ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΕΤΑΚΑΟΛΙΝΗ ΥΠΟ ΑΕΡΙΑ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ

Transcript

1 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΕΤΑΚΑΟΛΙΝΗ ΥΠΟ ΑΕΡΙΑ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ Α. Μαρίνος, Γ. Μπατής, Μ. Κατσιώτη Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα Μ. Σ. Κατσιώτης Chemical Engineering Department, The Petroleum Institute, P.O.Box: 2533, Abu Dhabi, UAE Ι. Γάλλιας L2MGC Laboratoire de Mécanique et Matériaux du Génie Civil, Université de Cergy-Pontoise, Cergy, France ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η επίδραση της αντικατάστασης του τσιμέντου με μετακαολίνη σε ποσοστό έως και 2% στην ανθεκτικότητα του σκυροδέματος. Μελετήθηκε η θλιπτική αντοχή, η διαπερατότητα χλωριόντων και η ενανθράκωση των δοκιμίων που αναπτύχθηκαν σε διάφορες ηλικίες συντήρησης. Από τη μελέτη προέκυψε ότι και για τους δύο τύπους τσιμέντου που μελετήθηκαν, τα κονιάματα όπου το τσιμέντο αντικαταστάθηκε σε ποσοστό 1% με μετακαολίνη έδειξαν υψηλότερη θλιπτική αντοχή και μικρότερη διαπερατότητα σε σχέση με τα κονιάματα τα οποία αναπτύχθηκαν μόνο με τσιμέντο. Σε υψηλότερα ποσοστά αντικατάστασης του τσιμέντου με μετακαολίνη παρατηρήθηκε βελτίωση της ανθεκτικότητας απέναντι στη διαπερατότητα χλωριόντων, όχι όμως και της θλιπτικής αντοχής. Τέλος, παρατηρήθηκε αύξηση στη διαπερατότητα του διοξειδίου του άνθρακα (βάθος ενανθράκωσης) κατά την αντικατάσταση του τσιμέντου με μετακαολίνη καθώς επίσης και υψηλή συσχέτιση του συντελεστή διάχυσης χλωριόντων και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των κονιαμάτων που αναπτύχθηκαν. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το σκυρόδεμα είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό εξαιτίας του χαμηλού κόστους που απαιτείται για την παρασκευή του καθώς επίσης και της ιδιότητάς του να μορφοποιείται σε διάφορα σχήματα και δομές με υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες δύναται να επηρεάσουν, μερικές φορές με ιδιαίτερα σοβαρές συνέπειες, τη διάρκεια ζωής του σκυροδέματος [1]. Το παραθαλάσσιο περιβάλλον είναι ένα τυπικό παράδειγμα περιβάλλοντος το οποίο έχει στοιχεία που δύναται να επηρεάσουν με καταστροφικό τρόπο τις κατασκευές σκυροδέματος. Τα χλωριόντα, τα οποία βρίσκονται συνήθως σε υψηλή συγκέντρωση στο παραθαλάσσιο περιβάλλον, δύναται να διεισδύσουν στο σκυρόδεμα μέσω των πόρων του, να έρθουν σε επαφή με τον οπλισμό και να προκαλέσουν τη διάβρωσή του, γεγονός το οποίο προκαλεί μείωση του χρόνου ζωής της κατασκευής [2-5]. Προκειμένου να προστατευθούν οι κατασκευές σκυροδέματος από τους διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη ανθεκτικότερων σκυροδεμάτων με μικρότερο πορώδες. Προκειμένου να επιτευχθεί κάτι τέτοιο, οι μηχανικοί έχουν προχωρήσει στην ανάπτυξη σκυροδεμάτων, όπου μέρος του κλίνκερ, το οποίο αποτελεί το βασικό συστατικό του τσιμέντου Portland, αντικαθίσταται από συμπληρωματικά τσιμεντοειδή υλικά όπως η ιπτάμενη τέφρα και η πυριτική παιπάλη. Τα υλικά αυτά, τα οποία έχουν πολύ λεπτή κοκκομετρία καθώς επίσης και πληρωτικές και ποζολανικές ιδιότητες [6, 7], συνεισφέρουν στην ανάπτυξη σκυροδεμάτων με πιο πυκνή δομή, γεγονός το οποίο οδηγεί σε βελτίωση της αντοχής και της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος και κατ επέκταση σε μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της κατασκευής. Στην παρούσα εργασία ως συμπληρωματικό τσιμεντοειδές υλικό χρησιμοποιήθηκε ο μετακαολίνης. Ο μετακαολίνης είναι μία υπέρλεπτη κονία η οποία προέρχεται από τη θερμική επεξεργασία του καολινίτη σε θερμοκρασίες μεταξύ 7 και 9 ο C, είναι ένα υλικό με ποζολανικές και πληρωτικές ιδιότητες και η προσθήκη του ως αντικατάστατο του κλίνκερ στο σκυρόδεμα δύναται να βελτιώσει την απόδοση και την ανθεκτικότητά του [8, 9]. Μελετήθηκε η επίδραση της προσθήκης του μετακαολίνη στη θλιπτική αντοχή, στη διαπερατότητα χλωριόντων και στην ενανθράκωση κονιαμάτων τα οποία αναπτύχθηκαν με διαφορετικούς τύπους τσιμέντου και συντηρήθηκαν σε διάφορες ηλικίες. Ακόμη, μελετήθηκε η συσχέτιση του συντελεστή διάχυσης χλωριόντων με την ηλεκτρική αγωγιμότητα, η εκτίμηση της οποίας επί της κατασκευής πραγματοποιείται μέσω μη καταστροφικών μεθόδων [1].

2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΙΩΝ Για την παρασκευή των δοκιμίων κονιάματος χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι τσιμέντου (CEM I 52.5N και CEM II / B M (P-W) 42.5N), νερό βρύσης και ασβεστολιθική άμμος ως αδρανές. Ο μετακαολίνης (ΜΚ) που χρησιμοποιήθηκε για την αντικατάσταση του τσιμέντου ήταν ο ARGICAL M-1. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε ρευστοποιητής (Viscocrete 3) για την επίτευξη κατάλληλης εργασιμότητας των αναμιγμάτων. Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των τσιμέντων, του μετακαολίνη και της άμμου. Στα σχήματα 1 και 2 παρουσιάζεται η κοκκομετρική διαβάθμιση των υλικών. Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται οι συνθέσεις που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία καθώς και οι ποσότητες των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν ανά σύνθεση. Όλες οι συνθέσεις πραγματοποιήθηκαν σε αναμικτήρα χωρητικότητας 5lt και ο λόγος Νερό/Τσιμέντο ήταν σταθερός (Ν/Τ =.5). Οι μετρήσεις του περιεχόμενου αέρα και της εξάπλωσης των κονιαμάτων που παρουσιάζονται στον πίνακα 2 πραγματοποιήθηκαν κατά τα πρότυπα EN και ΕΝ 115-3:1999 αντίστοιχα. 1, Ποσοστό υλικού που διαπερνά [%] 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, CEM II 42.5 CEMI I 52.5 Μετακαολίνης,,1 1, 1, 1, 1, Μέγεθος κόκκου [µm] Σχήμα 1. Κοκκομετρική διαβάθμιση των τσιμέντων και του μετακαολίνη 12 Ποσοστό υλικού που διαπερνά το κόσκινο (%) Μέγεθος κοσκίνου (μm) Σχήμα 2. Κοκκομετρική διαβάθμιση άμμου

3 Πίνακας 1. Χημικές και φυσικές ιδιότητες των τσιμέντων, του μετακαολίνη και της άμμου CEM I 52,5 N CEM ΙI 42,5 N Μετακαολίνης Άμμος SiO Al2O Fe2O CaO MgO K2O Na2O SO TiO Απώλεια Πύρωσης (%) Blaine (cm 2 /g) Ειδικό Βάρος (g/cm 3 ) Η προσθήκη του ρευστοποιητή ανά σύνθεση πραγματοποιήθηκε με στόχο τη διατήρηση της εξάπλωσης των κονιαμάτων στο εύρος τιμών 18 ± 5mm. Παρασκευάστηκαν δοκίμια διαστάσεων 4 x 4 x 16mm για τη μέτρηση της θλιπτικής αντοχής καθώς επίσης και κυλινδρικά δοκίμια διαστάσεων Ø1 x 2mm για την πραγματοποίηση των μετρήσεων διαπερατότητας χλωριόντων και βάθους ενανθράκωσης. Τα δοκίμια συντηρήθηκαν τις πρώτες 24 ώρες εντός των μητρών στο χώρο του εργαστηρίου, καλυμμένα με βρεγμένη λινάτσα, προκειμένου να διατηρηθεί η περιεχόμενη υγρασία τους στα επιθυμητά επίπεδα. Μετά το πέρας των 24 ωρών, τα δοκίμια απομακρύνθηκαν από τις μήτρες και συντηρήθηκαν στο χώρο του εργαστηρίου για διάφορες ηλικίες (28, 9, 18 και 36 ημέρες). Οι συνθήκες συντήρησης των δοκιμίων στο εργαστήριο ήταν: Θερμοκρασία ( ο C): Σχετική Υγρασία (%): 55 7 Πίνακας 2. Ποσότητες υλικών ανά σύνθεση σε Kg/m 3 Σύνθεση Α Β Γ Δ Ε Τσιμέντο 5 (Ι 52.5) 45 (Ι 52.5) 492 (II 42.5) 441 (II 42.5) 393 (II 42.5) Μετακαολίνης 5 (1%) 49 (1%) 98 (2%) Νερό Άμμος Ρευστοποιητής Περιεχόμενος Αέρας (%) Εξάπλωση (mm)

4 Dnssm (m 2 /sec) (x 1-12 ) Σύνθεση A Σύνθεση B Σύνθεση Γ Σύνθεση Σύνθεση Ε Ηλικία (Ημέρες) Σχήμα 3. Συντελεστής διάχυσης χλωριόντων (D nssm ) κατά NT Build ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΧΛΩΡΙΟΝΤΩΝ ΚΑΤΑ NT BUILD 492 Οι μετρήσεις διαπερατότητας χλωριόντων κατά NT Build 492 πραγματοποιήθηκαν επί δίσκων πάχους 5mm, οι οποίοι αποκόπηκαν από τα κυλινδρικά δοκίμια διαστάσεων Ø1 x 2mm. Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται οι τιμές του συντελεστή διάχυσης χλωριόντων (D nssm ), ο οποίος υπολογίστηκε βάσει του προτύπου NT Build 492. Από το σχήμα 3 προκύπτει ότι η προσθήκη του μετακαολίνη μειώνει σημαντικά τη διαπερατότητα χλωριόντων σε σύγκριση με τα κοινά τσιμέντα. Από το παραπάνω σχήμα προκύπτει επίσης ότι η αύξηση του ποσοστού του μετακαολίνη βελτιώνει περαιτέρω την ανθεκτικότητα των κονιαμάτων απέναντι στη διαπερατότητα χλωριόντων. Τέλος, από το σχήμα 3 προκύπτει ότι με το πέρας του χρόνου τα κονιάματα με κοινά τσιμέντα παρουσιάζουν μεγαλύτερη διαπερατότητα σε σχέση με τη διαπερατότητα των 28 ημερών, γεγονός το οποίο οφείλεται κυρίως στην επίδραση της αέριας συντήρησης στη μικροδομή. Αντίθετα, στα κονιάματα με μετακαολίνη δε παρατηρείται ιδιαίτερη επίδραση της αέριας συντήρησης με το πέρασμα του χρόνου στην ανθεκτικότητά τους απέναντι στη διαπερατότητα χλωριόντων. 3. ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΛΙΠΤΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ Ο καθορισμός της θλιπτικής αντοχής πραγματοποιήθηκε επί των πρισματικών δοκιμίων 4 x 4 x 16mm κατά το πρότυπο ΕΝ Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται τ αποτελέσματα της μέτρησης θλιπτικής αντοχής, όπου παρατηρήθηκε ότι τα κονιάματα τα οποία περιείχαν μετακαολίνη σε ποσοστό 1% έδειξαν υψηλότερη αντοχή σε σχέση με αυτήν των κονιαμάτων που περιείχαν κοινά τσιμέντα για όλες τις ηλικίες συντήρησης. Επίσης από το σχήμα 4 προκύπτει ότι η προσθήκη του μετακαολίνη σε ποσοστό 2% στο τσιμέντο CEM II / B M (P-W) 42.5N δεν βελτίωσε την αντοχή των κονιαμάτων. Το αποτέλεσμα αυτό προέκυψε εξαιτίας του υψηλού ποσοστού αντικατάστασης του κλίνκερ (>3%) στα συγκεκριμένα κονιάματα, με αποτέλεσμα οι ενυδατωμένες φάσεις που προέκυψαν εντός των κονιαμάτων να μην είναι επαρκείς ώστε να συνεισφέρουν στην ανάπτυξη της θλιπτικής αντοχής. Θλιπτική αντοχή (MPa) Σύνθεση Α Σύνθεση Β Σύνθεση Γ Σύνθεση Σύνθεση Ε Ηλικία (Ημέρες) Σχήμα 4. Θλιπτική αντοχή δοκιμίων κονιάματος 4 x 4 x 16mm κατά ΕΝ 196-1

5 Βάθος Ενανθράκωσης Σχήμα 5. Βάθος ενανθράκωσης κυλινδρικού δοκιμίου 4. Μέτρηση βάθους ενανθράκωσης Για την μέτρηση του βάθους ενανθράκωσης, τοποθετήθηκαν σε θάλαμο ενανθράκωσης δύο κυλινδρικά δοκίμια από κάθε σύνθεση, αφού πρώτα είχαν συντηρηθεί για 5 ημέρες στο χώρο του εργαστηρίου. Οι συνθήκες εντός του θαλάμου ενανθράκωσης ήταν οι εξής: Περιεκτικότητα CO 2 (%): Θερμοκρασία ( ο C): Σχετική Υγρασία (%): 55 7 H επάνω και η κάτω επιφάνεια του κάθε κυλίνδρου καλύφθηκαν προκειμένου η διείσδυση του CO 2 στα δοκίμια να πραγματοποιείται μέσω της κυκλικής επιφάνειας. Μετά το πέρας συγκεκριμένων περιόδων έκθεσης, τα δοκίμια απομακρύνονταν από το θάλαμο και μία φέτα πάχους 2mm αποκόπτονταν από τον κάθε κύλινδρο. Έπειτα, ο δίσκος που προέκυπτε ψεκαζόταν με διάλυμα φαινολοφθαλεΐνης, προκειμένου να γίνει διακριτό το ενανθρακωμένο από το μη ενανθρακωμένο τμήμα του δοκιμίου, όπως απεικονίζεται στο σχήμα 5. Στο σχήμα 6 παρουσιάζονται τα βάθη ενανθράκωσης των κονιαμάτων για διάφορες περιόδους έκθεσης. Από το σχήμα 6 προκύπτει ότι η χρήση του μετακαολίνη και γενικά των συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών για αντικατάσταση του κλίνκερ προκαλεί αύξηση του βάθους ενανθράκωσης. Αυτό συμβαίνει γιατί τα ποζολανικά υλικά καταναλώνουν ποσότητα υδρασβέστου (Ca(OH) 2 ) για την πραγματοποίηση της ποζολανικής αντίδρασης. Έτσι η ποσότητα της υδρασβέστου η οποία είναι διαθέσιμη για να αντιδράσει με το διοξείδιο του άνθρακα, σχηματίζοντας ανθρακικό ασβέστιο (CaCO 3 ), είναι μικρότερη. Για το λόγο αυτό, το βάθος ενανθράκωσης του σκυροδέματος είναι μεγαλύτερο. Η ενανθράκωση είναι ένα σύνθετο φαινόμενο της διαπερατότητας (πορώδους, που μειώνει ο μετακαολίνης) και της διαθέσιμης ποσότητας υδρασβέστου (Ca(OH) 2 ). 7 Βάθος ενανθράκωσης (mm) Σύνθεση Α Σύνθεση Β Σύνθεση Γ Σύνθεση Σύνθεση Ε Περίοδοι έκθεσης (Ημέρες) Σχήμα 6. Βάθος ενανθράκωσης κονιαμάτων για διάφορες περιόδους έκθεσης

6 5E-11 4E-11 Dnssm (m 2 /sec) 3E-11 2E-11 1E-11 y = 9,2E-1x - 2E-12 R 2 =,93,,5,1,15,2,25,3,35,4,45 Ηλεκτρική αγωγιμότητα (S/m) Σχήμα 7. Γραμμική συσχέτιση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας με το συντελεστή διάχυσης D nssm 5. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΧΛΩΡΙΟΝΤΩΝ Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των κονιαμάτων που αναπτύχθηκαν υπολογίστηκε με την εξίσωση 1: L A V (1) όπου σ = η ηλεκτρική αγωγιμότητα ( S/m), I = το αρχικό ρεύμα που διαπέρασε το δοκίμιο κατά τη μέτρηση διαπερατότητας χλωριόντων NT Build 492 και υπό τάση 3V, V = η τάση που εφαρμόστηκε εκατέρωθεν του δοκιμίου (3 V), L το ύψος του δοκιμίου και Α η επιφάνεια του δοκιμίου όπου εφαρμόστηκε η τάση. Τα δοκίμια που μετρήθηκαν με τη μέθοδο NT Build 492 είχαν διαστάσεις Ø1 x 5mm. Επομένως η τιμή της παραμέτρου Α της εξίσωσης 1 είναι ίση με.785m 2 και της παραμέτρου L ίση με 5mm. Στο σχήμα 7 παρουσιάζεται η συσχέτιση των τιμών της ηλεκτρικής αγωγιμότητας με αυτές του συντελεστή διάχυσης. Από το σχήμα 7 παρατηρούμε ότι είναι εφικτό μέσω της μέτρησης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας να εκτιμήσουμε τη διαπερατότητα των χλωριόντων ενός σκυροδέματος και κατ επέκταση την ανθεκτικότητα μιας κατασκευής που βρίσκεται σε παραθαλάσσιο περιβάλλον. 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η χρήση του μετακαολίνη βελτιώνει σημαντικά την ανθεκτικότητα και τις ιδιότητες των σκυροδεμάτων, εξαιτίας των ποζολανικών και πληρωτικών ιδιοτήτων του. Τα κονιάματα που αναπτύχθηκαν με μετακαολίνη σε ποσοστό αντικατάστασης του τσιμέντου 1% παρουσίασαν μικρότερη διαπερατότητα χλωριόντων και μεγαλύτερη θλιπτική αντοχή σε σχέση με τα κονιάματα που αναπτύχθηκαν με κοινά τσιμέντα. Τα κονιάματα που αναπτύχθηκαν με μετακαολίνη σε ποσοστό αντικατάστασης του τσιμέντου τύπου CEM II / B M (P-W) 42.5N 2% παρουσίασαν τη μικρότερη διαπερατότητα χλωριόντων αλλά και τη μικρότερη θλιπτική αντοχή σε σχέση με τα υπόλοιπα κονιάματα, γεγονός το οποίο προέκυψε εξαιτίας της μη ανάπτυξης επαρκούς ποσότητας ενυδατωμένης φάσης λόγω της υψηλής αντικατάστασης του κλίνκερ στα κονιάματα αυτά (>3%) καθώς επίσης και από τη μη επαρκή ενυδάτωση των δοκιμίων. Η προσθήκη του μετακαολίνη και γενικά των συμπληρωματικών τσιμεντοειδών υλικών αυξάνουν το βάθος ενανθράκωσης του σκυροδέματος, καθώς τα υλικά αυτά καταναλώνουν ποσότητα υδρασβέστου Ca(OH) 2 (προϊόν ενυδάτωσης) και μειώνουν την διαθέσιμη ποσότητα αυτής για την ενανθράκωση. Η ενανθράκωση είναι ένα σύνθετο φαινόμενο της διαπερατότητας (πορώδους, που μειώνει ο μετακαολίνης) και της διαθέσιμης ποσότητας υδρασβέστου (Ca(OH) 2 ) που καταναλώνεται από τον μετακαολίνη για την ποζολανική αντίδραση. Η μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μία μη-καταστροφική μέθοδος για να εκτιμηθεί η διαπερατότητα των χλωριόντων και κατ επέκταση η ανθεκτικότητά του σκυροδέματος μιας κατασκευής.

7 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1]. K.E. Hassan, J.G. Cabrera, R.S. Maliehe, The effect of mineral admixtures on the properties of highperformance concrete, Cement and Concrete Composites, 22 (2) [2]. P.A.M. Basheer, S.E. Chidiact, A.E. Long, Predictive models for deterioration of concrete structures, Construction and Building Materials, 1 (1996) [3]. P. Castro, O.T. De Rincon, E.J. Pazini, Interpretation of chloride profiles from concrete exposed to tropical marine environments, Cement and Concrete Research, 31 (21) [4]. G. Dhinakaran, S. Thilgavathi, J. Venkataramana, Compressive strength and chloride resistance of metakaolin concrete, KSCE J Civ Eng, 16 (212) [5]. V.G. Papadakis, Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against carbonation and chloride ingress, Cement and Concrete Research, 3 (2) [6]. G. Batis, P. Pantazopoulou, S. Tsivilis, E. Badogiannis, The effect of metakaolin on the corrosion behavior of cement mortars, Cement and Concrete Composites, 27 (25) [7]. P. Bredy, M. Chabannet, J. Pera, Microstructure and Porosity of Metakaolin Blended Cements, MRS Online Proceedings Library, 137 (1988). [8]. E. Güneyisi, M. Gesoğlu, K. Mermerdaş, Improving strength, drying shrinkage, and pore structure of concrete using metakaolin, Mater Struct, 41 (28) [9]. C.S. Poon, S.C. Kou, L. Lam, Compressive strength, chloride diffusivity and pore structure of high performance metakaolin and silica fume concrete, Construction and Building Materials, 2 (26) [1]. BSI, BS : Testing concrete Guide to the use of non-destructive methods of test for hardened concrete, in, BSI, UK, 1986, pp. 26