Opracowanie składa się z czterech zasadniczych części, obejmujących wiedzę z obszaru nauki o materiałach inżynierskich. Jest skierowane do osób zajmujących się problematyką badania właściwości materiałów z matrycą cementową, a szczególnie betonu, najbardziej rozpowszechnionego materiału budowlanego. Omówiono zaawansowane metody badania betonu, umożliwiające poznanie jego specjalnych właściwości, stosunkowo rzadko badanych w praktyce inżynierskiej. Badanie wytrzymałościowe, prowadzone zgodnie z zasadami mechaniki pękania ciała kruchego, uzupełniono badaniami struktury analizowanej na płaskich przekrojach (stereologia) oraz na przełomach (fraktografia).

Po wstępie (rozdział 1.), w rozdziale 2. podano w sposób syntetyczny informacje dotyczące współczesnych betonów cementowych. Scharakteryzowano składniki tych betonów, w tym szczególnie domieszki polimerowe (superplastyfikatory) i dodatki (pył krzemionkowy), ze względu na rolę, jaką odgrywają oba te składniki w uzyskiwaniu betonów nowej generacji. Podano także klasyfikację betonów modyfikowanych domieszkami i dodatkami, ze względu na osiąganą przez nie wytrzymałość na ściskanie.

Rozdział 3. obejmuje parametry mechaniki pękania oraz zawiera opis metod badania odporności na pękanie. Scharakteryzowano w nim podstawowe parametry liniowo – sprężystej mechaniki pękania najczęściej stosowane w badaniach materiałów inżynierskich. Omówiono dwa, z pośród trzech istniejących, modele pękania, mających zastosowanie do materiałów budowlanych, takich jak: stale i kompozyty z matrycą cementową (głównie betony) oraz drewno.

Parametry liniowo – sprężystej mechaniki pękania są powszechnie uznawane za skuteczny miernik wytrzymałości materiałów kruchych, do których zalicza się betony. Wiele prac badawczych wykonanych w ostatnich dwudziestu latach wykazało dużą przydatność liniowo – sprężystej mechaniki pękania (LSMP) do oceny odporności na pękanie materiałów z matrycą cementową, co sprawia, że problematyka ta jest nadal aktualna.

Podano procedury przeprowadzenie badan odporności na pękanie metali według I modelu, zgodnie z PN-87/H-04335: Metale. Metoda badania odporności na pękanie w płaskim stanie odkształcenia oraz według opracowanego dla betonów projektu zaleceń.

Z powodu wieloletniego braku zleceń i uregulowań normatywnych badania odporności na pękanie betonów, wytyczne PN-87/H-04335, oparte na ASTM E-399-83: Plane-Strain Fracture Toughess of Metallic Materials, były szeroko stosowane w badaniach materiałów z matrycą cementową. Dopiero powstały w 1989 r. projekt zaleceń RILEM uporządkował procedury badania betonów i umożliwił prowadzenie badań w jednolitych warunkach.

W rozdziale 3. przedstawiono także metodę badania odporności na pękanie według II modelu (ścinanie), który jest uznawany w literaturze przedmiotu za szczególnie przydatny do betonów, ze względu na ich małą odporność na ten rodzaj naprężeń.

Kolejna część opracowania (rozdział 4.) obejmuje wiedzę z zakresu badań struktury materiałów. Podano w niej podstawowe parametry struktury stosowane do prowadzenie analiz w różnych przestrzeniach (od R⁽⁰⁾ do R⁽³⁾), odnoszące siędo składu fazowego kompozytów.

Podano parametry określane na płaszczyźnie, na prostej i w postaci punktów, wynikające z fundamentalnych w stereologii zasad Cavalieriego i Cavalieriego-Hacquerta, umożliwiających ilościowe charakteryzowane struktury. W tej części podano również, podstawowe parametry fraktograficzne odnoszące się do linii profilowych i powierzchni przełomów: wskaźnik rozwinięcia linii profilowej R_L i wskaźnik powierzchni przełomów R_S oraz ich wzajemne relacje.

W ostatniej części (rozdział 5.) zamieszczono przykłady zastosowań metod badawczych inżynierii materiałowej, tj. badań wytrzymałościowych ( z określeniem parametrów mechaniki pękania) i badań struktury (parametrów stereologicznych i fraktograficznych). Prezentowane wyniki badań autora opracowania i współpracowników dotyczą wpływu kruszywa grubego, czasu dojrzewania i domieszek polimerowych na strukturę betonów oraz ich wytrzymałość na ściskanie i odporność na pękanie. Przedstawiono również wyniki badań zapraw cementowo – polimerowych z użyciem liniowo – sprężystej mechaniki pękania, a także zastosowanie parametrów stereologicznych do badanie porowatości betonu utwardzonego oraz zastosowanie geometrii fraktrali do badanie powierzchni przełomów zwykłych i wysokowartościowych. W tym fragmencie opracowania zamieszczono również charakterystyczne obrazy mikrostruktur warstwy przejściowej kruszywo/zaczyn cementowy, uzasadniające zróżnicowanie przebiegu procesu niszczenia betonów i uzyskiwanych wartości parametrów mechaniki pękania.

WSTĘP

WSPÓŁCZESNE BETONY CEMENTOWE

1. Wiadomości ogólne

2. Skład mieszanki i jej właściwości

3. Modyfikowanie struktury betonów polimerami

4. Podział betonów

LINIOWO – SPRĘŻYSTA MECHANIKA PĘKANIA

1. Wiadomości ogólne

2. Charakterystyka pojęć liniowo – sprężystej mechaniki pękania

   1. Teoria Griffitha i Irwina

   2. Modele pękania

   3. Teoria pękania według Irwina

   4. Funkcja podatności próbki

   5. Próbki stosowane w badaniach odporności na pękanie

   6. Parametry mechaniki pękania przy znacznym odkształceniu plastycznym

3. Badania odporności na pękanie w zakresie liniowo – sprężystym

   1. Dane ogólne do wyznaczania współczynnika intensywności naprężeń K_IC

   2. Procedura badawcza

   3. Zastosowanie liniowo – sprężystej mechaniki pękania do materiałów z matrycą cementową

STRUKTURA MATERIAŁÓW

1. Wiadomośći ogólne

2. Metody badań struktury

3. Parametry stereologiczne struktury

   1. Klasyfikacja parametrów stereologicznych struktury (podział i charakterystyka)

   2. Podstawowe parametry stereologiczne w różnych przestrzeniach

   3. Skład objętościowy kompozytu – zasada Cavalieriego

   4. Określenie liczby i wielkości cząstek

4. Badania fraktograficzne

   1. Klasyfikacja przełomów

   2. Podstawowe parametry fraktograficzne

   3. Związek wskaźnika rozwinięcia powierzchni przełomu R_S

   4. Wymiar fraktalny linii profilowej i powierzchni przełomu

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTÓW CEMENTOWYCH Z ZASTOSOWANIEM LINIOWO – SPRĘŻYSTEJ MECHANIKI PĘKANIA, STEREOLOGII I FRAKTOGRAFII

1. Wiadomości ogólne

2. Wpływ rodzaju kruszywa grubego na właściwości betonów

   1. Wprowadzenie

   2. Warstwa przejściowa kruszywo/zaczyn cementowy

   3. Wymagania wobec kruszyw grubych

   4. Koncepcja badawcza

   5. Podsumowanie badań

3. Wpływ domieszek polimerowych na właściwości betonów

   1. Wprowadzenie

   2. Koncepcja badawcza

   3. Podsumowanie badań

4. Badanie zapraw cementowo – polimerowych

   1. Wprowadzenie

   2. Koncepcja badawcza

   3. Podsumowanie badań

5. Zastosowanie stereologii do oceny porowatości betonu

   1. Wprowadzenie

   2. Koncepcja badawcza

   3. Podsumowanie badań

6. Związek wymiaru fraktalnego z właściwościami betonów

   1. Wprowadzenie

   2. Cel i zakres badań

   3. Analiza wyników badań

   4. Podsumowanie badań