Wpływ dodatku włókien polipropylenowych na właściowości reologiczne mieszanek na spoiwach cementowych

(1)

Seria: B U D O W N IC T W O z. 93 N r kol. 1514

Tomasz P O N IK IEW SK I * Politechnika Śląska

WPŁYW DODATKU WŁÓKIEN POLIPROPYLENOWYCH NA WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE MIESZANEK NA SPOIWACH CEMENTOWYCH

Streszczenie. W referacie prezentuje się badania urabialności mieszanek betonowych z dodatkiem włókien polipropylenowych. Badania zostały przeprowadzone metodą reometryczną, za pomocą viskomatu PC. Zaprawa była modyfikowana ze względu na zmienny w badaniach wskaźnik W/C, zawartość superplastyfikatora, a także długość i zawartość włókien. Analizowane są właściwości reologiczne modyfikowanych włóknami zapraw, a w szczególności sprawdzenia zgodności uzyskanych wyników z modelem Teologicznym Binghama.

INFLUENCE OF POLYPROPYLENE FIBRES ON RHEOLOGICAL PROPERTIES OF CONCRETE MIXTURE

Summary. The report presents study methods of workability concrete mixture with polypropylene types of fibres. Research became passed with rheometrical method at help Viskomat PC. Mortar was modified from re

gard on variable in researches coefficient W/C, content superplasticizer and also length and content of fibres.

The Theological behaviour of modified mortars and in particular the agreement of obtained results with Bingham model are presented and discussed.

1. Wprowadzenie

Zastosow anie w łókien do w zm ocnienia betonów stw arza konieczność badania ich urabial

ności. Stosow ane standardow e testy są fizycznie niejednoznaczne a ich nieadekw atność zo

stała w ykazana w w ielu przeprow adzonych badaniach fibrom ieszanek [1,2,3,4]. W ażne i ce

lowe w ydaje się podjęcie badań w kierunku rozpoznania rzeczyw istej natury urabialności mieszanek kom pozytów o m atrycy cem entow ej zbrojonych w łóknam i, w ujęciu Teologicz

nym. Z astosow anie testu reom etrycznego w ydaje się dobrym rozw iązaniem zaistniałych pro

blemów z pom iarem urabialności, ale w ym aga to przeprow adzenia badań uw zględniających różnorodność stosow anych w łókien i ich odm ienny udział objętościow y w m ieszance [7,8,9,10],

' Opiekun naukow y: Prof, dr hab. inż. Janusz Szw abow ski.

(2)

382 T . Ponikiewski

2. Metodyka badań

Celem przedstaw ionych badań była próba określenia zachow ania się zapraw z dodatkiem w łókien polipropylenow ych w badaniu w iskozym etrem rotacyjnym V iskom at PC (rys.6) [7,9]. B adania przeprow adzono na zapraw ach norm ow ych wg PN EN 196-1:1996, ze wzglę

du na p o dobną naturę zjaw isk zachodzących w świeżej zapraw ie i m ieszance betonowej, przy jednoczesnym m niejszym koszcie i pracochłonności. Zapraw a była m odyfikow ana ze wzglę

du na zm ienny w badaniach w skaźnik W /C, zaw artość superplastyfikatora Isola FM i w łókien polipropylenow ych o długości 3 - 3 8 mm. Zastosow ano trzy rodzaje włókien poli

propylenow ych: elem entarne FIB ER M IX, głęboko fibrylowane Harbourite oraz FIB ER M ESH . Zestaw ienie badanych w łókien przedstaw iono w tablicy 1.

Tablica 1 C harakterystyka badanych w łókien polipropylenow ych

Lp Typ włókien Charakterystyka włókien Długość

włókien Oznaczenie 1 FIBERMIX Włókno elementarne, niewidoczne na powierzchni 3 rmml [Fib3]

2 FIBERMIX j.w. 6 [mm] [Fibó]

3 FIBERMIX 12 [mm] [Fibl21

4 HARBOURITE 324 Włókno fibrylowane, głęboko zbrojące 6 [mm] [Har6]

5 HARBOURITE 300

m

^{12 [mm]} ^[Harl21

6 HARBOURITE 320

i

^" ^{19 [mm]} ^[Harl9]

7 HARBOURITE 330 38 [mm] [Har38]

8 FIBERMESH Fibrylowane, wielowymiarowe, mocno zbrojone 19 [mm] [Fibl9M]

Zostały one dodane w ilości odpow iadającej zalecanej - dodawanej do m ieszanki betono

wej, czyli 0,9 kg/m 3 , co odpow iada 0,1% objętości (0.69 g/zarób]. K ilka zarobów wykonano z dwu- i trzykrotną w ielokrotnością zalecanej ilości w łókien. K olejność czynności przy przy

gotow aniu zarobów i ich czas trw ania podano w tablicy 2. Ilość dodaw anego cem entu i pia

sku była stała i w ynosiła odpow iednio 450 g/zarób cem entu oraz 1350 g/zarób piasku nor

m ow ego. T em peratura zarobów w trakcie pom iarów w ynosiła 20±2°C.

Tablica 2 Procedura m ieszania zaprawy

Nazwa czynności Prędkość obrotowa mie

szadła

Czas trwania [s]

Dozowanie piasku, cementu i włókien - -

Mieszanie piasku, cementu i włókien Mała 30±2

Dozowanie wody Mała 30±2

Mieszanie zaprawy Duża 30±2

Zebranie zaprawy przylepionej do ścianek

miski za pomocą skrobaka do środka miski bez mieszania 60±5

Mieszanie zaprawy Duża 60±5

(3)

Badane w łókna m ają A probatę T echniczną ITB A T -15-3570/99 oraz A probatę T echniczną IBDiM N r A T/97-03-0272. W badaniach zastosow ano cem ent portlandzki żużlow y CEM II 32,5R z cem entow ni Opole. Jako kruszyw o zastosow ano piasek do zapraw norm ow ych zgod

ny z PN EN 196-1. Sposób m ieszania składników zapraw y odpow iada PN EN 480-1 z w yjąt

kiem w łókien, których dodaw anie do suchych składników je s t zalecane [1,5]. Składy zapraw przygotowanych do badań przedstaw iono w tablicy 3.

T ablica 3 Skład badanych zapraw oraz w spółczynnik korelacji r dopasow ania do rów nania

m odelu B ingham a Zarób

Ozn.

Wskaż.

W/C

Iloś składników

g/zarób] Zawartość [%] Współczynnik korelacji r, pomiar po czasie [min]:

Woda Włókna Włókna SP 5 15 25

1 0.60 270 0.0 0.0 0 0,976 0,971 0,930

2 0.60 270 0.69 [Fib3] 0.1 0 0,980 0,975 0,893

3 0.60 270 0.69 [Fib6] 0.1 0 0,915 0,955 0,929

4 0.60 270 0.69 [R b 12] 0.1 0 0,966 0,947 0,954

5 0.60 270 0.69 [Har6] 0.1 0 0,966 0,959 0,973

6 0.60 270 0.69 [Harl2] 0.1 0 0,967 0,941 0,967

7 0.60 270 0.69 [Harl9] 0.1 0 0,975 0,968 0,946

8 0.60 270 0.69 [Fibl9M ] 0.1 0 0,960 0,957 0,965

9 0.60 270 0.69 [Har38] 0.1 0 0,955 0,967 0,956

10 0.55 247.5 0.0 0.0 0 0,714 0,871 0,854

11 0.55 247.5 0.69 [Fib3] 0.1 0 0,887 0,906 0,906

12 0.55 247.5 0.69 [Fib6] 0.1 0 0,967 0,958 0,930

13 0.55 247.5 0.69 [Har38] 0.1 0 0,819 0,805 0,862

14 0.55 247.5 0.69 [Har38] 0.1 1 0,922 0,938 0,938

15 0.55 247.5 1.38 [Har38] 0.2 0 0,514 0,763 0,829

16 0.55 247.5 1.38 [Har38] 0.2 1 0,981 0,973 -

17 0.50 225 0.69 [Har38] 0.1 1 0,961 0,923 0,901

18 0.50 247.5 0.0 0.0 0 0,884 0,890 ^-

19 0.55 225 0.69 [Har38] 0.1 1 0,953 0,937 0,945

20 0.50 225 0.0 0.0 1 0,860 0,923 0,903

21 0.50 225 1.38 [Har38] 0.2 1 0,866 0,850 0,890

22 0.50 225 2.07 [Har38] 0.3 1 0,523 0,802 0,883

23 0.50 225 2.07 [Har38] 0.3 2 0,970 0,911 0,968

24 0.50 225 0.69 [Harl2] 0.1 0 0,869 0,811 0,892

25 0.50 225 0.69 [Harl2] 0.1 1 0,927 0,946 0,956

26 0.50 225 1.38 [Harl2] 0.2 1 0,960 0,954 0,920

27 0.50 225 2.07 [Harl2] 0.3 1 0,920 0,885 0,872

28 0.50 225 2.07 [Harl2] 0.3 2 0,978 0,983 0,982

Z uwagi na brak inform acji i publikacji na tem at badań Teologicznych zapraw z dodatkiem włókien polipropylenow ych, zachodziła konieczność:

• spraw dzenia zjaw isk zachodzących podczas m ieszania składników , a w szczególności w m om encie dodaw ania włókien,

(4)

384 T. Ponikiewski

• spraw dzenia zachow ania się w iskozym etru rotacyjnego V iskom at PC, na którym były prow adzone badania zapraw z włóknam i,

• przeanalizow ania w łaściw ości reologicznych m odyfikow anych w łóknam i zapraw - spraw dzenia zgodności uzyskanych w yników z m odelem Teologicznym Binghama.

3. Reometryczny test urabialności - istota metody

W łaściw ości reologiczne zapraw z dodatkiem w łókien określono stosując reometryczny test urabialności (RTU), który polega na [6,8,9]:

• dośw iadczalnym w yznaczeniu m om entów M oporu ścinania, stawianych przez próbkę m ieszanki betonowej odkształceniu w yw ołanem u ustalonym i, co najmniej dw om a różny

mi prędkościam i obrotow ym i N sondy lub naczynia pom iarow ego reom etru,

• w yznaczeniu m etodą najm niejszych kw adratów rów nania bingham owskiej krzywej pły

nięcia badanej m ieszanki betonowej i wartości jej param etrów reologicznych, równa

nie (1). Ze w zględu na techniczne zróżnicow anie sposobów pom iaru i działania reome- trów stosow anych w RTU rów nanie m odelu Bingham a stosuje się w postaci:

gdzie: M - m om ent oporu ścinania w yw ołany płynięciem m ieszanki betonowej, [Nm];

g - graniczny opór ścinania odpow iadający bingham ow skiej granicy płynięcia, [Nm];

h - opór płynięcia lepkiego odpow iadający bingham ow skiej lepkości plastycznej, [Nms];

N - prędkość obrotow a sondy (lub naczynia pom iarowego), [l/s].

Rys. 1. Interpretacja geometryczna sposobu wyznaczania wartości g i h z równania (1) - pomiar za pomocą reometru Viskomat PC (z prawej)

Fig. 1. GeometricaPs interpretation manner of marking values g and h from equalizations (1) - measurement by means rheometer Viskomat PC (on the right)

M = g + h x N (1)

(5)

W ynikiem pojedynczego reom etrycznego testu urabialności je s t zbiór danych obejm ujący:

• w yznaczone za pom ocą regresji liniowej param etry g i h krzywej płynięcia; m o g ą być w yrażone w jednostkach fizycznych, po uw zględnieniu stałych pom iarow ych dla użytego reom etru (procedury ich w yznaczania zostały opisane w [6 ]);

• w artość w spółczynnika korelacji r będącego m iarą dopasow ania otrzym anego zbioru punktów do rów nania (1) je s t podstaw ą do w eryfikacji popraw ności testu.

4. Wyniki badań

W yniki badań zarobów przedstaw iono na rys. 2 [7]. Podczas przygotow yw ania zarobów obserwowano trudności z uzyskaniem jednorodności m ieszanki. W raz ze w zrostem zaw arto

ści i długości w łókien, ilość w łókien pozostających na m ieszadle w zrastała - zachodziła ko

nieczność dodatkow ego, ręcznego form ow ania m ieszanki. W łaściw ości reologiczne zapraw z dodatkiem w łókien ró żn ią się od siebie w zależności od w skaźnika W /C, dodatku superplastyfikatora oraz samej zaw artości w łókien w zapraw ie. W przypadku zarobów o w skaźnikach W/C = 0.50-0.55 zaw ierających w łókna w zapraw ie, obserw ujem y n iską w artość w spółczyn

nika korelacji r i wysoki opór płynięcia lepkiego. W raz ze w zrostem zaw artości w ody w m ie

szance, obserw ujem y w zrost w spółczynnika korelacji r nawet przy dodaniu w łókien do za

prawy, co m ożna chyba uważać za rzecz naturalną. Zw iększenie w skaźnika W /C pow oduje obniżenie granicznego oporu ścinania g oraz oporu płynięcia lepkiego h. D la W /C = 0.60 opór płynięcia lepkiego h w zrasta w raz ze w zrostem długości w łókien, przy stałej zaw artości w łó

kien 0.1% , natom iast graniczny opór ścinania g m aleje (rys.2). P odobna sytuacja zachodzi dla W/C = 0.55 i przy dodaniu superpłastyfikatora (rys. 3). D odanie superplastyfikatora do w łó

kien [Har38=0.1% ] nie zm ienia w znaczny sposób w artości granicznego oporu ścinania g i oporu płynięcia lepkiego. S praw ą d yskusyjną je s t niska w artość w spółczynnika korelacji r dla zarobów nr 13 [Har38=0.1% ] i 15 [Har38=0.2% ], co uniem ożliw ia dokładne ich porównanie z identycznym i m ieszankam i zaw ierającym i superplastyfikator (rys.3 - tabl.3). P odobna sytu

acja zaistniała z zarobam i nr 21 [H ar38=0.2% , SP=1% ] i 22 [Har38= 0.3% , SP=1%] o w skaźniku W /C =0.50, co uniem ożliw ia ich porów nanie z innymi zarobam i (rys.4 - tabl.3).

Badając w łókna [H arl2 ] dla W /C=0.5 (rys.5) obserw ujem y, że graniczny opór ścinania g m aleje w raz ze w zrostem zaw artości w łókien oraz przy dodaniu superplastyfikatora. Opór

(6)

386 T. Ponikiewski

płynięcia lepkiego h w zrasta w raz ze w zrostem zaw artości w łókien oraz spada przy dodaniu superplastyfikatora.

a) Zaroby 1 - 9; W/C = 0.60; t = 5-15 min

- Wł=0%

- WłfFib3]=0.1%

-W ł(Fib6]= 0.1%

- W ł[Fib12]=0.1 % - Wł(Harf>J=0.1%

-W ł[H ar12)= 0.1%

-W ł[H ar19]= 0.1%

- Wł[Har38]=0.1%

- W ł[Fib19M D]=0.1 %

0 5 10 15 20 25 30

C zas [min]

Rys. 2. Wpływ długości włókien na parametry Teologiczne zaprawy przy W/C=0.60; a - graniczny opór ścinania g; b - opór płynięcia lepkiego h

Fig. 2. Influence lengths of fibres on rheological's parameters of mortar at W/C = 0. 60; a - liquid limit g;

b - plastic viscosity h

Rys. 3. Wpływ długości włókien, stopnia zawartości włókien oraz superplastyfikatora na parametry reologiczne zapraw przy W/C=0.55; a - graniczny opór ścinania g; b - opór płynięcia lepkiego h

Fig. 3. Influence lengths of fibres, contents of fibres and content superplasticizer on rheological's parameters of mortar at W/C = 0.55; a - liquid limit g; b - plastic viscosity h

(7)

a) Zaroby 17,19-23; W /C = 0.50; Wł[Har38];

t = 5-15 min

- W ł= 0 %

- Wł[Har38)=0.1 %,SP= 1 % -Wł=0%,SP=1%

- Wł(Har38]=0.2%,SP=1 %

- Wł(Har38]=0.3%,SP=1%

- Wł(Har38)=0.3% ,SP=2%

0 5 10 15 20 25 30 Czas [min]

Rys. 4. Wpływ stopnia zawartości włókien oraz superplastyfikatora na parametry reologiczne zapraw przy W/C=0.50, włókna [Har38]; a - graniczny opór ścinania g; b - opór płynięcia lepkiego h

Fig. 4. Influence percentage of fibres and content superplasticizer on rheological's parameters of mortar at W/C = 0.55 with fibers [Har38]; a - liquid limit g; b - plastic viscosity h

a) Zaroby 24 - 28; V\IC = 0.50; VUt[Har12];

t = 5-15rrin

Czas[rrin]

b) Zaroby 24 - 28; W/C = 0.50; Wt[Har12]

t = 5-15 min h [Nmmmin]

Czas [min]

Rys. 5. Wpływ stopnia zawartości włókien oraz superplastyfikatora na parametry reologiczne zapraw przy W/C=0.50, Włókna [H arl2]; ]; a - graniczny opór ścinania g; b - opór płynięcia lepkiego h

Fig. 5. Influence percentage of fibres and content superplasticizer on rheological's parameters of mortar at W /C = 0.50 with fibers [H arl2]; a - liquid limit g; b - plastic viscosity h

(8)

388 T. Ponikiewski

a) W/C = 0.60/0.55/0.50; t = 5-15 min Bez włókien

0.60 0,55 0.50 0,45 _ 0.40 f 0.35

| 0.30 5 . 0.25 11 0.20 0.15 0,10 0,05 0,00

0 5 10 15 20 25 30

Czas [min]

-A - W /C = 0 .6 0

—* -W /C = 0 .5 5

—D — W/C=0.50

-X — W/C=0.55;SP=1 %

— W/C=0.50;SP=1%

W /C = 0.60/0.55/0.50; t = 5-15 min Bez w łókien

Czas [min]

Rys. 6. Wpływ wskaźnika W/C na parametry Teologiczne zapraw; a - graniczny opór ścinania g; b - opór pły

nięcia lepkiego h

Fig. 6. Influence water/cement ratio on rheological's parameters of mortar; a - liquid limit g; b - plastic visco

sity h

a) IMókna [Har38]; t = 5-15 min

Rys. 7. Wpływ W/C, zawartości włókien i SP na parametry reologiczne zapraw z włóknami Har38;

a - graniczny opór ścinania g; b - opór płynięcia lepkiego h

Fig. 7. Influence water/cement ratio, percentage of fibres and content superplasticizer on rheological's parame

ters of mortar with fibers [Har38]; a - liquid limit g; b - plastic viscosity h

N a podstaw ie rys. 4 i 5 m ożna rów nież zaobserw ow ać w zrost granicznego oporu ścinania g oraz spadek oporu płynięcia h w raz ze w zrostem długości w łókien, co je d n ak nie wynika w sposób jednoznaczny dla w szystkich mieszanek. Braku takiej jednoznaczności nie obser

w ujem y w przypadku badanych m ieszanek o różnych w skaźnikach W /C i bez dodatku włó

(9)

kien (rys. 6), z w yjątkiem zarobu 10 (W /C =0.55) i 18 (W /C =0.50), co w ynika m.in. z niskiej wartości w spółczynnika korelacji r.

Zachow anie się w łókien [Har38], najdłuższych spośród badanych, m ożem y przeanalizo

wać na podstaw ie rys.7. G eneralnie m ożem y pow iedzieć, że opór płynięcia lepkiego h w łó

kien o długości 38 m m m aleje w raz ze w zrostem w skaźnika W /C, ze spadkiem zawartości włókien oraz przy zw iększającym się dodatku superplastyfikatora. G raniczny opór ścinania g maleje w raz ze w zrostem w skaźnika W /C, ze w zrostem zaw artości w łókien oraz przy zw ięk

szającym się dodatku superplastyfikatora.

5. Podsumowanie

N a podstaw ie dotychczas przeprow adzonych badań poznaw czych m ożna stwierdzić, że w łaściw ości reologiczne zapraw y z dodatkiem w łókien zależą przede w szystkim od param etrów w łókien, w skaźnika W /C oraz dodatku superplastyfikatora. W raz ze wzrostem długości w łókien, w łaściw ości reologiczne m ieszanek uleg ają pogorszeniu. U dział objęto

ściowy w łókien m a m niejszy w pływ na m ieszankę, w szczególności przy krótkich długo

ściach sam ych w łókien. K ształt krzywej płynięcia zapraw z w łóknam i był zbliżony do rów

nania bingham ow skiej krzywej płynięcia, ale nie we w szystkich przypadkach. W artość w spółczynnika korelacji r pom iędzy prędkością ścinania a naprężeniam i w ynosiła od 0,797 do 0,983 w zależności od w skaźnika W /C oraz zaw artości w łókien, co nie potw ierdza je d n o znacznej zgodności uzyskanych w yników z m odelem reologicznym B ingham a [tabl.3]. C ha

rakterystyczny je s t rów nież brak jednoznaczności w yników , tak w idoczny dla zw ykłych za

praw. Param etry reologiczne w yd ają się nieprzew idyw alne i zachodzi konieczność określenia przedziału stosow ania m odelu B ingham a dla m ieszanek z dodatkiem włókien. W raz ze w zro

stem zaw artości i długości włókien, ilości w łókien pozostających na m ieszadle w zrastała - zachodziła konieczność dodatkow ego, ręcznego form ow ania m ieszanki. Problem nierów no

miernego rozprow adzania w łókien w zarobię w ydaje się istotny i w skazane je s t przeprow a

dzenie badań dodatkow ych, obrazujących rzeczyw istą jednorodność m ieszanek z w łóknam i.

Zaobserw ow ano rów nież zbieranie się w łókien na m ieszadle podczas przygotow yw ania zaro- bów oraz na sondzie w iskozym etru rotacyjnego V iskom at PC, na którym były prow adzone badania zapraw z w łóknam i. D ostosow anie zasad testu reom etrycznego do badań m ieszanek fibrobetonow ych i ich identyfikacja reologiczna są przedm iotem badań prow adzonych aktual

nie przez autora w Politechnice Śląskiej.

(10)

390 T. Ponikiewski

LITER A TU R A

1. A C I C om m ittee 544: M easurem ents o f Properties of Fiber R einforced Concrete, Journal o f A m erican C oncrete Institute: July / 1978, Vol. 75, s. 283-289.

2. N anni A., M eam arian N.: D istribution and O pening o f Fibrillated Polypropylene Fibers in Concrete, C em ent & Conrete C om posites 3, 1991, s. 107-114.

3. M cW hannell G.: The effects o f polypropylene fibres in fresh concrete, Special Conretes:

W orkability and M ixing, Edited by J.M .Bartos, E & FN Spon., 1993.

4. B ayasi Z., Zeng J.: Properties o f polypropylene fiber reinforced concrete, A CI Material Journal/N ovem ber - D ecem ber 1993, s. 605-610.

5. Śliw iński J., Zych T.: Fibrobeton z w łóknem polipropylenow ym : technologia, właściwo

ści i zastosow anie, Czas. Tech. - Budow nictw o / PK .-Z.6, 1995, s. 32-42.

6. Szw abow ski J.: R eologia m ieszanek na spoiw ach cem entow ych, W yd. Politechniki Ślą

skiej, G liw ice 1999.

7. Ponikiew ski T.: B adania urabialności m ieszanek betonow ych z dodatkiem włókien, 21 M SN, Politechnika Zielonogórska, 8-9 m aja 2000, s. 1 9 7 - 2 0 8 .

8. Szw abow ski J., Ponikiew ski T.: A naliza testów i czynników urabialności fibrobetonów, III K .N .T., M A T B U D '2000, K raków - M ogilany, 28-30 czerw ca 2000, s. 331 - 338.

9. Szw abow ski J., Ponikiew ski T.: O badaniu urabialności m ieszanek fibrobetonowych, K .N.T. Procesy B u d o w lan e'2000, G liwice - K okotek, 28.09-01.10.2000, s. 245 - 252.

10. Ponikiew ski T.: B adania urabialności m ieszanek kom pozytów o m atrycy cementowej zbrojonych w łóknam i, I Sem inarium D oktorantów W ydz. Budow nictw a, Gliwice 2000.

Recenzent: Dr hab. inż. Jacek Śliwiński, prof. PK

Abstract

The rheological behaviour o f polypropylene m odified mortars and in particular the agre

em ent o f obtained results with B ingham m odel are presented and discussed. M ortar was mo

dified from regard on variable in researches coefficient W /C, content superplasticizer and also length and content o f fibres. Together with height o f length o f fibres, rheological proprieties o f m ixtures surrender to m aking worse. Participation o f voluminal fibres has sm aller influen

ce on m ixture in peculiarities at short lengths oneself fibres.