Procesy pękania w betonie z dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych

Dostępność: ostatnie egzemplarze
Wysyłka w: 24 godziny
Cena: 69,00 zł 69.00
ilość egz.

towar niedostępny

dodaj do schowka

Opis

W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące wpływu dodatku krzemionkowych popiołów lotnych, w ilości: 0, 20 i 30% masy cementu na procesy pękania w betonach konstrukcyjnych. Analizy przeprowadzono w oparciu o wyniki z badań makroskopowych
i mikrostrukturalnych, oraz oblicze
ń numerycznych.
W toku prac eksperymentalnych wykonano pomiary wytrzymałości betonów na ściskanie
i rozci
ąganie, przy rozłupywaniu, oraz badania odporności na pękanie dla: I, II i III modelu pękania.
Do oceny odporności na pękanie betonów, zorganizowano trzy oddzielne
stanowiska pomiarowe. Odporność na pękanie, przy I modelu pękania (rozciąganie przy zginaniu), badano na belkach trójpunktowo zginanych z jedną rysą
pierwotną wg zaleceń RILEM: „Determination of fracture parameters
(KIc and CTODc) of plain concrete using three-point bend tests”. Przy II modelu
pękania, (ścinanie w kierunku podłużnym do krawędzi szczeliny), stosowano kostki
sześcienne z dwoma rysami pierwotnymi typu Compact Shear Specimen – CSS.
Do testów wg III modelu pękania, (ścinanie w kierunku poprzecznym do krawędzi
szczeliny), zaprojektowano i wykonano specjalne urządzenie składające
się z: walca betonowego z obwodową rysą pierwotną umieszczoną w połowie
jego wysokości, stalowych płyt dolnej i górnej, oraz trzech rodzajów stalowych
śrub. Elementy stalowe, występujące w urządzeniu, służyły do precyzyjnego
zamocowania próbki w uchwytach maszyny wytrzymałościowej. Badania doświadczalne
wg I i II modelu p
ękania przeprowadzono na prasie MTS 810, natomiast wg III modelu pękania
na prasie osiowoskr
ętnej MTS 809 – Axial Torsional
Test System. Odporność na pękanie betonów ustalano na podstawie znajomości
współczynników intensywności naprężeń: S
IcK , KIIc i KIIIc, a następnie, dla każdego
z kompozytów, wyznaczano uogólnioną odporność na pękanie Kc.
Do zbadania ewolucji pęknięć w betonach, w trakcie postępującego procesu
obciążania, wykorzystano system do optycznej trójwymiarowej analizy odkształceń
i przemieszczeń – ARAMIS.
Uzupełnieniem oceny parametrów mechanicznych były analizy mikrostrukturalne betonów.
Do tego celu pomocne były badania mikroskopowe
SEM, oraz badania nanoindentacji. W celu ustalenia związku, między strukturą
betonów a ich parametrami mechanicznymi, dokonano zbadania wycinków materiałów pobranych ze stref zniszczenia betonów. W trakcie badań mikroskopowych
oceniano wielkość pęknięć, występujących w warstwie stykowej (Interfacial Transition Zone – ITZ) kruszywa grubego z matrycą cementową. Badania mikroskopowe wykonano za pomocą mikroskopu skaningowego FEI Quanta 250 FEG,12
wyposażonego w system analizy składu chemicznego, opartego na dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego – EDS EDAX. Badania wykonano przy powiększeniach od 200 do 80000 x zarówno w niskiej jak i wysokiej próżni. W badaniach nanotwardości testowano mikrostrukturę betonów w obszarze ITZ.
Do bada
ń
wykorzystano kompaktową platformę CSM Instruments. Podczas eksperymentów
analizowano obszar w ITZ kruszywa grubego z zaczynem w pięciu punktach pomiarowych, tzn.
w odległo
ści: 5, 25, 50, 100 i 150 μm od granicy ziarna. Odciski
w betonie wykonywano wgłębnikiem Berkovicha z zastosowaniem techniki DSI.
Na podstawie analizy mikrostruktury stref betonu, pobranych z obszarów
znajdujących się w pobliżu rys pierwotnych, stwierdzono, że dodatek krzemionkowych popiołów lotnych modyfikuje mikrostrukturę ITZ. Badania wykazały
również, że istnieją wyraźne zależności pomiędzy uogólnioną odpornością
betonów na pękanie, a szerokością rozwarcia rys na styku kruszywa grubego
z matrycą i nanotwardością ITZ.
W trakcie badań określono również wpływ wieku betonów modyfikowanych dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych, na analizowane parametry mechaniczne i mikrostrukturę kompozytów. Eksperymenty wykonano
po: 3, 7, 28, 90, 180 i 365 dniach dojrzewania. Przeprowadzone badania wykazały istotny wpływ czasu dojrzewania betonów na uzyskiwane wyniki doświadczalne.
W celu pełnego przeanalizowania procesów pękania, w betonach
z dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych, oraz oceny poprawności wyników uzyskanych
w trakcie eksperymentów, stworzono trzy modele numeryczne,

które odpowiadały zarówno geometrią jak i schematami obciążenia elementom
badawczym. Dla belki trójpunktowo zginanej przyjęto model płaski, natomiast
dla kostki sześciennej i walca modele trójwymiarowe. Obliczenia numeryczne
wykonano w programie Abaqus 6.13. W trakcie badań korzystano zarówno
z konwencjonalnej metody elementów skończonych – MES, jak również rozszerzonej (Extended Finite Element Method – XFEM). Obydwa – zastosowane
sposoby obliczeń – okazały się użyteczne, a wykonane modele numeryczne bardzo efektywne. Zaprojektowane modele pozwoliły na ocenę kształtu rys i kierunków ich propagacji, od momentu zainicjowania pęknięcia, aż do zniszczenia
próbek. Porównanie wyników, uzyskanych w wyniku symulacji komputerowych, oraz badań eksperymentalnych, wykazało wyraźne zbieżności zarówno
jakościowe jak i ilościowe.
Na podstawie przeprowadzonej kompleksowo analizy procesów pękania
w betonach, w których część spoiwa zastępowano aktywnymi pucolanowo
krzemionkowymi popiołami lotnymi, można stwierdzić, że dodatek tego rodzaju
popiołów lotnych, w ilości 20 i 30% masy cementu wpływa w istotny sposób
na: zmianę odporności betonów na pękanie, mikrostrukturę ITZ, i wielkość pęknięć występujących w obszarze ITZ kruszywa grubego. Właściwości kompozytów, z dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych, zależne są od wieku jaki13
posiada beton w trakcie wykonywania badań. 20% dodatek popiołów lotnych gwarantuje wysoką odporność na pękanie
w betonie dojrzałym, natomiast doda
tek popiołów lotnych w ilości 30% masy cementu wpływa korzystnie na parametry betonu dopiero po półrocznym jego dojrzewaniu. Zarówno 20% jak
i 30% dodatek krzemionkowych popiołów lotnych obni
żają wyraźnie
odporność betonów na pękanie w młodym wieku.

 

Spis Treści

Spis wa
żniejszych oznaczeń ............................................................... 10

Skróty ................................................................................................... 10
Oznaczenia mieszanek betonowych ..................................................... 10
Oznaczenia skrótów chemicznych i faz w betonie............................... 10
Pozostałe oznaczenia ............................................................................ 10
Streszczenie ......................................................................................... 12
Summary ............................................................................................. 15
1. Wstęp ................................................................................................... 18
1.1. Wprowadzenie ............................................................................... 18
1.2. Główne pojęcia, definicje i założenia przyjęte w monografii ....... 22
1.3. Przedmiot pracy ............................................................................. 24
1.4. Analiza literatury przedmiotu i przesłanki powstania monografii .... 24
1.5. Cel i zakres pracy .......................................................................... 35
1.6. Układ pracy ................................................................................... 37
2. Popioły lotne i ich zastosowanie w nowoczesnych kompozytach
betonowych ......................................................................................... 40
2.1. Współczesne kierunki rozwoju betonów cementowych ............... 40
2.2. Definicje, klasyfikacja i charakterystyka popiołów lotnych ......... 49
2.2.1. Definicje popiołów lotnych................................................. 49
2.2.2. Klasyfikacja i kategoryzacja popiołów lotnych .................. 51
2.2.3. Charakterystyka i skład popiołów lotnych .......................... 56
2.3 Krzemionkowe popioły lotne ......................................................... 64
2.3.1. Powstawanie i charakterystyka krzemionkowych
popiołów lotnych ............................................................... 64
2.3.2. Aktywność pucolanowa krzemionkowych popiołów
lotnych ................................................................................ 70
2.3.3. Możliwości wykorzystania krzemionkowych popiołów
lotnych w przemyśle materiałów budowlanych ................. 71
3. Rysy i mikrorysy w betonach cementowych .................................... 75
3.1. Zarodkowanie pęknięć w mikrostrukturze betonu ........................ 75
3.2. Przyczyny powstawania rys i uszkodzeń w betonie...................... 76
3.3. Charakter uszkodzeń kompozytów betonowych ........................... 78
3.3.1. Miejsca występowania uszkodzeń wynikające z kruchości
betonu .................................................................................. 78
3.3.2. Rodzaje rys.......................................................................... 895
3.3.3. Etapy rozwoju pęknięć w warstwie stykowej
zdeformowanego betonu ..................................................... 90
3.4. Prognozowanie rozwoju pęknięć w elementach betonowych
metodami mechaniki pękania ....................................................... 95
3.4.1. Informacje ogólne ............................................................... 95
3.4.2. Analiza wzrostu pęknięć wg liniowo-sprężystej mechaniki
pękania ................................................................................ 96
3.5. Detekcja i obserwacja rys i mikrorys w betonie ......................... 102
4. Zakres badań własnych i stosowana metodyka pracy .................. 112
4.1. Zakres eksperymentów ................................................................ 112
4.2. Charakterystyka betonów stosowanych w badaniach ................. 113
4.2.1. Materiały wykorzystane w badaniach ............................... 113
4.2.2. Metodyka przygotowania próbek i podstawowe
parametry mieszanek ...................................................... 116
4.2.3. Próbki wykorzystane w badaniach.................................... 117
5. Charakterystyka zastosowanych krzemionkowych popiołów
lotnych ............................................................................................... 120
5.1. Zakres wykonanych badań .......................................................... 120
5.2. Właściwości fizykochemiczne popiołów lotnych ....................... 120
5.2.1. Skład chemiczny popiołów lotnych .................................. 120
5.2.2. Skład mineralny popiołów lotnych ................................... 121
5.2.3. Charakterystyka składu ziarnowego popiołów lotnych .... 123
5.2.4. Gęstość objętościowa popiołów lotnych ........................... 125
5.2.5. Parametry teksturalne popiołów lotnych .......................... 125
5.3. Aktywność pucolanowa popiołów lotnych ................................. 126
5.3.1. Zakres przeprowadzonych eksperymentów ...................... 126
5.3.2. Badanie aktywności pucolanowej wg normy
ASTM C379-65T ............................................................ 127
5.3.3. Badanie aktywności pucolanowej metodą florentyńską ........ 127
5.3.4. Badanie aktywności pucolanowej wg normy PN-EN 450-1 .. 129
5.3.5. Badanie aktywności pucolanowej metodą
wytrzymałościową Fratiniego ............................................. 131
5.3.6. Oznaczenie aktywności popiołów na podstawie wskaźnika
potencjału pucolanowego.................................................... 133
5.3.7. Podsumowanie i wnioski z badań aktywności
pucolanowej ..................................................................... 133
5.4. Ocena promieniotwórczości naturalnej popiołów lotnych
i betonów z ich dodatkiem ........................................................ 135
5.4.1. Istota problemu ................................................................. 135
5.4.2. Promieniotwórczość naturalna i ograniczenia prawne

z nią związane ................................................................... 138
5.4.3. Badania własne promieniotwórczości naturalnej
krzemionkowych popiołów lotnych ................................. 139
5.4.4. Podsumowanie i wnioski z badań promieniotwórczości
naturalnej ........................................................................... 144
5.5. Podsumowanie badań oceniających właściwości popiołów
lotnych ........................................................................................ 145
6. Badania odporności na pękanie betonów ....................................... 147
6.1. Badania charakterystyk wytrzymałościowych ............................ 147
6.1.1. Metodyka badań ................................................................ 147
6.1.2. Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie i ich analiza ... 147
6.1.3. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy
rozłupywaniu i ich analiza .............................................. 150
6.1.4. Podsumowanie i wnioski z badań wytrzymałościowych ..... 152
6.2. Badania odporności na pękanie wg I modelu pękania ................ 155
6.2.1. Metodyka badań ................................................................ 155
6.2.2. Próbki wykorzystane w badaniach i ich przygotowanie ... 155
6.2.3. Stanowisko badawcze ....................................................... 157
6.2.4. Procedura badawcza.......................................................... 163
6.2.5. Wyznaczenie odporności na pękanie ................................ 166
6.2.6. Wyniki badań i ich analiza................................................ 167
6.2.7. Podsumowanie badań odporności na pękanie
wg I modelu pękania ......................................................... 176
6.3. Badania odporności na pękanie wg II modelu pękania ............... 177
6.3.1. Metodyka badań ................................................................ 177
6.3.2. Wybór próbki do badań i jej przygotowanie..................... 178
6.2.3. Stanowisko badawcze ....................................................... 180
6.3.4. Procedura badawcza.......................................................... 182
6.3.5. Wyznaczenie odporności na pękanie ................................ 184
6.3.6. Wyniki badań i ich analiza................................................ 184
6.3.7. Porównanie wyników z prasy MTS 810 i systemu
ARAMIS .......................................................................... 193
6.3.8. Podsumowanie badań odporności na pękanie
wg II modelu pękania ....................................................... 195
6.4. Badania odporności na pękanie wg III modelu pękania ............. 196
6.4.1. Przesłanki podjęcia badań i ich metodyka ........................ 1967
6.4.2. Wymiary próbek wykorzystanych w badaniach
i ich przygotowanie........................................................... 197
6.4.3. Urządzenie do badania odporności na pękanie ................. 198
6.4.4. Stanowisko badawcze ....................................................... 201
6.4.5. Realizacja badań na prasie MTS 809 ................................ 203
6.4.6. Wyznaczenie odporności na pękanie ................................ 203
6.4.7. Wyniki badań odporności na pękanie i ich analiza........... 204
6.4.8. Analiza pękniętych powierzchni w badanych próbkach ... 207
6.4.9. Podsumowanie badań odporności na pękanie
wg III modelu pękania ...................................................... 210
6.5. Wyznaczenie uogólnionej odporności na pękanie ...................... 211
6.6. Podsumowanie i wnioski z badań odporności na pękanie .......... 213
7. Badania mikrostruktury betonów .................................................. 217
7.1. Mikroskopowa ocena wielkości pęknięć na styku kruszywa
grubego z matrycą....................................................................... 217
7.1.1. Stan zagadnienia i istota problemu ................................... 217
7.1.2. Badania szerokości rys w ITZ kruszywa grubego ............ 219
7.1.3. Wyniki badań i ich analiza................................................ 220
7.1.4. Związek szerokości rozwarcia rys Wc w ITZ kruszywa
grubego z uogólnioną odpornością betonów na pękanie Kc .. 229
7.1.5. Podsumowanie badań mikroskopowych ........................... 231
7.2. Analiza nanotwardości warstw stykowych ................................. 232
7.2.1. Metody indentacji i ich zastosowanie w badaniach
betonów ............................................................................ 232
7.2.2. Sprzęt wykorzystywany w badaniach nanotwardości
i metodyka przeprowadzania pomiarów w obszarze
warstw stykowych ........................................................... 234
7.2.3. Badania nanotwardości warstw stykowych w betonach
z dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych ............. 237
7.2.4. Wyniki badań i ich analiza................................................ 241
7.2.5. Podsumowanie badań nanotwardości ............................... 246
7.3. Wnioski z badań mikrostrukturalnych betonów.......................... 247
8. Numeryczna analiza propagacji pęknięć w betonach z dodatkiem
krzemionkowych popiołów lotnych .................................................. 249
8.1. Wprowadzenie ............................................................................. 249
8.2. Zakres przeprowadzonych symulacji numerycznych i stosowane
metody modelownia..................................................................... 250
8.2.1. Konwencjonalna metoda elementów skończonych .......... 2518
8.2.2. Rozszerzona metoda elementów skończonych [1] ........... 252

8.3. Numeryczna analiza rozwoju uszkodzeń w próbce betonowej
wykorzystanej w badaniach wg I modelu pękania ..................... 258
8.3.1. Opis modelu numerycznego i stosowane kryterium
zniszczenia ........................................................................ 258
8.3.2. Siatki elementów skończonych ......................................... 261
8.3.3. Ewolucja pęknięcia ........................................................... 262
8.3.4. Porównanie wyników uzyskanych w badaniach
doświadczalnych i obliczeniach numerycznych ............... 265
8.4. Numeryczna analiza rozwoju uszkodzeń w próbce betonowej
wykorzystanej w badaniach wg II modelu pękania .................... 266
8.4.1. Opis modelu numerycznego ............................................. 266
8.4.2. Siatki elementów skończonych ......................................... 267
8.4.3. Ewolucja pęknięcia ........................................................... 269
8.4.5. Porównanie wyników uzyskanych w badaniach
doświadczalnych i obliczeniach numerycznych ............... 270
8.5. Numeryczna analiza rozwoju uszkodzeń w próbce betonowej
wykorzystanej w badaniach wg III modelu pękania................... 272
8.5.1. Opis modelu numerycznego ............................................. 272
8.5.2. Siatki elementów skończonych ......................................... 273
8.5.3. Ewolucja pęknięcia ........................................................... 274
8.5.4. Porównanie wyników uzyskanych w badaniach
doświadczalnych i obliczeniach numerycznych ............... 276
8.6. Podsumowanie i wnioski z obliczeń numerycznych ................... 277
9. Podsumowanie .................................................................................. 279
9.1. Podsumowanie w zakresie badań doświadczalnych ................... 280
9.2. Dyskusja uzyskanych wyników badań ........................................ 281
9.3. Podsumowanie dotyczące modelowania numerycznego ............ 283
9.4. Możliwości praktycznego wykorzystania przedstawionych
wyników badań ........................................................................... 285
10. Wnioski.......................................

Dane techniczne

Autor Grzegorz Ludwik Golewski
Wydanie 2015
Liczba stron 314
Ilustracje kolorowe, czarno-białe, rysunki, wzory, wykresy , tabele
Okładka twarda
Format B5

Tytuły polecane

Koszty dostawy
Paczkomaty InPost Kwota zakupów Koszt przesyłki przedpłata
  powyżej 450 zł 0 zł
  do 250 zł 6,5 zł
  do 250 zł 13 zł

Kurier DPD Przedpłata Płatność za pobraniem
  11 zł 15 zł
do góry
Sklep jest w trybie podglądu
Pokaż pełną wersję strony
Realizacja: N4K.eu
Sklep internetowy Shoper.pl