Ανθεκτικότητα Κονιαμάτων Αποκατάστασης με Λευκό Τσιμέντο - Δυνατότητες Προστασίας Durability of white cement restoration mortars - Protection potential Γεώργιος ΜΠΑΤΗΣ 1, Ελένη ΣΙΟΒΑ 2 Λέξεις κλειδιά: Λευκό τσιμέντο, Μετακαολίνης, Αναστολείς διάβρωσης, Διάβρωση οπλισμένης τσιμεντοκονίας ΠΕΡΊΛΗΨΗ : Η παρούσα εργασία εξετάζει την δυνατότητα χρησιμοποίησης του λευκού τσιμέντου Portland (βελιτικό τσιμέντο) τόσο με πρόσθετο μετακαολίνη, όσο και αναστολέα διάβρωσης ως κονίαμα αποκατάστασης ιστορικών κτιρίων και κατασκευών όταν καλύπτει μεταλλικά αντικείμενα. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιείται μελέτη της ανθεκτικότητας των τσιμεντοκονιαμάτων (με λευκό τσιμέντο) στη διάβρωση του χάλυβα οπλισμού στο φυσικό περιβάλλον και σε περιβάλλον χλωριόντων. Από τα αποτελέσματα της παρούσας διαπιστώθηκε ότι η προσθήκη του μετακαολίνη στο τσιμέντο, βελτίωσε την ανθεκτικότητά του στα παραπάνω περιβάλλοντα σε βαθμό μεγαλύτερο από ότι η προσθήκη αναστολέα διάβρωσης. Η μείωση του λόγου νερού / τσιμέντο οδήγησε σε μείωση της διάβρωσης των οπλισμών των δοκιμίων. ABSTRACT : The present work examines the possibility of using white Portland cement with metakaolin additive and corrosion inhibitor as restoration mortars for historic buildings and structures, with the aim to study the durability of cement mortars against corrosion of B500C structural steel rebars in natural and chloride-ion environments. The results of the present work reveal that the addition of pozzolana, such as metakaolin, in the cement, has improved the durability in the above environments more compared to the addition of the corrosion inhibitor. Also, the decrease of the water/cement ratio leads to a decrease of the corrosion of the specimen s rebars. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όσον αφορά στα κτίρια και στις κατασκευές γενικότερα, η φθορά τους προέρχεται από διάφορους παράγοντες φυσικούς, χημικούς, μηχανικούς κ.α, με μεγάλες οικονομικές συνέπειες, αλλά και προβλήματα στην επιζητούμενη αειφορία κυρίως των ιστορικών κτιρίων και κατασκευών, τα οποία εξαιτίας της μνημειακής αξίας που φέρουν, η προστασία τους καθίσταται επιβεβλημένη. Η χρήση τσιμεντοκονιαμάτων λόγω ασυμβατότητάς τους με τα παραδοσιακά δομικά υλικά δεν ενδείκνυται για την αποκατάσταση ιστορικών ή και παραδοσιακών κτισμάτων. Ο κύριος παράγοντας αυτής της ασυμβατότητας οφείλεται στην διαφορετική μικροδομή, που οδηγεί σε διαφορετικά φυσικό-μηχανικά και φυσικόχημικά χαρακτηριστικά μεταξύ των τσιμεντιτικών κονιαμάτων και των παραδοσιακών δομικών υλικών που είναι συνήθως πλίνθοι και λίθοι (Moropoulou A, 2000). Έρευνες έχουν δείξει ότι η προσθήκη ποζολάνων στο τσιμέντο, καθιστά τα 1 Καθηγητής, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, email: gbatis@central.ntua.gr 2 Y. Δ. Χημικός Μηχανικός, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, email: sieleni@central.ntua.gr 1
τσιμεντοκονιάματα περισσότερο συμβατά με τα παραδοσιακά δομικά υλικά (Bakolas A, 2006). Για αυτό και στην παρούσα εργασία διερευνάται η συμμετοχή του μετακαολίνη ως πρόσμικτο στο λευκό τσιμέντο, δεδομένου ότι το τελευταίο προτιμάται στην αποκατάσταση. Η χρήση του λευκού τσιμέντου παρέχει πολλές αρχιτεκτονικές δυνατότητες, για αυτό τα κονιάματα που παρασκευάζονται λέγονται συχνά αρχιτεκτονικά ή διακοσμητικά. Όμως, λόγω του αυξημένου κόστους του, σπάνια χρησιμοποιείται για την σκυροδέτηση ολόκληρης κατασκευής. Επίσης, είναι γνωστό ότι κονιάματα λευκού τσιμέντου τύπου Portland χρησιμοποιούνται με την μορφή τσιμεντοενέσεων για την πλήρωση αρμών και κενών σε μνημεία μεγάλης ιστορικής αξίας, όπως είναι η Ακρόπολη. Συγκεκριμένα στις εργασίες αποκαταστάσεως της Ακρόπολης, χρησιμοποιείται λευκό τσιμέντο με λιγότερο γύψο και πρόσμικτο μετακαολίνη, για την επίτευξη του ίδιου πορώδους και μηχανικής αντοχής των κονιαμάτων αποκατάστασης με το Πεντελικό μάρμαρο, δεδομένου ότι το τελευταίο εμφανίζει μικρό πορώδες (Σκουλικίδης Θ, 2002). Τα κονιάματα λευκού τσιμέντου αποτελούν τον συνδετικό κρίκο της χρήσης τσιμέντου ως υλικού αποκατάστασης. Το λευκό τσιμέντο έχει τις ίδιες ιδιότητες με το τυπικό γκρι τσιμέντο Portland, διαφέρει όμως στα παρακάτω σημεία: Έχει λευκό χρώμα, γιατί έχει λιγότερα ή δεν περιέχει καθόλου μεταλλικά οξείδια του σιδήρου λόγω των διαφορετικών πρώτων υλών, δεδομένου ότι παρασκευάζεται από λευκά ασβεστολιθικά υλικά χωρίς μεταλλικές προσμίξεις οξειδίων μαγγανίου και χρωμίου, λευκή άργιλο γνωστή ως καολίνη ή από καθαρά μίγματα οξειδίων αλουμινίου και πυριτίου. Έχει διαφορετική παραγωγική διαδικασία για να εξασφαλίζεται η λευκότητα του προϊόντος, αποτέλεσμα της οποίας είναι να καθίσταται ακριβότερο. Έχει μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια (Girao A. V, 2007), (Batis G, 2005a). Διάβρωση οπλισμένου σκυροδέματος Στην χώρα μας το μείζον πρόβλημα των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα είναι η προσβολή του σκυροδέματος από CO 2 και Cl - και η αποπαθητικοποίηση του οπλισμού (γενικευμένη ή περιορισμένη), ενώ σπάνια προσβάλλονται από αλκαλοπυριτική ή αλκαλο-ασβεστική αντίδραση ή διαμέσου των κύκλων τήξηςπήξης του νερού των πόρων σκυροδέματος. Η διάβρωση του σκυροδέματος αποτελεί ένα από τα κυριότερα προβλήματα στην ανθεκτικότητα των κτιρίων. Αν και το σκυρόδεμα αποτελεί ένα φυσικό εμπόδιο στην επαφή του οπλισμού με τα διαβρωτικά στοιχεία του περιβάλλοντος, όπως διοξείδιο του άνθρακα, οξυγόνο, χλωριόντα, με την πάροδο του χρόνου το σκυρόδεμα μπορεί να χάσει την προστατευτική του ικανότητα π.χ λόγω ενανθράκωσης ή παρουσία χλωριόντων και να παρατηρηθεί το ηλεκτροχημικό φαινόμενο της διάβρωσης, το οποίο απαιτεί την ύπαρξη τριών προϋποθέσεων: Ανοδική διάλυση του σιδήρου του οπλισμού. Παρουσία οξυγόνου. Ηλεκτρική αγωγιμότητα του σκυροδέματος μέσω του υγρού των πόρων. Ιδιαίτερα έντονο παρουσιάζεται το πρόβλημα σε έργα μεγάλης διάρκειας ζωής, όπως μνημεία, ιστορικά κτίρια, καμπαναριά, ειδικά δημόσια κτίρια, δεδομένου ότι η επίδραση του επιθετικού περιβάλλοντος είναι συσσωρευτική με την πάροδο του χρόνου. Η διάβρωση του σιδηροπλισμού προκαλεί αύξηση του όγκου του, με αποτέλεσμα την δημιουργία εσωτερικών τάσεων και ρηγματώσεων. Η ζημιά που 2
προκαλείται είναι διπλή. Αφενός με την οξείδωση του σιδήρου μειώνεται η ενεργός διατομή του, επομένως μειώνεται και η στατική επάρκεια της κατασκευής, αφετέρου οι δημιουργούμενες ρηγματώσεις αυξάνουν την διαπερατότητα του σκυροδέματος, επιτρέποντας εύκολα στο διαβρωτικό περιβάλλον να διεισδύσει και να δημιουργηθούν προϋποθέσεις για νέες ρηγματώσεις και γρήγορη διάβρωση του οπλισμού (Batis G, 2005b). Υπολογίζεται ότι το 5% του Ακαθάριστου Εθνικού Προϊόντος μιας χώρας διατίθεται για την αποκατάσταση τέτοιων βλαβών. Η φθορά των κατασκευών μπορεί να είναι ένα φαινόμενο αναπόφευκτο, αλλά δεν είναι και άμοιρο λύσεων. Οι επεμβάσεις προστασίας, συντήρησης και αποκατάστασης όχι μόνο στα ιστορικά κτίρια και κατασκευές αλλά και στα νεότερα, επεκτείνουν την ζωή τους και δημιουργούν νέες βάσεις και δεδομένα για την έρευνα νέων μεθόδων και υλικών. Στα πλαίσια λοιπόν της έρευνας για την προστασία και αποκατάσταση των κατασκευών πραγματοποιήθηκε και η εν λόγω εργασία. Σκοπός της παρούσας, είναι η μελέτη της ανθεκτικότητας κονιαμάτων λευκών τσιμέντων τύπου Portland στη διάβρωση, τόσο παρουσία χλωριόντων, όσο και στο φυσικό περιβάλλον. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε τόσο θεωρητική όσο και πειραματική μελέτη διάγνωσης της διάβρωσης, με την ανάπτυξη κονιαμάτων χαμηλής διαπερατότητας. Η εκτίμηση μελέτη της ανθεκτικότητας στη διάβρωση επιτεύχθηκε κυρίως με την βοήθεια εργαστηριακών δοκιμών διάβρωσης (περιορισμένου χρόνου - επιταχυνόμενες δοκιμές διάβρωσης). ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Για την κατασκευή των τσιμεντοκονιαμάτων χρησιμοποιήθηκε λευκό τσιμέντο τύπου Portland, η χημική σύσταση και οι ορυκτολογικές φάσεις του οποίου δίνονται στους πίνακες 1 και 2 αντίστοιχα. Πίνακας 1. Χημική σύσταση λευκού τσιμέντου Portland. CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SO 3 MgO K 2 O Na 2 O TiO 2 L.O.I CO 2 68.4 22.3 4.89 0.20 2.25 0.70 0.59 0.05 0.10 3.09 1.79 Πίνακας 2. Ορυκτολογικές φάσεις λευκού τσιμέντου Portland. C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF 68.4 22.3 4.89 0.20 Για την διεξαγωγή του πειράματος χρησιμοποιήθηκαν χαλύβδινοι οπλισμοί σκυροδέματος τύπου B500C, διαμέτρου Φ12 (διαμέτρου 12 mm) και ύψους 10 cm, η χημική σύσταση των οποίων παρουσιάζεται στον πίνακα 3 που ακολουθεί. Πίνακας 3. Χημική σύσταση χαλύβδινων οπλισμών τύπου B500C. C Μn P S Si Ni Cr Cu V Mo 0.18 0.99 0.0239 0.047 0.15 0.09 0.09 0.21 0.002 0.021 Ως αδρανή χρησιμοποιήθηκε πρότυπη άμμος AFNOR. Για την αύξηση της ανθεκτικότητας των τσιμεντοκονιαμάτων χρησιμοποιήθηκαν δύο είδη προσμίκτων, αυτό του αναστολέα διάβρωσης Ν,Ν-διμεθυλοναμίνη (DMEA) ((CH 3 ) 2 N-CH 2 -CH 2 -OH) και αυτό του μετακαολίνη, η χημική σύσταση του οποίου παρουσιάζεται στον πίνακα 4. 3
Πίνακας 4. Χημική σύσταση μετακαολίνη. CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SO 3 MgO K 2 O Na 2 O L.O.I 0.71 51.70 40.60 0.64 0.1 0.70 2.00 0.31 1.19 Προκειμένου να εξεταστεί η συμπεριφορά των διαφόρων τύπων τσιμεντοκονίας λευκού τσιμέντου έναντι της διάβρωσης σε περιβάλλον χλωριόντων και φυσικό, κατασκευάστηκαν δοκίμια οπλισμένης και άοπλης τσιμεντοκονίας τόσο με πρόσμικτο αναστολέα διάβρωσης σε ποσοστό 2% και 4% κ.ο στην συνολική ποσότητα νερού, όσο και πρόσμικτο μετακαολίνη σε ποσοστό 10% και 20% κ.β στην συνολική ποσότητα τσιμέντου. Οι λόγοι τσιμέντου / νερού / αδρανών ήταν 1/0.55/3 και 1/0.65/3. Για συγκριτικά αποτελέσματα, κατασκευάσθηκαν δοκίμια οπλισμένης τσιμεντοκονίας (δοκίμια αναφοράς) με τσιμέντο Portland (OPC) χωρίς πρόσμικτα στις προαναφερθείσες αναλογίες. Το μίγμα της τσιμεντοκονίας αφού αναμείχθηκε καλά, τοποθετήθηκε σε κυλινδρικά καλούπια, σχήμα 1. Η ωρίμανση των τσιμεντοκονιαμάτων πραγματοποιήθηκε σε θάλαμο για 24 ώρες, υπό σταθερές συνθήκες θερμοκρασίας Τ= 25 0 C και σχετικής υγρασίας RH > 98%. Στην συνέχεια τα δοκίμια εκτέθηκαν σε διαβρωτικό περιβάλλον μερικής εμβάπτισης 3.5% κ.β NaCl και στο φυσικό περιβάλλον της πολυτεχνειούπολης Ζωγράφου. Σχήμα 1. Απεικόνιση του κυλινδρικού δοκιμίου οπλισμένης τσιμεντοκονίας. Συνολικά τα δοκίμια χωρίστηκαν σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες: αναφοράς με τσιμέντο Portland με αναλογίες νερού / τσιμέντου 0.55 (RF55) και 0.65 (RF65), δοκίμια με λευκό τσιμέντο αναλογίες νερού / τσιμέντου 0.55 (WC55) και 0.65 (WC65), δοκίμια με λευκό τσιμέντο και αναστολέα διάβρωσης σε ποσοστό 2% κ.ο (WC2) και 4% κ.ο (WC4), με λευκό τσιμέντο και μετακαολίνη σε ποσοστό 10% κ.β (WC10) και 20% κ.β (WC20). Συνοπτικά οι κατηγορίες των πειραματικών δοκιμίων περιγράφονται στον πίνακα 5 που ακολουθεί. 4
Κατηγορίες Δοκιμίων 1 η Κατηγορία 2 η Κατηγορία 3 η Κατηγορία 4 η Κατηγορία Κωδικές Ονομασίες Πίνακας 5. Κατηγορίες πειραματικών δοκιμίων. Τσιμέντο OPC WC Μετακαολίνης Νερό Αναστολέας Διάβρωσης Αδρανή RF55 1 - - - 0.55 - - 3 RF65 1 - - - 0.65 - - 3 WC55-1 - - 0.55 - - 3 WC65-1 - - 0.65 - - 3 WC2-1 - - 0.51 0.02 3 WC4-1 - - 0.48-0.04 3 WC10-0.90 0.10-0.65 - - 3 WC20-0.80-0.20 0.65 - - 3 Η εκτίμηση της ανθεκτικότητας των δοκιμίων έναντι της διάβρωσης πραγματοποιήθηκε τόσο με μη καταστρεπτικές όσο και με καταστρεπτικές μεθόδους. Οι ηλεκτροχημικές, μη καταστρεπτικές μέθοδοι εκτίμησης της διάβρωσης που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: Μέτρηση του δυναμικού διάβρωσης ως προς ηλεκτρόδιο αναφοράς καλομέλανα SCE σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C876-87 Standard Method Test for Half- Cell Potentials of Reinforcing Steal in Concrete, προκειμένου να προσδιοριστεί η κατάσταση των οπλισμών των δοκιμίων, συναρτήσει του χρόνου έκθεσης τους στο διαβρωτικό περιβάλλον, μέσα στην τσιμεντοκονία. Μετρήσεις Γραμμικής Πόλωσης (LPR - Linear Polarization Resistance), για την εκτίμηση της πυκνότητας του ρεύματος διάβρωσης των οπλισμών (Icorr) των υπό εξέταση δοκιμίων σε περιβάλλον χλωριόντων, συναρτήσει του χρόνου έκθεσής τους. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν οι καταστρεπτικές μετρήσεις: Σταθμικός προσδιορισμός της απώλειας μάζας του δομικού χάλυβα μετά από συγκεκριμένο χρόνο έκθεσης στο διαβρωτικό περιβάλλον (3.5% κ.β NaCl ), για τον προσδιορισμό του ρυθμού διάβρωσης του στο τσιμεντοκονίαμα και κατά συνέπεια της εκτίμησης της ανθεκτικότητας των τσιμεντοκονιαμάτων στις περιβαλλοντικές συνθήκες της Ελλάδας, (ISO/DIS 8407.3) Procedures for removal of corrosion products from corrosion test specimen. Μετρήσεις βάθους ενανθράκωσης σύμφωνα με την μέθοδο RILEM CPC-18, για τον προσδιορισμό της ανθεκτικότητας των υπό εξέταση δοκιμίων στο διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας. Μετρήσεις πορώδους της τσιμεντοκονίας, με ποροσιμετρία υδραργύρου. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στα σχήματα 2, 3, που ακολουθούν παρουσιάζεται η % απώλεια μάζας του οπλισμού των τσιμεντοκονιαμάτων σε περιβάλλον χλωριόντων. 5
Σχήμα 2. Σύγκριση απώλειας μάζας των πειραματικών δοκιμίων (με λόγο νερό/τσιμέντο 0.65) με πρόσμικτο μετακαολίνη σε ποσοστό 10% και 20% κ.β στο λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Γενικά, η διάβρωση των μετάλλων είναι ένα ηλεκτροχημικό φαινόμενο το οποίο συνοδεύεται με μεταφορά φορτίου (ηλεκτρονίων) μεταξύ των παθητικών και ενεργών περιοχών του χάλυβα. Απουσία χλωριόντων, η ανοδική αντίδραση στην επιφάνεια του χάλυβα (οξείδωση διάλυση) καθορίζεται και ρυθμίζεται από την αναγωγή του οξυγόνου. Παρουσία χλωριόντων, αυτά αρχικά διαλύονται στο λεπτό στρώμα υγρασίας το οποίο δημιουργείται στην επιφάνεια του χάλυβα, ενώ παράλληλα αυξάνουν την αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη καταστρέφοντας έτσι το υπάρχων παθητικό στρώμα στην επιφάνεια του μετάλλου. Τα χλωριόντα ταυτόχρονα δρουν και ως καταλύτες στην απελευθέρωση των ιόντων σιδήρου (Fe 2+ ) μέσω σχηματισμού FeCl 2 προσροφόμενα ή διαχεόμενα μέσα στο στρώμα των οξειδίων. Έρευνες έχουν δείξει ότι ποσοστά χλωριόντων πάνω από 1Kg/m 2 σκυροδέματος με OPC μπορούν να προξενήσουν διάβρωση του οπλισμού. Σχήμα 3. Σύγκριση απώλειας μάζας των δοκιμίων (με λόγο νερό/τσιμέντο =0.55) με πρόσμικτο αναστολέα διάβρωσης σε ποσοστό 2% και 4% κ.ο στο νερό στα πειραματικά δοκίμια με λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. 6
Από το σχήμα 3 προκύπτει ότι η προσθήκη 2% και 4% κ.ο αναστολέα διάβρωσης μειώνει την διάβρωση των οπλισμών. Ακόμη είναι φανερό ότι η διάβρωση των οπλισμών στο τσιμέντο Portland είναι μεγαλύτερη από αυτή των οπλισμών στο λευκό τσιμέντο. Το παραπάνω ισχύει και για τους δύο λόγους νερού / τσιμέντου 0.55 και 0.65. Στα σχήματα 4 και 5, που ακολουθούν παρουσιάζεται η πυκνότητα ρεύματος του οπλισμού των τσιμεντοκονιαμάτων σε περιβάλλον χλωριόντων. Σχήμα 4. Σύγκριση πυκνότητας ρεύματος των πειραματικών δοκιμίων (με λόγο νερό/τσιμέντο 0.65) με πρόσμικτο μετακαολίνη σε ποσοστό 10% και 20% κ.β στο λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Σχήμα 5. Σύγκριση πυκνότητας ρεύματος των πειραματικών δοκιμίων (με λόγο νερό/τσιμέντο =0.55) με πρόσμικτο αναστολέα διάβρωσης σε ποσοστό 2% και 4% κ.ο στο νερό στα πειραματικά δοκίμια με λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. 7
Από τα σχήματα 4 και 5 προκύπτει ότι η πυκνότητα του ρεύματος διάβρωσης σε γενικές γραμμές ακολουθεί την πορεία της απώλειας μάζας. Στα σχήματα 6 και 7, που ακολουθούν παρουσιάζεται το δυναμικό διάβρωσης του οπλισμού των τσιμεντοκονιαμάτων σε περιβάλλον χλωριόντων. Σχήμα 6. Σύγκριση δυναμικού διάβρωσης των πειραματικών δοκιμίων με πρόσμικτο μετακαολίνη σε ποσοστό 10% και 20% κ.β στο λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Σχήμα 7. Σύγκριση δυναμικού διάβρωσης των δοκιμίων με πρόσμικτο αναστολέα διάβρωσης σε ποσοστό 2% και 4% κ.ο στο νερό στα πειραματικά δοκίμια με λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Από τα σχήματα του δυναμικού διάβρωσης προκύπτει: Τα δοκίμια που περιέχουν μετακαολίνη ξεκινούν από ηλεκτροθετικότερες τιμές σε σύγκριση με τα δοκίμια του λευκού τσιμέντου, οι οποίες μειώνονται και στις 180 ημέρες και κυμαίνονται μεταξύ -620 mv και -680 mv. Τα δοκίμια που έχουν αναστολέα διάβρωσης ξεκινούν αρχικά από χαμηλά ηλεκτραρνητικά δυναμικά. Στις 8
180 ημέρες τα δυναμικά έχουν αυξηθεί και κυμαίνονται μεταξύ -520 mv και 580 mv. Οι οπλισμοί των δοκιμίων καθόλη την διάρκεια της έκθεσής τους στο διαβρωτικό περιβάλλον, βρίσκονταν σε παθητική κατάσταση. Όσον αφορά στα δοκίμια που ήταν εκτεθειμένα στο φυσικό περιβάλλον της Πολυτεχνειούπολης Ζωγράφου, στα σχήματα 8 και 9 παρουσιάζεται η απώλεια μάζας των οπλισμών τους. Σχήμα 8. Σύγκριση απώλειας μάζας των πειραματικών δοκιμίων με πρόσμικτο μετακαολίνη σε ποσοστό 10% και 20% κ.β στο λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Σχήμα 9. Σύγκριση απώλειας μάζας των δοκιμίων με πρόσμικτο αναστολέα διάβρωσης σε ποσοστό 2% και 4% κ.ο στο νερό στα πειραματικά δοκίμια με λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Η προσθήκη τόσο του μετακαολίνη όσο και του αναστολέα διάβρωσης μειώνει την απώλεια μάζας των οπλισμών των δοκιμίων σε έκθεση στο φυσικό περιβάλλον. Η προσθήκη του μετακαολίνη δίνει μεγαλύτερα ποσοστά προστασίας από την προσθήκη αναστολέα διάβρωσης. 9
Στα σχήματα 10 και 11 που ακολουθούν παρουσιάζεται τα βάθος ενανθράκωσης της τσιμεντοκονίας συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Σχήμα 10. Σύγκριση βάθους ενανθράκωσης των πειραματικών δοκιμίων με πρόσμικτο μετακαολίνη σε ποσοστό 10% και 20% κ.β στο λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Σχήμα 11. Σύγκριση βάθους ενανθράκωσης των δοκιμίων με πρόσμικτο αναστολέα διάβρωσης σε ποσοστό 2% και 4% κ.ο στο νερό στα πειραματικά δοκίμια με λευκό τσιμέντο συναρτήσει του χρόνου έκθεσης. Από τα διαγράμματα του βάθους ενανθράκωσης προκύπτει: Το ποσοστό του βάθους ενανθράκωσης των δοκιμίων εμφανίζεται μειωμένο για τα δοκίμια που έχουν μικρότερο λόγο ν/τ όπως άλλωστε αναμένεται. Η προσθήκη του μετακαολίνη μείωσε επίσης το βάθος ενανθράκωσης. Ακόμη και η προσθήκη του αναστολέα διάβρωσης μείωσε το βάθος ενανθράκωσης λιγότερο όμως από τον μετακαολίνη. Γενικότερα, από τα σχήματα απώλειας μάζας 2, 3, 8 και 9 προκύπτει: Η απώλεια μάζας του οπλισμού των δοκιμίων εμφανίζεται μειωμένη όταν αντί τσιμέντου OPC χρησιμοποιηθεί λευκό τσιμέντο και για τους δύο λόγους νερού τσιμέντου 0.55 και 0.65 (ποσοστά μείωσης 40% και 29% αντίστοιχα). Στην 10
περίπτωση που μέρος τσιμέντου αντικαθίσταται με μετακαολίνη, το ποσοστό μείωσης αυξάνεται σε ποσοστό 64% για τα δοκίμια WC20 σε σχέση με τα WC65 σε περιβάλλον χλωριόντων για χρόνο έκθεσης 180 ημέρες. Στην περίπτωση που μέρος νερού αντικαθίσταται με αναστολέα διάβρωσης, τα δοκίμια με αναστολέα διάβρωσης 4% εμφανίζουν μείωση της απώλειας μάζας των οπλισμών σε ποσοστό 12% σε σχέση με τα WC55, στο προαναφερθέν διαβρωτικό περιβάλλον. Από τα σχήματα φαίνεται ότι παρόμοια προστατευτική δράση εμφανίζεται και για τα δοκίμια που εκτίθενται στο φυσικό περιβάλλον για το ίδιο χρονικό διάστημα με τα παραπάνω πρόσμικτα. Η απώλεια μάζας όμως των οπλισμών των δοκιμίων με μετακαολίνη σε ποσοστό 20% κ.β στις 180 ημέρες είναι μεγαλύτερη (ποσοστό μείωσης 47%) από τα αυτά με ποσοστό μετακαολίνη 10% κ.β (ποσοστό μείωσης 63%) σε σχέση με τα WC65. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στο γεγονός, ότι δεν έχει προλάβει να αντιδράσει όλη η ποσότητα μετακαολίνη με το Ca(OH) 2 του τσιμέντου, δεδομένου ότι η ποζολανική αντίδραση είναι αργή και η ποσότητα του μετακαολίνη μεγάλη (Σιόβα Ε, 2008). Προκειμένου να εξηγηθεί η προστατευτική δράση του μετακαολίνη μετρήθηκαν τα πορώδη των δοκιμίων με πορωσιμετρία υδραργύρου. Στον πίνακα 6 που ακολουθεί παρουσιάζεται το ολικό πορώδες και η μέση τιμή της τσιμεντοκονίας των δοκιμίων μετά από χρόνο έκθεσης 180 ημέρες στο φυσικό περιβάλλον. Πίνακας 6. Ολικό πορώδες και μέση τιμή διαμέτρου πόρων των πειραματικών δοκιμίων. Κατηγορίες πειραματικών δοκιμίων Ολικό πορώδες % Μέση τιμή διαμέτρου πόρων (μm) WC55 15.66 0.097 WC65 16.13 0.0125 WC2 16.73 0.0179 WC4 14.87 0.0115 WC10 13.63 0.007 WC20 15.15 0.00799 Από το ολικό πορώδες και την μέση τιμή της διαμέτρου των πόρων παρατηρείται ότι τα δοκίμια με λευκό τσιμέντο και λόγο ν/τ = 0.55 παρουσιάζουν μικρότερο πορώδες σε σχέση με αυτά με λόγο ν/τ= 0.65. Τα δοκίμια με πρόσμικτο μετακαολίνη εμφανίζουν μικρότερο πορώδες σε σχέση με αυτά που είχαν αναστολέα διάβρωσης αλλά και η μέση διάμετρος των πόρων ελαττώνεται. Επομένως, εξηγείται η μείωση του βάθους ενανθράκωσης από την μείωση και του πορώδους και της μείωσης της διαμέτρου των πόρων. Επίσης, εξηγείται η μείωση της απώλειας μάζας τόσο στη διάβρωση με χλωριόντα όσο και στο φυσικό περιβάλλον. Το μικρότερο πορώδες και η μείωση της μέσης διαμέτρου των πόρων δυσχεραίνει των διαβρωτικών συστατικών του περιβάλλοντος προς τον οπλισμό. Η συμβατότητα των κονιαμάτων με λευκό τσιμέντο και μετακαολίνη αναφέρεται στις εργασίες άλλων ερευνητών (Moropoulou A, 2000), (Bakolas A, 2006). Η προσθήκη αναστολέα διάβρωσης δεν μείωσε το πορώδες όπως ο μετακαολίνης, ούτε άλλωστε την μέση διάμετρο των πόρων. Όμως, η κύρια δράση του αναστολέα διάβρωσης οφείλεται σε άλλους λόγους. Η μείωση αυτή οφείλεται στην ικανότητα του αναστολέα να ροφάται στην επιφάνεια του χάλυβα και να εμποδίζει την προσέγγιση των χλωριόντων και του οξυγόνου στην επιφάνεια του (Batis G, 2003), (Gaidis J, 2004) με αποτέλεσμα την μείωση της απώλειας μάζας. Η προσθήκη όμως του αναστολέα, μείωσε και την ενανθράκωση έστω και σε μικρότερο ποσοστό από 11
τον μετακαολίνη. Η μείωση αυτή οφείλεται στην μικρή αύξηση της υδροφοβικότητας των πόρων του κονιάματος από τον αναστολέα διάβρωσης. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η μείωση του λόγου ν/τ οδήγησε στην μείωση της διάβρωσης των οπλισμών των δοκιμίων, λόγω μείωσης του πορώδους της τσιμεντοκονίας, π.χ το ποσοστό μείωσης, για λόγο ν/τ = 0.55, είναι 10% όσον αφορά στα δοκίμια που έχουν εκτεθεί σε περιβάλλον χλωριόντων και 6,67% στα δοκίμια που ήταν εκτεθειμένα στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον σε σύγκριση με αυτά που είχαν λόγο ν/τ = 0.65 για τον ίδιο χρόνο έκθεσης (180 ημέρες). Η προσθήκη αναστολέα διάβρωσης προστάτεψε τον οπλισμό των κονιαμάτων, π.χ το ποσοστό προστασίας είναι 12,59% όσον αφορά στα δοκίμια που έχουν εκτεθεί σε περιβάλλον χλωριόντων για ποσότητα αναστολέα διάβρωσης 4% κ.ο και χρόνο έκθεσης 180 ημέρες. Το ποσοστό προστασίας για τα δοκίμια που εκτέθηκαν στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον για 180 ημέρες, με 4% κ.ο αναστολέα διάβρωσης, ανέρχεται στο 47,37%. Η χρήση του μετακαολίνη στο λευκό τσιμέντο τύπου Portland οδήγησε σε μείωση της διάβρωσης των οπλισμών των δοκιμίων, π.χ το ποσοστό μείωσης είναι 69,56% για τα δοκίμια με 20%κ.β μετακαολίνη που εκτέθηκαν σε περιβάλλον χλωριόντων 180 ημέρες, και 47,37% για αυτά που εκτέθηκαν στο φυσικό περιβάλλον. Οι μειώσεις αυτές οφείλονται στην αντίδραση του μετακαολίνη με το Ca(OH) 2 του τσιμέντου, η οποία οδηγεί σε μείωση του πορώδους των τσιμεντοκονιαμάτων. Συγκεκριμένα όμως, για τα δοκίμια που ήταν εκτεθειμένα στο φυσικό περιβάλλον, αυτά που είχαν μεγαλύτερο ποσοστό μετακαολίνη (20% κ.β στο τσιμέντο) εμφανίζουν μεγαλύτερη διάβρωση των οπλισμών τους και ενανθράκωσης της τσιμεντοκονίας τους από ότι τα δοκίμια με ποσοστό μετακαολίνη 10% κ.β. Αυτό οφείλεται στον μικρό χρόνο έκθεσης (180 ημέρες) των δοκιμίων στο διαβρωτικό περιβάλλον, δεδομένου ότι η ποζολανική αντίδραση είναι αργή και ίσως ένα μέρος του μετακαολίνη λόγω της μεγάλης του ποσότητας, δεν αντέδρασε με το Ca(OH) 2 του τσιμέντου. ΑΝΑΦΟΡΕΣ A. Moropoulou, A. Bakolas, P. Moundoulas, P. Michailidis, Evaluation of compatibility between repair mortars and building materials in historic structures by the control of the microstructure of cement-based systems Concrete science and engineering, Vol.2, (2000) 191-195 A. Bakolas, E. Aggelakopoulou, A. Moropoulou, S. Anagnostopoulou, Evaluation of pozzolanic activity and physic-mechanical characteristics in metakaolin-lime pastes Journal of thermal analysis and calorimetry, Vol. 84 (2006) 157-163 Σκουλικίδης Θ, Μέθοδοι συντήρησης του Πεντελικού μαρμάρου, Επιτροπή Συντηρήσεως Μνημείων Ακροπόλεως, Αθήνα (2002) 6-13 G. Batis, P. Pantazopoulou, S. Tsivilis, E. Badogiannis, The effect of metakaolin on the corrosion behavior of cement mortars Cement and Concrete Compsites (2005) 125-130 12
G. Batis, E.Rakanta, Corrosion of steel reinforcement due to atmospheric pollution Cement and Concrete Composites (2005) 269-275 G. Batis, P. Pantazopoulou, A. Rotoulas, Corrosion protection investigation of reinforcement by inorganic coating in the presence of alkanolamine-based inhibitors Cement and Concrete Compsite (2003) 371-377 Σιόβα, Ε., «Ανθεκτικότητα κονιαμάτων αποκατάστασης με λευκό τσιμέντο - Δυνατοτητες προστασίας», Μεταπτυχιακή εργασία (υπό την επίβλεψη του Καθ. Γ. Μπατή), Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα (2008) James M. Gaidis, Chemistry of corrosion inhibitors Cement and Concrete Compsites (2004) 181-189 A.V. Girao, I.G. Richardson, G.B. Porteneuve, R.M.D. Brydson, Composition, morphology and nanostructure of C-S-H in white Portland cement pastes hydrated at 55 0 C Cement and Concrete Research (2007) 1571-1582 13