Wiesława Głodkowska
Koszalin University of Technology
Streszczenie
Monografia przedstawia krajowe i światowe badania dotyczące zastosowania fibrokompozytów do wykonania elementów i konstrukcji budowlanych. Omówono genezę i zakres powstawania złóż piasków, zalegających na terenie Pomorza, jako odpad poprodukcyjny w procesie hydroklasyfikacji kruszyw. Jednym ze sposobów ich zagospodarowania jest użycie tego kruszywa do wytwarzania konstrukcyjnych kompozytów ze zbrojeniem rozproszonym.
Przeprowadzone badania kompozytu o różnej zawartości włókien stalowych pozwoliły dobrać taką ilość włókien, przy której fibrokompozyt wykazuje najlepsze właściwości i spełnia wymagania stawiane materiałom konstrukcyjnym. Zaprezentowane wyniki badań właściwości mechaniczno-fizycznych opracowanego kompozytu drobnokruszywowego wskazują, że proponowany materiał może znaleźć zastosowanie przy wykonywaniu elementów i konstrukcji budowlanych. Stwarza to możliwość wykorzystania zalegających hałd piasku odpadowego, a tym samym częściowo rozwiązuje problem kosztownej rekultywacji terenów wyrobisk kopalnianych. Zastosowanie kruszywa odpadowego na większą skalę pozwoliłoby tym samym na ograniczenie dalszej degradacji środowiska.
Zaproponowano sposób estymacji właściwości kompozytu drobnokruszywowego zbrojonego włóknami metodami nieniszczącymi. Do zidentyfikowania cech takiego kompozytu wytypowano dwie metody. Jedna z nich wykorzystuje indukcję elektromagnetyczną w celu oszacowania zawartości stalowego zbrojenia rozproszonego w kompozycie, druga opiera się na ustaleniu prędkości propagacji fali ultradźwiękowej w przestrzeni kompozytu. Mając zdefiniowane korelacje wybranych cech fibrokompozytu i parametrów badań nieniszczących wyznaczono równania regresji y (cecha fibrokompozytu jako zmienna zależna) względem x i z (natężenie prądu oraz prędkość fali jako zmienne niezależne). Znając prędkość fali i natężenie prądu z równań regresji można określić w sposób nieniszczący podstawowe właściwości fibrokompozytu drobnokruszywowego. W celu weryfikacji równań wykonano w warunkach naturalnych trzy płyty o różnej zawartości włókien stalowych i poddano je badaniom nieniszczącym. Badania wykazały dobrą zgodność między eksperymentem a obliczeniami, co wskazuje na poprawność sformułowanych równań.
Omówiono zagadnienie rozkładu włókien stalowych w drobnokruszywowym kompozycie mineralnym. Zaproponowano model rozkładu włókien stalowych w przestrzeni takiego kompozytu oparty na podstawach statystycznych. Model ten zakłada losowość rozkładu włókien w przestrzeni kompozytu zgodnie z przyjętym rozkładem prawdopodobieństwa. Dokonano doświadczalnej weryfikacji opracowanego modelu. Wyniki rozkładu włókien stalowych w kompozycie mineralnym uzyskane na podstawie modelu statystycznego porównano z wynikami modelu często stosowanego przez innych autorów, opartego na podstawach geometrycznych. Stwierdzono dobą zgodność opisu rozkładu włókien stalowych dla obu modeli. Ponieważ ilość włókien wpływa na wytrzymałość kompozytu przy rozciąganiu, na podstawie badań doświadczalnych opracowano zależność między tą właściwością a ilością włókien w przekroju przebiegającym w pobliżu płaszczyzny zniszczenia materiału w warunkach rozciągania.
Omówiono zasady wymiarowania zginanych elementów fibrobetonowych z wykorzystaniem wytrzymałości resztkowych. Przedstawiono także nowatorską propozycję wyznaczania tej wytrzymałości. Na podstawie badań i analiz, dla wybranych elementów konstrukcyjnych (zginane elementy belkowe oraz elementy płytowe) z drobnokruszywowego fibrokompozytu wytworzonego z piasków odpadowych podano zasady ich wymiarowania wg najnowszych dokumentów normalizacyjnych. Podano również ocenę nośności, zarysowania i ugięć. Stwierdzono, że metody RILEM oraz Model Codel 2010 nie powinny być w obecnej sytuacji stosowane do projektowania zginanych elementów konstrukcyjnych wykonanych z drobnokruszywowego fibrokompozytu. W związku z powyższym podano propozycję wymiarowania takich elementów.
Autorka na podstawie badań i analiz własnych oraz ze współpracownikami podała wnioski dotyczące optymalnych modeli właściwości, autorskich propozycji projektowania i konstruowania elementów konstrukcyjnych z kompozytów drobnokruszywowych, a także obszary ich zastosowania.
Wykazano, że modyfikowany fibrokomopozyt drobnokruszywowy może w pewnych zastosowaniach stanowić alternatywę dla betonu zwykłego. Może być on kontrolowany metodami nieniszczącymi i niszczącymi, podnosząc jego jakość i bezpieczeństwo konstrukcji. Projektowanie elementów z fibrokompozytu drobnokruszywowego wytworzonego z piasków odpadowych może być realizowane wg metodyki zaproponowanej w monografii, opartej na badaniach i analizach zgodnie z PN-EN, RILEM i Model Code 2010.
Słowa kluczowe
piasek odpadowy, kompozyt, włókna stalowe, model, właściwości, metody nieniszczące, wymiarowanie elementów, zastosowanie
Waste Sand Fiber Composite – Models of Description of Properties and Application
Abstract
The monograph presents Polish an international research on application of waste sand fiber composite for production of elements and constructions. Origin and range of creation of waste sand deposits, which are located in Polish region of Pomerania are discussed. These sands are by-product obtained during the process called hydroclassification of all-in-aggregate. One of the methods of their utilization is the use of such aggregate for the production of steel fiber reinforced mineral composites.
The study of the composite of different steel fiber content has allowed to choose a number of fibers, which fiber composite exhibits the best properties and meets the requirements of construction materials. Presented results of physical-mechanical properties of the composite developed indicate that the proposed material may be used for the production of elements and constructions. This makes it possible to use the waste littering the sand heaps and thus partially solves the problem of costly reclamation area. The use of waste aggregates on a larger scale would therefore limit the further degradation of the environment.
A method of estimating the properties of a waste sand fiber composite reinforced with steel fibers using non-destructive methods is proposed. Two methods were selected to identify the properties of such a composite. One of them uses electromagnetic induction in order to estimate the content of steel fibers dispersed in the composite space, while the other is based on the determination of ultrasonic wave velocity propagating through the composite. Having defined correlations between the properties of the fiber reinforced composite and non-destructive testing parameters, regression equations were determined. Seven relationships between properties of fiber reinforced composite as the dependent variables and two independent variables, i.e.: amperage and ultrasonic wave velocity, were established. Knowing the amperage and the ultrasonic wave velocity, the basic properties of the fiber reinforced composite can be determined from the regression equations in a non-destructive manner. In order to verify the equations, three slabs with different amounts of steel fibers were made in field under natural conditions, and next subjected to non-destructive tests. The tests showed good compatibility between the experimental results and those of calculations, which indicates the correctness of the formulated equations.
The issue of dispersion of steel fibers in a waste sand fiber composite is discussed. A model for the distribution of steel fibers in the volume of such composite, based on statistics, has been proposed. The model provides for the randomness of fiber distribution in composite space in accordance with the adopted probability distribution. The developed model has been experimentally verified. The results concerning the distribution of steel fibers in mineral composite have been obtained from the statistical model and compared with those of the model frequently applied by other authors on the basis of geometric grounds. Good compatibility of steel fiber distribution for a description of both models has been ascertained. As the amount of fibers influences the tensile strength of composite, the relationship between the above introduced feature and the quantity of fibers in the cross-section located nearby material tensile failure surface has been developed with reference to the experimental tests.
Principles of dimensioning of bent elements made from fiber-reinforced concrete with the use of residual strength are discussed. An innovative method of determination of such strength is also presented. On the basis of research and analyses, for selected structural elements (bent beam elements and slab elements) produced from waste sand fiber composite, the rules for their dimensioning are given according to the latest standardization documents. The assessment of load capacity, cracks and deflections is also given. It was found that the RILEM and Model Codel 2010 methods should not be used currently for the design of bent structural elements made from waste sand fiber composite. Taking that into consideration, the proposal to dimension such elements is given.
On the basis of own research and analyzes, and conducted with associates, the author presents conclusions concerning optimal models of properties, own proposals for designing and constructing of construction elements from waste sand fiber composite, as well as areas of their application.
It has been proven that modified waste sand fiber composite may be an alternative to plain concrete in some applications. It may be controlled using non-destructive and destructive methods, improving its quality and construction safety. The design of elements made from waste sand fiber composite may be implemented according to the methodology proposed in the monograph, based on research and analyses in accordance with PN-EN, RILEM and Model Code 2010.
Keywords
waste sand, composite, steel fibers, model, properties, non-destructive methods, dimensioning of elements, application
Pełny tekst / Full text
PDF (Polish)
