MATERIAŁY BUDOWLANE XXI WIEKU

WYZWANIA INŻYNIERII MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Lech CZARNECKI

Politechnika Warszawska

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

IMB:

relacja “struktura - właściwości”

*

projektowanie

*

otrzymywanie

*

dobór

materiałów budowlanych

Cechy szczególne:

*

trwałość

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

*

wielkie masy

- cement 15 mln t/rok

- zboża

20 mln t/rok

- odpady 50 mln t/rok

MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING

nauka o materiałach:

• definiowanie pojęć
• wyjaśnianie zjawisk
• kreowanie idei

inżynieria materiałowa:

• wytwarzanie
• modyfikacja
• dobór

Materiał - technologia - konstrukcja - ekologia

Słowa kluczowe paradygmatów:

Składniki - mikrostruktura - energia -

- użyteczność - kryteria oceny

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

konstrukcja

złożoność

mikrostruktura

faza

(fulereny)

cząsteczka

atom

jądro

cząstka

elementarna

10

-15

10

-12

10

-9

10

-6

10

-3

1 10

3

wymiar [m]

mechanika kwantowa

fizy

ka

cia

ła s

tał

eg

o

nau

ka o

mater

iała

ch

inży

nier

ia m

ater

iałó

w b

udo

wla

nyc

h

mechanika

konstrukcji

R. Buckminster
Fuller,
Kopuła
geodezyjna,
Montreal,
1967

Fuleren

W.Kroto,
E.Smalley,
R.F.Curl,

Nobel ‘96

Materiał

↔

Konstrukcja

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

MAT

F

IZ

C

H

E

M

IM

B

sk

a

la

t

w

ar

d

o

śc

i

n

au

k

i*

,

°B

R

nauki

humanistyczne

nauki

techniczne

nauki

przyrodnicze

inżynieria
materiałów
budowlanych

* „Autorytet nauki mierzy się stopniem, w jakim korzysta z matematyki”

G. Hardy Apologia matematyki

PROGNOZA ROZWOJU XXI - CZYNNIKI

•

zrównoważony rozwój

••

środowisko

••

oszczędność energii

••

minimum kosztów wznoszenia i utrzymania

•

materiały wysokiej użyteczności

•

duży udział napraw

•

użyteczność obiektu budowlanego jako dominanta

Wymagania podstawowe

ER

Wg Witruwiusza,

I w. pChr.

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

OBSZARY BADAWCZE

*

kryteria użyteczności

*

metody oceny

*

modyfikacja & nowe materiały

*

zachowanie materiału w warunkach użytkowania:

prognoza + dobór

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

SŁOWA KLUCZOWE W OBSZARZE BADAWCZYM

ENERGIA

EKOLOGIA

EKONOMIA

E

3

Warunki

Kryteria

Użyteczność

Kompatybilność

Trwałość

Wytwarzanie /

/ modyfikacja

kompozytu

Składniki

Mikrostruktura

Synergia

Kohezja /

/ adhezja

Właściwości

Dobór

Zrównoważony

rozwój

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

Materiał

budowlany

?

•Międz.

Centrum
Zrównowa-
żonego
Rozwoju
Cementu
i Betonu,
Kanada ‘98

• ..................

• ..................

Zrównoważony obiekt

budowlany

wnoszenie/użytkowanie

*

ochrona zasobów - min.

materii

*

powtórne wykorzystanie

elementów

*

renowacja & recyklizacja

*

ochrona środowiska

*

zdrowotność

*

komfort użytkowania

C.Kibert

Zrównoważony rozwój

*

przesłanka filozoficzna

*

konieczność życiowa

*

wymóg konstytucyjny

*

zagospodarowanie odpadów

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

MIKRO - MAKRO DYLEMAT

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

Examengineering*

* E. Brüchwiler, IABSE

Metody badań

• .....
• .....
• micro-nano-identation

instrument

• ESEM - Environmental

SEM

• .....
• .....

Poziom

inżynierski

m

x

m

x

m!

Mikrostruktura

• 10

-6

m

(

µm) - BZ

• 10

-9

m

(nm) - BWW, PCC, ...

• 10

-11

m

(poziom atomowy) -

ceramika

R.Pampuch

NARZĘDZIA BADAWCZE

•

geometria fraktalna

√

•

metody sztucznej inteligencji

√

-

metody zbiorów rozmytych

√

•

analiza obrazu

√

•

teoria katastrof

?

•

teoria chaosu

?

•

homeostaza techniczna

?

•

termodynamika stanów nierównowagowych

i procesów nieodwracalnych

?

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

KOMENTARZE

Fraktale

wg J.A.Wheelera:

„Nikt się nie liczy,
kto nie zna
fraktali”

Zbiory rozmyte

wg W.Kahana:

„Logika rozmyta -
kokainą nauki!”

Rozwój
materiałów
budowlanych

wg Anonima:

„Teorie nie mają
zastosowania,
zastosowaniom
brak teorii”

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

SZTUKA UPRASZCZANIA

Obserwacja

Dokładność

Prezentacja

Prostota

↔

• niepewność

materiałowa

• niepewność

obciążeń

wnioskowanie
probabilistyczne

* wartości

gwarantowane

* wartości trwałe

Wnioski

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

CZY MATERIAŁY BUDOWLANE

STANĄ SIĘ INTELIGENTNIEJSZE?

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

IQ na świecie

100

70

1950

2000

80

90

1975

2000

1975

Nakłady na naukę

w Polsce, %PKB

1,6

1,2

0,8

0,4

?

Nanotechnologia

czujnik

Wbudowana

diagnostyka

warstwa
INTELIGENTNA

Zaklinanie

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

samopoziomowalność

samonaprawialność

samozaleczalność

samozagęszczalność

samorozlewność

samo-?

√

liczba

rok

Występowanie “self-assembled”

w tytułach publikacji

0

100

200

300

400

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

√

√

√

?
?

W zakresie

samoobsługi

samowysychalność -
- samooczywistość

High-Performance Concrete Demystified*

* P.C.Aĩtcin, A.M.Neville

W zakresie cech technicznych

50

0

0

ε

, mm

2,0

f

f

, MPa

Ductile

HPC 80

BWW
BBWW
ECC
UHPC
FRC
HPFRC
HPFRCC
UHPRFC
SIFCON
SIMCON
RPC

LABORATORIUM WIRTUALNE

MODEL

REAL

mm

mm

µ

µ

m

m

nm

nm

„sztuczna

losowość”

C-S-H, nm

konstrukcja, m

beton, mm

zaczyn

cementowy,

µm

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

Ile W-Lab, a ile R-Lab?

STARE & NOWE PYTANIA

σ

σ

ε

ε

kruche

ciągliwe

T = +25

°C

T = -25

°C

Y

czas

„Wartości

trwałe”

?

A.M.Neville,
2000r.:

Ile i jakiej wody
w mieszance?

Rozpoznawanie
zagrożeń:

• formowanie

taumazytu (SO

4

2-

,

H

2

O, T=0-5

°C)

• bakteria

Thiobaccillus

CONCRETIVORUS

Udział
elementów
mikro-
struktury
w przeka-
zywaniu
naprężeń

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

PRZYKŁADY NOWYCH ROZWIĄZAŃ

MATERIAŁOWO-TECHNOLOGICZNYCH

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

Biobeton:
Baccillus
Pasteurii;
P-aeruginosa

Beton o
powierzchniach
samoczyszczących

Elektroosadzanie

Beton samonaprawialny

Laminaty
z FRC

Samomonitorowanie ochrony katodowej

N

N

n

H

+

OH

-

NH

N

n

izolator

przewodnik

+

ENERGIA

MATERIAŁY

MATERIA

EKOLOGIA

RYNEK

WYTWA-

RZANIE

KOSZT

PROJEK-
TOWANIE

INFOR-

MACJA

EKONOMIA

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI

1981

Wacław
Paszkowski

Bronisław
Bukowski

Jerzy Grzymek

Włodzimierz
Skalmowski

Wacław
Żenczykowski

IMB łączy:

*

teorię

z praktyką

*

badania

z techniką

*

materiał

z konstrukcją

Rzeczą współczesnych jest ukierunkować
glorię przeszłości ku przyszłości !

IMB 04/05 -
WPROWADZENIE

L.CZARNECKI