Badania procesów rozwoju spękań matrycy cementowej modyfikowanej reaktywnym i niereaktywnym dodatkiem wtórnym w warunkach obciążeń termicznych

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację projektu badawczego

Sonata 17

Tytuł projektu: Badania procesów rozwoju spękań matrycy cementowej modyfikowanej reaktywnym i niereaktywnym dodatkiem wtórnym w warunkach obciążeń termicznych

Tytuł w j. angielskim: Investigation of cracks development processes of cement matrix modified with a reactive and non-reactive secondary additive under thermal loading conditions

Numer umowy: UMO-2021/43/D/ST8/01128

Okres realizacji: 03.10.2022 - 03.10.2024

Wartość przyznanych środków: 598.000,00 PLN

Wartość projektu: 598.000,00 PLN

Kierownik projektu: dr inż. Maciej Szeląg

Streszczenie:

Kompozyty na bazie matrycy cementowej (zaczyny, zaprawy, betony) są najczęściej i najchętniej stosowanymi materiałami budowlanym na Ziemi. Szacuje się, że ich roczna produkcja na świecie wynosi ok. 30 bilionów ton. Z ogółu wszystkich materiałów tylko woda jest częściej stosowana przez człowieka. Z powodu tak dużego zastosowania kompozytów cementowych, wiele zespołów naukowych na świecie
zajmuje się ich wieloaspektowym badaniem. Jednym z wiodących kierunków badawczych w tym zakresie są badania nad procesem pękania matrycy cementowej, gdyż spękania i ich rozwój są głównym powodem powodującym obniżenie trwałości kompozytów cementowych. Dodatkowo cechą charakterystyczną kompozytów cementowych jest to, że rozwój zarysowania wskutek przyłożonego obciążenia (o dowolnej naturze) nie prowadzi do powstania pojedynczej dużej rysy, ale do powstania całego rozgałęzionego systemu
rys, czyli tzw. „cracking pattern”. O ile mechanika pękania matrycy cementowej w warunkach statycznych jest już dobrze poznana, o tyle ciągle brakuje pełnego rozpoznania mechanizmów tworzenia się i rozwoju spękań w warunkach obciążeń termicznych. Zagadnieniem dotychczas niezbadanym jest także wpływ zmian strukturalnych wynikających z oddziaływania podwyższonej temperatury i zastosowanej modyfikacji matrycy cementowej na proces tworzenia się i charakterystykę powierzchniowej struktury spękań materiału.
Celem projektu jest zbadanie i dokładne zrozumienie procesów tworzenia się wysoko-temperaturowych defektów struktury matrycy cementowej modyfikowanej wtórnym dodatkiem reaktywnym i niereaktywnym i określenie wpływu tych procesów na charakterystykę powierzchniowej struktury spękań termicznych. Jako dodatek reaktywny zostanie wykorzystana mezoporowata krzemionka o typie struktury MCM-41 otrzymana metodą templatowania z odpadowego roztworu powstałego po procesie konwersji krzemionkowego popiołu lotnego w zeolity syntetyczne. Jako dodatek niereaktywny zostanie użyta mączka bazaltowa, będąca opadem powstałym w procesie odpylania kruszyw łamanych. Otrzymane wyniki pozwolą na analizę i wytłumaczenie procesów temperaturowego rozwoju spękań modyfikowanej matrycy cementowej. Dodatkowo wykorzystanie w badaniach surowców wtórnych jest zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju w budownictwie i przyniesie szereg korzyści środowiskowych. Modyfikacja matrycy cementowej zostanie wykonana w dwóch wariantach. W pierwszym jako dodatek zostanie zastosowany MCM-41, w drugim mączka bazaltowa. Pozwoli to finalnie na określenie wpływu szeregu czynników na proces tworzenia się i rozwoju wysoko-temperaturowych defektów struktury matrycy
cementowej. W toku przeprowadzonych badań zostanie wykonana kompletna charakteryzacja surowców wyjściowych. Następnie zidentyfikowana i opisana zostanie fizyko-mechaniczna, strukturalna, teksturalna i kompozycyjna transformacja zmodyfikowanej matrycy cementowej wynikająca z oddziaływania podwyższonej temperatury. Ilościowa charakteryzacja spękań termicznych zostanie przeprowadzona z wykorzystaniem narzędzi analizy obrazu. Następnie modyfikowana matryca cementowa zostanie poddana badaniom mającym na celu określenie poziomu naprężeń inicjujących pękanie w warunkach obciążenia termicznego, z wykorzystaniem metody emisji akustycznej. Według dostępnych danych literaturowych będzie to pierwsza próba określenia naprężenia inicjującego pękanie w warunkach obciążenia termicznego.
Finalnie, wykorzystując dane z przeprowadzonych badań, opracowany zostanie inteligentny model predykcyjny bazujący na sztucznej sieci neuronowej, do wyznaczania energii pękania termicznie zdegradowanej matrycy cementowej. Efektem modelowania inteligentnego będzie opracowanie łatwego w implementacji zestawu równań empirycznych. Otrzymane wyniki badań przyczynią się do uzupełnienia brakującej wiedzy na temat wpływu MCM-41 i mączki bazaltowej, na charakterystykę powierzchniowej struktury spękań termicznych matrycy cementowej. Zaplanowane w projekcie badania pozwolą na opracowanie zależności: materiał – obciążenie termiczne – struktura spękań powierzchniowych i ich rozwój. Dostarczy to wartościowej wiedzy dla innych badaczy, którzy zajmują się badaniami dotyczącymi wpływu podwyższonych temperatur na właściwości kompozytów cementowych. Poznanie relacji jakie zachodzą pomiędzy charakterystyką spękań termicznych, a poziomem naprężeń inicjujących pękanie pozwoli zrozumieć proces temperaturowej degradacji modyfikowanej matrycy cementowej. Wiedza ta umożliwi projektowanie kompozytów cementowych o lepszych właściwościach w zakresie odporności termicznej. Opracowany w ramach projektu zestaw równań empirycznych do wyznaczania energii pękania będzie miał potencjał wykorzystania praktycznego, tj. zastosowanie do oceny stopnia degradacji kompozytów cementowych. Oczekiwane wyniki będą dotyczyły wielu tematów, które do tej pory nie zostały w pełni opisane, co będzie stanowiło istotny wkład w rozwój dziedziny naukowej związanej z technologią kompozytów cementowych. Projekt badawczy będzie realizowany w międzynarodowej grupie badawczej złożonej z ekspertów w dziedzinie analiz mikrostrukturalnych (Lulea University of Technology – Szwecja).