Szczecin, 29.03.2022 dr hab. inż. Paweł Sikora, prof. ZUT
Katedra Budownictwa Ogólnego
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Zachodniopomorski Uniwersytet
Technologiczny w Szczecinie Al. Piastów 50a, 70-311 Szczecin pawel.sikora@zut.edu.pl
Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Aleksandry Powęzki
pt. „Analiza możliwości wykorzystania żaroodpornej stłuczki szklanej jako kruszywa w kompozytach betonowych odpornych na wysokie temperatury”,
wykonanej w Instytucie Inżynierii Bezpieczeństwa Szkoły Głównej Służby Pożarniczej
pod kierunkiem mł. bryg. dr hab. inż. Pawła Ogrodnika, prof. SGSP oraz dr inż. Jacka Szuleja (promotor pomocniczy)
Podstawowe informacje o ocenianej rozprawie doktorskiej
Przedmiotem przedstawionej do oceny rozprawy doktorskiej są zagadnienia zebrane w cyklu publikacji związane z zagospodarowaniem odpadu szklanego (stłuczki borokrzemowej) stosowanego jako zamiennika kruszywa do poprawy odporności termicznej betonów poddanych oddziaływaniu wysokiej temperatury.
Mgr inż. Aleksandra Powęzka przedstawiła pracę doktorską zatytułowaną „Analiza możliwości wykorzystania żaroodpornej stłuczki szklanej jako kruszywa w kompozytach betonowych odpornych na wysokie temperatury” w formie cyklu czterech artykułów naukowych opublikowanych w czasopismach naukowych o zasięgu międzynarodowym, przy czym 3 prace posiadają tzw. współczynnik wpływu (Impact Factor): 3,002 (2 publikacje) i 3,602 (1 publikacja). P
ublikacje naukowe indeksowane są w bazie JCR, a łączny współczynnik oddziaływania IF tych prac wynosi 9,606. Wszystkie prace posiadające Impact Factor opublikowane zostały w jednej grupie wydawniczej i są pracami zespołowymi (liczba współautorów waha się od 3 do 4).
Są to następujące artykuły naukowe:
[A1] Powęzka, A.; Ogrodnik, P.; Biedugnis, S; Szulej, J. Assessment of selected parameters of concrete composite containing recyclate obtained from fire-resistant cullet, Journal of Physics: Conference Series, 3rd Forum of Alternative Fuels, Zawiercie, 20-22 November 2019, 1398 (2019/012011), 1-7, doi: 10.1088/1742-6569/1398/1/012011.
Lista MEiN pkt. 40; IF (2019) – 0 Udział procentowy – 55%
[A2] Powęzka, A.; Szulej, J.; Ogrodnik, P. The effect of high temperatures on the impact strength of concrete based on recycled aggregate from heat-resistant cullet. Materials 2020, 13 (465), 1-21, doi: 10.3390/ma13020465.
Lista MEiN pkt. 140; IF (2020) – 3,602
Strona 2 z 7 Udział procentowy – 70%
[A3] Powęzka, A.; Szulej, J.; Ogrodnik, P. Reuse of heat resistant glass cullet in cement composites subjected to thermal load. Materials 2020, 13 (4434), 1-21, doi:
10.3390/ma13194434.
Lista MEiN pkt. 140; IF (2020) – 3,602 Udział procentowy – 70%
[A4] Powęzka, A.; Ogrodnik, P.; Szulej, J.; Pecio, M. Glass cullet as additive to new sustainable composites based on alumina binder, Energies 2021, 14 (12) 3423, 1-22, doi: 10.3390/en14123423.
Lista MEiN pkt. 140; IF (2020) – 3,004 Udział procentowy – 60%
Wymienione wyżej publikacje naukowe zostały uzupełnione o streszczenie, wprowadzenie do tematu rozprawy, sformułowanie tezy badawczej, celu i zakresu pracy, zwięzłe omówienie metodyki i planu badań, podsumowanie, wnioski, kierunki dalszych badań i spis literatury. Do rozprawy doktorskiej dołączone zostały oświadczenia współautorów artykułów naukowych zaliczonych do cyklu. Doktorantka posiadała wiodący udział w przygotowaniu wszystkich publikacji (od 55% do 70%), a także w każdej publikacji pełniła rolę autora korespondencyjnego. Według oświadczeń mgr inż. Aleksandra Powęzka odpowiedzialna była za opracowanie koncepcji oraz planu eksperymentów, przygotowanie przeglądu literatury, analizę wyników badań, przygotowanie tekstu publikacji oraz odpowiedzi do recenzentów.
Świadczy to o kompetencjach i samodzielności naukowej doktorantki.
Rozprawa doktorska pod względem technicznym jest w mojej ocenie kompletna, a jej układ oceniam jako prawidłowy.
Ocena merytoryczna rozprawy doktorskiej
W pierwszej kolejności odniosę się do celowości podjętego przez Doktorantkę tematu pracy doktorskiej. Zastosowanie kruszyw odpadowych jako zamiennika kruszywa drobnego lub grubego jest tematem badań naukowych prowadzonych w wielu ośrodkach krajowych oraz międzynarodowych. W Polsce gruz betonowy i ceglany uzyskany podczas rozbiórki obiektów budowlanych stanowi cenny surowiec wtórny stosowany najczęściej jako kruszywo stabilizujące, przeznaczone do podbudowy dróg oraz wzmacniania gruntu. Technologia przetwarzania i zastosowania gruzu budowlanego oraz szkła odpadowego na skalę przemysłową, jako pełnowartościowego składnika do produkcji betonu, rozwija się bardzo dynamicznie w krajach o rozwiniętej gospodarce odpadami. Świadczą o tym także działania związane z wprowadzeniem kruszyw recyklingowych w ramach fib Model Code 2020 oraz prac nad nową zaktualizowaną wersją Eurokodu (prEN1992-1-1:2021).
Problematyka badań podjęta w niniejszej rozprawie doktorskiej dotyczy badań nad zastosowaniem odpadu – szkła borokrzemowego, jako zamiennika kruszywa [A1-A4] oraz zamiennika cementu [A4] do produkcji kompozytów cementowych o podwyższonej odporności termicznej. Betony wykonano stosując jako spoiwo cement portlandzki lub cement glinowy.
Istnieją oczywiście dokonania naukowe w tej dziedzinie, lecz kilka aspektów badawczych przedstawionych w pracy doktorskiej można uznać za oryginalne.
W tym odniesieniu, tematyka przedstawionej do recenzji pracy doktorskiej mieści się w nurcie nowoczesnych i istotnych badań z zakresu produkcji zrównoważonych kompozytów cementowych zawierających odpady budowlane, produkcyjne lub komunalne.
Uważam, że zaproponowany tytuł rozprawy jest zbyt ogólny i powinien precyzyjniej wskazywać na konkretny obszar badań lub stosowane materiały. W pracy [A4] szkło zastosowane zostało nie tylko jako kruszywo lecz także jako zamiennik cementu. Ponadto,
Strona 3 z 7
określenie „kompozyt betonowy” nie jest prawidłowe. W pracy wykonano betony na bazie dwóch spoiw. Prawidłowym określeniem wydaję się być słowo beton lub kompozyt cementowy. Pewnym usprawiedliwieniem może być fakt, że w pracy stosowano dwa spoiwa – cement portlandzki oraz cement glinowy, dlatego Autorka zdecydowała się na niefortunne określenie kompozyt betonowy.
Cele pracy są sformułowane dość ogólnikowo, a odpowiedź na główny problem badawczy nie jest jednoznacznie przedstawiona. Zaskakujące są także pewne stwierdzenia występujące w rozprawie doktorskiej m. in. „Głównym ograniczeniem prowadzonych badań był dobór próby badawczej. Ze względu na niski budżet badawczy obserwacje przeprowadzono na próbie dobranej w sposób losowy.”, które sugerują, że doktorantka ma poważne trudności z tworzeniem planu eksperymentu.
W pracy zabrakło także informacji, dlaczego zdecydowano się na zastępowanie kruszywa naturalnego tak niewielką ilością stłuczki szklanej (do 10%-15% masy kruszywa). Czy z perspektywy gospodarki odpadami, o której wielokrotnie wspomina Autorka, większy udział recyklatu stosowanego w kompozycie nie byłby bardziej zasadny? Doktorantka nie wspomniała czy prowadziła badania wstępne, które by pozwoliły na określenie maksymalnej ilości kruszywa naturalnego, które może być zastąpione kruszywem odpadowym. Istnieje wiele prac badawczych wykazujących skuteczność zastępowania kruszywa naturalnego recyklatem szklanym w ilości >15%. Może wyższy udział zamiennika kruszywa wpłynąłby korzystniej na poprawę odporności termicznej i wyższą wytrzymałość resztkową betonów po ekspozycji w wysokiej temperaturze, pomimo początkowo niższej wytrzymałości na ściskanie?
Uważam, że wnioski, choć poprawne, są sformułowane dość lakonicznie i nie są w pełni potwierdzone badaniami naukowymi m.in. ze względu na zaskakująco wysokie wartości odchyleń standardowych wyników badań lub selektywne przedstawienie wyników badań w publikacjach.
Za najważniejsze osiągnięcie recenzowanej rozprawy doktorskiej uważam uzyskanie danych nt. wpływu temperatury na właściwości mechaniczne kompozytów, a także określenie wybranych właściwości kompozytu cementowego z recyklatem szklanym poddanego obciążeniom dynamicznym.
Ocena formalna pracy
Praca napisana jest w wielu miejscach językiem potocznym a operowanie terminologią z dziedziny technologii kompozytów cementowych sprawia doktorantce trudności. W pracy występują także błędne tłumaczenia z języka angielskiego np. mikroskop „scaningowy”
zamiast skaningowy lub kruszywo „recyclingowe” zamiast recyklingowe.
Pod względem logicznym praca przygotowana jest prawidłowo a wywód logiczny poparty jest faktami i konkretnymi danymi. Doktorantka skorzystała z około 75 źródeł literaturowych, z czego większość stanowiły artykuły naukowe z ostatnich 10 lat. W przygotowanym przeglądzie literatury zabrakło rozdziału nt. badań (dokonań) krajowych w tej tematyce, które prowadzi wiele ośrodków naukowych.
W przeglądzie literaturowym Autorka skupiła się w dużym stopniu na opisie wpływu recyklatu gruzu budowlanego „łącząc” go w pewien sposób ze szkłem odpadowym. Nie jest to prawidłowe podejście, ponieważ charakterystyka tego materiału jest inna i nie można mu przypisywać takich samych cech/zjawisk występujących po wprowadzeniu materiału do matrycy cementowej. Ponadto, Doktorantka opisuje wpływ recyklatu szklanego na właściwości betonu pomijając kluczowy aspekt związany z maksymalnym rozmiarem ziaren. Wpływ recyklatu szklanego na właściwości mechaniczne betonów i zapraw cementowych jest ściśle
Strona 4 z 7
zależny od frakcji stosowanej stłuczki szklanej. Wiele prac badawczych wykazuje, że zastosowanie odpadu szklanego o frakcji do 4-6 mm pozwala na skuteczną 100% wymianę kruszywa naturalnego bez negatywnego wpływu na właściwości mechaniczne kompozytu cementowego.
Mimo, że przedstawione prace przed opublikowaniem przeszły przez proces recenzji, nie udało się w nich ustrzec przed wieloma istotnymi błędami czy niefortunnymi określeniami, np. opisy wykresów i rysunków w języku polskim bądź stosowanie niepoprawnej nomenklatury w języku angielskim (np. superplastifier). Liczba błędów zmniejszała się stopniowo wraz z kolejną publikacją w cyklu co oznacza, że Doktorantka zdobywała stopniowo doświadczenie w edytowaniu, recenzowaniu tekstów naukowych, a także odpowiednim opracowywaniu wykresów i rysunków.
Zastrzeżenie budzi dołączenie do cyklu publikacji artykułu [A1], który jest materiałem (referatem) pokonferencyjnym pokazującym wybrane wyniki z publikacji [A2]. Publikacja [A2]
nie stanowi „(…) rozszerzenia badań nad ww. betonem” lecz są to wyniki tych samych badań przedstawione selektywnie na konferencji. Uważam, że praca [A1] powinna zostać wykluczona z cyklu publikacyjnego. Ponadto zaobserwowano nieprawidłowości w prezentacji wyników i opisie planu eksperymentu w pracach [A1] oraz [A2] pomimo, że rezultaty badań (np. wyniki wytrzymałości na ściskanie) są tożsame w dwóch pracach (!).
Ocena naukowa pracy
Praca [A1] przedstawia badania nad betonami, w składzie których zastosowano cement CEM I 42.5R, o zróżnicowanej ilości zamiennika kruszywa naturalnego recyklatem szklanym.
Kruszywo naturalne zastępowano masowo w ilości 5% i 10%. Próbki betonowe poddano oddziaływaniu wysokiej temperatury (400°C oraz 800°C). Jednak rezultaty badań przedstawione w pracy ograniczają się właściwie do przedstawienia wytrzymałości na ściskanie. Wyniki przedstawione w pracy są niskiej wartości naukowej i niekompletne. W pracy nie przedstawiono precyzyjnie składów mieszanek, podając jedynie informację o współczynniku woda-cement wynoszącym 0.6. Wnioski sformułowane w pracy są niekompletne i nie podparte wynikami badań przedstawionych w pracy.
Praca [A2] zawiera „pełne” wyniki badań nad betonami, których rezultaty przedstawiono selektywnie w publikacji pokonferencyjnej [A1]. Badania te poświęcone były ocenie odporności termicznej betonów o zróżnicowanej ilości zamiennika kruszywa naturalnego recyklatem szklanym. Kruszywo naturalne zastępowano masowo w ilości 5% i 10%. Próbki betonowe poddano oddziaływaniu wysokiej temperatury (200°C, 400°C, 600°C oraz 800°C). W pracy przeprowadzono ocenę wytrzymałości na ściskanie próbek po ekspozycji w wysokiej temperaturze, rozkładu temperatur w wybranej próbce (B5) oraz badania udarności próbek.
W końcowym etapie przeprowadzono analizę mikostrukturalną za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Pewien niedosyt budzi brak dogłębnej dyskusji nad rozkładem temperatury w próbkach w zależności od stopnia zastępowania kruszywa naturalnego recyklatem.
W pracy [A3] przedstawiono rezultaty badań betonów, w których kruszywo naturalne zastąpiono masowo recyklatem szklanym w ilości 2.5% oraz 7.5%. Próbki betonowe poddano oddziaływaniu wysokiej temperatury (200°C, 400°C, 600°C oraz 800°C). Dało to podstawę do wyznaczenia zależności między temperaturą wygrzewania próbek a wytrzymałością na ściskanie. Ponadto, analiza mikrostrukturalna wykonana za pomocą metody SEM potwierdziła stabilność recyklatu szklanego w temperaturze 800°C.
Praca [A4] poświęcona jest opracowaniu składów mieszanek betonów na bazie cementu glinowego, w których kruszywo naturalne zastąpiono recyklatem szklanym w ilość 5%, 10%
Strona 5 z 7
oraz 15% masy kruszywa. Opracowano także mieszanki zastępując cement zmielonym recyklatem szklanym w ilość 5%, 10% oraz 15% masy cementu. Następnie próbki poddano wygrzewaniu w temperaturze 200°C, 500°C oraz 800°C, przeprowadzając ocenę właściwości mechanicznych (wytrzymałości na ściskanie i wytrzymałości na zginanie) a także analizę mikrostrukturalną. Efektem końcowym było wyznaczenie zależności między ilością oraz rodzajem stosowanego recyklatu (kruszywo, wypełniacz) na odporność termiczną betonu.
Uwagi do rozprawy doktorskiej
Rola recenzenta w przypadku pracy doktorskiej opartej na cyklu publikacji w wysokopunktowanych czasopismach naukowych jest trudna, gdyż oryginalność tematyki oraz wyniki badań zostały już wcześniej ocenione przez recenzentów. Mimo to, lektura omówienia wyników oraz publikacji skłania do kilku komentarzy, wyjaśnienia kilku istotnych zagadnień i do zadania kilku pytań. Są to uwagi mające na celu podjęcie dyskusji naukowej.
Doktorantka w pracy [A1] stwierdziła, że szkło odpadowe nie wymaga żadnego specjalnego przetwarzania do zastosowania w betonie. Stwierdzenie to jest zbyt ogólne i może dotyczyć tylko wybranego odpadu uzyskanego np. z huty szkła. Zastosowanie szkła odpadowego opakowaniowego (komunalnego) wymaga zużycia znacznej energii na proces mycia, oczyszczania szkła z etykiet oraz suszenia. Zanieczyszczenia organiczne w szkle odpadowym mają istotny wpływ na proces hydratacji cementu oraz zmniejszenie właściwości mechanicznych kompozytów cementowych, co wykazały badania grupy badawczej z TU Eindhoven.
W pracy [A1] odchylenia standardowe wyników wytrzymałości na ściskanie po procesie wygrzewania próbek przekraczają w większości poziom 25%, a w przypadku próbek poddanych ekspozycji w temperaturze 800 °C ponad 100% (!).
W pracy [A1] przedstawiono przykładowe wyniki badań dynamicznych nie opisując, której próby dotyczą. Ponadto, opisano słownie wyniki analizy SEM nie pokazując, których mikroobszarów ona dotyczy. W pracy [A1] na rysunkach 1 i 3 znajdują się opisy w języku polskim.
W pracy [A2] przedstawiono wyniki wytrzymałości dla tych samych betonów [A1] z innymi wartościami odchylenia standardowego. Ponadto z pracy [A2] wynika, że wskaźnik woda- cement wynosi 0,67 a w przypadku pracy [A1] stwierdzono, że wskaźnik ten wynosił 0,6.
Proszę o wytłumaczenie nieścisłości.
W pracy [A2] zawarto informację: „Original mixture was modified by adding heat resistant cullet to the trial batch, and consequently the amount of water and aggregate has been optimized appropriately to the volume of replaced materials, moisture contents of fine and coarse aggregate and of recyclate.” Z treści wynika, że zwiększono ilość wody w mieszance betonowej, w której wprowadzano do składu recyklat szklany.
Proszę o informację dlaczego i o ile zwiększono ilość wody w mieszankach zawierających recyklat szklany? Dlaczego nie zwiększono ilości superplastyfiaktora? O ile zmienił się wskaźnik w/c oraz czy mógł mieć wpływ na zmianę właściwości mechanicznych betonu. Czy efekt ten został uwzględniony w dyskusji wyników?
Czy Autorka w pracach badawczych analizowała, jaki jest wpływ wstępnego suszenia próbek na wytrzymałość betonu? Próbki kontrolne (20°C) nie były suszone a pozostałe próbki badawcze przed pomiarem zostały wysuszone w temperaturze 105°C. Czy w przypadku temepratury wygrzewania 200°C wzrost wytrzymałości na ściskanie związany jest z procesem wygrzewania próbek, czy może z długotrwałym procesem suszenia próbek? Jakie zjawiska odpowiedzialne są za wzrost wytrzymałości próbek eksponowanych w temperaturze 200°C?
Strona 6 z 7
Dlaczego w pracy [A2] przedstawiono wyniki rozkładu temperatur tylko w odniesieniu do próbki badawczej oznaczonej B5? W podobny sposób przedstawiono wyniki badań w pracy [A3]. Czy w badaniach uwzględniono wpływ przewodności cieplnej kruszywa na różnice w dynamice wzrostu i rozkładu temperatury w próbce? Szkło cechuje się o wiele niższym współczynnikiem przewodzenia ciepła niż kruszywo naturalne. Proszę o przedstawienie analizy i porównanie wyników w odniesieniu do próbek B0 oraz B10. Prosiłbym także o podobną analizę w przypadku badań udarności dla wszystkich badanych betonów. Jakie różnice zaobserwowano między badanymi betonami?
W pracy [A3] podano gęstość właściwą recyklatu szklanego. Czy uwzględniono różnicę w gęstości kruszyw przy projektowaniu mieszanki?
W pracy [A3] zaobserwowano zmianę gęstości próbek, którą uzasadniono zjawiskiem: “The reduced density could have been caused by building up of the contact zone between the binder and aggregate.”
Czy zmiana gęstości objętościowej próbek nie wystąpiła na skutek zamiany kruszywa na lżejsze?
Uzyskane w pracy [A3] wartości odchyleń standardowych wyników wytrzymałości na ściskanie przekraczają znacznie przyjęte w praktyce (10%). W przypadku próbek wygrzewanych w temperaturze 600°C i 800°C stopni odchylenie standardowe uzyskanych wyników przekracza 30%. Zastanawiające jest, że nie zostało to zauważone przez Recenzentów w trakcie procesu oceny publikacji.
Proszę o uzasadnienie, czy uzyskane wyniki badań zostały poddane analizie statystycznej oraz czy zasadne jest prowadzenie dyskusji na temat uzyskanych wyników jeżeli różnice w wytrzymałości między próbkami są niewielkie? Analiza względnej resztkowej wytrzymałości na ściskanie próbek po ekspozycji w temperaturze 400°C, 600°C oraz 800°C wykazuje niewielkie różnice między badanymi próbkami, nieprzekraczającymi 5-8%. Proszę o przedyskutowanie wyników uwzględniając względną resztkową wytrzymałość na ściskanie.
W pracy [A3] wybrane wykresy posiadają opisy w języku polskim (np. rysunek 13)
Proszę o uzasadnienie, jaki był cel prowadzonych badań XRD jednej próbki (C-7.5.) [A3]?
Proszę opisać metodę przygotowania próbki do badań XRD, sposób pomiaru oraz dlaczego w próbkach poddanych eskpozycji w temperaturze 800°C nadal pojawiał się sygnał od ettryngitu?
Proszę o wyjaśnienie, jakie dokładnie jest znaczenie tego stwierdzenia [A3]: „The cement composite did not lose its properties thanks to the low coefficient of thermal expansion and the good ability of borosilicate glass to work at temperatures up to 300°C.”
Informacje dodatkowe
Poza publikacjami przedstawionymi w rozprawie doktorskiej, Doktorantka jest współautorką 12 publikacji naukowych w czasopismach naukowych oraz branżowych, wygłosiła łącznie 6 referatów na konferencjach i seminariach naukowych. Zaangażowana była także w dwa projekty badawcze, w tym jeden projekt międzynarodowy. Pracę badawczą łączyła z pracą asystenta w Zakładzie Mechaniki Stosowanej Wydziału Inżynierii Bezpieczeństwa i Obrony Ludności SGSP. Od dnia złożenia rozprawy doktorskiej Doktorantka opublikowała dwie nowe wysokopunktowane prace współautorskie w czasopismach Energies oraz Applied Sciences (stan na: 11.03.2022). Na wyróżnienie zasługuje także aktywność popularyzatorska związana z publikacją artykułów popularno-naukowych oraz udział we vlogach dedykowanych młodym inżynierom.
Strona 7 z 7
Analiza parametrów naukometrycznych (stan na 11.03.2022):
Google Scholar: 8 prac – 4 cytowania (bez autocytowań)
Scopus: 9 prac – 3 cytowania (bez autocytowań) – h-index:1 (bez autocytowań)
Web of Science: 6 prac – 3 cytowania (bez autocytowań) – h-index: 2 (bez autocytowań).
Prace Doktorantki cytowane były dotychczas 10-krotnie, co można uznać za wynik zadowalający na obecnym etapie kariery naukowej.
Podsumowanie i wnioski
W pracy doktorskiej wystąpiły pewne uchybienia i błędy, które mogły istotnie wpłynąć na formułowane wnioski w rozprawie doktorskiej, lecz niektóre aspekty cyklu publikacyjnego stanowią oryginalne rozwiązanie problemu naukowego. Dodatkowo, za pozytywny aspekt działalności naukowej doktorantki wyróżnić można publikacje naukowe w czasopismach branżowych a także aktywność popularyzatorską.
Przedstawiona przez Panią mgr inż. Aleksandrę Powęzkę rozprawa doktorska pod tytułem
„Analiza możliwości wykorzystania żaroodpornej stłuczki szklanej jako kruszywa w kompozytach betonowych odpornych na wysokie temperatury” stanowi oryginalne rozwiązanie problemu naukowego i spełnia wszystkie wymogi stawiane rozprawom doktorskim w art. 13 ust. 1 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. (Dz. U. Nr. 65, poz. 595 z późn. zm.) o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki. W związku z tym wnioskuję do Rady Dyscypliny Inżynieria Środowiska, Górnictwo i Energetyka Szkoły Głównej Służby Pożarniczej o dopuszczenie Pani mgr inż. Aleksandry Powęzki do dalszych etapów przewodu doktorskiego.
