Lucyna Domagała
Właściwości wytrzymałościowe
lekkich betonów kruszywowych
z włóknami stalowymi
STRENGTH PROPERTIES OF LIGHTWEIGHT AGGREGATE CONCRETE
WITH STEEL FIBRES
Streszczenie
W niniejszym referacie omówiono wpływ dodatku włókien stalowych na poprawę właści-
wości wytrzymałościowych konstrukcyjnych lekkich betonów kruszywowych (SLWAC).
W zrealizowanym programie badawczym uwzględniono zmienność poziomu wytrzyma-
łości i gęstości betonu oraz zawartości dodatku włókien stalowych. Analiza uzyskanych
wyników wykazała, iż zbrojenie rozproszone w postaci włókien stalowych nie wywiera
wpływu na wytrzymałość na ściskanie badanych betonów, natomiast powoduje wzrost
ich wytrzymałości na zginanie i rozciąganie. Ze względu na to, iż SLWAC charakteryzują
się obniżonymi charakterystykami mechanicznymi w porównaniu z betonami na kruszy-
wach zwykłych tej samej klasy, ich poprawa wskutek zastosowania włókien stalowych
okazuje się być bardziej efektywna.
Abstract
This paper concerns the influence of steel fibres additive on enhancement of properties of
structural lightweight aggregate concrete (SLWAC). Variability of concrete strength and
density level as well as steel fibres content were considered in the research programme that
was carried out. The analyse of obtained results showed that dispersed reinforcement in
the form of steel fibres did not impact compressive strength at all. However it caused the
essential fatigue and splitting tensile strength increase. Because SLWAC are characterised
by lower mechanical parameters in comparison to concrete with normal weight aggregate
of the same strength class, the enhancement resulting from the steel fibres application
turned out to be more effective.
dr inż. Lucyna Domagała  Politechnika Krakowska
Właściwości wytrzymałościowe lekkich betonów ...
1. Wstęp
Konstrukcyjne lekkie betony kruszywowe stanowią nowoczesny materiał budowlany,
który z powodu niskiej gęstości oraz możliwości osiągania wysokich poziomów wy-
trzymałości znajduje coraz szersze zastosowanie w budownictwie. Okazuje się jednak,
iż betony te w porównaniu z betonami zwykłymi tej samej klasy wytrzymałości charak-
teryzują się gorszymi parametrami mechanicznymi. Fakt ten stanowi jeden z czynników
ograniczających potencjał zastosowań betonów lekkich. Do pozostałych czynników należy
zaliczyć problemy technologiczne związane z wykonywaniem tych betonów oraz brak
uniwersalnych metod ich projektowania.
Optymalizacja doboru składu oraz procedur wykonawczych pod kątem uzyskania
betonu o określonych charakterystykach jest procesem co prawda trudniejszym i wyma-
gającym większego doświadczenia niż w przypadku betonów na kruszywach zwykłych
(z uwagi na znacznie większą liczbę czynników materiałowych i technologicznych wpły-
wających na właściwości betonu lekkiego), niemniej jednak nie niemożliwą do osiągnię-
cia [1]. Poprawę charakterystyk mechanicznych można by natomiast osiągnąć poprzez
wprowadzanie w strukturę betonu lekkiego zbrojenia rozproszonego w postaci włókien
stalowych.
2. Wpływ włókien stalowych na kształtowanie
właściwości betonu
Jako zbrojenie rozproszone do betonów stosowane są włókna wykonane z różnych
materiałów (naturalne np. pochodzenia roślinnego, metalowe np. stalowe, syntetyczne,
np. polipropylenowe, węglowe, szklane itp.). Ze względu na efektywność stosowania
przy relatywnie niskich kosztach (w porównaniu z włóknami węglowymi) najczęściej
do betonów dodawane są włókna stalowe oraz polipropylenowe, przy czym wpływ
włókien stalowych na charakterystyki mechaniczne betonów okazuje się być zdecydo-
wanie korzystniejszy.
Efektywność zastosowania włókien stalowych na wybrane właściwości mieszanki
betonowej oraz betonu w stadium dojrzałym istotnie uzależniona jest od ich kształtu
i rozmiarów oraz zawartości. Ważnym czynnikiem są również charakterystyki materiałowe
stali, z której wykonano włókna. Długość włókien stalowych (l) stosowanych jako dodatek
do betonu z reguły waha się w granicach od kilku do 80 mm, a ich średnica (d) od 0,15 mm
do ponad 1 mm. Stosunek długości włókien do ich średnicy (l/d) jest jednym z podstawo-
wych parametrów geometrycznych branych pod uwagę przy ocenie ich efektywności. Im
wskaz
nik l/d jest większy, tym dodatek włókna korzystniej wpływa na charakterystyki
mechaniczne betonu. Drugim czynnikiem jest kształt włókien. Włókna stalowe mogą
być proste, karbowane, faliste, skręcone lub z zakończeniem kotwionym (np. w postaci
haczyków, kulek, fal czy spłaszczeń), o powierzchni gładkiej lub chropowatej, o przekroju
kołowym lub prostokątnym. Z analizy dostępnej literatury tematycznej wynika, iż to wła-
śnie włókna stalowe haczykowate, ze względu na ograniczoną możliwość ścięcia betonu
wzdłuż krzywizny ich zakotwienia, najkorzystniej modyfikują właściwości mechaniczne
betonu. Efektywność wpływu dodatku włókien stalowych w sposób oczywisty uzależ-
niona jest od ich zawartości. Przy konwencjonalnej technologii realizacji drutobetonów
maksymalna zawartość włókien stalowych wynosi 3% objętościowo [2] z powodu utraty
3
Lucyna Domagała
jednorodności i urabialności oraz niemożności zapewnienia szczelności struktury betonu.
W przypadku programów badawczych dodatek włókien stalowych z reguły uwzględnia
się w ilościach do 2%, natomiast w praktyce ilość ta waha się od 0,3 do 1% ze względu
zarówno na ograniczenia technologiczne, jak i ekonomiczne. Ograniczenia te natomiast
nie dotyczą specjalnej technologii wykonywania drutobetonów SIFCON umożliwiającej
stosowanie włókna nawet w ilości około dwudziestu procent objętościowo.
Dobór rodzaju oraz ilości włókien winien być zdeterminowany specyfiką wykony-
wanego betonu (uziarnienie kruszywa, konsystencja mieszanki betonowej, właściwości
fizyczne i mechaniczne betonu itp.), rodzajem wykonywanego elementu/obiektu (drob-
nowymiarowy, wielkowymiarowy, cienkościenny itp.), warunkami technologicznymi jego
realizacji oraz warunkami jego eksploatacji. Ponieważ wymagania materiałowe oraz tech-
nologiczne dla konstrukcyjnych betonów lekkich oraz betonów zwykłych istotnie różnią
się, a ich charakterystyki zarówno w stadium mieszanki, jak i betonu stwardniałego w tej
samej klasie wytrzymałości kształtują się w odmienny sposób, wpływ dodatku włókien
stalowych na te parametry może mieć zróżnicowany charakter nie tylko pod względem
ilościowym, ale i jakościowym. Stąd wymaga oddzielnego rozpatrzenia w obu przypad-
kach.
2.1. Beton zwykły
W przypadku konstrukcyjnych betonów na kruszywie zwykłym zastosowanie dodatku
włókien stalowych o znacznie większym module sprężystości w porównaniu z matrycą
betonową przede wszystkim ma na celu zmniejszenie koncentracji naprężeń w betonie
wynikłych z obciążenia. Włókna przejmując część naprężeń, nie tylko opóz
niajÄ… moment
pojawienia się pierwszych rys, ale ograniczają ich propagację. W efekcie możliwa jest
poprawa wielu charakterystyk betonu, głównie zdeterminowanych zdolnością materiału
do przenoszenia naprężeń rozciągających. Zmienia się również charakter relacji naprę-
żenie  odkształcenie, a w konsekwencji parametry mechaniki pękania, z tego powodu,
iż fibrobeton zachowuje się podczas obciążania i zniszczenia bardziej jak materiał qu-
asi--plastyczny, zdolny do przenoszenia w większym zakresie naprężeń po osiągnięciu
ich wartości maksymalnej. Korzystny wpływ wprowadzenia zbrojenia rozproszonego
w strukturę matrycy betonu zwykłego w szczególności uwidacznia się przez:
 obniżenie skurczu,
 wzrost wytrzymałości na zginanie, rozciąganie, ścinanie, skręcanie,
 wzrost odporności na zmęczenie,
 wzrost odporności na uderzenia,
 wzrost odporności ogniowej,
 wzrost mrozoodporności,
 obniżenie ścieralności.
Jednoznaczna ocena ilościowa wpływu włókien stalowych na wymienione powy-
żej charakterystyki jest problematyczna z uwagi na stosowanie przez badaczy włókien
o rozmaitych parametrach i w różnych ilościach, czasami dalece odbiegających od uza-
sadnionych ekonomicznie, do betonów o nieporównywalnych składach [2, 3, 4, 5, 6].
Przy stosowaniu włókien stalowych należy również pamiętać o możliwym obniżeniu
modułu sprężystości betonu oraz pogorszeniu urabialności mieszanki betonowej.
Co do wpływu włókien stalowych na wytrzymałość betonu na ściskanie istnieją
rozbieżne zdanie i opinie zawarte w literaturze fachowej. W znakomitej większości
przypadków wskazuje się na brak wpływu tego dodatku na wytrzymałość na ściskanie.
4
Właściwości wytrzymałościowe lekkich betonów ...
W nielicznych publikacjach natomiast pojawiają się informacje o wzroście wytrzymałości
na ściskanie lub jej spadku. Pierwszy przypadek dotyczy bardzo znacznych zawartości
włókna (powyżej 5%), a zatem przy konwencjonalnych metodach wykonywania fibrobe-
tonów z pewnością dodatku tego nie należy stosować ze względu na poprawę wytrzyma-
łości na ściskanie. W drugim przypadku spadek wytrzymałości prawdopodobnie wynika
z błędów technologicznych związanych z brakiem zapewnienia szczelności i jednorodności
struktury betonu.
2.2. Lekki beton kruszywowy
Z uwagi na specyficzne właściwości kruszyw lekkich konstrukcyjne betony z tym wy-
pełniaczem charakteryzują się odmiennymi właściwościami fizycznymi i mechanicznymi
w porównaniu z betonami na kruszywach zwykłych tej samej klasy wytrzymałościowej,
a mianowicie:
 większym skurczem (nawet o ponad 50%, spowodowanym zarówno mniejszą sztyw-
nością kruszywa lekkiego, jak również wyższą zawartością cementu),
 mniejszą gęstością (do 2000 kg/m3),
 lepszą izolacyjnością termiczną,
 mniejszą wytrzymałością na ścinanie, zginanie i rozciąganie (odpowiednio o 5 do 25%,
20 do 55% oraz 20 do 40% [7, 8, 9]. Większe spadki dotyczą betonów wyższych klas
[10, 11, 12].),
 niższym modułem sprężystości o 25 do 50%,
 lepszą jednorodnością struktury (wynikającą zarówno z większej kompatybilności
modułów sprężystości kruszywa i matrycy, jak również z większej jednorodności
rozmiaru i kształtu ziarn sztucznie produkowanych. W rezultacie przebieg zależności
naprężenie  odkształcenie ma bardziej liniowy charakter, a zarysowanie pojawia się
dopiero na poziomie od 85 do 90% naprężeń maksymalnych),
 większą kruchością (beton ulega zniszczeniu w sposób nagły i eksplozywny i prawie
nie wykazuje zdolności do przenoszenia naprężeń po przekroczeniu ich wartości
maksymalnej; stąd jego obniżone charakterystyki opisujące mechanikę pękania),
 lepszą trwałością (wyższą mrozoodpornością i ognioodpornością, mniejszą przepusz-
czalnością, pod warunkiem właściwej technologii wykonywania betonu).
Wziąwszy pod uwagę wyżej wymienione właściwości konstrukcyjnych lekkich beto-
nów kruszywowych zastosowanie dodatku włókien stalowych do tych betonów można
uznać za celowe, szczególnie w przypadku:
 redukcji skurczu,
 poprawy charakterystyk pękania,
 podwyższenia parametrów wytrzymałościowych.
Należy również przypuszczać, że efektywność poprawy tych charakterystyk będzie
większa w porównaniu z betonem zwykłym.
Niestety z tego powodu, iż konstrukcyjny lekki beton kruszywowy to stosunkowo
nowy materiał budowlany, przykładów zastosowań włókien stalowych w tym przypadku,
zarówno w praktyce, jak i badaniach laboratoryjnych, jest niewiele w porównaniu z fibro-
betonami na kruszywach zwykłych i dotyczą one głównie osiągnięć zagranicznych [6, 7,
13, 14]. Z badań tych wynika, że dodatek włókien stalowych w ilości od 0,5% do 2% nie
wywiera wpływu na wytrzymałość na ściskanie betonu lekkiego lub powoduje jej wzrost
5
Lucyna Domagała
(nawet do 20%). Rodzaj zastosowanych włókien oraz wskaz
nik l/d okazał się czynnikiem
zdecydowanie istotniejszym niż zawartość włókien, zarówno w przypadku wytrzyma-
łości na ściskanie, jak i pozostałych charakterystyk betonów lekkich. Dla wytrzymałości
na zginanie i rozciÄ…ganie we wszystkich przypadkach wykazano ich wzrost wskutek
zastosowania włókien stalowych. Zależnie od rodzaju i geometrii zastosowanych włókien
oraz ich zawartości wzrost ten wahał się od około 10% do 120% dla wytrzymałości na
rozciąganie przy rozłupywaniu, a dla wytrzymałości na zginanie był jeszcze większy od
około 10% do ponad 200%. W analogicznych betonach z kruszywem zwykłym przyrosty
tych wytrzymałości były istotnie mniejsze.
Podczas oceny ilościowej wpływu włókien stalowych na charakterystyki mechaniczne
lekkich betonów kruszywowych należy jednak zachować ostrożność, biorąc również pod
uwagę efekt skali. Okazuje się bowiem, iż wpływ rozmiaru próbki badawczej na wynik
badania w przypadku fibrobetonów jest bardziej istotny niż dla betonów niezbrojonych
włóknami. Przykładowo [6] w próbkach sześciennych o boku 100 mm wzrost wytrzy-
małości betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu wskutek zastosowania 1% dodatku
włókien stalowych wynosił aż 165%, podczas gdy badany na próbkach o boku 200 mm
zaledwie 30%. Badanie realizowane na standardowych próbkach walcowych dałoby
prawdopodobnie jeszcze niższe wyniki.
Z uwagi na ocenę efektywności stosowania dodatku włókien stalowych nie bez zna-
czenia jest również skład badanego betonu. Z jednej strony betony o wyższej zawartości
kruszywa lekkiego charakteryzują się większą poprawą parametrów mechanicznych
wynikającą z zastosowania dodatku włóknistego [14]. Z drugiej jednak strony obniżenie
wskaz
nika wodno-cementowego również sprzyja takiej tendencji [4]. W ogólnym przy-
padku betonów lekkich trudno zatem jednoznacznie ocenić wpływ poziomu wytrzyma-
łości na efektywność zastosowania włókien stalowych, którego wzrost można osiągnąć
zarówno poprzez zmniejszenie proporcji ilościowych kruszywa w stosunku do matrycy,
jak i obniżenie w/c.
Należy tu zaznaczyć, że przytaczane powyżej badania dotyczyły betonów lekkich
wysokich wytrzymałości (od 60 do 90 MPa) przy dodatku włókien stalowych w ilościach
przekraczających wartości stosowane w praktyce z powodu ograniczeń technologicznych
i ekonomicznych. W dostępnej literaturze tematycznej brakuje natomiast informacji na
temat wpływu dodatku włókien stalowych (przy ich bardziej racjonalnych zawartościach)
na kształtowanie konstrukcyjnych betonów lekkich o niższych poziomach wytrzymałości,
a zatem powszechniej stosowanych.
3. Badania własne
Celem podjętych badań była ocena wpływu dodatku włókien stalowych na kształtowanie
się charakterystyk wytrzymałościowych konstrukcyjnych betonów lekkich wykonanych
z materiałów dostępnych na rynku krajowym.
W ramach zrealizowanego programu badawczego wykonano dwie serie betonów
o zróżnicowanych poziomach gęstości, zakładanych na poziomie 1600 oraz 1700 kg/m3
oraz wytrzymałości w zakresie 35  40 MPa i 45  50 MPa.
Do badań wytypowano następujące składniki:
 kruszywo popiołoporytowe Pollytag frakcji 4 8 mm, które spośród krajowych kruszyw
lekkich dostępnych na rynku stwarza największe możliwości kształtowania wysokich
poziomów wytrzymałości betonu. Kruszywo to przed zmieszaniem z pozostałymi
6
Właściwości wytrzymałościowe lekkich betonów ...
składnikami było nawilżane do wilgotności 15% w celu zminimalizowania ryzyka
segregacji składników oraz absorpcji zaczynu/wody przez kruszywo z mieszanki;
dodatkowo zabieg taki gwarantuje bardziej korzystne warunki pielęgnacji betonów
lekkich i ma istotne znaczenie w kształtowaniu póz
niejszych właściwości betonu [1],
 włókna stalowe Dramix o haczykowatych zakończeniach, długości 50 mm i średnicy
0,75 mm (l/d = 67) w ilościach: 0; 30; 45 i 60 kg/m3; ilości te odpowiadają zawartościom
na poziomie 0; 0,4; 0,6 oraz 0,8% objętości betonu,
 cement CEM I 42,5 R,
 piasek naturalny,
 woda,
 superplastyfikator na bazie eteru polikarboksylowego; dobór dawki domieszki upłyn-
niającej (od 0 do 1% masy cementu) zdeterminowany był zapewnieniem odpowiedniej
urabialności, weryfikowanej doświadczalnie w ramach zarobów próbnych.
Skład oraz parametry charakteryzujące poszczególne mieszanki betonowe przedsta-
wiono w tablicy 1.
Tablica 1. Skład oraz parametry charakteryzujące wykonane betony lekkie
Seria I II
Oznaczenie
I0 I1 I2 I3 II0 II1 II2 II3
betonu
Składniki [kg/m3]
F* 0,0 30 45 60 0,0 30 45 60
C* 345 345 345 345 446 446 446 446
LWA* 765 765 765 765 700 700 700 700
P* 414 414 414 414 458 458 458 458
W* 190 190 190 190 164 164 164 164
Parametry
w/c* 0,55 0,55 0,55 0,55 0,37 0,37 0,37 0,37
P/C* 1,20 1,20 1,20 1,20 1,03 1,03 1,03 1,03
k/m* 1,34 1,34 1,34 1,34 1,16 1,16 1,16 1,16
* F  włókna stalowe, C  cement, LWA  kruszywo lekkie, P  piasek, W  woda,
lwa/m  stosunek objętościowy kruszywa lekkiego do matrycy.
Po 28 dniach dojrzewania w temperaturze 20 ą 2oC oraz wilgotności 95 ą 5% prze-
prowadzono następujące badania:
 wytrzymałości na ściskanie na próbkach sześciennych o boku 150 mm według
PN-EN 12390-3,
 wytrzymałości na zginanie na belkach 100 mm x 100 mm x 500 mm według
PN-EN 12390-5,
 wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu na próbkach sześciennych o boku
150 mm według PN-EN 12390-6,
 gęstości na próbkach sześciennych o boku 150 mm według PN-EN 12390-7.
Zgodnie z przyjętymi w programie badawczym założeniami, wykonane betony kon-
trolne serii I (I0) oraz II (II0) charakteryzowały się istotnie zróżnicowanym poziomem
gęstości (odpowiednio 1580 kg/m3 i 1710 kg/m3) oraz wytrzymałości na ściskanie betonów
(odpowiednio 39,0 MPa i 47,5 MPa). Przyrost wytrzymałości betonu serii II w stosunku
7
Lucyna Domagała
do betonu serii I o 22% jest efektem nie tylko obniżenia wskaz
nika wodno-cementowego
z 0,55 do 0,37, co wiąże się ze wzrostem zawartości cementu o 108 kg/m3, ale również
ze zmniejszeniem proporcji kruszywa lekkiego w stosunku do bardziej wytrzymałej ma-
trycy (lwa/m) z wartości od 1,34 do 1,16. Wzrost gęstości betonów z dodatkiem włókna
stalowego w stosunku do betonów kontrolnych I0 oraz II0 był adekwatny do zawartości
zbrojenia rozproszonego, co dowodzi wykonania betonu o odpowiedniej jednorodności
strukturalnej.
3.1. Wytrzymałość na ściskanie
Oceniając uzyskane wyniki badań wytrzymałości na ściskanie, przedstawione na rys. 1,
należy stwierdzić, iż dodatek zastosowanych włókien stalowych w ilości do 60 kg/m3
nie wywiera żadnego wpływu na tę charakterystykę bez względu na jej poziom. Średnia
wartość wytrzymałości na ściskanie dla betonów serii I wynosi 38,5 MPa przy dyspersji
wyników ą 0,5 MPa (ą 1%), natomiast dla betonów serii II 48,0 MPa przy dyspersji wy-
kg/m3 nie wywiera żÿadnego wpżÿywu na tżÿ charakterystykżÿ bez wzglżÿdu na jej poziom.
żÿrednia wartożÿżÿ wytrzymażÿożÿci na żÿciskanie dla betonów serii I wynosi 38,5 MPa
ników ą1,0 MPa (ą 2%).
przy dyspersji wyników ą 0,5 MPa (ą 1%), natomiast dla betonów serii II 48,0 MPa
Pomimo iż nie obserwuje się wpływu włókien stalowych na wytrzymałość na ściskanie
przy dyspersji wyników ą1,0 MPa (ą 2%).
badanych betonów lekkich, dodatek ten istotnie zmienia sposób zniszczenia próbek. Betony
Pomimo iżÿ nie obserwuje siżÿ wpżÿywu wżÿókien stalowych na wytrzymażÿożÿżÿ
z dodatkiem włókien stalowych, nawet dodatek ten istotnie zmienia sposób
przy ich zawartości na poziomie 30 na
kg/m3, nie
żÿciskanie badanych betonów lekkich,
wykazują już eksplozywnego zniszczenia, charakterystycznego dla betonów kontrolnych
zniszczenia próbek. Betony z dodatkiem wżÿókien stalowych, nawet przy ich
obu serii (I0 i II0).
zawartożÿci na poziomie 30 kg/m3, nie wykazujżÿ jużÿ eksplozywnego zniszczenia,
charakterystycznego dla betonów kontrolnych obu serii (I0 i II0).
60
49,0
48,0
47,5 47,5
50
39,0 39,0
38,5
38,0
40
30
20
Seria I Seria II
10
0
0 30 45 60
3
Zawartożÿżÿ wżÿókien, kg/m
Rys. 1. Średnie wartości wytrzymałości na ściskanie betonów serii I i
Rys. 1. żÿrednie wartożÿci wytrzymażÿożÿci na żÿciskanie betonów serii I i II.II
3.2. Wytrzymażÿożÿżÿ na zginanie
Analiza wpżÿywu wżÿókien stalowych na ksztażÿtowanie siżÿ wytrzymażÿożÿci na zginanie
3.2. Wytrzymałość na zginanie
dla obu serii betonów wskazuje na wyrażÿne tendencje wzrostu tej charakterystyki
Analiza wpływu włókien stalowych na kształtowanie się wytrzymałości na zginanie dla
wraz ze zwiżÿkszeniem zawartożÿci dodatku, co widoczne jest na rys. 2. W przypadku
obu serii betonów wskazuje na wyraz
ne tendencje wzrostu tej charakterystyki wraz ze
serii I wżÿókna w ilożÿci 60 kg/m3 powodujżÿ wzrost wytrzymażÿożÿci na zginanie z
zwiększeniem zawartości dodatku, co widoczne jest na rys. 2. W przypadku serii
wartożÿci 5,1 MPa do 7,6 MPa, czyli o 49%. W rezultacie stosunek wytrzymażÿożÿci na I włókna
zginanie wytrzymażÿożÿci na
w iloÅ›ci do wzrost wytrzymaÅ‚oÅ›ci na siżÿ z 13% wartoÅ›ci Dla
60 kg/m3 powodujÄ… żÿciskanie (ffm/fcm) zwiżÿksza zginanie z do 19%. 5,1 MPa do
betonów serii II analogiczny przyrost jest wiżÿkszy (z 6,2 MPa do 10,0 MPa) i wynosi
61%. Stżÿd w tym przypadku wskażÿnik ffm/fcm zmienia wartożÿżÿ z 13% ażÿ na 21%.
8
Przy ilożÿciowej interpretacji uzyskanych wyników należÿy jednak zachoważÿ
pewnżÿ ostrożÿnożÿżÿ, bowiem przyrosty wytrzymażÿożÿci pomiżÿdzy kolejnymi betonami
serii nie sżÿ równe, wahajżÿc siżÿ w granicach od 0 ażÿ do 55% i w niektórych
przypadkach sżÿ porównywalne z dyspersjżÿ wyników dla poszczególnych betonów
(od 2 do 10%). Ewidentnie w przypadku betonu II2 uzyskany wynik nie jest
cm
f
, MPa
Właściwości wytrzymałościowe lekkich betonów ...
7,6 MPa, czyli o 49%. W rezultacie stosunek wytrzymałości na zginanie do wytrzymałości
na ściskanie (ffm/fcm) zwiększa się z 13% do 19%. Dla betonów serii II analogiczny przyrost
jest większy (z 6,2 MPa do 10,0 MPa) i wynosi 61%. Stąd w tym przypadku wskaz
nik
ffm/fcm zmienia wartość z 13% aż na 21%.
Przy ilościowej interpretacji uzyskanych wyników należy jednak zachować pewną
ostrożność, bowiem przyrosty wytrzymałości pomiędzy kolejnymi betonami serii nie są
równe, wahając się w granicach od 0 aż do 55% i w niektórych przypadkach są porów-
nywalne z dyspersją wyników dla poszczególnych betonów (od 2 do 10%). Ewidentnie
w przypadku betonu II2 uzyskany wynik nie jest prawidłowy, o czym świadczy wyższa
wartość tej charakterystyki dla betonu I2 o mniejszej wytrzymałości na ściskanie oraz brak
przyrostu wytrzymałości na zginanie (obserwowany we wszystkich pozostałych przypad-
kach) wraz ze wzrostem zawartości włókna stalowego w porównaniu z betonem II1.
12
10,0
10
7,6
7,2
8
6,5 6,5
6,2
5,4
6 5,1
4
Seria I Seria II
2
0
0 30 45 60
Zawartożÿżÿ włókien, kg/m3
Rys. 2. Średnie wartości wytrzymałości na zginanie betonów serii I i II
Rys. 2. żÿrednie wartożÿci wytrzymażÿożÿci na zginanie betonów serii I i II.
3.3. Wytrzymażÿożÿżÿ na rozciżÿganie przy rozżÿupywaniu
wytrzymażÿożÿci na rozciżÿganie
3.3.W przypadku wyników badażÿ dostrzega siżÿ tak wyrażÿnych przy rozżÿupywaniu,
Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniutendencji korzystnego
przedstawionych na rys. 3, nie
W przypadku wyników badań wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu, przed-
wpżÿywu dodatku wżÿókien stalowych jak dla wytrzymażÿożÿci na zginanie. Dla serii I przy
stawionych na rys. 3, nie dostrzega siÄ™ tak wyraz
nych tendencji korzystnego wpływu
zawartożÿci wżÿókien 60 kg/m3 obserwuje siżÿ wzrost wytrzymażÿożÿci betonu na
dodatku włókien stalowych jak dla wytrzymałości na zginanie. Dla serii I przy zawar-
rozciżÿganie z wartożÿci 3,05 MPa do 3,55 MPa, czyli o 16%. W rezultacie stosunek
toÅ›ci włókien 60 kg/m3 obserwuje siÄ™ wzrost wytrzymaÅ‚oÅ›ci betonu /fcm) zwiżÿksza z
na rozciÄ…ganie siżÿ
wytrzymażÿożÿci na rozciżÿganie do wytrzymażÿożÿci na żÿciskanie (ffm
wartości 3,05 8% do 9%. Dla betonów serii II analogiczny stosunek wytrzymałości na
MPa do 3,55 MPa, czyli o 16%. W rezultacie przyrost jest wiżÿkszy (z 3,35
jedynie z
rozciąganie do wytrzymałości na ściskanie (ffmw cm) zwiększa się jedynie z 8% do 9%. Dla
/f
MPa do 4,00 MPa) i wynosi 19%. Stżÿd tym przypadku wskażÿnik ffm/fcm zmienia
betonów serii 7% na 8%. Potwierdziżÿ jest wiÄ™kszy (z iżÿ wskażÿnik ten przyjmuje wyżÿsze
wartożÿżÿ z II analogiczny przyrost siżÿ zatem fakt, 3,35 MPa do 4,00 MPa) i wynosi
wartożÿci dla betonów niżÿszych klas wytrzymażÿożÿciowych.
19%. StÄ…d w tym przypadku wskaz
nik ffm/fcm zmienia wartość z 7% na 8%. Potwierdził
Z uwagi na fakt, iżÿ rozrzuty wyników dla poszczególnych betonów (od 5% do
się zatem fakt, iż wskaz
nik ten przyjmuje wyższe wartości dla betonów niższych klas
25%), wynikajżÿce
wytrzymaÅ‚oÅ›ciowych. ze specyfiki badania oraz losowej dystrybucji wżÿókien w przekroju
rozżÿupania, byżÿy porównywalne z obserwowanymi przyrostami wytrzymażÿożÿci
Z uwagi na fakt, iż rozrzuty wyników dla poszczególnych betonów (od 5% do 25%),
żÿrednich
wynikające ze (od -9% do 16%), losowej dystrybucji włókien w przekroju rozłupania,
specyfiki badania oraz wynikajżÿcych ze zwiżÿkszania zawartożÿci wżÿókien
stalowych, interpretacja ilożÿciowa pozbawiona jest rzetelnych podstaw i wymaga
istotnego zwiżÿkszenia liczebnożÿci próbek.
9
fm
f
, MPa
Lucyna Domagała
5
4,00
3,85
4
3,55
3,35 3,35
3,30
3,05 3,05
3
2
Seria I Seria II
1
0
0 30 45 60
Zawartożÿżÿ wżÿókien, kg/m3
Rys. 3. Średnie wartości wytrzymałości na rozciąganie betonów serii I i II
Rys. 3. żÿrednie wartożÿci wytrzymażÿożÿci na rozciżÿganie betonów serii I i II
4. Wnioski
Zrealizowany program badażÿ oraz analiza uzyskanych wyników umożÿliwiajżÿ
były porównywalne z obserwowanymi przyrostami wytrzymałości średnich (od -9% do
sformużÿowanie nastżÿpujżÿcych ogólnych wniosków:
16%), wynikających ze zwiększania zawartości włókien stalowych, interpretacja ilościowa
4.1. Zastosowanie wżÿókien stalowych w ilożÿci 30; 45 oraz 60 kg/m3 do betonu
pozbawiona jest rzetelnych podstaw i wymaga istotnego zwiększenia liczebności próbek.
lekkiego nie powoduje zmiany jego wytrzymażÿożÿci na żÿciskanie bez wzglżÿdu na
jej poziom. Natomiast istotnie wpżÿywa na sposób zniszczenia betonu, eliminujżÿc
jego eksplozywny charakter.
4.2. W badanych betonów lekkich obserwuje siżÿ wyrażÿne tendencje wzrostu
wytrzymażÿożÿci na zginanie wskutek zastosowania zbrojenia rozproszonego w
4. Wnioski
postaci wżÿókien stalowych. Betony serii I i II przy zawartożÿci dodatku wżÿókien w
Zrealizowany program badań oraz analiza uzyskanych wyników umożliwiają sformuło-
ilożÿci 60 kg/m3 wykazażÿy wzrost wytrzymażÿożÿci na zginanie odpowiednio o 49% i
61%. Wzrost ten korzystnie wpżÿywa na zmianżÿ wskażÿnika ffm/fcm z wartożÿci od
wanie następujących ogólnych wniosków:
13% do 19% i 21%.
1. Zastosowanie włókien stalowych w ilości 30; 45 oraz 60 kg/m3 do betonu lekkiego
4.3. Wpżÿyw dodatku wżÿókien stalowych na wzrost wytrzymażÿożÿci na rozciżÿganie przy
nie powoduje zmiany jego wytrzymałości na ściskanie bez względu na jej poziom.
rozżÿupywaniu okazuje siżÿ mniej istotny niżÿ w przypadku wytrzymażÿożÿci na
Natomiast istotnie wpływa na sposób zniszczenia betonu, eliminując jego eksplozywny
zginanie. Dla badanych betonów serii I i II przy zawartożÿci wżÿókien na poziomie
charakter.
60 kg/m3 wytrzymażÿożÿżÿ na rozciżÿganie wzrasta odpowiednio o 16% i 19%, co
2. W badanych betonach lekkich obserwuje siÄ™ wyraz
ne tendencje wzrostu wytrzymałości
powoduje poprawżÿ wskażÿnika ftm/fcm o jeden punkt procentowy. Niemniej jednak,
na zginanie wskutek zastosowania zbrojenia rozproszonego w postaci włókien stalo-
z uwagi na znaczny rozrzut wyników, jednoznaczne oszacowanie pod wzglżÿdem
wych. Betony serii I i II przy zawartości dodatku włókien w ilości 60 kg/m3 wykazały
ilożÿciowym wpżÿywu dodatku wżÿókien stalowych na wzrost wytrzymażÿożÿci na
wzrost wytrzymałości na zginanie odpowiednio o 49% i 61%. Wzrost ten korzystnie
rozciżÿganie wymaga zwiżÿkszenia liczebnożÿci próbek.
wpływa na zmianę wskaz
nika ffm/fcm z wartości od 13% do 19% i 21%.
4.4. Nie potwierdziżÿy siżÿ doniesienia literaturowe o poprawie efektywnożÿci
3. Wpływ dodatku włókien stalowych na wzrost wytrzymałości na rozciąganie przy
zastosowania dodatku zbrojenia rozproszonego wraz ze wzrostem zawartożÿci
kruszywa lekkiego w betonie. W przypadku badanych betonów zaobserwowano
rozłupywaniu okazuje się mniej istotny niż w przypadku wytrzymałości na zginanie.
tendencjżÿ odwrotnżÿ. Im poziom wytrzymażÿożÿci na żÿciskanie jest wyżÿszy (mniejszy
Dla badanych betonów serii I i II przy zawartości włókien na poziomie 60 kg/m3 wy-
udziażÿ objżÿtożÿciowy kruszywa lekkiego w betonie), tym efektywnożÿżÿ wzrostu
trzymałość na rozciąganie wzrasta odpowiednio o 16% i 19%, co powoduje poprawę
zarówno
wskaz
nika ftmwytrzymażÿożÿci na procentowy. i na rozciżÿganie okazażÿa siżÿ znaczny
/fcm o jeden punkt zginanie, jak Niemniej jednak, z uwagi na wiżÿksza.
Fakt ten możÿna wytżÿumaczyżÿ wiżÿkszżÿ kruchożÿciżÿ (niżÿszym wskażÿnikiem ftm/fcm)
rozrzut wyników, jednoznaczne oszacowanie pod względem ilościowym wpływu
betonów lekkich wyżÿszych klas. Analogicznie możÿna wyjażÿniżÿ wiżÿkszżÿ
dodatku włókien stalowych na wzrost wytrzymałości na rozciąganie wymaga zwięk-
szenia liczebności próbek.
10
tm
f
, MPa
Właściwości wytrzymałościowe lekkich betonów ...
4. Nie potwierdziły się doniesienia literaturowe o poprawie efektywności zastosowania
dodatku zbrojenia rozproszonego wraz ze wzrostem zawartości kruszywa lekkiego
w betonie. W przypadku badanych betonów zaobserwowano tendencję odwrotną. Im
poziom wytrzymałości na ściskanie jest wyższy (mniejszy udział objętościowy kruszywa
lekkiego w betonie), tym efektywność wzrostu zarówno wytrzymałości na zginanie, jak
i na rozciąganie okazała się większa. Fakt ten można wytłumaczyć większą kruchością
(niższym wskaz
nikiem ftm/fcm) betonów lekkich wyższych klas. Analogicznie można
wyjaśnić większą efektywność zastosowania zbrojenia rozproszonego dla betonów
lekkich w porównaniu z betonami zwykłymi tej samej klasy charakteryzujących się
niższą kruchością.
5. Należy oczekiwać, że zastosowanie włókien stalowych o większej smukłości l/d oraz
zwiększenie ich zawartości poprawi efektywność przyrostów zarówno wytrzymałości
na zginanie, jak i rozciąganie przy rozłupywaniu.
Literatura
[1] Domagała L.: Problemy projektowania i wykonawstwa betonów lekkich z kruszyw spiekanych,
PrzeglÄ…d Budowlany 12/2005, s. 22-29.
[2] Johnston C.D.: Fibre reinforced cements and concretes, Gordon & Breach Science Publishers, 2001.
[3] Jamroży Z.: Beton i jego technologie, PWN, 2000.
[4] Jasiczak J., Mikołajczak P.: Technologia betonu modyfikowanego dodatkami I domieszkami, Alma
Mater 2003.
[5] Karwacki J.M.: Betony zbrojone włóknami stalowymi I włóknami syntetycznymi, Inżynieria I Budow-
nictwo No 2/ 1995.
[6] Balendran R.V., Zhou F.P., Nadeem A., Leung A.Y.T.: Influence of steel fibres on strength and ductility of
normal and lightweight high strength concrete, Building & Environmnt No 37/ 2002, s. 1361-1367.
[7] Kayali O., Haque M., Zhu B.: Some characteristic of high strength fiber reinforcement lightweight
aggregate concrete, C&CC 2003/25, p. 207-213.
[8] ACI 213 R  87 Guide for structural lightweight aggregate concrete, ACI, Farmington Hills, 1997.
[9] Nishimoto K., Febrillet N., Tokumitsu S.: Effect of axial force to shearing resistance of lightweight
aggregate concrete. Cong. on SLAC, Sandefjord 1995, s. 232-241.
[10] Domagała L.: Wytrzymałość na rozciąganie lekkich betonów z kruszywem ze spiekanych popiołów
lotnych. IV Konf. Nauk.-Techn. Matbud 2003; s. 101-108.
[11] Curcio F., Galeota D., Gallo A.: High-performance lightweight concrete for the precast prestressed
concrete industry, IV CANMET/ACI/JCI Int. Conf., Tokushima 1998, s. 389  406.
[12] Zhang M., Gjorv O.: Mechanical properties of high-strength lightweight concrete, ACI Materials Journal,
V. 88, No. 3/ 1991, s. 240-247.
[13] Gao J., Sun W., Morino K.: Mechanical properties of steel fiber-reinforced high strength lightweight
concrete, C&CC No 19/ 1997, s. 307-313.
[14] Balaguru P., Shah S.: Fiber reinforced structural lightweight concrete, ACI Material Journal No 93/
1996, s. 63-78.
11