Pełzanie autoklawizowanego betonu komórkowego i styrobetonu

Pełzaniem można nazwać proces odkształcenia materiału pod wpływem długotrwałego obciążenia.

Na RYS. 1 przedstawiono schematyczny proces odkształcenia w czasie pod wpływem długotrwałego obciążenia materiału już uformowanego.

Jednym z podstawowych parametrów charakteryzujących pełzanie materiału jest współczynnik pełzania φ (∞,t_o) - stosunek odkształceń wywołanych pełzaniem do odkształceń doraźnych (sprężystych).

W odniesieniu do betonów zwykłych i w ograniczonym zakresie lekkich kruszywowych metodę obliczania współczynnika pełzania podano w Eurokodzie 2 PN-EN 1992-1:2008 [1].

W przypadku konstrukcji murowych współczynnik pełzania murów podano w Eurokodzie 6 PN-EN 1996-1-1+A1:2013-05/NA:2014-03 [2] dla takich materiałów, jak ceramika, silikaty, beton na kruszywach lekkich, beton komórkowy [3, 4].

Właściwości styrobetonu i autoklawizownego betonu komórkowego

Styrobeton należy do betonów lekkich, w których kruszywo mineralne zastąpiono granulatem ze spienionego polistyrenu (styropianu). W zależności od właściwości wytrzymałościowych może mieć zastosowanie izolacyjne lub izolacyjno-konstrukcyjne. Początki stosowania tego rozwiązania sięgają lat 60. ubiegłego wieku, wraz z wynalezieniem spienionego polistyrenu.

W Polsce styrobeton dopuszczono w budownictwie zgodnie ze Świadectwem ITB nr 301/77 z 1978 r. [5], wówczas do wznoszenia zewnętrznych ścian naziemnych wysokości do 2 kondygnacji.

Początkowo głównym problemem przy zastosowaniu tego typu kruszywa była segregacja granulek styropianowych w mieszance betonowej. Aby polepszyć własności hydrofilowe granulek, zastosowano impregnację powierzchni kruszywa specjalnymi preparatami oraz plastyfikatory poprawiające urabialność mieszanki.

Obecnie styrobeton wykorzystywany jest głównie jako warstwa izolująca cieplnie i akustycznie na stropach i stropodachach oraz pod wylewki podłogowe. Dostępne są również płyty ścienne zespolone z rdzeniem ze styrobetonu.

Właściwości mechaniczne styrobetonu ściśle zależą od jego gęstości. W zakresie gęstości od 600 kg/m³ do 1600 kg/m³ wytrzymałość na ściskanie mieści się w granicach 2,2 N/mm² do 18 N/mm².

Podobna zależność występuje w przypadku współczynnika przewodzenia ciepła λ. Przykładowo dla styrobetonu o gęstości 1000 kg/m³ podaje się wartość λ = 0,43 W/(m·K) [6].

Właściwości wytrzymałościowe styrobetonu zależą również od wielkości granulek - im mniejsza ich średnica, tym większa wytrzymałość [7]. Niewiele publikacji zawiera wyniki badań właściwości reologicznych (pełzania) styrobetonu.

Ben Sabaa i Rasiah Sri Ravindrarajah [8] podają w swojej publikacji wartość odkształcenia pełzania na poziomie ecc,t= 600×10^–6 po t = 150 dni w odniesieniu do styrobetonu o gęstości 1600 kg/m³. Współczynnik pełzania wyznaczony na podstawie tych badań metodą ekstrapolacji dla 1 roku wyniósł φ(t) = 3,0.

W innych badaniach [9] dla styrobetonów o gęstościach od 1400 kg/m³ do 2300 kg/m³ uzyskano współczynniki pełzania φ(t) dla t = 270 dni odpowiednio od 1,77 do 3,14.

Z kolei badania odkształcalności pełzania autoklawizowanego betonu komórkowego prowadzono najczęściej na murach z bloczków lub samych bloczków [10] oraz na zbrojonych płytach stropowych [11].

Podczas badania pojedynczego elementu murowego (200×240×200 mm) uzyskano wartości końcowego współczynnika pełzania: dla autoklawizowanego betonu komórkowego o gęstości 450 kg/m³ φ(t_∞) = 0,25, a dla gęstości 544 kg/m³ – φ(t_∞)=0,15. W badaniach stwierdzono, że duży wpływ na odkształcenie pełzania mają: wilgotność materiału, wilgotność powietrza, wytrzymałość oraz warunki obciążania. Są to podobne zależności, jak w przypadku zwykłego betonu.

Program i metody badań

Do badań wytypowano dwa materiały: autoklawizowany beton komórkowy (ABK) o gęstości objętościowej 600 kg/m³ (na kruszywie piaskowym) oraz beton lekki z kruszywem styropianowym (styrobeton) o gęstości objętościowej 1000 kg/m³.

Do wyznaczenia odkształcenia pełzania zastosowano metodykę (z niewielkimi odstępstwami) zawartą w normie europejskiej PN-EN 1355:1999 [12]. Próbki ze styrobetonu wykonano w formach.

Skład chemiczny na 1 m³ mieszanki zastosowanej do wykonania próbek był następujący:

• granulki styropianowe o wielkości od 3,5 mm do 6 mm, gęstość nasypowa 25 kg/m³, zawartość 0,95 m³,
• cement portlandzki CEM I 32,5, zawartość 270 kg,
• piasek, zawartość 510 kg,
• woda, zawartość 1,8 l,
• stosunek w/c - d 0,52.

Badane próbki styrobetonu zagęszczano metodą sztychowania. Do czasu badania próbki twardniały w temp. 20±2°C pod przykryciem z folii.

Badania próbek rozpoczęto po 28-dniowym okresie dojrzewania. Próbki z autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK) wycięto z bloczków prefabrykowanych w formie odwiertów walcowych. Próbki betonu komórkowego przed badaniem pełzania wysuszono do stałej masy, a następnie nawilżono do uzyskania wilgotności względem masy równiej 6%.

Pełzanie próbek przeprowadzono na trzystanowiskowych pełzarkach obciążnikowych znajdujących się w komorze o kontrolowanej temperaturze i wilgotności powietrza.

Badaniom pełzania poddano próbki walcowe o wymiarach: φ = 80 mm, h = 250 mm.

Do pomiaru odkształcenia zastosowano tensometry naklejane na próbki w postaci czujników zegarowych o rozdzielczości 0,001 mm i bazie pomiarowej l_o = 160 mm (FOT. 1., FOT. 2.). Na każdej próbce stosowano po trzy tensometry.

Jednocześnie z próbkami poddanymi pełzaniu na oddzielnych nieobciążonych próbkach o takich samych wymiarach badano skurcz. Parametry środowiskowe podczas badania wynosiły: temp. t = 20±2°C i wilgotność względna Rh = 60±5%.

Ustalenie zależności odkształcenia pełzania poprzedzono oznaczeniem wytrzymałości na ściskanie próbek cylindrycznych f_c,cyl oraz dodatkowo kostkowych dla styrobetonu f_c,cube.

Do wyznaczenia odkształcenia pełzania zastosowano obciążenie równe σ = 1/3 f_c,cyl.  Zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 1355:1999 [12] odkształcenie pełzania oceniano po czasie min. 1 roku według zależności:

gdzie:

ε_cc,t - odkształcenie pełzania w rozpatrywanym czasie t [‰];

ε_cc,tot,t  - odkształcenie całkowite próbki poddanej pełzaniu obciążonej w rozpatrywanym czasie t, które nastąpiło od odczytu początkowego w stanie nieobciążonym bezpośrednio przed przyłożeniem obciążenia długotrwałego końcowego [‰];

ε_ci,t0  - odkształcenie chwilowe (doraźne) spowodowane zadanym obciążeniem (różnica odczytów bezpośrednio przed i bezpośrednio po obciążeniu) [‰];

ε_cs,t - wartość średnia odkształcenia całkowitego próbek kontrolnych nieobciążonych (próbek badanych na skurcz) od momentu obciążenia próbek poddanych pełzaniu do rozpatrywanego czasu t [‰].

Wyniki badań

W TAB. 1 podano wyniki pomiarów wytrzymałości na ściskanie i gęstości.

Na RYS. 2, RYS. 3. i RYS. 4. przedstawiono zależności odkształcenie - czas.

W TAB. 2. i TAB. 3. przedstawiono wyniki obliczeń odkształcenia, pełzania, skurczu oraz współczynnika pełzania.

Wnioski

W wyniku długotrwałego badania odkształcenia pełzania autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK) klasy 600 uzyskano współczynnik pełzania φ(t) = 0,3 dla okresu t = 409 dni.

Widoczne zmiany odkształcenia betonu komórkowego (ABK) w czasie spowodowane były prawdopodobnie zmianą wilgotności powietrza i badanych próbek.

Analiza porównawcza obu betonów lekkich wykazała, że beton komórkowy (ABK) wykazuje znacznie mniejszą odkształcalność pełzania w porównaniu ze styrobetonem. Przy porównywalnych właściwościach wytrzymałościowych w odniesieniu do styrobetonu uzyskano współczynnik pełzania φ(t) = 3,3. Oznacza to, że odkształcenie pełzania po 421 dniach było ponad 3-krotnie większe niż odkształcenie doraźne tuż po obciążeniu próbek.

Charakter krzywych pełzania badanego styrobetonu nawet po 421 dniach nadal wykazuje znaczącą liniową tendencję rosnącą. Uzyskane wyniki budzą wątpliwość, czy mogą być przyjęte jako ostateczna wartość odkształcenia pełzania.

Ciągły wzrost odkształcenia wywołanego pełzaniem może powodować nieprzewidziane przez projektanta odkształcenia konstrukcji lub jej fragmentów aż do pojawienia się zarysowań.

Zbyt duże różnice w odkształcalności np. ściany i tynku mogą powodować pękanie i odspajanie się tynku.

Zbyt duże zmiany odkształcenia elementów konstrukcyjnych budynku są również niekorzystne z punktu widzenia mocowanych do nich punktów stałych instalacji rurowych. Należy jednak zaznaczyć, że uzyskane wyniki badań dotyczą jedynie badanych próbek (o założonym składzie chemicznym).

Pełzanie obserwowane przez innych badaczy [9] styrobetonu o wyższej gęstości powyżej 1400 kg/m³ wykazuje mniejszą dynamikę wzrostu i dąży asymptotycznie do stałej wartości.

Wydaje się, że rozwiązaniem problemu odkształcenia pełzania może być stosowanie styrobetonów o wyższej gęstości i wytrzymałości lub innych materiałów cechujących się znacznie mniejszą odkształcalnością pełzania.

Literatura

1. PN-EN 1992-1-1:2008, "Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków".
2. PN-EN 1996-1-1+A1:2013-05/NA:2014-03, "Eurokod 6. Projektowanie konstrukcji murowych. Część 1-1: Reguły ogólne dla zbrojonych i niezbrojonych konstrukcji murowych".
3. B. Lewicki, R. Jarmontowicz, J. Kubica, "Podstawy projektowania niezbrojonych konstrukcji murowych", ITB, Warszawa 2001.
4. W. Chruściel, P. Sulik, "Projektowanie konstrukcji murowych niezbrojonych według Eurokodu 6: Przykłady obliczeń", ITB, Warszawa 2012, s. 101.
5. Świadectwo ITB 301/77, "Styrobeton", Warszawa 1978.
6. T. Rucińska, W, Kiernożycki, "Styrobeton - materiał izolacyjno-konstrukcyjny", "Przegląd Budowlany", nr 2/1999.
7. D.S. Babu, K.G. Babu, W. Tiong-Huan, "Effect of polystyrene aggregate size on strength and moisture migration characteristics of lightweight concrete", "Cement & Concrete Composites", nr 28/2006, s. 520-527.
8. B. Sabaa, R.S. Ravindrarajah, "Engineering Properties of Lightweight Concrete Containing Crushed Expanded Polystyrene Waste", "Material Research Society", Fall Meeting Symposium MM "Advances in Materials for Cementitious Composites", Boston 1997.
9. W.C. Tang, H.Z. Cui, M. Wu, "Creep and creep recovery properties of polystyrene aggregate concrete", "Construction and Building Materials", nr 51/2014, s. 338-343.
10. G. Marzahn, G. König, "Experimental Investigation of Long-Term Behavior of Dry-Stacked Masonry", TMS Journal December 2002.
11. B. Cividini, "Long-term deflection of aerated reinforced concrete slabs", "International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete", nr 3/1981, s. 213-221.
12. PN-EN 1355:1999, "Oznaczanie pełzania przy ściskaniu autoklawizowanego betonu komórkowego lub betonu lekkiego kruszywowego o otwartej strukturze".
13. G. Zapotoczna-Sypek, S. Balkovic, "Autoklawizowany beton komórkowy, technologia, właściwości, zastosowanie", PWN, Warszawa 2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!