Μελέτη Βλαπτικότητας Δολομιτικών Αδρανών Λόγω Αλκαλο-Ανθρακικής Αντίδρασης Evaluation of Alkali-Carbonate Reactivity of Dolomitic Aggregates

Transcript

1 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος Μελέτη Βλαπτικότητας Δολομιτικών Αδρανών Λόγω Αλκαλο-Ανθρακικής Αντίδρασης Evaluation of Alkali-Carbonate Reactivity of Dolomitic Aggregates Πέτρος Ε. ΤΣΑΚΙΡΙΔΗΣ, Νικόλαος Σ. ΚΑΤΣΙΩΤΗΣ 2, Άγγελος ΠΑΤΕΡΑΚΗΣ, Μαργαρίτα ΚΑΤΣΙΩΤΗ 4 Λέξεις κλειδιά: Δολομίτης, Αδρανή, Σκυρόδεμα, Διόγκωση, Μικροδομή ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτέλεσε ο έλεγχος της βλαπτικότητας δολομιτικών αδρανών τόσο στην διόγκωση του σκυροδέματος, όσο και στην μικροδομή του. Ο έλεγχος των αδρανών πραγματοποιήθηκε μέσω χημικής και ορυκτολογικής ανάλυσης (περίθλαση ακτίνων Χ) με στόχο τον ακριβή προσδιορισμό του περιεχόμενου δολομίτη, ενώ η μελέτη της μικροδομή τους πραγματοποιήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Ο έλεγχος της βλαπτικότητας των αδρανών πραγματοποιήθηκε αρχικώς σύμφωνα με την χημική μέθοδο ASTM C-28, ενώ ο προσδιορισμός της διόγκωσης πραγματοποιήθηκε σε πρισματικά δοκίμια σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C- 05. H μελέτη επίδραση της αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης στην μικροδομή πραγματοποιήθηκε με την βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) σε δοκίμια, τα οποία προέκυψαν σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C-260, σε επιταχυνόμενο αλκαλικό περιβάλλον γήρανσης καυστικού νατρίου (NaOH: N) στους 80 o C. ABSTRACT: The purpose of the present research work was the examination of the effect of the potential alkali-carbonate reactivity of dolomitic aggregates concerning not only the concrete expansibility but its microstructure as well. The characterization of the aggregates was carried out by chemical analysis, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Initially, the test method for potential reactivity of aggregates (chemical method), ASTM C-28, commonly called the quick chemical test, was used to estimate the reactivity of Δρ. Χημικός Μηχανικός, Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ptsakiri@cental.ntua.gr 2 Μηχανικός Μεταλλείων Μεταλλουργών, Υπ. Διδ. Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ni.kappa@gmail.com Τεχνολόγος Δομικών Έργων, ΛΑΡΣΙΝΟΣ Α.Ε., Διευθυντής Ποιοτικού Ελέγχου & Διαχείρισης Ποιότητας, paterakis@larsinos.gr 4 Αναπληρώτρια Καθηγήτρια, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, katsioti@central.ntua.gr

2 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος the examined aggregates. The standard test method for length change of concrete due to alkali-carbonate rock reaction (ASTM C-05) was also used in order to define the length change of concrete bars prepared with the aggregates in question. The effect of alkali-carbonate reaction in microstructure was determined by scanning electron microscopy in sample cured in NaOH (N) solution at 80 o C for 4 days (ASTM C-260). ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παγκοσμίως, το σκυρόδεμα ταξινομείται σύμφωνα με την θλιπτική αντοχή του στις 28 ημέρες (μετά την εφαρμογή). Δεδομένου ότι το οπλισμένο σκυρόδεμα σχεδιάζεται συνήθως με έναν αρκετά υψηλό συντελεστή ασφάλειας, είναι σπάνιο για τις κατασκευές σκυροδέματος να αποτύχουν λόγω έλλειψης της εγγενούς αντοχής. Εντούτοις, η βαθμιαία επιδείνωση που προκαλείται από την βαθμιαία μείωση της ανθεκτικότητάς του είναι δυνατόν να μειώσει σε σημαντικό βαθμό το περιθώριο ασφάλειας των συγκεκριμένων δομών. Στις αναπτυγμένες χώρες, υπολογίζεται ότι πάνω από 40% των συνολικών πόρων του κατασκευαστικού τομέα δαπανώνται για την επισκευή και συντήρηση των υπαρχουσών δομών. Οι αιτίες για την μείωση της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος, μπορεί να είναι φυσικές ή χημικές. Στις φυσικές αιτίες περιλαμβάνονται οι επιφανειακές αλλοιώσεις (απόξεση, αποφλοίωση, δημιουργία κοιλοτήτων) αλλά και οι ρηγματώσεις, οι οποίες είναι δυνατόν να προκληθούν από επιβολή φορτίου ή θερμοκρασιακές μεταβολές. Οι χημικές διεργασίες που προκαλούν φθορά του σκυροδέματος διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: σε αυτές που επιδρούν στο σκυρόδεμα και σε αυτές που επιδρούν στον χαλύβδινο οπλισμό του σκυροδέματος. Στην πρώτη υποκατηγορία ανήκει η χημική δράση επιβλαβών ουσιών (μορίων ή ιόντων) στο σκυρόδεμα, που στην πράξη οι πιο συνήθεις είναι: η επίδραση οξέων (συμπεριλαμβανομένων των αλάτων αμμωνίου και μαγνησίου καθώς και του μαλακού νερού), η επίδραση θειικών, η αλκαλο-πυριτική και αλκαλο-ανθρακική αντίδραση. Η αλκαλο-ανθρακική αντίδραση (Alkali Carbonate Reaction ACR), η οποία παρατηρήθηκε αρχικά από τον Swenson (57) στον Καναδά, λαμβάνει χώρα μεταξύ των ανθρακικών αδρανών που περιέχουν δολομίτη και των υδροξυλιόντων που προέρχονται από την διαλυτοποίηση των περιεχόμενων αλάτων νατρίου και καλίου στο τσιμέντο. Ο μηχανισμός της αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης δεν είναι τόσο κατανοητός όσο ο αντίστοιχος της αλκαλο-πυριτικής αντίδρασης. Η παρατηρούμενη διόγκωση ξεκινά μέσα από τα ίδια τα δολομιτικά αδρανή με συνέπεια την εμφάνιση ρωγμών τόσο στα αδρανή όσο και στην πάστα τσιμέντου, γεγονός το οποίο τελικά είναι δυνατόν να οδηγήσει σε σημαντική διόγκωση της συνολικής μάζας του σκυροδέματος. Η ACR κυρίως συναντάται στην περίπτωση των αργιλο-δολομιτικών ασβεστόλιθων. Τα εν λόγω αδρανή περιέχουν ασβεστίτη, δολομίτη και σημαντικό ποσοστό αργιλικών συστατικών, τα οποία είναι δυνατόν να περιέχουν ενεργό διοξείδιο του πυριτίου. Θα πρέπει να επισημανθεί, ότι η ACR εμφανίζεται 2

3 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος σχετικά σπάνια (συνήθως αποφεύγεται) λόγω του ότι τα αδρανή τα οποία είναι ευπαθή σε αυτή την αντίδραση είναι συνήθως ακατάλληλα ως προς την χρήση τους στο σκυρόδεμα, για άλλους λόγους (π.χ. θλιπτική αντοχή). Η αντιδραστικότητα των ανθρακικών αδρανών σε αλκαλικό περιβάλλον συνήθως δεν εξαρτάται από την σύνθεση των περιεχόμενων αργιλικών συστατικών (Hadley, 68). Τα δολομιτικά αδρανή μπορεί να εμφανίσουν επιδεκτικότητα στην αλκαλο-ανθρακική αντίδραση όταν (Swenson and Gillott, 67): Το ποσοστό των αργιλικών συστατικών, ή του αδιάλυτου υπολείμματος είναι της τάξης του 5%-25%. Η αναλογία ασβεστίτη προς δολομίτη είναι περίπου :. Μικρού μεγέθους κρύσταλλοι δολομίτη είναι διάσπαρτοι μέσα σε μία μήτρα αργιλικών συστατικών. Στην περίπτωση των δολομιτικών ασβεστόλιθων, οι οποίοι περιέχουν μόνο ασβεστίτη και δολομίτη, επισημαίνεται ότι τα αδρανή τα οποία επιδεικνύουν μεγαλύτερη τάση στην ACR περιέχουν μεγαλύτερους κρυστάλλους δολομίτη, οι οποίοι συνήθως είναι διασκορπισμένοι σε μία μήτρα λεπτοκρυσταλλικού ασβεστίτη. Η διαδικασία της αποδολομιτίωσης (dedolomitization), η οποία είναι άμεσα συνδεδεμένη με φαινόμενα διόγκωσης και ρηγμάτωσης, πραγματοποιείται σε αλκαλικό περιβάλλον και οδηγεί στην διάσπαση-αποσύνθεση του δολομίτη. Το σκυρόδεμα που έχει διογκωθεί και περιέχει δολομιτικά αδρανή, περιέχει επίσης και βρουσίτη (υδροξείδιο του μαγνησίου, Mg(OH) 2 ), το οποίο σχηματίζεται σύμφωνα με την αντίδραση αποδολομιτίωσης (Hadley, 68). CaMg(CO ) 2 + 2(Na,K)OH Mg(OH) 2 + CaCO + (Na,K) 2 CO () Η αλκαλο-ανθρακική αντίδραση διεξάγεται μεταξύ ενός στερεού (αδρανές) και ενός υγρού (στους πόρους του σκυροδέµατος) και κατατάσσεται στις ετερογενής χηµικές αντιδράσεις στερεού-υγρού. Η παρατηρούμενη διόγκωση θα πρέπει να αποδοθεί σε έναν συνδυασμό μετανάστευσης αλκαλικών ιόντων και μορίων νερού, στον περιορισμένο χώρο της λεπτόκοκκης μήτρας που περιβάλλει τους ρομβοειδείς κόκκους δολομίτη (στα αδρανή) αλλά και στη μετανάστευση των παραπάνω ιόντων στους ίδιους τους κόκκους δολομίτη. Ακολούθως, οι κόκκοι δολομίτη διαλυτοποιούνται μερικώς από τα αλκαλικά ιόντα, με συνέπεια την δημιουργία προϊόντων (ειδικά βρουσίτη- Mg(OH) 2 ), τα οποία προκαλούν τάσεις στον εσωτερικό συνεκτικό ιστό του σκυροδέματος, με άμεση συνέπεια την δημιουργία διόγκωσης-ρηγμάτωσης (Tang and Han, 87). Η αλκαλο-ανθρακική αντίδραση επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την αλκαλικότητα του διαλύματος των πόρων. Η αύξηση του ph οδηγεί σε αύξηση της τάσης για αποδολομιτίωση. Σύμφωνα με την Αντίδραση, τα σχηματιζόμενα ανθρακικά αλκάλια είναι δυνατόν να αντιδράσουν με το παραγόμενο (από την ενυδάτωση του τσιμέντου) Ca(OH) 2, με άμεση συνέπεια την αναγέννηση-ανακύκλωση των NaOH/ΚOH (και άρα περαιτέρω αποδολομιτίωση), σύμφωνα με την αντίδραση: (Na,K) 2 CO + Ca(OH) 2 2(Na,K)OH + CaCO (2)

4 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος Στο σκυρόδεμα όπου η συμμετοχή των αδρανών καταλαμβάνει το 75-80% της μάζας τους, ο ρόλος τους στην δημιουργία ενός ανθεκτικού και συνεκτικού ιστού που θα παραλάβει τα φορτία της κατασκευής, αλλά και θα αντέξει στις φυσικοχημικές επιδράσεις του περιβάλλοντος, είναι καθοριστικός. Για παράδειγμα διογκώσεις της τάξης του 0.% οδηγούν σε μία αύξηση της τάξης του cm (σε μήκος) για κάθε 0m μη οπλισμένου σκυροδέματος. Η καταλληλότητα των αδρανών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σκυροδέματος προδιαγράφεται από τις απαιτήσεις του ΕΛΟΤ 408 και του Κανονισμού Τεχνολογίας Σκυροδέματος (ΚΤΣ-7), ενώ αντίστοιχα η καταλληλότητα των αδρανών σύμφωνα με τις Ευρωπαϊκές Προδιαγραφές καθορίζεται στο πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ2620. Τα αδρανή τα οποία εμφανίζουν επιδεκτικότητα στην αλκαλο-ανθρακική αντίδραση παρουσιάζουν μία συγκεκριμένη σύνθεση, η οποία είναι δυνατόν να προσδιοριστεί με τον πετρογραφικό έλεγχο. Στην περίπτωση που τα εξεταζόμενα αδρανή είναι δυνατόν να υποστούν αποδολομιτίωση θα πρέπει να ληφθούν προφυλάξεις, διότι είναι σχεδόν αδύνατον να αποτραπεί η εξέλιξη της αλκαλοανθρακικής αντίδρασης, όταν η διόγκωση έχει ήδη ξεκινήσει. Στην περίπτωση που είναι δυνατή η μη χρησιμοποίηση των προβληματικών αδρανών θα πρέπει να επιλέγονται αδρανή διαφορετικής σύστασης. Στην αντίθετη περίπτωση θα πρέπει καταρχήν να μειώνεται το ποσοστό της περιεχόμενης υγρασίας της κατασκευής. Η εξέλιξη της ACR είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ξηρότητα του σκυροδέματος. Ένας άλλος τρόπος ελέγχου της ACR είναι η ανάμειξη των δραστικών αδρανών με αδρανή που δεν παρουσιάζουν τάση για διόγκωση. Σύμφωνα με το παράρτημα του ASTM C-05 ένα ασφαλές όριο για τα δραστικά αδρανή σε αλκαλικό περιβάλλον προσδιορίζεται στο 20% (λεπτόκοκκα ή χονδρόκοκκα). Μία άλλη εναλλακτική μορφή ελέγχου είναι η χρησιμοποίηση των δραστικών αδρανών αλλά στο μικρότερο δυνατό μέγεθος, γεγονός το οποίο είναι δυνατόν να οδηγήσει στην ελαχιστοποίηση ανεπιθύμητης διόγκωσης. Σημαντική επίσης παράμετρος είναι η χρησιμοποίηση τσιμέντου χαμηλής περιεκτικότητας αλκαλίων. Έχει παρατηρηθεί ότι ακόμα και τσιμέντα με ποσοστό αλκαλίων της τάξης του 0.4% είναι δυνατόν να ενεργοποιήσουν την αντίδραση διόγκωσης. Λόγω της φύσης της αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης, τα περιεχόμενα αλκάλια δεν καταναλώνονται αλλά ανακυκλώνονται, όπως φαίνεται στην Αντίδραση 2. Τέλος μια άλλη προτεινόμενη λύση για τον έλεγχο της ACR είναι η χρήση ποζολανών, οι οποίες έχουν την δυνατότητα να αντιδρούν και άρα να δεσμεύουν τα περιεχόμενα αλκάλια. Επιπλέον η χρήση ποζολανών οδηγεί στην μείωση του πορώδους του σκυροδέματος με άμεση συνέπεια την μείωση της διαθέσιμης υγρασίας (διαλύματος πόρων) για την εξέλιξη της αντίδρασης. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Κατά την πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε χημική ανάλυση των χρησιμοποιηθέντων δολομιτικών αδρανών, όπως επίσης και ορυκτολογική ανάλυση με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), με στόχο τον ακριβή προσδιορισμό του περιεχόμενου δολομίτη. Ο προσδιορισμός των μικρογραφικών χαρακτηριστικών 4

5 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος πραγματοποιήθηκε μέσω ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Ο έλεγχος της βλαπτικότητας των αδρανών, πραγματοποιήθηκε, αρχικώς, σύμφωνα με την χημική μέθοδο ASTM C-28 (Standard Test Method for Potential Alkali- Silica Reactivity of Aggregates-Chemical Method), ενώ ο προσδιορισμός της διόγκωσης πραγματοποιήθηκε σε πρισματικά δοκίμια σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C-05 (Standard Test Method for Length Change of Concrete Due to Alkali-Carbonate Rock Reaction). H μελέτη της μικροδομής πραγματοποιήθηκε με την βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM), σε δοκίμια τα οποία προέκυψαν σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C-260, σε επιταχυνόμενο αλκαλικό περιβάλλον NaOH M στους 80 o C. Τα δοκίμια, μετά την κοπή τους σε κάθετη τομή, εγκιβωτίσθηκαν σε πολυεστερική ρητίνη και στην συνέχεια λειάνθηκαν σε χαρτιά καρβιδίου του πυριτίου, ονομαστικής πυκνότητας κόκκων από 200 ως Ακολούθησε το στάδιο της στίλβωσης, σε κατάλληλο ύφασμα με αδαμαντόπαστα μm και μm. Η στοιχειακή ανάλυση των προϊόντων της αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης πραγματοποιήθηκε με στοιχειακό αναλυτή, προσαρμοσμένο στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Χαρακτηρισμός Αδρανών Στο Πίνακα που ακολουθεί συγκεντρώνονται τα αποτελέσματα της χημικής ανάλυσης των χρησιμοποιηθέντων δολομιτικών αδρανών. Πίνακας. Χημική Ανάλυση Αδρανών Οξείδια Αδρανή (%) SiO Al 2 O 0.0 Fe 2 O 0. CaO.5 MgO.58 K 2 O 0.0 Na 2 O 0.04 ΑΠ (000 C) 45.5 Στο Σχήμα παρουσιάζονται τα ακτινογραφήματα της ορυκτολογικής ανάλυσης XRD των χρησιμοποιηθέντων αδρανών και τσιμέντου. Από τα αποτελέσματα της χημικής και της ορυκτολογικής ανάλυσης προκύπτει ότι τα αδρανή προέρχονται από καθαρό δολομιτικό ασβεστόλιθο, χωρίς προσμίξεις άλλων αργιλικών συστατικών. Εξ υπολογισμού, βάσει των αποτελεσμάτων της χημικής ανάλυσης, προκύπτει ότι το δείγμα περιέχει 6.6% ασβεστίτη και 62.5% δολομίτη. Τα παραπάνω αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν και από τον έλεγχο στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα εντοπίζονται περιοχές αμιγούς ασβεστίτη αλλά και αντίστοιχες δολομίτη. Θα πρέπει να επισημανθεί η απουσία αργιλικών συστατικών. 5

6 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος C S - Alite 2. C 2 S - Belite. C A - Calcium Aluminate 4. C 4 AF - Ferrite 5. CaO f - Free Lime 6. MgO - Periclase 7. CaSO 4 2H 2 O - Gypsum 8. CaMg(CO ) 2 - Dolomite. CaCO - Calcite 8,2,2, Ένταση (cps) Δολομιτικά Αδρανή , CEM I ,2 2 2,2,6 6, θ Σχήμα. Ορυκτολογική ανάλυση XRD δολομιτικών αδρανών - τσιμέντου Εικόνα. Μορφολογία δολομιτικών αδρανών και αντίστοιχες στοιχειακές αναλύσεις. 6

7 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος Έλεγχος Βλαπτικότητας Αδρανών Αρχικά ο έλεγχος της βλαπτικότητας των αδρανών πραγματοποιήθηκε με βάση την μέθοδο ASTM C-28. Κατά την πειραματική διαδικασία ελέγχεται η αντίδραση που λαμβάνει χώρα, στους 80 o C επί 24h, μεταξύ ενός διαλύματος NaOH N και των αδρανών, τα οποία έχουν θραυστεί και κοσκινιστεί έτσι ώστε να έχουν μέγεθος μεταξύ 50 και 00μm. Κατά συνέπεια, ελέγχεται το διαλυτό πυρίτιο, που είναι δυνατόν να περιέχεται στα προς εξέταση αδρανή και που αντιδρά ταχύτατα σε αλκαλικό περιβάλλον προκαλώντας διόγκωση-ρηγματώσεις στο σκυρόδεμα. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2 το διάγραμμα χωρίζεται από την συνεχή καμπύλη σε δύο περιοχές. Στην περιοχή Α κατατάσσονται τα αβλαβή αδρανή Rc - Reduction in Alkalinity (mm/l) A B 50 C 0,0 0,0 00,0 000,0 Sc - Dissolved Silica (mm/l) Σχήμα 2. Διάγραμμα δραστικότητας αδρανών σύμφωνα με την μέθοδο ASTM C-28 Τα αδρανή που αποτυπώνονται στην περιοχή δεξιά της καμπύλης (περιοχές Β και C) θεωρούνται ενεργά. Ειδικότερα, όσα αδρανή κατατάσσονται στην περιοχή C θεωρούνται επιβλαβή, ενώ τα αντίστοιχα της περιοχής Β θεωρούνται δυνητικά επιβλαβή. Με βάση τα αποτελέσματα του Σχήματος 2 τα εξετασθέντα δολομιτικά αδρανή κατατάσσονται στην περιοχή Α. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι τα χρησιμοποιηθέντα αδρανή δε εμφανίζουν αντιδραστικότητα λόγω παρουσίας ενεργού διοξειδίου του πυριτίου, όπως επιβεβαιώθηκε και από τον πετρογραφικό έλεγχο (Εικόνα ). Θα πρέπει όμως να επισημανθεί η αυξημένη μείωση της αλκαλικότητας, η οποία προσδιορίστηκε στα 60 mmol/l, η οποία αποδίδεται στη μερική διαλυτοποίηση του περιεχόμενου δολομίτη. Το γεγονός αυτό 7

8 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος επιβεβαιώθηκε και από τα αποτελέσματα της ορυκτολογικής ανάλυσης XRD στα προσβεβλημένα (με NaOH N στους 80 o C για 4 ημέρες) δολομιτικά αδρανή (Σχήμα ) NaCO 2. Mg(OH) 2 - Brucite. CaCO - Calcite 4. Ca(OH) 2 5.CaMg(CO) 2 - Dolomite 00,2 Ένταση (cps) Σχήμα. Ακτινογράφημα XRD προσβεβλημένων δολομιτικών αδρανών σε διάλυμα NaOH Ν, στους 80 ο C για 4 ημέρες, σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C-260 Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, η παρουσία δολομίτη είναι δυνατόν να δημιουργήσει φαινόμενα διόγκωσης, λόγω σχηματισμού βρουσίτη. Από τα αποτελέσματα της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) προκύπτει ότι η αντίδραση αποδολομιτίωσης έχει προχωρήσει σημαντικά με συνέπεια την ενεργοποίηση των αδρανών δολομίτη και την σχεδόν πλήρη διαλυτοποίησή τους (όπως φαίνεται και από τον σχηματισμό Mg(OH) 2 και Na 2 CO ) σύμφωνα με την Αντίδραση. Θα πρέπει να επισημανθεί η παρουσία μικρού ποσοστού Ca(OH) 2, το οποίο προφανώς προέκυψε από την μερική διάσπαση του περιεχόμενου CaCO στην φάση του δολομίτη (CaMg(CO ) 2 ). Από τα αποτελέσματα τόσο της χημικής και της ορυκτολογικής ανάλυσης, όσο και του μικροσκοπικού ελέγχου, τα οποία κατέδειξαν την έντονη παρουσία δολομίτη (φάση η οποία είναι δυνατόν να προκαλέσει διόγκωση λόγω δημιουργίας βρουσίτη) αποφασίστηκε ο περαιτέρω έλεγχος, για τον προσδιορισμό της τάσης για αλκαλο-ανθρακική αντίδραση σε μακροχρόνια δοκίμια με βάση το ASTM C-05. Η εν λόγω μέθοδος εκτιμά την πιθανότητα για διαστολή του σκυροδέματος που λαμβάνει χώρα από την αντίδραση αλκαλίων-ανθρακικού πετρώματος, με βάση δοκιμές που εκτελέστηκαν κάτω από 4 2θ 5,2,4,2,4, 8

9 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος προκαθορισμένες εργαστηριακές συνθήκες συντήρησης, που πιθανόν να διαφέρουν από τις συνθήκες του χώρου εφαρμογής. Το τσιμέντο που χρησιμοποιήθηκε ήταν τσιμέντο CEM I 52.5 υψηλών αλκαλίων. Με βάση το πρότυπο, ένας συνδυασμός τσιμέντου-αδρανών μπορεί να θεωρηθεί ως δυνητικά καταστροφικά ενεργός αν η μέση διαστολή έξι δοκιμίων είναι ίση ή μεγαλύτερη από 0.05% στους μήνες. Στο Πίνακα 2 που ακολουθεί συγκεντρώνονται τα στοιχεία της σύνθεσης σκυροδέματος, όπως επίσης και τα αποτελέσματα μεταβολής μήκους. Πίνακας 2. Αποτελέσματα Μεθόδου ASTM C-05. Σύνθεση Σκυροδέματος Στοιχεία Αναμίγματος Μίγμα Ποσότητα Τσιμέντου (kg/m ) 00 Άμμος (kg/m ) 5 Γαρμπίλι (kg/m ) 265 Σκύρα (kg/m ) 68 Νερό (kg/m ) 27 Φαινόμενο Βάρος Νωπού (kg/m ) 2402 Περιεχόμενος Αέρας (%). Μεταβολή Μήκους Ηλικία Δοκιμίων (%) 7 Ημέρες Ημέρες Ημέρες Μήνες Από τα αποτελέσματα γίνεται φανερό ότι η μεταβολή μήκους είναι οριακά μικρότερη στους μήνες, σε σχέση με την τιμή που ορίζει το πρότυπο. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι τα εξετασθέντα αδρανή εμφανίζουν μια σχετική τάση για αλκαλο-ανθρακική αντίδραση, η οποία θα πρέπει να αποδοθεί στην μερική διαλυτοποίηση των δολομιτικών αδρανών προς σχηματισμό βρουσίτη, σύμφωνα με την Αντίδραση. Επίδραση ACR στην Μικροδομή Σύμφωνα με το Πρότυπο ASTM 260 Για την επιβεβαίωση αλλά και ανίχνευση της αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης, αποφασίστηκε η μελέτη της μικροδομής, με την βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM), σε δοκίμια που προέκυψαν μετά από γήρανση σε αλκαλικό περιβάλλον NaOH N, στους 80 o C για 4 ημέρες, όπως ορίζει το πρότυπο ASTM C-260. Όπως φαίνεται και από τις μικρογραφίες των Εικόνων 2- εντοπίζονται ρηγματώσεις σε όλη τη μάζα του δοκιμίου, των πάχος των οποίων κυμαίνεται από μερικά μικρόμετρα μέχρι και 0,5mm περίπου. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι το μεγαλύτερο μέρος των ρηγματώσεων έχει ως σημείο εκκίνησης τα ήδη ρηγματωμένα δολομιτικά αδρανή, ενώ εκτείνεται και στην κυρίως τσιμεντιτική μάζα του δοκιμίου. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνει την πραγμα-

10 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος Εικόνα 2. Μικροδομή προσβεβλημένου δοκιμίου σε διάλυμα NaOH N, στους 80 o C για 4 ημέρες, σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C-260 Εικόνα. Ανίχνευση ρηγματώσεων δολομιτικών αδρανών σε δοκίμιο μετά από γήρανση σε διάλυμα NaOH N, στους 80 o C για 4 ημέρες 0

11 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος τοποίηση της αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης (μεταξύ των δολομιτικών αδρανών και των ιόντων Na + ), η οποία ενεργοποιείται στο έντονο αλκαλικό περιβάλλον γήρανσης στους 80 o C. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώθηκε και από τις αναλύσεις μέσω στοιχειακού αναλυτή (EDS), όπως φαίνεται στην Εικόνα. Οι ρηγματωμένοι κόκκοι δολομίτη διαλυτοποιούνται, κυρίως, περιφερειακά από τα αλκαλικά ιόντα, με συνέπεια την δημιουργία βρουσίτη (Mg(OH) 2 ) και ανθρακικού νατρίου (Na 2 CO ). Τα εν λόγω προϊόντα της αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης (και ιδιαίτερα ο βρουσίτης) προκαλούν τάσεις στον εσωτερικό συνεκτικό ιστό του δοκιμίου με συνέπεια την δημιουργία διόγκωσης και, τελικά, ρηγμάτωσης. Θα πρέπει να επισημανθεί η παρουσία βρουσίτη, όχι μόνο περιφερειακά αλλά και στα όρια των ρηγματώσεων εσωτερικά των αδρανών, γεγονός το οποίο υποδεικνύει ότι η γένεση της αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης έλαβε χώρα στο εσωτερικό των περιεχόμενων δολομιτικών αδρανών, λόγω μερικής διαλυτοποίησης του κρυστάλλου του CaMg(CO ) 2. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα: Τα χρησιμοποιηθέντα αδρανή προέρχονται από καθαρό δολομιτικό ασβεστόλιθο. Ο περιεχόμενος δολομίτης είναι της τάξης του 62-6%. Από τον μικροσκοπικό έλεγχο εντοπίστηκαν περιοχές αμιγούς ασβεστίτη αλλά και αντίστοιχες δολομίτη, ενώ δεν ανιχνεύτηκαν άλλα αργιλικά συστατικά. Σύμφωνα με τον έλεγχο της επιδεκτικότητας των αδρανών στην αλκαλοανθρακική αντίδραση με βάση την μέθοδο ASTM C-28, τα εξετασθέντα δολομιτικά αδρανή δε εμφανίζουν αντιδραστικότητα λόγω παρουσίας ενεργού διοξειδίου του πυριτίου, όπως επιβεβαιώθηκε και από τον πετρογραφικό έλεγχο. Επισημάνθηκε ωστόσο η σημαντική μείωση της αλκαλικότητας, η οποία αποδίδεται στη μερική διαλυτοποίηση του δολομίτη. Η αντίδραση αποδολομιτίωσης διαπιστώθηκε (με περίθλαση ακτίνων Χ) σε προσβεβλημένα (διάλυμα NaOH N στους 80 o C ) δολομιτικά αδρανή, μέσω της ανίχνευσης βρουσίτη (Mg(OH) 2 ) και Na 2 CO. Σύμφωνα με την έλεγχο της διαστολής (λόγω αλκαλο-ανθρακικής αντίδρασης) με βάση την μέθοδο ASTM C-05, η μεταβολή μήκους στα εξετασθέντα δοκίμια σκυροδέματος ήταν οριακά μικρότερη στους μήνες, σε σχέση με τις τιμές που ορίζει το πρότυπο, γεγονός το οποίο αποτελεί ένδειξη της τάσης για αποδολομιτίωση και σχηματισμό Mg(OH) 2. Από τον έλεγχο της μικροδομής σε δοκίμια τα οποία προέκυψαν σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C-260, σε επιταχυνόμενο περιβάλλον γήρανσης (διάλυμα NaOH N στους 80 o C για 4 ημέρες), εντοπίστηκαν έντονες ρηγματώσεις, με σημείο εκκίνησης τα περιεχόμενα δολομιτικά αδρανή. Σύμφωνα με τις στοιχειακές αναλύσεις η αντίδραση αποδολομιτίωσης πραγματοποιείται κυρίως στα όρια (περιφερειακά) των δολομιτικών αδρανών, με συνέπεια την

12 6ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 2-2/0/ 200, Πάφος, Κύπρος ανάπτυξη τάσεων στον εσωτερικό συνεκτικό ιστό του σκυροδέματος (διόγκωση-ρηγμάτωση). ΑΝΑΦΟΡΕΣ ASTM C-28, Standard Test Method for Potential Alkali-Silica Reactivity of Aggregates (Chemical Method), Vol (2007) ASTM C-05, Standard Test Method for Length Change of Concrete Due to Alkali-Carbonate Rock Reaction, Vol (2008). ASTM C-260, Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates (Mortar-Bar Method) Vol (2007) Hadley, D. W., Alkali reactivity of carbonate rocks - Expansion and dedolomitization, Highway Research, Board Proc. Vol. 40 (6) Swenson, E.G., Gillott, J.E., Alkali reactivity of dolomitic limestone aggregate, Magazine of Concrete Research, Vol., No. 5 (67) Swenson, E.G., A Reactive aggregate undetected by ASTM tests, ASTM Bulletin, No. 226, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, (57) Tang, M.Z., Han, S., Mechanism of Alkali-Carbonate Reaction in Proceedings of the 7 th International Conference on Alkali-Aggregate Reactions, edited by Grattan-Bellew, Patrick E., Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA (87) ΕΛΟΤ 408, Θραυστά αδρανή για συνήθη σκυροδέματα, Ελληνικός Οργανισμός Τυποποίησης (7). ΕΛΟΤ ΕΝ 2620, Αδρανή για Σκυρόδεμα, Ελληνικός Οργανισμός Τυποποίησης (2002). ΚΤΣ-7, Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος 7, ΦΕΚ/5/Β / (7). 2