Projekty a granty

Experimentální měření elektrochemických vlastností betonu ve spojitosti s odolností proti pronikání chloridů a numerické modelování

SP2017/144

Správný popis degradačních procesů, produkce kvalitnějších betonových směsí nebo trvanlivějších konstrukčních systémů může přispět ke snížení celkových nákladů konkrétní železobetonové konstrukce. Transportní procesy v porézních materiálech mohou mít významný vliv na jejich trvanlivost a spolehlivost. U betonu souvisí pronikání látek přímo s pórovitostí v cementové matrici. Samotná difuze agresivních látek, mezi které řadíme oxid uhličitý nebo chloridové ionty, může vést k zvýšenému riziku koroze betonové výztuže a snížení únosnosti konstrukce. Dřívější výzkumy prokázaly, že znalost difuzního součinitele vede k lepšímu popisu pronikání chloridových látek do konstrukce ( [5], [6], [7] a [8]) Projekt přímo navazuje na projekty SGS SP2014/186, SP2015/131 a SP2016/134. V první fázi se výzkum soustředil na určování možností pro výpočet spolehlivosti mostních konstrukcí ze železobetonu, přičemž vstupní hodnoty byly získány díky spolupráci se zahraničními kolegy [7]. Byly předloženy výsledky v oblasti analýzy vysokohodnotného betonu [10] a také několik publikací zabývající se numerickým modelováním difuze chloridů [12][13][14]. U projektu SP2016/134 bylo přikročeno k vyhodnocení možností pro experimentální zjišťování difuzního součinitele betonu, který je hlavním faktorem při pronikání chloridových iontů v železobetonových konstrukcích – jmenovitě Analýza chloridového profilu ([4], [9]), Rapid Chloride Permeability Test [3], Analýza elektrické resistivity pomocí Wennerovy sondy a pomocí Parallel Plate AC Resistivity (Elektrická resistivita pomocí nerezových desek), ([1], [2], [8], [11]). V rámci projektu byla navázána spolupráce se Slezskou polytechnikou v Gliwicích, kde jsou některé metody dlouhodobě využívány. Současně bylo přikročeno k nákupu laboratorních měřících zařízení, které mají sloužit k vytvoření měřícího systému pro elektrochemické experimenty. Zároveň s experimentálním zaměřením se část projektu soustředila na optimalizaci a rozvoj numerických modelů pro výpočet koncentrace chloridů v betonových mostovkách (např. [12]) s ohledem na nové poznatky z laboratorních testů a požadavky praxe. Z hlediska časové náročnosti při přípravě samotných experimentálních postupů a výrobě laboratorních vzorků nebyly plánované experimenty dokončeny před ukončením projektu, z čehož plyne potřeba pokračovat v jejich dokončení a vyhodnocení v rámci projektu nového. Nadále bude pokračovat rozšiřování spolupráce s univerzitou v Gliwicích. Současně s tím vyvstaly nové otázky v rámci numerického modelování související s přesností výsledků, jejich experimentálním ověřením a časovou náročností při pravděpodobnostním přístupu. Všechny získané poznatky a nabité znalosti poslouží hlavnímu řešiteli při přípravě disertační práce soustředící se na zde popsaná témata. Literatura [1] AASHTO T277-93. Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride. Washington, DC [USA]: American Association of State and Highway Transportation Officials, 1993. [2] AASHTO TP95-11. Standard Method of Test for Surface Resistivity Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration. Washington, DC: American Association of State and Highway Transportation Officials, 2011. [3] Tang, L., L.O. Nilsson. Rapid Determination of the Chloride Diffusivity in Concrete by Applying an Electrical Field. ACI Materials Journal. 1992, vol. 89, issue 1, s. 40-53. [4] ČSN EN 14629. Stanovení obsahu chloridů v zatvrdlém betonu. Praha: ČNI, 2008. [5] 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. [6] 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. [7] 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. [8] Kurgan, G., J. Comparison of Chloride Penetrability, Porosity, and Resistivity for High Performance Concrete. State College, PA [USA], 2003. Diplomová práce. Pennsylvania State University. Vedoucí práce P.J. Tikalsky. [9] NT BUILD 443. Concrete, hardened: Accelerated chloride penetration. Espoo [Finland]: Nordtest, 1995. [10] Konecny, P., Lehner, P. Durability of binary and ternary concrete mixtures considering aging effect (2015) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 10 (4), pp. 1697-1700. http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0- [11] Newlands M.D., Jones M.R., Kandasami S., Harrison T.A. Sensitivity of electrode contact solutions and contact pressure in assessing electrical resistivity of concrete (2008) Materials and Structures/Materiaux et Constructions, 41 (4), pp. 621-632. [Online] http://link.springer.com/article/10.1617%2Fs11527-007-9257-6 [12] Konečný, P. (2015). Vyhodnocení trvanlivosti železobetonových mostovek s ohledem na vliv chloridů a na rozptyl vstupních parametrů. Habilitační práce. VŠB-TU Ostrava, Česká Republika. http://fast10.vsb.cz/konecny/files/konecny-habilitace.pdf [13] Konecny, P., Lehner, P. Durability of binary and ternary concrete mixtures considering aging effect (2015) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 10 (4), pp. 1697-1700. [14] Konečný, P., Lehner, P. Durability Assessment of Concrete Bridge Considering Waterproof membrane and Epoxy-Coated Reinforcement. In 1st Czech-China Scientific Conference 2015. VSB – Technical University of Ostrava. PŘEHLED POUŽITÝCH METOD Numerická analýza pomocí MKP modelu Optimalizace konečně prvkových numerických modelů s využitím vhodných postupů. Analýza elektrické resistivity pomocí Wennerovy sondy Vybavení a materiál – Wennerova sonda se čtyřmi elektrodami, manipulační pomůcky, vzorky. Metoda je dostupná na VŠB-TUO. Vyzkoušena v předchozích výzkumech. Kratší doba experimentu. Parallel Plate AC Resistivity (Elektrická resistivita pomocí nerezových desek) Vybavení a materiál – stanice pro měření odporu, kabeláž a sondy, nerezové desky, těsnící materiál, manipulační pomůcky, vzorky. Metoda zatím nebyla vyzkoušena na VŠB-TUO. Systém pro měření je v přípravě pro aplikací na betonových vzorcích. Rapid Chloride Permeability Test - RCPT Vybavení a materiál – testovací zařízení měřící proud, testovací kapsy pro vzorky, manipulační pomůcky, vzorky. Metoda není dostupná na VŠB-TUO, ale je dostupná v Slezské polytechnice v Gliwicích. ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Ing. Petr Lehner – příprava a vyhodnocení měření, sepsaní článků, výjezd na konferenci, doprava vzorků z výroby (Uherský Ostroh) do laboratoří na VŠB Fast a v Gliwicích, účast na testech v Gliwicích. doc. Ing. Petr Konečný, Ph.D. – příprava a kontrola článků, kontrola měření, výjezdy na univerzitu v Gliwicích. Ing. Monika Kubzová - pomoc při laboratorních testech, kontrola výstupů a publikací. PŘEDCHOZÍ DOSAŽENÉ VÝSLEDKY ČLENŮ TÝMU 1. Konečný, P., Ghosh, P., Lehner, P. Consideration of time-effect on the modeling of chloride diffusion in concrete. In Modelování v mechanice 2013 : sborník příspěvků vědecké konference : 22. a 23. května 2013, Ostrava, Czech Republic. Ostrava : VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2013, s. 1-7. 2. Lehner, P., Konečný, P. Analýza 2D difuze chloridů pomocí metody konečných prvků s ohledem na model s časově závislým difuzním součinitelem. In Structura Stavební trendy 2013 : 3. ročník mezinárodní stavební konference : ekologie, energetika, bezpečnost, udržitelnost : sborník prací ke konferenci : Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební, 7.11-8.11.2013. Ostrava : VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2013, s. 147-152. 3. Lehner, P., Konečný, P., Ghosh, P. Finite element analysis of 2-D chloride diffusion problem using FEA considering time-dependent diffusion coefficient model. In Proceeding of the international conferences : AMATH'13, DIMACOG'13, CSECS'13, IPPR'13, REMOTE'13, COSTMA'13, USCUDAR'13 : Budapest, Hungary, December 10-12, 2013. Cambridge : WSEAS Press, 2013, s. 1-4. 4. Lehner, P., Konečný, P., Ghosh, P., Tran, Q. Numerical analysis of chloride diffusion considering time-dependent diffusion coefficient (2014) International Journal of Mathematics and Computers in Simulation, 8 (1), pp. 103-106. http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84902473063&partnerID=40&md5=397ea0d70f27c7107cea50fd1219afd5 5. Konecny, P., Lehner, P. Durability of binary and ternary concrete mixtures considering aging effect (2015) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 10 (4), pp. 1697-1700. 6. P. Konecný, P. Lehner, J. Brozovský, M. Krejsa, "Multilevel Durability Analysis of Concrete Bridge Deck Exposed to Chlorides", in J. Kruis, Y. Tsompanakis, B.H.V. Topping, (Editors), "Proceedings of the Fifteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing", Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 18, 2015. doi:10.4203/ccp.108.18 7. Lehner P., Konečný P..: Analýza vybraných vysokopevnostních betonových směsí s ohledem na pronikání chloridů. 12th International Conference on New Trends in Statics and Dynamics of Buildings : conference proceedings : October 16-17, 2014 Bratislava, Slovenská technická univerzita, 2014, strany 348-353, 978-80-227-4259-7 8. Konečný, P., Lehner, P., Turicová, M. Difuzní součinitel pro pronikání chloridů v betonu - vyhodnocení a využití. In Modelování v mechanice 2015: sborník příspěvků vědecké konference: 28. a 29. května 2015, Ostrava, Czech Republic. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2015, s. 51-52. 9. Lehner, P., Brožovský, J. Optimalizace časového kroku a konečných prvků u modelu popisujícího difuzi chloridů. In Modelování v mechanice 2015: sborník příspěvků vědecké konference: 28. a 29. května 2015, Ostrava, Czech Republic. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2015, s. 51-52. 10. Lehner, P., Konečný, P., Krejsa, M., Brožovský, J. Víceúrovňová analýza železobetonové mostovky zatížené chloridy. In Modelování v mechanice 2015: sborník příspěvků vědecké konference: 28. a 29. května 2015, Ostrava, Czech Republic. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2015, s. 51-52. 11. Konečný, P., Lehner, P. Durability Assessment of Concrete Bridge Considering Waterproof membrane and Epoxy-Coated Reinforcement. In 1st Czech-China Scientific Conference 2015. VSB – Technical University of Ostrava. 12. Konečný, P., Lehner, P., Turicová, M., Meca, D. Analýza trvanlivosti železobetonové mostovky, HS2281408. Katedrra stavební mechaniky. Fakulta stavební. VŠB-TUO. 13. Konečný, P., Lehner, P., Brožovský, J., Krejsa, M. Multilevel durability analysis of concrete bridge deck exposed to chlorides (2015) Civil-Comp Proceedings, 108, . 14. Lehner, P., Konečnỳ, P., Brožovskỳ, J. Optimization of time step and finite elements on the model of diffusion of chlorides (2016) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11 (3), pp. 2083-2088. 15. Lehner, P., Konečnỳ, P. Probabilistic durability evaluation of binary and ternary concrete mixtures considering aging effect (2016) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11 (3), pp. 1992-1997. HARMONOGRAM ŘEŠENÍ: únor – výroba a doprava laboratorních vzorků, únor - březen: vyhodnocení zatím dosažených výsledků v oblasti optimalizace numerických modelů železobetonu, publikace v časopise Computers and Concrete, únor – červen – příprava a uskutečnění laboratorní měření na betonových vzorcích v laboratořích na Fast Ostrava a v Gliwicích, červen, červenec – příprava článku pro konferenci ICNAAM 2017, Řecko (numerická analýza, pravděpodobnostní přístupy), srpen – listopad – vyhodnocení zkoušek, příprava publikací (KSCE Journal of Civil Engineering a Periodica Polytechnica Civil Engineering) září – účast na konferenci ICNAAM 2017, Řecko.

2017

2017

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Lehner Petr Ing., Ph.D.