Fire behavior of alkali-activated material (AAM) systems with applications in the retrofitting of masonry walls and the construction of new AAM-based reinforced concrete elements

Abstract

As climate change effects become more severe the importance of taking actions to reduce it becomes clearer. The construction sector is a big player in the fight against climate change sue to the high CO2 contributions of around 1.28 billion a year [1]. The production of Portland cement alone contributes to 5 % - 8 % of total global emissions [2]. Alkali-activated materials represent an alternative to the use of Portland cement due to the lower carbon emissions attributed to their productions and the value of reutilization of by-products that otherwise would end up in landfills. This research is focused on identifying and characterizing the mechanical and fire behavior of an alkali-activated material mix design for civil engineering applications. This thesis shows the reader the journey to develop an alkali-activated mix starting at the paste level, passing through the mortar design phase and arriving at the concrete design phase. The mix designs were later tested for structural applications and the main conclusions reported. The first Chapter introduces alkali-activated materials, their role as alternative binders is described and their benefits highlighted. This Chapter gives the reader an overview of this research document, the methodology used and the objectives of this research. In Chapter 2 an introduction to the effect of fire in structures is provided. This Chapter also contains a literature review of alkali-activated materials exposed to fire. Chapter 3, 4 and 5 describe the methodology and results associated with the production of an optimal paste, mortar and concrete. The mix designs produced corresponded to the optimal formulations based on alkali-activated material and with the goal to enhance mechanical properties and fire behavior. Chapter 6 describes the testing procedure and results of an experimental campaign where 18 historical masonry walls were reinforced with textile reinforced alkali-activated mortar, exposed to fire and after tested in diagonal compression to determine residual shear strength. Chapter 7 tests the residual post fired behavior of two concrete slabs corresponding to high strength concrete and an alkali-activated concrete of equivalent strength. Two control specimen results are also provided and a comparison of results of the four specimens is reported. Chapter eight summarizes the conclusions of the project and recommendations for future research. This project was successful in fine tuning mix designs to produce alkali-activated materials with fire resistant capabilities and the verification of these mixes in medium and large-scale structural members tests. Key conclusions obtained from this project are provided below: Mixture design of experiment was successfully used to determine the optimal balance of ferronickel slag, silica fume, potassium hydroxide and potassium silicate. The paste produced was characterized by compressive and flexural strengths of 80 MPa and 6.8 MPa, respectively. The post heat exposure (to 900 °C for 2h) compressive strength dropped by 80% and the flexural strength was reduced almost by 100%. It was noted that low post heat exposure properties were related to cracking damage, which was expected to be much lower after the inclusion of fine aggregate in the mortar phase. Carbon emissions savings when compared to ordinary Portland cement (OPC) paste were found to be about 90% when the ferronickel slag was considered a waste material and 55 % when it was taken as a by-product. The optimal combination of water sand and the previously developed optimal binder was studied using the same methodology. The results indicated a much higher retention of mechanical properties after adding fine aggregate. Compressive strength reduction (after exposure to 900 °C for 2h) was 75%, while a 25% increase of flexural strength was observed. It is important to mention that his mortar was optimized for flexural strength to achieve a better bond behavior as it was intended as a basis for textile reinforced mortar (TRM) applications. CO2 savings corresponded to 77% compared to OPC-based similar products. Optimization of aggregate sizes for the concrete recipe was carried out and the optimal mix resulted in 38% of post heat exposure (600 °C for 2h) compressive strength. The CO2 savings corresponded to 77% compared to a similar product based on OPC. The optimal mortar recipe was tested for application in strengthening applications of masonry walls and the post fire behavior was studied. An average increase of about 255% in peak in-plane shear strength in the case of one layer, and 330% in the case of carbon textile alkali activated mortar reinforcement was observed. Peak shear strength remained high even after exposure to 550 °C. The residual strength was found to increase at least 200% and 290% for the one- and two-layer systems at both temperature levels. Four-point bending tests executed on four concrete slabs, two of alkali-activated concrete and two of high strength concrete (one for control and one for post heat exposure residual strength), indicated a similar load bearing capacity of all configurations. While the ultimate load remained similar, the deformation behavior had a higher variation in the Portland cement slabs. A pseudo-ductility coefficient was calculated and the values indicated a 0.1% drop of ductility for the alkali-activated concrete slab, while a 34% drop in deformation capacity was observed in the high strength concrete slab. Overall, the produced alkali-activated material construction products showed a high reduction in CO2 emissions when compared to the Portland cement counterparts and also demonstrated a comparable or even better performance than typical existing products after exposure to high temperatures.

Καθώς οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής γίνονται πιο σοβαρές, η σημασία της λήψης μέτρων για τη μείωσή της γίνεται πιο σαφής. Ο κατασκευαστικός τομέας αποτελεί έναν σημαντικό παίκτη στη μάχη κατά της κλιματικής αλλαγής λόγω των υψηλών συνεισφορών διοξειδίου του άνθρακα, περίπου 1,28 δισεκατομμύρια τον χρόνο [1]. Η παραγωγή τσιμέντου Portland μόνο της συμβάλλει στο 5% - 8% των συνολικών παγκόσμιων εκπομπών [2]. Τα υλικά με ενεργοποίηση αλκαλικών αντιπροσωπεύουν μια εναλλακτική λύση στη χρήση του τσιμέντου Portland λόγω των χαμηλότερων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα που αποδίδονται στην παραγωγή τους και της αξίας της επαναχρησιμοποίησης των υποπροϊόντων που αλλιώς θα κατέληγαν σε χωματερές. Αυτή η έρευνα επικεντρώνεται στον προσδιορισμό και τον χαρακτηρισμό της μηχανικής και πυραντικής συμπεριφοράς μιας σύνθεσης υλικού με ενεργοποίηση αλκαλικών για εφαρμογές στην πολιτική μηχανική. Αυτή η διατριβή δείχνει στον αναγνώστη το ταξίδι για την ανάπτυξη μιας σύνθεσης με ενεργοποίηση αλκαλικών, ξεκινώντας από το επίπεδο της πάστας, περνώντας από τη φάση σχεδιασμού του σοβά και φτάνοντας στη φάση σχεδιασμού του σκυροδέματος. Τα σχέδια σύνθεσης δοκιμάστηκαν αργότερα για δομικές εφαρμογές και αναφέρονται τα κύρια συμπεράσματα. Το πρώτο κεφάλαιο εισάγει τα υλικά με ενεργοποίηση αλκαλικών, περιγράφεται ο ρόλος τους ως εναλλακτικών συνδετικών και τα πλεονεκτήματά τους. Αυτό το κεφάλαιο δίνει στον αναγνώστη μια επισκόπηση του εγγράφου έρευνας, της μεθοδολογίας που χρησιμοποιήθηκε και των στόχων αυτής της έρευνας. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο παρέχεται μια εισαγωγή στην επίδραση της φωτιάς στις κατασκευές. Αυτό το κεφάλαιο περιλαμβάνει επίσης μια ανασκόπηση της βιβλιογραφίας για τα υλικά με ενεργοποίηση αλκαλικών που έχουν εκτεθεί σε πυρκαγιά. Τα Κεφάλαια 3, 4 και 5 περιγράφουν τη μεθοδολογία και τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή μιας βέλτιστης πάστας, σοβά και σκυροδέματος. Τα σχέδια σύνθεσης αντιστοιχούσαν στις βέλτιστες συνθέσεις βασισμένες σε υλικά με ενεργοποίηση αλκαλικών με στόχο την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων και την πυραντική συμπεριφορά. Το Κεφάλαιο 6 περιγράφει τη διαδικασία δοκιμών και τα αποτελέσματα μιας πειραματικής εκστρατείας όπου 18 ιστορικοί τοίχοι ενισχύθηκαν με υφασμάτινο ενισχυμένο σοβά με ενεργοποίηση αλκαλικών, εκτέθηκαν σε πυρ και έπειτα δοκιμάστηκαν σε διαγώνια συμπίεση για τον καθορισμό της κατάλοιπης αντοχής στον ξεσκίσιμο. Το Κεφάλαιο 7 ελέγχει την κατάσταση της καταλοίπου μετά την έκθεση σε φωτιά για δύο σοβά, ένα υψηλής αντοχής και ένα με ενεργοποίηση αλκαλικών ισχύος. Παρέχονται επίσης τα αποτελέσματα δύο ελεγχόμενων δειγμάτων και αναφέρεται μια σύγκριση των αποτελεσμάτων των τεσσάρων δειγμάτων. Το Κεφάλαιο οκτώ περιλαμβάνει τα συμπεράσματα του έργου και τις συστάσεις για μελλοντικές έρευνες. Αυτό το έργο ήταν επιτυχές στο να βελτιστοποιήσει τα σχέδια σύνθεσης για την παραγωγή υλικών με ενεργοποίηση αλκαλικών με δυνατότητες αντίστασης στη φωτιά και στον έλεγχο αυτών των συνθέσεων σε δοκιμές μεσαίας και μεγάλης κλίμακας δομικών μελών. Κύρια συμπεράσματα που προήλθαν από αυτό το έργο παρέχονται παρακάτω:Το σχέδιο μίγματος πειραμάτιων χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για τον καθορισμό της βέλτιστης ισορροπίας του σλαγκ φερρονικελίου, πυρίτιου, υδροξείδιου καλίου και πυριτίου καλίου. Η πάστα που παράχθηκε χαρακτηρίστηκε από συνοχή συνεπαγόμενης και επικαμπτικής αντοχής 80 MPa και 6.8 MPa, αντίστοιχα. Η συνολική αντοχή σε συμπίεση μετά τη θερμική έκθεση (στους 900 °C για 2 ώρες) μειώθηκε κατά 80%, ενώ η επικαμπτική αντοχή μειώθηκε σχεδόν κατά 100%. Σημειώθηκε ότι οι χαμηλές ιδιότητες μετά τη θερμική έκθεση σχετίζονταν με ζημιές από ρωγμές, τις οποίες αναμενόταν να είναι πολύ χαμηλότερες μετά την περίληψη λεπτού ανακυκλώσιμου υλικού στη φάση του σοβά. Οι εξοικονομήσεις σε εκπομπές CO2 σε σύγκριση με την συνήθη πάστα τσιμέντου Portland (OPC) ανήλθαν στο περίπου 90% όταν το σλαγκ φερρονικελίου θεωρήθηκε ως απόβλητο υλικό και 55% όταν θεωρήθηκε ως υποπροϊόν. Η βέλτιστη συνδυασμένη αναλογία νερού και άμμου, με το προηγουμένως αναπτυγμένο βέλτιστο συνδετικό, μελετήθηκε με την ίδια μεθοδολογία. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια πολύ υψηλότερη διατήρηση των μηχανικών ιδιοτήτων μετά την προσθήκη λεπτού ανακυκλώσιμου υλικού. Η μείωση της αντοχής σε συμπίεση (μετά από έκθεση στους 900 °C για 2 ώρες) ήταν 75%, ενώ παρατηρήθηκε αύξηση 25% στην επικαμπτική αντοχή. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτός ο σοβάς βελτιστοποιήθηκε για την επικαμπτική αντοχή για να επιτύχει καλύτερη συμπεριφορά δεσμού, καθώς προοριζόταν ως βάση για εφαρμογές ενισχυμένου μορτέλου με υφασμάτινη ενίσχυση (TRM). Οι εξοικονομήσεις CO2 αντιστοιχούσαν στο 77% σε σύγκριση με παρόμοια προϊόντα βασισμένα σε OPC. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση των μεγεθών των αδρανών για τον συνδυασμό σκυροδέματος και το βέλτιστο μείγμα οδήγησε σε 38% της μετα-θερμικής έκθεσης (600 °C για 2 ώρες) σε συνολική αντοχή σε συμπίεση. Οι εξοικονομήσεις CO2 αντιστοιχούσαν στο 77% σε σύγκριση με παρόμοιο προϊόν βασισμένο σε OPC. Το βέλτιστο συνταγματικό μορτέλο δοκιμάστηκε για εφαρμογή στην ενίσχυση των εφαρμογών των τοίχων με λάδι και μελετήθηκε η μετα-πυρακτική συμπεριφορά. Παρατηρήθηκε μια μέση αύξηση περίπου 255% στην ακριβή αντοχή στον ξεσκίσιμο επίπεδης επιφάνειας στην περίπτωση ενός στρώματος και 330% στην περίπτωση του ενισχυμένου μορτέλου αλκαλικών με άνθρακα. Η αντοχή στον ξεσκίσιμο παρέμεινε υψηλή ακόμα και μετά την έκθεση στους 550 °C. Βρέθηκε ότι η καταλοίπου αντοχή αυξήθηκε τουλάχιστον κατά 200% και 290% για τα συστήματα με ένα και δύο στρώματα σε και τις δύο θερμοκρασίες. Δοκιμές κάμψης με τέσσερις σημεία πραγματοποιήθηκαν σε τέσσερις πλάκες σκυροδέματος, δύο από αλκαλικό σκυρόδεμα και δύο από υψηλής αντοχής σκυρόδεμα (μία για έλεγχο και μία για την καταλοίπου αντοχή μετά από θερμική έκθεση), έδειξαν μια παρόμοια χωρητικότητα φόρτωσης για όλες τις διαμορφώσεις. Ενώ η τελική φόρτωση παρέμεινε παρόμοια, το συμπεριφερόμενο παραμόρφωσης είχε μεγαλύτερη ποικιλία στις πλάκες τσιμέντου Portland. Υπολογίστηκε ένα ψευδο-ελαστικό συντελεστής και οι τιμές έδειξαν μια μείωση 0.1% στην ελαστικότητα για την πλάκα αλκαλικού σκυροδέματος, ενώ παρατηρήθηκε μια πτώση 34% στην ικανότητα παραμόρφωσης στην πλάκα υψηλής αντοχής. Συνολικά, τα παραγόμενα κατασκευαστικά προϊόντα αλκαλικού σκυροδέματος έδειξαν υψηλή μείωση στις εκπομπές CO2 σε σύγκριση με τα αντίστοιχα προϊόντα τσιμέντου Portland και επίσης κατέδειξαν μια συγκρίσιμη ή ακόμα και καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με τα τυπικά υπάρχοντα προϊόντα μετά από έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες.