Procesy pękania w betonie z dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych

Abstract

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 obliczeń numerycznych. W toku prac eksperymentalnych wykonano pomiary wytrzymałości betonów na ściskanie i rozciąganie, 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 pękania przeprowadzono na prasie MTS 810, natomiast wg III modelu pękania na prasie osiowo-skrętnej MTS 809 – Axial Torsional Test System. Odporność na pękanie betonów ustalano na podstawie znajomości współczynników intensywności naprężeń: S KIc , 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, 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 badań wykorzystano kompaktową platformę CSM Instruments. Podczas eksperymentów analizowano obszar w ITZ kruszywa grubego z zaczynem w pięciu punktach pomiarowych, tzn. w odległości: 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 jaki posiada beton w trakcie wykonywania badań. 20% dodatek popiołów lotnych gwarantuje wysoką odporność na pękanie w betonie dojrzałym, natomiast dodatek 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 obniżają wyraźnie odporność betonów na pękanie w młodym wieku.