Παραγωγή σύνθετων τσιμέντων Πόρτλαντ: μελέτη φυσικοχημικών ιδιοτήτων και ανθεκτικότητας των παραγόμενων κονιαμάτων και σκυροδεμάτων

Abstract

The main target of this PhDs thesis is the production of blended cements having properties within the limits of certain specifications and also to produce mortars and concretes with the desirable physicochemical properties and durability. The PhD thesis is separated into two experimental sections: a) production of blended cements with separate grinding of their main constituents, during which the performance of binary and quaternary blended cements was originally evaluated and b) production of blended cements with co grinding of their main constituents during which the performance of several quaternary blended cements was studied so that the interactions between different materials could be determined. In order to study the synergy between different materials for mathematical equations capable to describe mechanical properties and durability of mortars and concrete was essential. In this way an empirical mathematic model was created from which useful conclusions were derived and also cements, mortars and concrete quality could be predicted and controlled. The above mentioned experimental investigation leaded to important conclusions that are summarized below. Firstly, it was feasible to produce blended cements having the forecasted by the standards physicochemical properties and also concrete and mortars with the desirable durability. Based on the study of hydration kinetics using Nuclear Magnetic Resonance (NMR) it was obvious that the other, besides clinker, main constituents have a filling effect and also modify cement pastes microstructure even at nanolevel, increasing compressive strength. On the other hand, other, besides clinker, main constituent’s reaction with water is limited especially in early ages. Quaternary blended cement and concrete made with them are selected as the best against all aspects of durability. Microstructure characteristics (total porosity and critical pore radius) were connected to compressive strength and it was proved that reducing porosity compressive strength increases. It was also proved that only the rate of carbonation from the aspects of durability is proportional to microstructures characteristics. On the contrary durability against chloride penetration depends also on the binging capacity of cements main constituents while expansion due to sulfate attack is affected by pore size distribution. Ultrasounds were used as a non destructive technique of building materials and their experimental results were connected proportionally to the mechanical and physicochemical properties of cement. Using the conclusion of the research it was possible to create appropriate equations that effectively describe quaternary blended cements properties. Using these equations it was possible to map quaternary blended cements, mortars and concrete properties and understand deeply the synergy of the different constituents in the composite material.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η παραγωγή σύνθετων τσιμέντων με ιδιότητες που να καλύπτουν τις προδιαγραφές καθώς και η παραγωγή κονιαμάτων και σκυροδεμάτων με επιθυμητές φυσικοχημικές ιδιότητες και ανθεκτικότητα. Η διατριβή χωρίζεται σε δύο βασικές πειραματικές ενότητες: α) την παραγωγή σύνθετων τσιμέντων με ανάμειξη κατά την οποία έγινε μια πρώτη αξιολόγηση της συμπεριφοράς των διαφορετικών διμερών και τετραμερών σύνθετων τσιμέντων και β) την παραγωγή τετραμερών σύνθετων τσιμέντων με συνάλεση κατά την οποία έγινε αξιολόγηση πολλών τετραμερών σύνθετων τσιμέντων με σκοπό να προσδιοριστεί πως διαφορετικά υλικά λειτουργούν με συνέργια δίνοντας το βέλτιστο αποτέλεσμα. Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος αυτός θεωρήθηκε επιβεβλημένη η ανάπτυξη μαθηματικών εξισώσεων που να περιγράφουν τόσο τις μηχανικές ιδιότητες όσο και την ανθεκτικότητα κονιαμάτων και σκυροδεμάτων. Δημιουργήθηκε με αυτό τον τρόπο ένα εμπειρικό μαθηματικό μοντέλο κατάλληλο για την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων αλλά και την πρόβλεψη και τον έλεγχο της ποιότητας των τσιμέντων, κονιαμάτων και σκυροδεμάτων. Από την πειραματική διερεύνηση προέκυψαν σημαντικά τα παρακάτω συμπεράσματα. Hταν εφικτή η παραγωγή σύνθετων τσιμέντων με τις προβλεπόμενες από τα πρότυπα φυσικοχημικές ιδιότητες και σκυροδεμάτων και κονιαμάτων με την επιθυμητή ανθεκτικότητα. Από τη μελέτη της κινητικής της ενυδάτωσης με πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR) έγινε εμφανές ότι τα άλλα εκτός του κλίνκερ κύρια συστατικά δρουν ως πληρωτικά υλικά και δρουν ακόμα και σε επίπεδο νανοδομής ενισχύοντας την αντοχή σε θλίψη. Από την άλλη πλευρά, αντίδραση των άλλων εκτός του κλίνκερ συστατικών με το νερό γίνεται σε μικρό βαθμό ειδικά σε πρώιμες ηλικίες. Τα τετραμερή σύνθετα τσιμέντα και τα σκυροδέματα που προέκυψαν από αυτά επιλέχθηκαν ως τα βέλτιστα, έναντι όλων των συνιστωσών της ανθεκτικότητας. Συνδέθηκαν τα χαρακτηριστικά της μικροδομής της πάστας τσιμέντου (ολικό πορώδες και κρίσιμη ακτίνα πόρων) με την αντοχή σε θλίψη και αναδείχτηκε το γεγονός ότι αυτή καθ’ αυτή η μείωση του πορώδους αυξάνει τη θλιπτική αντοχή. Από τις συνιστώσες της ανθεκτικότητας αποδείχθηκε ότι μόνο η ενανθράκωση είναι αποκλειστικά ανάλογη των χαρακτηριστικών της μικροδομής. Αντίθετα, η ανθεκτικότητα έναντι χλωριόντων εξαρτάται πολύ από τη δεσμευτική ικανότητα των συστατικών του τσιμέντου ενώ η διόγκωση λόγω προσβολής από θειικά ιόντα επηρεάζεται από την κατανομή μεγέθους πόρων. Χρησιμοποιήθηκαν οι υπέρηχοι ως μια μη καταστρεπτική μέθοδος ελέγχου των δομικών υλικών και συνδέθηκαν ευθέως τα αποτελέσματά της με τις μηχανικές και φυσικοχημικές ιδιότητες του τσιμέντου. Βάσει των συμπερασμάτων της έρευνας κατέστη δυνατή η δημιουργία κατάλληλων εξισώσεων οι οποίες περιγράφουν αποτελεσματικά τις ιδιότητες των τετραμερών σύνθετων τσιμέντων. Μέσω των παραπάνω εξισώσεων έγινε χαρτογράφηση των τετραμερών σύνθετων τσιμέντων, κονιαμάτων και σκυροδεμάτων με βάση τις ιδιότητες τους κάτι που βοηθάει στην κατανόηση σε βάθος της συνέργιας των διαφορετικών συστατικών μέσα στο σύνθετο υλικό.