Προστασία και ενίσχυση πηλού

Abstract

This PhD thesis deals with the protection and enhancement of clay mortars found in traditional construction. Using various admixtures, such as powders, fibers, polymers, alkaline activators, nanomaterials and various combinations of the above-mentioned materials, a series of tests was carried out to study the physical and mechanical properties of clay mortars made from three different clays. The study focuses mainly on the reduction of absorption, the increase of compressive strength, and overall, in the creation of stable and compact structures. The purpose of the thesis is the creation of new reinforced materials, the proposal of new methods for testing the durability of these mortars, with the aim of both use in existing monumental constructions, and as a proposal for use in modern construction. Moreover, an attempt is made to protect the structure through surface treatment, with the methods of coating and impregnation to prevent moisture absorption. In addition to the basic tests carried out to study the mechanical and physical properties based on the regulations for traditional materials, tests created in the context of this research were added to the thesis. The most important of these tests were the cycles of durability, which contained several particularities, as the nature of clay mortars is quite sensitive and would not be able to cope with the existing regulations. The application of the durability tests developed in this thesis made it possible to study and investigate the compositions of clay mortars in various environmental conditions. From the results of the thesis, it appears that the reinforcement of these sensitive structures is possible, while the most positive results in compressive strength appear from the use of alkaline activators, offering a great increase. Moreover, the addition of fibers through various processing methods appears to strengthen the structure by increasing both mechanical and physical properties, with hemp fibers exhibiting a particularly cohesive structure. Similarly, the use of polymers, such as Sika ViscoBond and PRIMAL™ TX-100 products, succeeds in improving mechanical and physical properties, while the use of plasticizers is not proven to be as beneficial in terms of improving fresh properties. In the case of nanomaterials, the combination of admixtures of nanoclay and latex powder (DOW™ Latex Powder) seems to be more efficient compared to the use of nanoclay alone, both in mechanical characteristics and durability tests. From the use of various powders, the beneficial effect of bentonite is established in several properties, while the use of flying ash and blast furnace slag was shown to have a negative effect. The use of alkaline activators, as mentioned, yielded more positive results in the mechanical characteristics, however, the high absorption of the samples is considered problematic. Therefore, the combination of admixtures that worked more positively on the mechanical characteristics on the one hand and more positively on the physical characteristics on the other, was carried out to produce stable structures. Combinations of potassium metasilicate with nanoclay and PRIMAL™ TX-100 acrylic emulsion performed very positively, reducing absorption, and increasing mechanical properties. Finally, the use of surface agents can protect clay structures over time, enhancing its physical properties, while the effect of roughness on the wettability of surfaces is also evident. Furthermore, in the thesis an attempt was made to correlate the values of the capillary absorption coefficient c with the lateral absorbance through Karsten tubes, as well as with the absorbance resulting from the control of open porosity. Also, an attempt was made to correlate the factors of the compressive strength σc with the open porosity n, as well as with the oxide ratios, as obtained from the analysis through the EDS system of the scanning electron microscope (SEM). From these correlations, the existence of a linear correlation is observed between the absorbency and the capillary absorption coefficient, as well as the existence of an inversely proportional weak linear correlation between the open porosity and the compressive strength. However, the correlation of the compressive strength with the SiO2/MgO oxide ratio is of interest, as a stronger linear correlation is detected between the two factors compared to the other oxide ratios. The results obtained from this thesis will help in the development of new compositions with enhanced properties, with competent use in both existing and new constructions. In addition, the research can be used to the next level to develop new products, such as reinforced adobes, as well as new methods for studying clay systems, adding data for the development of global standards/regulations for this quite diverse material.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την προστασία και ενίσχυση των πηλοκονιαμάτων που απαντώνται στην παραδοσιακή δόμηση. Με τη χρήση διαφόρων προσμίκτων, όπως κονιών, ινών, πολυμερών, αλκαλικών ενεργοποιητών, νανοϋλικών και συνδυασμό αυτών, πραγματοποιήθηκε σειρά ελέγχων για τη μελέτη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων πηλοκονιαμάτων κατασκευασμένων από τρεις διαφορετικούς πηλούς. Η μελέτη επικεντρώνεται κυρίως στην μείωση της απορροφητικότητας, στην αύξηση της θλιπτικής αντοχής, και συνολικότερα στην δημιουργία σταθερότερων και συμπαγών δομών. Σκοπός της διατριβής είναι η δημιουργία νέων ενισχυμένων υλικών, η πρόταση νέων μεθόδων για τον έλεγχο ανθεκτικότητας των κονιαμάτων αυτών, με σκοπό τόσο την χρήση σε υφιστάμενες μνημειακές κατασκευές, όσο και ως πρόταση για τη χρήση στη σύγχρονη δόμηση. Επιπλέον, γίνεται μια προσπάθεια προστασίας της δομής μέσω επιφανειακής επεξεργασίας, με τις μεθόδους της επάλειψης και του εμποτισμού για την παρεμπόδιση της απορρόφησης υγρασίας.Πέρα από του βασικούς ελέγχους που πραγματοποιήθηκαν για τη μελέτη των μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων με βάση τους κανονισμούς για τα παραδοσιακά υλικά, προστέθηκαν στη διατριβή και έλεγχοι που δημιουργήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας. Κυριότεροι εξ αυτών ήταν οι κύκλοι ανθεκτικότητας, οι οποίοι περιείχαν αρκετές ιδιαιτερότητες, καθώς η φύση των πηλοκονιαμάτων είναι αρκετά ευαίσθητη και δε θα μπορούσε να ανταπεξέλθει στους υπάρχοντες κανονισμούς που αφορούν σε σύγχρονα υλικά. Η εφαρμογή των ελέγχων ανθεκτικότητας που αναπτύχθηκαν στην παρούσα διατριβή, κατέστησε ικανή τη μελέτη και τη διερεύνηση των συνθέσεων πηλοκονιαμάτων σε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες. Από τα αποτελέσματα της διατριβής προκύπτει ότι η ενίσχυση των ευαίσθητων αυτών δομών είναι εφικτή, ενώ τα θετικότερα αποτελέσματα εμφανίζει η χρήση αλκαλικών ενεργοποιητών στην αύξηση της αντοχής. Ακόμα, η προσθήκη ινών με διάφορους τρόπους επεξεργασίας, φαίνεται να ενισχύει τη δομή μέσω της αύξησης τόσο των μηχανικών όσο και των φυσικών χαρακτηριστικών, με τις ίνες κάνναβης να παρουσιάζουν μια ιδιαίτερα συνεκτική δομή. Ομοίως, η χρήση πολυμερών, όπως τα προϊόντα Sika ViscoBond και PRIMAL™ TX-100, καταφέρνει να βελτιώσει τα μηχανικά και τα φυσικά χαρακτηριστικά, ενώ η χρήση των ρευστοποιητών δεν αποδείχθηκε τόσο ευεργετική όσον αφορά στη βελτίωση των νωπών ιδιοτήτων. Στην περίπτωση των νανοϋλικών, ο συνδυασμός των προσμίκτων νανοαργίλου και σκόνης λατέξ (DOW™ Latex Powder), φαίνεται να είναι πιο αποδοτικός συγκριτικά με τη χρήση της νανοαργίλου μεμονωμένα, τόσο στα μηχανικά χαρακτηριστικά, όσο και στους ελέγχους ανθεκτικότητας. Από τη χρήση διαφόρων κονιών διαπιστώνεται η ευεργετική δράση του μπεντονίτη σε αρκετές ιδιότητες, ενώ η χρήση της ιπτάμενης τέφρας και της σκωρίας υψικαμίνου αποδείχθηκε να επιδρά αρνητικά. Η χρήση των αλκαλικών ενεργοποιητών όπως αναφέρθηκε, απέδωσε θετικότερα στα μηχανικά χαρακτηριστικά, ωστόσο, η μεγάλη απορροφητικότητα των δοκιμίων θεωρείται προβληματική. Επομένως, ο συνδυασμός προσμίκτων που λειτουργήσαν πιο θετικά στα μηχανικά χαρακτηριστικά από τη μία και πιο θετικά στα φυσικά χαρακτηριστικά από την άλλη, πραγματοποιήθηκε για την παραγωγή σταθερών δομών. Οι συνδυασμοί του μεταπυριτικού καλίου με νανοάργιλο και ακρυλικό γαλάκτωμα PRIMAL™ TX-100, απέδωσαν πολύ θετικά, μειώνοντας την απορρόφηση και αυξάνοντας τις μηχανικές ιδιότητες. Τέλος, η χρήση επιφανειακών παραγόντων είναι ικανή να προστατεύσει τις πήλινες δομές και σε βάθος χρόνου, ενισχύοντας τις φυσικές ιδιότητες, ενώ καταδεικνύεται και η επίδραση της τραχύτητας στη διαβρεξιμότητα των επιφανειών.Επιπλέον, στη διατριβή έγινε προσπάθεια συσχέτισης των μεγεθών του συντελεστή τριχοειδούς απορρόφησης c με την πλευρική απορροφητικότητα μέσω σωλήνων Karsten, καθώς και με την απορροφητικότητα που προκύπτει από τον έλεγχο του ανοιχτού πορώδους. Ακόμα, έγινε προσπάθεια συσχέτισης των μεγεθών της θλιπτικής αντοχής σc με το ανοιχτό πορώδες n, καθώς και με τους λόγους των οξειδίων, όπως προέκυψαν από την ανάλυση μέσω του συστήματος EDS του μικροσκοπίου σάρωσης ηλεκτρονίων (SEM). Από τις συσχετίσεις αυτές, παρατηρείται η ύπαρξη γραμμικής συσχέτισης μεταξύ των μεγεθών απορροφητικότητα και συντελεστή τριχοειδούς απορρόφησης, καθώς και η ύπαρξη μιας αντιστρόφως ανάλογης ασθενής γραμμικής συσχέτισης μεταξύ του ανοιχτού πορώδους και της θλιπτικής αντοχής. Ωστόσο, ενδιαφέρον παρουσιάζει η συσχέτιση της θλιπτικής αντοχής με το λόγο οξειδίων SiO2/MgO, καθώς ανιχνεύεται μια εντονότερη γραμμική συσχέτιση μεταξύ των δύο μεγεθών συγκριτικά και με τους υπόλοιπους λόγους οξειδίων. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την παρούσα διατριβή θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη νέων συνθέσεων με ενισχυμένες ιδιότητες, με ικανή χρήση τόσο σε υφιστάμενες όσο και νέες κατασκευές. Επιπλέον, η έρευνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε επόμενο επίπεδο για την ανάπτυξη νέων προϊόντων, όπως των ενισχυμένων ωμοπλίνθων, καθώς και νέων μεθόδων για τη μελέτη των αργιλοπυριτικών συστημάτων, προσθέτοντας δεδομένα για τη δημιουργία προδιαγραφών/κανονισμών για ένα αρκετά ποικιλόμορφο υλικό.