Wpływ składu kompozytów cementowych na geometrię ich spękań termicznych

Abstract

Zmienny charakter oddziaływań środowiskowych (w tym też oddziaływania termiczne) w jakich pracują kompozyty cementowe powoduje w strukturze materiału szereg zjawisk, które mogą powodować zarysowanie kompozytu. Rysy poprzez propagację łączą się, bądź przecinają tworząc na powierzchni materiału charakterystyczną strukturę spękań określaną jako spękania termiczne – spękania klastrowe – spękania bezładne. Powstała struktura klastrowa zgodnie z zasadami samoorganizacji wykazuje fraktalny charakter.W pracy dokonano identyfikacji czynników wpływających na charakterystyki geometryczne spękań termicznych (spękań klastrowych) modyfikowanych zaczynów cementowych oraz określono zależności pomiędzy wybranymi właściwościami materiałowymi zaczynów, a parametrami stereologicznymi tych spękań. Modyfikacja zaczynów polegała na zastąpieniu części cementu metakaolinitem lub mikrokrzemionką, a także dodaniu zbrojenia rozproszonego w postaci włókien polipropylenowych lub nanorurek węglowych. Przebadanych zostało łącznie 10 serii modyfikowanych zaczynów cementowych, gdzie w ramach każdej serii próbki były wykonywane o trzech wskaźnikach w/s równych odpowiednio 0,4; 0,5; 0,6. W celu ilościowego opisu powierzchniowej struktury spękań termicznych, zaproponowano pomiar i wykorzystanie trzech parametrów stereologicznych: ̅ – średnie pole powierzchni klastra, – średnia długość linii obwodu klastra, ̅ – średnia szerokość rozwarcia rysy. Opracowano komputerowe procedury analizy obrazu pozwalające na pomiar powyższych charakterystyk. Wykonane badania laboratoryjne pozwoliły na określenie podstawowych cech materiałowych badanych zaczynów tj., wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie przy zginaniu, gęstość pozorna, skurcz. Obliczono także ich kruchość i przyrost odkształceń liniowych po oddziaływaniu podwyższonej temperatury. Cechy te zostały określone dla próbek wzorcowych i dla próbek po obciążeniu termicznym. Modyfikowane zaczyny cementowe zostały poddane oddziaływaniu temperatury 250°C, przez okres 4 godzin. Taki sposób obciążenia próbek temperaturą sprawił, że powstające w porach i kapilarach zaczynu ciśnienie pary wodnej, oraz odkształcenia objętościowe materiału, spowodowały propagację i przekształcenie rys technologicznych w makrorysy widoczne na powierzchni próbki, które uformowały strukturę spękań klastrowych. Tym samym uchwycony został początkowy etap destrukcji materiału. Przeprowadzone w pracy pomiary, analiza obrazu i rozważania wykazały, że charakterystyki geometryczne klastrów zależą od zmiennych technologicznych w procesie produkcji modyfikowanych zaczynów cementowych, a proces samoorganizacji struktury kształtowany jest przez oddziaływania międzycząsteczkowe w środowisku dyspersyjnym zaczynu cementowego, oraz od fizyko-chemicznych zmian systemu zachodzących w wyniku procesu hydratacji cementu. Stwierdzono, że rozmiar klastra zależy głównie od sił kapilarnych w układzie dyspersyjnym woda – ziarna cementu, a także od stężenia fazy dyspersyjnej (ziarna spoiwa) w ośrodku dyspergującym (woda). Dodatkowo odległość pomiędzy międzyklastrowymi powierzchniami rozdziału zależna jest od odkształceń klastrów. Opracowano zależności pomiędzy zmierzonymi parametrami stereologicznymi spękań termicznych, a zbadanymi w pracy właściwościami mechanicznymi i fizycznymi zaczynów cementowych. Przeprowadzona analiza wykazała, że parametry fizyczne są silniej skorelowane z charakterystykami geometrycznymi spękań klastrowych niż parametry mechaniczne. Badania przeprowadzone z wykorzystaniem SEM i EDS pozwoliły na identyfikację mikrospękań termicznych, które stanowią obszary międzyklastrowych powierzchni rozdziału pomiędzy klastrami niższych poziomów, w porównaniu do klastrów obserwowanych po zeskanowaniu powierzchni próbki. Charakter przeprowadzonych badań wpisuje się w definicję badań podstawowych, a otrzymane wyniki w długofalowej perspektywie będą niezbędną podstawą do opracowania nieniszczącej metody badawczej pozwalającej na ocenę stopnia degradacji materiału cementowego, pracującego w rzeczywistej konstrukcji budowlanej w warunkach eksploatacji.