Internal curing of concrete using highly absorptive normal weight aggregates

Abstract

Το βασικότερο αρνητικό αποτέλεσμα της ενυδάτωσης του τσιμέντου είναι η συρρίκνωση του υλικού. Οι λόγοι οι οποίοι συντελούν σε αυτό το φαινόμενο είναι πολλοί και αλληλένδετοι. Στις περιπτώσεις όπου το τσιμέντο ενυδατώνεται χωρίς να επηρεάζεται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, οι βασικότεροι μηχανισμοί συρρίκνωσης είναι η χημική και η αυτογενής. Η χημική συρρίκνωση οφείλεται στο γεγονός ότι τα παραγόμενα προϊόντα της ενυδάτωσης καταλαμβάνουν μικρότερο όγκο από τον αρχικό. Το φαινόμενο αυτό δεν μπορεί να επηρεαστεί μακροσκοπικά και έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία εσωτερικών πόρων στο υλικό. Στις περιπτώσεις όπου ο λόγος νερού/τσιμέντου είναι χαμηλός, η αυτοξήρανση του υλικού σε συνδυασμό με την χημική συρρίκνωση αποτελούν τους βασικότερους μηχανισμούς συρρίκνωσης ενώ στις περιπτώσεις όπου ο λόγος νερού/τσιμέντου είναι ψηλός και το υλικό είναι εκτεθειμένο σε ψηλή θερμοκρασία ή χαμηλή υγρασία, η εξάτμιση του εσωτερικού νερού προκαλεί συστολή ξήρανσης η οποία προκαλεί διαφορικές τάσεις στην μάζα του υλικού που ενδέχεται να προκαλέσουν ρηγμάτωση. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να μελετήσει τους μηχανισμούς που προκαλούν τη συρρίκνωση στο υλικό και να εκτιμήσει κατά πόσο οι μηχανισμοί αυτοί μπορούν να εξουδετερωθούν ή να αντισταθμιστούν με την χρήση της αυτοσυντήρησης. Η αυτοσυντήρηση είναι μια ευρέως γνωστή μέθοδος η οποία έχει ως σκοπό την παροχή νερού από το εσωτερικό του υλικού ώστε να αποφευχθεί το φαινόμενο της αυτοξήρανσης και να ενισχυθεί η ενυδάτωση. Η αυτοξήρανση αναπτύσσεται λόγω έλλειψης ικανοποιητικής ποσότητας νερού που απαιτείται για την ενυδάτωση. Το βασικότερο φαινόμενο το οποίο κυριαρχεί στους τριχοειδείς πόρους ενός τσιμεντοειδούς υλικού είναι η πτώση της πίεσης. Η πτώση της πίεσης οφείλεται στην ξήρανση των πόρων και στο περιορισμένο δίκτυο πόρων το οποίο δεν επιτρέπει την εξισορρόπηση της εσωτερικής πίεσης του υλικού με την ατμοσφαιρική πίεση. Ο μηχανισμός αυτός συντείνει στην συρρίκνωση του υλικού. Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη του συγκεκριμένου μηχανισμού καθιστά εφικτή την αυτοσυντήρηση καθώς παράλληλα αναπτύσσεται ένας μηχανισμός ρόφησης. Η μέθοδος της αυτοσυντήρησης έχει αναπτυχθεί και ερευνηθεί σε μεγάλο βαθμό κατά την προηγούμενη δεκαετία. Οι βασικότερες μέθοδοι αυτοσυντήρησης οι οποίες πλέον έχουν χρησιμοποιηθεί και σε πραγματικές κατασκευές, είναι η χρήση υπεραπορροφητικών πολυμερών και η χρήση κορεσμένων ελαφροαδρανών. Οι δύο μέθοδοι αναλύονται και περιγράφονται στην παρούσα διατριβή. Κάποιοι παράγοντες οδηγούν στην ανάγκη διερεύνησης μιας τρίτης εναλλακτικής μεθόδου. Ένας εκ των πιο σημαντικών παραγόντων είναι η ευαισθησία του υλικού σε σχέση με τη δοσολογία, το μέγεθος αλλά και την ποιότητα του εκάστοτε μέσου αυτοσυντήρησης που χρησιμοποιείται. Εξίσου σημαντικός παράγοντας είναι η μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της ανθεκτικότητας του παραγόμενου σκυροδέματος. Με σκοπό την διερεύνηση μιας καινούργιας μεθόδου αυτοσυντήρησης, εξετάστηκε η πιθανότητα χρήσης ασβεστολιθικών αδρανών που παράγονται στην Κύπρο. Ένα από τα βασικότερα χαρακτηριστικά των αδρανών στην Κύπρο είναι η υψηλή τους απορροφητικότητα. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην εκμετάλλευση του συγκεκριμένου χαρακτηριστικού με σκοπό την μεταφορά νερού στην μάζα του υλικού, το οποίο σε πρώτο χρόνο δεν θα συμμετάσχει στην ενυδάτωση αλλά θα χρησιμοποιηθεί σε δεύτερο χρόνο για τη διατήρηση της εσωτερικής πίεσης σε υψηλά επίπεδα με σκοπό τη μείωση της συρρίκνωσης και επιπρόσθετα την ενίσχυση του βαθμού ενυδάτωσης του τσιμέντου. Τα αποτελέσματα απέδειξαν την ικανότητα των αδρανών υψηλής απορροφητικότητας να προσφέρουν αυτοσυντήρηση στο σκυρόδεμα μειώνοντας την αυτογενή συρρίκνωση με σημαντικό θετικό αντίκτυπο στις μηχανικές ιδιότητες και την ανθεκτικότητα του υλικού. Η συγκεκριμένη εφαρμογή αποδείχτηκε εξίσου αποτελεσματική στις περιπτώσεις όπου συμβατικά μίγματα σκυροδέματος είχαν εκτεθεί στο περιβάλον για χρονική διάρκεια ενός έτους. Κατά την συγκεκριμένη περίοδο, εκτός από τις ψηλές θερμοκρασίες, τα μίγματα είχαν υποστεί ψηλές διακυμάνσεις θερμοκρασιών μεταξύ ημέρας και νύκτας. Παρόλα αυτά, τα μίγματα τα οποία είχαν παραχθεί με αδρανή υψηλής απορροφητικότητας είχαν επιδείξει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και ανθεκτικότητα σε σχέση με μίγματα που συντηρήθηκαν στο νερό και κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες μέσα στο εργαστήριο. Τέλος με σκοπό την ολοκληρωμένη εξακρίβωση του μηχανισμού αυτοσυντήρησης, συγκεκριμένα μίγματα δοκιμάστηκαν σε μετρήσεις υγρασίας και ποροσιμετρίας υδραργύρου. Για τις μετρήσεις υγρασίας είχε χρησιμοποιηθεί υγρασιόμετρο από το εμπόριο και ταυτόχρονα εξετάστηκε η ανάπτυξη δύο καινοτόμων μετρητών υγρασίας με την χρήση ηλεκτρικής αντίστασης και οπτικών ινών. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων υγρασίας έδειξαν ξεκάθαρη διαφοροποίηση των αυτοσυντηρούμενων μιγμάτων η οποία επιβεβαιώνει περαιτέρω την ανάπτυξη του μηχανισμού, ενώ οι εφαρμογές μέτρησης της υγρασίας έδωσαν υποσχόμενα αποτελέσματα ως προς την επιτυχή λειτουργία των αισθητήρων. Τα αποτελέσματα της ποροσιμετρίας υδραργύρου επιβεβαίωσαν την δράση του μηχανισμού αυτοσυντήρησης.

Cement hydration and particle flocculation are responsible for concrete solidification. Several physiochemical mechanisms are activated from the moment cement comes in contact with water until the material becomes solid. An ideal maturing period for concrete would be a stress-free situation. However, it is almost impossible for concrete to maintain the same volume from during its early-age. Several mechanisms will develop differential volume variations within the structure of the material which will yield in stress development. Since the material in the early-age will not be able to develop adequate strength, it will crack due to these stresses. The most prominent effect that may cause material damage during the early age is shrinkage. Shrinkage may be classified in various forms, based on the source that causes it. For instance, autogenous shrinkage is mainly caused due to the insufficient quantity of water (low w/c) for cement hydration (self-desiccation) and the fact that the hydration products occupy less space than the raw materials (chemical shrinkage). In addition, a saturated concrete element along with insufficient curing will be the main reasons for the development of differential stress within the materials mass due to drying shrinkage. The objective of this thesis is to develop an internal curing approach which will focus on reducing these volume variations in order to prevent early-age cracking. Attention was given on delivering additional water within the materials’ structure using existing constituents of the mixture. Highly absorptive normal weight aggregates were employed to deliver water for internal curing within the materials’ structure. The results showed that the employment of highly absorptive normal weight aggregates as internal curing agents in concrete mixtures with low w/c ratio was highly efficient in reducing self-desiccation and consequently autogenous shrinkage. The internal curing was efficient in reducing the detrimental effect, on both mechanical properties and durability, of concrete mixtures exposed to adverse environmental conditions, including high temperature and high temperature variations. The method of internal curing was also successfully utilized in concrete mixtures with recycled aggregates. Finally, in order to verify the action and the effect of the mechanism of internal curing, relative humidity and mercury intrusion porosimeter experiments were conducted on specific mixtures. For the relative humidity measurements, two innovative sensors were developed (electrical and optical fiber) and compared to commercial moisture sensors. The results of the developed sensors were very promising whereas the internally cured mixtures showed a humidity retainment within its matrix, which is a direct proof of internal curing action. The mercury intrusion porosimeter experiments verified the effectiveness of the internal curing mechanism and also helped towards clarifying the pore range where the internal curing mechanism acted most prominently.