SINTEZA LUCRĂRII - 2008

 

CERCETĂRI PRELIMINARE

 

Betonul de ultraînaltă performanţă cu sau fără adaos de fibre de oţel reprezintă una din ultimele descoperiri în domeniul tehnologiei betonului, având rezistenţe ce pot atinge 200 N/mm² sau chiar mai mult, rezistenţe mult îmbunătăţite la întindere, porozitate scăzută şi proprietăţi remarcabile de durabilitate.

Scopul cercetărilor efectuate a fost realizarea unor compoziţii de beton de ultraînaltă rezistenţă, la care rezistenţa la compresiune să fie cuprinsă între 100-200 N/mm². În continuare, compoziţiile obţinute se vor numi „betoane”, ele fiind de fapt „matrixuri” de mortar.

O primă etapă în cadrul programului de cercetare a fost depistare surselor de materii prime necesare,  respectiv agregatele foarte fine cu granulaţie cuprinsă între 0- 1,2 mm. Sursa găsită este cariera din Aghireş. Pentru realizare unor clase de beton >C90/105 s-au turnat o serie de cca 20 de reţete preliminare: 10 fără adaos de fibre de oţel şi 10 cu adaos de fibre de oţel.

S-au urmărit:

            - dozajul de agregate;

            - cimentul;

            - dozajul de microsilice;

            - dozajul de aditivi;

            - dozajul fibrelor de oţel;

            - modul de malaxare şi timpul de malaxare;

            - lucrabilitatea;

            - modul de păstrare ulterioară (după decofrare).

a) Dozajul de agregate

Sorturile de agregate folosite – nisipuri silicioase fine au fost: 0,0- 0,3 mm; 0,3- 0,63 mm; 0,4- 1,2 mm.

S-a trasat o curbă granulometrică şi s-au determinat în consecinţă procentele de nisipuri din fiecare sort.

A rezultat:

0- 0,3 mm – 40%                                                                    

           0,0- 0,63 mm – 35%

            0,4- 1,20 mm – 25%

Agregatele au fost în prealabil uscate în etuvă timp de 48 ore.

b) Cimentul folosit a trebuit să fie de cea mai bună calitate. S-a utilizat ciment CEM II- A- S. 52,5 R, respective CEM I- 52,5 R, fabricat la HOLCIM Turda.

Pentru un mai bun control al calităţii cimentului, pentru a evita orice surprise nedorite, cimentul a fost cernut.

c) Adaosul de liant: la fel ca şi în cazul betoanelor de înaltă rezistenţă, şi în cazul betoanelor de ultraînaltă rezistenţă şi  performanţă s-a folosit adaosul de liant, respectiv 10% praf de silice din dozajul de ciment. Tipul de microsilice este ELKEM-MICROSILICE – GRADE 940 - U.

d) Aditivii folosiţi

Într-o primă etapă s-au încercat mai multe tipuri de aditivi superplastifianţi, respectiv: tip MAPEI- CRONOS 131 şi 136 şi GLENIUM ACE 30. Pentru că după mai multe verificări, cu dozaje diferite, nu s-a putut realize clasa proiectată de beton şi nici lucrabilitatea necesară, s-a apelat la firma BASF Chemical Company care ne-a furnizat superplastifiantul Glenium ACE 440. Prin folosirea acestuia am obţinut rezultatele dorite, respective lucrabilitate şi rezistenţe de beton ≥ 150 MPa. Din punct de vedere al dozajului de aditivi s-au încercat mai multe variante: 1,5% ÷ 5% din dozajul de ciment. În final s-a optat pentru dozajul de superplastifiant Glenium ACE 440 la 5 % din dozajul de ciment.

e) Fibrele de oţel, au fost achiziţionate de la firma germană BAUMBACH METALL, cu filială în Turda.

S-a încercat folosirea a mai multor tipuri de fibre de oţel: WLS- 50/ 1,05/ H; WLS- 50/ 1,05/W şi WMS- 25/ 0,4/ H/ AISI304.

Primele două tipuri de fibre fiind cu lungimi şi grosimi prea mari (50 mm- 1,05 mm grosime) pentru realizarea elementelor liniare de beton, s-a optat în final la folosirea fibrelor WMS- 25/ 0,4/ H/ AISI 304 având următoarele caracteristici:

lungime = 25 mm

diametru= 0,4 mm

rezistenţă medie= 1400-1700 N/ mm²

Tip: Singulară, cu capete îndoite

Procentul de armare studiat a fost de 2% în volume fibre oţel din dozajul de ciment.

f) Modul de malaxare

            Malaxarea s-a realizat cu un malaxor de mortar cu amestec forţat.

După mai multe încercări s-a ajuns la definitivarea metodologiei de malaxare, şi anume: introducerea agregatelor şi a lianţilor, după care se amestecă uscat. Apoi, se adaugă apa şi superplastifiantul.

După o perioadă de timp bine determinată şi urmărită exact pe ceas, amestecul rezultat este un beton lucrabil şi foarte rezistent.

g) Lucrabilitatea

  

  Pentru stabilirea lucrabilităţii betonului s-a recurs la măsurarea tasării si prin metoda răspândirii.

   La primele reţete preliminare s-au obţinut tasări de 50-80mm, fapt care nu s-a considerat corespunzător. In consecinţă s-a modificat compoziţia betonului până s-a obţinut o tasare de 150-200mm, sau chiar un beton autocompactant dar numai in cazul amestecului fără adaos de fibre de otel.

   S-a determinat si aerul oclus, rezultand o valoare medie de 5%.

h) S-au turnat epruvete de beton de urmatoarele tipuri

         - cuburi cu l=70.1mm

         - cuburi cu l=100mm

         - prisme de 40×40×160mm

         - prisme de 70.1×70.1×306mm

         - prisme de 100×100×300 si 100×100×550

         - probe de aderenţă l=100mm si armaturi Φ10

         - cilindrii Φ 90×300 mm

         - prisme 40×100×480 mm

i) Modul de turnare si de păstrare al probelor.

Dupa turnarea în tipare metalice , probele au fost vibrate timp de 120 secunde dupa care suprafaţa betonului in contact cu atmosfera a fost acoperită cu o pelicula izolatoare pe bază de raşini. Dupa o zi de stat in tipare, epruvetele s-au decofrat .

S-au testat patru moduri de pastrare ulterioară:

i.1) în apă 28 de zile cu temperature apei de 20˚C±2˚C, apoi in atmosferă controlată t=20˚C±2˚C si UR=60±5%-probe martor.

i.2)la 90˚C si umiditate de 50% timp de 48 de ore

i.3)la 90˚C si umiditate de 50 timp de 5 zile.

i.4)în apă la 70˚C timp de 48 ore.

Pentru a obtine rezistenţe la compresiune >150MPa, un factor foarte important este modul de păstrare după decofrare.

După o serie de teste  (i.2., i.3., i.4) s-a ajuns la concluzia că cel mai favorabil mod de pastrare este i.3).

După 1 zi tipare +5 zile tratament termic probele s-au păstrat in condiţii constante de temperatură si umiditate t=20˚C±2˚C si UR=60±5%- (cameră climatică)

Probele martor au fost scoase la 28 de zile din apă şi păstrate de asemenea în continuare în camera climatică.

 

CERCETARI DEFINITIVE

 

   După  stabilirea celor doua compozitii finale , respective cu si fara adaos de fibre, s-a trecut la determinari pe beton proaspăt si întărit-mod de păstrare: 1 zi in tipare;5 zile tratement termic la 90˚C, UR=50%.

Compoziţiile de beton care s-au considerat corecte razpunzând dezideratelor noastre au fost cele care  după tratarea termică au prezentat rezistenţe la compresiune mai mari de 150 MPa.

Aceste două reţete finale sunt:

 

Componente	Fără fibre oţel	Cu fibre oţel
Ciment	1	1
Nisip 0-0.3mm	0.45	0.45
Nisip 0-0.63mm	0.37	0.37
Nisip 0.4-1.2mm	0.29	0.29
Superplastifiant	0.05	0.05
Apă	0.15	0.15
Praf siliciu	0.26	0.26
Fibre oţel	-	2%
A/C	0.15	0.15

 

II.1. Determinări pe betonul proaspăt

 Temperatura betonului proaspăt a fost de cca 34÷36˚C.

Tasarea medie 150÷200mm.

Densitatea în stare proaspată :

                             -beton fără fibre ρ_pr≈2350kg/mc

                             -beton cu fibre    ρ_pr≈2350kg/mc

 

II.2. Determinări pe betonul întărit

S-a urmărit determinarea caracteristicilor fizico-mecanice ale betonului întărit la următoarele vârste de încercare:

         -6 zile de la turnarea betonului (1 zi in tipare+5 zile tratare termica)

         -14 zile

         -28 zile

S-a dorit obţinerea unor caracteristici fizico-mecanice superioare, respectiv rezistenţe la compresiune mai mari de 150 MPa imediat după terminarea tratamentului termic. Avantajele sunt evidente in cazul realizării unor structuri din acest tip de betoane , atât din punct de vedere tehnologic cât si al comportării in exploatare a structurilor.

Determinăriile efectuate (pe minim 12 epruvete pentru fiecare determinare):

a)                  densitate aparentă

b)                  rezistenţă la compresiune

c)                  rezistenţă la întindere prin încovoiere şi despicare

d)                  modul de elasticitate şi curba σ-ε

e)                  aderenţă

f)                    deformaţiile de durată

g)                  durabilitatea

     

a)                  Densitatea aparentă – media rezultatelor obţinute (kg/mc)

	(1) tratare termică 5 zile								(2) martor (28 de zile în apă)
	(a) fără fibre				(b)  cu fibre				(a) fără fibre				(b) cu fibre
Vârsta (zile)	0	6	14	28	0	6	14	28	0	6	14	28	0	6	14	28
ρ (kg/mc)	2356	2417	2434	2412	2524	2622	2601	2665	2339	2443	2493	2420	2524	2531	2622	2565

 

b)                  Rezistenţa la compresiune determinată pe cuburi cu l=70.1 mm f_c,cub (MPa)

 

Comparaţia între valorile obţinute privind rezistenţa la compresiune la 6 zile se prezintă mai jos:

1b / 1a	2b / 2a	1a / 2a	1b / 2b
1.15	1.26	1.54	1.40

 

Analizând valorile prezentate în tabelele de mai sus rezultă următoarele:

¾    În cazul tratării termice comparativ cu probele martor, s-au obţinut rezistenţele la compresiune la 6 zile de:

·                    1.54 ori mai mari în cazul betonului simplu;

·                    1.40 ori mai mari în cazul betonului armat cu fibre de oţel;

¾    În cazul tratării termice, rezistenţa la compresiune a atins la 6 zile:

·                    Cca 170 MPa la betonul simplu;

·                    Cca 200 MPa la betonul armat cu fibre;

faţă de probele martor la care la aceeaşi vârstă s-a obţinut:

·                    Cca 110 MPa la betonul simplu;

·                    Cca 140 MPa la betonul armat cu fibre;

 

c)                  Rezistenţa la întindere

 

c1) Rezistenţa la întindere din încovoiere f_ct,fl

Rezultatele experimentale obţinute pe prisme de 40x40x160 şi 70.1x70.1x306 mm sunt următoarele:

	(1) tratare termică 5 zile						(2) martor (28 de zile în apă)
	(a) fără fibre			(b)  cu fibre			(a) fără fibre			(b) cu fibre
Vârsta (zile)	6	14	28	6	14	28	6	14	28	6	14	28
fct,fl (MPa)	13.40	13.65	13.95	21.86	23.15	22.80	7.70	7.75	8.50	15.25	20.20	25.60

  

                               

 

Comparaţia valorilor obţinute privind rezistenţa la întindere prin încovoiere f_ct,fl la vârsta de 6 zile este următoarea:

 

1b / 1a	2b / 2a	1a / 2a	1b / 2b
1.63	2.39	1.74	1.43

 

Analizând valorile prezentate în tabelul de mai sus rezultă următoarele:

¾      Tratarea termică măreşte rezistenţa la întindere f_ct,fl de 1.74 ori în cazul betonului fără fibre şi de 1.43 ori în cazul betonului cu fibre;

¾      Adaosul de fibre de oţel măreşte f_ct,fl de 1.63 respctiv 2.39 ori în cazul tratării termice respectiv la probele martor.

Rezistenţa la întindere din încovoiere atinge la 6 zile valori de cca:

(i)      tratament termic:

·        13 MPa la beton simplu;

·        22 MPa la beton armat cu fibre;

(ii)    la epruvetele martor:

·        7 MPa la beton simplu;

·        15 MPa la beton armat cu fibre;

Se remarcă compotarea ductilă a betonului armat cu fibre comparativ cu comportarea betonului simplu, respectiv o rupere avertizata.

 

c2) Rezistenţa la întindere prin despicare f_ct,sp

Încercările s-au efectuat pe epruvete cubice cu latura de 100 mm – conform metodologiei RILEM.

 

Valorile rezistentelor la intindere prin descpicare: f_{ct. sp} (MPa)

(1) TRATARE TERMICĂ						(2) MARTOR
(A)              FĂRĂ FIBRE			(B)              CU FIBRE			(A)              FĂRĂ FIBRE			(B)              CU FIBRE
6 z	14 z	28 z	6 z	14 z	28 z	6 z	14 z	28 z	6 z	14 z	28 z
9,05	9,27	19,50	15,85	20,2	22,2	7,1	10,1	11,5	13,2	16,2	18,1

 

Comparaţia valorilor f_{ct. sp} obţinute la vârsta de 6 zile este următoarea:

1B/1A	2B/2A	1A/2A	1B/2B
1,75	1,85	1,28	1,20

 

d) Modulul de elasticitate şi diagrama σ-ε

d1) Diagrama σ-ε – probe prismatice 100x100x300 mm

Se remarcă o linearitate a digramei efort unitar- deformaţie specifică până în vecinătatea ruperii. Deformaţii specifice ultime ε_cu sunt în jurul valorii de 2,5 mm/m.

            Determinările s-au făcut cu presa digitală ADVANTEST 9.

d2) Pentru determinarea modulului de elasticitate E_cm s-au încercat în prealabil la compresiune prisme de 100x100x300 mm determinându-se astfel trepte de încercare 0,1f_c,pr şi 0,4_c,pr .

 

Valorile obţinute privind rezistenţa prismatică la compresiune f_c,pr şi modulului de elasticitate:

	(1) TRATARE TERMICĂ						(2) MARTOR
	(A)              FĂRĂ FIBRE			(C)              CU FIBRE			(D)              FĂRĂ FIBRE			(E)               CU FIBRE
	6 z	14 z	28 z	6 z	14 z	28 z	6 z	14 z	28 z	6 z	14 z	28 z
fc,pr (MPa)	132	134	143	152,8	151,7	163,1	92,9	83,6	93,7	110	114,7	115,6
Ecu (Gpa)	51,86	52,64	52,85	52,86	54,60	52,2	49,9	50,78	51,19	50,6	53,7	53,9
	1,020						1,014
	1,044

Tratarea termică şi adaosul de fibre nu influenţează pregnant valorile modulului de elasticitate.

Modulul de elasticitate la 6 zile (1) se situeaza in jurul valorilor E=50-52 GPa.

e) Aderenţa a fost determinată pe epruvete cubice l=100 mm şi armături ø10 mm conform metodologiei RILEM la vârsta de 6 şi 14 zile.

   
           Poziţia barelor de oţel fată de direcţia de turnare a fost (║) respectiv perpendicular (┴) pe direcţia de turnare.

S-a urmărit determinarea eforturilor unitare tangenţiale de aderenţă pentru alunecările barelor în beton la începutul alunecării barei, adică la 0,01 mm, la valoarea aferentă distrugerii aderenţei, adică alunecarea de 0,1mm şi la alunecarea de 1mm.

În cele ce urmează se prezintă sinteza rezultatelor obţînute pentru valoarea efortului unitar de aderenţă τ_0,1.

Valorile τ_0,1(MPa):

Se evidenţiază valori mai mari ale efortului unitar de aderenţă în cazul terminarea tratamentului termic comparativ cu valorile similare ale probelor martor.

 

f) Deformaţiile de lungă durată

          Contracţia a fost urmarită pe prisme de 40x40x480 in două variante : cu tratare termica şi probe martor. La terminarea tratamentului termic , probele s-au păstrat in camera climatică la 20˚C±2˚C şi UR=60±%. Probele martor au fost păstrate 28 de zile in apă la 20˚C după care au fost păstrate tot in camera climatică. Deformaţiile de contracţie au fost măsurate cu deformetrul Huggenberger având precizia de 0.0001”/10”. Contracţiile s-au măsurat pe probe martor si pe cele tratate termic.

După 90 de zile de urmarire probele martor au prezentat o contracţie de 0.33mm/m iar după primele 5 zile 0.10mm/m.

In cazul probelor tratate termic:

-     după 5 zile de tratare termică contracţia a fost in medie de 0.11mm/m similară cu cea a probelor martor.

-     în perioada 6-90 zile contracţia a ramas constantă, cantonându-se la 0.11mm/m.

S-au măsurat de asemeneaa si contracţia autogenă a carei valoare după o zi de urmarire din momentul turnarii betonului in tipare si până la decofrare a atins valoarea 0.112mm/m.

Pentru detreminarea comportării sub acţiunea sarcinilor de lungă durată a fost nevoie să se proiecteze si confecţioneze un dispozitiv de incărcare la lungă durată cu sarcina maximă de incărcare de 40 tf (va face obiectul unei propuneri de inovaţie).

Pentru realizarea disdpozitivului s-a realizat un proiect, comandă specială, neexistând in ţară sau  străinătate un astfel de sistem de incărcare in producţia in serie. S-a executat pe baza proiectului un dispozitiv de incărcare cu arcuri care acţionează cu o forţă de compresiune asupra unui cilindru Φ90x300mm.

Controlul forţei s-a făcut cu ajutorul unui dinamometru de 60 tf.

Deformaţiile betonului la acţiunea sarcinilor de lungă durată s-au măsurat cu deformetrul mecanic amovibil având precizia de 1/1000mm.

Treapta de incărcare este de 40% din forţa de rupere la compresiune a cilindrului. Rezultatele comportării in timp la incărcări de lungă durată vor fi prezentate in sinteza din anul 2009.

g) Durabilitatea

           Pentru  determinarea comportării acestui beton la acţiuni agresive de mediu s-au confecţionat epruvete de beton cubice cu l=70.1mm si l=100mm si prisme 70.1×70.1×306mm si 100×100×300mm .

Caracteristicile urmarite sunt:

     -comporatarea la ingheţ-dezgheţ -200 de cicluri

     -comportarea in medii corozive: soluţie de 3% NH₄Cl_.

Pentru determinarea comportării in mediu coroziv, epruvetele au fost introduse în butoaie de 200 l de soluţie de sulfat de amoniu, unde urmează sa rămână timp de cel puţin doi ani. In paralel s-au realizat si probe martor, păstrate in condiţii standard (28 de zile apă, apoi in condiţii constante de temperatură şi umiditate)

Probele au fost introduse in soluţie la vârsta de 6 zile de la turnare, la această vârstă (aferentă terminării ciclului de tratare termică) se determină rezistenţele la compresiune şi intindere din incovoiere.

Comportarea la ingheţ-dezgheţ este urmarită cu ajutorul unei cabine termostatate 10-D1428A având caracteristicile : interval de temperature internă -25˚C÷ +60˚C; interval de umiditate internâ 20%÷95% .

 

Probele introduse sunt cuburi cu l=100 mm şi prisme de 100×100×300mm pe care o să se determine după 200 de cicluri inghet-dezghet rezistenţa la compresiune si modulul de elasticitate static si dinamic.

Modulul static se determină cu aparatul ADVANTEST9 iar modulul dinamic cu aparatul ERUDITE m_k/V cu frecvente intre 1 Hz÷100kHz.

Rezultatele obtinute până in prezent răspund intrutotul cerinţelor acestei faze de contract.

Numeroasele cercetări efectuate până in perzent au condus la obţinerea unor betoane de ultra înalta rezistenţă  respectiv 170MPa fără fibre si chiar 200MPa cu fibre de otel. Proprietăţiile fizico-mecanice studiate pana acum evidentiază calitaţiile deosebite ale acestui beton. Cercetările continuă.

Director de proiect,

Prof. Dr. Ing. Cornelia Magureanu