Fraktalny opis powierzchni przełomu betonów cementowych

• Autorzy: Konkol J. , Prokopski G.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rb.2014.94

Warianty tytułu

EN

Fractal description of cement concretes fracture surface

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule zaprezentowano podejście do określania wymiaru fraktalnego linii profilowej wydzielonej z powierzchni przełomu betonu z uwzględnieniem w analizie takich składników struktury, jak: ziarno kruszywa grubego oraz stwardniały zaczyn cementowy. W przypadku zarówno zaczynu cementowego, jak i ziaren kruszywa grubego analizie fraktalnej poddano dwa warianty. Dla ziaren kruszywa obliczono wymiar fraktalny D w przypadku przełomu poziarnowego oraz w przypadku przejścia pęknięcia na wskroś ziarna. Zaczyn cementowy poddano natomiast analizie w przypadku przełomu powstałego przez sam zaczyn cementowy oraz w przypadku powierzchni przełomu powstałej na skutek oddzielenia się kruszywa od matrycy cementowej (odcisk w zaczynie po przełomie poziarnowym). Badania fraktalne przeprowadzono na powierzchniach przełomu betonów dwiema metodami: pudełkową (DBC) i obwiedni morfologicznej (Dm). Wykazano, że znaczący wpływ na wartość obu wymiarów fraktalnych DBC i Dm mają ziarna kruszywa grubego bez względu na charakter pęknięcia. Stwierdzono, że największy wymiar fraktalny mają pęknięcia przechodzące przez ziarna kruszywa grubego, występujące zarówno w przypadku pęknięć poziarnowych ziaren kruszywa, jak i pęknięć ziaren kruszywa na wskroś. W obu wariantach uzyskano wartości wymiaru fraktalnego obiema metodami o około 11 % większe, aniżeli wartości wymiaru fraktalnego otrzymane w przypadku przejścia pęknięcia przez matrycę cementową. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że wymiar fraktalny D linii profilowej może być określany jako wartość średnioważona, uwzględniająca udział różnych typów pęknięć znajdujących się na linii profilowej.

EN

The paper presents an approach for determining the fractal dimension of the profile lines separated from the fracture surface of concrete with regard to the analysis of structural components such as grains of coarse aggregate and hardened cement paste. Both for the cement paste and the coarse aggregate, two variants were subjected to fractal analysis. In the case of the coarse aggregate, a fractal dimension was calculated for the crack around the grain and for a transition of the crack through the grain. The cement paste was analyzed with respect to the fracture surface created by the cement paste itself, and with respect to the fracture surface resulting from the separation of the coarse aggregate from the cement matrix (cement paste imprint on the grain aggregate). The fractal study was conducted on the fracture surfaces of concrete using two methods: a box counting method and morphological envelopes method. It has been shown that the grains of the coarse aggregate have a significant impact on the value of the fractal dimension D. It has been found that the cracks passing through the grains of the coarse aggregate have the largest fractal dimensions. For both of the variants, the fractal dimension values obtained with both of the methods were 11% higher. On the basis of the obtained results it was found that the fractal dimension D of the profile line can be defined as a weighted average incorporating different types of the cracks on the profile line.

Słowa kluczowe

PL

beton cementowy; powierzchnia przełomu; wymiar fraktalny; analiza powierzchni; profilometr laserowy

EN

cement concrete; fracture surface; fractal dimension; surface analysis; laser profilometer

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture
• Rocznik: 2014
• Tom: z. 61, nr 3/II
• Strony: 273--286
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Konkol J.

• Katedra Inżynierii Materiałowej i Technologii Budownictwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Prokopski G.

• Katedra Inżynierii Materiałowej i Technologii Budownictwa, Politechnika Rzeszowska

Bibliografia

• [1] Mandelbrot B.B.: Fractals. Form, chance and dimension, Freeman, San Francisco 1977.
• [2] Winslow D.N.: The fractal nature of the surface of cement paste, Cement and Concrete Research, 15, 1985, s. 817-824.
• [3] Saouma V.E., Barton C.C.: Fractals, fractures, and size effects in concrete, J. Eng. Mech., 120, 1994, s. 835-854.
• [4] Brandt A.M., Prokopski G.: On the fractal dimension of fracture surfaces of concrete elements, J. Mater. Sci., 28, 1993, s. 4762-4766.
• [5] Czarnecki L., Garbacz A., Kurach J.: On the characterization on polymer concrete fracture surface, Cem. Concr. Compos., 23, 2001, s. 399-409.
• [6] Konkol J.: Zastosowanie analizy struktury do oceny właściwości betonów. Rozprawa Doktorska. Politechnika Rzeszowska, Rzeszów 2004.
• [7] Konkol J., Prokopski G.: Analysis of the fracture surface morphology of concrete by the method of vertical section, Computers and Concrete, 1(4), 2004, s. 389-400.
• [8] Prokopski G., Konkol J.: The fractal analysis of the fracture surface of concretes made from different coarse aggregates, Computers and Concrete, 2(3), 2005, s. 239-248.
• [9] Konkol J., Prokopski G.: The necessary number of profile lines for the analysis of concrete fracture surfaces, Structural Engineering and Mechanics. 25(5), 2007, s. 565-576.
• [10] Konkol J., Prokopski G.: Morfologia przełomu oraz odporność na pękanie betonów modyfikowanych dodatkiem popiołu fluidalnego lub metakaolinitu, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Seria Budownictwo i Inżynieria Środowiska, z. 58, nr 3/11/III, 2011, s. 321-330.
• [11] Konkol J.: Wykorzystanie parametrów fraktalnych i stereologicznych do opisu odporności na pękanie betonów modyfikowanych wybranymi dodatkami typu II, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, seria Budownictwo i Inżynieria Środowiska, z 59, nr 3/12/III, 2012, s. 222-232.
• [12] Wang Y., Diamond S.: A fractal study of the fracture surfaces of cement pastes and mortars using a stereoscopic SEM method, Cement and Concrete Research, 31, 2001, s. 1385–1392.
• [13] Yan A., Wu K.-R., Zhang D., Yao W.: Effect of fracture path on the fracture energy of high-strength concrete, Cement and Concrete Research, 31, 2001, s. 1601-1606.
• [14] Issa M A., Issa M. A., Islam Md. S, Chudnovsky A.: Fractal dimension – a measure of fracture roughness and toughness of concrete, Engineering Fracture Mechanics, 70, 2003, s. 125-137.
• [15] Zhang H., Wei D.M.: Fractal effect and anisotropic constitutive model for concrete, Theor. Appl. Fract. Mech., 51, 2009, s. 167-173.
• [16] Zhang H., Wei D.M.. Fracture and damage behaviors of concrete in the fractal space, J. Mod. Phys., 1, 2010, s. 48-58.
• [17] Czarnecki L, Chmielewska B.: Fracture and fractography of silane modified resin mortars, Int. J. Restor. Build. Monum., 9, 2003, s. 603–18.
• [18] Erdem S., Blankson M.A.: Fractal-fracture analysis and characterization of impact-fractured surface in different types of concrete using digital image analysis and 3D nanomap laser profilometery, Constr. Build Mater., 40, 2013, s. 70-76.