7_1_instrukcja.pdf

ZADANIEPRAKTYCZNE1.KOMPUTEROWASYMULACJA

HYDRATACJICEMENTU

Wprowadzenie

Ćwiczenie jest przykładem wykorzystania techniki komputerowej w dziedzinie

inŜynierii materiałów budowlanych. Program komputerowy symulujący przebieg hydratacji

cementu został opracowany w Katedrze InŜynierii Materiałów Budowlanych Politechniki

Warszawskiej. Idea programu oraz wykorzystany w nim model hydratacji cementu

portlandzkiegozostałysformułowanewPaństwowymInstytucieStandaryzacjiiTechnologii,

NIST, w Gaithersburgu, USA we współpracy z Centrum NaukowoTechnologicznym

ZaawansowanychMateriałówCementowych,ACBM.

Celemćwiczeniajestkomputerowasymulacjaianalizazmianmikrostrukturypodczas

hydratacji cementu przebiegającej w zaczynie cementowym, z uwzględnieniem róŜnych

czynnikówwpływającychnaprzebiegtegoprocesu.

ZałoŜeniasymulacji

Przedmiotem symulacji jest reakcja hydratacji (uwodnienia) krzemianów wapnia;

pomijanesąreakcjeglinianutrójwapniowegoiŜelazoglinianuczterowapniowego.Symulacja

odbywa się w dwóch wymiarach (na płaszczyźnie). Ziarna cementu oraz inne składniki

mikrostruktury przedstawiane są za pomocą kół o róŜnej średnicy, a poszczególne fazy

zaczynuoznaczanesąróŜnymikolorami:

cement(reprezentowanyprzezkrzemianywapnia,C 3 SiC 2 S)–czerwony,

fazauwodnionychkrzemianówwapniowych(ŜelCSH)–Ŝółty,

wodorotlenekwapnia(CH)–niebieski,

dodatekaktywny(pucolanowy)orazproduktyjegohydratacji–pomarańczowy,

woda–jasnoniebieski,

pory–biały.

Trudność stanowi problem skali, zarówno w odniesieniu do przestrzeni, jak i czasu.

Tworzące strukturę kompozytu cementowego składniki stanowią zespół elementów o

rozmiarachod10 6 mm(porywfazieŜelowej)doponad20mm(kruszywogrube),costanowi

róŜnicę 7 rzędów wielkości! Zachowanie rzeczywistej skali w trakcie modelowania nie jest

oczywiście moŜliwe. Podobny problem dotyczy skali czasowej: wiązanie i twardnienie

cementu przebiega w ciągu ok. 28 dni, zatem symulacja powinna przebiegać w sposób

przyspieszony.

Program umoŜliwia analizę następujących czynników i ich wpływu na przebieg

hydratacji:

składzaczynu:

współczynnikwoda/spoiwo(w/s),

udziałaktywnych(pucolanowych)dodatkówmineralnych,

rozmiarziarencementuidodatku.

Wykonaniećwiczenia

W trakcie ćwiczenia naleŜy przeprowadzić dwie lub więcej symulacji procesu

hydratacji cementu w zaczynach o zróŜnicowanym składzie. Symulacje te powinny

umoŜliwić analizę wpływu wybranego czynnika (np. współczynnik w/s, rodzaj i/lub

zawartość dodatku pucolanowego, rozmiar ziaren cementu i/lub dodatku) na przebieg i

wynikihydratacji.

Projektzaczynucementowego

Pierwszym etapem jest zaprojektowanie zaczynu cementowego. Projekt zaczynu

obejmujeczteryparametry,którenaleŜyuzgodnićzprowadzącymćwiczenie:

skład spoiwa, tzn. procentowa zawartość cementu, popiołu lotnego i pyłu

krzemionkowego,

rodzajuziarnieniacementuipopiołulotnego;moŜnatuwybraćjednązdwóchopcji:

spoiwooustalonymtypowymuziarnieniu:

w tym przypadku wprowadzany cement będzie zawierał kilka frakcji o

średnicach ziaren 428 mm, popiół lotny będzie zawierał kilka frakcji o

średnicachziaren628mm,pyłkrzemionkowybędziezawierałjednąfrakcjęo

średnicyziaren1mm.UŜytkownikniemawpływunauziarnienieiproporcje

poszczególnychfrakcjicementuanipopiołulotnego,

wybórrozmiaruziaren:

w tym przypadku wprowadzany cement będzie zawierał jedną frakcję o

średnicy ziaren wybranej przez uŜytkownika, popiół lotny będzie zawierał

jednąfrakcjęośrednicyziarenwybranejprzezuŜytkownika,pyłkrzemionkowy

będziezawierałjednąfrakcjęośrednicyziaren1mm,

średnice ziaren cementu i popiołu lotnego (tylko jeśli wybrano opcję „wybór rozmiaru

ziaren”),

współczynnikwoda/spoiwo.

Po wyborze i wprowadzeniu odpowiednich parametrów naleŜy przyciskiem

„Wprowadź”rozmieścićskładnikizaczynuwobszarzesymulacji.Jeślipojawisiękomunikat

informujący, Ŝe uzyskanie wybranego współczynnika woda/spoiwo przy danym składzie

spoiwajestniemoŜliwe,moŜnazmienićprojektzaczynu(opcja„Anuluj”)lubzaakceptować

wartośćwspółczynnikaproponowanąprzezprogram(opcja„OK”).

Przeprowadzeniesymulacji

Po zaprojektowaniu zaczynu cementowego i rozmieszczeniu jego składników w

obszarze symulacji naleŜy podać stopień hydratacji, przy którym symulacja ma zostać

zakończona. Jeśli prowadzący ćwiczenie nie wskaŜe inaczej, naleŜy wybrać 0,7, co

odpowiada około 28 dniom wiązania i twardnienia betonu cementowego. Następnie naleŜy

uruchomićsymulacjęprzyciskiem„Uruchomsymulację”(rys.7.1).

Działanie programu moŜna przerwać w kaŜdej chwili przyciskiem „Zatrzymaj

symulację”.PozatrzymaniusymulacjimoŜnająwznowićprzyciskiem„Wznówsymulację”

lubzakończyćusuwającwprowadzonedaneprzyciskiem„Usuńwszystko”.

Rys.7.1.Widokgłównegooknaprogramuwtrakciesymulacjihydratacjicementu

Wynikisymulacjiisposóbichanalizy

PozakończeniusymulacjinaleŜyuŜyćprzycisku„PokaŜwynik”wcelu wyświetlenia

rezultatów.Okno„Wynikisymulacji”zawieraczteryobszary(rys.7.2):

Rys.7.2.Wynikisymulacji

danewejściowe:

w tym obszarze są podane parametry wprowadzone przez uŜytkownika przed

rozpoczęciem symulacji, tzn. projekt zaczynu cementowego i załoŜony końcowy

stopień hydratacji. NaleŜy zwrócić uwagę na róŜnicę między rzeczywistym a

efektywnymwspółczynnikiemwoda/spoiwo.PowyŜszewspółczynnikimogąsięróŜnić

w przypadku zastosowania dodatku lub dodatków pucolanowych. Rzeczywisty

współczynnik w/s wynika wprost z projektu zaczynu. Efektywny współczynnik w/s

uwzględnia zróŜnicowaną aktywność dodatków pucolanowych w sposób podany w

normiePNEN2061„Beton”iwdecydującejmierzewpływanaporowatośćbetonu;

wyniki:

wtymobszarzesąpodanerezultatyprzeprowadzonejsymulacji:

osiągniętystopieńhydratacji(powinienbyćmoŜliwiezbliŜonydozałoŜonego),

składwagowyfazystałejwstwardniałymzaczynie,czyliprocentowezawartości:

ŜeluCSHpowstałegowwynikuhydratacjicementuireakcjipucolanowej,

wodorotlenkuwapniapowstałegowwynikuhydratacjicementu,

niezhydratyzowanegocementu,

nieprzereagowanegododatkupucolanowego.

porowatość stwardniałego zaczynu i oszacowana na jej podstawie porowatość

betonu.

Zawartość porów kapilarnych w zaczynie cementowym jest podstawową

wielkością mierzoną jako wynik symulacji. Na jej podstawie program dokonuje

oszacowaniaporowatościkapilarnejbetonu,wktórymspoiwemjestdanyzaczyn

cementowy(zakładającproporcjęspoiwo/kruszywotypowądlabetonuzwykłego

oraz typową porowatość kruszywa). Pory kapilarne to pustki o rozmiarach

powyŜej 10 nm, powstające w miejscach zajmowanych wcześniej przez wodę

zarobową. Zawartość tych porów decyduje o szczelności betonu, a tym samym

wpływa na jego wytrzymałość, mrozoodporność, trwałość, itp. W zaczynie

cementowym występują takŜe mniejsze pory, tzw. pory Ŝelowe, które stanowią

naturalną część struktury wewnętrznej stwardniałego zaczynu i nie wpływają na

jakość betonu. Ten rodzaj porowatości nie jest uwzględniany w niniejszej

symulacji;

wykresy przedstawiające zmiany stopnia hydratacji oraz zmiany zawartości fazy stałej w

twardniejącym zaczynie cementowym w czasie hydratacji. Wykresy te pozwalają ocenić

szybkośćhydratacjiijejzmianywróŜnychstadiachprocesu;

wykres przedstawiający zaleŜność porowatości stwardniałego zaczynu cementowego od

odległościodpowierzchniziarnakruszywa.WykrestenumoŜliwiaocenęjakościwarstwy

przejściowejzaczyncementowy–kruszywo,zuwzględnieniemwystępującychtuzjawisk,

takichjak„efektściany”i„efektjednostronnegowzrostu”.

WszystkiepowyŜszeinformacjepozwalająnaocenęjakościbetonu.

W uzgodnieniu z prowadzącym ćwiczenie moŜna wydrukować stronę wyników

(przycisk„Drukuj”),któramoŜebyćwykorzystanajakoprotokółzwynikami.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: