O LITERATURĘ NAUKOWO-BADAWCZĄ
3. CEL I ZAKRES PRACY, METODY, TECHNIKI ORAZ NARZĘDZIA BADAWCZE ORAZ NARZĘDZIA BADAWCZE
Celem niniejszej pracy jest określenie zmienności wytrzymałości gipsu budowla-nego w ujęciu statystycznym, z analizą losowych rozkładów wytrzymałości i wytrzyma-łości gwarantowanych, a także odkształcalności gipsu pod działaniem obciążeń krótko-trwałych, badanych w różnych stanach naprężeń i wilgotności, jako zespół problemów dotyczących mechaniki gipsu stwardniałego. Pochodnym celem tych analiz jest opraco-wanie naukowo-badawczych podstaw do klasyfikacji wytrzymałościowej gipsu jako spoiwa budowlanego, a także do określeń statystycznych charakterystyk wytrzymało-ściowych i klasyfikacji wytrzymałościowej wyrobów z gipsu z uwagi na problemy bez-pieczeństwa nośności elementów.
Postawiony jak wyżej zespół problemów badawczych jest w pracy rozwiązywany na podstawie wyników laboratoryjnych badań właściwości gipsu w ujęciu statystycznym oraz analiz teoretyczno-studialnych dotyczących problemów mechaniki gipsu. Składowe problemy rozwiązywane są w czterech etapach, dotyczących kolejno: spoiw gipsowych, zaczynów w stanie świeżym, gipsów stwardniałych oraz złożonych relacji woda – stwardniały gips.
W problematyce dotyczącej gipsu – jako spoiwa budowlanego – podstawowym celem badawczym jest określenie: zmienności cech składu chemicznego i mineralnego gipsów budowlanych z surowców naturalnych i syntetycznych, zależnie od technologii prażenia; zmienności cech fizycznych i technologicznych, takich jak: wodożądność, uziarnienie warunkowane technologią przemiału; wpływu tych czynników na losowe rozkłady wyrzymałości normowej na ściskanie i zginanie.
Pochodnymi celami są: określenie jednorodności różnych gipsów budowlanych oraz ustalenie statystycznych związków między wytrzymałością normową na ściskanie
fgc,2h w stanie pierwotnej wilgotności a wytrzymałością fgc w stanie suchym i
opracowa-nie algorytmów ustalania wytrzymałości gwarantowanych fgcG,2h i fgcG, wraz z propozy-cją klas wytrzymałościowych gipsu budowlanego, z analitycznym przypisaniem do tych klas odpowiadających statystycznie wytrzymałości średnich i gwarantowanych w stanie suchym i nawilgoconym. Dalszym składowym celem – bloku zagadnień dotyczących spoiw gipsowych – jest rozpoznanie i opisanie właściwości frakcji składowych f1–f8 rozsianego gipsu budowlanego oraz poznawczo – niezbędne określenie parcjalnych stopni hydratacji i powierzchni właściwych dla frakcji składowych.
W problematyce dotyczącej świeżych zaczynów gipsowych postawiono w pracy następujące cele badawcze:
– określenie związków między konsystencją zaczynów a wodożądnością spoiw gip-sowych z różnych technologii ich produkcji;
– ustalenie wpływu konsystencji na jednorodność wytrzymałości gipsów stwardniałych; – analiza zmian konsystencji zaczynów gipsowych jako efektu postępującej w czasie
hydratacji gipsu;
– opracowanie propozycji efektywnych metod szacowań konsystencji dla zaczynów gipsowych, o kolejno różnych wskaźnikach W/G;
– porównawcze analizy czasu początku (tpw) i końca (tkw) wiązania różnych gipsów budowlanych, z surowców naturalnych i syntetycznych, wraz z analitycznym opisem tych wielkości w funkcji wskaźnika W/G.
W problematyce dotyczącej gipsów stwardniałych postawiono w pracy następujące cele naukowo-badawcze, niezbędne do ustaleń elementów mechaniki gipsu: – określenie statystycznych rozkładów wytrzymałości stwardniałych zaczynów z gipsu
budowlanego o różnych wskaźnikach W/G, w różnych stanach naprężeń i wilgotno-ści, wraz z analizą klasyfikacji wytrzymałościowej;
– analityczny opis wytrzymałości gipsu w funkcji wskaźnika W/G, dla różnych stanów naprężeń i wilgotności;
– ustalenie analitycznych związków między poszczególnymi wytrzymałościami gip-sów stwardniałych, w funkcji wskaźnika W/G;
– analityczny opis charakterystyki odkształceń i modułów sprężystości Eg gipsów stwardniałych w różnych stanach naprężeń i wilgotności, w funkcji wskaźnika W/G, pod działaniem obciążeń krótkotrwałych;
– rozpoznanie i opisanie dla elementów zginanych w stanie suchym: funkcji rozkładu odkształceń ε w przekrojach normalnych dla różnych poziomów naprężeń σ/fg, sprężysto-plastycznego wskaźnika wytrzymałości oraz funkcji momentu łamiącego; – rozpoznanie i analityczny opis zależności między wytrzymałością gipsów
stwardnia-łych w stanie suchym fgc a szybkością przepływu ultradźwięków v, a także między wytrzymałością fgc a gęstością gipsu ρ, praktycznie przydatnych do badań wytrzy-małości metodami nieniszczącymi.
W kluczowej dla gipsu problematyce złożonych relacji woda – stwardniały gips postawiono w pracy następujące cele naukowo-badawcze:
– rozpoznanie i opis zmian objętościowych twardniejącego gipsu w procesie pierwot-nego odsychania i w czasie wtórpierwot-nego nawilgocenia,
– opis funkcyjny spadków wytrzymałości gipsu na ściskanie i na rozciąganie przy zginaniu w funkcji wzrastającego poziomu nawilgocenia,
– rozpoznanie problematyki migracji wody przez gips, charakterystyk przepuszczalno-ści wody przez gips oraz zjawisk towarzyszących,
– opis mikrostruktury kapilarnej gipsów stwardniałych w funkcji wskaźnika W/G oraz opis procesu kapilarnego podsiąkania wody przez gips, w oparciu o badania do-świadczalne i analizy teoretyczne składowych problemów.
Wykonane przez autora wstępne rozpoznanie pełzania gipsu w jednoosiowym stanie ściskania, pod działaniem obciążeń długotrwałych, dla gipsów w stanie suchym i nawilgoconym, w pełzarkach sprężynowych wykazało, że badania takie należy wyko-nywać w pełzarkach balastowych, zapewniających dokładność oznaczeń odkształceń pełzania, przy zachowaniu obciążeń σ=const., co trudno jest uzyskać w pełzarkach sprężynowych. Reologia gipsu pozostaje problemem do przyszłych rozstrzygnięć badaw-czych.
Materiałem badanym są gipsy budowlane z surowców naturalnych, uzyskane w trzech różnych technologiach prażenia i mielenia: gipsy naturalne GB-N1 z pieców obro-towych PO i młynów kulowych, gipsy naturalne GB-N2 z prażarek kotłowych PK i młynów kulowych oraz gipsy naturalne GB-N3 z nowoczesnych pieców obrotowych przeponowych POP, z młynami walcowymi z separatorem. Wykonano także równoległe badania gipsów syntetycznych z odsiarczania spalin z węgla brunatnego GS-B i z węgla kamiennego GS-K.
W pracy wykorzystano wyniki wieloseryjnych badań bieżących spoiw w procesie ich przemysłowej produkcji w zakładach przemysłu gipsowego (Klin, Tomasik D., Tomasik M. [130]). Równolegle autor wykonał własne badania składu chemicznego i mineralnego oraz cech fizycznych dla zbioru prób z losowych dostaw rynkowych spoiw gipsowych (Klin [129]). Dla wszystkich ścieżek badawczych wykonano wieloseryjne badania laboratoryjne, z opracowaniem statystycznym analizowanych zagadnień.
Zastosowane narzędzia i techniki badawcze zostały wcześniej dokładnie opisane w pracach [123, 124, 125, 128]. Badania wytrzymałości zostały przeprowadzone w trzech typach maszyn wytrzymałościowych I klasy dokładności, o różnym zakresie: maszynie ZD 10/90 o zakresie do 100 kN z automatyczną rejestracją typu x-y; prasie EDT 1600 o zakresie 1600 kN z automatyką wydzielonych czynności i regulacją stałego przyrostu siły; zestawie trzech maszyn wytrzymałościowych TONI TECHNIK, sterowa-nych komputerowo o zakresach: do 10 kN do zginania beleczek, do 100 kN do zginania elementów belkowych, do 3000 kN do ściskania próbek kontrolnych, z rejestracją przesuwu tłoka i z systemem czujników elektroindukcyjnych do pomiaru przemieszczeń. Przemieszczenia mierzono czujnikami elektroindukcyjnymi, w zestawie osprzętu pomia-rowego i kontrolnie czujnikami zegarowymi. Odkształcenia gipsów stwardniałych w testach σ−ε, w różnych stanach naprężeń (ściskanie, rozciąganie osiowe, zginanie), ozna-czono za pomocą naklejonych sond tensooporowych dla elementów suchych oraz czujników elektroindukcyjnych dla elementów nawilgoconych. Opis prototypowej aparatury do badań przepuszczalności wody przez gips i stosowanej metody badawczej przedstawiono szczegółowo w pracy [126]. Badania ultradźwiękowe przeprowadzono przy użyciu aparatury typu UNIPAN ze wskaźnikiem cyfrowym. Zdjęcia struktury gipsu wykonano metodą SEM.
Uzyskane wyniki pomiarów i oznaczeń opracowano statystycznie. Aproksymację wyników badań do postaci funkcji empirycznych wykonano metodą obliczeń numerycznych. Przynależność zbiorów wyników do populacji o rozkładzie normalnym sprawdzono metodą graficzną na siatce laplaso-normalnej [28]. Opis niezbędnych statystycznych zależności podano w rozdziale 5.3 części pracy, na przykładzie prezentacji i analizy wyników pomiarów.
Fot. 3.1. Zestaw maszyn do badań wytrzymałości: a) prasa ZD-10/90 o zakresie 100 kN, z reje-stracją przemieszczeń typu x-y; b) prasa EDT-1600 o zakresie 1600 kN z automatyką i regulacją przyrostu siły; c) zestaw trzech maszyn wytrzymałościowych TONI TECHNIK, sterowanych komputerowo o zakresach: 10 kN, 100 kN i 3000 kN
Phot. 3.1. Set of equipment for strength tests: a) ZD-10/90 press of 100 kN range, with registration of x-y type relocations b) EDT-1600 press of 1600 kN range with automatics and force increase control; c) set of three TONI TECHNIK strength machines, computer-controlled with the following ranges: 10 kN, 100 kN and 3000 kN
Zostały wykonane także przez autora liczne, wieloseryjne badania dotyczące za-gadnień dodatkowych, które nie weszły w zakres niniejszej pracy, a które mieszczą się w kompleksie problematyki mechaniki gipsu, a mianowicie: gipsy zbrojone włóknem rozproszonym, gipsy zbrojone wkładkami zbrojeniowymi stalowymi (ze specjalnym zabezpieczeniem antykorozyjnym) i wkładkami z poliestrów zbrojonych włóknem szklanym, elementy warstwowe w różnych wariantach: z gipsem w rdzeniu i jako warstwy okładzinowe. Niniejszą pracą nie zostały objęte także wykonane przez autora naukowo-
-badawcze rozpoznania zagadnień specjalnych dotyczących tworzyw gipsowych, takich jak: gipsy spienione, gipsy z wypełniaczem mineralnym, spoiwa gipsowo-estrich- -wapienne GEW oraz spoiwa gipsowo-cementowo-pucolanowe GCP, problemy optyma-lizacji plastyfikacji świeżych zaczynów gipsowych. Wiedza w zakresie wyżej wymienionych grup tematów dała – na etapie opracowania niniejszej dysertacji – możliwość szerszych uogólnień rozpatrywanych zagadnień składowych, a wymienione prace badawcze zostaną ujęte wydzielonymi publikacjami. Cały ten kompleks zagadnień dotyczy specjalnych technologii i specjalnych zastosowań tworzyw gipsowych.