Institute of Fundamental Technological Research

The article presents the diagnostic results on surface-hardened industrial concrete floors. Selected examples of floors showcased premature damage to surface layers, characterized by intense dusting, delamination, and local spalling, while the structural system remained unaffected. Quantitative petrographic analysis of concrete was applied to core specimens from the floors, involving the examination of digital images from a polarizing optical microscope and a scanning electron microscope. The hardening compound and powdered specimens of the cement matrix were characterized using differential thermal analysis and X-ray diffraction. A multiple microindentation method was employed to assess local variations in mechanical properties. Concrete cross-section analysis revealed areas with a non-uniform distribution of air voids, identified regions exhibiting increased porosity, highlighted areas of cracking in the concrete, indicated local variability in the phase composition of cement hydration products, and pointed out the presence of carbonated areas. The causes of the damage were discussed based on these findings,. The crucial role of quantitative petrographic analysis in diagnosing premature surface damage to industrial floors was demonstrated.

concrete, delamination, quantitative microscopy, porosity, industrial floors, dusting, surface hardening

Przedstawiono wyniki oceny diagnostycznej posadzki przemysłowej przy wykorzystaniu metodyki ilościowej oceny mikrostruktury betonu. Objawy uszkodzeń obejmowały pylenie powierzchniowe i delaminację warstwy utwardzonej. Przeprowadzono analizę petrograficzną składu betonu w próbkach-odwiertach. Zaobserwowano nadmierne napowietrzenie betonu, gromadzenie się porów powietrznych i występowanie ukierunkowanych spękań, miejscową zmienność składu fazowego produktów hydratacji cementu, w tym występowanie obszarów o intensywnej karbonatyzacji, co wpływało na przedwczesne uszkodzenia powierzchniowe.
Diagnostic assessment of industrial floor using the methodology of quantitative evaluation of concrete microstructure is presented. Symptoms of damage included surface dusting and delamination of the top layer. A petrographic analysis of the concrete composition in core specimens was carried out. Excessive air content, accumulation of air voids and the occurrence of oriented cracks, local variability of the phase composition of cement hydration products, including the occurrence of carbonated areas were observed and associated with the premature surface damage.

delaminacja, mikroskopia ilościowa, porowatość, posadzki betonowe, utwardzenie powierzchniowe, delamination, quantitative microscopy, porosity, concrete floors, surface hardening

nuclear reactor, concrete shield, radiation influence

W artykule opisano podstawowe wyniki uzyskane w trakcie realizacji projektu badawczego „Trwałość i skuteczność betonowych osłon przed promieniowaniem jonizującym w obiektach energetyki jądrowej” [1]. Przedstawiono też wytyczne techniczne i kryteria oceny betonu osłonowego. Uzyskane wyniki mogą stanowić podstawę dalszych prac przy projektowaniu obiektów elektrowni jądrowych, składowisk materiałów radioaktywnych i innych miejsc powstawania, stosowania lub przechowywania materiałów wytwarzających promieniowanie jonizujące. Artykuł obejmuje zagadnienia związane z wymaganą skutecznością betonowych konstrukcji osłonowych przez zapewnienie bezpieczeństwa personelu i otoczenia przed oddziaływaniem promieniowania jonizującego. Rozpatrzono również trwałość osłon betonowych, tzn. zachowanie właściwości mechanicznych i nieprzepuszczalności w okresie przewidzianej eksploatacji pod wpływem przewidywanych oddziaływań zewnętrznych i procesów starzenia, a także przy podwyższonej temperaturze i promieniowaniu jonizującym. Artykuł nie obejmuje zagadnień integralności osłon pod obciążeniami wyjątkowymi, spowodowanymi awarią reaktora, uderzeniem samolotu, działaniami terrorystycznymi itp.

Zagadnienie wpływu promieniowania jonizującego na osłony betonowe było rozpatrywane już przez badaczy parędziesiąt lat temu, na przykład Hilsdorf i in. w 1978 r., co jednak wobec przewidywanej wówczas eksploatacji reaktorów przez 30-40 lat mogło nie mieć istotnego znaczenia. Obecnie działające i budowane elektrownie jądrowe będą zapewne działać przez 60-80 lat, więc wpływ promieniowania na mikrostrukturę i właściwości betonu w osłonach wymaga starannego zbadania. Prace takie podjęte w okresie ostatnich dziesięciu lat w laboratoriach w USA, Japonii i innych krajów wskazują na niebezpieczeństwo degradacji betonu po przyjęciu określonej dawki promieniowania, a zmiany mikrostruktury i pęcznienie betonu mogą w znacznym stopniu zmniejszyć szczelność i wytrzymałość osłon w okresie przewidzianej eksploatacji reaktorów. Podobne zjawisko może dotyczyć, choć po dłuższym okresie, także składowisk odpadów radioaktywnych. W artykule przedstawione obecną wiedzę w tej tematyce oraz zagadnienia wymagające nadal intensywnych badań.

Możliwość wystąpienia reakcji alkalicznej wodorotlenków sodu i potasu (Alkali Silica Reaction, ASR) w betonowych osłonach reaktorów wymaga szczególnej ostrożności przy doborze składników betonów do realizacji programu energii jądrowej w Polsce. Uszkodzenia osłon reaktorów w USA i w Belgii wskazują kierunki niezbędnych badań, [1-3]. W badaniach przedstawionych w artykule zastosowano kruszywa o dużej gęstości (osłabianie promieniowania gamma): magnetytowe, barytowe oraz hematytowe oraz kruszywo o wysokiej zawartości wody związanej (absorpcja promieniowania neutronowego) – kruszywo serpentynitowe. Przeprowadzono badania mikroskopowe kruszyw na cienkich szlifach w celu identyfikacji potencjalnie szkodliwych minerałów z uwagi na zagrożenie ASR, oraz przyspieszone i długotrwałe badania w celu określenia potencjalnej reaktywności alkalicznej tych kruszyw. Wyniki badań wykluczyły możliwość stosowania kruszywa hematytowego do betonów osłonowych. Wyniki badań odnośnie do wykorzystania dostępnych kruszyw specjalnych tworzą podstawy projektowania bezpiecznych osłon w warunkach krajowych

reakcja krzemionki z wodorotlenkami sodu i potasu (ASR), ekspansja, beton osłonowy, kruszywo specjalne

Przedstawiono wyniki badań podciągania kapilarnego (PK), porowatości dostępnej dla wody (E) oraz współczynnika migracji jonów chlorkowych w stanie nieustalonym (Dnssm). Zakres badań obejmował betony z kruszywem magnetytowym, barytowym, serpentynitowym oraz kruszywem referencyjnym w postaci grysu amfibolitowego, które wcześniej poddane zostały selektywnemu kruszeniu i przesiewaniu, tak by zapewnić jednakowe krzywe uziarnienia/stosy okruchowe. Prze analizowano wpływ mikrostruktury porów wyznaczonej za pomocą porozymetrii rtęciowej z odpornością na wnikanie jonów i cieczy w matrycę cementową. Z badań wynika, że betony z kruszywami specjalnymi osiągają wskaźniki przepuszczalności porównywalne lub nieco gorsze niż próbki referencyjne. Nie zaobserwowano systematycznego wpływu porowatości kapilarnej na wyniki badań przepuszczalności.

podciąganie kapilarne, migracja jonów chlorkowych, kruszywo magnetytowe, kruszywo barytowe, kruszywo serpentynitowe, porowatość

Concretes for the shields against ionizing radiation should be executed with particular care to satisfy all requirements, not only effective attenuation of different radiation but also sufficient durability. In the paper fundamental problems are presented that are related with designing of such protective concretes in order to avoid alkali-aggregate reaction. The results of preliminary investigations are presented that indicate how to select barite aggregate and to define composition of concrete mix. Present knowledge in that area of materials engineering should be completed before initiation of construction of nuclear power stations at industrial scale in Poland.

Alkali Aggregate Reaction (AAR), heavy aggregate, ionizing radiation

Concrete is used universally as a basic material for shields against ionizing radiation in various buildings related to nuclear energy plants and for other applications of fission materials, e.g. for material testing, therapeutic treatment installations and radioactive materials deposits. In order to fulfil their structural functions, concrete containment walls should have sufficient durability and the control of the ageing of concrete is necessary in all conditions of their functioning. Apart from climatic actions there are serious problems related to the influence of radiation on concrete microstructure and properties during many years of exploitation, particularly in the case of high doses of irradiation with neutrons and rayons gamma (γ).

concrete shields, nuclear power plant, special aggregate, ionizing radiation

The objective of this investigation was to test the effectiveness of the Acoustic Emission (AE) measurements in determining the critical stresses during four-point bending of mortar beams. Within the measuring procedure the parameter σcr/σ300 was calculated and analysed. Additionally, the influence of cement replacement by high calcium fly ash (HCFA) on the process of crack healing was discussed. Mortar beams with different content of HCFA and reinforced by steel microfibres were prepared for tests. After curing in standard conditions the beams were subjected to four-point bending test in order to introduce the pre-cracking. Thereafter the beams were cured in the lime water and loaded after 56 and 112 days in the same way as for the first time. Additionally the microstructure of mortars was studied in a stereo optical microscope as well in an electron scanning microscope including the Energy Dispersive X-ray analysis (EDX). The results of microstructural characterization of mortar containing HCFA from lignite combustion are presented. The applied load level slightly exceeded the critical stress, producing intense crack growth processes however did not significant affected the load capacity of the beams. During the consecutive loading the decreasing tendency of σcr/σ300 ratio was noted. The obtained results confirm that the latter parameter can be applied as a measure of the composite degradation level for the elements carrying the repeated loads of amplitude close to the critical stress of the structure and also that the cement replacement with HCFA influences the process of crack healing.

critical stress, Acoustic Emission, microcracking, self-healing, concrete microstructure, fly ash

Mortar beams were cast with various content of high calcium fly ash as a partial replacement of Portland cement. The results of microstructural characterization of mortar containing fly ash class C (High Calcium Fly Ash – HCFA) from lignite combustion are presented. The evaluation of the microstructure was performed using SEM and optical microscopy. At the age of 28 days the beams were subjected to 4-point bending until opening of a system of microcracks and cracks. Then, the beams were cured in lime water for 56 and 112 days after precracking and again subjected to loading. The results in a form of partial self-healing were recorded with load-deflection curves and using optical methods. The results show the percentage of replacement of cement by fly ash influenced the process of crack healing.

Microcracking, Self-healing, Microstructure, Fly Ash

In this review paper the structure of concrete investigated as a composite material is analyzed on different levels from the viewpoint of its diagnosis. The diagnosis of a complex structure of concrete should cover identification and estimation of existing damages and possible failures. The aim is to ensure adequate durability and high quality of concrete in infrastructure works. The most effective methods that are actually available are shortly described. Beside various non destructive techniques, the optical and scanning electron microscopy that is applied on specimens representing material used in a diagnosed structure, are shortly described. The importance of quantitative results of material analysis and of image processing is stressed. On the basis of a thorough structural analysis of the concrete treated as a multicomponent material it is possible to determine its quality, to check correct execution of the designed diverse composition and to verify used components. All these data form necessary basis for a diagnosis of concrete quality and conformity with requirements. The review is partly based on research developed and realized at IPPT PAN during past several years in the scope of concrete treated as a structural composite material.

Concrete, Durability, Image analysis, Microstructure

Celem artykułu jest podanie podstawowych informacji o Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej - ISO; historii, strukturze i dotychczas opracowanych normach w ramach Komitetu Technicznego ISO/98, którego sekretariat prowadzi Polska od 1960 r.; przedstawienie zbioru norm europejskich EN w dziedzinie budownictwo, a następnie dokonanie wzajemnego porównania norm opracowanych przez dwie różne międzynarodowe organizacje normalizacyjne ISO/TC 98 i CEN/TC 250 w celu wykazania podobieństw i istotnych różnic.

normy ISO/TC 98, normy CEN/TC 250, podobieństwa, różnice

Fibres have been used since Biblical times to strengthen brittle matrices; for example straw and horse-hair was mixed with clay to form bricks and floors. In modern technology, steel fibres were for the first time proposed as dispersed reinforcement for concrete by Romualdi in his two papers in 1963 and 1964. Since that time, the concept of dispersed fibres in cement-based materials has developed considerably: hundreds of books and papers, many dissertations, and also applications in building and civil engineering structures all over the world. After over forty years, it is interesting to review the present state of knowledge and technology of FRC. The balance of achievements and shortcomings is certainly positive. Our knowledge, based on theoretical solutions and experimental findings, is rich and quite large. Test methods that are transferred from the so called high-strength composites are very effective. However, practical applications are not so numerous as it was initially expected with developments not exactly in the foreseen directions. In this paper the main fields of application of FRC composites are examined and future perspectives discussed. After a brief review of various kinds of fibres and applied techniques, some attention is paid to computation methods and composite materials’ design approaches. Large practical application of FRC in construction is mostly hampered by insufficient development of relevant standards, based on performance concepts. It should also be admitted that the cost of fibre reinforcement and related technological operations is certainly an obstacle for use of FRC in ordinary structures. On the other hand, in successful applications in demanding structures very special requirements are satisfied; probably future developments will go in this direction

Fibres, Cement-based matrix, Fibre reinforced concretes (FRC), High performance concretes (HPC)

Główne tendencje kształtujące rozwój betonu w ostatnich latach zostały przedstawione w referacie L.Czarneckiego i W.Kurdowskiego, natomiast nieco wcześniej, w latach 2003-2003, na łamach Kwartalnika „Budownictwo-Architektura-Technologie” miała miejsce dyskusja na temat przyszłości betonu. Omówione zostały m.in. zewnętrzne uwarunkowania rozwoju betonu w skali globalnej; wymieniono tu masowe zużycie surowców naturalnych i energii, znaczący udział w globalnej emisji CO2 oraz wzrost populacji ludności świata. Na podstawie tzw. uogólnionej krzywej rozwoju zilustrowano postęp jakościowy, reprezentowany wzrostem wytrzymałości na ściskanie, jak też ilościowy, mierzony wzrostem masy betonu produkowanego na świecie. Stwierdzono też, że beton przyszłości będzie materiałem „opartym na wiedzy” i zaproponowano, aby wiedzę tę rozwijać. Celem niniejszego referatu jest uzupełnienie takiego przeglądu tendencji rozwojowych o spostrzeżenia na podstawie doświadczeń i wyników działania europejskich sieci naukowych oraz niektórych projektów badawczych fundowanych przez UE.

analiza cyklu życia, oddziaływania środowiskowe, projektowanie na trwałość, reologia mieszanki, technologia betonu, zbrojenie rozproszone

The results of a series of tests of specimens made of fibre reinforced concrete (FRC) are reported. The tests were performed to evaluate FRC for use in the underground railway system in Warsaw. The tests were initiated as a result of the successful replacement of an ordinary plain concrete for substrate under rails with polypropylene fibre reinforced concrete, this composite material being of practically the same cost as the plain concrete. The tests performed on various mixture compositions showed considerable improvement of several properties with respect to the ordinary plain concrete.

A basic error is determined, which may be defined from the characteristics of measuring devices used in the field of strain measurements, Well known mathematical operation is then used to obtain the formula for the error of an indirectly measured function, which is assumed to be expressed by a differential of this function.

The analysis gives the limit values of errors for given state of strain and for given position of measuring device. The deduced formulae are used to find out the errors in the measurements principal values of strain and their directions are calculated from the direct readings. The proposed conclusions are directly applicable to the experimental analysis of deformation of concrete and prestressed concrete elements.

The paper deals with measurements of the six strain-components inside a concrete cylinder loaded by axial compression. The measurements have been performed by means of a spatial system of electrical strain-gauges, located in the vicinity of the mid-length cross-section of the cylinder. As a result of investigation, the diagrams of all strain-components as a function of applied load are obtained. In conclusion, attention is drawn to the fact that the existing state of strain differs from that obtained on the basis of usual hypothesis. This fact concerns the shearing strains which appeared during the axial compression arranged with technical accuracy, and the variability in the investigated cross-section of longitudinal strains parallel and perpendicular to the direction of loading.

Przedstawiono wyniki badań cementów, przeznaczonych do stosowania jako spoiwo w technologii wykonawstwa betonowych osłon przed promieniowaniem jonizującym w energetyce jądrowej. Zakres badań objął cementy spełniające wymagania stawiane cementom specjalnym o niskim cieple hydratacji, odpornym na siarczany oraz o niskiej zawartości alkaliów. Badano cementy powszechnego użytku; portlandzki CEM I bez dodatku mineralnego oraz wieloskładnikowe z dodatkami mineralnymi. Wykonano cementy specjalne z normowymi dodatkami mineralnymi oraz z dodatkami nie ujętymi w normie cementowej PN EN 197-1, stosując autorskie rozwiązania, dotyczące produkcji cementów z proszkowym dodatkiem minerałów ciężkich: barytu, magnetytu i getytu. Na podstawie przeprowadzonych badań cementów wykazano specjalne właściwości tych cementów w zakresie niskiego ciepła hydratacji i odporności na siarczany, w przypadku cementu portlandzkiego oraz cementów z dodatkami mineralnymi ujętymi w normie PN-EN 197-1. Stosowanie cementów normowych do betonu zwiększa odporność na reakcję kruszywa z wodorotlenkami sodu i potasu w betonie, nawet niwelując ekspansję betonu z dodatkiem kruszywa reaktywnego. Stosowanie CEM III/A 42,5N LH/HSR/NA w miejsce CEM I 42,5N LH/SR3/NA w betonie ciężkim o gęstości 3200-3600 kg/m3 spowodowało spadek współczynnika szybkości absorpcji wody, zmniejszenie współczynnika migracji jonów chlorkowych oraz zwiększenie szybkości karbonatyzacji. Zaobserwowano znaczny wpływ zróżnicowania rodzaju kruszywa w betonie ciężkim na wytrzymałość i wskaźniki nieprzepuszczalności betonu.

The results of microscopic analysis on thin sections of aggregates intended for nuclear shielding concrete are presented. The petrographic analysis was performed on different barite, magnetite and hematite aggregates used as the high-density aggregate to absorb gamma radiation. Both optical microscopy and accelerated expansion tests were used to recognise the potential for alkali-reactivity of the aggregates. The mineral composition of the tested aggregates was analysed on thin sections in transmitted cross-polarized light and XRD tests were additionally performed. Expansion tests of mortar bars exposed to 1 N NaOH solution at the temperature of 80°C were also performed following ASTM C1260. The high-density aggregates contained ore deposits - metallic opaque phases providing the required shielding properties. These aggregates also contained various amounts of non-metallic phases, with both innocuous non-ore minerals and deleterious, potentially reactive materials. Barite aggregates contained siderite, fluorite and hawleyite in varying amounts, apart from the barium sulphate being the principal component. Moreover, particularly reactive cristobalite and muscovite were identified in barite aggregates from certain quarries. Tests according to ASTM C1260 performed on mortars showed the expansion above the accepted criterion for non-reactive aggregate and confirmed the threat due to the presence of cristobalite in barite aggregates.

high-density aggregate, heavy concrete, alkali-silica reaction, thin section, XRD

The application of fibre reinforced concrete (FRC) in the various constructions in Nuclear Power Plants and particularly in the shields for protection against y and neutron radiation seems possible and useful. A few examples of shields built with FRC are described and rewieved and the question is formulated why this kind of cement based composites are rather infrequently used in that area.

fibre reinforced concrete (FRC), nuclear power plant (NPP), special concrete

Trwałość poważnych konstrukcji betonowych jest rozpatrywana zawsze uwzględniając wszystkie warunki ich użytkowania przeważnie z uwagi na wymagania ekonomiczne. W przypadku elektrowni jądrowych trwałość betonu jest ściśle związana z wymaganiami bezpieczeństwa personelu i otoczenia. Beton jest jednym z głównych materiałów w rozmaitych konstrukcjach w elektrowni jądrowej, a także w osłonach w składach materiałów radioaktywnych i w urządzeniach leczniczych. Problem trwałości obejmuje wpływ wszystkich oddziaływań środowiska i powolne procesy wewnętrzne w betonie, a szczególnie studiowany jest wpływ długotrwałego promieniowania na beton w okresie 60. lat i nawet dłużej. W referacie zagadnienie wpływu jonizującego promieniowania na beton jest rozpatrzone na podstawie najnowszych wyników badań i wymagań normowych.

starzenie betonu, osłona reaktora, trwałość betonu

In the paper the barite aggregate has been analyzed as a potential source of ASR in heavy concrete. Special attention was paid to BaSO4 and minor mineral components in aggregates and their influence on ASR development in tested mortars

heavy aggregate, Alkali Silica Reaction (ASR), ionizing radiation

Beton jest głównym materiałem stosowanym do budowy osłon przed promieniowaniem ze względu na stosunkowo niski koszt oraz możliwość spełniania także funkcji konstrukcyjnych. Betony osłonowe muszą być komponowane i wykonywane w sposób szczególny, aby spełniały wszystkie wymagania, nie tylko skutecznego osłabiania różnorodnego promieniowania, ale także trwałości. W referacie przedstawiono podstawowe zagadnienia związane z projektowaniem betonów osłonowych na tle obecnego stanu wiedzy. Aktualna znajomość tego tematu inżynierii materiałowej jest potrzebna przed przystąpieniem do budowy przemysłowych reaktorów atomowych w Polsce, niezależnie od sposobu realizacji takiej inwestycji.