Επίδραση των κύριων συστατικών σύνθετων τσιμέντων στη συμπεριφορά τους σε υψηλές θερμοκρασίες

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται μια συνεχώς αυξανόμενη τάση για τη χρησιμοποίηση και άλλων υλικών στην παραγωγή τσιμέντου, εκτός από τα βασικά στοιχεία του, το κλίνκερ και το γύψο, καθώς τα σύνθετα τσιμέντα παρουσιάζουν αναμφισβήτητα βελτιωμένες ιδιότητες. Το Ευρωπαϊκό Πρότυπο EN 197–1 (2000) ορίζει ως σύνθετα τσιμέντα, τα τσιμέντα Τύπου II τα οποία μπορεί να περιέχουν διάφορα πρόσθετα υλικά σε συγκεντρώσεις 6% έως 35%, όπως ποζολάνες, ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνου και ασβεστόλιθος. Ένα θέμα που προέκυψε, κυρίως μετά την εκδήλωση μεγάλων πυρκαγιών σε κτίρια και τούνελ, είναι κατά πόσο τα σύνθετα τσιμέντα παρουσιάζουν βελτιωμένη ανθεκτικότητα σε ακραίες θερμικές καταστάσεις, όπου λαμβάνουν χώρα φυσικοχημικές μεταβολές με αποτέλεσμα την εμφάνιση ρωγμών και την μερική ή ολική καταστροφή του υλικού. Το μέχρι τώρα δημοσιευμένο έργο ασχολείται κυρίως με την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας στη συμπεριφορά του σκυροδέματος που αφορά κυρίως σε αμιγή τσιμέντα. Ωστόσο η μελέτη της συμπεριφοράς και ανθεκτικότητας του σκυροδέματος σε συνθήκες πυρκαγιάς απαιτεί την πλήρη γνώση της συμπεριφοράς κάθε συστατικού του σε υψηλή θερμοκρασία. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται η συμπεριφορά των σύνθετων τσιμέντων και των αντίστοιχων κονιαμάτων κατά την έκθεση τους σε θερμοκρασίες μέχρι 1000οC. Ως κύρια συστατικά χρησιμοποιούνται ιπτάμενη τέφρα, φυσική ποζολάνη, ασβεστόλιθος, σκωρία υψικαμίνου και μετακαολίνης. Αρχικά γίνεται καταγραφή των χημικών και ορυκτολογικών μεταβολών που προκαλούνται στις πάστες τσιμέντου, καθώς και των μεταβολών στη μικροδομή, για τις οποίες υπάρχει σχετικά περιορισμένη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια εξετάζεται η συμπεριφορά κονιαμάτων με ασβεστολιθική και πυριτική άμμο σε υψηλή θερμοκρασία. Στόχος της διατριβής είναι να διερευνηθεί η επίδραση των κυρίων συστατικών και του είδους της άμμου στη θερμική ανθεκτικότητα συνθέτων τσιμέντων και κονιαμάτων. Η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει εκτός από την επιλογή των πρώτων υλών, την παρασκευή σύνθετων τσιμέντων και δοκιμίων παστών και κονιαμάτων, τη συντήρησή τους και τη θερμική κατεργασία τους σε μια σειρά από διαφορετικές θερμοκρασίες. Με το πέρας της θερμικής καταπόνησης μετρώνται οι αντοχές σε θλίψη, η απώλεια μάζας, (με ζύγιση και θερμοζυγό TG–SDTA), η ταχύτητα υπερήχων, ταυτοποιώνται οι χημικές ενώσεις με ακτινανάλυση XRD ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΚΥΡΙΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ ΣΕ ΥΨΗΛΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΜΠΕΝΕΚΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ, ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ, Ε.Μ.Π., ΑΘΗΝΑ 2013 και συλλέγονται πληροφορίες για τη δομή των δοκιμίων και φυσικοχημικών μεταβολών τους με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο SEM. Τέλος, έλαβαν χώρα η οπτική επιθεώρηση των δοκιμίων και η ποροσιμετρία αζώτου με την οποία υπολογίστηκε το μέγεθος των πόρων. Από την παραπάνω έρευνα αποδείχθηκε ότι οι φυσικοχημικές μεταβολές κατά τη θερμική κατεργασία παστών συνθέτων τσιμέντων, εξαρτώνται άμεσα από τον τύπο των άλλων κύριων συστατικών που έχουν προστεθεί στο τσιμέντο Portland. Αρχικά, κατά το στάδιο της απομάκρυνσης του χημικά συνδεδεμένου νερού (100-600°C), καταγράφεται σημαντική απώλεια βάρους, αύξηση του πορώδους και δημιουργία μικρορωγμών. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες καταγράφεται σχηματισμός νέων ανύδρων φάσεων, το είδος των οποίων εξαρτάται από τη χημική σύσταση των πρόσθετων. Ο γελενίτης (Ca2Al2SiO7) είναι η κύρια φάση στα δείγματα με μετακαολίνη, ο οποίος έχει υψηλό ποσοστό SiO2 και Al2O3. Η μεγαλύτερη απώλεια βάρους στις πάστες των συνθέτων τσιμέντων καταγράφεται μέχρι τους 600°C αλλά η μεγαλύτερη φθορά παρατηρείται μετά τους 600°C και σχετίζεται με την υψηλή περιεκτικότητα σε ελεύθερο CaO το οποίο μετατρέπεται σε Ca(OH)2 κατά τη διάρκεια της ψύξης. Σημειώνεται ότι τα τσιμέντα που περιέχουν ποζολανικά υλικά παρουσιάζουν καλύτερη συνεκτικότητα μετά τη θερμική κατεργασία. Επίσης, τα δοκίμια κονιαμάτων παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά από τις αντίστοιχες πάστες, με μικρότερη απώλεια βάρους μέχρι τους 600°C λόγω της μικρής συμμετοχής του τσιμέντου στη σύνθεση των κονιαμάτων. Τέλος, παρατηρείται ότι η προσθήκη ποζολανικών κύριων συστατικών βελτιώνει την ανθεκτικότητα των κονιαμάτων, καθώς τα δοκίμια διατηρούν το 38-47% των αρχικών τους αντοχών στους 600°C. Την καλύτερη συμπεριφορά παρουσιάζει το τσιμέντο με μετακαολίνη, ενώ τη χειρότερη το ασβεστολιθικό.

In the recent decades a growing trend has been observed in cement production in the use of other materials, apart from clinker and gypsum, and composite cements undoubtedly improve their properties. The European standard EN 197-1 (2000) defines as composite cements, cements Type II which may contain various additives at concentrations of 6% to 35%, such as pozzolanic materials, fly ash, blast furnace slag and limestone. An issue that arose, especially after the outbreak of extensive fires in buildings and tunnels, is whether the composite cements exhibit improved durability under extreme thermal conditions, where physicochemical changes occur resulting in cracking and partial or total destruction. The published work so far mainly focuses on the effect of high temperature on the behavior of concrete mainly in ordinary cement. However, the study of the behavior and durability of concrete under fire conditions requires complete knowledge of the behavior of each component at high temperature. This thesis examines the behavior of composite cements and mortars after their exposure to temperatures up to 1000°C. The main components used were fly ash, natural pozzolanas, limestone, blast furnace slag and metakaolin. Initially chemical and mineralogical changes caused in cement pastes are identified, as well as changes in the microstructure. Then the behavior of mortars with limestone and blast furnace slag at high temperature is examined. The aim of this study is to investigate the influence of the main ingredients and the type of sand on the thermal resistance of composite cements and mortars. The experimental procedure involves apart from the selection of raw materials, the manufacture of blended cement pastes and mortar specimens, maintenance and heat treatment in a range of different temperatures. The results include measurements of compressive strength, mass loss calculations (TG-SDTA), ultrasonic pulse velocity measurements for the identification of chemical compounds with XRD, Scan Electron Microscopy (SEM) measurements for mineralogical information on the structure of the specimens and their physicochemical changes. Finally, visual inspection of samples took place and N2 porosimetry was used to calculate the pore size. The above research revealed that the physicochemical changes during the heat treatment of the composite cement pastes are directly dependent on the type ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΚΥΡΙΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ ΣΕ ΥΨΗΛΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΜΠΕΝΕΚΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ, ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ, Ε.Μ.Π., ΑΘΗΝΑ 2013 of the other main components that have been added to the Portland cement. Specifically, during the removal of chemically bound water (100-600°C), significant weight loss, increased porosity and microcracks were observed. At higher temperatures the formation of new anhydrous phases was recorded. The gehlenite (Ca2Al2SiO7) is the main phase in the specimens with metakaolin which has the highest content of SiO2 and Al2O3. The greater weight loss in the composite cement pastes was recorded up to 600°C but the greatest external cracking was observed after 600°C and is associated with the high content of free CaO which is converted to Ca(OH)2 during the cooling process. It is noted that cements containing pozzolanic materials show better consistency after the heat treatment. Also, the mortar specimens exhibit better behavior from the respective pastes, with less weight loss up to 600°C due to the small contribution of cement in the composition of the mortar. Finally it is observed that the addition of pozzolanic main components improves the durability of the cement mortars, which maintain their initial strength at 38-47% at 600°C. The best behavior showed the cement with metakaolin, while the worst the one with limestone.