Analiza uszkodzeń betonów na mineralnych kruszywach naturalnych i łamanych z wykorzystaniem metod mikroskopii skaningowej

• Autorzy: Golewski G. , Sadowski T.

Warianty tytułu

EN

Analysis of damages in concretes made of mineral natural and broken aggregates using scanning microscopy methods

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z powstawaniem i propagacją mikrouszkodzeń w kompozytach betonowych. Określono miejsca pojawiania się pierwszych defektów w kompozycie, tj.: szczeliny powstałe w strefie stykowej kruszywo-zaprawa i szczeliny powstałe w matrycy cementowej. Opisano podstawowe cechy najczęściej stosowanych kruszyw mineralnych z podziałem na informacje dotyczące kruszyw naturalnych i łamanych. O jakości tych wypełniaczy decydują: warunki ich powstawania, skład mineralny skał, z których pochodzą oraz cechy zewnętrzne. W części badawczej przeanalizowano charakter powstałych uszkodzeń w czterech rodzajach betonów konstrukcyjnych: bazaltowych (B), granitowych (G), wapiennych (W) i żwirowych (Ź). Każdy z zastosowanych wypełniaczy charakteryzował się innym pochodzeniem genetycznym. W analizowanych betonach zastosowano maksymalny wymiar kruszywa grubego do 16 mm. Stałym parametrem we wszystkich mieszankach był wskaźnik w/c = 0,4. Stosy okruchowe ustalono na podstawie normy niemieckiej DIN 4226-1. Poza badaniami mikrostrukturalnymi oceniono również parametry wytrzymałościowe betonów oraz ich właściwości fizyczne, takie jak gęstość, porowatość, szczelność, nasiąkliwość. Badania mikroskopowe przeprowadzono na fragmentach próbek pozyskanych ze stref przełomu materiału otrzymanych podczas badania odporności na pęknie. Badania mikrostrukturalne przeprowadzono pod mikroskopem skaningowym LEO 1430 VP przy powiększeniach od 100 do 5000 razy. Do analiz powierzchni betonów użyto dwóch detektorów elektronowych: wtórnych (SE - secondary electrons) i wstecznego rozproszenia (BSE - backscattered electrons). Umożliwiły one ocenę różnic: początkowej struktury analizowanych kompozytów betonowych oraz analizę procesów rozwoju mikrouszkodzeń badanych materiałów na powierzchniach przełomów. Najlepszą mikrostrukturą charakteryzowały się betony zawierające kruszywa wapienne. Na ich powierzchni widoczne były tylko drobne spękania w warstwach stykowych. Charakter tych uszkodzeń był lokalny. Najsłabszą odpornością na pękanie charakteryzowała się struktura kompozytu betonowego uzyskana przy zastosowaniu kruszywa żwirowego. W tych kompozytach widoczne były wgłębienia po wyrwaniu ziarn kruszywa grubego z zaprawy. W takich miejscach zobserwowano spękania w matrycy cementowej, co świadczyło o słabej przyczepności tych kruszyw do zaprawy.

EN

In the present paper the issues related to the nucleation and propagation of microdamage in concrete composites were presented. The areas of first defects nucleation in the composite were defined i.e.: cracks which arose in the aggregate- mortar interfacial transition zone and damages occurring in cement matrix. Basic characteristics of most frequently used mineral aggregates were described and divided into the information regarding natural aggregates and crushed ones. The quality of these fillers is determined by the conditions of their formation, mineral composition of the rocks from which they originate as well as external characteristics. In the empirical part the character of the damages which arose in four types of structural concrete was analysed, namely in: basalt concrete (B), granite concrete (G), limestone concrete (W) and gravel concrete (Ż). Each of the fillers used was characterised by a different genetic origin. In the concretes analysed the maximum size of coarse aggregate used was up to 16 mm. In all mixtures the constant parameter was the ratio w/c = 0.4. The optimum proportion of different - sized aggregates were established based on the German standard DIN 4226-1. Apart from microstructural tests, the parameters related to the strength of concrete and their physical properties such as density, porosity, tightness and absorbability were evaluated. Microscopic observations were carried out using fracture surfaces of broken specimens, which were obtained during fracture toughness tests. Microstructural testing was carried out using the scanning microscope LEO 1430 VP with the magnification from 100 to 5000 times. In order to carry out the fracture surface analyses two electron detectors: SE (secondary electrons) and BSE (backscattered electrons) were used. They make it possible to determine the differences in the initial structure of the analysed concrete composites and the analysis of microdam-ages development processes analysis of the investigated materials on the fracture surfaces. The best microstructure was characteristic of the concretes containing limestone aggregates. On their surface only small cracks were visible in interfacial transition zone. Those damages were of local character. The lowest fracture toughness characterized the concrete composite structure obtained using gravel aggregate. In those composites the cavities which were the result of removing coarse aggregate from mortar were visible. In such places cracks in cement matrix were observed, which was the evidence of poor adherence of those aggregates to mortar.

Słowa kluczowe

PL

analiza uszkodzeń betonu; metoda mikroskopii skaningowej; kruszywa naturalne i łamane

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 28, nr 1
• Strony: 30--35
• Opis fizyczny: Bobliogr. 42 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Golewski G.

autor

Sadowski T.

• Katedra Konstrukcji Budowlanych, Politechnika Lubelska,

Bibliografia

• [1] Jamroży Z.: O systematyce nazewnictwa związanego z betonem. Inżynieria i Budownictwo, nr 11, 2002, 616–619
• [2] Brandt A. M.: Materiały złożone – kompozyty. Budowa i właściwości. Kompozyty Betonowe. w: Wybrane zagadnienia z mechaniki kompozytów. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Warszawa 1983, 7–35
• [3] Jamroży Z.: Beton i jego technologie. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa- Kraków 2000
• [4] Neville A. M.: Właściwości betonu. Wydanie czwarte. Polski Cement, Kraków 2000
• [5] Grzelak E., Strycharczyk T., Zając Z.: Wpływ wytrzymałości kruszywa na wytrzymałość betonu. Cement Wapno Gips, nr 4, 1970
• [6] Piasta J., Piasta W.: Rodzaje i znaczenie kruszywa w betonie. XVII Ogólnopolska Konferencja Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń 20–23 lutego 2002 279–327
• [7] Małolepszy J.: Rola kruszyw mineralnych w kształtowaniu właściwości betonu. Sympozjum Naukowo-Techniczne Beton i Jego Składniki. Normalizacja, Właściwości i Zastosowanie, Poznań, luty 2003, 55–79
• [8] Prokopski G.: Badanie wpływu warstwy stykowej kruszywo-zaprawa na odporność betonów na pękanie. Archiwum Inżynierii Lądowej, t. XXXV, z. 4, 1989, 349–372
• [9] Zubelewicz A.: Propozycja nowego modelu strukturalnego betonu. Archiwum Inżynierii Lądowej, t. XXIX, z. 4, 1983, 417–439
• [10] Diamond S.: The microstructure of cement paste and concrete – a visual primer. Cement and Concrete Composites, vol. 26, no. 8, 2004, 919– –933
• [11] Peng J., Wu Z., Zhao G.: Fractal analysis of fracture in concrete. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 27, no. 2, 1997, 135–140
• [12] Sadowski T.: Opis rozwoju uszkodzeń i stany graniczne materiałów ceramicznych. Praca habilitacyjna. Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1999
• [13] Sadowski T.: Modelling of semi-brittle MgO ceramic behaviour under compression, Mechanics of Materials, vol. 18, 1994, 1–16
• [14] Sadowski T.: Mechanical response of semi-brittle ceramics subjected to tension–compression state. Part I: Theoretical modelling, International Journal of Damage Mechanics, vol. 3, 1994, 213–233
• [15] Sadowski T.: Mechanical response of semi-brittle ceramics subjected to tension–compression state. Part II: Description of deformation process, International Journal of Damage Mechanics, vol. 4, 1995, 293–317
• [16] Basista M., Gross D.: The sliding crack model of brittle deformation: An internal vaoable approach. Iternational Journal of Solids and Structures, vol. 35, no. 5,6, 1998, 487–509
• [17] Yu S., Feng X.: A micromechanics-based damage model for microcrack – weakened brittle solids, Mechanics of Materials, vol. 20, no. 1, 1995, 59–76
• [18] Sadowski T., Samborski S.: Modelling of porous ceramics response to compressive loading. Journal of the American Ceramic Society, vol. 86, no. 12, 2003, 2218–2221
• [19] Sadowski T., Postek E., Denis Ch.: Stress distribution due to discontinuities in policrystalline ceramics containing inter-granular layers. Computational Materials Science, 2006 (w druku)
• [20] Nemati K. M., Monteiro P. J. M., Scrivener K. L.: Analysis of compressive stress-induced cracks in concrete, ACI Materials Journal, vol. 95, no. 5, 1988, 617–630
• [21] Ringot E., Bascoul A.: About the analysis of microcracking in concrete. Cement and Concrete Composites, vol. 23, no. 2–3, 2001, 261–266
• [22] Soroushian P., Elzafraney M: Damage effects on concrete performance and microstructure. Cement and Concrete Composites, vol. 26, no. 7, 2004, 853–859
• [23] Ammouche A. A., Riss J., Breysse D., Marchand J.: Image analysis for the automated study of microcracks in concrete. Cement and Concrete Research, vol. 23, no. 2–3, 2001, 267–278
• [24] Lou J., Bhalerao K., Soboyejo A. B. O., Soboyejo W. O.: An investigation of fracture initiation and resistance – curve behavior in concrete. Cement and Concrete Composites, vol. 25, no. 6, 2003, 599–605
• [25] Bochenek A., Prokopski G.: Badania wpływu stosunku wodno-cementowego na mikromechanizm pękania betonu zwykłego. Archiwum Inżynierii Lądowej, t. XXXIV, z. 2, 1988, 261–270
• [26] Halbiniak J., Prokopski G.: Wpływ mikrokrzemionki na mikrostrukturę i odporność betonów na pękanie. 5 International Scientific Conference, Current Issues of Civil and Environmental Engineering, Rzeszów, September 25–26, 2000, 125–132
• [27] Halbiniak J., Prokopski G.: Zastosowanie metod inżynierii materiałowej do oceny wpływu mikrokrzemionki na pękanie betonów. III Konferencja Naukowo-Techniczna, Zagadnienia Materiałowe w Inżynierii Lądowej MATBUD 2000, Kraków-Mogilny, 28–30 czerwca 2000, 132–139
• [28] Prokopski G.: Badanie wpływu rodzaju i ilości kruszywa grubego na odporność betonu na pękanie. Archiwum Inżynierii Lądowej, t. XXXVI, z. 1–2, 1990, 121–135
• [29] Bochenek A., Prokopski G.: Badania wpływu rodzaju kruszywa grubego na odporność betonu na pękanie. Archiwum Inżynierii Lądowej, t. XXXV, z. 1, 1989, 49–61
• [30] Prokopski G.: Badania odporności na pękanie betonów, wykonanych na różnych kruszywach, przy zastosowaniu II modelu pękania. Inżynieria Materiałowa, nr 5, 1989, 125–129
• [31] PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność
• [32] Kucharska L.: W/C – wskaźnik wpływu warstwy przejściowej na właściwości mechaniczne betonów zwykłych i BWW i ich podział. Cement Wapno Beton, nr 2, 1999, 39–45
• [33] Kuczyński W.: Wpływ kruszywa grubego na wytrzymałość betonu. Archiwum Inżynierii Lądowej, t. 4, z. 2, 1958, 181–209
• [34] DIN 4226-1: Zuschlag für Beton; Zuschlag mit dichtem Gefüge, Begriffe, Bezeichnung und Anforderungen
• [35] Watkins J.: Fracture toughness test for soil – cement samples in mode II. International Journal of Fracture, vol. 23, 1983, 135–138
• [36] Soroushian P., Elzafraney M.: Qualitative analogy between performance loss and microstructural manifestation of different damaging effects on concrete. Magazine of Concrete Research vol. 55 no. 5 (2003) 419–427
• [37] Soroushian P., Elzafraney M.: Sampling approach for quantitative microscopic investigation of concrete through planar and spatial measurements. Magazine of Concrete Research vol. 57 no. 6, 2005, 321–330
• [38] Scrivener K. L.: Backscattered electron imaging of cementitious microstructures: understanding and quantification. Cement and Concrete Composites, vol. 26, no 8, 2004, 935–945
• [39] Igarashi S., Kawamura M., Watanabe A.: Analysis of cement pastes and mortars by a combination of backscatter – based SEM image analysis and calculations based on the Powers model. Cement and Concrete Composites, vol. 26, no. 8, 2004, 977–985
• [40] Head M. K., Buenfeld N. R.: Measurement of aggregate interfacial porosity in complex, multi-phase aggregate: Binary mask production using backscattered electron and energy dispersive X-ray images. Cement and Concrete Research, vol. 36, no. 2, 2006, 337–345
• [41] Brandt A. M., Kasperkiewicz J. i inni: Metody diagnozowania betonów i betonów wysokowartościowych na podstawie badań strukturalnych. Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa 2003
• [42] Sadowski T. (ed).: Mutiscale modelling of damage and fracture processes in composite materials. CISM courses and lectures no. 474, 2005, Springer, Wien New York, 309