Optimalizace zkoušky cementových kompozit v osovém tahu

1. Úvod

Vláknobetonové kompozity procházejí v současné době rychlým vývojem, který je daný rozvojem výroby vláken a možnostmi širokého uplatnění vláknobetonu v praxi. Pokud jsou používány jako konstrukční materiály, musí být náležitě ověřeny jejich vlastnosti, aby byla při návrhu nosných konstrukcí správně vyjádřena jejich spolehlivost. Vláknobetonový kompozit má velmi složitou strukturu, která je ovlivněna především návrhem jeho složení, výrobou a zpracováním v konstrukci.

Základními materiálovými charakteristikami vláknobetonu jsou pevnosti v tlaku a tahu, modul pružnosti, dále vlastnosti přetvárné (přetvoření při a po vzniku makrotrhliny) a reologické (dotvarování, smršťování). Hodnoty těchto parametrů se odvozují ze zkoušek a jsou do značné míry ovlivněny typem užité zkoušky. Pro určení tahových pevností betonu či vláknobetonu se nejčastěji používají zkoušky ohybem při tříbodovém nebo čtyřbodovém zatížení trámců. Výstupem zkoušek jsou diagramy F – w (závislost zatěžovací síly na šířce trhliny) nebo F – δ (závislost zatěžovací síly na průhybu tělesa uprostřed rozpětí). Hodnoty sil lze pomocí průřezových charakteristik tělesa převést na napětí resp. pevnosti. Takto zjištěné pevnosti v tahu za ohybu je následně nutné přepočítat na pevnosti v prostém tahu.

Z literatury [1, 2, 3, 4] je známo několik typů zkoušek, kterými lze vyšetřovat přímo pevnosti vláknobetonu v prostém tahu. Jejich uspořádání však často není univerzální pro širokou škálu kompozitních materiálů. Doporučené rozměry zkušebních těles mohou ovlivňovat rozmístění vláken ve struktuře, vytvořené zářezy definují místa porušení, která nemusí být z hlediska materiálových charakteristik nejslabší. Některá zkušební tělesa vyžadují složité upínací zařízení.

Cílem výzkumu byla optimalizace uspořádání zkoušky v osovém tahu, včetně způsobu uchycení zkušebního tělesa v zatěžovacím stroji a jednoduché výroby zkušebních těles.

2. Popis zkoušky

Návrh nového uspořádání tahové zkoušky cementových kompozit vychází z následujících požadavků:

• tvar zkušebního tělesa umožňuje spolehlivé uchycení v zatěžovacím stroji;
• rozměry tělesa neovlivní náhodné rozptýlení a orientaci vláken při výrobě;
• velikost zkušebního tělesa umožní jednoduchou manipulaci se vzorkem (hmotnost);
• k porušení tělesa dochází v materiálově nejslabším místě.

Uvedené faktory respektují vlastnosti zkoušeného kompozitu i požadavek jednoduchého a opakovatelného provedení zkoušky pouze se základním technickým vybavením (zařízení pro přenos a záznam tahové síly + snímače přetvoření).

2.1. Zkušební těleso

Zkušební těleso může být vyrobeno z prostého betonu nebo vláknobetonu s libovolným typem a délkou v současnosti vyráběných vláken. Tvar a rozměry zkušebního tělesa znázorňuje Obrázek 1. Zkušební tělesa se zhotovují v ocelových formách trámců o velikosti 150×150×700 mm pomocí vložek přiložených k podélným stranám forem. Dělící vložka uprostřed délky trámce umožňuje získat dva zkušební vzorky při betonáži trámce s uvedenými rozměry – viz Obrázek 2.

2.2. Úchyty a zkušební zařízení

Ocelový přípravek (úchyt) slouží k upevnění zkušebního tělesa do zkušebního lisu a k přenosu tahové síly na zkušební těleso. Úchyt je složený z několika částí, jak je patrné z Obrázku 3. Celkové uspořádání zkoušky je zobrazeno na Obrázku 4.

K uskutečnění tahové zkoušky je třeba použít zkušební lis s možností řízené deformace, který vyvine tahovou sílu až 400 kN (možnost zkoušení kompozit s tahovou pevností až 25 MPa). Doplňkem zkušebního zařízení jsou snímače podélných deformací, osazené na povrchu protilehlých stran středové části zkušebního tělesa (viz Obr. 4).

Přesnost tvaru zkušebního vzorku je dána přesností ocelové formy trámce a vkládaných bočních vložek. Rovnoměrné přímkové rozložení tahové síly na zkoušený prvek (hlavu zkušebního tělesa) zajišťují lišty vyrobené z tvrdého dřeva, vložené mezi kruhový konec úchytu a zkušební vzorek. Tento způsob převedení síly z ocelových přípravků na nerovný povrch betonových vzorků je shodný s provedením zkoušky v příčném tahu. Zkouška v příčném tahu byla i inspirací k úpravě tvaru vzorku a úchytu.

Předností navrhované zkoušky je pořízený záznam závislosti zatěžovací síly F na délkové deformaci δ sledované části zkušebního tělesa, který umožňuje pro zkoušený vláknobeton získat jednoduchým přepočtem přímo pracovní diagram v prostém tahu. Rozměry tělesa neovlivňují rozložení vláken ve struktuře materiálu a tvar tělesa nedefinuje přímo místo porušení. Předkládaná tahová zkouška může být použita pro všechny druhy kompozit s cementovou matricí a náhodně rozptýlenými vlákny libovolného druhu, typu a geometrie.

3. Průběh a vyhodnocení zkoušky

Zkouška v osovém tahu je řízena nárůstem deformace středové části tělesa, což umožňuje sledovat chování materiálu i po vzniku makrotrhliny. V průběhu zkoušky se zaznamenává závislost zatěžovací síly F na délkové deformaci δ střední části zkušebního tělesa – viz Obrázek 6.

V počátečních fázích zatěžování se materiál chová pružně, síla F je lineárně závislá na délkovém přetvoření. S rostoucí silou dochází ke vzniku a rozvoji mikrotrhlin, což má před vznikem makrotrhliny za následek výrazný odklon diagramu F – δ od lineárního průběhu. V oblasti kritického průřezu se snižuje tuhost a dochází k přerozdělení přetvoření po délce tělesa. Při vzniku makrotrhliny nastává náhlý pokles zatěžovací síly, způsobený vyřazením betonové matrice z působení. V případě použití nevhodného typu vláken nebo jejich malé dávky dojde k náhlému přetržení vzorku, obdobně jako u prostého betonu. Při užití vhodných vláken o vyšší dávce lze zaznamenat též reziduální část diagramu. Po vzniku makrotrhliny přenášejí normálová napětí v oblasti kritického průřezu vlákna přetínající trhlinu. Jejich množství a rovnoměrnost rozmístění ovlivňuje následné chování zkušebního tělesa. Tvar diagramu po vzniku makrotrhliny závisí na konkrétní struktuře zkoušeného kompozitu (materiál se změkčením nebo zpevněním po vzniku makrotrhliny).

Tahová pevnost zkoušeného vláknobetonu při vzniku makrotrhliny se určí ze vztahu:

kde je

F_cr

hodnota tahové síly při vzniku makrotrhliny

A

plocha kritického průřezu (zde 100×150 mm).

Takto vyčíslenou tahovou pevnost (v MPa na dvě desetinná místa) lze považovat za dostatečně bezpečnou, uvážíme-li, že bude statisticky upravena na pevnost charakteristickou a poté pomocí volených součinitelů na pevnost návrhovou. Obdobným způsobem lze vyčíslit hodnotu tahového napětí v libovolné fázi zatěžování (před i po vzniku makrotrhliny).

Záznamy dvojice snímačů, kterými se sleduje délková deformace δ středové části zkušebního tělesa, se využijí ke stanovení hodnoty přetvoření materiálu ε. Při vyhodnocení je třeba zohlednit rozdílnou tuhost tělesa mimo trhlinu B₁ a v místě trhliny B₂ – viz Obrázek 7. Jako rozhodující přetvoření je uvažována hodnota přetvoření v oblasti kritického průřezu.

Hodnotu přetvoření ε lze vyčíslit ze vzorce:

kde je

δ

hodnota deformace naměřená snímačem [mm],

δ₁

hodnota deformace mimo plastickou oblast [mm],

δ_pl

hodnota deformace plastické oblasti [mm],

L

vzdálenost snímacích bodů [mm],

L_pl

délka plastické oblasti [mm],

F

hodnota tahové síly při vzniku trhliny [kN],

B₁

normálová tuhost průřezu mimo trhlinu [kPa.m²].

Normálovou tuhost B₁ průřezu mimo trhlinu lze stanovit z počáteční fáze zatěžování (20–40 % F_cr), kdy je tuhost konstantní po celé délce sledované oblasti:

kde je

ΔF

přírůstek tahové síly v pružné oblasti namáhání [kN],

Δδ

přírůstek deformace naměřený snímačem v pružné oblasti namáhání [mm],

L

vzdálenost snímacích bodů [mm].

Správné vyhodnocení zkoušky je podmíněno přesnou polohou tahové síly, která musí působit v ose zkušebního tělesa. Klíčový význam má přesnost tvaru vyrobeného zkušebního tělesa a zajištění přímkového rozložení tahové síly z úchytu na hlavu zkušebního tělesa. Přes veškerou přesnost dochází u některých zkoušek k nerovnoměrné deformaci tělesa, vlivem nehomogenity struktury vláknobetonu – viz záznamy snímačů deformací, umístěných na bocích zkušebního tělesa (Obrázek 8). Při malých rozdílech lze tuto skutečnost zanedbat (náhodná excentricita) a hodnotu přetvoření materiálu uvažovat jako průměr z dvojice naměřených hodnot. V případě větších rozdílů (zejména v pozdějších fázích zatěžování, po vzniku makrotrhliny) je nutné tento fakt respektovat a uvažovat excentrický tah:

kde je

b

šířka kritického průřezu [mm],

h

výška kritického průřezu [mm],

e

excentricita vnitřní normálové síly ve směru rozměru h [mm], vyčíslená dle:

kde jsou

δ₁, δ₂

hodnoty deformací naměřené dvojicí snímačů [mm].

4. Numerická simulace

Při vývoji tvaru a uchycení zkušebního tělesa bylo využito nelineárních numerických simulací zatěžování v programu ATENA 2D. Cílem bylo stanovit ideální tvar tělesa, který umožní spolehlivé přenesení zatěžovací síly a uchycení tělesa nebude ovlivňovat způsob porušení ani polohu trhliny. Ukázalo se, že numerické modelování ve výsledku značně zjednodušuje cestu ke konečnému návrhu.

Výchozí tvar, představující těleso konstantního průřezu po celé délce, nebylo možné použít, neboť nebyl nalezen způsob, jakým by bylo možné zkušební těleso mechanicky spolehlivě uchytit.

V případě jednoúrovňové redukce průřezu (testovány různé tvarové a rozměrové varianty) predikuje simulace vždy vznik makrotrhliny na přechodu mezi šikmou a přímou střední částí vzorku (Obrázek 9a a 9b). Poloha trhliny je tak příliš blízko místa, kde je do tělesa vnášeno vnější zatížení.

Jako přijatelné řešení byla nakonec zvolena dvoustupňová redukce průřezu tělesa (Obrázek 9c). V oblasti první redukce je realizované uchycení tělesa, zatímco druhá redukce slouží k vymezení oblasti porušení (střední čtvrtina tělesa).

5. Závěr

Uvedený příspěvek představuje nové uspořádání zkoušky pro zjišťování tahových pevností cementových kompozit. Zatěžování zkušebních těles osovou tahovou silou poskytuje přímo hodnoty pevností v prostém tahu, které se běžně přepočítávají z hodnot pevností zjištěných při ohybu. Přestože z důvodu nehomogenity materiálu nelze v některých případech dodržet osové namáhání průřezu, je přesnost zjištěných pevností dostatečná pro využití v praxi při návrhu nosných vláknobetonových konstrukcí. Přínos zkoušky spočívá v její univerzálnosti, neboť ji lze použít pro libovolné druhy betonu i vláknobetonu.

Poděkování

Příspěvek vznikl za finanční podpory projektů GA16-19561S „Cementové kompozity v náročných podmínkách prostředí“ a SGS16/044/OHK1/1T/11 „Analýza vlastností vláknobetonu a aplikace pro konstrukční prvky“.

Literatura

1. VANDEWALLE, L. et al.: Recommendations of RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete: Uniaxial tension test for steel fibre reinforced concrete. In Materials and Structures 34 (235). 2001. p. 3–6.
2. GETTU, R.; BARRAGÁN, B. E.: Direct tension test and interpretation. In Test and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete – Background and Experiences. Bochum, RILEM TC 162-TDF Workshop. 2003. p. 15–30. ISBN 2-912143-38-1
3. PARK, S., H.; KIM D., J.; RYU G., S.; KOH, K., T.: Tensile behavior of Ultra High Performance Hybrid Fiber Reinforced Concrete. In Cement & Concrete Composites 34. 2012.
4. NES, L., G.; ØVERLI, J. A.: Structural behaviour of hybrid concrete beams with fibre reinforced lightweight concrete. In BEFIB2012 – Fibre reinforced concrete. Guimarães. 2012.
5. TIPKA, M.; VAŠKOVÁ, J.: Testing of Concrete and Fibre Reinforced Concrete in Uniaxial Tension. In Proceedings from 21^st Czech Concrete Day 2014, Advanced Materials Research 1106. Pfaffikon, Trans Tech Publications Ltd. 2015. p. 49–52. ISBN 978-3-03835-474-1.
6. TIPKA, M.; VAŠKOVÁ, J.: Problematika zkoušení cementových kompozitů v osovém tahu. In 22. Betonářské dny 2015. Litomyšl. 2015. ISBN 978-80-906097-0-9