Fire behavior of alkali-activated material (AAM) systems with applications in the retrofitting of masonry walls and the construction of new AAM-based reinforced concrete elements
Authors: Άρτσε-Κάμπος Κάρλος-Αντρές 
Published: November 2023

Καθώς οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής γίνονται πιο σοβαρές, η σημασία της λήψης μέτρων για τη μείωσή της γίνεται πιο σαφής. Ο κατασκευαστικός τομέας αποτελεί έναν σημαντικό παίκτη στη μάχη κατά της κλιματικής αλλαγής λόγω των υψηλών συνεισφορών διοξειδίου του άνθρακα, περίπου 1,28 δισεκατομμύρια τον χρόνο [1]. Η παραγωγή τσιμέντου Portland μόνο της συμβάλλει στο 5% - 8% των συνολικών παγκόσμιων εκπομπών [2]. Τα υλικά με ενεργοποίηση αλκαλικών αντιπροσωπεύουν μια εναλλακτική λύση στη χρήση του τσιμέντου Portland λόγω των χαμηλότερων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα που αποδίδονται στην παραγωγή τους και της αξίας της επαναχρησιμοποίησης των υποπροϊόντων που αλλιώς θα κατέληγαν σε χωματερές. Αυτή η έρευνα επικεντρώνεται στον προσδιορισμό και τον χαρακτηρισμό της μηχανικής και πυραντικής συμπεριφοράς μιας σύνθεσης υλικού με ενεργοποίηση αλκαλικών για εφαρμογές στην πολιτική μηχανική. Αυτή η διατριβή δείχνει στον αναγνώστη το ταξίδι για την ανάπτυξη μιας σύνθεσης με ενεργοποίηση αλκαλικών, ξεκινώντας από το επίπεδο της πάστας, περνώντας από τη φάση σχεδιασμού του σοβά και φτάνοντας στη φάση σχεδιασμού του σκυροδέματος. Τα σχέδια σύνθεσης δοκιμάστηκαν αργότερα για δομικές εφαρμογές και αναφέρονται τα κύρια συμπεράσματα. Το πρώτο κεφάλαιο εισάγει τα υλικά με ενεργοποίηση αλκαλικών, περιγράφεται ο ρόλος τους ως εναλλακτικών συνδετικών και τα πλεονεκτήματά τους. Αυτό το κεφάλαιο δίνει στον αναγνώστη μια επισκόπηση του εγγράφου έρευνας, της μεθοδολογίας που χρησιμοποιήθηκε και των στόχων αυτής της έρευνας. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο παρέχεται μια εισαγωγή στην επίδραση της φωτιάς στις κατασκευές. Αυτό το κεφάλαιο περιλαμβάνει επίσης μια ανασκόπηση της βιβλιογραφίας για τα υλικά με ενεργοποίηση αλκαλικών που έχουν εκτεθεί σε πυρκαγιά. Τα Κεφάλαια 3, 4 και 5 περιγράφουν τη μεθοδολογία και τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή μιας βέλτιστης πάστας, σοβά και σκυροδέματος. Τα σχέδια σύνθεσης αντιστοιχούσαν στις βέλτιστες συνθέσεις βασισμένες σε υλικά με ενεργοποίηση αλκαλικών με στόχο την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων και την πυραντική συμπεριφορά. Το Κεφάλαιο 6 περιγράφει τη διαδικασία δοκιμών και τα αποτελέσματα μιας πειραματικής εκστρατείας όπου 18 ιστορικοί τοίχοι ενισχύθηκαν με υφασμάτινο ενισχυμένο σοβά με ενεργοποίηση αλκαλικών, εκτέθηκαν σε πυρ και έπειτα δοκιμάστηκαν σε διαγώνια συμπίεση για τον καθορισμό της κατάλοιπης αντοχής στον ξεσκίσιμο. Το Κεφάλαιο 7 ελέγχει την κατάσταση της καταλοίπου μετά την έκθεση σε φωτιά για δύο σοβά, ένα υψηλής αντοχής και ένα με ενεργοποίηση αλκαλικών ισχύος. Παρέχονται επίσης τα αποτελέσματα δύο ελεγχόμενων δειγμάτων και αναφέρεται μια σύγκριση των αποτελεσμάτων των τεσσάρων δειγμάτων. Το Κεφάλαιο οκτώ περιλαμβάνει τα συμπεράσματα του έργου και τις συστάσεις για μελλοντικές έρευνες. Αυτό το έργο ήταν επιτυχές στο να βελτιστοποιήσει τα σχέδια σύνθεσης για την παραγωγή υλικών με ενεργοποίηση αλκαλικών με δυνατότητες αντίστασης στη φωτιά και στον έλεγχο αυτών των συνθέσεων σε δοκιμές μεσαίας και μεγάλης κλίμακας δομικών μελών. Κύρια συμπεράσματα που προήλθαν από αυτό το έργο παρέχονται παρακάτω:Το σχέδιο μίγματος πειραμάτιων χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για τον καθορισμό της βέλτιστης ισορροπίας του σλαγκ φερρονικελίου, πυρίτιου, υδροξείδιου καλίου και πυριτίου καλίου. Η πάστα που παράχθηκε χαρακτηρίστηκε από συνοχή συνεπαγόμενης και επικαμπτικής αντοχής 80 MPa και 6.8 MPa, αντίστοιχα. Η συνολική αντοχή σε συμπίεση μετά τη θερμική έκθεση (στους 900 °C για 2 ώρες) μειώθηκε κατά 80%, ενώ η επικαμπτική αντοχή μειώθηκε σχεδόν κατά 100%. Σημειώθηκε ότι οι χαμηλές ιδιότητες μετά τη θερμική έκθεση σχετίζονταν με ζημιές από ρωγμές, τις οποίες αναμενόταν να είναι πολύ χαμηλότερες μετά την περίληψη λεπτού ανακυκλώσιμου υλικού στη φάση του σοβά. Οι εξοικονομήσεις σε εκπομπές CO2 σε σύγκριση με την συνήθη πάστα τσιμέντου Portland (OPC) ανήλθαν στο περίπου 90% όταν το σλαγκ φερρονικελίου θεωρήθηκε ως απόβλητο υλικό και 55% όταν θεωρήθηκε ως υποπροϊόν. Η βέλτιστη συνδυασμένη αναλογία νερού και άμμου, με το προηγουμένως αναπτυγμένο βέλτιστο συνδετικό, μελετήθηκε με την ίδια μεθοδολογία. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια πολύ υψηλότερη διατήρηση των μηχανικών ιδιοτήτων μετά την προσθήκη λεπτού ανακυκλώσιμου υλικού. Η μείωση της αντοχής σε συμπίεση (μετά από έκθεση στους 900 °C για 2 ώρες) ήταν 75%, ενώ παρατηρήθηκε αύξηση 25% στην επικαμπτική αντοχή. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτός ο σοβάς βελτιστοποιήθηκε για την επικαμπτική αντοχή για να επιτύχει καλύτερη συμπεριφορά δεσμού, καθώς προοριζόταν ως βάση για εφαρμογές ενισχυμένου μορτέλου με υφασμάτινη ενίσχυση (TRM). Οι εξοικονομήσεις CO2 αντιστοιχούσαν στο 77% σε σύγκριση με παρόμοια προϊόντα βασισμένα σε OPC. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση των μεγεθών των αδρανών για τον συνδυασμό σκυροδέματος και το βέλτιστο μείγμα οδήγησε σε 38% της μετα-θερμικής έκθεσης (600 °C για 2 ώρες) σε συνολική αντοχή σε συμπίεση. Οι εξοικονομήσεις CO2 αντιστοιχούσαν στο 77% σε σύγκριση με παρόμοιο προϊόν βασισμένο σε OPC. Το βέλτιστο συνταγματικό μορτέλο δοκιμάστηκε για εφαρμογή στην ενίσχυση των εφαρμογών των τοίχων με λάδι και μελετήθηκε η μετα-πυρακτική συμπεριφορά. Παρατηρήθηκε μια μέση αύξηση περίπου 255% στην ακριβή αντοχή στον ξεσκίσιμο επίπεδης επιφάνειας στην περίπτωση ενός στρώματος και 330% στην περίπτωση του ενισχυμένου μορτέλου αλκαλικών με άνθρακα. Η αντοχή στον ξεσκίσιμο παρέμεινε υψηλή ακόμα και μετά την έκθεση στους 550 °C. Βρέθηκε ότι η καταλοίπου αντοχή αυξήθηκε τουλάχιστον κατά 200% και 290% για τα συστήματα με ένα και δύο στρώματα σε και τις δύο θερμοκρασίες. Δοκιμές κάμψης με τέσσερις σημεία πραγματοποιήθηκαν σε τέσσερις πλάκες σκυροδέματος, δύο από αλκαλικό σκυρόδεμα και δύο από υψηλής αντοχής σκυρόδεμα (μία για έλεγχο και μία για την καταλοίπου αντοχή μετά από θερμική έκθεση), έδειξαν μια παρόμοια χωρητικότητα φόρτωσης για όλες τις διαμορφώσεις. Ενώ η τελική φόρτωση παρέμεινε παρόμοια, το συμπεριφερόμενο παραμόρφωσης είχε μεγαλύτερη ποικιλία στις πλάκες τσιμέντου Portland. Υπολογίστηκε ένα ψευδο-ελαστικό συντελεστής και οι τιμές έδειξαν μια μείωση 0.1% στην ελαστικότητα για την πλάκα αλκαλικού σκυροδέματος, ενώ παρατηρήθηκε μια πτώση 34% στην ικανότητα παραμόρφωσης στην πλάκα υψηλής αντοχής. Συνολικά, τα παραγόμενα κατασκευαστικά προϊόντα αλκαλικού σκυροδέματος έδειξαν υψηλή μείωση στις εκπομπές CO2 σε σύγκριση με τα αντίστοιχα προϊόντα τσιμέντου Portland και επίσης κατέδειξαν μια συγκρίσιμη ή ακόμα και καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με τα τυπικά υπάρχοντα προϊόντα μετά από έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες.