• Nie Znaleziono Wyników

Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej"

Copied!
14
0
0

Pełen tekst

(1)

Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej

ANALYSIS OF CONCRETES PROPERTIES USING COMPUTER SIMULATION

Streszczenie

W publikacji przedstawiono analizę zależności występujących w betonach cementowych między wytrzymałością na ściskanie, cechami stosowanych składników, parametrami mieszanki betonowej oraz domieszek chemicznych. Stosując symulację komputerową zmian właściwości składników mieszanki betonowej, ustalono pożądane uziarnienie kruszywa, zaprojektowano beton spełniający wymagania normy PN-EN-206-1:2003, bez domieszek i z domieszkami. W postaci graficznej przedstawiono korelacje zachodzące między przyjętymi parametrami betonu.

W drugiej części publikacji pokazano (kompleksowo) zależności graficzne wytrzy- małości betonu od: rodzaju i zawartości cementu, rodzaju i wodożądności kruszywa, klas konsystencji, zawartości wody i zaprawy, porowatości mieszanki betonowej, wartości c/w i w/c oraz efektywności domieszek chemicznych. Zastosowanie wspomagania kompute- rowego może być wykorzystane do analizy i ustalenia wstępnych składów, właściwości betonów oraz zastąpić lub ograniczyć kosztowne prace doświadczalne.

Abstract

In the paper, the analysis of relationships that occur in cement concretes between ultimate compressive strength, features of applied components, parameters of concrete mixture as well as chemical admixtures are presented. Using computer simulation to component properties alterations of concrete mixture, the required graining of the aggregate has been established and the concrete has been designed – in accordance with Polish Standard PN- EN-206-1:2003 containing no admixtures and provided with admixtures. Correlation, that occur among assumed concrete parameters are presented as graphic charts.

Rudolf Maciejończyk Adam Pyka

dr inż. Rudolf Maciejończyk – Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa, Katedra Procesów Budowlanych Adam Pyka – Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa, Katedra Procesów Budowlanych

(2)

In the second part of the publication – the complex graphic relationships are shows of concrete strength versus type and concrete composition, type and water consumption of the aggregate, consistence class, water and mortar content, concrete mixture porosity, c/w and w/c values as well as chemical additives effectiveness.

The computer-aided analysis can be used to determine preliminary composition and properties of concrete as well as to substitute or to limit expensive experimental work.

(3)

Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej

1. Wprowadzenie

Nowa norma betonowa PN-EN-206-1:2003, powstanie nowej generacji betonów (np.

BWW), czy pojawienie się na rynku różnych rodzajów domieszek chemicznych stawia przed technologami nowe wezwania w zakresie doboru składników, projektowania, oceny właściwości i możliwości aplikacji. Wymaga to prowadzenia czasochłonnych prac doświadczalnych. Znane z książek i z literatury technicznej wzory, algorytmy i graficzne zależności opisujące właściwości betonów, stopniowo stają się mało przydatne. Do szyb- kiej analizy i oceny między właściwościami wszystkich składników mieszanki betonowej, w tym domieszek i dodatków oraz betonu stwardniałego może być pomocna symula- cja komputerowa wpływu zmieniających się właściwości i ilości składników na beton.

Wspomaganie komputerowe pozwala także na szybki dobór optymalnego kruszywa, cementu, domieszek i zaprojektowanie odpowiedniego, pod względem technicznym i ekonomicznym, składu betonu. Przedstawione to zostało na przykładzie zastosowania symulacji komputerowej do projektowania, analizy i oceny techniczno-ekonomicznej betonu z domieszką plastyfikatorów i bez domieszek.

Zaprezentowane zależności graficzne uzyskane w wyniku symulacji komputerowej mogą służyć do wstępnego doboru optymalnych składników betonu i oceny kosztów jego wykonania, a przede wszystkim uświadomienia złożonych zależności występujących w powszechnie stosowanym, a nie zawsze dobrze znanym tworzywie budowlanym.

2. Analiza i ocena efektów ekonomicznych stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów –

zastosowaniem symulacji komputerowej

2.1. Założenia ogólne do analizy

Podstawowym celem stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów jest zmiana właściwości reologicznych mieszanki betonowej dla poprawy jej urabialności [1], [2], [3].

Z oceny tego efektu technologicznego (technicznego) wynika efekt wtórny – zmniejszenie zawartości wody zarobowej, a tym samym obniżenie wartości wskaźnika w/c – bez pogor- szenia szczelności betonu i właściwości reologicznych mieszanki. Istnieje jednak problem kompatybilności – a tym samym efektywności technologicznej układu cement-domieszka – przy dużej różnorodności właściwości zarówno produkowanych obecnie cementów, jak i poszczególnych domieszek. Z wyników badań podanych w wielu publikacjach wydaw- nictwach książkowych z ostatnich lat [3], [5], [12] wynika, że mechanizmy oddziaływania wymienionych domieszek chemicznych na właściwości mieszanki betonowej pozwalają na zmniejszenie zawartości wody w 1m3 betonu: 15-25% – dla sólfonianów naftaleno- wo-formaldehydowych, 5-15% – dla lignosólfonianów, 20-30% dla polikarboksylenów, 25-40% – dla eteru karboksylowego, 25-45% – kopolimeru akrylowego. Z efektu redukcji zawartości wody w mieszankach, wynika możliwość zmniejszenia zawartości cementu w 1m3 betonu, lub podwyższenia jego wytrzymałości, a tym samym obniżenia kosztów wytwarzania [2]. Wymaga to jednak, dokładnego zaprojektowania betonu [4], [10], uwzględnienie sposób jego wykonania i przeznaczenia. Stanowi o tym norma PN-EN 206-1:2003 [13]. Program komputerowy uwzględniający wymagania wspomnianej normy a także normy PN-88/B-06250 posłużył do ustalenia stosu okruchowego o założonych parametrach z kilku posiadanych kruszyw, zaprojektowanie składu betonu, a następnie

(4)

symulacji korelacji między zmieniającymi się parametrami składników betonu z domiesz- kami chemicznymi i bez domieszek, oraz oceny efektów ekonomicznych.

2.2. Ustalenie składu mieszanki kruszywa o pożądanym uziarnieniu z trzech posiadanych kruszyw naturalnych o różnych punktach pia- skowych

Korzystamy z modułu „Analiza sitowa i komponowanie uziarnienia kruszywa”.

Zadanie: Ustalić proporcje zmieszania kruszyw dla otrzymania mieszanki o krzywej uziarnienia podanej na wykresie dla punktu pyłowego 3%, punktu piaskowego 39%, maksymalnych ziarnach kruszywa do 16,0 mm, z tym że przez otwór sita 8 mm powinno przechodzić 55% ziaren.

Dane: kruszywo I – piasek 0-2 mm, kruszywo II – mieszanka 0-16 mm, kruszywo III – żwir 8-16 mm.

Obliczenie proporcji zmieszania kruszyw – rys. 1.

Po wpisaniu zawartości poszczególnych frakcji posiadanych kruszyw, na siatce zazna- czamy punkty (3%, 39%, 55%), przez które powinna przechodzić krzywa uziarnienia.

Korzystając z odpowiednich algorytmów, po naciśnięciu przycisku „Dopasuj” program automatycznie ustala proporcje zmieszania kruszyw, tak aby krzywa wynikowa była najbardziej zbliżona do wybranych uprzednio punktów, można również suwakami wir- tualnymi ręcznie ustalić proporcje zmieszania kruszyw i analizować otrzymany wykres wynikowy przedstawiony na rysunku 1.

Ustalona mieszanka kruszywa dla zakładanej gęstoplastycznej konsystencji mieszanki be- tonowej posiada wodożądność wk=0,038 dm3/kg, powierzchnię właściwą F=277,27 m2/kg i składa się z 18,8% kruszywa I oraz odpowiednio 37,5% i 43,7% kruszywa II i III.

2.3. Projektowanie składu betonu z uwzględnieniem domieszki che- micznej

Korzystamy z modułu głównego programu „Projektowanie i analiza składu betonu”.

Zadanie: Ustalić skład 1 m3 betonu klasy C25/30, dla klasy ekspozycji XF2 wg [13]

o wyjściowej gęstoplastycznej konsystencji mieszanki betonowej i kruszywa naturalnego o uziarnieniu ustalonym w pkt. 2.2, cementu CEM I 42,5, przy zastosowaniu plastyfikatora umożliwiającego redukcję 20% wody zarobowej.

Obliczenie składu 1 m3 mieszanki betonowej z plastyfikatorem:

Wpisujemy klasę betonu i zadane parametry składników, efektywność plastyfikatora – „redukcja wody zarobowej o 20%” oraz zaznaczamy opcję – „zmniejszenie zawartości cementu”. Odczytany z monitora (rys. 2) lub wydruku skład 1 m3 betonu wynosi:

cement – 323,0 kg, woda – 137,0 dm3, kruszywo – 2100,8 kg, w tym piasku 778,2 kg, żwiru 1232,5 kg.

Obliczony skład betonu spełnia wymagania dla klasy ekspozycji XF2, gdyż C= 323,0 kg/m3 ≥ Cmin= 300 kg/m3 oraz w/c= 0,42 < 0,55.

(5)

Rudolf Maciejończyk, Adam Pyka Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej Zmieniamy opcję efektu stosowania plastyfikatora – na „zwiększenie wytrzymałości betonu”. Odczytujemy: „możliwość podwyższenia wytrzymałości betonu na ściskanie do 51,4 MPa” – bez zmiany zawartości cementu.

Ponownie zmieniamy opcję obliczenia składu betonu bez plastyfikatora.

Odczytujemy skład 1 m3 betonu:

cement – 403,7 kg, woda – 171,3 dm3, kruszywo – 1851,1 kg, w/c=0,42.

2.4. Graficzne zależności między parametrami składników betonu z domieszkami chemicznymi

Korzystając z modułu „Analiza graficzna” na wykresach przedstawiono graficzne zależ- ności między parametrami mieszanki betonowej dla betonu klasy C25/30 i następujących przypadków przedstawionych na rysunkach:

– rys. 3. Zależność zawartości cementu w 1 m3 betonu od wodożądności kruszywa, z zawartością plastyfikatora i bez plastyfikatora (jak w poz. 3.3).

– rys. 4. Zależność między zawartością cementu w 1 m3 mieszanki betonowej a procentową redukcją wody zarobowej 0-36% – dla pięciu wyjściowych konsystencji mieszanek betonowych.

– rys. 5. Zależność między zawartością cementu w 1 m3 mieszanki betonowej, a procentową redukcją wody zarobowej dla pięciu wybranych klas betonu.

Po wpisaniu do programu komputera zadanych parametrów mieszanek i ustaleniu zakresu symulacji na ekranie monitora ukazują się krzywe pozwalające na odczytanie zależności między zadanymi parametrami, można je także wydrukować.

2.5. Obliczenie kosztu surowców 1 m

3

betonu z domieszkami i bez domieszek

Korzystamy z modułu „Koszty”. Program automatycznie przenosi wyliczone zawartości składników 1 m3 (poz. 2.3), do odpowiedniej tabeli wpisujemy tylko koszt jednostkowy ich zakupu, na ekranie natychmiast pojawiają się wyniki obliczeń; można je otrzymać także w postaci wydruku składu betonu łącznie z kosztami 1 m3.

Rys.1. Optymalizacja stosu okruchowego z posiadanych trzech kruszyw

(6)

Rys. 2. Projektowanie betonu klasy C25/30 z cementu klasy 42,5, z udziałem plastyfikatora redukującego 20% wody zarobowej w 1 m3

Rys. 3. Zależność między zawartością cementu w betonie C25/30 a wodożądnością kruszyw naturalnych przy redukcji wody o 20% – krzywa „a” i bez redukcji „b”

Rys. 4. Zależność między zawartością cementu w betonie klasy C25/30 a redukcją wody, dla pięciu konsystencji, przy czym „a” dla K-1, „e” – dla K-5

(7)

Rudolf Maciejończyk, Adam Pyka Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej

Rys. 5. Zależność między zawartością cementu w 1 m3 betonu a redukcją wody zarobowej dla wybranych klas betonu, cementu klasy 42,5 i kruszywa o wk=0,030 [dm3/kg]

3. Analiza zależności między właściwościami betonu, mieszanki betonowej i jej składnikami

– z zastosowaniem symulacji ich zmian ilościowych i jakościowych

Badania i analiza korelacji zachodzących w betonach cementowych wykonano stosując odpowiedni program komputerowy, a uzyskane wyniki przedstawiono graficznie w po- staci krzywych liniowych i powierzchniowych (rys. 6-18)

Analizowano zależności zachodzące w betonie z uwzględnieniem normy PN-EN- 206-1:2003.

Przyjęte zakresy parametrów do symulacji i analizy:

– cement w 1m3, trzy klasy cementu ↔ wytrzymałość betonu Rb – (Rys. 6) – cement w 1m3, zmienne klasy konsystencji ↔ Rb – (Rys. 7)

– cement w 1m3, 2 rodzaje kruszywa – „o”, „ł” ↔ Rb – (Rys. 8) – zaprawa w 1m3, 2 rodzaje kruszywa – „o”, „ł” ↔ Rb – (Rys. 9) – zmienne w/c, trzy klasy cementu ↔ Rb – (Rys. 10)

– zmienne c/w, trzy klasy cementu ↔ Rb – (Rys. 11) – zmienne wk, trzy klasy cementu ↔ C – (Rys. 12)

– cement w 1m3, porowatość p=0% i p=4% ↔ Rb – (Rys. 13) – cement w 1m3, plastyfikator, bez plastyfikatora ↔ Rb – (Rys. 14) – zmienne wk, zmienna wytrzymałość Rb ↔ C – (Rys. 15)

– zmienne wk, zmienne c/w ↔ Rb – (Rys. 16)

– zmienna porowatość p = 0-5%, zmienna wytrzymałość betonu Rb ↔ C – (Rys. 17) – cement w 1m3, zmienna efektywność plastyfikatora (redukcja wody od 0-36%) ↔Rb – (Rys. 18)

(8)

gdzie:

C – zawartość cementu w 1 m3 betonu klasy cementu – 32,5; 42,5; 52,5 (MPa) c/w – wskaźnik cementowo-wodny w/c – wskaźnik wodno-cementowy

wk – wodożądność kruszywa – 0,030-0,060 [dm3/kg]

Rb – wytrzymałość betonu o – kruszywo otoczakowe ł – kruszywo łamane

Rys. 6. Zależność wytrzymałości betonu od klasy i zawartości cementu; oznaczenia, a – CEM 32,5; b – CEM 42,5; c – CEM 52,5

Rys. 7. Zależność wytrzymałości betonu od zawartości cementu i od klasy konsystencji, ozna- czenia: a – e, klasy konsystencji od V0 do V4

(9)

Rudolf Maciejończyk, Adam Pyka Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej

Rys. 8. Zależność wytrzymałości betonu od zawartości cementu i od rodzaju kruszywa, ozna- czenia: a- otoczakowe, b – łamane

Rys. 9. Zależność wytrzymałości betonu od zawartości zaprawy i od klasy konsystencji, ozna- czenia: a – e, klasy konsystencji od V0 do V4

Rys. 10. Zależność wartości w/c od wytrzymałości betonu i od klasy cementu, oznaczenia:

a – CEM 32,5; b – CEM 42,5; c – CEM 52,5

(10)

Rys. 11. Zależność wartości c/w od wytrzymałości betonu i od klasy cementu, oznaczenia:

a – CEM 32,5; b – CEM 42,5; c – CEM 52,5

Rys. 12. Zależność zawartości cementu od jego klasy i od wodożądności kruszywa dla betonu C25/30, oznaczenia: a – CEM 32,5; b – CEM 42,5; c – CEM 52,5

Rys. 13. Zależność zawartości cementu od wytrzymałości betonu i od jego porowatości, ozna- czenia: a – przy założeniu p=0%, b – dla porowatości p=4%

(11)

Rudolf Maciejończyk, Adam Pyka Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej

Rys. 14. Zależność zawartości cementu od wytrzymałości betonu i od zastosowania plastyfi- katory, oznaczenia: a – bez plastyfikatora, b – z zastosowaniem plastyfikatora o redukcji ilości wody o 20%

Rys. 15. Zależność wytrzymałości betonu od zawartości cementu od wodożądności kruszywa

Rys. 16. Zależność wytrzymałości beto- nu od stosunku C/W i od wodożądności kruszywa

(12)

Rys. 17. Zależność wytrzymałości betonu od zawartości cementu i od porowatości zagęszczo- nej mieszanki

Rys. 18. Zależność zawartości ce- mentu od wytrzymałości betonu i od efektywności plastyfikatora

4. Podsumowanie

1. Przedstawione wykresy liniowe i powierzchniowe, uzyskane w wyniku wykonanej symulacji komputerowej zmian ilościowych i jakościowych wszystkich składników wytrzymałości betonu umożliwiają szybką analizę i ocenę zachodzących między nimi korelacji. Może to być wykorzystane do przyjęcia wstępnych składów betonu o pożą- danych właściwościach i zastosowaniu. W wykonanej analizie zwrócono szczególną uwagę na ekonomiczny aspekt projektowania i stosowania betonu z domieszkami che-

(13)

Rudolf Maciejończyk, Adam Pyka Analiza właściwości betonów z zastosowaniem symulacji komputerowej micznymi i bez domieszek. Pokazano to na przykładzie szczegółowej analizy efektyw- ności stosowania plastyfikatorów i superplastyfikatorów w betonie klasy C25/30.

2. Prace doświadczalne z zakresu reologii mieszanek betonowych, w znacznym stop- niu, pozwoliły na wyjaśnienie wielu złożonych problemów kompatybilności układu cement-domieszki plastyfikujące i upłynniające, ocenić efektywność technologiczną ich stosowania. Pozwoliło to na ocenę możliwości redukcji wody zarobowej w 1m3 betonu przez domieszki przynależne do różnych związków i grup chemicznych.

Użycie wspomagania komputerowego, z zastosowaniem specjalistycznych progra- mów, pozwala praktycznie na błyskawiczne ustalenie efektów ekonomicznych wy- nikających ze zmniejszenia zawartości cementu w betonie na skutek (tylko) redukcji wody zarobowej w 1 m3 betonu (pomijając inne korzystne oddziaływania). Ilustruje to przykład projektowania i analizy parametrów betonu klasy C 25/30 z posiadanych trzech kruszyw, cementu CEM I/42,5 z użyciem plastyfikatora i bez plastyfikatora.

Przedstawione wykresy obrazują związki jakie występują między zawartością cementu w 1 m3 betonu dla kruszyw o różnym uziarnieniu, opisanym wartością wodożądności wk, wielkością przyjętej redukcji wody zarobowej wynikającej z efektywności tech- nologicznej plastyfikatora, zależności od przyjętej wstępnej konsystencji mieszanki betonowej i dla wybranych klas betonu.

Z wykonanej analizy wynika, że przy redukcji wody zarobowej o 20%, przy zastosowaniu plastyfikatora w betonie klasy C25/30 możliwe jest:

– obniżenie zawartości cementu klasy 42,5 w 1m3 betonu o 81 kg dla wyjściowej kon- systencji gęstoplastycznej, o 63 kg dla konsystencji wilgotnej, o 99 kg dla konsystencji plastycznej,

– zwiększenie wytrzymałości betonu na ściskanie do wartości 51,4 MPa – bez redukcji cementu w 1m3 betonu przy projektowanej wytrzymałości Rb = 39 MPa.

Analiza i symulacja komputerowa efektywności zastosowania danego plastyfikatora powinna być zawsze poprzedzona badaniami efektywności technologicznej dla konkret- nego cementu i kruszywa, podobnie jak i ustalona receptura betonu.

Literatura

[1] Łukowski P.: Domieszki do zapraw i betonów. Wyd. Polski Cement Sp. z o.o., Kraków 2003.

[2] Szwabowski J.: Przydatność norm europejskich do oceny efektywności domieszek uplastyczniających i upłynniających. II Sympozjum Naukowo-Techniczne „Reologia betonu”. Wyd. Górażdże Cement, Gliwice 2000.

[3] Kucharska L.: Tradycyjne i współczesne domieszki do betonu zmniejszające ilość wody zarobowej.

Cement-Wapno-Beton 2/2000.

[4] Śliwiński J.: Doświadczenia z praktycznego projektowania składów betonów samozagęszczalnych.

IV Sympozjum Naukowo-Techniczne „Reologia betonu”. Gliwice 2002. Wyd. Górażdże Cement.

[5] Małolepszy J. i inni: Technologia betonu. Metody badań. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dy- daktyczne, Kraków 2000.

[6] PN-EN-934-2 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Definicje i wymagania.

[7] PN-EN-480-1 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Metody badań.

[8] Jóźwiak H., Kon E.: Klasyfikacja i ocena domieszek do betonu – normy europejskie wprowadzane do Norm Polskich. KNTPB „Beton i prefabrykacja”. Jadwisin 2000. CEBET Warszawa.

(14)

[9] Szwabowski J., Gołaszewski J.: Badania efektywności działania domieszek uplastyczniających i upłyn- niających reometrycznym testem urabialności. KNTPB „Beton i Prefabrykacja”. Jadwisin 2000. CEBET Warszawa.

[10] Szwabowski J., Gołaszewski J.: Badania efektów działania wybranych domieszek upłynniających według norm europejskich. KNTPB „Beton i Prefabrykacja”. Jadwisin 2000. CEBET Warszawa.

[11] Śliwiński J.: Beton zwykły, projektowanie i podstawowe właściwości. Wyd. Polski Cement Sp. z o.o., Kraków 1999.

[12] Jamroży Z.: „Beton i jego technologie”, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa-Kraków 2000.

[13] PN-EN-206-1:2003 Beton. Cz. 1. Wymagania, właściwości, produkcja, zgodność.

Cytaty

Powiązane dokumenty

Z badanych 3 odmian buraka ćwikłowego najwyższy plon handlowy uzyskano z odmiany Okrągły Ciemnoczerwony (tab.3).. Najniższe plony dała odmiana

Jednak mediatory zapalne obecne w kieszonkach przyzębnych mają nie tylko zna− czenie miejscowe, ale także w świetle współcze− snych badań mogą mieć udział lub być

W od- ciekach glebowych w obiektach z koszarem luźnym, niezależnie od roku badań, stwierdzono największe stężenie żelaza, natomiast najmniejsze w odciekach gle- bowych z obiektów

Al lado de la dramatización y del lenguaje elevado, de los fragmentos que se refieren directamente a la obra de Schiller, aparece lo cotidiano, pero siempre con un aire de

Íà âîïðîñ: «Êàêèå ÑÌÈ âû ïðåäïî÷èòàåòå?» 27 ïðîöåíòîâ ñòóäåíòîâ îòâåòèëè, ÷òî îáëàñòíûå ÑÌÈ, 54 ïðîöåíòà, ÷òî íåçàâèñèìûå ÑÌÈ, 18

wynika , że wraz ze wzrostem stężenia chlorku potasu flotacja zachodzi szybciej i lepiej oraz rośnie wartość maksymalnego uzysku łupka miedzionośnego B od wartości 86%.. dla 0,5

Przykładowy przebieg czasowy amplitudy sygnału EA i siły działającej na czipsy z ziemniaków odmiany ‘VR808’ z zaznaczoną siłą maksymalną (F max ) i siłą, przy

Plants were drip irrigated (automatically controlled by “Watermark” sensors) at two soil suction levels –15 and –30 kPa. Irrigation at –30 kPa reduced tuber weight and