Jolanta B O R U C K A - LIPSKA*
Politechnika Szczecińska
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MŁODEGO BETONU ZWYKŁEGO I WYSOKO WARTOŚCIOWEGO
S tre szcze n ie . W łaściw ości m echaniczne m łodego betonu m ają znaczenie w analizie uw arunkow ań technolo- giczno-m ateriałow ych procesu realizacji konstrukcji. Z m iany objętościow e tw ardniejącego betonu stanow ią czę
stą przyczynę tw o rzen ia się ry s i pęknięć elem entu konstrukcji je sz c z e w fazie jej w znoszenia. W referacie przedstawiono w yniki badań w łaściw ości m echanicznych m łodego betonu zw ykłego i w ysokow artościow ego w początkowym okresie tw ardnienia. N a tym tle sform ułow ano tezę w sk azu jącą na szczególną w rażliw ość betonu wysokow artościow ego na w czesne obciążenia pośrednie generow ane naprężeniam i w ym uszonym i.
THE MECHANICAL PROPERTIES OF EARLY AGE HIGH PERFORMANCE AND NORMAL STRENGTH CONCRETE
S u m m a ry . T h e m echanical properties o f early age concrete have som e significance in the analysis o f engi
neering and m aterial-related conditions w hile constructing a structure. V olum etric changes in concrete during its hardening are a frequent cause o f cracks and fissures developing in a structural m em ber during its erection. In this paper th e results o f som e tests o f m echanical properties o f early age regular and high-grade concretes at the preliminary stage o f their hardening are presented. Based upon such input a thesis is form ulates, w hich indicates a particular susceptible o f high - grade concrete to early interm ediate loads produced by forced stresses.
1. Wprowadzenie
C harakterystyki m echaniczne betonu podane w norm ach dotyczą betonu stw ardniałego, dojrzewającego w określonych w arunkach tem peraturow o-w ilgotnościow ych w umownym okresie 28 dni. Czasam i je d n ak w ystępują okoliczności, w których beton je s t poddaw any wyjątkowo w ysokim obciążeniom we w czesnym stadium je g o dojrzew ania. Trudności zw ią
zane z przew idyw aniem zachow ania się m łodego betonu w następstw ie w czesnych obciążeń graw itacyjnych, narzuconych odkształceń skurczow ych w konstrukcjach ogólnego stosowania oraz odkształceń term icznych w konstrukcjach m asyw nych w ynikają z niedostatecznej zna-
' O piekun naukow y: D r hab. inż. W łodzim ierz K iernożycki, prof. PS.
jom ości w łaściw ości m echanicznych i Teologicznych je g o nie w pełni ukształtowanej struktu
ry [1]. Problem następstw w ysokiego w ytężenia m łodego betonu, szczególnie wów czas, gdy nie obserw uje się widocznych uszkodzeń konstrukcji, nie został dotychczas jednoznacznie w yjaśniony [2], Zagrożenie w ystąpienia uszkodzeń m łodego betonu oraz następstw jego w czesnego w ysokiego w ytężenia zależy zarów no od w ystępujących oddziaływ ań pośrednich, ja k i je g o w łaściw ości sprężystych, w ytrzym ałościow ych i Teologicznych oraz zdolności do
„regeneracji struktury” .
W referacie przedstaw iono w yniki badań w łaściw ości m echanicznych m łodego betonu zw ykłego i w ysokow artościow ego w początkowym okresie tw ardnienia. N a tym tle sform u
łow ano tezę w skazującą na szczególną w rażliw ość betonu w ysokow artościow ego na wczesne obciążenia pośrednie generow ane naprężeniam i wym uszonym i.
2. Program badań
Program badań obejm ow ał określenie w łaściw ości m echanicznych m łodego betonu zwy
kłego klasy B30 oraz w ysokow artościow ego klasy B90 we w czesnym okresie tw ardnienia oraz w łaściw ości m echanicznych betonów stwardniałych w w ieku 28 dni, poddanych uprzed
nio znacznym odkształceniom .
Do w ykonania próbek z betonu zw ykłego zastosow ano m ieszankę betonow ą o wskaźniku w odno-cem entow ym co = 0.5. Założono konsystencje plastyczną m ieszanki, którą uzyskano przy następującym jej składzie: cem ent CEM I 32,5 - 350 kg/m 3, w oda - 170 l/m 3, kruszywo naturalne o m aksym alnej średnicy ziarna 16 mm - 1900 kg/m 3.
Beton w ysokow artościow y o konsystencji plastycznej i w skaźniku w odno-cem entow ym co = 0.3 uzyskano przy składzie: cem ent CEM I 42,5 HSR N A - 450 kg/m 3, w oda - 135 l/m3, kruszyw o naturalne frakcji O-t-2 mm -r 630 kg/m 3 oraz kruszyw o bazaltow e frakcji 2h-16 mm - 1280 kg/m 3. Do składu betonu dodano rów nież pyły krzem ionkow e - 45 kg/m 3 i superplasty- fikator dozow any poprzez rozpuszczenie w w odzie zarobowej w ilości równej 2,2% masy cem entu.
B adania m łodego betonu m iały na celu:
ustalenie w ytrzym ałości doraźnej betonu zw ykłego po: 12, 18, 24, 30, 36 godzinach je g o tw ardnienia, oraz w ytrzym ałości betonu w ysokow artościow ego po: 11, 11.45,
14, 15 i 16 godzinach tw ardnienia, a także porównaw czo po 28 dniach,
- określenie m odułu sprężystości betonów o zróżnicow anej w ytrzym ałości,
- ustalenie zależności a - e betonów , ściskanych po upływ ie podanych w yżej okresów tw ardnienia.
Program badań m łodego betonu zw ykłego i w ysokow artościow ego obejm ow ał również porównawcze w yznaczenie ich charakterystyk Teologicznych, a m ianow icie [3]: pełzania, re
laksacji oraz w czesnych zm ian objętościow ych generow anych początkow o pęcznieniem a później skurczem tw ardniejących betonów oraz ich następstw rejestrow anych w postaci w zro
stu sił działających na próbki betonu pozbaw ionych sw obody odkształcenia.
Badania w ytrzym ałości betonów na ściskanie prow adzono na próbkach cylindrycznych
<(> 150x300 mm. Badania w ytrzym ałości betonu na rozciąganie prow adzono m etodą bezpo
średniego rozciągania próbek o w ym iarach 8*8*30 cm. M oduł sprężystości badanych beto
nów w yznaczono po sześciokrotnym cyklu obciążeń wstępnych próbek, m ierząc odkształce
nia przy naprężeniach nie przekraczających 30% ich w ytrzym ałości doraźnej. Badania pełza
nia betonów zw ykłego i w ysokow artościow ego zabezpieczonych przed w ysychaniem folią PCV prow adzono po 24 godzinach ich tw ardnienia. Próbki badanego betonu poddaw ano na
prężeniom o w artości odpow iadającej około 50% je g o w ytrzym ałości doraźnej na rozciąga
nie. Pomiaru przem ieszczeń bazy pom iarow ej o długości 500 mm dokonyw ano z dokładno
ścią 0.5 (im w odstępach czasow ych co 60 s, przy zachow aniu stałej wartości naprężenia z dokładnością 5<j = ± 0.02 MPa. Badania pełzania betonów prow adzono w okresie 120 godzin.
Badania relaksacji m łodych betonów prow adzono rów nież po okresie 24 godzin ich tw ard
nienia. Podobnie ja k w w ypadku pełzania, badanie próbki betonu poddano naprężeniom o wartości odpow iadającej około 50% ich w ytrzym ałości doraźnej na rozciąganie zachow ując stałą w artość odkształcenia z dokładnością 8E = ± 0.000002. Badania zm ian objętościow ych twardniejących betonów - pęcznienie i skurcz, m ierzono w urządzeniu do badań Teologicz
nych zakładając o 0 = 0. Zm iany długości próbki rejestrow ano z dokładnością 0.5 (im począw szy od 12 godziny tw ardnienia betonu. N aprężenia w ym uszone tw ardniejącego betonu gene
rowane zm ianam i objętościow ym i określano w kolejnym cyklu badań. Z akładając program o
wo stałą w artość odkształcenia £ = e0 = const., m ierzono zm iany nacisku czoła próbki na gło
wicę urządzenia z dokładnością 0,025 kN. Pozw alało to w nioskow ać o zm ienności naprężeń w ymuszonych w yw oływ anych początkow o pęcznieniem , a później skurczem tw ardniejącego betonu.
Celem określenia „w rażliw ości” m łodego betonu zw ykłego i w ysokow artościow ego na w czesne w ysokie wytężenie, obciążano je do granicy odpow iadającej 80% wyznaczonych w cześniej odkształceń granicznych. Po trzykrotnym obciążeniu i odciążeniu próbek młodego betonu przechow yw ano je na ruszcie nad w odą do chwili osiągnięcia w ieku 28 dni. W czesne obciążenia badanych próbek nie w yw oływ ały na ich pow ierzchni widocznych uszkodzeń.
Badania betonów stw ardniałych, poddanych wcześniej nadm iernym obciążeniom , obej
mowały:
- ustalenie w ytrzym ałości m iarodajnej, - określenie m odułu sprężystości,
ustalenie zależności G -£ przy ściskaniu.
3. Urządzenie do badań mechanicznych betonu w młodym wieku
Badania m łodego betonu prow adzono za pom ocą specjalnie skonstruow anego urządzenia.
O gólny schem at budow y urządzenia przedstaw iono na rysunku 1.
Rys. 1. U rządzenie do badań próbek betonu w procesie tw ardnienia: 1 - próbka betonow a 10x10x70 cm, 2 - uchw yt nieruchom y urządzenia. 3 - uchw yt ruchom y urządzenia, 4 - układ napędu uchw ytu ruchom e
go, 5 - czujnik pom iaru przesunięć, 6 - czujnik pom iaru siły, 7 - odczyt układu pom iarow ego przesunięć, 8 - odczyt układu pom iarow ego siły, 9 - sterow nik układu napędu, 10 - je d n o stk a centralna układu ste
row ania
Fig. 1. D evice o f testing concrete specim ens during its hardening: 1 - concrete specim en 10x10x70cm , 2 - sta
tionary holder, 3 - m ovable holder, 4 - system o f pow er transm ission m ovable holder, 5 - dislocation sensor, 6 - sensor o f force m easurem ent, 7 - redout o f dislocations’system m easurm ent, 8 - redout o f fo rce’s system m easurem ent, 9 - system o f pow er transm ission controller, 10 - central operating device
Próbka betonow a (1) o długości pom iarowej 700 mm i wym iarach przekroju poprzecznego 100x100 mm form ow ana je s t w osi wzdłużnej urządzenia. U rządzenie um ożliw ia uzyskanie podczas dośw iadczenia odkształcenia osiowego próbki o określonej wartości lub w yw arcia na
próbkę osiowej siły ściskającej albo rozciągającej. R ealizow ane je st to przez w yw ołanie prze
sunięcia chw ytu ruchom ego (3) w zględem nieruchom ego (2). M inim alna w artość przesunię
cia chwytu ruchom ego, w yw ołana układem napędu (4), w ynosi 0,25 pm . P rzem ieszczenia ba
zy pom iarowej, m ierzone są za pom ocą czujników optoelektrycznych (5) o dokładności wskazań ±0,5 pm . Pom iar w artości siły prow adzony je s t tensom etrycznym czujnikiem siły (6) o zakresie ±50kN , z dokładnością ±0,025 kN.
Zasadniczym elem entem układu sterow ania je st kom puter (10), który poprzez sterow nik (9) reguluje p racą układu napędow ego (4). W trakcie dośw iadczenia dokonyw any je st pom iar przemieszczeń bazy pom iarow ej, ja k i w artość siły działającej na badaną próbkę betonu.
Wartości te - poprzez tory ujem nego sprzężenia zw rotnego, m ogą być niezależnie porów ny
wane w układzie regulacji z w artościam i zadanym i w program ie dośw iadczenia.
4. Wyniki badań i ich omówienie
• W łaściw ości m echaniczne m łodego betonu BZ i BW W
Wyniki badań zm ian w ytrzym ałości na ściskanie i rozciąganie betonu zw ykłego (BZ) i wysokiej w ytrzym ałości (B W W ) oraz zm ian ich m odułów sprężystości przedstaw iono na ry
sunku 2 i 3. W analizow anym przedziale czasu zarów no w w ypadku betonu BZ, ja k i betonu BWW zaobserw ow ano relacje w skazujące na w zględnie szybszy w zrost ich cech sprężystych w porów naniu ze zm ianam i w ytrzym ałości.
Rys. 2. R ozw ój w łaściw ości m echanicznych BZ Rys. 3. Rozw ój w łaściw ości m echanicznych BW W Fig. 2. D evelopm ent o f m echanical properties o f N SC Fig. 3. D evelopm ent o f m echanical properties o f H PC
U zyskane dośw iadczalnie zależności o - e m łodego betonu ściskanego BZ i BW W w róż
nych stadiach tw ardnienia przedstaw iono na rys. 4 i 5.
Rys. 4. L in ie o -e betonu BZ w m łodym w ieku Rys. 5. L inie c - e betonu BW W w m łodym w ieku Fig. 4. T he relationships ct-e o f early age N SC Fig. 5. T he relationships a - e o f early age HPC
Trudności zw iązane z określeniem charakterystyk m echanicznych tw ardniejącego betonu w iążą się z nierów nom iernym rozw ojem jego w łaściw ości w ytrzym ałościow ych i sprężystych [4,5]. M łody beton w ykazuje zarów no w łaściw ości ciała sprężysto-kruchego, ja k plastyczne
go. K ształt linii o - e zw iązany je s t z w iekiem betonu w chwili obciążenia, przy czym udział odkształceń plastycznych m aleje w m iarę w zrostu je g o w ytrzym ałości.
Rys. 6. O dkształcenia sw obodne tw ardniejącego beto- Rys. 7. N aprężenia w ym uszone generow ane zm ianam i
nu B Z i BW W objętościow ym i BZ i BW W
Fig. 6. Free strains o f hardening N SC and H PC Fig. 7. F orced Stresses generated by volum e change of N SC and H PC
N a rysunku 6 przedstaw iono w yniki badań sw obodnych zm ian liniowych próbek - es beto
nu zw ykłego i w ysokow artościow ego, a na rysunku 7 naprężenia w ym uszone - ctw generow a
ne ich zm ianam i objętościow ym i w początkowym okresie tw ardnienia. Próbka betonu zw y
kłego, izolow ana od zm ian w ilgoci z otoczeniem , po początkow ym okresie pęcznienia do wartości es = 80 pm /m , a następnie nieznacznym skurczu nie w ykazyw ała dalszych zmian objętościow ych. Próbka betonu w ysokow artościow ego w początkow ym okresie tw ardnienia w ykazała nieznaczne pęcznienie es = 18 pm /m , a po upływ ie ok. 52 godzin - licząc od chw i
li w ym ieszania składników , ciągły skurcz, który po 240 godzinach osiągnął w artość es = -68 pm /m . W czesne pęcznienie betonów, tw ardniejących w w arunkach braku sw obody od
kształcenia, w yw ołało w zrost naprężeń ściskających badanych ciał próbnych: do w artości ok.
0.4 M Pa - BZ oraz ok. 0.1 M P a - BW W . Późniejszy skurcz B W W w yw ołuje naprężenia rozciągające, które po ok. 40 godzinach tw ardnienia przekraczają chw ilow ą w ytrzym ałość tw ardniejącego betonu na rozciąganie i w konsekw encji ich zniszczenie przez zerwanie.
Przedstaw ione w yniki badań w skazują na znaczenie skurczu w betonie w ysokow artościo- wym, m odyfikow anym pyłam i krzem ionkow ym i i superplastyfikatorem . Szybko postępujący skurcz betonu BW W , tw ardniejącego w w arunkach braku sw obody odkształcenia, w yw ołał zniszczenie badanych ciał próbnych ju ż w początkow ym okresie przem iany cementu.
Sw obodne odkształcenia objętościow e m łodego betonu w yw ierają w pływ na proces pełza
nia i relaksacji. Rysunki 8 i 9 przedstaw iają w yniki badań pełzania i relaksacji próbek w yko
nanych z betonów BZ i BW W , rozciąganych po 24 godzinach ich tw ardnienia.
Odkształcanie pełzania t-10-8
czas obciążenia betonu M o [h]
Rys. 8. O dkształcenia opóźnione tw ardniejącego beto- Rys. 9. R elaksacja betonu zw ykłego i w ysokow arto- nu w ysokow artościow ego i zw ykłego obciążo- ściow ego obciążonego w w ieku 24 h nego w w ieku 24 h Fig. 9. R elaxation o f H PC and N SC loaded at 24 hour Fig. 8. D elayed strains o f H PC and N SC loaded at 24
hours
Zależności: e = f(t) - określające pełzanie oraz a = f(t) - określające relaksację młodego betonu zw ykłego są zgodne z znanymi z literatury funkcjam i: m onotonicznie rosnącym i - w w ypadku pełzania oraz m onotonicznie m alejącym i - w wypadku relaksacji. Znaczny skurcz sam oczynny betonu w ysokow artościow ego zakłóca te relacje. N aprężenia rozciągające gene
row ane skurczem betonu BW W w pływ ają na zależność e = f(t) - w teście pełzania, a w te
ście relaksacji prow adzą do zniszczenia badanych ciał próbnych przez ich zerw anie [3].
• W rażliw ość m łodego betonu BZ i BW W na w czesne obciążenia
Rysunki l O i l l przedstaw iają linie o - e betonów BZ oraz BW W stw ardniałych - po 28 dniach tw ardnienia, obciążonych w cześniej w wieku: 12, 18, 24, 30 i 36 godzin - beton BZ, oraz: 11, 11.45, 14, 15 i 16 godzin - beton BW W , do wartości odpow iadającej 80% ich od
kształceń granicznych. W yniki badań betonu zwykłego, przedstaw ione na rysunku 10, wska
z u ją na nieznaczne różnice linii o - e próbek betonu obciążonego po raz pierwszy w w ieku 28 dni oraz próbek betonu w tym sam ym w ieku, ale obciążonych w cześniej po 12, 24, 30, i 36 godzinach tw ardnienia. Jedynie próbkę betonu obciążona wcześniej w wieku 18 godzin cha
rakteryzuje w yraźnie niższa w ytrzym ałość oraz niższe odkształcenia £ci. W wypadku betonu wysokiej w ytrzym ałości różnice pom iędzy liniami a - e próbek betonu obciążonych w mło
dym w ieku oraz próbki nie obciążanej są również nieznane.
o d k s z t a łc e n ia « [ * . ] o d k sz ta łc e n ia „ [* .]
Rys. 10. L inie o - e stw ardniałych betonów BZ Rys. 11. L inie o - e stw ardniałych betonów BW W Fig. 10. T he R elationships o - e o f hardened N S C Fig. 11. T he Relationships a - e o f hardened HPC
Na rysunkach 12 i 13 podano w zględne zm iany w ytrzym ałości - fc, odkształceń - £d i modułu sprężystości - E betonów stw ardniałych BZ i BW W poddanych znacznym odkształ
ceniom w m łodym wieku.
Beton w/tokowe rtoictowy
tJUii Ł / E «
Rys. 12. N astępstw a w czesnego nadm iernego obciążę- Rys. 13. N astępstw a w czesnego nadm iernego obciąże- nia betonu B Z
Fig. 12. T h e sequences o f early excessive loading o f N SC
nia betonu BW W
Fig. 13. The sequences o f early excessive loading of H PC
Wyniki badań w sk azu ją na m aksym alne 20% obniżenie w ytrzym ałości betonu BZ, 15%
obniżenie je g o odkształceń e c l, oraz ok. 10% obniżenie m odułu sprężystości. W wypadku betonu B W W następstw a, nadm iernego w czesnego obciążenia są relatyw nie m niejsze i w ynoszą odpow iednio: 10% - w odniesieniu do w ytrzym ałości -fc oraz 5% w odniesieniu do odkształceń e c l i 8% w odniesieniu do m odułu sprężystości - E. M ożna sądzić, że m niejsza wrażliwość betonu B W W na w czesne w ysokie obciążenia zw iązana je s t z je g o w yższym - w porównaniu z betonem BZ - „potencjałem hydratacyjnym ” , w ynikającym z większej ilości dozowanego cem entu oraz obecności dodatków m ineralnych.
5. Podsumowanie
Przedstaw ione porów naw czo w yniki badań w ybranych w łaściw ości m echanicznych i Teologicznych tw ardniejących betonów BZ oraz B W W w skazują na istotne różnice. Beton BWW - m odyfikow any pyłam i krzem ionkow ym i oraz superplastyfikatorem - charakteryzują
cy się szybkim rozw ojem cech sprężysto-w ytrzym ałościow ych, w ykazuje w okresie tw ard
nienia znaczny skurcz sam oczynny. W czesne zm iany objętościow e betonu B W W generują, w warunkach braku sw obody odkształcenia w ykonanego fragm entu konstrukcji, w ym uszone naprężenia rozciągające. Jednocześnie beton w ysokow artościow y je s t m niej w rażliw y na na
stępstwa w czesnego nadm iernego obciążenia w porów naniu z betonem zw ykłym . Porów naw cza ocena następstw w czesnych zm ian objętościow ych betonów BZ i BW W w yw oływ anych
skurczem i ciepłem tw ardnienia spoiw a cem entow ego - generujących naprężenia w ym uszo
ne, w ym aga przeprow adzenia oddzielnych testów laboratoryjnych, sym ulujących rzeczywiste w arunki ich tw ardnienia we w nętrzu konstrukcji o zróżnicow anej m asywności.
W yniki dotychczasow ych badań pozw alają sform ułow ać tezę w skazującą na szczególną w rażliw ość betonu w ysokow artościow ego na w czesne obciążenia pośrednie generow ane na
prężeniam i w ym uszonym i.
LITER A TU R A
1. K iernożycki W.: Term iczne naprężenia w ym uszone w betonow ych budow lach m asyw nych z uw zględnieniem zjaw isk Teologicznych, PNPS 487, IIL, 31/1992.
2. B yfors J.: Plain concrete at early ages, Swedish C em ent and C oncrete Research Institute, Fo.30, 80, Stockholm 1980.
3. F reidenberg P.: Pełzanie i relaksacja m łodego betonu rozciąganego. Praca doktorska, Politechnika Szczecińska 2000.
4. K iernożycki W.: W ytrzym ałość i w spółczynnik sprężystości betonu o różnym stopniu przem ian strukturalnych, AIL, t X X XV II, 2.1, 1991.
5. K ról M.: W łaściw ości w ytrzym ałościow e m łodego betonu, Inżynieria i Budow nictw o, 1, 1987.
Recenzent: Dr hab. inż. Jacek Śliw iński, prof. PK
Abstract
The process o f cem ent transform ation is accom panied by volum e changes o f hardening concrete: expansion, autogenous shrinkage, ecological shrinkage, therm al strains caused by heat o f binder hardening. Early volum e changes o f hardening concrete, caused an increase of stresses, which effecting in cracks and fracture creation in construction. The consequences of existing defects o f early age concrete and the sequences its early, high effort depends on indi
rect influences: elastic properties, strength and rheological properties and its ability to
“regeneration o f structure” . In the paper, there were presented experim ental results o f devel
opm ent o f m echanical and rheological properties o f early age High Perform ance and Norm al Strength C oncrete. On this basis, the thesis o f particular sensitivity o f H PC on indirect influ
ences at early age were form ulated.
