Διερεύνηση και ερμηνεία της επίδρασης του ασβεστόλιθου στην ανθεκτικότητα δομικών υλικών σε περιβάλλον θειικών ιόντων

Abstract

The subject of this Ph.D. dissertation is durability of limestone cement pastes, mortars and concretes exposed to sulfate attack. ccording to the European Standards, the addition of limestone in cement is allowed up to 35% (EN 197-1, 2000). Concrete made from limestone cement may exhibit a lack of durability due to the formation of thaumasite. This work deals with the factors affecting thaumasite formation in cement mortars and particularly the limestone content, the curing conditions and the type of sand used. In addition, the effect of natural pozzolana, fly ash, ground granulated blastfurnace slag (ggbs) and metakaolin on the thaumasite formation in limestone cement is examined.Paste, mortar and concrete specimens were prepared using Portland cement, Portland limestone cements and limestone cement containing natural pozzolana, fly ash, ground granulated blastfurnace slag or metakaolin. Mortar and concrete specimens were prepared using either calcareous or siliceous sand. The specimens were immersed in 1.8% w/w magnesium sulfate solution at 5oC and 25oC and their performance was studied by means of visual inspection, mass measurements, ultrasonic pulse velocity measurements and strength tests,. The formation of thaumasite was checked and confirmed by means of analytical techniques (XRD, TG-DTG, SEM). As it is concluded specimens containing limestone, either as sand or as main cementitious constituent, are susceptible to the thaumasite form of sulfate attack at low temperature. The rate of thaumasite formation is greater, the higher the limestone content. Thaumasite formation is accompanied by the formation of brucite and secondary gypsum, as well as by the consumption of portlandite. It must be noted, that even specimens with no limestone addition, suffer from the thaumasite form of attack at low temperature. The use of specific mineral replacements retards the thaumasite formation.. All specimens show better performance when they are immersed in sulfate solution at higher age. Mortar and concrete specimens incorporating calcareous sand show better resistance than specimens containing siliceous sand. Finally, no damage was observed in the specimens exposed to sulfate solution at 25oC. It seems that conventional sulfate attack, at ambient temperature, is much slower than thaumasite-kind of sulfate attack, at low temperature.

Σύμφωνα με τους νέους Ευρωπαϊκούς κανονισμούς, επιτρέπεται η παραγωγή και χρήση ασβεστολιθικών τσιμέντων με περιεχόμενο ασβεστόλιθο έως και 35% (ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1, 2000). Το πρόβλημα που σχετίζεται με τη χρήση του ασβεστόλιθου ως κύριου συστατικού του τσιμέντου και/ή ως αδρανούς στο σκυρόδεμα είναι η ενδεχόμενη σημαντική απώλεια ανθεκτικότητας του σκυροδέματος λόγω της επίδρασης των θειικών ιόντων και του σχηματισμού του ταουμασίτη (thaumasite) ως προϊόντος φθοράς. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη των παραγόντων οι οποίοι επιδρούν στη δημιουργία του ταουμασίτη. Συγχρόνως, διερευνάται η χρήση πρόσθετων συστατικών για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας των ασβεστολιθικών τσιμέντων. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής παρασκευάστηκαν πάστες, κονιάματα και σκυροδέματα αμιγούς τσιμέντου Portland και ασβεστολιθικού τσιμέντου. Παράλληλα, παρασκευάστηκαν δοκίμια με αντικατάσταση μέρους του ασβεστολιθικού τσιμέντου Portland από φυσική ποζολάνη, ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνου και μετακαολίνη. Τα δοκίμια εμβαπτίστηκαν σε διάλυμα 1.8% κ.β. MgSO4 στους 5οC και 25oC. Ο σχηματισμός του ταουμασίτη πιστοποιήθηκε και επιβεβαιώθηκε με αναλυτικές τεχνικές (XRD, TG-DTG, SEM), ενώ οι επιπτώσεις του στην ανθεκτικότητα των υλικών εκτιμήθηκαν με οπτική επιθεώρηση, μετρήσεις μάζας, ταχύτητας υπερήχων και αντοχής σε θλίψη. Προέκυψε ότι τα δομικά υλικά τα οποία περιέχουν ασβεστόλιθο παρουσιάζουν μειωμένη ανθεκτικότητα σε περιβάλλον θειικών ιόντων και χαμηλές θερμοκρασίες (5οC). Η προσβολή από θειικά ιόντα είναι μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα του συνδετικού υλικού σε ασβεστόλιθο. Το κύριο προιόν της φθοράς είναι ο ταουμασίτης (CaCO3.CaSO4.CaSiO3.15H2O). Η χρήση ποζολανικών υλικών μαζί με τα ασβεστολιθικά τσιμέντα, μπορεί να συμβάλλει στην αντιμετώπιση του προβλήματος. Προέκυψε ακόμη ότι τα δομικά υλικά τα οποία εκτέθηκαν σε προχωρημένη ηλικία ωρίμανσης στο διαβρωτικό περιβάλλον στους 5οC παρουσιάζουν ενισχυμένη ανθεκτικότητα έναντι της προσβολής από θειικά ιόντα. Στα δομικά υλικά χωρίς ασβεστολιθικό τσιμέντο παρατηρήθηκε προσβολή από θειικά ιόντα και σχηματισμός ταουμασίτη σε χαμηλές θερμοκρασίες (5οC). Κονιάματα και σκυροδέματα με ασβεστολιθικά τσιμέντα και ασβεστολιθική άμμο παρουσιάζουν καλύτερη ανθεκτικότητα έναντι των θειικών ιόντων και του σχηματισμού του ταουμασίτη από τα δομικά υλικά με πυριτική άμμο. Τέλος, κανένα σημάδι φθοράς δεν εντοπίστηκε τόσο σε κονιάματα όσο και σε σκυροδέματα τα οποίασυντηρήθηκαν στο διαβρωτικό περιβάλλον στους 25οC.