Επίδραση των κύριων συστατικών σύνθετων τσιμέντων στη συμπεριφορά τους σε υψηλές θερμοκρασίες
Authors: Μπενέκης Βασίλειος 
Published: September 2021

Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται μια συνεχώς αυξανόμενη τάση για τη χρησιμοποίηση και άλλων υλικών στην παραγωγή τσιμέντου, εκτός από τα βασικά στοιχεία του, το κλίνκερ και το γύψο, καθώς τα σύνθετα τσιμέντα παρουσιάζουν αναμφισβήτητα βελτιωμένες ιδιότητες. Το Ευρωπαϊκό Πρότυπο EN 197–1 (2000) ορίζει ως σύνθετα τσιμέντα, τα τσιμέντα Τύπου II τα οποία μπορεί να περιέχουν διάφορα πρόσθετα υλικά σε συγκεντρώσεις 6% έως 35%, όπως ποζολάνες, ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνου και ασβεστόλιθος. Ένα θέμα που προέκυψε, κυρίως μετά την εκδήλωση μεγάλων πυρκαγιών σε κτίρια και τούνελ, είναι κατά πόσο τα σύνθετα τσιμέντα παρουσιάζουν βελτιωμένη ανθεκτικότητα σε ακραίες θερμικές καταστάσεις, όπου λαμβάνουν χώρα φυσικοχημικές μεταβολές με αποτέλεσμα την εμφάνιση ρωγμών και την μερική ή ολική καταστροφή του υλικού.Το μέχρι τώρα δημοσιευμένο έργο ασχολείται κυρίως με την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας στη συμπεριφορά του σκυροδέματος που αφορά κυρίως σε αμιγή τσιμέντα. Ωστόσο η μελέτη της συμπεριφοράς και ανθεκτικότητας του σκυροδέματος σε συνθήκες πυρκαγιάς απαιτεί την πλήρη γνώση της συμπεριφοράς κάθε συστατικού του σε υψηλή θερμοκρασία. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται η συμπεριφορά των σύνθετων τσιμέντων και των αντίστοιχων κονιαμάτων κατά την έκθεση τους σε θερμοκρασίες μέχρι 1000οC. Ως κύρια συστατικά χρησιμοποιούνται ιπτάμενη τέφρα, φυσική ποζολάνη, ασβεστόλιθος, σκωρία υψικαμίνου και μετακαολίνης. Αρχικά γίνεται καταγραφή των χημικών και ορυκτολογικών μεταβολών που προκαλούνται στις πάστες τσιμέντου, καθώς και των μεταβολών στη μικροδομή, για τις οποίες υπάρχει σχετικά περιορισμένη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια εξετάζεται η συμπεριφορά κονιαμάτων με ασβεστολιθική και πυριτική άμμο σε υψηλή θερμοκρασία. Στόχος της διατριβής είναι να διερευνηθεί η επίδραση των κυρίων συστατικών και του είδους της άμμου στη θερμική ανθεκτικότητα συνθέτων τσιμέντων και κονιαμάτων.Η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει εκτός από την επιλογή των πρώτων υλών, την παρασκευή σύνθετων τσιμέντων και δοκιμίων παστών και κονιαμάτων, τη συντήρησή τους και τη θερμική κατεργασία τους σε μια σειρά από διαφορετικές θερμοκρασίες. Με το πέρας της θερμικής καταπόνησης μετρώνται οι αντοχές σε θλίψη, η απώλεια μάζας, (με ζύγιση και θερμοζυγό TG–SDTA), η ταχύτητα υπερήχων, ταυτοποιώνται οι χημικές ενώσεις με ακτινανάλυση XRD και συλλέγονται πληροφορίες για τη δομή των δοκιμίων και φυσικοχημικών μεταβολών τους με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο SEM. Τέλος, έλαβαν χώρα η οπτική επιθεώρηση των δοκιμίων και η ποροσιμετρία αζώτου με την οποία υπολογίστηκε το μέγεθος των πόρων.Από την παραπάνω έρευνα αποδείχθηκε ότι οι φυσικοχημικές μεταβολές κατά τη θερμική κατεργασία παστών συνθέτων τσιμέντων, εξαρτώνται άμεσα από τον τύπο των άλλων κύριων συστατικών που έχουν προστεθεί στο τσιμέντο Portland. Αρχικά, κατά το στάδιο της απομάκρυνσης του χημικά συνδεδεμένου νερού (100-600°C), καταγράφεται σημαντική απώλεια βάρους, αύξηση του πορώδους και δημιουργία μικρορωγμών. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες καταγράφεται σχηματισμός νέων ανύδρων φάσεων, το είδος των οποίων εξαρτάται από τη χημική σύσταση των πρόσθετων. Ο γελενίτης (Ca2Al2SiO7) είναι η κύρια φάση στα δείγματα με μετακαολίνη, ο οποίος έχει υψηλό ποσοστό SiO2 και Al2O3. Η μεγαλύτερη απώλεια βάρους στις πάστες των συνθέτων τσιμέντων καταγράφεται μέχρι τους 600°C αλλά η μεγαλύτερη φθορά παρατηρείται μετά τους 600°C και σχετίζεται με την υψηλή περιεκτικότητα σε ελεύθερο CaO το οποίο μετατρέπεται σε Ca(OH)2 κατά τη διάρκεια της ψύξης.Σημειώνεται ότι τα τσιμέντα που περιέχουν ποζολανικά υλικά παρουσιάζουν καλύτερη συνεκτικότητα μετά τη θερμική κατεργασία. Επίσης, τα δοκίμια κονιαμάτων παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά από τις αντίστοιχες πάστες, με μικρότερη απώλεια βάρους μέχρι τους 600°C λόγω της μικρής συμμετοχής του τσιμέντου στη σύνθεση των κονιαμάτων. Τέλος, παρατηρείται ότι η προσθήκη ποζολανικών κύριων συστατικών βελτιώνει την ανθεκτικότητα των κονιαμάτων, καθώς τα δοκίμια διατηρούν το 38-47% των αρχικών τους αντοχών στους 600°C. Την καλύτερη συμπεριφορά παρουσιάζει το τσιμέντο με μετακαολίνη, ενώ τη χειρότερη το ασβεστολιθικό.Από την περίληψη θα ληφθούν υπ’ όψη μόνο οι πρώτοι 2500 χαρακτήρες μαζί με τα κενά (~450 λέξεις). Η περίληψη πρέπει να περιλαμβάνει τον στόχο, τη μεθοδολογία και τα αποτελέσματα - συμπεράσματα της διατριβής.