• Nie Znaleziono Wyników

4. Właściwości kompozytów cementowych w warunkach pożarowych

4.3. Wpływ wysokiej temperatury na cechy mechaniczne

4.3.2. Metodyka badawcza

W pierwszym etapie badań (eksperyment I) wykonano dwie serie próbek we-dług założonej receptury (z włóknami I oraz bez włókien). Do badań zastosowa-no jeden rodzaj włókna (Ignis® fi rmy Rethmeier) dla wszystkich rodzajów badań

wytrzymałościowych. Wyboru włókna dokonano na podstawie wcześniejszych ba-dań, przy uwzględnieniu znanych i przebadanych cech tego materiału. Zbadano wy-trzymałość na ściskanie, rozciąganie, zginanie oraz rozciąganie przy rozłupywaniu. W drugim etapie badań (eksperyment II) również wykonano dwie serie pró-bek według założonej receptury (z włóknami F oraz bez włókien). Do badań za-stosowano jeden rodzaj włókna (Fibrofor High Grade typ 190 produkcji fi rmy Brugg Contec AG) dla wszystkich rodzajów badań wytrzymałościowych. Wy-boru włókna dokonano na podstawie wcześniejszych badań autora pracy, przy uwzględnieniu znanych i przebadanych cech tego materiału. Zbadano wytrzy-małość na ściskanie, rozciąganie, zginanie oraz rozciąganie przy rozłupywaniu.

Wygrzewanie próbek. Wygrzewanie próbek odbywało się w Laboratorium

Mechaniki Stosowanej w Szkole Głównej Służby Pożarniczej. Wygrzewanie prze-prowadzono na stanowisku badawczym, którego podstawę stanowi średniotem-peraturowy elektryczny piec komorowy typu PK 1100/5 (rys. 4.24). W skład sta-nowiska pomiarowego wchodzi dodatkowo komputer PC wyposażony w system operacyjny Windows 7 z odpowiednim oprogramowaniem do sterowania pracą pieca oraz rejestracji temperatury podczas wygrzewania próbek.

Rys. 4.24. Stanowisko do wygrzewania próbek

Źródło: Opracowanie własne

Szkielet pieca wykonany został z rur kwadratowych i nierdzewnej stalowej blachy. Warstwę izolacyjną pieca stanowią kształtki i mata z włókien ceramicz-nych. Elementy grzejne komory pieca wykonane zostały z drutu oporowego

KANTHAL A1 w kształcie spiral. Dodatkowo w stropie pieca znajdują się dwa kominki do odprowadzania pary lub wprowadzenia dodatkowych czujników ter-moelektrycznych. Termoelement regulacyjny (TR) wprowadzony został przez tylną ścianę pieca i usytuowany w pobliżu jego stropu. Układ sterowania pieca został umieszczony w dwóch szafach połączonych z ramą nośną pieca. Realizują one regulację temperatury oraz transmisję sygnałów termoelektrycznych z czuj-ników pomiarowych do komputera. Regulator temperatury TROL 9300 oraz re-jestrator temperatury USB-16K znajdują się na płycie czołowej pierwszej z szaf, natomiast na płycie czołowej drugiej szafy znajduje się 3-fazowy włącznik głów-ny pieca z bezpiecznikiem 40 A. Parametry techniczne pieca komorowego typu PK 1100/5 przeznaczonego do wygrzewania próbek oraz układu sterowania tem-peraturą przedstawiono w tabeli 4.10.

Tabela 4.10. Parametry techniczne pieca oraz układu sterowania temperaturą

Parametry pieca

Zasilanie 230/400 [V], 50 [Hz]

Moc znamionowa 20 [kW]

Temperatura znamionowa 1100 [°C]

Pojemność komory pieca 0,41 [m3]

Dopuszczalne obciążenie trzonu pieca 100 [kg]

Wymiary przestrzeni użytkowej 770 × 750 × 710 [mm]

Wymiary gabarytowe 1275 × 1770 × 710 [mm]

Masa pieca ~450 [kg]

Parametry układu sterowania temperaturą

Czujnik regulatora NiCr – NiAl typ (K)

Regulator temperatury TROL 9300

Typ łącznika SSR 50A

Rejestrator temperatury USB-16K

Źródło: Opracowanie własne

Sterowanie procesem grzewczym oraz monitoring temperatury (pozwala-jący na rejestrację temperatury z częstotliwością do 1 Hz) realizowany jest przy

wykorzystaniu dedykowanego oprogramowania fi rmy Th ermolab. Program Th er-moPro umożliwia zaprogramowanie dowolnych rozkładów temperatury w cza-sie badania, jej utrzymywania w zadanym czacza-sie oraz szybkości osiągnięcia ocze-kiwanej temperatury. Do pomiaru temperatury zastosowano termopary typu K (NiCr-NiAl), które spełniały wymagania normy (PN-EN 60584-1:2014-04).

W celu pomiaru temperatury podczas procesu wygrzewania próbek zastosowa-no trzy termoelementy pomiarowe: termoelement regulacyjny (TR) mierzący tem-peraturę wewnątrz pieca oraz dwa termoelementy mierzące temtem-peraturę w próbce (T1, T2). Termoelement (T1) został przytwierdzony do ścianki próbki, drugi ter-moelement (T2) został umieszczony w nawierconym kanaliku (rys. 4.25). Koniec tej termopary umieszczono w połowie wysokości próbki. Głębokość zamocowania termoelementów wynosiła odpowiednio: 11 mm dla próbek ósemkowych, 20 mm dla próbek beleczkowych 40 × 40 × 160 mm oraz 50 mm dla próbek sześciennych 100 × 100 × 100 mm. Każdorazowo wygrzewano partię 11 próbek (5 próbek bez dodatku włókien, 5 próbek z dodatkiem włókien oraz dodatkową próbkę, na której mierzono temperaturę za pomocą termoelementów T1, T2). Tak przygotowaną par-tię próbek wygrzewano odpowiednio w sześciu temperaturach (100°C, 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C). Jako temperaturę porównawczą (referencyjną) założono 20°C.

a) b)

Rys. 4.25. Rozmieszczenie termoelementów pomiarowych w próbce ósemkowej:

a) widok próbki z zamocowanymi termoelementami; b) schemat rozmieszczenia termoelementów w próbce

Źródło: Opracowanie własne

Na rys. 4.26 pokazano rozmieszczenie w piecu partii próbek przewidzianych do badań oraz próbkę, na której mierzono temperaturę. Każdą próbkę przewi-dzianą do badań opisano kodem literowo-cyfrowym zgodnie z przyjętym sche-matem: próbki z dodatkiem włókien F − Z1,8F oraz próbki bez dodatku włó-kien F − Z0F. Pełna nazwa obejmująca numer kolejny próbki oraz temperaturę

wygrzewania: „0F100/1” − oznacza próbkę bez dodatku włókien, wygrzewaną w temperaturze 100°C o numerze porządkowym „1”.

a) b)

c)

Rys. 4.26. Przykładowe rozmieszczenie partii próbek w komorze pieca: a) próbki

ósem-kowe; b) beleczki 40 × 40 × 160 mm (w tym: 5 próbek bez dodatku włókien; 1 próbka do pomiaru rozkładu temperatury; 5 próbek z dodatkiem włókien PP), c) próbki sześcienne 100 × 100 × 100 mm

Źródło: Opracowanie własne

Proces wygrzewania próbek przebiegał według opracowanej przez autora metodyki obróbki termicznej. Próbki wygrzewano według krzywej obrazującej narastanie temperatury w trakcie standardowego pożaru wewnątrz elementu be-tonowego. Proces wygrzewania dla każdej temperatury badawczej realizowano do momentu wyrównania temperatury na termoelementach pomiarowych (TR, T1, T2). Później utrzymywano założoną temperaturę jeszcze przez 30 min. Dla wszystkich badań − zarówno dla próbek ósemkowych, beleczek o wymiarach 40×40×160 mm, jak i próbek sześciennych o wymiarach 100×100×100 mm − metodyka wygrzewania była identyczna. Na rys. 4.27 pokazano przykłado-wą krzyprzykłado-wą obrazującą rzeczywisty rozkład temperatury na próbce ósemkowej w miejscach rozmieszczenia termoelementów pomiarowych (Drzymała 2017).

 0 50 100 150 200 250 300 350 0 30 60 90 120 7HPSHUDWXUD>ƒ&@ &]DV>PLQ@ 5(*8/$&<-1$ 7HUPRSDUD 7HUPRSDUD

Rys. 4.27. Przykładowy przebieg procesu wygrzewania – temperatura 300°C

Źródło: Opracowanie własne

Każdorazowo po wygrzewaniu próbek do badań piec wyłączano i studzo-no do temperatury bezpiecznej (około 100°C), następnie piec otwierastudzo-no i próbki schładzały się przez około 24 godz. do osiągnięcia temperatury pokojowej okre-ślonej jako normalna (20°C). Następnie po ostygnięciu próbki poddawano bada-niom wytrzymałościowym zgodnie z założoną procedurą badawczą.

Zakres badań wytrzymałościowych. Badania wytrzymałościowe

przepro-wadzono w Zakładzie Inżynierii Materiałów Budowlanych Politechniki War-szawskiej. Zakres badań wytrzymałościowych obejmował wyznaczenie wpływu wysokiej temperatury na zmianę wytrzymałości na rozciąganie, zginanie oraz rozciąganie przy rozłupywaniu (eksperyment I i II). Badania wytrzymałościowe prowadzono dla próbek niepoddanych wygrzewaniu w temperaturze normalnej 20°C (w celu określenia wyników wzorcowych) oraz dla próbek wygrzewanych, które po ostygnięciu zostały poddane badaniom wytrzymałościowym.

Wyjątek stanowią badania wytrzymałości na ściskanie (fc), podczas których wszystkie badania wykonano dla próbek niepoddanych wygrzewaniu w tempe-raturze normalnej 20°C. W tym przypadku nie wykonywano badań na próbkach po wygrzewaniu z uwagi na fakt, iż temat ten był już wcześniej rozpoznany i do-kładnie opisany w licznych publikacjach autora.

Badanie wytrzymałości na ściskanie (fc) przeprowadzono na maszynie

wy-trzymałościowej Controls MCC8 zgodnie z procedurą opisaną w normie (PN-EN

12390-3:2011) „Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do

badań”. Modyfi kowane zaprawy cementowe badano na próbkach sześciennych o wymiarach nominalnych 100 x 100 x 100 mm po 28 oraz po 90 dniach doj-rzewania w komorze klimatycznej o RH=99% i temperaturze 20°C. Na rys. 4.28 przedstawiono program badań przy oznaczaniu wytrzymałości na ściskanie za-praw cementowych z dodatkiem i bez dodatku włókien polipropylenowych.

< =PLHQQHZ\MĞFLRZH  WytrzymaáoĞü na Ğciskanie fc [MPa]   ; =PLHQQHZHMĞFLRZH

- Warunki dojrzewania próbek (po 28 oraz po 90 dniach)

 2%,(.7 %$'$ē  % =PLHQQHVWDáH 6NáDG]DSUDZ\EH]ZáyNLHQ Z0F - 6NáDG]DSUDZ\]ZáyNQDPL Z1,8F

Rys. 4.28. Program badań przy oznaczaniu wytrzymałości na ściskanie

Źródło: Opracowanie własne

Badanie wytrzymałości na rozciąganie (ftm) przeprowadzono na maszynie

wytrzymałościowej INSTRON 5567 zgodnie z procedurą opisaną w normie

(PN--85/B-04500) „Zaprawy budowlane. Badanie cech fi zycznych i

wytrzymałościo-wych”. Na rys. 4.29 przedstawiono program badań przy oznaczaniu wytrzyma-łości na rozciąganie zapraw cementowych z dodatkiem i bez dodatku włókien polipropylenowych.

< =PLHQQHZ\MĞFLRZH  WytrzymaáoĞü na rozciąganie ftm [MPa]   ; =PLHQQHZHMĞFLRZH - Temperatura (20; 100; 200; 300; 400; 500; 600°C) 2%,(.7 %$'$ē  % =PLHQQHVWDáH 6NáDG]DSUDZ\EH]ZáyNLHQ Z0I – „eksperyment I” Z0F - „eksperyment II” - 6NáDG]DSUDZ\]ZáyNQDPL Z1,8I – „eksperyment I” Z1,8F - „eksperyment II”

Rys. 4.29. Program badań przy oznaczaniu wytrzymałości na rozciąganie

Źródło: Opracowanie własne

Maszyna wytrzymałościowa o zakresie pomiarowym 0–30 kN zaopatrzona została w łukowe uchwyty do mocowania próbek ósemkowych (rys. 4.30.). Prób-ki ósemkowe do badań wykonano w specjalnych rozbieralnych formach stalo-wych (rys. 4.31.) spełniających wymagania normowe.

Rys. 4.30. Stanowisko do badania wytrzymałości na rozciąganie

Rys. 4.31. Forma stalowa do przygotowania próbek ósemkowych do badań

Źródło: Opracowanie własne na podstawie (PN-85/B-04500)

Badanie wytrzymałości na zginanie (fct,fl ) przeprowadzono na maszynie

wytrzy-małościowej INSTRON 5567 zgodnie z procedurą opisaną w normie (PN-EN

1015-11:2001) „Metody badań zapraw do murów. Część 11: Określenie wytrzymałości na

zginanie i ściskanie stwardniałej zaprawy”. Oznaczenie wytrzymałości na zginanie wy-konano na próbkach beleczkowych o wymiarach nominalnych 40 x 40 x 160 mm. Na rys. 4.32 przedstawiono program badań przy oznaczaniu wytrzymałości na zginanie zapraw cementowych z dodatkiem i bez dodatku włókien polipropylenowych.

< =PLHQQHZ\MĞFLRZH  WytrzymaáoĞü na zginanie fct,fl [MPa]   ; =PLHQQHZHMĞFLRZH - Temperatura (20; 100; 200; 300; 400; 500; 600°C) 2%,(.7 %$'$ē  % =PLHQQHVWDáH 6NáDG]DSUDZ\EH]ZáyNLHQ Z0I – „eksperyment I” Z0F - „eksperyment II” - 6NáDG]DSUDZ\]ZáyNQDPL Z1,8I – „eksperyment I” Z1,8F - „eksperyment II”

Rys. 4.32. Program badań przy oznaczaniu wytrzymałości na zginanie

Maszyna wytrzymałościowa zaopatrzona została w oprzyrządowanie do ba-dania wytrzymałości na zginanie (rys. 4.33.). Urządzenie jest skonfi gurowane z komputerem, na którym zainstalowano aplikację Instron Bluehill do sterowa-nia maszyną. Za jej pomocą można ustawiać parametry obciążasterowa-nia, m.in. szyb-kość przyrostu siły. Ponadto próba obciążania jest rejestrowana przez program, a w jego oknie wyświetlane są informacje o wartości siły obciążającej, naprężeniu zginającym i odkształceniu.

Rys. 4.33. Widok próbki podczas próby zginania

Źródło: Opracowanie własne

Badanie wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu (fct,sp)

przepro-wadzono na maszynie wytrzymałościowej Controls MCC8 zgodnie z procedurą opisaną w normie (PN-EN 12390-6:2011) „Badania betonu. Część 6: Wytrzyma-łość na rozciąganie przy rozłupywaniu próbek do badań”. Oznaczenie wytrzy-małości na rozciąganie przy rozłupywaniu wykonano na próbkach sześciennych o wymiarach nominalnych 100 x 100 x 100 mm. Na rys. 4.34 przedstawiono pro-gram badań przy oznaczaniu wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu zapraw cementowych z dodatkiem i bez dodatku włókien polipropylenowych.

< =PLHQQHZ\MĞFLRZH

 WytrzymaáoĞü na rozciąganie

przy rozáupywaniu fct,sp [MPa]   ; =PLHQQHZHMĞFLRZH - Temperatura (20; 100; 200; 300; 400; 500; 600°C) 2%,(.7 %$'$ē  % =PLHQQHVWDáH 6NáDG]DSUDZ\EH]ZáyNLHQ Z0I – „eksperyment I” Z0F - „eksperyment II”

- 6NáDG]DSUDZ\]ZáyNQDPL

Z1,8I – „eksperyment I” Z1,8F - „eksperyment II”

Rys. 4.34. Program badań przy oznaczaniu wytrzymałości na rozciąganie

przy rozłupywaniu.Źródło: Opracowanie własne

Próbki obciążano siłą ściskającą przyłożoną na wąskim obszarze wzdłuż ich długości, co powodowało powstawanie siły rozciągającej, która prowadziła do zniszczenia próbki. W celu prawidłowego przekazywania siły (z zaokrąglonych sta-lowych elementów obciążających) na próbkę stosowano podkładki z twardej płyty pilśniowej o gęstości ρ>900 kg/m3 i wymiarach: szerokości a = 10±1 mm, grubo-ści t = 4±1 mm i długogrubo-ści większej niż długość linii styku z próbką. Stanowisko badawcze oraz widok próbki podczas badania wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu pokazano na rys. 4.35. Oznaczenie wytrzymałości betonu na rozcią-ganie przy rozłupywaniu wykonywano na pięciu próbkach, a za wynik przyjmowa-no średnią z tych oznaczeń.

Rys. 4.35. Stanowisko badawcze oraz widok próbki podczas badania

wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu Źródło: Opracowanie własne

Wszystkie zaprezentowane wyniki badań wytrzymałościowych są średnią arytmetyczną z pięciu próbek. W przypadku wyników wytrzymałości na ści-skanie − średnia z trzech próbek.

Badania modyfi kowanych włóknami I oraz F zapraw cementowych za po-mocą metody symultanicznej analizy termicznej (STA) wykonano w Pracowni Analizy Termicznej Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

Analiza struktury zaczynów cementowych niemodyfi kowanych włók-nami PP oraz z dodatkiem włókien polipropylenowych została przeprowadzona na próbkach po oddziaływaniu wysokiej temperatury z wykorzystaniem elek-tronowego mikroskopu skaningowego typu LEO 1530 produkcji fi rmy ZEISS w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN w Warszawie.