Charakterystyka użytych materiałów

Próbki do badań wykonano w Laboratorium Technologii Betonu w Zakła-dzie Inżynierii Materiałów Budowlanych na Wydziale Inżynierii Lądowej Poli-techniki Warszawskiej. Przed przystąpieniem do badań zaprojektowano składy zapraw cementowych z dodatkiem i bez dodatku włókien polipropylenowych. W ramach każdej serii badawczej zostały wykonane próbki zapraw w oparciu o tę samą recepturę, którą zamieszczono w tabeli 4.6. Badania zapraw cementowych wykonano na próbkach wilgotnych (eksperyment I) oraz na próbkach wysuszo-nych do stałej masy (eksperyment II). W pierwszym założeniu próbki po rozfor-mowaniu przez 56 dni przebywały w komorze klimatycznej o RH=99% i tem-peraturze 20°C. W drugim założeniu próbki po zaformowaniu po 24 godzinach

wyjmowano z form i umieszczano w wodzie na 27 dni. W kolejnym etapie prób-ki przeniesiono do komory klimatycznej o RH=99% i temperaturze 20°C, gdzie przechowywano je przez kolejne 60 dni. Następnie próbki umieszczono w suszar-ce i w temperaturze 70°C, suszono je do stałej masy przez 21 dni, monitorując przez ten czas ubytek wody.

Tabela 4.6. Składy zapraw cementowych – eksperymenty I i II (badania własne)

Składniki Oznaczenie składu Z0I / Z0F Z1,8I / Z1,8F Cement CEM I 42,5 R, [kg/m3] 846 846 Mikrokrzemionka, [kg/m3] 84,6 84,6 Piasek, [kg/m3] 1249 1249

Plastyfi kator Optima 185, [% m.c.] 2 2

Woda, [dm3] 215 215

Włókna I, [kg/m3] - ^1,8

(eksperyment I)

Włókna F, [kg/m3] - ^1,8

(eksperyment II)

Źródło: Opracowanie własne

Do wykonania zaprawy (eksperyment I i II) użyto cementu CEM I 42,5 R Lafarge z cementowni Małogoszcz o wysokiej wytrzymałości wczesnej, spełnia-jący wg deklaracji producenta wymagania normy (PN-EN 197-1:2002) „Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszech-nego użytku” oraz pył krzemionkowy Silimic. Do badań zastosowano piasek wi-ślany 0/2 mm o uziarnieniu przedstawionym w tabeli 4.7. Piasek został wysu-szony w suszarkach laboratoryjnych do stałej masy, następnie przesiany przez odpowiednie sito i umieszczony w stalowych pojemnikach ze szczelną pokrywą.

Tabela 4.7. Uziarnienie piasku (badania własne)

Frakcja, [mm] Piasek wiślany 0/2

0/0,125 2,0

0,125/0,25 7,0

0,25/0,5 39,2

0,5/1 20,2

1/2 31,6

Źródło: Opracowanie własne

Do zaprawy użyto wody wodociągowej zgodnej z wymaganiami normy

(PN--EN 1008:2004) „Woda zarobowa do betonu. Specyfi kacja pobierania próbek,

badania i oceny wody zarobowej do betonu”. Jako domieszkę użyto Chrysofl uid Optima 185 wytwarzaną na bazie modyfi kowanych polikarboksylatów i fosfo-nianów, zgodną z wymaganiami normy (PN-EN 934-2:2002) „Domieszki do be-tonu, zaprawy i zaczynu. Część 2: Domieszki do betonu. Defi nicje, wymagania, zgodność, znakowanie i etykietowanie”, dla silnych reduktorów wody zarobowej. Wskaźnik wodno-cementowy w/c dla próbek zaprawowych wynosił 0,25. Betony szczelne charakteryzują się ograniczoną ilością porów, w tym zwłaszcza długich, ciągłych kapilar oraz niskim wskaźnikiem w/c. Zastosowana domieszka umoż-liwiła produkcję spoistej mieszanki o niskiej lepkości i z bardzo długotrwałym efektem utrzymania konsystencji.

Wszystkie mieszanki zaprawy wykonywano w mieszarce laboratoryjnej. W pierwszej kolejności dozowano suche składniki (piasek, cement), które mieszano ok. 60 sek., następnie dodawano włókna polipropylenowe i miesza-no przez 30 sek. (tak krótki czas mieszania wynikał z tego, że przy dłuższym mieszaniu dochodziło do zbijania się włókien i osadzania się ich na łopatach mieszalnika), następnie dodawano wodę i domieszkę w ilości 2% masy ce-mentu. Wszystkie składniki mieszano jeszcze dodatkowo przez około 3 min. Próbki formowano i zagęszczano w dwóch warstwach na stole wibracyjnym przez około 15 sek. Zaformowane próbki układano na równej posadzce la-boratorium i przykrywano szczelnie folią, chroniąc je przed nadmiernym odparowywaniem wody z ich powierzchni. Próbki zaprawy rozformowywa-no po 24 godz. przechowywania w warunkach laboratoryjnych (temperatura powietrza 20°C (±2), wilgotność względna powietrza 50−60%). Następnie

szczegółowo opisywano je, uwzględniając datę formowania oraz nadając każdej próbce numer (numer próbki przypisany był do konkretnego bada-nia odnotowanego na druku kontrolnym, unikając przez to ewentualnych pomyłek).

Po rozformowaniu próbki kondycjonowano w warunkach normowych zgod-nie z założonym planem eksperymentu (eksperyment I oraz eksperyment II).

Eksperyment I – po rozformowaniu próbki kondycjonowano przez 56 dni

w komorze klimatycznej o RH=99% i temperaturze 20°C, gdzie przechowywane były do przewidzianego terminu badania.

Eksperyment II – próbki po zaformowaniu po 24 godzinach wyjmowano

z form i umieszczano w wodzie na 27 dni. W kolejnym etapie próbki przeno-szono do komory klimatycznej o RH=99% i temperaturze 20°C, gdzie prze-chowywano je przez kolejne 60 dni. Następnie próbki umieszczono w suszarce i w temperaturze 70°C suszono je do stałej masy przez 21 dni, monitorując przez ten czas ubytek wody. Przykładowe zestawienie zawartości wody po kon-dycjonowaniu próbek beleczkowych 40 x 40 x 160 mm zamieszczono w tabeli 4.8. Całkowity ubytek wody wyniósł dla beleczek Z0F 4,7%, natomiast dla be-leczek Z1,8F 5,3%.

Tabela 4.8. Określenie zawartości wody w próbkach

po kondycjonowaniu (badania własne)

Ozna-czenie próbki

Masa próbki [g] ^Ubytek

wody (wartość średnia) [%] Początkowa po 10 dniach suszenia po 15 dniach suszenia po 20 dniach suszenia wysuszona 0F1 599,13 589,55 583,18 574,76 571,09 4,7 0F2 594,35 584,7 578 568,78 564,96 0F3 611,27 603,8 598,88 591,33 587,84 1,8F1 597,25 581,9 575,31 567,97 564,26 5,3 1,8F2 602,95 590,08 583,87 576,11 573,38 1,8F3 586,15 573,03 570,06 562,37 558,69

Wszystkie próbki formowano oraz przechowywano do momentu badania w identyczny sposób. Tak przygotowane próbki poddawano wygrzewaniu w La-boratorium Mechaniki i Wytrzymałości Materiałów w Szkole Głównej Służby Pożarniczej. Po wygrzaniu poddano je badaniom wytrzymałościowym w Labo-ratorium Technologii Betonu w Zakładzie Inżynierii Materiałów Budowlanych zgodnie z założonym planem eksperymentu.

Do badań użyto dwóch rodzajów włókien polipropylenowych stosowanych jako dodatek do betonu, oznaczonych dla potrzeb badawczych odpowiednio I oraz F. Różniły się one między sobą głównie długością i grubością pojedynczych włókien. Włókno I jest włóknem monofi lamentowym, to znaczy, że jest utworzo-ne z jedutworzo-nej nitki. Włókno F jest włókutworzo-nem multifi lamentowym, to znaczy, że jest utworzone poprzez splecenie kilku pojedynczych nitek. Włókna polipropyleno-we I oraz F stanowią mikrozbrojenie rozproszone w postaci włókienek o długości 12−19 mm i średnicy 18−40 μm. Dodawano je do tworzyw cementowych w trak-cie procesu mieszania o przedłużonym czasie w celu równomiernego rozprosze-nia włókien. Włókna te mają niski współczynnik sprężystości (ok. 4000 MPa). Włókna I oraz F są odporne na alkaliczne środowisko betonu (zaczynu), mają także wysoką odporność na działanie kwasów. W tabeli 4.9 podano charaktery-stykę powyższych typów włókien na podstawie danych z kart producentów.

Tabela 4.9. Charakterystyka włókien polipropylenowych wykorzystanych do badań

(wg danych producentów)

Właściwość ^{Nazwa włókna}

I F

Barwa Transparentna Beżowa

Charakterystyka Monofi lamentowe Multifi lamentowe

Długość, [mm] 12 19

Średnica, [μm] 18 35-40

Gęstość, [kg/dm3] 0,91 0,91

Wytrzymałość

na rozciąganie, [MPa] ^{Brak informacji ok. 400}

Moduł sprężystości, [MPa] Brak informacji ok. 4900

Temperatura mięknienia, [°C]

ok. 165

(Temperatura zapłonu 400) ^{ok. 150}

dtex*) Brak informacji ok. 10

Dodatkowych informacji na temat kształtu i budowy włókien polipropyleno-wych dostarczyły obserwacje wykonane w skaningowym mikroskopie elektrono-wym (SEM). Włókna polipropylenowe I poddane obserwacjom w SEM wykazały stosunkowo gładkie powierzchnie, dopiero przy większych powiększeniach rzę-du 5000x na ich powierzchniach widoczne są nieliczne wypukłości/pęcherzyki o wielkości od 2 μm do 10 μm, bezładnie rozrzucone na powierzchni włókien. Średnica włókien pomierzona losowo zawierała się w granicach od 17,8 μm do 19,6 μm. Włókna polipropylenowe F poddane obserwacjom w SEM charaktery-zują się budową warstwową, stosunkowo łatwo rozdzielają się na bardzo cien-kie włókna – z tego względu trudno jest wyróżnić w nich pojedyncze włókna, a raczej można je uważać za wiązki włókien. Z tego samego względu trudno do-kładnie zmierzyć średnicę tych włókien/wiązek. Charakterystyczne fotografi e włókien polipropylenowych zastosowanych do wykonania próbek zaprawowych przedstawiono na rys. 4.22 a i b oraz 4.23 a i b.

a) b)

Rys. 4.22. Włókna polipropylenowe I a) zdjęcie bez powiększenia, b) zdjęcie SEM

a) b)

Rys. 4.23. Włókna polipropylenowe F a) zdjęcie bez powiększenia, b) zdjęcie SEM

Źródło: Opracowanie własne

Włókna polipropylenowe I o nazwie handlowej Ignis® fi rmy Rethmeier, zgod-nie z opisem producenta, umożliwiają redukcję pęknięć i redukują występowazgod-nie skurczu, polepszając tym samym własności nawierzchni oraz trwałość elementów betonowych. Włókna I stosowane są w szerokim zakresie: przy wykonywaniu tu-neli kolejowych i drogowych, konstrukcji wysokiego ryzyka, tutu-neli kablowych, mostów, parkingów podziemnych, produktów ogniotrwałych. Dodanie do mie-szanki betonowej włókien polipropylenowych I zapewnia pasywną ochronę przed ogniem, zwiększając trwałość elementów betonowych podczas pożaru.

Włókna polipropylenowe F o nazwie handlowej Fortatech® Fibre High Grade 190 (obecna nazwa Fibrofor Fibre High Grade 190), zgodnie z opisem producen-ta, są to fi brylowane, podwyższonej jakości, wiązkowe włókna stosowane w cha-rakterze zbrojenia strukturalnego w betonie. Dzięki ich chropowatej powierzchni efektywnie zamocowują się w betonie oraz szybko i trójwymiarowo rozmiesz-czają w matrycy podczas mieszania składników mieszanki betonowej. Włókna F zapobiegają skurczowi plastycznemu, zwiększają również odporność betonu na uderzenia. Włókna ponadto ograniczają sedymentację składników mieszanki betonowej oraz podwyższają odporność betonu w konstrukcjach narażonych na działanie wód agresywnych.