čas Vebe pre betón s vláknami a tR je čas Vebe pre betón referenčný.

Δ =−

⋅ (1)

Čo ovplyvňuje konzistenciu?

Zloženie betónuZloženie betónu, teda jeho receptúra (hlav-ne zrnitosť kameniva, dávka a jemnosť cementu, dávka vody, prísad či prímesí) prvotne ovplyvňuje konzistenciu. O tejto problematike sa však už toho veľa popísa-lo a nie je účelom tejto práce ďalej to roz-

vádzať. Pre zisťovanie vplyvu vlákien na konzistenciu sme preto vychádzali z jednej receptúry ČB (tab. 1) s vodným súčiniteľom (w/c) rovným 0,55.

Prítomnosť vlákienVplyv pridávania vlákien do betónu na jeho konzistenciu a teda spracova-teľnosť je zobrazený v grafoch na obr. 2 a 3.

Štíhlosť vlákien (L/d)Štíhlosť vlákien (L/d) má vplyv na zmenu konzistencie ČB po ich pridaní. So zvyšuj-úcou sa štíhlosťou vlákien pri ich konštant-nej dávke sa znižuje spracovateľnosť ČB

Obr. 1 Značenie vlákienObr. 1 Fibers’ designation

Obr. 2 Oceľové vlákna a konzistencie ČBFig. 2 Steel fibers and consistency of fresh

concrete

Obr. 3 PP vlákna a konzistencie ČBFig. 3 PP fibers and consistency of fresh

concrete

Obr. 4 Vplyv dĺžky PP vlákien na zmenu konzistencie pri dávke 0,9 kg/m3

Fig. 4 Influence of PP fibers’ length on a change of consistency within dosing 0,9 kg/m3

Obr. 5 Nelineárny vplyv dávky vlákien na konzistenciu

Fig. 5 Non-linear effect of fibers’ dosage on consistency

Tab. 1 Použitá receptúraTab. 1 Mixture composition

Zložka Dávka [kg/m3]

Kamenivo fr. 0/4 770,0Kamenivo fr. 4/8 320,0Kamenivo fr. 8/16 740,0

CEM I 42,5R 350,0Voda 192,5

4

2

3

Dávka vlákien 0 a 0,9 kg/m3 Dávka vlákien [kg/m3]

Meranie

Graf 2 – Merané konzistencie pri dávke 0,9 kg/m3 (PP vlákna)

Graf 3 – Vplyv dĺžky PP vlákien na zmenu konzistencie Graf 4 – Vplyv dávky vlákien na konzistenciu

Graf 1 – Merané konzistencie pri dávke 25 kg/m3 (Ocelová vlákna)

Zmen

a ko

nzis

tenc

ie

Zmen

a ko

nzis

tenc

ie

Čas

Web

e [s

]

5

1




(zvyšuje sa čas Vebe) [6]. Vláknobetón sa stáva tuhším, čo má dopad na segre-gáciu zŕn kameniva a „potenie betónu“ počas zhutňovania. Táto skutočnosť bola overená na skúškach konzistencie pre VB s dávkou oceľových vlákien 25 kg/m3. Vyhodnotením výsledkov sa preukáza-lo, že použitím vlákien S1-0,75-60(s) (L/d = 80) došlo ku ΔV = 51 % a pou-žitím vlákien S2-1-50(s) (L/d = 50) ΔV = 21 %, čo potvrdilo uvádzanú súvis-losť medzi štíhlosťou vlákien a konzisten-ciou VB. Obdobnú závislosť konzistencie od dĺžky vlákien (a teda L/d) sme získali aj pri skúškach vlákien v dávkach 0,9 kg/m3 radu P-M-3, ktoré vyvolali ΔV = 8 % a radu P-M-6, ktoré vyvolali ΔV = 22 % (obr. 4).

Dávka vlákienDávka vlákien má nelineárny vplyv na zmenu konzistencie (obr. 5). Graf vychádza zo skúšok vlákien S5 pri w/c = 0,53, po zvážení čoho je možné pred-pokladať mierne vyšší vplyv na zmenu konzistencie, ak by boli skúšky vykona-né na ČB so štandardne používaným w/c = 0,55.

Tvar vlákienPod pojmom „tvar vlákien“ sa rozumie priečny rez ale najmä tvar pozdĺžnej osi vlákien. Závislosť bola zisťovaná na výsled-koch skúšok priamych vlákien S2-1-50(s) a vlnitých vlákien S3-1-50(w) a S4-2,2-50(w), všetky pri dávkach 25 kg/m3. Porovnaním výsledkov relatívnych zmien konzistencie ΔV sme dospeli k záveru,

že vlnitý tvar vlákien spôsobuje o cca. 15 % vyššie ΔV ako priamy tvar. V tomto bode však boli porovnávané priame vlák-na s vlnitými, ktoré ale mali rôzne štíhlos-ti (L/d), a preto je dôležité podotknúť, že štíhlosť vlnitých vlákien spôsobila rozdi-el ΔV, medzi týmito dvoma vzorkami, vo výške 8 %.

Dôsledky zmeny konzistencie pre stavebnú praxAko bolo preukázané, pridávanie vlákien do betónov mení ich konzistenciu (spra-covateľnosť). Podľa STN EN 206-1 môže byť požadovaná konzistencia betónu vyjadrená stupňom konzistencie, alebo presne určenou hodnotou (podľa jed-nej z metód). Tu je dôležité uvedomiť si, že skúšky konzistencie sa majú vykonávať v dobe ukladania betónu, alebo v dobe jeho dodania, ak sa jedná o transportbe-tón. Ak sú však do betónu pridané vlák-na (zväčša až tesne pred ukladaním), betón sa stáva tuhším, čo v závislosti od vyššie uvedených parametrov vlákien môže viesť ku zmene stupňa konzisten-cie alebo nedodržaniu určenej hodnoty konzistencie vrátane tolerančného inter-valu obzvlášť vtedy, keď receptúra betónu nebola navrhovaná s ohľadom na prítom-nosť vlákien (tab. 2 a 3).

Analyzovaný súbor dát umožňuje formu-lovať jedine všeobecné doporučenie pre výrobu vláknobetónu. Pri návrhu recep-túry betónu by sa mali tým dôslednej-šie zohľadňovať zmeny konzistencie vlák-nami, čím je výsledná konzistencia betó-

nu mäkšia. To znamená: návrh receptúry samotného betónu by mal počítať s tým, že vlákna zvýšia čas Vebe. Špeciálne pri V4 a V3 (obzvlášť ak je čas Vebe blízky hornej hranici intervalu) môže po prida-ní vlákien ľahko dôjsť ku zmene konzis-tencie, ktorá bude znamenať preklasifiko-vanie konzistencie, a tým zabudovávanie iného betónu, ako bol špecifikovaný. Keby takýto betón aj bol prevzatý a zabudova-ný, určite by tým bola poznačená techno-lógia spracovania vláknobetónu veľmi cit-livá na konzistenciu a pravdepodobne by došlo aj k zmene výsledných parametrov konštrukcie.

P L A S T I C K É Z M R A Š Ť O VA N I E

Plastické zmrašťovanie je jav súvisiaci s tuhnutím a tvrdnutím betónu resp. cementového tmelu, a teda s hydratáci-ou, kedy dochádza k významnému odpa-rovaniu vody. Najskôr sa odparuje „vypo-tená“ voda z povrchu betónu (Phase I, obr. 6), čo v zásade nespôsobuje pro-blémy. Keď však nastane stav, že povr-chová voda už nie je k dispozícii, oblasť odparovania sa začne presúvať nižšie do štruktúry betónu (prechod z Phase II do Phase III), čím vyvoláva kapilárne napätia pôsobiace v kapilárnych menis-koch na cementové zrná záporným kapi-lárnym tlakom podľa vzťahu 2 (Young-La-place). Z tohto vzťahu je jasné, že vznika-júce ťahové napätia sú priamo úmerné povrchovému napätiu pórového roztoku γ a nepriamo úmerné zmenšujúcim sa polomerom r meniskov.

=− γ ⋅ θ

(2)

S formovaním meniskov počas odpa-rovania vody z cementového tmelu súvi-sí aj konsolidácia cementových zŕn a tzv. sadanie betónu, čo môže vyvolať lokál-ne extrémne ťahové napätia v miestach, kde je tomuto sadaniu bránené (napr. oblasť nad vloženou betonárskou výstu-žou). Na týchto princípoch je založený postup hodnotenia plastického zmrašťo-vania podľa ASTM C 1579 (bližšie popí-saný neskôr).

Uvedená metodika bola použitá aj v tomto prípade hodnotenia účinku pri-dávania polymérových vlákien do betónu na elimináciu plastického zmrašťovania.

Skúmané vlákna a použité receptúryVplyv polymérových vlákien na obmedze-nie plastického zmrašťovania bol posudzo-

Tab. 2 Stupne konzistencie [21]Tab. 2 Grades of consistency [21]

Stupeň Vebe čas [s]V0 ≥ 31

V1 30 – 21

V2 20 – 11

V3 10 – 6

V4 5 – 3

Tab. 3 Tolerancie hodnôt konzistencie [21]Tab. 3 Tolerances of measured values of the

consistency [21]

Určená hodnota [s] ≥ 11 10 - 6 ≤ 5

Tolerancia [s] ± 3 ± 2 ± 1

Tab. 4 Použité receptúryTab. 4 Mixture compositions

Zmes[mm-kg/m3]

Mixture[in-lbs/ft3] W/C

Cement Voda Jemné k. Hrubé k. Vlákna[kg/m3]

PLAIN PLAIN

0,55 461,12 253,61 780,00 780,00

0,0000M12,7–0,455 M0,5"–0,75 0,4450M12,7–0,593 M0,5"–1,00 0,5933M19,1–0,297 M0,75"–0,50 0,2966M19,1–0,890 M0,75"–1,50 0,8899M25,4–0,593 M1,0"–1,00 0,5933M25,4–0,890 M1,0"–1,50 0,8899




vaný na celkovo šesti sadách vzoriek vyrobe-ných s použitím PP vlákien, a to vzhľadom na referenčný betón (PLAIN) (tab. 4, kde označenie M alebo F znamená „Monofila-mentné“ alebo „Fibrilované“ nasledované dĺžkou vlákien [mm] a ich dávkou [kg/m3], v druhom stĺpci je značenie v anglosas-kých jednotkách).

Do betónu bol použitý bežný Port-landský cement (PC) Typ I (v súlade s ASTM C150) so špecifickým povrchom 370 m2/kg a zložením 50 % C3S; 16 % C2S; 12 % C3A; 7 % C4AF a 0,68 % Na2O. Cement bol pred použitím odvá-žený a skladovaný v plastových kontajne-roch pri teplote 22±1 °C.

Použité boli hrubé ťažené kameni-vo (frakcia 4/8) a piesok s jemnosťou 3,13. Obe zložky plniva boli dávkova-né v pomere 30 % z objemu výslednej zámesi a celkovo ich objem predstavoval 60 % objemu ČB. Kamenivo bolo pred použitím vysušené pri teplote 143 °C (290 °F) po dobu 24±1 h, následne bolo vychladené na teplotu 22±3 °C, odváže-né a až do použitia skladované v plasto-vých kontajneroch.

MiešanieMiešanie ako významný činiteľ ovplyvňu-júci výsledné vlastnosti betónu a obzvlášť vláknobetónu je často podceňované, čo môže viesť ku chybám merania spôsobe-ných napr. nevhodným množstvom vzdu-chu v betóne či neželanou aktiváciou hyd-ratácie cementových zŕn (v prípade vyso-kých otáčok). Nakoľko sa jedná o veľmi cit-livé merania, miešanie bolo striktne dodr-žované presne tak, ako je uvedené.

Ako prvé bolo do horizontálnej miešač-ky s núteným obehom nadávkované celé množstvo hrubého kameniva. Po začatí miešania sa v rýchlom slede (bez prestá-vok) nadávkovala 1/3 zámesovej vody, celá dávka jemného kameniva, druhá tretina vody, cement, zvyšná dávka vody a PP vlákna. Zmes sa nechala 3 min. miešať, po čom nasledovala dvojminú-tová prestávka v miešaní a opätovné miešanie po dobu 3 min.

Príprava vzoriekPo ukončení miešania bola zmes ručne ukladaná do troch pripravených foriem (obr. 7) opatrených odformovacím ole-jom. Po ich naplnení bol povrch betónu zrezaný oceľovou tyčou s obdĺžnikovým prierezom a upravený hladením.

Postup skúšky a okrajové podmienkyPo 25 min. od pridania vody do zmesi boli všetky tri skúšobné telesá umiest-nené do klimatizačnej komory, kde boli vystavené nasledovnému prostre-diu: teplota 36±3 °C, relatívna vlhkosť 30±10 % a vzduch prúdiaci rýchlosťou 24±2 km/h tesne nad povrchom telies. U každého telesa bola v minútových intervaloch zaznamenávaná zmena hmot-nosti (odparovanie vody) s presnosťou na 20 g vzhľadom na referenčnú nádo-bu s voľnou vodnou hladinou. Po 6 h boli odstavené ventilátory a zvyšných 18 h neboli telesá vystavené významnému prúdeniu vzduchu. Skúška bola ukončená po 24±2 h, kedy boli vyhotovené digitál-ne snímky povrchu každého telesa mapu-júce oblasť nad „stress riser-om (obr. 7)“. Snímky boli následne analyzované pomo-cou software „ImagePro“, ktorý umožňuje približne tri sto meraní pre každé teleso, čím poskytuje štatisticky podložené infor-mácie o šírkach trhlín v určitom rastri a ich variabilite [19].

Výsledkom analýzy šírky trhlín je distri-bučná funkcia pravdepodobnosti výsky-tu trhlín s určitou šírkou (násobok 1 pixe-lu) a kumulatívna funkcia pravdepodob-

nosti toho istého javu, ako aj koeficient obmedzenia trhlín (Crack Reducing Ratio) vypočítaný podľa vzťahu 3 [15].

= −

⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥

⋅

Získané výsledky a ich interpretáciaPri zisťovaní vplyvu jemných PP vlákien na elimináciu plastického zmrašťovania pomocou metódy podľa ASTM C 1579 sme získali súbor výsledkov, ktorý je pre-zentovaný v tab. 5 a na obr. 8 až 12.

Tab. 5 pomocou „CRR“ jasne dokazuje, že ako najúčinnejšie (na tento účel použi-tia) sú kratšie vlákna, napr. M12,7 (0,5 in) pri dávke 0,445 kg/m3 (0,75 lb/yd3) sú rovnako účinné ako vlákna M19,1 (0,75 in) pri dvojnásobnej dávke. Z tabuľky je podľa CRR zrejmá aj niž-šia účinnosť fibrilovaných vlákien súvisi-aca do určitej miery aj s ich tendenciou zhlukovať sa, a tým nedosiahnuť rovno-mernú dispergáciu. Druhým veľmi dôle-žitým parametrom je pravdepodobnosť výskytu trhlín šírky do 0,25 mm, čo sa vo všeobecnosti považuje za krajnú šírku trhlín, kedy sa stráca možnosť ich uzavre-

Tab. 5 CRR, priemerná šírka trhliny a pravdepodobnosť výskytu trhlín do šírky 0,25 mmTab. 5 CRR, mean width of crack and probability of occurrance of cracks less than 0,25 mm in

width

Zmes[mm-kg/m3]

Mixture[in-lbs/ft3]

CRR[%]

Vlákna[kg/m3]

Šírka trhliny [mm] P., 0–0,25mm [%]Priemer. Max.

PLAIN PLAIN 0,00 0,0000 0,5958 2,9996 25,56M12,7–0,455 M0,5"–0,75 90,70 0,4450 0,0554 0,8332 92,06M12,7–0,593 M0,5"–1,00 93,38 0,5933 0,0394 0,8332 92,40M19,1–0,297 M0,75"–0,50 64,20 0,2966 0,2133 1,9164 57,86M19,1–0,890 M0,75"–1,50 90,46 0,8899 0,0568 0,8332 89,98M25,4–0,593 M1,0"–1,50 44,66 0,5933 0,3297 2,7496 42,14M25,4–0,890 M1,0"–1,50 63,86 0,8899 0,2153 1,3331 57,34

Obr. 6 Fázy odparovania vody [18]Fig. 6 Stages of water evaporation [18]

Obr. 7 Tvar formy podľa ASTM C 1579Fig. 7 Mould shape according to ASTM

C 1579

6 7




tia vlastnou hydratáciou doposiaľ nezhyd-ratovaných zŕn cementu. Nie je prekvapi-vé, že údaj výrazne koreluje s CRR, no je dôležité si všimnúť vysoké hodnoty, ktoré boli dosiahnuté pri dávkach krátkych „M“ vlákien na hranici 2/3 štandardne výrob-com odporúčanej dávky (obr. 8 a 9).

Z grafu na obr. 10 je možné vyčítať, v akom percentuálnom pomere sa vyskytli pri skúškach trhliny napr. užšie ako 1 mm, čo môže byť zaujímavý údaj pri návrhu receptúry betónu tak, aby bola dosiahnu-tá potrebná životnosť konštrukcie. Všet-ky vzorky sa správali podľa očakávaní, čo je však zaujímavé, prejav účinku vlákien badateľný pri 5% kvantile je veľmi výrazný. V tomto prípade je medzi vzorkou PLAIN a M12,7 rozdiel v šírke trhliny cca. 1 mm.

V grafe na obr. 11 sú zobrazené pravde-podobnosti výskytu trhlín jednotlivých

šírok. Všetky vzorky (okrem referenčnej „PLAIN“) vykazujú pri začiatku súradni-covej sústavy strmé sklony, čo len doku-mentuje účinnosť vlákien v tom zmys-le, že v betóne nevznikajú nijaké trhli-ny, a ak vznikajú, sú takmer nepozoro-vateľné.

Graf na obr. 12 zobrazuje priebeh odpa-rovania vody z referenčnej betónovej vzorky (PLAIN) a etalónu pre porovná-vanie odparovania. Ako etalónová vzorka slúžila obdĺžniková nádoba s vodou, tvaru a rozmerov podobných, ako mali skúšob-né telesá. Mierny rozdiel v ploche vysta-venej odparovaniu bol odstránený jed-noduchým prepočtom odparovania vody na jednotku plochy. V grafe nie sú zob-razené krivky straty vody u zmesí s vlák-nami, no tieto nemajú vplyv na rých-losť odparovania a môžeme teda pred-

pokladať ich chovanie veľmi podobné so vzorkou „PLAIN“. Ďalej môžeme pozoro-vať očakávané lineárne odparovanie vody z etalónovej vzorky a nelineárne (pred-pokladané) odparovanie vody zo vzorky „PLAIN“, jednoducho vysvetlené v obr. 6. Do doby cca. 180 min vidíme vyššie tempo odparovania vody z betónovej vzorky „PLAIN“. Tento fakt možno pripí-sať vysokej hydratačnej aktivite cemen-tového tmelu (exotermický proces), čím k rýchlejšiemu odparovaniu prispievala aj vyššia teplota vzorky (obr. 12).

M E C H A N I C K É V L A S T N O S T I Z AT V R D N U T É H O V L Á K N O B E T Ó N U

Vzhľadom na účel používania vlákien sa pod týmto pojmom rozumie reziduál-nu pevnosť v ťahu za ohybu fR (po vzni-ku trhliny v celom priereze) pri jed-

Obr. 8 CRR a podiel trhlín šírky do 0,25 mmFig. 8 CRR and ratio of cracks of width less than 0,25 mm

Obr. 9 Priemerné a maximálne šírky trhlinyFig. 9 Average and maximal crack widths

Obr. 10 Kumulatívna funkcia pravdepodobnosti vzniku trhlín určitých šírok na analyzovanom úseku

Fig. 10 Cumulative probability function of cracks of certain widths formation in analysed section

Obr. 11 Funkcia rozdelenia pravdepodobnosti vzniku trhliny určitej šírky na analyzovanom úseku

Fig. 11 Probability function of cracks of certain widths formation in analysed section

98

12

10 11




notlivých deformačných stupňoch tzv. CMOD (Crack Mouth Opening Displace-ment). Zintegrovaním výsledného spo-jitého pracovného diagramu (obr. 13) sekundárne získavame obraz o schop-nosti telesa absorbovať zaťažovaciu ener-giu, čo vyjadruje tuhosť kompozitu [6] (obr. 13 a 14).

Zvyšková pevnosť v ťahu za ohybu fR sa skúša na vzorke 12 skúšobných telies o rozmeroch 150 x 550 x 150 mm s 25 mm hlbokou drážkou vyreza-nou v strede rozpätia. Skúšobné tele-so sa plynulo zaťažuje podľa zaťažova-cej schémy (obr. 14) a zaznamenáva sa napätie σ [7] spolu s jeho deformáciou δ (δ = 0,85 CMOD + 0,04), prípad-ne priamo roztvorením trhliny (CMOD). V prípade, že sa pri skúške zaznamená-va zaťažovacia sila FE namiesto napätia σ, toto sa počíta podľa vzťahu (4) [7], kde FE je aplikované zaťaženie, l je roz-pätie podpier, b je šírka telesa a hsp je účinná výška prierezu v mieste drážky. Zaťažovanie je riadené postupným roz-tváraním štrbiny konštantnou rýchlosťou 0,05 mm min-1. Po dosiahnutí CMOD = 0,1 mm sa rýchlosť zaťažovania zvýši na 0,2 mm min-1.

σ = (4)

Vyhodnocovaný súbor dát bol zostave-

ný ako z výsledkov skúšok vykonaných samotným TSÚS, tak aj zo skúšok, na kto-rých sa TSÚS zúčastnil v rámci tzv. „wit-ness testing“.

Čo ovplyvňuje reziduálnu pevnosť betó-nu v ťahu?

Dávka vlákienDávkou vlákien sa rozumie množstvo pri-daných vlákien vyjadrené zvyčajne pome-rom hmotnosti vlákien na objemovú jed-notku ČB [kg/m3]. V zásade platí jedno-duchá úvaha, že čím je dávka vlákien vyš-šia, tým viac ich je vhodne orientova-ných na prenos zaťaženia, a teda pôso-bia ako výstužné elementy umožňujú-ce znížiť hrúbku VB konštrukcie [1]. Vplyv dávky vlákien sme hodnotili pre dávky 20 a 25 kg/m3 veľmi podobných vlákien (nie však úplne totožných) (obr. 15).

Porovnaním vzoriek s rovnakými znač-kami sme zistili zvýšenie reziduálnej pev-nosti v ťahu pri CMOD 3,5 mm o 0,26 až 0,39 MPa, čo predstavuje relatívnu zmenu o 14 až 30 %. V grafe je zobrazená aj reziduálna pevnosť vzoriek S14 v dávkach 20 a 30 kg/m3, kde tiež pozorujeme nárast pri CMOD 3,5 mm o 0,80 MPa (relatívna zmena 49 %).

Z výsledkov vyplýva preukázateľná závis-losť reziduálnej pevnosti vzorky od dávky vlákien. Navyše všetky dávky všetkých typov vlákien bezpečne splnili normové požiadavky na fR pri CMOD 0,5 minimál-

ne 1,5 MPa a pri CMOD 3,5 mm mini-málne 1 MPa (obr. 15).

Dĺžka resp. štíhlosť vlákien (L/d)Podľa viacerých autorov [6], [8] je práve rastúca štíhlosť vlákien tým činiteľom, ktorý zvyšuje reziduálnu pevnosť v ťahu pri ohybe fR. Podľa zistení Meda [9] ras-tie s dĺžkou vlákien aj fR. Toto tvrdenie bolo formulované na základe pozorova-nia mikro a makro vlákien, kedy sa kratšie vlákna jednoduchšie vytrhávali z cemen-tového tmelu, čím oslabovali tuhosť kom-pozitu.

Na základe vyhodnotenia dostupných výsledkov skúšok tvrdíme, že hypotéza o vplyve samotnej štíhlosti vlákien na fR nie je všeobecná a má význam sa ňou zaoberať iba v prípade hodnotenia rov-nakých vlákien s premennou dĺžkou. Porovnali sme výsledky skúšok priamych oceľových vlákien pri dávkach 20 kg/m3

(obr. 16) a 25 kg/m3 (obr. 17).Pri dávke 25 kg/m3 sa chovanie prie-

rezu u všetkých vlákien nieslo v rovna-kom duchu až do CMOD 2,5 mm, no najväčšie rozdiely v fR boli badateľné pri CMOD 3,5 mm, čo je v zhode so záver-mi podľa Meda, kedy sa rozdiel v dĺžkach vlákien výraznejšie prejavuje pri väčších deformáciách. Pri CMOD 3,5 mm sme zistili následovné fR (S11;S12;S13) 2,06; 2,01; a 1,87 MPa. Percentuálne zníženie fR (S12 a S13) v porovnaní s S11 predsta-

Obr. 12 Priebeh straty vody (odparovanie)Fig. 12 Curve of water loss (evaporation)

Obr. 13 Príklad pracovného diagramu σ-ε [7]Fig. 13 Example of σ-ε diagram [7]

Obr. 14 Zaťažovacia schéma [7]Fig. 14 Loading diagram [7]

Obr. 15 Vplyv dávky vlákien na reziduálnu pevnosť v ťahu za ohybu

Fig. 15 Influence of fibers’ dosage on residual tensile strength in bending

13 14

15Zaťažovací stav

σcr

Nap

ätie

[MPa

]

S T A V E B N Í K O N S T R U K C EM A T E R I Á L Y A T E C H N O L O G I E



vuje 10 a 20 %, to však nezodpovedá zmene štíhlosti vlákien.

Pri dávke 20 kg/m3 sú počas celej doby skúšky badateľné výrazne vyššie fR u S14 (L/d = 67) ako u zvyšných dvoch typov vlákien i keď S15 má rovnaký štíhlost-ný koeficient. Za všetko hovorí aj rozdiel v fR pri CMOD 3,5 mm medzi S14 (1,84 MPa) a S15 (1,58 MPa), po percentuál-nom vyjadrení, rovný 19 %. Preukáza-ná bola len priama závislosť od priemeru vlákien (predpokladá sa za každých okol-ností) a dĺžky vlákien.

Tvar vlákienVychádzali sme z predpokladu, že zlo-

žitejší tvar vlákien zabezpečuje ich lepšie zakotvenie v cementovom tmeli, a tým vyššie výsledné fR. Očakávali sme vyššie reziduálne pevnosti pri vlnovkových vlák-nach ako u priamych s prostými háčikmi na koncoch. Porovnaním výsledkov skú-šok na vláknach S2(s) a S3(w) v dávkach 25 kg/m3 (obr. 18) sme dospeli k prekva-pivému záveru. Vlnovkové vlákna S3 vyka-zovali počas celej skúšky pevnosti o 17 až 34 % nižšie reziduálne pevnosti ako priame vlákna s háčikmi S2 a s rastúcim CMOD sa fR (S3) znižovalo čoraz rýchlej-šie. Predpokladáme, že výsledok možno vysvetliť vyrovnávaním zvlneného tvaru vlá-kien, no pre zatiaľ je to len domnienka.

Z ÁV E R

V oblasti vplyvu parametrov vlákien na konzistenciu VB sa potvrdili určité známe závislosti s tým, že boli aj kvan-tifikované pre určité okrajové podmien-ky. Sledovanie vplyvu jednotlivých dru-hov a typov vlákien na konzistenciu VB je len v počiatočnom štádiu a s rozrasta-júcim sa súborom vstupných dát sa bude pracovať na odvodení určitých empiric-kých závislostí.

V oblasti sledovania vplyvu vlákien na obmedzenie plastického zmrašťovania betónu boli zistené niektoré pozoruhodné skutočnosti a závislosti, ktoré však nebo-lo možné kvantifikovať. Minimálne sa však podarilo zistiť vplyv rôznych PP vlákien na tento jav a praxi poskytnúť aspoň orien-tačné hodnoty sledovaných parametrov dosahované či už pri štandardne odporú-čanom dávkovaní vlákien (cca 0,9 kg/m3) alebo napr. polovičnom.

Pre mechanické vlastnosti sa z dostup-ných výsledkov skúšok nepodarilo odvo-diť všeobecne platné vzťahy a závislos-ti, čo je dôsledkom veľkého množstva determinujúcich okrajových podmienok vstupujúcich do výpočtu a absenciou skúšok porovnateľných vlákien, keďže boli použité výsledky bežných komerč-ných skúšok. Avšak v skúšaní a vyhod-nocovaní výsledkov sa bude pokračovať, keďže sa často stretávame s absenciou konfrontácie návrhových postupov so skutočne dosahovanými parametrami.

Táto práca vznikla aj vďaka výraznej podpore Technického a skúšobné-ho ústavu stavebného, n. o., Bratisla-va, najmä v oblasti testovania konzisten-cie a mechanických vlastností vlákno-betónu. Vďaka patrí aj Purdue Universi-ty, West Lafayette, IN, kde sme vykona-li skúšky vplyvu PP vlákien na plastické zmrašťovanie.

Text článku byl posouzen odborným lektorem

Tab. 6 Sumarizácia výsledkovTab. 6 Conclusions

Parameter Materiál Podmienka Efekt Pozn. (výsledky)

Konzistencia

Štíhlosť (L/d)Oceľ ↑ štíhlosť ↑ ΔV 20 až 50 %PP ↑ dĺžka ↑ ΔV 8 až 22 %

Dávka – ↑ dávka ↑ ΔV Nelineárny vplyvTvar prierezu – ↑ priemer ↓ ΔV 8 %Tvar pozdĺž. osi – ↑ tvarovanie ↑ ΔV 15 až 18 %

Plastické znrašťovanie

Dávka

PP

↑ dávka ↑ CRR

NekvantifikovanéDĺžka ↑ dĺžka ↑ CRR

Charakter vlákienmonofilamentné ↓ ΔCRR

fibrilované ↓ ΔCRR

Mechanické vlastnosti

Dávka – ↑ dávka ↑ fr 14 až 30 %

Štíhlosť a dĺžka –↑ štíhlosť ↑ fr nevšeobecné↑ dĺžka ↑ fr 19 %

Tvar pozdĺž. osi – ↑ tvarovanie ↓ fr 17 až 34 %

Obr. 16 fR vs. L/d pri dávke 20 kg/m3

Fig. 16 fR vs. L/d within dosing 20 kg/m3

Obr. 17 fR vs. L/d pri dávke 25 kg/m3

Fig. 17 fR vs. L/d within dosing 25 kg/m3

Obr. 18 fR vs. tvar pozdĺžnej osi vlákien

Fig. 18 fR vs. pattern of fibers along a longitudinal axis

16

18

17Zaťažovací stav

Zaťažovací stav

Zaťažovací stav

Nap

ätie

[MPa

]

Nap

ätie

[MPa

]

Nap

ätie

[MPa

]

σcr

σcr

σcr

Ing. Peter Briatka

Stavebná fakulta STU v Bratislave

e-mail: [email protected]

Ing. Patrik Ševčík

e-mail: [email protected]

oba: TSÚS, n. o., Bratislava

Mott MacDonald Ltd.je jedna z nejv tších sv tových multi-disciplinárních projektov inženýrských konzulta ních spole nostíMott MacDonald Praha, s.r.o. je eská pobo ka mezinárodní spole nosti Mott MacDonald Ltd. Naše organizace poskytuje služby v mnoha oblastech inženýrského poradenství a projektového managementu. Jedná se o poradenské služby, zpracování studií ekonomického hodnocení, zpracování a posuzování všech stup projektové dokumentace, ízení a supervize projekt .

Tyto innosti zajiš ujeme v t chto oblastech:

Silnice a dálniceŽelezniceMosty a inženýrské konstrukceTunely a podzemní stavbyVodní hospodá stvíŽivotní prost edíGeodetické práceGra cké aplikaceInženýring a konzulta ní innost

Kontakt:Mott MacDonald Praha, spol. s r.o.Ing. Ji í PetrákNárodní 15, 110 00 Praha 1tel.: +420 221 412 800, fax: +420 221 412 810www.mottmac.com, e-mail: [email protected]

sílazkušenosti

Beton_1_09.indd 1 2.2.2009 9:37:58

Literatúra:[1] Labib W., Eden N.: An Investigation into the Use of Fibres in

Concrete Industrial Ground-Floor Slabs, Liverpool John Moo-res University, Liverpool, 2006

[2] Lambrechts A.: The Technical Performance of Steel and Poly-mer Based Fibre Concrete, Annual Technical Symposium „Concrete for a New World“, 2005

[4] Hela R., Klablena P., Krátký J., Procházka J., Štěpánek P., Vácha J.: Betonové průmyslové podlahy, Informační centrum ČKAIT, Praha, 2006

[5] STN EN 12350-3 Skúšanie čerstvého betónu. Časť 3: Skúška Vebe

[6] Chanh N.: Steel Fibre Reinforced Concrete, Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam

[7] STN EN 14651 Skúšobné metódy na betón vystužený kovo-vými vláknami. Meranie pevnosti v ťahu pri ohybe (medza úmernosti (LOP), zostatková pevnosť)

[8] Žiogas V., Juočiūnas S.: Design and Installation Peculiarities of Monolithic Concrete Floor, Kaunas TU, Kaunas, Lithuania, 2005

[9] Meda A., Plizzari G., Sorelli L.: Fracture Properties of Concre-te Reinforced with Hybrid Fibres, University of Bergamo, Italy, 2003

[10] STN EN 14889-1 Vlákna do betónu. Časť 1: Oceľové vlákna. Definície, špecifikácie a zhoda

[11] STN EN 14889-2 Vlákna do betónu. Časť 2: Polymérové vlák-na. Definície, špecifikácie a zhoda

[12] STN EN 14845-1 Skúšobné metódy pre vlákna v betóne. Časť 1: Referenčný betón

[13] STN EN 14845-2 Skúšobné metódy pre vlákna v betóne. Časť 2: Účinok na betón

[14] STN EN 14721+A1 Skúšobné metódy na betón vystuže-ný kovovými vláknami, Meranie obsahu vláken v čerstvom a zatvrdnutom betóne

[15] ASTM C 1579 Standard Test Method for Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete (Using a Steel Form Insert)

[16] Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Speci-mens in the Laboratory

[17] Qi C., Weiss J., Olek J.: Characterization of plastic shrinkage crac-king in fiber reinforced concrete using semi-automated image analysis’, Concrete Science and Engineering, 36 (260), 2003

[18] Lura P., Pease B., Mazzotta G. B., Rajabipour F. and Weiss J.: Influence of Shrinkage-Reducing Admixtures on Development of Plastic Shrinkage Fracka, ACI Materials 194 als Journal/Mar-ch-April 2007

[19] Qi, C., Weiss W. J. and Olek J.: The Statistical Significance of the Restrained Slab Test to Quantify Plastic Shrinkage Cracking in Fiber Reinforced Concrete, ASTM Int. J. 2 (7), 2005

[20] ASTM C 192 Standard Practice for Making and Curing Concre-te Test Specimens in the Laboratory

[21] STN EN 206-1 Betón. Časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda

h odnotenie vplyvu assessment of influence of … · 2016. 8. 4. · m ateriÁly a technologie h...

Documents