Wpływ składu kompozytów cementowych na geometrię ich spękań termicznych

Zmienny charakter oddziaływań środowiskowych (w tym też oddziaływania termiczne) w jakich pracują kompozyty cementowe powoduje w strukturze materiału szereg zjawisk, które mogą powodować zarysowanie kompozytu. Rysy poprzez propagację łączą się, bądź przecinają tworząc na powierzchni materiału charakterystyczną strukturę spękań określaną jako spękania termiczne – spękania klastrowe – spękania bezładne. Powstała struktura klastrowa zgodnie z zasadami samoorganizacji wykazuje fraktalny charakter. W pracy dokonano identyfikacji czynników wpływających na charakterystyki geometryczne spękań termicznych (spękań klastrowych) modyfikowanych zaczynów cementowych oraz określono zależności pomiędzy wybranymi właści¬wościami materiałowymi zaczynów, a parametrami stereologicznymi tych spę¬kań. Modyfikacja zaczynów polegała na zastąpieniu części cementu meta¬kaolini¬tem lub mikrokrzemionką, a także dodaniu zbrojenia rozproszonego w postaci włókien polipropylenowych lub nanorurek węglowych. Przebadanych zostało łącznie 10 serii modyfikowanych zaczynów cementowych, gdzie w ra¬mach każ¬dej serii próbki były wykonywane o trzech wskaźnikach w/s równych odpowie¬dnio 0,4; 0,5; 0,6. W celu ilościowego opisu powierzchniowej struktury spękań termicznych, zaproponowano pomiar i wykorzystanie trzech parametrów stereologicznych: A ̅ – średnie pole powierzchni klastra, L ̅ – średnia długość linii obwodu klastra, I ̅ – średnia szerokość rozwarcia rysy. Opracowano komputerowe procedury ana¬lizy obrazu pozwalające na pomiar powyższych charakterystyk. Wykonane badania laboratoryjne pozwoliły na określenie podstawowych cech materiałowych badanych zaczynów tj., wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie przy zginaniu, gęstość pozorna, skurcz. Obliczono także ich kruchość i przyrost odkształceń liniowych po oddziaływaniu podwyższonej temperatury. Cechy te zo¬stały określone dla próbek wzorcowych i dla próbek po obciążeniu termicznym. Modyfikowane zaczyny cementowe zostały poddane oddziaływaniu temperatury 250°C, przez okres 4 godzin. Taki sposób obciążenia próbek temperaturą sprawił, że powstające w porach i kapilarach zaczynu ciśnienie pary wodnej, oraz odkształ¬cenia objętościowe materiału, spowodowały propagację i przekształcenie rys technologicznych w makrorysy widoczne na powierzchni próbki, które uformo¬wały strukturę spękań klastrowych. Tym samym uchwycony został początkowy etap destrukcji materiału. Przeprowadzone w pracy pomiary, analiza obrazu i rozważania wykazały, że charakterystyki geometryczne klastrów zależą od zmiennych technologicznych w procesie produkcji modyfikowanych zaczynów cementowych, a proces samo¬organizacji struktury kształtowany jest przez oddziaływania międzycząsteczkowe w środowisku dyspersyjnym zaczynu cementowego, oraz od fizyko-chemicznych zmian systemu zachodzących w wyniku procesu hydratacji cementu. Stwier¬dzono, że rozmiar klastra zależy głównie od sił kapilarnych w układzie dyspersyj¬nym woda – ziarna cementu, a także od stężenia fazy dyspersyjnej (ziarna spoiwa) w ośrodku dyspergującym (woda). Dodatkowo odległość pomiędzy między¬klastrowymi powierzchniami rozdziału zależna jest od odkształceń klast¬rów. Opracowano zależności pomiędzy zmierzonymi parametrami stereo¬logiczny¬mi spękań termicznych, a zbadanymi w pracy właściwościami mecha¬nicznymi i fizycznymi zaczynów cementowych. Przeprowadzona analiza wyka¬zała, że parametry fizyczne są silniej skorelowane z charakterystykami geometry¬cznymi spękań klastrowych niż parametry mechaniczne. Badania przeprowadzone z wykorzystaniem SEM i EDS pozwoliły na identy¬fikację mikrospękań termicznych, które stanowią obszary międzyklastrowych powierzchni rozdziału pomiędzy klastrami niższych poziomów, w porównaniu do klastrów obserwowanych po zeskanowaniu powierzchni próbki. Charakter przeprowadzonych badań wpisuje się w definicję badań podsta¬wowych, a otrzymane wyniki w długofalowej perspektywie będą niezbędną pod¬stawą do opracowania nieniszczącej metody badawczej pozwalającej na ocenę stopnia degradacji materiału cementowego, pracującego w rzeczywistej konstruk¬cji budowlanej w warunkach eksploatacji.