Self-healing cementitious materials

Abstract

This thesis presents a detailed experimental study on the self-healing behaviour of cementitious materials incorporating either crystalline admixtures (CAs) or nanomaterials (nMs), investigated independently to clearly define their individual contributions. The main objective was to examine how each system influences the hydration kinetics, microstructural development, crack closure, and the recovery of mechanical and durability properties under different curing/healing conditions.The research was conducted in two main phases. The first analyzed the effect of nanomaterials, nS (nano-silica) and nL (nano-calcium oxide) in cement pastes. Their impacts on fresh properties, acceleration/kinetic of hydration, modification in pore structure, early age strength gain and crack-healing/sealing efficiency were evaluated. Tests were conducted under two conditions: (a) continuous tap water immersion and (b) cyclic wet-dry exposures to represent idealized and realistic exposure scenarios, respectively. An additional second phase evaluated 3 commercially available CAs with cement pastes, mortars and concretes produced with two types of cements. Their effects on hydration processes, on formation of crystals and densification due to microstructure were investigated as well as their potential to close cracks and to decrease permeability over long curing times, over one year. The effectiveness of the healing on both stages was tested by visual and microscopic crack observation, water absorption/water permeability and chloride penetration tests as well as compressive strength recovery tests. Microstructure and chemistry were characterized by SEM/EDS, XRD, TGA, ATR. It was shown that nanomaterials accelerated hydration, densified pore structure and improved early strength while their sustaining healing effect depended on curing conditions. However, CAs demonstrated strong potential for long-term crack sealing and permeability reduction especially under cyclic wet-dry exposure where the continuous growth of insoluble crystalline products (healing agents) in cracks and pores was observed. A significant part of this work was based on the use of advanced monitoring and analytical techniques to characterize in detail the self-healing mechanisms. Crack initiation and propagation was also nondestructively monitored, image based analysis was used to quantitatively measure the change in surface area and microstructural characterisation techniques such as SEM/EDS, XRD, TGA, ATR & nanoidentation were utilised to identify healing products and phases in ITZ. Moreover, these analyses were all adjusted to perform a more quantitative investigation of healing performance at depth as well as improved insight into the fundamental self-healing mechanism. This thesis offers a clear and original contribution to the study of self-healing cementitious materials by providing a direct, side-by-side evaluation of two major healing strategies under identical conditions. The findings not only improve the understanding of the holistic mechanisms that enable self-healing but also provide practical understanding for choosing and applying these technologies to enhance durability and extend the service-life of the concrete structures.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μία λεπτομερή πειραματική μελέτη για τη συμπεριφορά αυτοΐασης τσιμεντοειδών υλικών που τροποποιήθηκαν είτε με κρυσταλλικά πρόσθετα είτε με νανοϋλικά, τα οποία διερευνήθηκαν ανεξάρτητα, ώστε να προσδιοριστεί με σαφήνεια η συμβολή του καθενός. Ο κύριος στόχος ήταν η εξέταση του τρόπου με τον οποίο κάθε σύστημα επηρεάζει την κινητική της ενυδάτωσης, την ανάπτυξη της μικροδομής, το κλείσιμο ρωγμών και την αποκατάσταση την μηχανικών ιδιοτήτων καθώς και της ανθεκτικότητας υπό διαφορετικές συνθήκες συντήρησης/ίασης.Η έρευνα πραγματοποιήθηκε σε δύο κύριες φάσεις. Η πρώτη εξέτασε τα νανοϋλικά, με έμφαση στο νανο-πυρίτιο (nS) και το νανο-οξείδιο του ασβεστίου (nL) σε τσιμεντοκονίες. Μελετήθηκαν οι επιδράσεις τους στις ιδιότητες του νωπού μίγματος, στην θερμότητα ενυδάτωσης, στην τροποποίηση της δομής των πόρων, στην αύξηση της πρώιμης μηχανικής αντοχής και στην ικανότητα αυτοΐασης/σφράγισης των ρωγμών. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε δύο συνθήκες: συνεχή εμβάπτιση σε νερό βρύσης και κυκλικές συνθήκες ύγρανσης-ξήρανσης, ώστε να προσομοιωθούν ιδανικές και πιο ρεαλιστικές συνθήκες έκθεσης/ίασης. Η δεύτερη φάση εξέτασε τρία εμπορικά διαθέσιμα κρυσταλλικά πρόσμικτα σε τσιμεντοκονίες, κονιάματα και σκυροδέματα, τα οποία παρασκευάστηκαν με δύο τύπους τσιμέντου. Μελετήθηκε η επίδρασή τους στις διεργασίες ενυδάτωσης, στον σχηματισμό κρυστάλλων και στην πυκνότητα της μικροδομής, καθώς και η ικανότητά τους να σφραγίζουν ρωγμές και να μειώνουν τη διαπερατότητα για μεγάλα χρονικά διαστήματα, διάρκειας έως ενός έτους. Η αξιολόγηση της απόδοσης αυτοΐασης και στις δύο φάσεις περιλάμβανε οπτική και μικροσκοπική παρακολούθηση ρωγμών, δοκιμές απορρόφησης νερού, διαπερατότητας νερού, διείσδυσης χλωριόντων και αποκατάστασης θλιπτικής αντοχής. Οι αλλαγές στην χημική σύσταση και στη μικροδομή αναλύθηκαν με SEM/EDS, XRD, TGA και ATR. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα νανοϋλικά ενίσχυσαν την πρώιμη ενυδάτωση, βελτίωσαν τη δομή των πόρων και αύξησαν την πρώιμη αντοχή, αν και η μακροχρόνια ικανότητά τους για αυτοΐαση διέφερε ανάλογα με τις συνθήκες συντήρησης. Αντίθετα, τα κρυσταλλικά πρόσμικτα εμφάνισαν υψηλή ικανότητα μακροχρόνιας σφράγισης ρωγμών και μείωσης της διαπερατότητας, ιδιαίτερα υπό κυκλικές συνθήκες ύγρανσης-ξήρανσης, λόγω της συνεχούς δημιουργίας αδιάλυτων κρυσταλλικών προϊόντων (παραγόντων ίασης) εντός των ρωγμών και των πόρων. Ένα σημαντικό μέρος της διατριβής αφορούσε την εφαρμογή προηγμένων μεθόδων παρακολούθησης και ανάλυσης για τη λεπτομερή μελέτη των μηχανισμών αυτοΐασης. Χρησιμοποιήθηκαν μη καταστρεπτικές τεχνικές για την παρακολούθηση της έναρξης και εξέλιξης των ρωγμών, ανάλυση μέσω εικόνας για την ακριβή μέτρηση των μεταβολών της επιφάνειας, καθώς και τεχνικές χαρακτηρισμού μικροδομής όπως SEM/EDS, XRD, TGA, ATR και νανοδιείσδυση (nanoindentation) για τον εντοπισμό των προϊόντων ίασης και των φάσεων στη ζώνη μετάβασης (ITZ). Οι μέθοδοι αυτές προσαρμόστηκαν ώστε να επιτρέπουν πιο ποσοτική εκτίμηση της απόδοσης αυτοΐασης σε βάθος, οδηγώντας σε καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών ίασης. Η διατριβή προσφέρει μία σαφή και πρωτότυπη συμβολή στη μελέτη των αυτοϊάσιμων τσιμεντοειδών υλικών, παρέχοντας άμεση, συγκριτική αξιολόγηση δύο κύριων μεθόδων αυτοΐασης υπό ίδιες συνθήκες. Τα ευρήματα όχι μόνο ενισχύουν τη συνολική κατανόηση των μηχανισμών που επιτρέπουν την αυτοΐαση, αλλά και προσφέρουν πρακτική καθοδήγηση για την επιλογή και εφαρμογή αυτών των τεχνολογιών, με στόχο τη βελτίωση της ανθεκτικότητας και την παράταση της διάρκειας ζωής των κατασκευών από σκυρόδεμα.