Συγκριτική αξιολόγηση ανθεκτικότητας γεωπολυμερών από ιπτάμενη τέφρα και τσιμεντοκονιαμάτων

Abstract

In the present PhD thesis the durability of fly ash geopolymer mortars compared to that of cement mortars is investigated. Three series of fly ash based geopolymer mortars were prepared using calcareous sand to fly ash ratio (S/FA) varying from 0.5 to 2. In addition, cement mortar specimens were prepared (according to EN 196-1) using cement CEM I 42.5 N and CEM II 32.5 N. The geopolymers’ synthesis (R/Al, Na/(Na+K), [Si]/R2O) was optimized using Taguchi experimental designing model in order to achieve the maximum compressive strength. Durability of geopolymer and cement mortars was evaluated by means of compressive strength development, sorptivity, carbonation, resistance to wet-dry cycles, resistance to freezing-thawing cycles, acid resistance, chloride diffusion, sulfate resistance and thermal stability at elevated temperatures. It was found that fly ash can be effectively used to produce geopolymer mortars with calcareous sand. Geopolymers exhibit competitive compressive strength compared to that of cement mortars. Geopolymer mortars develop their maximum compressive strength a few days after their casting. Geopolymer and cement mortars exhibit satisfactory resistance to wet – dry cycles, carbonation and sulphate attack. Cement mortars, generally, show better behavior (compared to geopolymers) in sorptivity, freezing–thawing, chloride diffusion and thermal stability (at elevated temperatures). It must be noted, that even in these tests specific geopolymers (depending on the sand to fly ash ratio) present better behavior than specific cement mortars (depending on cement type and strength class). Finally, geopolymers indicate improved performance against acid attack, compared to that of cement mortars. Based on all durability tests, it is seen that the CEM I 42.5 presents the best performance, followed by the CEM II 32.5 and the geopolymers samples made with increased sand content (S/FA: 1 and 2). Geopolymers with a median sand content (S/FA=1) show an overall average behavior without extreme characteristics. The results of this study showed that there is not a unique formula that can produce geopolymers with good performance in all durability tests. Synthesis parameters should be adjusted so that the produced geopolymers exhibit satisfactory properties depending on the application.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η συγκριτική αξιολόγηση της ανθεκτικότητας γεωπολυμερών από ιπτάμενη τέφρα και τσιμεντοκονιαμάτων. Στα πλαίσια των πειραματικών μετρήσεων, παρασκευάστηκαν 3 σειρές γεωπολυμερικών κονιαμάτων ιπτάμενης τέφρας με λόγο ασβεστολιθικής άμμου προς ιπτάμενη τέφρα (Α/ΙΤ) 0.5-2 και 2 σειρές τσιμεντοκονιαμάτων με CEM II 32.5 N και CEM I 42.5 N. Η γεωσύνθεση, με στόχο τις βέλτιστες αντοχές σε θλίψη, προσδιορίστηκε με το πολυπαραγοντικό μοντέλο Taguchi. Στα δοκίμια έγιναν δοκιμές αντοχής σε θλίψη, ψύξης – απόψυξης, ξήρανσης – εμβάπτισης, ανθεκτικότητας σε περιβάλλον θειικών ιόντων, ανθεκτικότητας σε περιβάλλον οξέων, διάχυσης χλωριόντων, ενανθράκωσης, υδατοαπορροφητικότητας και ανθεκτικότητας στην έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες. Προέκυψε ότι η ιπτάμενη τέφρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για την παραγωγή κονιαμάτων γεωπολυμερών με ασβεστολιθική άμμο, οι ιδιότητες των οποίων διαφοροποιούνται ανάλογα με τη σύνθεσή τους και την περιεχόμενη άμμο. Τα γεωπολυμερή εμφανίζουν ανταγωνιστικές αντοχές σε θλίψη σε σχέση με τα τσιμεντοκονιάματα. Σημαντικό χαρακτηριστικό των γεωπολυμερών είναι ότι παρουσιάζουν τις μέγιστες αντοχές τους λίγες μέρες μετά τη χύτευσή τους. Τόσο τα γεωπολυμερή όσο και τα τσιμεντοκονιάματα έχουν πολύ καλή συμπεριφορά στις δοκιμές ξήρανσης-εμβάπτισης, ενανθράκωσης και ανθεκτικότητας σε περιβάλλον θειικών ιόντων. Τα τσιμεντοκονιάματα δείχνουν καλύτερη συμπεριφορά από τα γεωπολυμερή στις δοκιμές υδατοαπορροφητικότητας, ψύξης – απόψυξης, διάχυσης χλωριόντων και έκθεσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Ακόμη όμως και σε αυτές τις δοκιμές υπάρχουν κάποιες συνθέσεις γεωπολυμερών (κριτήριο ο λόγος Α/ΙΤ) που υπερτερούν κάποιων συνθέσεων τσιμέντων (κριτήριο η κλάση αντοχών). Τέλος, τα γεωπολυμερή εμφανίζουν καλύτερη συμπεριφορά από τα τσιμεντοκονιάματα κατά την έκθεση τους σε οξέα. Συνολικά, με βάση όλες τις δοκιμές ανθεκτικότητας, το κονίαμα CEM I 42.5 παρουσιάζει την καλύτερη συμπεριφορά, ακολουθούμενο από το CEM II 32.5 και τα γεωπολυμερή με αυξημένη συμμετοχή άμμου (Α/ΙΤ: 1 και 2). Η μέση περιεκτικότητα σε άμμο (A/IT=1) οδηγεί συνολικά σε μια μέση συμπεριφορά του γεωπολυμερούς, χωρίς ακραία χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής έδειξαν ότι δεν υπάρχει μια μονοσήμαντη φόρμουλα που να μπορεί να παράγει γεωπολυμερή που να εμφανίζουν ικανοποιητική συμπεριφορά ταυτόχρονα σε όλες τις δοκιμές αλλά θα πρέπει η γεωσύνθεση να προσαρμόζεται κατάλληλα ανάλογα με το πεδίο εφαρμογής.