Procesy pękania w betonie z dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych

Golewski, Grzegorz Ludwik

Procesy pękania w betonie z dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych

Type

Book

Subtype

Monograph

Authors/Creators

Golewski, Grzegorz Ludwik

Ministerial publisher

Politechnika Lubelska

ISBN

978-83-7947-103-4

Date

2015

Abstract PL

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.

Abstract EN

The paper presents results of tests on the effect of the addition of siliceous fly ashes (FA) in the amount of: 0, 20 and 30% by weight of cement on the fracture processes in structural concretes. The analyses were carried out based on the results of the macroscopic and microstructural tests as well as numerical calculations. In the coarse of experiments, measurements of compressive and tensile strength of concrete at splitting were done as well as fracture toughness for: I, II and III model of cracking. To evaluate the fracture toughness of concretes, three separate measurement stations were prepared. Fracture toughness at the I model of cracking was tested on three-point bending beams with one initial crack recommended by RILEM: „Determination of fracture parameters (KIc and CTODc) of plain concrete using three-point bend tests”. At the II model of cracking (shearing in the longitudinal direction with regard to the crack edge), cubes with two initial cracks of Compact Shear Specimen (CSS) type were used. For tests in accordance with III model of cracking (shearing in the transverse to the crack edge direction – antiplane shear), a special device was designed and manufactured that comprises of: concrete cylinder with a circumferential notch at their half-height, steel top and bottom plates and three types of steel bolts. Steel elements in the device were used for precise mounting of the specimen in the holders of the testing machine. Experimental studies according to I and II model of cracking were carried out on the press MTS 810, while according to III model of cracking – on the axial-torsion press MTS 809 – Axial Torsional Test System. Fracture toughness of concretes was determined based on the critical stress intensity factors: S KIc , KIIc and KIIIc, and then a generalized fracture toughness Kc was determined for each of the composites. To examine the evolution of cracks in concretes during the ongoing process of loading, a system for optic three-dimensional deformations and displacements ARAMIS was used. A complement of assessment of mechanical parameters were microstructural analyses of concretes. For this purpose, microscopic tests SEM and nanoindentation tests were helpful. In order to establish a link between the structure of concretes and its mechanical parameters, materials taken from the zone of destruction of concretes were examined. During microscopic tests, the size of cracks occurring in the Interfacial Transition Zone (ITZ) of coarse aggregate with cement matrix was evaluated. In nanohardness tests, the microstructure of concretes in the ITZ region was tested. The microstructural testing was carried out using a QUANTA FEG 250 at magnification from 200 to 80000 times equipped with an energy dispersive Spectroscopy (EDS EDAX). The tests were performed in both the low and high vacuum. A compact platform CSM Instruments was used in the nanohardness testing. An area in the ITZ of coarse aggregates with paste was analysed in the five measurement points during the experiments, i.e. at the distance of: 5, 25, 50, 100 and 150 µm from the grain boundary. The indents in concrete were create by Berkovich indenter using DSI technique. Based on the microstructure analysis of zones of concrete taken from areas in the vicinity of initial cracks, it was concluded that the additive of siliceous fly ashes modifies the microstructure of ITZ. Studies also showed that there is a clear relationship between generalized fracture toughness of concretes and the width of the crack at the interface of coarse aggregate with the matrix and nanohardness of ITZ. During the tests, the effect of age of concretes modified with the additive of siliceous fly ashes on analysed mechanical parameters and microstructure of composites was determined. The experiments were carried out after: 3, 7, 28, 90, 180 and 365 days of curing. The carried out tests showed a significant effect of curing on the obtained experimental results. In order to fully analyse the fracture processes in the concretes with the additive of siliceous fly ashes, and the evaluation of the accuracy of the results obtained during the experiments, three numerical models that corresponded to the tested elements with both the geometry and load diagrams. For the threepoint bending beam – a flat model, and for a cube and cylinder – threedimensional models were used. Numerical calculations were done in Abaqus 6.13. During the tests, the conventional finite element method – FEM as well as Extended Finite Element Method – XFEM were used. Both calculation methods proved to be useful and numerical models proved to be very effective. The designed models allowed the assessment of the shape of the cracks and directions of their propagation from the crack initiation until the destruction of the specimens. Comparison of the results obtained through computer simulations and experimental studies showed a clear qualitative and quantitative convergence. On the basis of comprehensive analysis of fracture processes in concretes, in which some part of binder is replaced by active pozzolana siliceous fly ashes, it can be concluded that the additive of this type of fly ashes in the amount of 20 and 30% by weight of cement has a significant influence on: the change of fracture toughness of concretes, microstructure of the ITZ and the size of cracks occurring in the ITZ region of coarse aggregate. The properties of composites with the additive of siliceous fly ashes depend on the age of the concrete during tests. 20% additive of fly ashes guarantees high fracture toughness in mature concretes, while the additive of fly ashes in the amount of 30% weight of cement has a beneficial effect on the parameters of concrete only after half a year of curing. Both the 20% and 30% additive of siliceous fly ashes significantly reduce the fracture toughness at a early age.

Keywords PL

beton

krzemionkowe popioły lotne

pękanie betonu

mikrostruktury betonu

Keywords EN

concrete

silica fly ash

concrete cracking

concrete microstructure

Statistics