Na Wydziale Budownictwa Lądowego i Wodnego utworzono laboratorium badawcze pod nazwą „Laboratorium mikrostruktur kompozytów budowlanych oraz ośrodków gruntowych i skalnych”. Znajduje się ono w budynku D-2, pok. 108A.
Kierownikiem laboratorium jest dr hab. inż. Dariusz Łydżba, prof. PWr.
Laboratorium wykonuje obrazy 3D mikrostruktur kompozytów budowlanych oraz ośrodków gruntowych i skalnych. Pozwala oznaczyć miary mikrostrukturalne: udziały frakcyjne składników, powierzchnia wewnętrzna, funkcje korelacji dwu-punktowej. Umożliwia ocenę właściwości sprężystych składników mikrostrukturalnych oraz oznaczenie ich twardości jak również wybranych parametrów reologicznych.

Część aparatury będącej na wyposażeniu laboratorium sfinansowano z dotacji  Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego przyznanej decyzją Nr 6346/IA/119/2013  z dnia 15 lutego 2013 roku pt.: „Zestaw aparatury do nieniszczących badań makro- i mikrostruktury w konstrukcjach budowlanych”

Celem inwestycji był zakup specjalistycznej aparatury tworzącej zestaw aparatury do nieniszczących badań makro- i mikrostruktury w konstrukcjach budowlanych,  który zawiera zintegrowane moduły badawcze urządzenia do kompleksowych badań makro- i mikrostruktury, składający się  z:

a) tomografu ultradźwiękowego z cyfrowym zapisem danych,
b) aparatury do nieniszczącej diagnostyki betonu – zintegrowany zestaw:

• defektoskop do badania metodą odpowiedzi na impuls akustyczny,
• defektoskop do badania metodą przepuszczania,
• zestaw do pomiaru metodą emisji akustycznej,
• urządzenia do pobierania różnej wielkości próbek badanych materiałów,

c) mikro-nano tomografu komputerowego,
d) nanoIndentera.

Charakterystyka techniczna elementów składowych inwestycji

Tomograf ultradźwiękowy z cyfrowym zapisem danych
Przeznaczony jest do badania konstrukcji z betonu, żelbetu i kamienia z dostępem do obiektu z jednej strony w celu oceny integralności materiału obiektu, wykrycia obcych wtrąceń, otworów, wad, pęknięć, struktur typu plaster miodu, prętów wewnątrz materiału, jak również do pomiaru grubości obiektów. Tomograf może badać obiekty o grubości do 2 metrów. Wyniki prezentowane są w formie przekroju poprzecznego (tomogramu) typu B, przez co łatwiej zinterpretować i zanalizować wynik badania. Specjalistyczne oprogramowanie pozwala na odtworzenie tomogramu ze zbioru danych w trójwymiarze i utworzyć obraz 3D struktury wewnętrznej. Tomograf jest w formie monobloku. Jest prosty i wygodny w użyciu. Posiada wbudowany komputer, pamięć, duży wyświetlacz oraz przyciski funkcyjne.
Tomograf do betonu to w pełni autonomiczne urządzenie pomiarowe, które gromadzi i przetwarza w czasie realnym uzyskane pomiary. Zintegrowana głowica Antena Array zawiera 48 elementów (12 bloków z 4 elementów w każdym). Są to przetworniki szerokopasmowe przetworniki fal poprzecznych niskiej częstotliwości DPC z nieścieralną przylgą ceramiczną (zapewnia długą żywotność nawet przy użyciu na nierównych powierzchniach). Każdy przetwornik posiada niezależne zawieszenie na sprężynie, co umożliwia docisk do badanej powierzchni. Nominalna częstotliwość pracy głowicy to 50 kHz.
Kluczowe cechy techniczne:

• Automatyczny pomiar prędkości fali ultradźwiękowej w badanym obiekcie,
• Dostosowanie głowicy Antenna Array do nierówniej powierzchni,
• Zintegrowana głowica Antenna Array nie wymaga użycia sprzęgacza,
• Bezpośrednia obróbka danych, nie wymaga użycia zewnętrznego PC,
• Poręczna, szybko-wymienna bateria,
• Lekka, wstrząsoodporna obudowa,
• Trwałe, nieścieralne przylgi przetworników w głowicy Antena Array,
• Wysoka dokładność pomiaru,
• Wysoka efektywność – czas wykonania pojedynczej rekonstrukcji tomograficznej – ok.3 sek,
• Wizualizacja wewnętrznej struktury obiektu dostępnego z jednej strony,
• Prezentacja 3D wewnętrznej struktury obiektu, zobrazowanie B, C, D każdego sektora,
• Wyświetlacz kolorowy TFT LCD, rozdzielczość wyświetlacza 640x480 pixels
• Ilość kanałów 12, Ilość elementów nadawcz-odbiorcz. 48,
• Częstotliwość 50 kHz,
• Tryb nadawczo-odbiorczy 25-80 kHz,
• Typ fali ultradźwiękowej: fala poprzeczna,
• Głowica Zintegrowana z urządzeniem,
• Zakres temperatury pracy -10 … +50 °C,
• Zakres pomiarowy: grubość betonu 50 – 600 mm, maksymalna głębokość inspekcji 2500 mm, minimalny wymiar wady sfera o średnicy 30mm na głębokości 400 mm w betonie M400,
• Zakres prędkości fali 1000 – 4000 m/s,
• Urządzenie wyposażone jest w specjalistyczne oprogramowanie do zaawansowanego przetwarzania otrzymywanych danych na komputerze PC. Program zapewnia odczyt danych z urządzenia, przetwarza je uzyskując tomogram w postaci zobrazowania 3D.
  

Aparatura do nieniszczącej diagnostyki betonu: defektoskop do badania metodą odpowiedzi na impuls akustyczny, defektoskop do badania metodą przepuszczania, zestaw do pomiaru metodą emisji akustycznej, urządzenia do pobierania różnej wielkości próbek badanych materiałów

A. Defektoskop do badania metodą odpowiedzi na impuls akustyczny
Umożliwia szybką powierzchniową ocenę integralności konstrukcji betonowych metodą impulse-response, a w konsekwencji wykrycie takich wad jak:

• pustek pod płytami fundamentowymi, posadzkami, nawierzchniami drogowymi z betonu i asfaltu,
• pustek za ścianami tuneli,
• ocenę zakotwienia ścian oraz stropów, lokalizację rozwarstwień i obszarów niezagęszczonego betonu w konstrukcjach betonowych, w tym również wykrywanie uszkodzeń spowodowanych cyklicznym zamrażaniem wody w betonie lub zbyt dużymi gradientami w rozkładzie ciepła hydratacji na etapie betonowania konstrukcji,
• ocenę jakości napraw powierzchniowych i aplikacji warstw wykończeniowych – np. lokalizacja odspojeń napraw powierzchniowych, odspojeń pomiędzy warstwami bitumicznymi a konstrukcją betonową.

Składa się z dwóch walizek: walizka z oprzyrządowaniem oraz walizka z komputerem z zainstalowanym na komputerze oprogramowaniem.

B. Defektoskop do badania metodą przepuszczania
Jest to urządzenie do ultradźwiękowego badania jednorodności betonu oraz oceny głębokości pęknięć w betonie. Pomiar dokonywany jest metodą transmisji bezpośredniej, półbezpośredniej i pośredniej. Urządzenie umożliwia: tworzenie własnych krzywych konwersji wytrzymałości betonu i ich zapisu w urządzeniu. Zaprogramowane w urządzeniu krzywe pozwalają na wyznaczenie wytrzymałości jako zależności wartości ultradźwiękowej i wartości odbicia z młotka Schmidta. Urządzenie wyposażone jest: w zintegrowany stopień wzmocnienia, zapewniający pracę bez dodatkowego wzmacniacza przy użyciu przetworników wykładniczych i dłuższych kabli; znacznik czasowy umożliwiający zapis daty i godziny wykonywanego pomiaru. Ponadto pozwala na: przeglądanie wyników pomiarów bezpośrednio w urządzeniu, bez konieczności podłączenia do PC oraz graficzny rozkład przejścia fali ultradźwiękowej widoczny bezpośrednio na wyświetlaczu LCD urządzenia lub PC.
Kluczowe cechy techniczne

• funkcja pomiaru czasu przejścia fali ultradźwiękowej w zakresie od 0,1µs do 9999 µs,
• szeroki wachlarz zastosowań (możliwość badania betonu, ceramiki, drewna itp.) dzięki możliwości wyboru napięcia nadajnika (125V, 250V, 350V, 500V lub AUTO) oraz opcjonalnych przetworników (o częstotliwościach od 24 do 500kHz),
• kompaktowy, przenośny rejestrator w lekkiej, odpornej obudowie; łatwy w obsłudze z czytelnym wyświetlaczem LCD o rozdzielczości 256×64 pikseli i pamięcią 500 pomiarów,
• możliwość transmisji danych do komputera przy użyciu kabla USB,
• oprogramowanie umożliwiające prezentację i analizę dokonanych pomiarów oraz ich eksport do innych aplikacji,

C. Zestaw do pomiaru emisji akustycznej
Jest to jednokanałowy zestaw pomiarowy, który umożliwia:

• ocenę procesu niszczenia materiałów (przede wszystkim betonu i stali)
• wykrywanie oraz lokalizację wad i defektów wewnętrznych w elementach konstrukcyjnych (takich jak np.: pęknięcia i ich rozwój oraz inne nieciągłości w strukturze materiału (elementu)
• identyfikację stopnia degradacji materiału na skutek korozji powodującej miejscowe osłabienie struktury materiału
• monitoring, tj. długotrwałą i nieprzerwaną kontrolę stanu technicznego elementu lub obiektu budowlanego w trakcie eksploatacji.

Kluczowe cechy techniczne

• jednokanałowy analizator ze wzmacniaczem regulowanym i filtrem górnoprzepusto-wym oraz wzmacniaczem sygnału pomocniczego,
• karta przetwornika analogowo-cyfrowego do komputera,
• sensor szerokopasmowy 5kHz - 500 kHz,
• oprogramowanie pozwalające rejestrować tempo zdarzeń EA i energię zdarzeń EA w funkcji czasu oraz wykonywać akustogramy w układzie czas – częstotliwość.

D. Urządzenia  do pobierania rożnej wielkości próbek badanych materiałów
Wiertnica diamentowa DD 120 230 V i wiertarka firmy Hilti wraz z oprzyrządowaniem
Kluczowe cechy techniczne
Znamionowa moc wejściowa:     1600 W,
- Liczba biegów:     2,
- Prędkość obrotowa bez obciążenia na 1. biegu:     650 obr./min,
- Prędkość obrotowa bez obciążenia na 2. biegu:     1380 obr./min,
- Zakres wiercenia przy pracy na mokro ze statywu:     16 mm - 162 mm,
- Zakres wiercenia bieg 1 (na mokro):     57 mm - 132 mm,
- Zakres wiercenia bieg 2 (na mokro):     16 mm - 52 mm.

Mikro-nano Tomograf komputerowy
Stołowy wysokorozdzielczy micro-nano tomograf komputerowy SkyScan 1172-100-68 firmy Brucker MicroCT wraz z komputerem sterującym i oprogramowaniem. Urządzenie wyposażone jest w przystawkę Micropositioning Stage do precyzyjnego ustawiania elementu jak również zestaw pinów kalibracyjnych – dwa do kalibracji kamery oraz jeden do kalibracji lampy rentgenowskiej.
Urządzenie pozwala zobrazować, dzięki identyfikacji wielkości absorpcji promieni rentgenowskich, trójwymiarowy obraz mikrostruktury ośrodka kompozytowego, z rozdzielczością sięgającą setek nanometrów. Umożliwia tak analizę jakościową jak i ilościową morfologii mikrostruktury badanego ośrodka kompozytowego. Pozwala identyfikować/mierzyć miary mikrostrukturalne jak: udziały frakcyjne poszczególnych składników, rozkłady statystyczny, funkcje korelacji 1- oraz 2 – punktowej. Umożliwia zobrazowanie mechanizmów destrukcji mikrostruktury ośrodków kompozytowych.
Kluczowe cechy techniczne
Kamera tomografu
- Maksymalne pole skanowania FOV: większe lub równe 65mm,
- Kamera tomografu 11 Mpx,
- Matryca detektora:  400x2670x12bit sygnał wyjściowy,
- Rozmiar analizowanej próbki:
    praca w modzie standardowym, tj. Camera Standard Mode: ? 27 mm,
    praca w modzie rozszerzonym, tj. Camera Offset Mode:? 68 mm,
- Rozmiar piksela: min. 500 nm dla rozdzielczości nominalnej.

Źródło promieniowania
- Lampa rentgenowska
- Chłodzenie powietrzem
- Maksymalna moc: 10 W
- Rozmiar ogniska: poniżej 5µm przy 4W
- Zintegrowane filtry Al i AL-Cu
- Zasilanie źródła lampy: równe lub wyższe niż 100keV
- Możliwość regulacji napięcia lampy w zakresie 20 keV – 100keV

Ochrona radiologiczna
•    moc dawki < 1µSv/,

Przystawka do precyzyjnego ustawiania mierzonego obiektu (Micro-positioning Stage)
•    Przystawka w pełni kompatybilna z oprogramowaniem sterującym mikrotomografem. Zarządzanie oraz sterowanie przystawką odbywa się z komputera obsługującego mikrotomograf. Przystawka umożliwia przesuwanie obiektu o co najmniej 5 mm w kierunkach X oraz Y,
•    Zestaw uchwytów do mocowania próbek, tj. 4 uchwyty do mocowania próbek o różnych średnicach, 4 sztuki uchwytów do badań w cieczach – uszczelnione oringiem

Oprogramowanie
•    Pakiet oprogramowania do analizy oraz rekonstrukcji 2D/3D, tj.: CTanalyzer, CTvol, CTvox, DataViewer, Nrecon,
•    Format zrekonstruowanego obrazu: TIFF, BMP,JPG,
•    Możliwość przyśpieszenia przetwarzania danych poprzez zastosowanie zestawu połączonych jednostek obliczeniowych (komputerów) w klaster; Możliwość rozbudowy do maks. 4 jednostek obliczeniowych (komputerów); System zapewnia rekonstrukcje z wykorzystaniem dedykowanych stacji roboczych PC.

Jednostka sterująca – konsola operatora
•    Komputer DELL 7600 zarządzający oraz sterujący pracą mikrotomografu komputerowego oraz dołączonego oprogramowania wraz z możłiwością archiwizacji danych,
•    Parametry komputera:

• Procesor: Two Intel Xeon Processor E5-2687W (Eight Core, 3.10 GHz Turbo, 20 MB, 8 GT/s
• 28 GB 1600 MHz DDR3 ECC RDIMM
• Hard Drive: 3TB 3.5inch Serial ATA
• Dodatkowy dysk twardy: 3TB 3.5 inch Serial ATA
• GPGU: NVIDIA Tesla C2075 Computing Processor PClex16 Card.

NonoIndenter NHT+TTX
NanoIndenter firmy CSM Instruments. Urządzenie pozwala na ocenę modułu sprężystości, modułu pełzania i relaksacji oraz twardości Vickersa składników tworzących mikro- nanostrukturę materiału kompozytowego. Ponadto pozwala również na identyfikację wartości pracy plastycznej oraz sprężystej składników mikrostruktury.
Kluczowe cechy techniczne
Platforma pomiarowa:
•    Stolik manualny o zakresie przesuwu w osiach: X – 20 mm, Y – 20 mm,
•    Rama urządzenia wykonana ze specjalnego materiału posiadającego dodatkowe własności tłumiące drgania,
•    System wyposażony w pasywny układ referencji do powierzchni próbki, niwelujący zakłócenia pomiarów wywoływane dryfem termicznym stolika oraz ramy urządzenia,
•    Urządzenie w pełni dostosowane do prowadzenia pomiarów również w cieczach.

Parametry siły obciążającej:
•    Zakres siły: 0,1 mN do 500 mN,
•    Rozdzielczość siły: 0,04 µN,
•    Minimalna siła kontaktu: 1 µN,
•    Szybkość zmiany obciążenia: 0 – 10 000 mN/min,
•    Czas utrzymania stałego obciążenia: bez limitu.

Parametry dotyczące pomiaru penetracji:
•    Maksymalna głębokość penetracji: 40 mm (standard); 200 mm  (wyższy zakres),
•    Rozdzielczość pomiaru głębokości: 0,004 nm (standard);  0,03 nm (wyższy zakres),
•    Poziom szumów:  0,03 nm,
•    Maksymalny zakres pracy wgłębnika: 500 mm.

Oprogramowanie:
•    Wyświetlanie w czasie rzeczywistym danych o głębokości penetracji oraz wartości siły,
•    Kreślenie charakterystyki przyłożonej siły w zależności od głębokości penetracji,
•    Możliwość natychmiastowego wycofania wgłębnika,
•    Możliwość ustawiania parametrów szybkości zmiany obciążenia, długości pauzy, głębokości penetracji,
•    W pełni definiowalne modele przyrostu siły: jednocyklowy, wielocyklowego
z możliwością wyboru kolejnych wartości obciążenia i długości pauz, przyrost siły liniowy, w funkcji kwadratowej, możliwość definiowania profili użytkownika,
•    Automatyczne powiązanie pomiędzy miejscem wgłębienia i analizą obrazu,
•    Możliwość przeprowadzania analizy statystycznej (dane oraz wykresy i zdjęcia),
•    Eksport danych w postaci ASCII lub Excel i TXT,
•    Automatyczne wyliczanie twardości (HIT), Modułu elastyczności, pełzania (CIT), twardości Vickersa (HV) oraz relaksacji (RIT),
•    Wyliczanie pracy plastycznej i elastycznej,
•    Wyświetlanie parametrów: max głębokości, głębokości resztkowej, położenia punktu kontaktu, pola kontaktu, sztywności (zgodnie z teorią twardości instrumentalnej),
•    Kreślenie charakterystyk twardości i modułu elastyczności względem głębokości penetracji,
•    Praca w zgodzie z normą ISO 14577,
•    Praca w zgodzie z normą ASTM E2546
•    Możliwość zasymulowania eksperymentu po wprowadzeniu indywidualnych parametrów procesu


Opis planowanych badań lub prac rozwojowych i innych zadań jednostki, których potrzebom będzie służyć inwestycja w okresie, co najmniej 3 lat.

Przedmiotowy zestaw aparaturowy służyć będzie do badań makro- i mikrostruktury złożonych materiałów kompozytowych. Prowadzone będą wysoce specjalistyczne i zaawansowane, niedestrukcyjne, badania makro- oraz mikrostruktur złożonych materiałów kompozytowych celem, których będzie opracowanie „racjonalnej” i „ilościowej” oceny trwałości i niezawodności konstrukcji budowlanych, w tym również konstrukcji ziemnych oraz wyrobisk podziemnych. W szczególności badania te dotyczyć będą betonów oraz kompozytów z morfologią: matryca-wtrącenie (kompozyty włókniste, kompozyty z wtrąceniami ziarnowymi, kompozyty naturalne: skały oraz grunty). W przypadku betonów, do ich oceny trwałości, szczegółowa analiza jakościowa i ilościowa dotyczyć będzie wpływu procesów karbonatyzacji na efektywne parametry mechaniczne betonów (sprężystości oraz wytrzymałości). Badania te prowadzone będą wielotorowo (już zostały rozpoczęte), tj.: identyfikowane będą strefy możliwej karbonatyzacji w konstrukcji, z wykorzystaniem ultradźwiękowego tomografu oraz defektoskopów a następnie pobierane będą próbki z tych obszarów i badane odpowiednio w mikro- nano tomografie oraz nanoIdenterze. Taki tok postępowania pozwoli na jednoznaczną identyfikację i określenie wartości „rzeczywistych” właściwości mechanicznych betonu poddanego procesowi karbonatyzacji. W konsekwencji możliwe będzie opracowanie i wdrożenie nowoczesnej i unikatowej procedury umożliwiającej ocenę stanu aktualnego oraz trwałości konstrukcji betonowych.

Następny typ badań można scharakteryzować, jako identyfikacja jakościowa oraz ilościowa mechanizmów mikro-destrukcji zachodzących w kompozytach o morfologii: matryca – wtrącenie. W szczególności, badana będzie rola mikrostruktury na przebieg i obraz jakościowy mechanizmów mikro-destrukcji. Oceniana będzie rola: sztywności, kształtu, wielkości oraz udziału frakcyjnego wtrąceń na efektywne parametry sprężystości oraz wytrzymałości takich kompozytów. Badany będzie również tzw. efekt skali. Badania te już zostały rozpoczęte i realizowane są w ramach prowadzonego na Wydziale doktoratu
pt.” Identyfikacja doświadczalna oraz opis matematyczny efektu skali kompozytów
z morfologią: wtrącenie – matryca”. Metodologiczne podobne badania rozpoczęto również w zastosowaniu do kompozytów naturalnych – skały oraz grunty spoiste. Podobnie jak uprzednio badanie te będą realizowane w formie pracy doktorskiej - od października tego roku przyjęty został na studia doktoranckie realizowane na Wydziale doktorant, którego „roboczy” tytuł pracy doktorskiej sformułowano jako ”Weryfikacja metodą rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej przydatności mikrostrukturalnych miar wyższego rzędu do oceny makroskopowych właściwości termicznych i mechanicznych skał i gruntów”. Prace te mają charakter podstawowy. Podobnie również jak kolejna, rozpoczęta, na Wydziale praca doktorska, której celem jest sformułowanie efektywnej numerycznej metody oceny właściwości efektywnych kompozytów na podstawie obrazu mikrostruktury otrzymanej z mikro- nano tomografu oraz badań cech mechanicznych uzyskanych z NanoIndentera. Tytuł tej pracy zaproponowano jako „Wykorzystanie szybkiej transformacji Fouriera do oceny właściwości efektywnych kompozytów nieliniowych”.

Uzyskany zestaw aparaturowy, wykorzystywany będzie do opracowania i wdrożenia nowoczesnych i kompleksowych metodyk i procedur badawczych konstrukcji i materiałowych budowlanych.