Projekty a granty

Aplikace a optimalizace numerických modelů pro určení trvanlivosti betonu z recyklovaného materiálu

SP2021/81

PŘEDMĚT VÝZKUMU: Předkládaný projekt je zaměřen na modelování 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 trvanlivost, pomocí přímých i nepřímých metod [2]. Byl také zkoumány a vyhodnoceny betonové vzorky s různým objemem drátkové výztuže a s různou úrovni mechanického poškození [3]. Hlavním cílem projektu je ověření degradačního modelu implementovaného v softwaru ATENA a také využití konečně-prvkového modelu pro určení trvanlivosti z hlediska působení chloridů [4,5]. Vhodný popis a modelování degradačních procesů vede k produkci kvalitnějších kompozitních směsí nebo trvanlivějších konstrukčních systémů, a tím může přispět ke snížení celkových nákladů na životní cyklus železobetonových konstrukcí. Na celkové životní náklady stavby mají významný vliv transportní procesy v porézních materiálech, a to s ohledem na jejich trvanlivost a spolehlivost. Samotná difuze agresivních látek, mezi které řadíme oxid uhličitý nebo chloridové ionty (obsažené v posypových solích), může vést ke zvýšenému riziku koroze betonové výztuže a snížení únosnosti konstrukce. Modelování těchto procesů, jak pomocí analytických postupů, tak metodou konečných prvků, je důležitou součástí výzkumu, a to i se zohledněním náhodně proměnného charakteru sledovaných parametrů. Klíčovým vstupním parametrem při modelování difuze v betonu je difuzní koeficient. Dřívější výzkumy prokázaly, že znalost difuzního součinitele umožňuje aproximovat pronikání chloridových látek do konstrukce v čase [6]. Použití recyklovaných materiálů pro výrobu betonu je dnes již relativně běžné, avšak normový postup pro možné použití takového betonu pro výstavbu je zatím stále v přípravě. Ve výzkumu vlastností pokročilých betonů je možno použít postupy používané i při návrhu běžného betonu, avšak je třeba je ověřovat [8]. Výzkum takových druhů betonu s ohledem na mechanické vlastnosti, posuzování trvanlivosti [7], ověřování metod výpočtu difuzních charakteristik a modelování difuzního chování je tedy vysoce aktuální. Proto byla navázaná a stále pokračuje spolupráce s odborníky na návrh a testování betonových směsi z recyklovaného materiálu na univerzitě v Olsztynu (prof. Katzer [1, 2, 9, 10]) a v rámci ní budou pro testování trvanlivosti pomocí NT Build 443, RCONu a Wennerovy sondy i v tomto projektu připraveny další betonové vzorky, a to na náklady polské strany. Pro podrobnější popis vlastností betonu bude změřena a vyhodnocena také jeho tepelná vodivost. Vzhledem k tomu, že z dosavadních výsledků vyplývá, že navržený beton z cihelného recyklátu a pórovitého jílovitého kameniva není z hlediska trvanlivosti vhodný do agresivního prostředí, bude změřeno a vyhodnoceno, jaké jsou jeho tepelné vlastnosti pro případné využití betonu jako tepelného izolantu. Bude provedena studie závislosti tepelné vodivosti na dalších vlastnostech betonu (pevnost v tlaku, hustota, rezistivita) - podobné studie byly provedené např. v [11] u betonu obsahujícího uhlík a u keramického pórobetonu v [12], a na mechanickém poškození betonu (v případě klasického betonu zkoumáno např. v [13]). Pro posouzení udržitelnosti navržené směsi bude použita metodika popsaná např. v [14], která bere v úvahu mechanické vlastnosti, trvanlivost, eko-náklady a finanční náklady na výrobu betonu. Výsledkem projektu bude návrh procesu analýzy betonu z recyklátu s ohledem na agresivní podmínky prostředí a vlivu mechanického poškození na pronikání chloridů. Projekt úzce souvisí s tématem disertační práce hlavního řešitele (Numerické modelování difuze chloridů v betonu z recyklovaného kameniva). REFERENCE: [1] Horňáková, M., Katzer, J., Kobaka J., Konečný, P. Lightweight SFRC Benefitting from Pre-soaking and Internal Curing Process. Materials 2019, 12 (24), 4152. https://doi.org/10.3390/ma12244152 [2] Horňáková, M., Lehner, P., Le, T. D., Konečný, P, Katzer, J. Durability Characteristics of Concrete Mixture Based on Red Ceramic Waste Aggregate. Sustainability [online]. 2020, 12(21). ISSN 2071-1050. doi:10.3390/su12218890 [3] Horňáková, M., Lehner, P. 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 [4] Lehner, P., Konečný, P., Kotrasová, K., Kormaníková, E., Kmeť, S.. Numerical model of time-dependent diffusion of chlorides in the concrete based on 2D four-node isoparametric element. MATEC Web of Conferences [online]. 2020, 310. ISSN 2261-236X. doi:10.1051/matecconf/202031000020 [5] Le, T. D., Lehner, P., Konečný, P. Advanced Model of Chloride Penetration Considering Concrete Heterogeneity. Procedia Structural Integrity [online]. 2018, 13, 1702-1707. ISSN 24523216. doi:10.1016/j.prostr.2018.12.354 [6] Konečný, P., Lehner, P., Ghosh, P., Morávková, Z., Tran, Q. Comparison of procedures for the evaluation of time dependent concrete diffusion coefficient model. Construction and Building Materials [online]. 2020, 258. ISSN 09500618. doi:10.1016/j.conbuildmat.2020.119535 [7] 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. Dostupné z: doi:10.3390/ma13133041 [8] Silva, R. V., De Brito, J., Neves, R., Dhir, R. Prediction of Chloride Ion Penetration of Recycled Aggregate Concrete. Materials Research [online]. 2015, 18(2), 427-440. ISSN 1516-1439. Dostupné z: doi:10.1590/1516-1439.000214 [9] Cichocki, K., Domski, J., Katzer, J., Ruchwa, M. 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). DOI: 10.1515/tvsb-2015-0005. ISSN 1804-4824. [10] 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. [11] Wu, T., Huang, R., Chi, M., Weng, T. (2013). A study on electrical and thermal properties of conductive concrete. Computers and Concrete. 12. 10.12989/cac.2013.12.3.337. [12] Wang, Q.X., Shi, Y.X., Shi, J.B., Zhang, Y.G., Liu,W. An experimental study on thermal conductivity of ceramsite cellular concrete. In: Proceedings of the 2015 International Conference on Structural, Mechanical and Material Engineering [online]. Paris, France: Atlantis Press, 2015, 2015, s. ISBN 978-94-6252-144-5. doi:10.2991/icsmme-15.2015.16 [13] Zhang, W., Min, H., Gu, X. Temperature response and moisture transport in damaged concrete under an atmospheric environment. Construction and Building Materials [online]. 2016, 123, 290-299. ISSN 09500618. doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.07.004 [14] Vymazal, T., Teply, B., Hrabova, K. The assessment and prediction of concrete sustainability. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering [online]. 2019, 583. ISSN 1757-899X. doi:10.1088/1757-899X/583/1/012035 PŘEHLED POUŽITÝCH METOD: - Analýza elektrické resistivity (Wennerova sonda a RCON): Experimentální metoda, kterou se dlouhodobě zabývá Katedra stavební mechaniky FAST VŠB-TUO. Výhodou je rychlost a možnost nedestruktivního měření a tím pádem zahrnutí změny difuzních parametrů v čase. - 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, - Metoda konečných prvků – modelování průniku chloridů – numerické modely, software ATENA, případně ANSYS. - Analytické řešení difuze chloridů. HARMONOGRAM PRACÍ: leden–březen – rešerše, testování vzorků z předchozího projektu, příprava numerických modelů, příprava abstraktů a konferenčních příspěvků (fib Symposium 2021, Modelování v mechanice 2021) duben–srpen – numerické modelování difuze v nepoškozeném a poškozeném betonu, ověřování degradačního modelu v softwaru ATENA a porovnání s výsledky získanými analytickým řešením a měřením, příprava publikací (Construction and Building Materials, Structural Concrete: Journal of the fib) květen – Modelování v mechanice 2021 14. – 16. červen – fib Symposium 2021 září–listopad – dokončení, překlady, korektury a zaslání publikace, recenzní řízení ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Ing. Marie Horňáková (cca 12 hod/týdně) – rešerše literatury, vyhodnocení dat ke zjištění difuzních charakteristik betonu na zbývajících vzorcích z předcházejícího projektu, posouzení udržitelnosti betonové směsi a porovnání s dalšími betony, koordinace testování a vyhodnocení dat z měření, provedení chemických analýz za účelem stanovení koncentrace chloridových iontů pomocí NT 443, stanovení koncentrace chloridových iontů pomocí potenciometrické titrace, stanovení chloridového profilu pomocí AgNO3 spray testu, příprava numerických modelů a numerické modelování, příprava konferenčních příspěvků a publikací (Modelování v mechanice 2021, fib Symposium 2021, Construction and Building Materials, Structural Concrete), účast na konferencích. Ing. Nela Freiherrová (cca 4 hod/týdně) – rešerše literatury zaměřené na numerické modelování struktury betonu a difuze chloridů v betonu, pomoc s modelováním a kontrola numerických modelů, pomoc s přípravou publikace s ohledem na numerické modelování, Ing. arch. David Juračka (cca 5 hod/týdně) – rešerše literatury zaměřené na posuzování udržitelnosti betonu, pomoc s vyhledáním a výpočtem ekonákladů, ceny materiálu, pomoc s testováním trvanlivostních charakteristik (Wennerova sonda, RCON, NT 443), pomoc s přípravou publikace s ohledem na posouzení udržitelnosti a testování trvanlivostních charakteristik, Ing. Kateřina Stejskalová (cca 7 hod/týdně) – rešerše literatury zaměřené na měření tepelných vlastností a závislosti na mechanických vlastností betonu, měření a vyhodnocení tepelných vlastností zkoumaného betonu, příprava publikace zaměřené na tepelné vlastnosti betonu, Ing. Petr Lehner – kontrola numerických modelů, převoz vzorků, pomoc při testování. PŘEDCHOZÍ NEJVÝZNAMĚJŠÍ DOSAŽENÉ VÝSLEDKY ČLENŮ TÝMU: 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 Horňáková, Marie, Petr Konečný, Petr Lehner, Martin Krejsa and Tuan Duc Le. Durability analysis of concrete bridge deck exposed to the chloride ions using direct optimized probabilistic calculation. Transactions of the VSB – Technical University of Ostrava, Civil Engineering Series [online]. 2019, 19(1), 1-7. DOI: 10.35181/tces-2019-0001. 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 Konečný, Petr, Petr Lehner, Dita Vořechovská, Martina Šomodíková, Marie Horňáková a Pavla Rovnaníková. Evaluation of durability-related field inspection data from concrete bridges under service. Archives of Metallurgy and Materials. 2020, 65(1), 81-89. ISSN 2300-1909. doi:10.24425/amm.2019.131099 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 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 Rozpočet – zdůvodnění jednotlivých položek Stipendia: 70 000 Kč – Ing. Marie Horňáková 30 000 Kč – Ing. Nela Freiherrová 45 000 Kč – Ing. Kateřina Stejskalová 35 000 Kč – Ing. arch. David Juračka Materiálové náklady: 20 000 Kč – obnova hardwaru pro výpočetní PC (např. výkonnější procesory pro numerické modelování), 10 000 Kč – laboratorní materiál pro testy NT 443 a spray test (epoxidový nátěr, boxy, štětce, NaCl, AgNO3). Drobný hmotný a nehmotný majetek : 1000 Kč – datové nosiče Služby 450 EUR (12 000 Kč) – vložné na Symposium fib 2021, 150 EUR (4 000 Kč) – vložné na konferenci Modelování v mechanice 2021, 10 000 Kč – překlady, korektury Cestovní náhrady 33 200 Kč – cestovní náklady, stravné a diety – příprava a převoz vzorků, testování mechanických vlastností – Olsztyn (Polsko) 25 000 Kč – cestovní náklady, ubytování, stravné a diety – fib Symposium 2021, Lisabon (Portugalsko)

2021

2021

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Horňáková Marie Ing., Ph.D.