Projekty a granty

Stanovení materiálových a trvanlivostních charakteristik nekonvenčních betonů

SP2023/056

Společně se zvyšující se produkcí všech průmyslových odvětví se navyšují také problémy s hromaděním a využitím odpadních materiálů. Cílem mnoha výzkumných skupin po celém světe je tedy stále navrhnout a otestovat možnosti odpadních materiálů jakožto náhrady surovin klasicky používaných v konvenčních výrobcích. V případě betonového průmyslu je nejčastějším trendem použití odpadu ze zdemolovaných konstrukcí jako náhrady kameniva do betonu, studie však byly provedeny již také pro jiné odpadní produkty, např. cihly [1], sanitární keramika [2], pneumatiky [3], plastové láhve [4] atd. Navzdory rozdílům ve složení směsí jsou obecné závěry takové, že recyklované kamenivo by mělo být považováno za cenný materiál v betonářském průmyslu [5]. Pro výzkum charakteristik nekonvenčních betonů je možné použít normalizované postupy stanovené pro navrhování konvenčních betonů, tyto postupy je však potřeba ověřit a případně vhodně upravit [6]. Odpadními materiály použitými v tomto projektu jsou odpady z hutního kalu (metallurgical sludge waste - MSW) a dlažební kostky (paving blocks - PB). MSW je velmi jemný práškový materiál sestávající ze zrn o velikosti 0–0.25 mm, který se ukládá jako vedlejší produkt na velké skládky a při jeho uložení hrozí nebezpečí úniku nebezpečných látek do půdy a podzemních vod [7]. Skládá se z aglomeračního kalu, vysokopecního kalu a konvertorového kalu v různých poměrech [8]. PB je vibrolisovaný prvek s nízkým poměrem vody a cementu, který umožňuje získat odpovídající mechanické vlastnosti. Pokud však nejsou dodrženy přísné požadavky na rozměry či tvar prvku anebo dojde k demontáži dlažby, je třeba tyto prvky nějakým způsobem zlikvidovat anebo znovu použít. Jedním z možných použití těchto prvků může být rozdrcení a nahrazení přírodního kameniva v nově navržené betonové směsi. Ve výzkumu [9] se ukázalo, že toto nahrazení může také zvýšit pevnost betonu v tlaku. Studií týkajících se PB betonu není mnoho, obvykle se opadní materiál využívá právě pro výrobu PB, např. stavební a demoliční odpady používané pro prefabrikované PB [10]. V předchozím projektu bylo navrženo 10 druhů betonových směsí, které se skládají z 1 referenční směsi, 3 druhů směsi s MSW jako náhrady jemného kameniva v různých poměrech, 3 druhů směsí s drceným MSW a 3 druhů směsí s lámaným MSW betonem jako náhrady za hrubé kamenivo také v různých poměrech. Vzorky MSW byly vytvořeny ve tvaru krychle (3 vzorky pro každou směs), kvádrů (3 vzorky pro každou směs) a válce (3 vzorky pro každou směs) a byly částečně otestovány pro stanovení mechanických vlastností. Zbývající zkoušky trvanlivosti budou provedeny v tomto projektu. PB beton bude vyroben v 6 variantách s různými náhradami PB za hrubé kamenivo (0, 20, 40, 60, 80, 100 %). Z každé směsi bude vyrobeno 9 vzorků – 3 kostky 150x150x150 mm3 (pro pevnost v tlaku), 3 válce 150x300 mm3 (Youngův modul pružnosti) a 7 menších válců 100x200 mm3 (Wenner probe, RCON - 3 vzorky, RCPT – 2 vzorky, budou rozřezány na 100x100 mm3, NTBuild 443 – 2 vzorky, budou rozřezány na 100x100 mm3). Surové kamenivo bude přivezeno z Univerzity v Gliwicích, kde budou PB rozdrceny a bude provedena analýza kameniva (měrná hmotnost, zrnitost, obsah vody a nasákavost), následně budou směsi navrženy a betonovány v laboratoři FAST, VŠB-TUO, kde budou testovány i mechanické a trvanlivostní vlastnosti. Poté bude část vzorků (PB i MSW betonu) převezena na Univerzitu ve Štětíně ke studiu mikrostruktury metodou SEM (Supra 35VP, Carl Zeiss, Germany) ve spojení s Energy dispersive spectroscopy (EDS) a také rentgenovou mikropočítačovou tomografií (mikro-CT) umožňující získat 3D objemový obraz vzorku. Část projektu bude věnována také numerickému modelování časově nezávislé a časově závislé difuze chloridů v ANSYSu a lomových mechanismů betonů v ATENě. Data z modelu difuze chloridů budou ověřena s experimentálně získanými výsledky pro všechny zkoušené betony z minulých i současných projektů. V projektu bude také stanoven indikátor udržitelnosti [11] pro všechny testované betonové směsi. Projekt úzce souvisí s tématem dizertačních prací obou hlavních řešitelů (Numerické modelování difuze chloridů v betonu z recyklovaného kameniva a Experimentální a numerické ověření vlivu chloridů na spolehlivost betonových nosných prvků s ocelovou výztuží). Projekt je podán ve dvou jazycích z důvodu zapojení zahraničních studentů. Literature: [1] Suzuki, M.; Seddik Meddah, M.; Sato, R. Use of Porous Ceramic Waste Aggregates for Internal Curing of High-Performance Concrete. Cem. Concr. Res. 2009, 39, 373–381. [2] Ogrodnik, P.; Szulej, J.; Franus, W. The Wastes of Sanitary Ceramics as Recycling Aggregate to Special Concretes. Materials 2018, 11, 1275. [3] Toutanji, H.A. The Use of Rubber Tire Particles in Concrete to Replace Mineral Aggregates. Cem. Concr. Compos. 1996, 18, 135–139. [4] Ramadevi, K.K.; Manju, R. Experimental Investigation on the Properties of Concrete with Plastic PET (Bottle) Fibres as Fine Aggregates. J. Emerg. Technol. Adv. Eng. 2012, 2, 42–46. [5] El-Reedy, M. A. (2009). Advanced Materials and Techniques for Reinforced Concrete Structures. Taylor and Francis Group, LLC. [6] Wang, J., Zheng, K., Cui, N. Et Al. Green and Durable Lightweight Aggregate Concrete: The Role of Waste and Recycled Materials. Materials [online]. 2020, 13(13). ISSN 1996-1944. Doi:10.3390/ma13133041 [7] Paldyna, J.; Krasnodebska-Ostrega, B.; Kregielewska, K.; Kowalska, J.; Jedynak, L.; Golimowski, J.; Grobelski, T.; FarbiszewskaKiczma, J.; Farbiszewska, T. The Assessment of Environmental Pollution Caused by Mining and Metallurgy Wastes from Highly Polluted Post-Industrial Regions in Southern Poland. Environ. Earth Sci. 2013, 68, 439–450. [8] Pizoń, Jan, Jacek Gołaszewski, Mohamed Alwaeli and Patryk Szwan. Properties of Concrete with Recycled Concrete Aggregate Containing Metallurgical Sludge Waste. Materials. 2020, 13(6). ISSN 1996-1944. doi:10.3390/ma13061448 [9] Muwafaq, Wadhah & Alshareedah, Othman & Hossain, Taimoor. (2016). Properties of Concrete Mix with Crushed Pavement Blocks as Coarse Aggregate. International Journal of Scientific and Engineering Research. 7. [10] Konečný, Petr, Pratanu Ghosh, Kristýna Hrabová, Petr Lehner and Břetislav Teplý. Effective methodology of sustainability assessment of concrete mixtures. Materials and Structures [online]. 2020, 53(4). ISSN 1359-5997. doi:10.1617/s11527-020-01535-3 PŘEHLED POUŽITÝCH METOD: - ČSN EN 206+A2 (732403): Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. - SEM Supra 35VP, spectroscopy (EDS), X-ray micro-computed tomography. - ČSN 1920-10: Stanovení statického modulu pružnosti v tlaku - ČSN 73 1371: Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda zkoušení betonu, - ASTM C1760-12, AASHTO TP 95: Analýza povrchové a objemové resistivity (Wenner probe a RCON). - AASHTO T277: RCPT – rapid chloride permeability test. - NordTest NTBuild 443 – accelerated chloride penetration test. - Metoda konečných prvků – numerické modelování v softwarech ATENA, ANSYS. - Inverzní analýzy v kombinaci se stochastickými principy. - Analytické a numerické řešení prostupu chloridů. HARMONOGRAM PRACÍ: Leden–Duben 2023 Rešerše literatury týkající se PB betonu a jeho udržitelnosti, testování pomocí nových metod (X-ray, EDS a SEM, Wenner probe, RCPT, RCON atd.). Převoz zbývajících vzorků z MSW betonu z předchozího projektu z Gliwic do Ostravy, vyhodnocení naměřených dat a příprava článku zaměřeného na mechanické a trvanlivostní vlastnosti MSW betonu (Cement and Concrete Composites). Rozdrcení PB, testování vlastností získaného kameniva, převoz kameniva z Gliwic do Ostravy pro vytvoření směsí betonů. Návrh PB betonů, testy mechanických vlastností, Příprava numerických modelů. Příprava na betonování (příprava forem). Příprava konferenčních příspěvků (Modelling in mechanics 2023, Non-Traditional Cement & Concrete 2023). Duben–Srpen 2023 Návrh PB betonu, testování mechanických a trvanlivostních vlastností, seskupení experimentálních dat, Převoz vzorků do Szczecina ke studiu struktury betonu. Numerické modelování na základě získaných dat. Květen 2023 Účast na konferenci Modelling in mechanics 2023. Červen 2023 Účast na konferenci Non-Traditional Cement & Concrete 2023. 1.8.2023 Změna hlavního řešitele, hlavní řešitelka musí z projektu odstoupit kvůli ukončení statusu studenta a odevzdání své disertační práce. Přivítání nového člena týmu. Září–Listopad 2023 Vyhodnocení naměřených dat, statistické a korelační analýzy. Dokončení numerického modelování. Příprava publikací (Cement and Concrete Research, Theoretical and Applied Fracture Mechanics). ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ TÝMU: Ing. Marie Horňáková (cca 12 h/týden): - rešerše literatury, - koordinace týmu, testování a vyhodnocení naměřených dat, - statistické a korelační analýzy dat, - numerické modelování a inverzní analýzy, - příprava konferenčních příspěvků a publikací (Modelling in Mechanics 2023, Cement and Concrete Composites, Cement and Concrete Research, Theoretical and Applied Fracture Mechanics), - účast na konferenci Modelling in Mechanics 2023. Hlavní řešitelka musí k 1.8.2023 ukončit své studium a odevzdat disertační práci, proto bude v týmu nahrazena novým Ph.D. studentem Ajayrajem Ramaswami, který je v současné době ve druhém ročníku navazujícího studia. Hlavním řešitelem od 1.8.2023 bude MSc. Olajide Alaba Olaoyenikan, M.Eng, který je studentem doktorského studia na Katedře Stavební mechaniky, FAST, VŠB-TUO od září 2022, jeho školitelem je taktéž doc. Ing. Petr Konečný, Ph.D. a téma jeho disertační práce souvisí s tématem projektu. Hlavní řešitelka ale zůstane s týmem nadále v kontaktu, jelikož je rovněž zaměstnána na Katedře Stavební Mechaniky, FAST, VŠB-TUO, a bude i nadále nápomocná v řešení projektu, aby zajistila jeho plynulé pokračování a úspěšné dokončení. Nebude však nadále členem týmu, aby nedošlo k navýšení počtu členů. Úkoly Ajayraje Ramaswami budou: - rešerše současného stavu poznání týkající se MSW a PB betonu a jeho udržitelnosti, - rešerše literatury týkající se stanovení životnosti staveb, - numerické modelování v ANSYSu a ATENě, - pomoc s testováním, - statistické a korelační analýzy, - pomoc s přípravou publikací (Cement and Concrete Research, Theoretical and Applied Fracture Mechanics). MSc. Olajide Alaba Olaoyenikan, M.Eng. (cca 12 h/týden): - rešerše literatury, - koordinace týmu, testování a vyhodnocení naměřených dat, - inverzní analýzy, numerické modelování prostupu chloridů, - studium mikrostruktury betonu, - příprava konferenčních příspěvků a publikací (Non-Traditional Cement & Concrete 2023, Cement and Concrete Composites, Cement and Concrete Research, Theoretical and Applied Fracture Mechanics). Ing. David Bujdoš (cca 25 hodin celkem, 200 Kč/h): - příprava betonových směsí, testy pevnosti betonu v tlaku - příprava publikace (Cement and Concrete Research) Ing. Jan Dedek (cca 7 h/týden): - rešerše týkající se současného stavu PB betonu a jeho udržitelnosti, - rešerše týkající se testování materiálu, - pomoc s převozem vzorků a testováním, - příprava konferenčních příspěvků (Modelling in Mechanics 2023, Cement and Concrete Research). Bc. Dominik Gřešica (cca 3 h/týden): - rešerše týkající se moderních testovacích metod pro studium mikrostruktury betonu, - příprava moderních numerických modelů pro vyhodnocení a optimalizaci dlouhodobých degradačních testů v softwaru ANSYS, - příprava příspěvku a účast na konferenci (Modelling in Mechanics 2023). Ing. Petr Lehner, Ph.D.: - kontrola a konzultace numerických modelů, testování, inverzních analýz, statistických a korelačních analýz, - převoz vzorků, - kontrola studentů a konzultace individuálních problémů, - příprava konferenčních příspěvků a publikací (Modelling in Mechanics 2023, Non-Traditional Cement & Concrete 2023, Cement and Concrete Composites, Cement and Concrete Research, Theoretical and Applied Fracture Mechanics), - účast na konferenci Non-Traditional Cement & Concrete 2023. PŘEDCHOZÍ DOSAŽENÉ VÝSLEDKY ČLENŮ TÝMŮ: Adese, A. J., O. D. Olajide a O. A. Olaoyenikan. Properties of Concrete Made from Cupola Furnace Slag and Recycled Construction Aggregates. European Journal of Engineering and Technology Research [online]. 2021, 6(7), 52-61. ISSN 2736-576X. doi:10.24018/ejeng.2021.6.7.2642 Lehner, Petr, Marie Horňáková, Jan Pizoń a Jacek Gołaszewski. Effect of Chemical Admixtures on Mechanical and Degradation Properties of Metallurgical Sludge Waste Concrete. Materials [online]. 2022, 15(23). ISSN 1996-1944. doi:10.3390/ma15238287 Lehner, Petr a Marie Horňáková. Effect of Amount of Fibre and Damage Level on Service Life of SFR Recycled Concrete in Aggressive Environment. Buildings [online]. 2021, 11(10). ISSN 2075-5309. doi:10.3390/buildings11100489 Horňáková, Marie a Petr Lehner. Relationship of Surface and Bulk Resistivity in the Case of Mechanically Damaged Fibre Reinforced Red Ceramic Waste Aggregate Concrete. Materials [online]. 2020, 13(23). ISSN 1996-1944. doi:10.3390/ma13235501 Miarka, Petr, Stanislav Seitl, Marie Horňáková, Petr Lehner, Petr Konečný, Oldřich Sucharda a Vlastimil Bílek. Influence of chlorides on the fracture toughness and fracture resistance under the mixed mode I/II of high-performance concrete. Theoretical and Applied Fracture Mechanics [online]. 2020, 110. ISSN 01678442. doi:10.1016/j.tafmec.2020.102812 Horňáková, Marie, Petr Konečný, Petr Lehner and Jacek Katzer. Durability of structural lightweight waste aggregate concrete – electrical resistivity. In: Structural and physical aspects of construction engineering: 4th international conference. High Tatras, 2019 Horňáková, Marie, Katzer, Jacek, Kobaka Janus, Konečný, Petr. Lightweight SFRC Benefitting from Pre-soaking and Internal Curing Process. Materials 2019, 12 (24), 4152. https://doi.org/10.3390/ma12244152 PŘEDCHOZÍ PROJEKTY: SP2019/126: Vliv mechanického poškození na difuzi chloridů v železobetonové konstrukci, SP2020/120: Trvanlivost nosného lehkého betonu z recyklovaného materiálu, SP2021/81: Aplikace a optimalizace numerických modelů pro určení trvanlivosti betonu z recyklovaného materiálu, SP2022/45: Inverzní a korelační analýza lomových, difuzních a mechanických parametrů nekonvenčních betonů. ZDŮVODNĚNÍ PLÁNOVANÝCH FINANČNÍCH NÁKLADŮ: Stipendia: 80 000 Kč – Ing. Marie Horňáková/Ajayraj Ramaswami, 80 000 Kč – MSc. Olajide Alaba Olaoyenikan, M.Eng., 45 000 Kč – Ing. Jan Dedek. 5 000 Kč – Ing. David Bujdoš 20 000 Kč – Bc. Dominik Gřešica Materiál: 25 000 Kč – hardware pro výpočetní PC (procesory pro numerické modelování pro nové Ph.D. studenty), 7 000 Kč – materiál na výrobu betonových vzorků (54 vzorků). 10 000 Kč – laboratorní materiál pro trvanlivostní testy, 12 000 Kč – dřevěný materiál pro výrobu forem, 16 000 Kč – ocelový materiál pro výrobu forem. Drobný hmotný a nehmotný majetek: 1000 Kč – datové nosiče. Služby: 10 000 Kč – vložné na konferenci Modelování v Mechanice 2023, pro 2 účastníky. 25 000 Kč – vložné na konferenci a publikační poplatek na konferenci Non-Traditional Cement & Concrete 2023, pro 2 účastníky. 13 000 Kč – kalibrace. Cestovní náklady 10 000 Kč – cestovné na konferenci Modelování v Mechanice 2023 pro 2 účastníky. 6 000 Kč – cestovné na konferenci Non-Traditional Cement & Concrete pro 2 účastníky. 40 000 Kč – cestovné do Gliwic a Szczecina – pomoc s betonováním, testování a převoz vzorků z/do Ostravy (přibližně 5 cest do Gliwic a 3 cesty do Szczecina pro 1-2 účastníky). Režie 45 000 Kč.

2023

2023

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

null