Επίδραση νανοσωματιδίων αλουμίνας και πυριτίας σε συστήματα πηλού
Creators: name: Σκεύη, Λορένα Ηρακλή
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Πηλός
Νανοσωματίδια
Δομικές κονίες
Clay
Nanoparticles
Binders

description: Το αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας εντάσσεται στο πεδίο έρευνας των δομικών υλικών και της σχετικής με αυτά τεχνολογίας. Ειδικότερα, μελετάται η επίδραση νανοσωματιδίων σε συστήματα ενυδατωμένων κονιών πηλού και πηλού – ασβέστη. Ο πηλός αποτελεί ένα παραδοσιακό δομικό υλικό, γνωστό από τις απαρχές της ιστορίας της κατασκευής. Η εφαρμογή του ως υλικό επέμβασης κατά τη συντήρηση και αποκατάσταση ιστορικών κατασκευών, κυρίως με τη μορφή πηλοκονιάματος, αποτελεί μία από τις πλέον διαδεδομένες χρήσεις του, στα πλαίσια της οποίας, επιζητείται η βελτίωση των φυσικών και μηχανικών χαρακτηριστικών του. Η συνεχώς αυξανόμενη χρήση της νανοτεχνολογίας τα τελευταία χρόνια, με την ένταξή της σε πληθώρα βιομηχανικών εφαρμογών και την διερεύνηση της από πλήθος επιστημονικών ομάδων, δεν άφησε ανεπηρέαστο τον τομέα των δομικών υλικών. Με τα αποτελέσματα της εφαρμογής της σε διαδεδομένα δομικά υλικά, όπως το τσιμέντο και το σκυρόδεμα, να εμφανίζονται ενθαρρυντικά ως προς τη βελτίωση των ιδιοτήτων τους, κρίνεται σκόπιμη και θεμιτή η εξέταση της συμβολής της σε συστήματα πηλού με στόχο την αναβάθμιση τους. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν νανοσωματίδια πυριτίας (nano – SiO2) και αλουμίνας (nano – Al2O3), τα οποία εισήχθησαν σε ενυδατωμένες κονίες πηλού και πηλού-ασβέστη σε αναλογία 1:1. Μελετήθηκε η εισαγωγή νανοσωματιδίων σε δύο ποσοστά, 1.5% και 3% στις εξεταζόμενες πάστες. Η επίδρασή τους εξετάστηκε ως προς τις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες των ενυδατωμένων κονιών, με πραγματοποίηση μετρήσεων μηχανικών αντοχών σε θλίψη και κάμψη, μέτρηση πορώδους καθώς και τριχοειδούς υδατοαπορρόφησης και μεταβολής όγκου. Οι παραπάνω μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε δοκίμια των παραγόμενων συνθέσεων ηλικίας 90 και 120 ημερών. Παράλληλα, εφαρμόστηκαν τεχνικές χαρακτηρισμού των υλικών με τις οποίες μελετήθηκε η μικροδομή των εξεταζόμενων παστών, με χρήση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM), η ορυκτολογική τους σύσταση, με την τεχνική της Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD) και της Φασματοσκοπίας Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FTIR), καθώς και η ενανθράκωσή τους με Θερμιδοσταθμική – Διαφορική Θερμική Ανάλυση (TG-DTA). Η μελέτη των μικροσκοπικών ιδιοτήτων των υλικών με τις παραπάνω μεθόδους, πραγματοποιήθηκε, επίσης, σε δείγματα των εξεταζόμενων συνθέσεων ηλικίας 90 και 120 ημερών. Τα αποτελέσματα της εργασίας κατέδειξαν τη θετική επίδραση των συγκεκριμένων νανοσωματιδίων σε συστήματα πηλού, υπό όρους. Έτσι, διαπιστώθηκε η θετική δράση των νανοσωματιδίων στις εξεταζόμενες μηχανικές και φυσικές ιδιότητες, για μικρό ποσοστό εισαγωγής τους, 1.5%, ενώ στην περίπτωση εισαγωγής τους σε ποσοστό 3% τα αποτελέσματα ήταν αντίθετα από τα επιθυμητά. Ακόμα, αποδείχθηκε η διαφορετική δράση των δύο νανοσωματιδίων στα εξεταζόμενα συστήματα πηλού, καθώς ενώ η παρουσία νάνο-πυριτίας ευνόησε τόσο το σύστημα πηλού, όσο και αυτό του πηλού ασβέστη όσον αφορά στις μηχανικές κυρίως, ιδιότητές τους, η νάνο-αλουμίνα έδρασε θετικά κυρίως για το σύστημα πηλού, ενώ συνεισφορά της βελτίωσε κυρίως τις φυσικές ιδιότητες των παστών (τριχοειδή υδατοαπορρόφηση και μεταβολή όγκου). Με την παρούσα εργασία, συμπεραίνεται, επιπλέον, η σημαντική προσφορά της μελέτης των δομικών υλικών σε επίπεδο μικροκλίμακας στην ερμηνεία και την κατανόηση της συμπεριφορά τους στη μακροκλίμακα, καθώς με τη χρήση των μεθόδων χαρακτηρισμού που αναφέρθηκαν, κατέστη εφικτή η σύνδεση της μηχανικής και φυσικής συμπεριφοράς των εξεταζόμενων συνθέσεων με τη μικροδομή και τη σύστασή τους, ενώ καταδείχθηκε και ο τρόπος δράσης των νανοσωματιδίων σε αυτές.
description: The subject of this thesis is part of the research field on building materials and the related technology. More specifically, the study focuses on the effect of nanoparticles on hydrated clay – based systems. Clay is a traditional building material, known since the beginning of the construction history. Its application as an intervention material for the maintenance and restoration of historic constructions, mainly as a binder, is nowadays one of its most widespread uses, within which the enhancement of its physical and mechanical characteristics is pursued. The increasing use of nanotechnology in recent years includes its integration into numerous industrial applications as well as a growing research interest by different scientific groups. The encouraging results of its application in widely used building materials such as cement and concrete, prompts the consideration of its contribution in clay systems in terms of upgrading their properties. In this study silicon (SiO2) and alumina (Al2O3) nanoparticles were examined as they were introduced into hydrated clay and lime-clay systems of 1:1 ratio; two different proportions of both nano-materials were studied, 1.5% and 3% by weight. Their effect on the mechanical and physical properties of the hydrated binders was studied by performing compressive and bending strength tests, as well as porosity, water capillary absorption and volume change tests. These measurements were carried out for specimens of the examined pastes at ages of 90 and 120 days. At the same time, material characterization techniques were applied providing information on the microstructure of the examined pastes using Scanning Electron Microscopy (SEM), on their mineral composition using X-Ray Diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), as well as on the evolution of their carbonation using Thermogravimetric - Differential Thermal Analysis (TG-DTA). The study of the examined compositions’ microscopic properties by these methods was, also, performed for samples of ages of 90 and 120 days. The results of this thesis demonstrated the positive influence of the examined nanoparticles on clay – based systems under certain conditions. Thus, the nanoparticles had a positive impact on the mechanical and physical properties when introduced in small proportion, i.e. 1.5%, whereas their insertion in larger amount, 3%, presented non desirable results. Also, the different activity of the two nanoparticles in the examined clay systems was pointed out as the presence of nano-silica favored both the clay and the lime-clay system enhancing their mechanical properties, while nano-alumina proved to act positively on the clay system contributing mainly to the improvement of the physical properties of the pastes (capillary water absorption and volume change). This study led, also, to the conclusion that the consideration of construction and building materials at a microscale level contributes to the comprehension and interpretation of their macroscale behavior, as the application of the abovementioned characterization methods allowed the association of the mechanical and physical behavior of the examined binders with their microstructure and composition and at the same time explained the action of the incorporated nanoparticles.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)