Επίδραση νανοσωματιδίων πυριτίας και αλουμίνας στο τσιμέντο
Creators: name: Τσαμπαλή, Ευαγγελία-Σταυρούλα Δημοσθένη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Τσιμέντο Portland I 42.5
Νανο-αλουμίνα
Νανο-πυριτία
Portland Cement I 42.5
Nanoalumina
Nanosilica

description: Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η διερεύνηση της επίδρασης νανοσωματιδίων SiO2 και Al2O3 σε μια σειρά ιδιοτήτων, κυρίως μηχανικών, φυσικών και δομικών, σε συστήματα ενυδατωμένης πάστας. Με τον όρο πάστα εννοούμε λεπτόκοκκα τσιμεντοειδή υλικά που όταν αναμιγνύονται με νερό δίνουν ένα εύπλαστο μίγμα, όπου με την πάροδο του χρόνου και τη συνεχή ενυδάτωση αναπτύσσουν αντοχή. Σήμερα, τα νανοσωματίδια έχουν ένα διευρυμένο πεδίο εφαρμογών, που δίνει την δυνατότητα πολλών εφαρμογών όσον αφορά την εισαγωγή τους σε υλικά είτε ανόργανα όπως δομικά υλικά είτε οργανικά. Στην παρούσα διπλωματική επιλέχθηκε η προσθήκη νανοσωματιδίων στα τσιμεντοειδή συστήματα ώστε να ελεγχθούν οι ιδιότητες των μιγμάτων που προκύπτουν. Τα νανοσωματιδίων επιλέχθηκαν με γνώμονα την ανάπτυξη νανοσύνθετων δομικών υλικών με υψηλή μηχανική αντοχή, ανθεκτικότητα και χαμηλή διαπερατότητα. Αντίστοιχα το τσιμέντο που επιλέχθηκε είναι ένα κοινού τύπου τσιμέντο υψηλής αντοχής που αποτελεί ένα από τα συνηθέστερα υλικά δόμησης, συγκεκριμένα επιλέχθηκε το τσιμέντο Portland Cement I 42.5. Παρασκευάστηκαν πέντε συνθέσεις, το δείγματα αναφοράς (OPC) και οι νανοτροποποιημένες πάστες. Τα νανοσωματίδια SiO2 και Al2O3 προστέθηκαν σε ποσοστό 1,5% και 3% κ.β. και πραγματοποιήθηκαν έλεγχοι σε διάφορες ηλικίες ενυδάτωσης (7, 28, 90 και 120 ημέρες). Για όλες τις ηλικίες ενυδάτωσης πραγματοποιήθηκε έλεγχος σε μονοαξονική κάμψη, πορώδους και μικροδομικός έλεγχος με φασματοσκοπία υπερύθρου. Ενώ για επιλεγμένες μέρες ενυδάτωσης, πραγματοποιήθηκε έλεγχος χημικής και ορυκτολογικής σύστασης με ηλεκτρονική μικροσκοπία και Περίθλαση Ακτίνων-Χ, αντίστοιχα. Επίσης πραγματοποιήθηκαν έλεγχοι τριχοειδούς υδατοαπορρόφησης σε ηλικία 28 ημερών, συρρίκνωσης τις πρώτες 50 μέρες και θερμική ανάλυση κάποιων ενδεικτικών δειγμάτων. Από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, διαπιστώνεται ότι η επίδραση των νανοσωματιδίων ευνοούν τις ιδιότητες των τσιμεντοειδών συστημάτων. Η προσθήκη τους επηρεάζει την εργασιμότητα αλλά συμβάλει στην δημιουργία πυρήνων κρυστάλλωσης που συντελούν στην αύξηση των αντοχών των μιγμάτων. Διαπιστώνεται ότι αυξάνεται η πυκνότητα των μιγμάτων, καθώς τα νανοσωματίδια λειτουργούν ως πληρωτικό, μειώνοντας το πορώδες. Σύμφωνα με τον έλεγχο της μικροδομής έχουμε αύξηση των ένυδρων πυριτικών φάσεων των νανοτροποποιημένων δοκιμίων καθώς και του ποσοστού ενανθράκωσης. Εντοπίζονται επίσης κάποιες αρνητικές επιδράσεις των νανοσωματιδίων, όπως η τάση αύξησης της τριχοειδής αναρρίχησης σε κάποια δείγματα, καθώς και η έλλειψη αξιόπιστων μελετών για το χρόνο ζωής των νανοτροποποιημένων υλικών.
description: The aim of this Thesis is to investigate the effects of the addition of SiO2 και Al2O3 nanoparticles with respect to mechanical, physical and structural properties, in hydrated cement paste. The term hydrated cement paste refers to a class of fine grained cementitious composites, which when mixed with water produce a malleable mixture and which given time and constant hydration develop certain durability under stress. Nowadays, the use of nanoparticle admixtures in the interdisciplinary field of materials science has a wide variety of applications from inorganic materials, such as the structural materials studied in this thesis, to organic materials. This thesis investigates the admixture of nanoparticles in to cementitious systems, in order to engineer the mechanical properties of the resulting composites. The choice of the nanoparticles was made so as to maximize the compressive strength and durability and to minimize the permeability of the produced material. Accordingly, the cement under examination was chosen to be a common type high strength cement regularly used in construction, the Portland Cement I 42.5. For this purpose, we prepared five composites, a reference sample (OPC) and the proposed nanoparticle pastes. Nanoparticles of SiO2 and Al2O3 were added in 1.5% and 3% by weight of cement and the produced samples were measured in different hydration periods of 7, 28, 90 and 120 days. All the samples in every hydration period, were tested for uniaxial torsion, their porosity was measured and their microstructure was examined by means of infrared spectroscopy. Furthermore, for certain hydration periods, the chemical and elemental composition of the samples was evaluated by means X-ray fluorescence spectroscopy and electron microscopy. The samples were also evaluated for capillary water absorption in 28 days of hydration, and shrinking for 50 days of hydration. In addition, thermal analysis was performed for certain samples. The comprehensive analysis revealed a positive effect, in terms of structural properties, of nanoparticle admixture in cementitious systems. The addition of nanoparticles may worsen the workability of the composites, but contributes in the formation of crystallization nuclei, which in turn enhance the durability of the material. Interestingly, for higher concentrations of nanoparticles was also found that the porosity declined, as they functioned as a filler. According to microstructure control, we have an increase in the hydrated silicate phases of the nanoparticle pastes as well as the carbonation rate. However, the analysis indicated negative effects of the admixture of nanoparticles as well. Examination of certain samples revealed an increasing trend in the water absorption. Furthermore, the lack of reliable resources and information for the life expectancy of nanomodified materials must be noted.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)