Projekty a granty

Trvanlivost nosného lehkého betonu z recyklovaného materiálu

SP2020/120

PŘEDMĚT VÝZKUMU Předkládaný projekt je zaměřen na určování životnosti a trvanlivosti betonových konstrukcí vystavených působení agresivního prostředí. V projektu bude zkoumán lehký nosný beton z cihelného písku, vylehčený pórovitým jílovitým kamenivem, který byl v předchozím projektu navržen, byly otestovány jeho mechanické vlastnosti [1] a částečně také trvanlivost (pomocí měření elektrické rezistivity [2]). Budou také připraveny další betonové vzorky z recyklovaného materiálu pro stanovení materiálových charakteristik (cca 24 válců o průměru 100 mm a výšce 220 mm pro testy trvanlivosti, 24 krychlí 150x150 mm, 12 válců 150x300 mm, 12 trámů 150x150x600 mm pro testy mechanických vlastností), konečné množství bude záležet na domluvě s prof. Katzerem a materiál na výrobu vzorků bude uhrazen z jiných zdrojů. V projektu bude proveden test NT Build 443 u nepoškozených vzorků a výsledné difuzní charakteristiky budou porovnány s výsledky zjištěnými měřením rezistivity betonu [2], s numerickými modely a analytickým řešením. Součástí práce bude také ověření degradačního modelu implementovaného v softwaru ATENA. Kromě prostého recyklovaného betonu, bude podrobena testování také identická betonová směs vyztužená drátkovou výztuží. Dále bude zkoumán vliv mechanického poškození betonu a vyztužení na pronikání chloridových iontů do struktury betonu. V předchozím projektu bylo provedeno rovnoměrné poškození po celém povrchu desky při různém procentuálním zatížení vzorků (desek). Tyto vzorky budou taktéž podrobeny testu NT Build 443. Následně bude stanoven chloridový profil pomocí potenciometrické titrace a kolorimetrického sprej testu a data budou porovnána s numerickými modely, případně budou modely přizpůsobeny specifickým vlastnostem betonu. Difuze chloridů do betonových konstrukcí je důležitým faktorem při určování trvanlivosti železobetonových konstrukcí vystavených agresivnímu prostředí (posypové soli, mořská či brakická voda). Chloridy pronikají do krycí vrstvy výztuže a narušují schopnosti betonu chránit výztuž. Po dosažení daného limitu chloridových iontů v úrovni výztuže (iniciační perioda), vzniká nebezpečí, že výztuž začne korodovat. Výztuž v místě koroze zmenšuje svou průřezovou plochu a tím pádem i svou únosnost (propagační perioda). Snížená životnost takové konstrukce znamená zvýšené náklady na životní cyklus, a tedy i nadměrné výdaje z veřejných rozpočtů. Výzkumná činnost v této oblasti napomáhá zkvalitnění navrhování konstrukcí a z čehož vyplývá i snížení nákladů na jejich údržbu [3–6]. Výzkum s ohledem na trvanlivost železobetonových konstrukcí na Katedře stavební mechaniky VŠB – TUO probíhá; předkládaný projekt je inovativní ve zkoumání betonu z recyklovaného materiálu a efektu drátků při dlouhodobé penetraci chloridových iontů a také v zohlednění mechanického poškození při pronikání chloridů. Ve výzkumech [6–10] byly aplikovány modely difuze na železobetonové konstrukci, které budou využity a ověřeny také pro výpočet difuzních charakteristik recyklovaného betonu a porovnány s výsledky měření. Modelování pronikání chloridových iontů do trámu z běžného betonu dlouhodobě zatíženého tříbodovým ohybem bylo provedeno např. ve výzkumech [11] a [12], bylo zjištěno, že mechanické poškození konstrukce má nezanedbatelný vliv na pronikání agresivních látek a je potřeba jej brát v úvahu při posuzování trvanlivosti konstrukce. Použití recyklovaných materiálů pro výrobu betonu je relativně běžné (často se používá například recyklovaná betonová suť [13]) avšak normový postup pro možné použití takového betonu pro výstavbu je zatím v přípravě, je tedy vhodné se zabývat posuzováním trvanlivosti, ověřováním metod výpočtu difuzních charakteristik a modelování difuzního chování. Proto byla navázaná spolupráce s odborníky na návrh a testování betonových směsi z recyklovaného materiálu na univerzitě v Olsztynu (prof. Katzer [14, 15]) a na testování betonových konstrukcí s ohledem na trvanlivost na univerzitě v Gliwicích (prof. Jasniok [16] a prof. Szweda [17]), kde mají profesionální laboratorní vybavení pro testování. Výsledkem projektu bude zhodnocení využití recyklovaného (drátko)betonu s ohledem na agresivní podmínky prostředí a vlivu mechanického poškození na pronikání chloridů a také ověření metod výpočtu a modelování betonu z hlediska difuze chloridových iontů. Projekt úzce souvisí s tématem disertační práce hlavního řešitele. Literatura [1] Horňáková, M., Katzer, J., Kobaka J., Konečný, P. Lightweight SFRC Benefitting from Pre-soaking and Internal Curing Process. Materials. ISSN 1996-1944. https://doi.org/10.3390/ma12244152 [2] Horňáková, M., Konečný, P., Lehner, P. Katzer, J. Durability of structural lightweight waste aggregate concrete – electrical resistivity. In: Structural and physical aspects of construction engineering: 4th international conference. High Tatras, 2019 [3] Hooton, R.D., Thomas, M.D.A., Standish, K. Testing the Chloride Penetration Resistance of Concrete: A Literature Review: FHWA Contract DTFH61-97-R-00022 Prediction of Chloride Penetration in Concrete. Washington, D.C. [USA]: Federal Highway Administration, 2001, 405 s. [4] Šmerda, Z., J. Adámek, Z. Keršner, V. Meloun, V. Mencl, D. Novák, P. Rovnaníková A B. Teplý. Trvanlivost betonových konstrukcí. Praha: Informační centrum ČKAIT, 1999. ISBN-8090269788. [5] Ghosh, P. Computation of Diffusion Coefficients and Prediction of Corrosion Initiation of Concrete Structures. Salt Lake City, UT [USA], 2011. Doktorská disertační práce. University of Utah. Vedoucí práce P.J. Tikalsky. [6] Konečný, P. Vyhodnocení trvanlivosti železobetonových mostovek s ohledem na vliv chloridů a na rozptyl vstupních parametrů. Ostrava, 2015. Habilitační práce. Vysoká škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava. [7] Lehner, Petr, Petr Konečný and Jiří Brožovský. Optimization of time step and finite elements on the model of diffusion of chlorides. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. Asian Research Publishing Network, 2016, 11(3), s. 2083-2088. ISSN 1819-6608 [8] Konečný, Petr and Petr Lehner. Effect of cracking and randomness of inputs on corrosion initiation of reinforced concrete bridge decks exposed to chlorides. Frattura ed Integrita Strutturale. Frosinone: Gruppo Italiano Frattura, 2017, 11(39), s. 29-37. ISSN 1971-8993 [9] Duc Tuan Le, Petr Lehner and Petr Konečný. Advanced Model of Chloride Penetration Considering Concrete Heterogeneity. Procedia Structural Integrity [online]. 2018, (13) [cit. 2019-12-06]. DOI: https://doi.org/10.1016/j.prostr.2018.12.354. ISSN 2452-3216 [10] Duc Tuan Le, Petr Lehner and Petr Konečný. Probabilistic Modeling of Chloride Penetration with Respect to Concrete Heterogeneity and Epoxy-Coating on the Reinforcement. Materials [online]. 2019, 12 (24) [cit. 2019-12-10]. DOI: https://doi.org/10.3390/ma12244068 [11] Vořechovská, D.; Šomodíková, M.; Podroužek, J.; Lehký, D.; Teplý, B. Concrete Structures under Combined Mechanical and Environmental Actions: Modelling of Durability and Reliability. Comput. Concr. 2017, 20 (1), 99–110. https://doi.org/10.12989/cac.2017.20.1.99. [12] Fu, C.; Jin, X.; Ye, H.; Jin, N. Theoretical and Experimental Investigation of Loading Effects on Chloride Diffusion in Saturated Concrete. J. Adv. Concr. Technol. 2015. https://doi.org/10.3151/jact.13.30. [13] Ann, K. Y.; Moon, H. Y.; Kim, Y. B.; Ryou, J. Durability of Recycled Aggregate Concrete Using Pozzolanic Materials. Waste Manag. 2008. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2007.03.003. [14] Cichocki, Krzysztof, Jacek Domski, Jacek Katzer and Mariusz Ruchwa. Static and Dynamic Characteristics Of Waste Ceramic Aggregate Fibre Reinforced Concrete. Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, Civil Engineering Series [online]. 2015, 15(2) [cit. 2019-12-17]. DOI: 10.1515/tvsb-2015-0005. ISSN 1804-4824. Dostupné z: http://content.sciendo.com/view/journals/tvsb/15/2/article-tvsb-2015-0005.xml.xml [15] Cichocki, K.; Domski, J.; Katzer, J.; Ruchwa, M. Mechanical Properties and Numerical Approach to Fibre Reinforced WCA Concrete Slabs. In Brittle Matrix Composites 11 - Proceedings of the 11th International Symposium on Brittle Matrix Composites BMC 2015; 2015. [16] Jaśniok, Mariusz. Assessing effects of chloride-induced corrosion of galvanized reinforcing steel in cement mortar, using impedance spectroscopy and scanning microscopy. OCHRONA PRZED KOROZJĄ [online]. 2018, 1(7), 4-9 [cit. 2019-12-17]. DOI: 10.15199/41.2018.7.1. ISSN 0473-7733. Dostupné z: http://sigma-not.pl/publikacja-114751-2018-7.html [17] Szweda, Zofia. Evaluation of the effectiveness of electrochemical chloride extraction from concrete on the basis of testing reinforcement polarization and chloride concentration. OCHRONA PRZED KOROZJĄ [online]. 2018, 1(1), 5-11 [cit. 2019-12-17]. DOI: 10.15199/41.2018.1.1. ISSN 0473-7733. Dostupné z: http://sigma-not.pl/publikacja-111623-2018-1.html PŘEHLED POUŽITÝCH METOD - NordTest NTBuild 443 – zrychlený test chloridové penetrace. - ČSN EN 14629 – Stanovení obsahu chloridů v zatvrdlém betonu. - AgNO3 spray test, potenciometrická titrační metoda – určení chloridového profilu a koncentrace chloridových iontů v betonových vzorcích. - Metoda konečných prvků – modelování průniku chloridů – numerické modely, software ATENA. - Analytické řešení difuze chloridů. HARMONOGRAM PRACÍ: leden–únor – rešerše, příprava numerických modelů, testování a vyhodnocení testu NT443 u nepoškozených vzorků. leden – JUNIORSTAV 2020. únor–březen – modelování difuze u nepoškozených vzorků, začátek testu NTBuild 443 (desky), příprava abstraktu/publikace (CUTE 2020, CECEM 2020). duben-květen – vyhodnocení testu NTBuild 443 u poškozených desek, modelování difuze u poškozených vzorků, příprava vzorků z recyklovaného materiálu pro testování mechanických vlastností, příprava vzorků pro testy trvanlivosti. duben – CUTE 2020. červen-srpen – numerické modelování a ověřování degradačního modelu v softwaru ATENA v porovnání s výsledky, příprava příspěvku na konferenci ICNAAM 2020, příprava nových vzorků, červen – CECEM 2020 září–říjen – trvanlivostní testy, numerické modelování, příprava článku (Materials), září – ICNAAM 2020, říjen–listopad – zaslání publikace (Materials), recenzní řízení. ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Ing. Marie Horňáková (cca 12 h/týdně): koordinace a vyhodnocení měření mechanických a trvanlivostních vlastností betonu, provedení chemických analýz za účelem stanovení koncentrace chloridových iontů pomocí potenciometrické titrace a následné vyhodnocení dat ke zjištění difuzních charakteristik daného betonu, příprava numerických modelů recyklovaného betonu a difuze chloridů v tomto betonu, příprava článku na konferenci JUNIORSTAV 2020 příprava článku na konferenci CUTE 2020, příprava článku na konferenci ICNAAM 2020, příprava článku do časopisu Materials (Special Issue "Research of Structure and Properties of Concretes based on Non-conventional Aggregates"), účast na konferenci JUNIORSTAV 2020, CUTE 2020 a CECEM 2020. Projekt souvisí s tématem disertační práce (Vliv působení chloridů na únosnost železobetonových prvků) Ing. Tuan Duc Le (cca 5 h/týdně): numerické modelování difuze, kontrola publikací, příprava publikace na konferenci ICNAAM, účast na konferenci ICNAAM 2020. Projekt souvisí s tématem disertační práce (Numerical modelling of chloride penetration experiments considering concrete heterogenity). Ing. Nela Freiherrová (cca 2 h/týdně) – pomoc s chemickými rozbory a numerickým modelováním, kontrola publikací, Projekt souvisí s tématem disertační práce (Numerické modelování konstrukcí). Ing. Petr Lehner – kontrola numerických modelů, konzultace, pomoc při testování. Rozpočet – zdůvodnění jednotlivých položek Stipendia: 70 000 Kč – Ing. Marie Horňáková 15 000 Kč – Ing. Nela Freiherrová 37 000 Kč – Ing. Tuan Duc Le Materiálové náklady: 2 000 Kč – laboratorní materiál pro test NT 443 (epoxidový nátěr, boxy, štětce, NaCl), 7 000 Kč – obnova hardwaru pro výpočetní PC. Drobný hmotný a nehmotný majetek : 500 Kč – datové nosiče Služby 2 500 – vložné na konferenci Juniorstav 2020 (Horňáková) – článek byl již zaslán, 100 EUR (3 000 CZK) – vložné na konferenci CUTE 2020 (Horňáková) – příspěvek je již připraven a bude zaslán do 31.1.2020, 2000CHF – 15% sleva = 1700 CHF (40 200 CZK) – poplatek za publikování (Special Issue "Research of Structure and Properties of Concretes based on Non-conventional Aggregates", MDPI) – tým nabídl účast na recenzním řízení pro získání dalších slev, prozatím však žádné recenze nebyly zadány ke zpracování. 320 EUR (8 200 CZK) – vložné na konferenci ICNAAM 2020 (Le), 1 000 – kalibrace pro přístroje v laboratořích. Cestovní náhrady 1 000 Kč – cestovní náklady, stravné a diety na konferenci Juniorstav 2020 (Horňáková), 18 000 Kč – cestovní náklady, stravné a diety – příprava vzorků, testování mechanických vlastností – Olsztyn, trvanlivostní testy a měření koncentrace chloridových iontů – Gliwice, 10 000 Kč – cestovní náklady, ubytování, stravné a diety – CECEM 2020 (Horňáková), 25 000 Kč – cestovní náklady, ubytování, stravné a diety na ICNAAM 2020 (Le).

2020

2020

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Horňáková Marie Ing.