hrvatski

Trajnost cementnih materijala – 3D modeli hidratacije, napredovanja mikrostrukture i prijenosa agresivnih tvari

Prikazani su rezultati poslijedoktorskog usavršavanja na Tehničkom Sveučilištu u Delft-u, Nizozemska, u sklopu Marie Curie FP7 projekta DICEM "Diffusion of Ions in Cementitious Materials" te NZZ projekta "3D model difuzije u cementnim materijalima". Cementni materijali su najviše upotrebljavani građevni materijali i njihova proizvodnja ima veliki utjecaj na okoliš i gospodarstvo. Trajnost cementnog materijala ovisi o brzini prijenosa agresivnih tvari kroz njegovu poroznu mikrostrukturu. Razvoj 3D numeričkih modela hidratacije cementa potaknuo je primjenu novih računalnih metoda za istraživanje utjecaja napredovanja mikrostrukture na svojstva cementnih materijala. Ovaj projekt je unaprijedio numerički paket Hymostruc (engl. HYdration, MOrphology and STRUCture formation), jedan od vodećih modela hidratacije cementa i razvoja mikrostrukture, razvijen u Delftu. Istraživanje je usmjereno prema 1) hidrataciji miješanih (pucolanom poboljšanih) cemenata, i 2) transportu tvari kroz simuliranu poroznu mikrostrukturu, s ciljem predviđanja trajnosti cementnih materijala. Dodavanje pucolanskih materijala (npr. u obliku industrijskih nus-produkata kao što su silikatna prašina, lebdeći pepeo ili zgura) u cement poboljšava primjenska svojstva ugrađenog materijala, te predstavlja glavnu smjernicu prema održivoj proizvodnji cementnih materijala. Stoga je, kao poseban rezultat projekta, u simulacijski program Hymostruc, ugrađen unaprijeđeni model hidratacije cementa i pucolana. Kinetika istodobnih reakcija pet glavnih minerala cementa, kao i pucolana, je povezana s napredovanjem mikrostrukture tijekom hidratacije. 3D model predviđa tijek procesa hidratacije u ovisnosti o raspodjeli veličine čestica, omjeru vode, cementa i pocolana, temperaturi, kemijskom sastavu i morfologiji napredovanja mikrostrukture. Numerički rezultati su uspoređeni s eksperimentalnim rezultatima (29Si NMR u čvrstom stanju, bse-ESEM, XRD, TGA, FT-IR, mikro-kalorimetar), te pokazuju primjenjivost numeričkog modela, temeljenog na rastu poli-disperznih sfera, za simuliranje hidratacije pucolanom poboljšanih cementnih sustava. Digitalizirana 3D mikrostruktura dobivena dostupnim modelima hidratacije predstavlja pogodnu osnovu za analizu utjecaja parametara istraživanog sustava na efektivni koeficijent difuzije. Takav fundamentalni pristup doprinosi boljem razumijevanju proučavane fenomenologije prijenosa tvari koji će poboljšati pouzdanost predviđanja trajnosti cementnih materijala. Više-veličinski opis mikrostrukture predstavlja veliki izazov kod modeliranja prijenosa tvari u cementnim materijalima. Projekt je predstavio novi više-veličinski pristup određivanja efektivnog koeficijenta difuzije u poroznim materijalima koristeći 3D digitalne slike. Nadalje, istražen je prijenos tvari u vodo-nezasićenim uvjetima, primjenom razvijenog 3D numeričkog modela za opis ravnotežne raspodjele kapljevite i plinske faze unutar poroznog medija pri različitim udjelima zasićenja vodom. Numerički 3D više-veličinski pristup za istraživanje utjecaja parametara istraživanog sustava na efektivni koeficijent difuzije, je u konačnici uporabljen kao efektivni ulazni parametar za homogenizirani 1D nelinearni numerički model Nernst-Planck-ova proširenja opisa difuzije iona koji uzima u obzir: a) električne interakcije kod difuzije više-komponentnih iona, te b) vremenski i prostorno promjenjivi efektivni koeficijent difuzije uslijed razvoja mikrostrukture. Uporabljeni komplementarni pristup modeliranju predstavlja fundamentalni alat za povezivanje hidratacije i razvoja mikrostrukture s više-ionskom difuzijom u cementnim (poroznim, reaktivnim, viševeličinskim) materijalima, koji omogućuje pouzdaniji pristup predviđanju trajnosti cementnih materijala.

cementni materijali; trajnost; 3D modeliranje; više-veličinsko modeliranje; efektivna difuzija; reakcije hidratacije; mikrostruktura

nije evidentirano