Διερεύνηση παραμέτρων που διαμορφώνουν την ενσωμάτωση χαρακτηριστικών αυτο-ίασης στα τσιμεντοειδή υλικά

Abstract

The present PhD thesis investigates the parameters that affect the integration of self-healing characteristics in cementitious materials. The modern requirements for the fulfilment of constructions' intended lifespan have, as a result, the availability of significant resources for their maintenance and repair. Building elements with self-healing ability have a positive impact on the cost, quality, and lifetime of constructions, as well as the expected environmental benefits, should be taken into consideration.Within the frameworks of the experimental measurements, six different cementitious material compositions were designed, that were used for the preparation of cement paste samples, cementitious mortars and concrete. One of these compositions, is functioned as a reference one. Α type CEM I ordinary Portland cement was used as a basis material, while different percentages of carboxylic acids, sodium carbonate and an expansive CSA agent, were added per composition. The water to binder ratio, per case, was adjusted to 0.26 for pastes, 0.40 for cementitious mortars compositions and 0.45 for concrete specimens. An appropriate amount of superplasticizer was used to achieve satisfactory workability, per case and synthesis. In the cement pastes compositions, a hydration study was held per mixture, while in those of the cementitious mortars and concretes, the evolution of the hydration has been indirectly controlled through compressive strength tests. After the specimens curing for 28 days in water, artificial cracks were introduced into their matrix, running along both surfaces and through the matrix of the specimen, then the cracked specimens were fastened with stainless-steel clamps. The specimens were then re-immersed in water and checked at regular intervals (0, 10, 20, 30, 40 and 200 days for paste samples / 0, 30, 40 and 200 days for cement mortar samples / 0, 40, 50 and 60 days for concrete samples) to observe the self-healing progress, using a stereomicroscope. The compositions efficiency, as well as the healing mechanism, were evaluated through instrumental methods of analysis (X.R.D., T.G.A., A.A.S, micro-Raman, S.E.M., 3D X-ray micro-CT, 3D microscopy), but also through durability tests (capillary water absorption, open porosity, freeze-thaw and wet-dry cycles, chloride migration and diffusion coefficient).A significant reduction in the crack width was observed in all the samples, while the crack was completely healed in some cases. The samples containing dicarboxylic acid addition and the expansive CSA compound presented the best behavior, with those of the fifth composition (CSA/2DCA*) yielding the best results in all test categories, closing cracks with a maximum width of up to 400 μm. The visual inspection through stereoscopic microscopy and the S.E.M. technique was a useful and usable tool. The determination of the pH and the conductivity of the specimen during the hydration stage can function as a prognostic factor for finding the optimal composition, while the methods of water absorption and open porosity can be used as rapid evaluation techniques.The results of the present PhD thesis showed that the self-healing degree is depending on the percentage of additives. Mortars and concretes syntheses that combined dicarboxylic acids/expansive additive performed best by preserving unreacted clinker grains that they could be hydrated at later ages. Finally, the carbonation of portlandite led to calcite precipitation either in bulk (using fibers as nucleation sites) or on the cracks’ areas.

H παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση των παραμέτρων που διαμορφώνουν την ενσωμάτωση των χαρακτηριστικών αυτοΐασης στα τσιμεντοειδή υλικά. Οι σύγχρονες απαιτήσεις για την εκπλήρωση του σχεδιασμένου χρόνου ζωής των κατασκευών, έχουν ως αποτέλεσμα τη διάθεση σημαντικών πόρων για τη συντήρηση και την επισκευή αυτών. Δομικά στοιχεία με δυνατότητες αυτοΐασης έχουν θετική επίδραση στο κόστος, στην ποιότητα και διάρκεια ζωής των δομικών έργων, ενώ θα πρέπει να συνεκτιμώνται και τα αναμενόμενα περιβαλλοντικά οφέλη.Στα πλαίσια των πειραματικών μετρήσεων, σχεδιάστηκαν 6 διαφορετικές συνθέσεις τσιμεντοειδών υλικών οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή δοκιμίων παστών, τσιμεντοκονιαμάτων και σκυροδέματος. Από αυτές τις συνθέσεις, μία λειτούργησε ως σύνθεση αναφοράς. Ως βάση χρησιμοποιήθηκε τσιμέντο Πόρτλαντ τύπου Ι, ενώ ανά σύνθεση προστέθηκαν διαφορετικά ποσοστά καρβοξυλικών οξέων, ανθρακικού νατρίου και διογκωτικού παράγοντα CSA. Ο λόγος νερού προς τσιμεντοειδή υλικά, ανά περίπτωση, προσαρμόστηκε σε 0.26 για τις πάστες, 0.40 για τις συνθέσεις τσιμεντοκονιαμάτων και 0.45 για τα δοκίμια σκυροδέματος. Για την επίτευξη ικανοποιητικής εργασιμότητας χρησιμοποιήθηκε κατάλληλη ποσότητα υπερρευστοποιητή ανά περίπτωση και σύνθεση. Στις συνθέσεις πάστας, πραγματοποιήθηκε μελέτη ενυδάτωσης ανά μείγμα, ενώ σε εκείνες των τσιμεντοκονιαμάτων και σκυροδέματος, η εξέλιξη της ενυδάτωσης ελέγχθηκε έμμεσα μέσω δοκιμών μονοαξονικής θλίψης. Μετά τη συντήρηση των δοκιμίων για 28 ημέρες στο νερό, αυτά υποβλήθηκαν σε τεχνητή διάρρηξη προς σχηματισμό διαμπερών ρωγμών, ενώ ακολούθως δέθηκαν με μεταλλικούς σφιγκτήρες. Στη συνέχεια τα δοκίμια εμβαπτίστηκαν εκ νέου στο νερό και ελέγχονταν ανά τακτά χρονικά διαστήματα (0, 10, 20, 30, 40 και 200 ημέρες για δείγματα πάστας / 0, 30, 40 και 200 ημέρες για δείγματα τσιμεντοκονιαμάτων / 0, 40, 50 και 60 ημέρες για δείγματα σκυροδέματος) για να παρατηρηθεί η πρόοδος της αυτοΐασης, μέσω στερεοσκοπικής μικροσκοπίας. Η αποτελεσματικότητα των συνθέσεων, καθώς και ο μηχανισμός ίασης αξιολογήθηκαν μέσω ενόργανων μεθόδων ανάλυσης (X.R.D., T.G.A., A.A.S, micro-Raman, S.E.M., 3D X-ray micro-CT, 3D microscopy), αλλά και μέσω δοκιμών ανθεκτικότητας (υδατοαπορροφητικότητα, ανοικτό πορώδες, κύκλοι ψύξης-απόψυξης και υγρού-ξηρού, διείσδυση και διάχυση χλωριόντων).Στο σύνολο των δειγμάτων, παρατηρήθηκε σημαντική μείωση του πλάτους των ρωγμών, ενώ σε ορισμένες συνθέσεις η αυτοΐαση ήταν σχεδόν πλήρης. Τα δοκίμια που περιείχαν στη σύνθεση τους προσθήκη δικαρβοξυλικών οξέων και το διογκωτικό πρόσθετο CSA παρουσίασαν την καλύτερη συμπεριφορά, με εκείνο της πέμπτης σύνθεσης (CSA/2DCA*) να φέρει στο σύνολο των δοκιμών τα καλύτερα αποτελέσματα σε όλες τις κατηγορίες δειγμάτων, κλείνοντας ρωγμές μέγιστου πλάτους έως και 400 μm. Χρήσιμο και αξιοποιήσιμο στοιχείο ήταν η οπτική επιθεώρηση μέσω της στερεοσκοπικής μικροσκοπίας αλλά και της τεχνικής S.E.M.. Ο προσδιορισμός του pH αλλά και της αγωγιμότητας των δοκιμίων κατά το στάδιο της ενυδάτωσης μπορεί να λειτουργήσει ως προγνωστικός παράγοντας για την εύρεση της βέλτιστης σύνθεσης, ενώ οι μέθοδοι της υδατοαπορροφητικότητας και του ανοικτού πορώδους μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τεχνικές γρήγορης αξιολόγησης.Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής έδειξαν ότι αναλόγως της ποσότητας προσθήκης των προσθέτων διαμορφώνεται και ο βαθμός αυτοΐασης, όπως αυτό φαίνεται από τις συνθέσεις που δοκιμάστηκαν. Ο συνδυασμός δικαρβοξυλικών οξέων/διογκωτικού πρόσθετου αποδίδει καλύτερα, συντηρώντας μη ενυδατωμένους κόκκους κλίνκερ, οι οποίοι ενδέχεται να ενυδατωθούν σε μεταγενέστερα στάδια. Τέλος, σημειώνεται πως η ενανθράκωση του πορτλαντίτη οδήγησε με τη σειρά της σε καταβύθιση κρυστάλλων ανθρακικού ασβεστίου, είτε απευθείας στο χώρο της ρωγμής (χρησιμοποιώντας τις πολυμερικές ίνες ως θέσεις δημιουργίας πυρήνων κρυστάλλωσης), είτε στην επιφάνεια των παρυφών αυτής.