Ανθεκτικότητα σκυροδέµατος µε ασβεστολιθικά τσιµέντα σε περιβάλλον θειικών ιόντων

Transcript

1 Ανθεκτικότητα σκυροδέµατος µε ασβεστολιθικά τσιµέντα σε περιβάλλον θειικών ιόντων Α. Σκαροπούλου, K. Σωτηριάδης, Γ. Μεχίλη, Α. Πλιακοπάνου, Σ. Τσιβιλής Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Εργαστήριο Ανόργανης και Αναλυτικής Χηµείας, Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 15773, Αθήνα, Ε-mail: Λέξεις-κλειδιά: Ασβεστολιθικά τσιµέντα, ασβεστολιθικά αδρανή, ανθεκτικότητα, θερµοκρασία, ταουµασίτης. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η χρήση των σύνθετων τσιµέντων Portland και ειδικότερα των ασβεστολιθικών τσιµέντων (Portland limestone cements) παρουσιάζει πολλά τεχνικά και οικονοµικά πλεονεκτήµατα. Το πρόβληµα που σχετίζεται µε τη χρήση του ασβεστόλιθου ως κύριου συστατικού του τσιµέντου και/ ή ως αδρανούς στο σκυρόδεµα είναι η ενδεχόµενη σηµαντική απώλεια ανθεκτικότητας του σκυροδέµατος λόγω της επίδρασης θειικών ιόντων σε συνθήκες χαµηλών θερµοκρασιών και του σχηµατισµού του ταουµασίτη (thaumasite form of sulfate attack TSA). Στην παρούσα εργασία, µελετήθηκε η συµπεριφορά σκυροδέµατος µε ασβεστολιθικά τσιµέντα σε περιβάλλον θειικών ιόντων και θερµοκρασία 5 C. Προέκυψε ότι τα σκυροδέµατα που περιέχουν ασβεστόλιθο ως βασικό συστατικό του τσιµέντου, είναι ευάλωτα στη δηµιουργία ταουµασίτη σε περιβάλλον θειικών ιόντων και χαµηλές θερµοκρασίες (5 C). Η χρήση ποζολανικών υλικών µπορεί, υπό προϋποθέσεις, να συµβάλλει στην αντιµετώπιση του προβλήµατος. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γενικά αποδεκτό, ότι η τυπική προσβολή θειικών ιόντων στο σκυρόδεµα συνδέεται µε τη δηµιουργία του ετρινγκίτη. Τα τελευταία χρόνια, έχει διαπιστωθεί µια άλλη µορφή προσβολής από θειικά ιόντα η οποία συνοδεύεται από τον σχηµατισµό του ταουµασίτη, µια δράση που δεν παρεµποδίζεται από το τσιµέντο Portland µε ανθεκτικότητα στα θειικά ιόντα (SRPC) και οδηγεί σε απώλεια µηχανικής αντοχής, διόγκωση, αποκοπή των επιφανειακών στρωµάτων και τέλος στην κατάρρευση, εξέλιξη η οποία µπορεί να είναι ταχύτατη και αιφνιδιαστική. Κατά την τελευταία 15ετία, η προσβολή από θειικά µε τη µορφή του ταουµασίτη εντοπίστηκε σε περισσότερες από 80 κατασκευές στην Αγγλία και ιδιαίτερα στο σκυρόδεµα που βρίσκεται στο υπέδαφος. Στη συνέχεια το φαινόµενο αυτό παρατηρήθηκε και σε άλλες χώρες, γεγονός που έκανε επιτακτική ανάγκη τη µελέτη του (Crammond 2002). Έτσι, τα τελευταία 5 χρόνια έχουν γίνει πάρα πολλές µελέτες για τη δοµή του ταουµασίτη, τις συνέπειες της ύπαρξής του και τις συνθήκες σχηµατισµού του, τόσο σε πραγµατικές κατασκευές, όσο και σε δοκίµια σε εργαστηριακό επίπεδο. Στις πιο πολλές χώρες που έχουν σηµειωθεί κρούσµατα δηµιουργίας ταουµασίτη, έχουν γίνει και αντίστοιχες ερευνητικές εργασίες στις κατασκευές αυτές για να διαπιστωθούν οι λόγοι εµφάνισης του ταουµασίτη (Crammond et al 1993, Hobbs et al 2000, Collepardi 1999, Bickley 1999). Ο ταουµασίτης είναι µια σύνθετη ενυδατωµένη φάση µε τύπο CaSiO 3. CaCO 3. CaSO 4. 15H 2 O και σχηµατίζεται σε συνθήκες χαµηλών θερµοκρασιών, µεγάλης υγρασίας και όταν στο περιβάλλον (π.χ. έδαφος, νερό) υπάρχουν θειικά ιόντα, τα οποία έρχονται σε επαφή µε το ασβεστολιθικό τσιµέντο και τα ασβεστολιθικά αδρανή. Ο σχηµατισµός του ταουµασίτη συνοδεύεται από την παραγωγή µπρουσίτη και δευτερογενούς γύψου. Η δηµιουργία του ταουµασίτη δεν είναι άµεση (απαιτείται χρονικό διάστηµα µερικών µηνών), ενώ η ελάττωση του ph ευνοεί τη δηµιουργία του 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

2 ταουµασίτη (Bensted 1999, Hartshorn et al 1999, Tsivilis et al 2003, Kakali et al 2003, Τσιβιλής 2002). Η χρήση ανόργανων προσθέτων, που µειώνουν τη διαπερατότητα και το πορώδες της κατασκευής, µπορούν να ενισχύσουν την ανθεκτικότητα των ασβεστολιθικών τσιµέντων. Έντονο, λοιπόν, είναι το ενδιαφέρον διερεύνησης του µηχανισµού του ταουµασίτη και της επίδρασής του στην ανθεκτικότητα των ασβεστολιθικών τσιµέντων. Στην παρούσα εργασία, µελετήθηκε η συµπεριφορά σκυροδέµατος µε ασβεστολιθικά τσιµέντα, µε διαφορετικό ποσοστό ασβεστόλιθου, σε θερµοκρασία 5 C. Ακόµη µελετήθηκε η δυνατότητα χρήσης και άλλων συστατικών, όπως φυσικής ποζολάνης, ιπτάµενης τέφρας, σκωρίας υψικαµίνου και µετακαολίνη, για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας του σκυροδέµατος. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Χρησιµοποιήθηκαν βιοµηχανικό κλίνκερ τσιµέντου Portland και ασβεστόλιθος µε υψηλή περιεκτικότητα σε καλσίτη (CaCO 3 : 95.7%). Τα τσιµέντα PC, LC1 και LC2 παρασκευάσθηκαν µε συνάλεση κλίνκερ, γύψου και ασβεστόλιθου µε βάση τις αναλογίες που δίνονται στον Πίνακα 1. Η συνάλεση έγινε σε σφαιρόµυλο pro-pilot plant δυναµικότητας 5Kg. Η ειδική επιφάνεια του τσιµέντου ήταν 3030, 3950 και 5170 cm 2 /g, σύµφωνα µε τη µέθοδο Blaine, για τα τσιµέντα PC, LC1 και LC2 αντίστοιχα. Η φυσική ποζολάνη (µηλαϊκη γη) και η ιπτάµενη τέφρα (ASTM τύπος C) είναι Ελληνικά υλικά και χρησιµοποιούνται από τις βιοµηχανίες για την παραγωγή σύνθετων τσιµέντων. Η σκωρία υψικαµίνου (GGBS) είναι ένα εισαγόµενο ορυκτό και χρησιµοποιείται ως κύριο συστατικό του τσιµέντου. Τα παραπάνω ορυκτά αλέσθηκαν και το µέσο µέγεθος των κόκκων τους (d 50 ) ήταν 10.5µm, 12.3µm και 10.9µm για την φυσική ποζολάνη, την ιπτάµενη τέφρα και τη σκωρία υψικαµίνου, αντίστοιχα. Ο µετακαολίνης είναι εµπορικό προϊόν µε µέσο µέγεθος κόκκων 5.1µm. Οι µελετηθείσες συνθέσεις (Πίνακας 1) έγιναν µε αντικατάσταση συγκεκριµένης ποσότητας του ασβεστολιθικού τσιµέντου Portland LC1 µε τα άλλα υλικά. Ανάλογα µε το υλικό που χρησιµοποιήθηκε, έγινε αντικατάσταση 10% - 50% της µάζας του LC1. Πίνακας 1. Kωδικοί και σύσταση των δειγµάτων Κωδικός Σύνθεση PC * Κλίνκερ: 100% κ.β. LC1 * Κλίνκερ: 85% κ.β., ασβεστόλιθος: 15% κ.β. LC2 * Κλίνκερ: 70% κ.β., ασβεστόλιθος: 30% κ.β. LPC LC1 + 20% κ.β. Φυσική ποζολάνη LFC LC1 + 30% Ιπτάµενη Τέφρα (F: 30% κ.β. του LC1) LSC LC1 + 50% Σκωρία (S: 50% κ.β. του LC1) LMC LC1 + 10% Μετακαολίνης (Μ: 10% κ.β. του LC1) * γύψος: 5% κ.β. επί του κλίνκερ Τα δοκίµια σκυροδέµατος παρασκευάστηκαν µε Β= 350kg/m 3 και W/B=0.5. Χρησιµοποιήθηκαν χονδρόκοκκα αδρανή µεγίστου κόκκου 8 mm και δύο είδη άµµου, ασβεστολιθική (c) και πυριτική (s). Συµπληρωµατικά για την κατασκευή των δοκιµίων χρησιµοποιήθηκε και ρευστοποιητής Pozzolith 390Ν. Τα δείγµατα έχουν διαστάσεις 40x40x50 mm, συντηρήθηκαν 24h στη µήτρα, 6 ηµέρες στο νερό και κατόπιν, στον αέρα για 21 ηµέρες στο περιβάλλον του εργαστηρίου. Ακολούθησε διατήρηση 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

3 των δοκιµίων σε διάλυµα MgSO 4 1,8% κ.β. σε θερµοκρασία 5 0 C, ενώ δοκίµια διατηρήθηκαν σε νερό στους 25 0 C (δοκίµια αναφοράς). Τα δοκίµια κωδικοποιήθηκαν βάσει του τύπου X-i, όπου X: ο κωδικός του τσιµέντου όπως αυτός ορίστηκε στον πίνακα 3, και i:το είδος της χρησιµοποιούµενης άµµου. Για παράδειγµα, ως LC2-s θα αναφέρεται στο εξής το δοκίµια που έχει παρασκευαστεί από το τσιµέντο µε 30% ασβεστόλιθο και πυριτική άµµο, ενώ ως LC2-c θα αναφέρεται το δοκίµιο που έχει παρασκευαστεί από το ίδιο τσιµέντο αλλά µε ασβεστολιθική άµµο. Για την διερεύνηση του ρόλου της θερµοκρασίας, της άµµου και της σύστασης του σκυροδέµατος στο σχηµατισµό του ταουµασίτη, έγινε µακροσκοπική εξέταση των δοκιµίων και µέτρηση της µάζας τους και της ταχύτητας υπερήχων. Η οπτική εξέταση των δειγµάτων γινόταν σε τακτά χρονικά διαστήµατα για 21 µήνες και καταγράφηκαν όλες οι αλλαγές, όπως αλλαγή στο χρώµα, στην υφή των επιστρωµάτων, καθώς και τυχόν διόγκωση και σπάσιµο τµηµάτων των δοκιµίων. Παράλληλα πραγµατοποιούνταν µετρήσεις µάζας των δοκιµίων, στόχος των οποίων ήταν να εκτιµηθεί ποσοτικά η φθορά τους. Οι µετρήσεις (Μ.Ο. δύο δειγµάτων) γίνονταν ανά τακτά χρονικά διαστήµατα για 21 µήνες. Οι µετρήσεις της ταχύτητας των υπερήχων µέσω των δοκιµίων του σκυροδέµατος έγιναν σε τακτά χρονικά διαστήµατα µε τη συσκευή 58-Ε48 της Controls Testing Equipment Ltd. Η ταχύτητα διέλευσης των υπερήχων διαµέσου αυτών χρησιµοποιήθηκε ως µέτρο της εσωτερικής συνοχής τους. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 3.1 Οπτική επιθεώρηση Κατά τη µηνιαία οπτική επιθεώρηση, διαπιστώθηκε ότι τα πρώτα σηµάδια φθοράς εντοπίστηκαν στα δείγµατα που συντηρούνταν στο διάλυµα MgSO 4 στους 5 ο C. Πιο συγκεκριµένα, το ασβεστολιθικό τσιµέντο Portland µε 30% ασβεστόλιθο και πυριτική άµµο εµφάνισε πρώτο φθορά µετά από 6 µήνες παραµονής στο διάλυµα και ακολούθησαν στους 10 µήνες τα δοκίµια µε αµιγές τσιµέντο Portland (PC-s, PC-c), 15 % ασβεστόλιθο µε πυριτική άµµο (LC1-s) και 20% φυσική ποζολάνη µε πυριτική άµµο (LPC-s). Στους 13 µήνες, φθορά εντοπίστηκε στα δοκίµια µε ιπτάµενη τέφρα και πυριτική άµµο (LFC-s), καθώς και στο δείγµα µε 15% ασβεστόλιθο και ασβεστολιθική άµµο (LC1-c). Στους επόµενους δύο µήνες, σηµάδια φθοράς σηµειώθηκαν στα δοκίµια µε 30% ασβεστόλιθο και 20% φυσική ποζολάνη µε ασβεστολιθική άµµο (LC2-c, LPC-c). Τέλος, στους 17 µήνες διατήρησης στο διάλυµα MgSO 4 στους 5 ο C, φθορά εντοπίστηκε στα δείγµατα LSC-s, LMC-s, ενώ στα υπόλοιπα δοκίµια (LFC-c, LSC-c, LMC-c) στους 21 µήνες µελέτης, δεν εµφανίστηκε σηµάδι φθοράς. Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται συνοπτικά οι παραπάνω παρατηρήσεις, καθώς και ο ρυθµός εξέλιξης της φθοράς. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

4 Πίνακας 2. Οπτική επιθεώρηση δειγµάτων µετά από συντήρηση σε διάλυµα MgSO 4 στους 5 ο C. είγµα Χρόνος (µήνες) PC-s PC-c LC1-s LC1-c LC2-s LC2-c LPC-s LPC-c LFC-s LFC-c LSC-s LSC-c LMC-s LMC-c : Καµία φθορά 1: Αρχική ένδειξη φθορών 2: Φθορά ακµών και γωνιών 3: Μικρό σπάσιµο και σκάσιµο γωνιών 4:Ράγισµα και σπάσιµο γωνιών 5:Εκτεταµένο σπάσιµο 6: ιόγκωση και αποκόλληση επιφανειών 7:Ρηγµάτωση δοµής 8: Αποκόλληση τµηµάτων 9: ηµιουργία οπών και κατάρρευση Σε κάθε περίπτωση, το πρώτο σηµάδι της προσβολής ήταν η φθορά των γωνιών και στη συνέχεια των αιχµών. Προοδευτικά, έλαβε χώρα διόγκωση και αποκοπή των επιφανειακών τµηµάτων του δείγµατος. Η κατεστραµµένη επιφάνεια καλύφθηκε από µια µαλακή, άσπρη ουσία. Στο σχήµα 1 παρουσιάζονται οι φωτογραφίες των δειγµάτων µε ασβεστολιθική και πυριτική άµµο, µετά από 1, 11 και 20 µήνες συντήρησης τους σε διάλυµα MgSO 4 1,8%κ.β. στους 5 ο C. Από την οπτική επιθεώρηση, προκύπτει ότι τα δοκίµια µε µεγαλύτερο ποσοστό ασβεστόλιθου (LC2) παρουσιάζουν πιο έντονα τα σηµάδια της προσβολής, από τα δοκίµια µε λιγότερο ασβεστόλιθο (LC1). Ακόµη διαπιστώνεται ότι τα δοκίµια µε πυριτική άµµο είναι πιο ευάλωτα στην προσβολή από θειικά, από τα δοκίµια µε ασβεστολιθική άµµο. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

5 Σχήµα 1. οκίµια µετά από συντήρηση για 1, 11,20 µήνες σε διάλυµα MgSO 4 στους 5 ο C. 3.2 Μάζα δοκιµίων Η µέτρηση της µάζας των δοκιµίων διεξαγόταν σε τακτά χρονικά διαστήµατα για περίπου 20 µήνες. Στα σχήµατα 2 και 3 παρατίθενται οι µεταβολές της µάζας των δοκιµίων που συντηρήθηκαν σε διάλυµα MgSO 4 στους 5 ο C. Από το σχήµα 2 παρατηρείται ότι τα δοκίµια µε ασβεστολιθική άµµο δεν έχουν παρουσιάσει ιδιαίτερη µεταβολή µάζας, σε αντίθεση µε τα δοκίµια µε πυριτική άµµο (σχήµα 3). Το LC2-s παρουσιάζει έντονη µείωση µάζας που φτάνει σχεδόν το 25% ενώ το LC1-s έχει αρχίσει να χάνει µάζα, γεγονός που σηµαίνει ότι έχει αρχίσει η αποκόλληση τµηµάτων του δείγµατος. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

6 230 Μάζα (g) Χρόνος (ηµέρες) PC-c LC1-c LC2-c LPC-c LFC-c LSC-c LMC-c Σχήµα 2. Μάζα δοκιµίων σκυροδέµατος µε ασβεστολιθική άµµο (5 ο C, MgSO 4 ) Μάζα (g) Χρόνος (ηµέρες) PC-s LC1-s LC2-s LPC-s LFC-s LSC-s LMCs Σχήµα 3. Μάζα δοκιµίων σκυροδέµατος µε πυριτική άµµο (5 ο C, MgSO 4 ) 3.3 Ταχύτητα Υπερήχων Ο προσδιορισµός της ταχύτητας υπερήχων µέσω των δοκιµίων έγινε σε τακτά χρονικά διαστήµατα, παράλληλα µε τις µετρήσεις µάζας. Στα σχήµατα 4 και 5 δίνονται διαγραµµατικά τα αποτελέσµατα για τα δοκίµια µε ασβεστολιθική και πυριτική άµµο αντίστοιχα. Από την ταχύτητα υπερήχων των δοκιµίων µε ασβεστολιθική άµµο στους 5 ο C, παρατηρείται ότι τη χειρότερη συµπεριφορά παρουσιάζουν αυτά µε 30% ασβεστόλιθο (LC2-c), 15% ασβεστόλιθο (LC1-c) και 20% φυσική ποζολάνη (LPC-c), ενώ ακολουθούν τα δείγµατα µε κοινό τσιµέντο Portland (PC-c) και 30% ιπτάµενη τέφρα (LFC-c) (σχήµα 4). Από το σχήµα 5, φαίνεται ότι στην 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

7 περίπτωση της πυριτικής άµµου, τη χειρότερη συµπεριφορά εµφανίζουν τα δείγµατα µε 30% ασβεστόλιθο (LC2-s) και στη συνέχεια µε 15% ασβεστόλιθο (LC1-s). 5.0 Ταχύτητα (km/s) Χρόνος (ηµέρες) PC-c LC1-c LC2-c LPC-c LFC-c LSC-c LMC-c Σχήµα 4. Ταχύτητα υπερήχων δοκιµίων σκυροδέµατος µε ασβεστολιθική άµµο (5 ο C, MgSO 4 ) 5.0 Ταχύτητα (km/s) Χρόνος (ηµέρες) PC-s LC1-s LC2-s LPC-s LFC-s LSC-s LMCs Σχήµα 5. Ταχύτητα υπερήχων δοκιµίων σκυροδέµατος µε πυριτική άµµο (5 ο C, MgSO 4 ) 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

8 Θα πρέπει να τονισθεί ότι στα µελετηθέντα δοκίµια εφαρµόσθηκαν αναλυτικές τεχνικές (XRD, DTG και SEM) για την ταυτοποίηση των προϊόντων της προσβολής από τα θειικά ιόντα. Οι τεχνικές αυτές οδήγησαν στην ταυτοποίηση του ταουµασίτη. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ! Τα σκυροδέµατα που περιέχουν ασβεστόλιθο ως βασικό συστατικό του τσιµέντου, είναι ευάλωτα στη δηµιουργία ταουµασίτη σε περιβάλλον θειικών ιόντων και χαµηλές θερµοκρασίες (5 ο C).! Η προσβολή από τα θειικά ιόντα είναι κατά κανόνα µεγαλύτερη, όσο µεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα του τσιµέντου σε ασβεστόλιθο.! Η χρήση ποζολανικών υλικών µαζί µε τα ασβεστολιθικά τσιµέντα µπορεί να συµβάλλει στην αντιµετώπιση του προβλήµατος. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Crammond, N.J The thaumasite form of sulfate attack in the UK, 1 st Thaumasite in Cementious materials, Watford, London, U.K., No 17: 1-9. Int. Conf. On Crammond, N.J., Nixon, P.J Deterioration of concrete foundation piles as a result of thaumasite formation. Proceedings 6 th Int. Concr. Durability Building Materials and Components. London: E. & F.N.Spopn, vol. 1: Hobbs, D.W., Taylor, M.G Nature of thaumasite sulfate attack mechanism in field concrete. Cement Concr Res, 30: Collepardi, M Thaumasite formation and deterioration in historic buildings. Cement Concr Compos. 21: Bickley, J.A The repair of arctic structures damaged by thaumasite. Cement Concr Compos. 21: Bensted, J Thaumasite background and nature in deterioration of cements, mortars and concretes. Cem Concr Comp, 21: Hartshorn, S.A., Sharp, J.H., Swamy, R.N Parameters affecting thaumasite formation in Portland limestone cement pastes. Cem Concr Res, 29: Tsivilis, S., Kakali, G., Skaropoulou, A., Sharp, J.H., Swamy, R.N Use of mineral admixtures to prevent thaumasite formation in limestone cement mortar. Cem Concr Comp, 25: Kakali, G., Tsivilis, S., Skaropoulou, A., Sharp, J.H., Swamy, R.N Parameters affecting thaumasite formation in limestone cement mortar. Cem Concr Comp, 25: Τσιβιλής, Σ Επίδραση ασβεστόλιθου στην επιβάρυνση έργων από σκυρόδεµα. Προβλήµατα προερχόµενα αό τη χρήση ασβεστολιθικών τσιµέντων και/η ασβεστολιθικών αδρανών. Πρόγραµµα Επιστηµονικής και Τεχνολογικής συνεργασίας Ελλάδας-Μεγάλης Βρετανίας. Τελική έκθεση, Αθήνα: ΕΜΠ. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,