Optimized lime-based mortars for use in vernacular and contemporary architecture

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη διερεύνηση σύνθετων υλικών με βάση τον ασβέστη και την παραδοσιακή τεχνολογία παραγωγής, αλλά με βελτιωμένες φυσικομηχανικές ιδιότητες και ανθεκτικότητα. Τα νέα αυτά σύνθετα υλικά, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σκοπούς συντήρησης/αποκατάστασης στην παραδοσιακή αρχιτεκτονική, αλλά και για σύγχρονες κατασκευές, έτυχαν βελτιστοποίησης μέσω της χρήσης πρόσθετων υλικών, τα οποία οδήγησαν σε ενίσχυση των πρώιμων αντοχών τους, της διαδικασίας ενανθράκωσης ή των θερμικών τους ιδιοτήτων. Σε αυτή τη μελέτη, διερευνάται η επίδραση της νανοπυριτίας στις πρώιμες ιδιότητες υδραυλικών ασβεστοκονιαμάτων, όταν αυτή χρησιμοποιείται σε αντικατάσταση της κονίας σε διαφορετικά ποσοστά. Τα αποτελέσματα δοκιμών προσδιορισμού της θλιπτικής αντοχής καταδεικνύουν ψηλότερες τιμές. Αυτές οφείλονται στην επίδραση των νανο-σωματιδίων, και συγκεκριμένα στη δημιουργία επιπρόσθετων υδραυλικών ενώσεων, που οδηγούν ταυτόχρονα σε πυκνότερη μικροδομή (όπως επιβεβαιώνεται με παρατηρήσεις ηλεκτρονικής μικροσκοπίας). Επιπρόσθετα, διερευνάται ο χρόνος κατά τον οποίο παραμένει ενεργό ένα διάλυμα νανοπυριτίας, μέσω δοκιμών φυσικομηχανικών ιδιοτήτων σε υδραυλικά κονιάματα. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι το χρονικό διάστημα που μπορεί να αποθηκευτεί το συγκεκριμένο διάλυμα, χωρίς να απωλέσει τις ιδιότητές του, είναι πέριξ των 12 μηνών. Αυτό μπορεί να συμβάλει στην εμπορική εκμετάλλευση αυτού του διαλύματος για βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων έτοιμων, προαναμεμιγμένων ξηρών σύνθετων υλικών με βάση τον ασβέστη. Μελετάται περεταίρω η χρήση νανοσωματιδίων (μετά από μηχανική άλεση) ολιβινικού βασάλτη και λατομικών αποβλήτων δολερίτη, ως πρόσθετα σε επιχρίσματα με βάση τον αερικό ασβέστη, προκειμένου να ενισχυθούν οι διεργασίες ενανθράκωσης των σύνθετων αυτών υλικών. Η δυνατότητα δέσμευσης άνθρακα και η αποτελεσματική αντίδραση των πιο πάνω νανοσωματιδίων με το CO2, τα καθιστούν δραστικά στην ενίσχυση της διαδικασίας ενανθράκωσης των αερικών ασβεστοκονιαμάτων και οδηγούν σε βελτιστοποιημένα επιχρίσματα με ικανότητα δέσμευσης και αποθήκευσης CO2. Πιλοτική εφαρμογή των προαναφερθέντων επιχρισμάτων σε υποστρώματα με διαφορετικά χαρακτηριστικά καταδεικνύουν ενισχυμένη ενανθράκωση σε τοιχοποιίες από φυσική πέτρα, όπως αυτό αποδεικνύεται μέσω ορυκτολογικών αναλύσεων με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και θερμικών αναλύσεων TGA/DTA, σε συνδυασμό με παρατηρήσεις ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM). Στην παρούσα διατριβή μελετάται, επίσης, η επίδραση της προσθήκης εμπορικά διαθέσιμων νανο-ενθυλακωμένων Υλικών Αλλαγής Φάσης (ΥΑΦ) στις θερμικές και φυσικομηχανικές ιδιότητες ασβεστοκονιαμάτων. Τα αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι τα ΥΑΦ έχουν τη δυνατότητα να μειώσουν τη θερμική αγωγιμότητα/διάχυση και να αυξήσουν την θερμοχωρητικότητα των ασβεστοκονιαμάτων. Παρόλο που γενικά καταγράφονται χαμηλότερες τιμές αντοχής για τα σύνθετα υλικά με ΥΑΦ, ωστόσο σημειώνεται θετική επίδραση στη θλιπτική αντοχή σύνθετων υλικών με αερικό ασβέστη. Τα τελικά προϊόντα παρουσιάζουν επίσης υψηλότερο πορώδες και μειωμένες τιμές φαινόμενης πυκνότητας. Ωστόσο, ο συντελεστής τριχοειδούς απορροφητικότητάς τους παρουσιάζει σημαντική μείωση. Αυτό επιδρά θετικά στην ανθεκτικότητα των πιο πάνω τροποποιημένων υλικών έναντι της κρυστάλλωσης αλάτων. Στην παρούσα μελέτη, οι μη πρότυπες μικρο-καταστρεπτικές τεχνικές προσδιορισμού της αντοχής σε χαραγή και διάτρηση χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό μιας ευρείας γκάμας ασβεστοκονιαμάτων, που έχουν επίσης υποβληθεί σε τυποποιημένες εργαστηριακές δοκιμές προκειμένου να προσδιοριστούν οι μηχανικές τους ιδιότητες. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τη δυνατότητα της δοκιμής αντίστασης σε χαραγή για την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων σύνθετων υλικών με βάση τον ασβέστη. Η εν λόγω δοκιμή εξετάζεται περαιτέρω με επιτυχία ως προς τον χαρακτηρισμό ιστορικών ασβεστοκονιαμάτων. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε περιπτώσεις μνημείων, όπου η δειγματοληψία είναι περιορισμένη και οι υπάρχουσες τυποποιημένες τεχνικές δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Με βάση τα διάφορα μείγματα που εξετάζονται στην παρούσα διατριβή, και χρησιμοποιώντας την τροποποιημένη μέθοδο Developed Digital Logic (DDL), προτείνονται συγκεκριμένες συνθέσεις για (i) εξωτερικά επιχρίσματα με βελτιστοποιημένες θερμικές ιδιότητες, και (ii) κονιάματα δόμησης με βελτιστοποιημένες πρώιμες αντοχές. Και στις δύο περιπτώσεις, η μέθοδος που χρησιμοποιείται οδηγεί σε σύνθετα υλικά που ικανοποιούν συγκεκριμένες προδιαγραφές και απαιτήσεις. Αναμένεται ότι τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής θα διευρύνουν την υφιστάμενη γνώση και θα συνεισφέρουν δυναμικά στην ανάπτυξη νέων βελτιστοποιημένων υλικών με βάση τον ασβέστη από ερευνητές και επαγγελματίες. Με αυτό τον τρόπο, θα συνεισφέρουν στην αναβίωση του ενδιαφέροντος για χρήση ασβεστοκονιαμάτων, τόσο κατά τη συντήρηση/αποκατάσταση παραδοσιακών κατασκευών, όσο και στη σύγχρονη αρχιτεκτονική.

The present thesis aims at the investigation of composite lime-based materials, produced based on the traditional production technology, albeit with improved physico-mechanical properties and durability. The new composites, which are fit for use both for conservation purposes in vernacular architecture and for contemporary structures, are optimized with additives which lead to the enhancement of their early-age strength, carbonation kinetics or thermal performance. In this study, the effect of nano-SiO2, when used as a replacement to the binder at various percentage contents, on the early-age properties of hydraulic lime mortars is investigated. Mechanical tests carried out to assess the impact of this nano-additive on the composites under investigation demonstrate higher compressive strength values; this is attributed to the formation of additional hydraulic compounds, which results in a denser microstructure (as has been confirmed by SEM observations). The investigation of the shelf life of dispersed nano-SiO2 is also evaluated through physico-mechanical property tests on hardened hydraulic lime mortars. The results suggest that the time for which the dispersion may be stored, without losing its properties, is approximately 12 months. This finding is useful for the commercialization of the nano-SiO2 dispersion hereby used. The use of ball-milled olivine basalt and dolerite quarry waste materials as additives in hydrated lime-based renders, in order to enhance their carbonation kinetics, is further evaluated. The high carbon sequestration potential of the aforementioned additives, along with their efficacy in reacting with CO2, renders them effective in enhancing the carbonation process and the CO2 uptake of the lime-based composites hereby studied. This, eventually, leads to lime-based composites with carbon capture and storage potential. Pilot application of the hardened end-products on substrates of diverse characteristics demonstrate enhanced carbonation on a stone substrate; this is confirmed through powder XRD and thermal (TGA/DTA) analyses, complimented with SEM observations. The effect of the addition of commercial microencapsulated Phase Change Materials (PCMs) on the thermal and physico-mechanical properties of lime-based plasters is also been studied. The results obtained suggest that PCMs have the potential to reduce the thermal conductivity/diffusivity and increase the specific heat capacity of the hardened end-products. Even though lower values of strength are generally recorded for the PCM-enhanced composites, a positive impact on the compressive strength of hydrated lime composites is noted. The end-products further demonstrate higher porosity and reduced density. Nevertheless, their capillary absorption coefficient is significantly reduced; this affects positively the long-term durability performance of the modified composites against salt crystallization. The present research extends to the application of non-standardized micro-destructive scratching and drilling tests for the mechanical characterization of a wide collection of laboratory designed and produced lime-based mortars that have also been subjected to relevant standardized laboratory tests. The results provide sound linear correlations between the outcomes of the micro-destructive scratching technique and the compressive and flexural strength of the mortars studied; this proves the potential of the scratch tool in assessing the mechanical properties of lime-based mortars. The scratch tool is further successfully exploited for the evaluation of the mechanical properties of historic lime mortar fragments. This is of utmost importance for historic lime mortars and it is expected to help in overcoming limitations in sampling that may arise during the study of these materials in monuments and vernacular heritage buildings, besides providing useful information on their mechanical properties Based on the various mix designs developed in the present thesis, and using the Developed Digital Logic (DDL) modified weighting property method, specific proposals are made for (i) renders with enhanced thermal behavior for exterior applications, and (ii) masonry jointing mortars with improved early-age mechanical strength. In both aforementioned case-study scenarios, the method adopted leads to the selection of composites that satisfy prescribed functional requirements. It is anticipated that the outcomes of the present study will extend existing research knowledge and will contribute towards the development of new optimized lime-based materials by both researchers and practitioners. In doing so, they will assist in regenerating interest in the introduction and use of lime mortars in both the conservation of vernacular architecture and the construction of contemporary structures.