Διερεύνηση και ερμηνεία της συμπεριφοράς ασβεστολιθικών τσιμέντων σε συνδυασμένο περιβάλλον χλωριόντων και θειικών ιόντων

Abstract

The behavior of Portland limestone cements in the combined chloride and sulfate environment was studied. Portland limestone cements may contain limestone as a main constituent in percentages ranging between 6% and 35% (EN 197-1 (2000)). A problem associated with the use of limestone in cement and concrete is that it may exhibit a lack of durability due to the formation of thaumasite as a result of sulfate attack at low temperatures. Building constructions can be found in areas near the sea, where groundwater, contaminated with sea water, contains significant amounts of chloride and sulfate ions. Thus, it is of great interest to study the formation of thaumasite, the chloride diffusion, as well as the reinforcement corrosion in the combined chloride and sulfate environment. Concrete and mortar specimens were prepared using ordinary Portland cement and two Portland limestone cements. Additional specimens were made by partial substitution of the limestone cement with natural pozzolana, fly ash, ground granulated blastfurnace slag or metakaolin. The specimens were immersed in chloride and sulfate solutions and stored at 5oC. Concrete deterioration due to sulfate attack was evaluated using visual examination, as well as mass and compressive strength measurements. Thaumasite formation was identified using the XRD analytical technique. Chloride diffusion was studied through the chloride profiles that were experimentally obtained. Mortar reinforcement corrosion was investigated measuring corrosion potential, as well as using the linear polarization method, while mass loss of the steel rebars and specimens’ carbonation depth were also determined. Limestone cement concrete is more susceptible to thaumasite formation compared to that produced by ordinary cement. Both chloride diffusion and reinforcement corrosion are more intensive when limestone cements are used. The use of mineral admixtures in limestone cement concrete improved its durability against sulfate attack, while also lead to lower chloride diffusion. Chlorides intercept and delay the sulfate attack on concrete specimens made without mineral admixtures. On the contrary, chlorides amplify the deterioration caused by sulfates, when specimens contain mineral admixtures. Sulfates favor both chloride diffusion and reinforcement corrosion. Fly ash was proved as the most efficient mineral admixture, followed by metakaolin and blastfurnace slag. Natural pozzolana presented the most limited beneficial effect.

Διερευνήθηκε η συμπεριφορά ασβεστολιθικών τσιμέντων σε συνδυασμένο περιβάλλον χλωριόντων και θειικών ιόντων. Τα ασβεστολιθικά τσιμέντα Portland μπορούν να περιέχουν τον ασβεστόλιθο ως κύριο συστατικό σε ποσοστά 6-35% (EN 197-1 (2000)). Το πρόβλημα, που σχετίζεται με τη χρήση τους, είναι η ενδεχόμενη σημαντική απώλεια ανθεκτικότητας του σκυροδέματος, λόγω της επίδρασης των θειικών ιόντων και του σχηματισμού του ταουμασίτη ως προϊόντος φθοράς σε χαμηλές θερμοκρασίες. Μεγάλο μέρος των δομικών έργων στη χώρα μας βρίσκεται σε περιοχές κοντά στη θάλασσα, όπου υπάρχουν υπόγεια ύδατα, που περιέχουν σημαντικά ποσοστά χλωριόντων και θειικών ιόντων, λόγω υφαλμύρωσης. Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη και η αντιμετώπιση του «προβλήματος του ταουμασίτη», της διάχυσης των χλωριόντων και της διάβρωσης του οπλισμού σε συνδυασμένο περιβάλλον των ανωτέρω ιόντων. Παρασκευάστηκαν δοκίμια σκυροδέματος και κονιάματος αμιγούς και δύο ασβεστολιθικών τσιμέντων Portland, καθώς και δοκίμια, όπου το ασβεστολιθικό τσιμέντο ενισχύθηκε με φυσική ποζολάνη, ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνων και μετακαολίνη. Τα δοκίμια τοποθετήθηκαν σε διαλύματα χλωριόντων και θειικών ιόντων στους 5oC. Στα δοκίμια κονιάματος είχε πακτωθεί χαλύβδινος οπλισμός. Η προσβολή από τα θειικά ιόντα εκτιμήθηκε με οπτική επιθεώρηση και μετρήσεις μάζας και αντοχής σε θλίψη των δοκιμίων. Ο ταουμασίτης ταυτοποιήθηκε με την αναλυτική τεχνική XRD. Η διάχυση των χλωριόντων μετρήθηκε βάσει των προφίλ που προέκυψαν πειραματικά. Για τη διερεύνηση της διάβρωσης του οπλισμού έγιναν μετρήσεις δυναμικού διάβρωσης, γραμμικής πόλωσης, απώλειας μάζας των οπλισμών, καθώς και μέτρηση του βάθους ενανθράκωσης των δοκιμίων. Τα ασβεστολιθικά τσιμέντα οδήγησαν σε πιο ευάλωτο σκυρόδεμα κατά την προσβολή από τα θειικά ιόντα, σε μεγαλύτερη διάχυση χλωριόντων και σε εντονότερη διάβρωση του οπλισμού, σε σχέση με το αμιγές. Τα ποζολανικά υλικά βελτίωσαν, γενικά, τη συμπεριφορά του ασβεστολιθικού τσιμέντου. Τα χλωριόντα παρεμπόδισαν τη φθορά από τα θειικά ιόντα όταν δεν χρησιμοποιήθηκαν ποζολανικά υλικά στη σύνθεση του σκυροδέματος. Το αντίθετο συνέβη όταν αντικαταστάθηκε το ασβεστολιθικό τσιμέντο με τα συγκεκριμένα υλικά. Τα θειικά ιόντα οδήγησαν σε μεγαλύτερη διάχυση των χλωριόντων και σε εντονότερη διάβρωση του οπλισμού. Η ιπτάμενη τέφρα παρουσίασε τη μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα ακολουθούμενη από το μετακαολίνη και τη σκωρία υψικαμίνων. Η φυσική ποζολάνη επέδειξε την πιο περιορισμένη ενισχυτική δράση.