Αξιοποίηση εναλλακτικών λεπτομερών υλικών και προηγμένων μεθόδων σχεδιασμού στη σύνθεση αυτοσυμπυκνούμενου κονιάματος και σκυροδέματος

Abstract

Self-compacting concrete (SCC) is a special type of high-performance concrete characterized by excellent filling and passing ability, capable of compacting sufficiently under its own weight and rheological behavior alone. In the context of this PhD thesis, the effect of alternative fine materials was evaluated in mixtures of SCC and self-compacting mortars (SC mortars) with decreased environmental footprint. Specifically, six alternative fine filler materials were studied, including two key by-products of the cement industry: Cement Kiln Dust (CKD) and By-Pass filter Dust (BPD). Additionally, Residuals of perlite Mining (RoM) were used either after further processing (thermal expansion or grinding) or in their raw state, along with the pumice powder. As a reference fine filler material, conventional marble powder of two particle size distributions was employed. The aforementioned fillers were characterized in terms of their physical properties and reactivity, and were subsequently incorporated into SC mortar and SCC mixtures. These mixtures were initially designed based on the optimum packing density of the aggregates and then modified to meet rheological performance and durability criteria. Furthermore, as a complementary tool for mix design and the evaluation of self-compacting mixtures, a predictive model for the rheological behavior of SC mortar was developed using artificial neural networks (ANN). Each SCC and SC mortar mixture was assessed for its rheological performance through a series of tests capable of fully characterizing their self-compacting ability and stability. To evaluate the mechanical and physical properties of the SCC compositions, tests for compressive and flexural strength, modulus of elasticity, tensile strength, and drying shrinkage were conducted. Additionally, their durability was examined through tests of high-temperature resistance, water permeability, porosity, capillary absorption, chloride diffusion, carbonation, and reinforcement corrosion. Particular emphasis was placed on freeze-thaw resistance, with evaluations of mass loss and ultrasonic pulse velocity changes. The microporosity before and after testing was analyzed via mercury intrusion porosimetry (MIP) and scanning electron microscopy (SEM). To further enhance durability, additional SCC mixtures were designed incorporating metakaolin (MK) as a supplementary cementitious material. The use of alternative fine filler materials combined with reduced cement content led to the development of high-performance mixtures with improved sustainability indicators.

Το αυτοσυμπυκνούμενο σκυρόδεμα (ΑΣΣ) είναι ένας ειδικός τύπος σκυροδέματος υψηλής επιτελεστικότητας που χαρακτηρίζεται από εξαιρετική ικανότητα πλήρωσης και διέλευσης και δύναται να συμπυκνωθεί επαρκώς, αποκλειστικά μέσω του ίδιου βάρους του και της ρεολογικής του συμπεριφοράς. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, αξιολογήθηκε η χρήση εναλλακτικών λεπτομερών υλικών, σε συνθέσεις ΑΣΣ και αυτοσυμπυκνούμενου κονιάματος (ΑΣΚ), μειωμένου περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Ειδικότερα, μελετήθηκαν έξι εναλλακτικά λεπτόκοκκα πληρωτικά υλικά (ΛΠΥ), συμπεριλαμβανομένων δύο κύριων παραπροϊόντων της βιομηχανίας παραγωγής τσιμέντου, της σκόνης αποκονίωσης περιστροφικής καμίνου (Cement Kiln Dust, CKD) και της σκόνης αποκονίωσης της βαλβίδας παράκαμψης της περιστροφικής καμίνου (By-Pass filter Dust, BPD). Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε το απορριπτέο κλάσμα του περλίτη (Residuals of perlite Mining, RoM) είτε έπειτα από επιπλέον κατεργασία (θερμική διόγκωση ή άλεση) είτε χωρίς, όπως, επίσης και το λεπτό κλάσμα της κίσσηρης. Ως ΛΠΥ αναφοράς χρησιμοποιήθηκε συμβατική μαρμαρόσκονη δύο κοκκομετρικών διαβαθμίσεων. Τα προαναφερθέντα ΛΠΥ χαρακτηρίστηκαν ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες και τη δραστικότητά τους και, κατόπιν, ενσωματώθηκαν σε συνθέσεις ΑΣΚ και ΑΣΣ. Οι εν λόγω συνθέσεις, αρχικώς, σχεδιάστηκαν βάσει της βέλτιστης πυκνότητας στοίβαξης των αδρανών και, εν συνεχεία, τροποποιήθηκαν υπό όρους ρεολογικής απόδοσης και ανθεκτικότητας, ενώ παράλληλα, δημιουργήθηκε, ως συμπληρωματικό εργαλείο της μελέτης σύνθεσης και της αξιολόγησης αυτοσυμπυκνούμενων μιγμάτων, ένα μοντέλο πρόβλεψης της ρεολογικής συμπεριφοράς ΑΣΚ με χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων (ΤΝΔ). Κάθε σύνθεση ΑΣΣ και ΑΣΚ αξιολογήθηκε ως προς τη ρεολογική συμπεριφορά με μία σειρά δοκιμών ικανών να χαρακτηρίσουν πλήρως τα μίγματα ως προς την ικανότητα αυτοσυμπύκνωσης και τη σταθερότητά τους. Για την αξιολόγηση των μηχανικών και των φυσικών ιδιοτήτων των συνθέσεων ΑΣΣ πραγματοποιήθηκαν δοκιμές θλιπτικής και καμπτικής αντοχής, μέτρου ελαστικότητας, εφελκυστικής αντοχής και συστολής ξήρανσης. Επιπλέον, εξετάστηκε η ανθεκτικότητά τους μέσω δοκιμών αντίστασης σε υψηλές θερμοκρασίες, υδατοπερατότητας, πορώδους, τριχοειδούς απορρόφησης, διείσδυσης χλωριόντων, ενανθράκωσης και διάβρωσης οπλισμού. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην αντίσταση σε κύκλους ψύξης-απόψυξης, με αξιολόγηση της απώλειας μάζας και της μεταβολής της ταχύτητας διέλευσης υπερήχων. Το μικροπορώδες πριν και μετά τη δοκιμή αναλύθηκε μέσω ποροσιμετρίας υδραργύρου (MIP) και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Για την περαιτέρω βελτίωση της ανθεκτικότητας παρασκευάστηκαν, επίσης, μίγματα ΑΣΣ με χρήση μετακαολίνη (ΜΚ) ως συμπληρωματικό τσιμεντοειδές υλικό. Η χρήση εναλλακτικών ΛΠΥ και το μειωμένο περιεχόμενο τσιμέντου οδήγησαν στον σχεδιασμό μιγμάτων υψηλής επιτελεστικότητας και συγχρόνως, αναβαθμισμένων δεικτών αειφορίας.