Wyższa Szkoła Techniki i Przedsiębiorczości we Włocławku INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ Badania struktury kompozytów cementowych symulacje komputerowe CHEMIA symbol ćwiczenia: CW 6 I. Przedmiot instrukcji Przedmiotem instrukcji jest sposób postępowania podczas ćwiczeń laboratoryjnych, których celem jest zapoznanie studenta z symulacjami komputerowymi struktury kompozytów cementowych. Instrukcja obowiązuje w Laboratorium Wyższej Szkoły Techniki i Przedsiębiorczości we Włocławku podczas realizacji zajęć dydaktycznych z przedmiotu Chemia. Instrukcję zaczerpnięto (po wprowadzeniu niewielkich poprawek) z: P. Łukowski, Badania struktury kompozytów cementow1ych, symulacje komputerowe - przewodnik, Politechnika Warszawska, 1994. Podstawy teoretyczne KSZTAŁTOWANIE SIĘ MIKROSTRUKTURY OBSZARU MIĘDZYFAZOWEGO; SYMULACJA HYDRATACJI CEMENTU Symulacja hydratacji cementu odbywa się w dwóch wymiarach (na płaszczyźnie). Ziarna cementu oraz inne składniki mikrostruktury przedstawiane są za pomocą kół o różnej średnicy, a poszczególne fazy zaczynu oznaczane są różnymi kolorami. Istotnym zagadnieniem jest problem skali, zarówno w odniesieniu do przestrzeni, jak i czasu. Tworzące mikrostrukturę kompozytu cementowego składniki stanowią zbiór elementów o rozmiarach od 10-6 mm (pory w fazie amorficznej) do ponad 20 mm (kruszywo grube), co stanowi różnicę 7 rzędów wielkości! Zachowanie dokładnej skali w trakcie modelowania nie jest oczywiście możliwe. Podobny problem dotyczy skali czasowej: modelowanie nie może się odbywać w czasie rzeczywistym (wiązanie i twardnienie cementu przebiega w ciągu ok. 28 dni), symulacja musi przebiegać w sposób przyśpieszony. Podstawę modelu hydratacji stosowanego w niniejszym ćwiczeniu stanowią następujące reakcje chemiczne: C 3S + 5,3H C 1,7SH 4 + 1,3CH S + 1,7CH + 2,3H C 1,7SH 4 W trakcie symulacji procesu uwadniania cementu obserwuje się zjawiska transportu masy i kształtowania powierzchni międzyfazowych między powstającymi produktami reakcji chemicznych. Przedmiotem analizy są następujące czynniki i ich wpływ na przebieg procesu hydratacji: - skład zaczynu, w tym stosunek wodno-cementowy oraz udział aktywnych i nieaktywnych dodatków, - wielkość ziaren cementu i dodatku, - rodzaj kruszywa. 1
Poprzez pomiar zawartości porów oraz fazy utwardzonej w funkcji odległości od powierzchni ziarna kruszywa, możliwa jest analiza powyższych parametrów, a także rozpatrywanie innych występujących zjawisk, jak efekt ściany lub efekt jednostronnego wzrostu. Zawartość porów stanowi parametr decydujący bezpośrednio o szczelności betonu, a tym samym także o jego jakości ze względu na inne cechy mechaniczne. W ćwiczeniu bada się m.in. wpływ zawartości dodatków pucolanowych do cementu na przebieg jego hydratacji; przez właściwości pucolanowe rozumie się zdolność mineralnego dodatku do cementu do wykazania właściwości hydraulicznych w obecności wody i wodorotlenku wapniowego. Właściwości te mogą być charakteryzowane przez współczynnik pucolanowości, wskazujący, ile jednostek wodorotlenku wapniowego może wejść w reakcję z jednostką danego dodatku. Dla czystej krzemionki współczynnik ten wynosi 2,08. Stosowane najczęściej jako dodatki popioły lotne mogą osiągać maksymalną wartość tego współczynnika na poziomie ok. 50% krzemionki, tj. 1,04; przeciętna wartość dla popiołów lotnych wynosi 0,47. W trakcie symulacji analizuje się także efekt ściany i efekt jednostronnego wzrostu. Efekt ściany polega na blokowaniu upakowania ziaren cementu przez powierzchnię kruszywa ( ścianę ), co powoduje, że w pobliżu ziarna powstaje strefa o podwyższonej porowatości i obniżonej zawartości cementu. Efekt jednostronnego wzrostu spowodowany jest także obecnością ziaren kruszywa, których powierzchnia fizycznie ogranicza możliwości powiększania się strefy zhydratyzowanej w jednym kierunku. Ćwiczenie: Badanie kształtowania się mikrostruktury warstwy międzyfazowej - program HYDRA2D Założenia Celem ćwiczenia jest badanie zależności mikrostruktury warstwy międzyfazowej jako funkcji rozmiarów ziaren cementu, obecności dodatków mineralnych oraz rodzaju kruszywa. Ćwiczenie składa się z trzech części, z których każda służy analizie wpływu innego czynnika na przebieg hydratacji cementu. Zestawy wartości parametrów, które powinny być każdorazowo wprowadzane dla zaprojektowania symulacji, podane są w tablicach 1, 2 i 3. Każde zadanie rozpoczyna się od uruchomienia programu. Procedura jest następująca: - wpisać hydra2d i potwierdzić klawiszem Enter; pojawi się strona tytułowa programu - nacisnąć klawisz Esc; pojawi się karta informacyjna programu (w jęz. angielskim) - nacisnąć klawisz Esc; pojawi się Menu główne. Znaczenie poszczególnych opcji jest następujące: 0 - opuszczenie programu 1 - wprowadzenie do wyjściowej mikrostruktury ziaren cementu i/lub dodatku gruboziarnistego 2 - wprowadzenie powierzchni ziarna kruszywa w postaci płaskiej płytki pojawiającej się w centrum obszaru symulacji 3 - wprowadzenie obojętnego lub reaktywnego (pucolanowego) dodatku drobnoziarnistego 4 - uruchomienie symulacji 5 - wyznaczenie zawartości poszczególnych faz, umożliwia także weryfikację stosunku wodno-cementowego (w/c) 6 - wyznaczenie zawartości poszczególnych faz w funkcji odległości od powierzchni ziarna kruszywa 2
7 - wprowadzenie efektu absorpcji ziaren cementu i dodatku na powierzchni kruszywa 8 - skasowanie aktualnie modelowanej mikrostruktury. W trakcie symulacji, poszczególne fazy zaczynu oznaczane są różnymi kolorami, mianowicie: - alit (krzemian trójwapniowy, C 3S) - czerwony, - krzemian wapniowy uwodniony (CSH) - jasnożółty, - wodorotlenek wapniowy (CH) - niebieski, - dodatek obojętny - szary, - dodatek reaktywny (pucolanowy) - brązowy, - kruszywo obojętne - fioletowy, - kruszywo reaktywne - jasnoniebieski, - dyfundujący CSH - zielony. Zadanie 1a. Badanie wpływu rozmiarów ziaren cementu Po uruchomieniu programu należy postępować według następującej procedury: - z menu głównego wybrać 2, - program prosi o podanie połówkowej grubości ziarna kruszywa (enter half thickeness of aggregate); należy wprowadzić wartość 10, - program żąda z kolei wybrania rodzaju kruszywa: 1) obojętne, 2) reaktywne (enter phase of aggregate 1) inert, 2) reactive); należy wybrać kruszywo obojętne - 1, - następuje powrót do menu głównego; należy teraz wybrać p.1, - pojawią się kolejno pytania o: -- liczbę generowanych ziaren cementu w kształcie kół (enter number of circles to generate) -- ich średnicę (enter diameter of circles to generate) -- jaki składnik mają oznaczać (enter phase to be assigned to circles). Wartości poszczególnych parametrów znajdują się w tablicy 1. Tablica 1. Parametry modelu hydratacji w Zadaniu 1a Lp Liczba ziaren cementu Średnica ziaren Składnik 1 152 11 C 3S 2 42 21 C 3S 3 20 31 C 3S - po wprowadzeniu zadanych wartości należy nacisnąć dowolny klawisz w celu dokonania przypadkowego rozmieszczenia elementów mikrostruktury w obszarze symulacji - można to obserwować na ekranie, 3
- następnie należy z menu głównego wybrać 5; pojawi się tablica zawierająca dane o zawartości poszczególnych faz. Poszczególne kolumny zawierają: rodzaj fazy (phase), liczbę odpowiadających jej jednostek powierzchni ekranu (count) oraz jej względną zawartość (fraction). Na podstawie powyższych danych należy obliczyć stosunek wodno-cementowy (w/c) w wyjściowym zaczynie wg wzoru: w l. j. p. fazy porowej = c 3,2 l. j. p. fazy C 3 S l.j.p. = liczba jednostek powierzchni (pixeli) - po naciśnięciu dowolnego klawisza dane z tablicy przedstawione zostaną w postaci wykresu słupkowego, naciśnięcie dowolnego klawisza spowoduje teraz powrót do menu głównego, S Y M U L A C J A uruchomienie symulacji następuje po wybraniu 4; pojawią się kolejno pytania: -- czy symulacja ma przebiegać (do you wish to specify) 0) przez zadaną liczbę cykli (number of cycles) czy 1) do osiągnięcia zadanego stopnia zhydratyzowania (maximum degree of hydration); należy wybrać 1 - do zadanego stopnia hydratacji, -- jaki ma być maksymalny stopień hydratacji (enter maximum degree of hydration); należy wpisać 0.7, -- jaka ma być liczba kroków w 1 cyklu symulacji (enter maximum # of steps per cycle); należy wpisać 500, -- jaki ma być współczynnik wyrażający prawdopodobieństwo powstania w danej objętości zarodka krystalizacji fazy wodorotlenku wapniowego (enter maximum prob. for CH nucleation); należy wpisać 0.01, -- jaki ma być współczynnik skali dla tego procesu (enter exponential scale factor for CH nucleation); należy wpisać 10000, po wprowadzeniu danych należy uruchomić symulację naciśnięciem dowolnego klawisza; na ekranie można teraz obserwować symulowany przebieg hydratacji cementu. Pozioma linia u góry ekranu wskazuje stopień zaawansowania symulacji. Proces ten może trwać od kilku do kilkunastu minut, pojawienie się na ekranie napisu "press any key to continue" oznacza, że symulacja została zakończona, - po powrocie do menu głównego należy wybrać 6, po czym nacisnąć dowolny klawisz, aby spowodować wyświetlenie na ekranie zależności zawartości fazy porowej (porosity) i fazy stałej (CH+C 3S+pozz.) od odległości od powierzchni kruszywa. Zwrócić uwagę na wpływ efektu ściany! Zapisać maksymalne, minimalne i średnie (wyznaczone w przybliżeniu) zawartości fazy porowej i fazy stałej dla opracowanego modelu. po powrocie do menu głównego należy skasować aktualną mikrostrukturę wybierając 8, a następnie przystąpić do wprowadzania kolejnego zestawu parametrów lub do wykonywania Zadania 1b. 4
Zadanie 1b: Badanie wpływu dodatku mineralnego - z menu głównego wybrać 2, wpisać 10 jako połówkową grubość kruszywa i wybrać 1 - kruszywo obojętne, - z menu głównego wybrać 1 i wprowadzić zadane wartości według tablicy 2. Jeśli konieczne jest wprowadzenie dwóch zestawów parametrów w tym samym zadaniu (dla cementu i dodatku gruboziarnistego), należy to robić kolejno, tzn. wprowadzić jeden zestaw dla cementu, wrócić do menu głównego i po ponownym wybraniu 1 wprowadzić drugi zestaw, dla dodatku gruboziarnistego, - przejść do 3 i wprowadzić dane dotyczące dodatku drobnoziarnistego: rodzaj (obojętny, reaktywny - dowolnie) i liczbę ziaren - wg tablicy 2; w niektórych przypadkach nie będzie potrzeby wprowadzania żadnych danych w tym punkcie, Tablica 2. Parametry modelu w zadaniu 1b Lp Liczba Śred- Skład- Liczba ziaren Średnica Składnik Liczba ziaren ziaren nica nik dodatku ziaren dodatku cementu ziaren gruboziar- drobnoziar- nistego nistego 1 42 21 C 3S - - - - 2 37 21 C 3S 6 21 Dodatek - aktywny 3 37 21 C 3S - - - 2094 - wybrać 5 i podobnie jak w Zadaniu 1a obliczyć stosunek wody do spoiwa (w/s) wg wzoru: w s = l. j. p. fazy porowej 3,2 l. j. p. fazy C 3 S+2,2 l. j. p. dodatku Min. Adm. l.j.p. = liczba jednostek powierzchni - wybrać 4 i wpisać wartości jak w Zadaniu 1a (SYMULACJA), - po zakończeniu symulacji wrócić do menu głównego, - po powrocie do menu głównego należy wybrać 6, po czym nacisnąć dowolny klawisz, aby spowodować wyświetlenie na ekranie zależności zawartości fazy porowej (porosity) i fazy stałej (CH+C 3S+pozz.) od odległości od powierzchni kruszywa. Zwrócić uwagę na wpływ efektu ściany! Zapisać maksymalne, minimalne i średnie (wyznaczone w przybliżeniu) zawartości fazy porowej i fazy stałej dla opracowanego modelu. po powrocie do menu głównego należy skasować aktualną mikrostrukturę wybierając 8 Zadanie 1c: Badanie wpływu rodzaju kruszywa - z menu głównego wybrać 2, wpisać 10 jako połówkową grubość kruszywa i wybrać rodzaj kruszywa według tablicy 3 (obojętne lub reaktywne - klinkierowe), - przejść do 1 i wprowadzić zadane wartości według tablicy 3, 5
- jeśli potrzeba (w części 3), przejść do 7, aby zasymulować absorpcję wody przez kruszywo i związane z nią wewnętrzne przegrupowanie ziaren cementu (enter number of pixels to move cement particles inward - należy wpisać 10), Tablica 3. Parametry modelu w Zadaniu 1c Lp Rodzaj kruszywa Liczba ziaren cementu Średnica ziaren cementu Przegrupowanie ziaren cementu na skutek absorpcji wody przez kruszywo 1 Obojętne 42 21-2 Reaktywne - C 3S 42 21-3 Reaktywne - C 3S 38 21 10 - wybrać 5 i podobnie jak w Zadaniu 1a i 1b obliczyć stosunek wody do cementu (w/c) wg wzoru: w l. j. p. fazy porowej = c 3,2 l. j. p. fazy C 3 S l.j.p. = liczba jednostek powierzchni (pixeli) - wybrać 4 i wpisać wartości jak w Zadaniu 1a (SYMULACJA), - po zakończeniu symulacji wrócić do menu głównego, - po powrocie do menu głównego należy wybrać 6, po czym nacisnąć dowolny klawisz, aby spowodować wyświetlenie na ekranie zależności zawartości fazy porowej (porosity) i fazy stałej (CH+C 3S+pozz.) od odległości od powierzchni kruszywa. Zwrócić uwagę na wpływ efektu ściany! Zapisać maksymalne, minimalne i średnie (wyznaczone w przybliżeniu) zawartości fazy porowej i fazy stałej dla opracowanego modelu. Po wykonaniu wszystkich zadań należy skasować bieżącą mikrostrukturę wybierając 8 z menu głównego, a następnie opuścić program przez 0. III. Sprawozdanie W sprawozdaniu zamieścić: 1. Nazwiska i imiona osób wykonujących ćwiczenie w danej grupie. 2. Tytuł ćwiczenia. 3. Cel ćwiczenia. 4. obliczone stosunki wodno-cementowe dla poszczególnych modeli 5. maksymalne, minimalne i średnie zawartości fazy porowej i fazy stałej dla poszczególnych modeli Opracowanie: dr inż. Hanna Dąbrowska 6