Structurele ontwikkeling op jonge leeftijd en autogene krimp van alkaligeactiveerde slakken / vliegascementen

Alkali-geactiveerd cement wordt beschouwd als een veelbelovend milieuvriendelijk alternatief voor  Portland Cement (PC). Naast de milieuvriendelijke prestaties, biedt het met hoogovenslak en vliegas gesynthetiseerde alkali-geactiveerde cement verschillende potentiële voordelen in vergelijking met PC, waaronder een snellere sterkteontwikkeling en een goede weerstand tegen chemische aantasting en brand. Ondanks deze voordelen wordt het aanvaarden en toepassen van alkali-geactiveerd slak/vliegas (AASF) cement in de bouwindustrie belemmerd door hun snelle bindingsgedrag dat resulteert in zeer korte uithardingstijden en grote autogene krimp. Tot op heden is er echter weinig literatuur beschikbaar aangaande dit snel bindingsproces en grote autogene krimp.

Het type activator is een van de belangrijkste factoren die het bindingsproces en autogene krimpgedrag in AASF-cement beïnvloeden. Natriumsilicaat is de meest gebruikte activator in AASF-cement vanwege de hogere of vergelijkbare sterkte-eigenschappen ten opzichte van Portland Cement. Met natriumsilicaat geactiveerde AASF-cementen vertonen echter kritieke minpunten, zoals een snelle binding en grote krimpvervormingen, waardoor hun toepassingen in beton niet verzekerd zijn. Bovendien is natriumsilicaat niet van natuurlijke afkomst, en het productieproces ervan is duur en heeft een grote impact op het milieu. Anderzijds zorgt AASF-cement, dat geactiveerd is met natuurlijk voorkomende mineralen zoals natriumcarbonaat en natriumsulfaat, voor een veel langere bindingstijd en een lagere autogene krimp dan met natriumsilicaat activatie. De fundamentele elementen achter het bindingproces en het krimpmechanisme zijn niet volledig gekend. Het hoofddoel van dit doctoraatsonderzoek is het onderzoek van het bindingsproces en autogene krimpgedrag in AASF-cementen met natriumsilicaat-, natriumcarbonaat- en natriumsulfaatoplossingen via een onderlinge vergelijking van reactiemechanismen, fasevormingen, gelstructuur, stijfheidsontwikkeling, mechanische eigenschappen en poriestructuur. De evolutie van de structuurontwikkeling in de beginfase wordt continu opgevolgd met behulp van de ultrasone P-golfsnelheid (UPV) om het bindings- en verhardingsgedrag te begrijpen. De poriëndruk, veroorzaakt door “zelfuitdroging” wordt berekend en gerelateerd aan de gemeten autogene krimp om zo een beter inzicht te krijgen van dit complexe autogene krimpgedrag in AASF-cement. De scheurvorming onder belemmerde autogene krimp wordt experimenteel onderzocht met behulp van een ringtest. Bovendien wordt de gunstige invloed van de uithardingstemperatuur bij 40° C onderzocht op de beperking van de autogene krimp.

Ongeacht het type activator worden Al-vervangende C-S-H gel en N-A-S-H gel waargenomen als de voornaamste reactieproducten. De gedeeltelijke vervanging van natriumsilicaat door natriumcarbonaat en natriumsulfaat verlaagt de reactiesnelheid aanzienlijk als gevolg van de afname van de alkaliteit (OH- ionen) van de activerende oplossing. Bij gelijke vervanging van natriumsilicaat door natriumcarbonaat en natriumsulfaat vertonen de monsters met natriumcarbonaat een hogere reactiesnelheid als gevolg van de vorming van calciet als nucleatie voor de neerslag van C-A-S-H gels.

Een vergelijking van ultrasone metingen met Vicat bindingstijden en calorimetrische metingen toont aan dat de condensatiereactie tussen de aluminiumsilicaten die nabij het deeltjesoppervlak worden gevormd, hoogstwaarschijnlijk verantwoordelijk is voor het bindingsproces in AASF-cement. Onderzoeksresultaten bevestigen dat zelfuitdroging één van de belangrijkste oorzaken is voor autogene krimp in AASF-cement. Naast zelfuitdroging is ook de Si-polycondensatiereactie op het grensvlak tussen de vaste en vloeibare fase of tussen aangrenzende aluminosilicaten tijdens de inductieperiode van de hydratatie verantwoordelijk voor de autogene krimp.

De autogene krimp van natriumsilicaat geactiveerde monsters vermindert aanzienlijk op jonge leeftijd als natriumcarbonaat of natriumsulfaat in de oplossing wordt opgenomen. De verminderde autogene krimp wordt toegeschreven aan een afname van zelfuitdroging en capillaire spanningen in de porievloeistof. Anderzijds is het zo dat de afname van de visco-elastische vervorming als gevolg van de herschikking van C-A-S-H gels onder interne spanningen de autogene krimp vermindert. Naast het zelfuitdroging mechanisme is ook de vermindering van de Si polycondensatiereactie tijdens de inductieperiode van de hydratatie verantwoordelijk voor een lagere autogene krimp in monsters die met natriumcarbonaat en natriumsulfaat zijn geactiveerd. Als gevolg van de aanzienlijk verminderde autogene krimp en de nauwelijks verminderde treksterkte, zal het tijdstip van scheuren onder belemmerde vervorming op een latere leeftijd plaatsvinden in het geval van activering met natriumcarbonaat en natriumsulfaat.

De verhoging van de verhardingstemperatuur tot 40° C kan de autogene krimp in AASF-cement effectief verminderen. Dit is het gevolg van de onderdrukking van het zelfuitdroging mechanisme als gevolg van de afname van de reactiesnelheid, de vorming van een matrix met een hogere elasticiteitsmodulus op jonge leeftijd, de vorming van meer 3D-gestructureerde N-A-S-H type gels, en een aanzienlijke toename van de kristalliniteit van C-A-S-H type gels.