Μελέτη νέων σύνθετων υλικών και μεθόδων για την αποκατάσταση κατασκευών σκυροδέματος προσβληθέντων από χλωριόντα

Abstract

Even though concrete structures are considered as durable, some structures deteriorate due to severe environmental conditions during the service life. Chloride ions, originating from deicing salts or seawater, are the primary cause of reinforcing steel corrosion in highways and marine or coastal structures. Also, in urban and industrial areas, where environmental pollution results in a significant concentration of carbon dioxide, carbonation - initiated reinforcement corrosion prevails. In order to counteract the problems that the environmental factors cause, new materials and methods that enhance structure’s durability must be developed and applied during the building or/and the repair of concrete structures. The aim of this thesis is to estimate how the use of supplementary cementitious materials and formwork liners enhance the durability of concrete structures against chloride and carbon dioxide penetration. Microconcretes (simulated concrete without the coarse aggregates) with different types of Supplementary Cementitious Materials (Metakaolin, Nanosilica) and different types of cement (CEM I 52.5N, CEM II / B–M (P-W) 42.5N) were produced and their durability against chloride and carbon dioxide penetration tested. Metakaolin and nanosilica used in different percentages to substitute partially the cement amount in microconcrete. Also, microconcrete specimens were prepared using wooden moulds with and without Controlled Permeability Formwork (CPF) liners and their surface properties and durability were tested. The properties and the durability of microconcretes produced with different types of sand (sand from crushed limestone, river silica sand) were also tested. Also, CPF liners and microconcretes produced with cement type CEM II / B–M (P-W) 42.5N, metakaolin and nanosilica were used for concrete repair. The durability of concrete before and after repair estimated using experimental and theoretical (Chloride penetration mathematical simulation) methods. Finally, the durability of microconcretes subjected to an Electrokinetic Nanoparticle (EN) treatment was estimated. The experimental and theoretical results obtained from this study led to the significant conclusion that the use of supplementary cementitious materials as partially substitutes (in an optimal content) of cement and the use of CPF liners enhances the durability (lower chloride diffusion coefficient, lower carbonation, higher compressive strength) of concrete structures, either using these materials during structure development or structure repair. Also, from the experimental results of this study it can be concluded that Electrokinetic Nanoparticle treatment enhances concrete durability by developing a denser and less porous microstructure. Finally, the experimental results of this study show that the different type of sand (sand from crushed limestone, river silica sand) doesn’t affect significantly the properties of microconcretes.

Η διάβρωση του οπλισμού των κατασκευών σκυροδέματος εξαιτίας της ύπαρξης χλωριόντων και διοξειδίου του άνθρακα στο περιβάλλον περιορίζει σημαντικά το χρόνο ζωής των κατασκευών. Η αντιμετώπιση του φαινομένου απαιτεί συχνές επισκευές των κατασκευών, γεγονός το οποίο αυξάνει κατά πολύ το κόστος συντήρησής τους. Στις Η.Π.Α. το ετήσιο κόστος για την επισκευή αποκλειστικά και μόνο των γεφυρών που έχουν υποστεί φθορά λόγω διάβρωσης του οπλισμού υπολογίζεται περίπου στα 8.3 δισεκατομμύρια δολάρια. Προκειμένου ν’ αντιμετωπιστεί αυτό το πολύ σημαντικό πρόβλημα, ένα μεγάλο μέρος της έρευνας έχει εστιάσει στην ανάπτυξη νέων υλικών και μεθόδων, η εφαρμογή των οποίων δύναται να βελτιώσει τις ιδιότητες και την ανθεκτικότητα των κατασκευών σκυροδέματος απέναντι στα στοιχεία του περιβάλλοντος. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης που δύναται να έχει η εφαρμογή νέων σύνθετων υλικών και μεθόδων κατά την επισκευή (ή/και ανέγερση) κατασκευών σκυροδέματος στις ιδιότητες και κυρίως στην ανθεκτικότητα αυτών απέναντι στη διείσδυση χλωριόντων και διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας. Κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η επίδραση του τύπου των αδρανών στις ιδιότητες κονιαμάτων. Παρασκευάστηκαν κονιάματα με διαφορετικούς τύπους άμμου (Ασβεστολιθική, Πυριτική) και διαφορετικούς λόγους Νερό/Τσιμέντο (Ν/Τ) και εκτιμήθηκε η διαπερατότητα χλωριόντων, η θλιπτική αντοχή και η ενανθράκωση των κονιαμάτων αυτών για διάφορες ηλικίες συντήρησης. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση της εφαρμογής Συμπληρωματικών Τσιμεντοειδών Υλικών (Μετακαολίνης, Nanosilica) ως υλικά αντικατάστασης μέρους του τσιμέντου στις ιδιότητες (διαπερατότητα χλωριόντων, θλιπτική αντοχή, ενανθράκωση, ηλεκτρική αγωγιμότητα) και τη μικροδομή κονιαμάτων. Ακόμη μελετήθηκε η επίδραση των καλουπιών ελεγχόμενης διαπερατότητας στις ιδιότητες κονιαμάτων όπως η διαπερατότητα χλωριόντων, η επιφανειακή απορρόφηση, η επιφανειακή σκληρότητα, η ενανθράκωση και η ταχύτητα διάδοσης υπερήχων. Εκτιμήθηκε επίσης, με πειραματικό και θεωρητικό τρόπο, η ανθεκτικότητα επισκευασμένου σκυροδέματος απέναντι στη διείσδυση χλωριόντων. Η επισκευή του σκυροδέματος πραγματοποιήθηκε με κονιάματα (μικροσκυροδέματα) τα οποία περιείχαν συμπληρωματικά τσιμεντοειδή υλικά και με καλούπια ελεγχόμενης διαπερατότητας. Τέλος, μελετήθηκε μέσω μετρήσεων διαπερατότητας χλωριόντων η δυνατότητα ενίσχυσης με εφαρμογή ηλεκτροκινούμενων νανοϋλικών της ανθεκτικότητας των κατασκευών σκυροδέματος απέναντι στη διείσδυση χλωριόντων.