Thuis
Contacten

    Hoofdpagina


Samenvatting

Dovnload 38.03 Kb.

Samenvatting



Datum29.05.2017
Grootte38.03 Kb.

Dovnload 38.03 Kb.


Samenvatting

Beton kan je de dag van vandaag niet zomaar wegcijferen uit het dagelijkse leven. De grootste bouwwerken zijn namelijk opgetrokken uit beton en dat geeft ons een gevoel van zekerheid en stevigheid. Beton is echter bros. Beton kan goed druk opnemen, maar als het onderhevig is aan trek, kan er scheurvorming optreden zonder grote rekvervorming. Deze scheuren brengen de duurzaamheid in het gedrang als je het materiaal niet tijdig herstelt en daardoor kunnen de kosten torenhoog oplopen. Zeker wanneer schadelijke stoffen het beton binnendringen en vernielen. Voorbeelden zijn bruggen, waar vaak water duidelijk uit de scheuren loopt en de wapening aan het corroderen is. Dit moet snel hersteld worden, maar het kan moeilijk zijn onderaan een brugdek of in minder toegankelijke plaatsen herstellingen uit te voeren aangezien de onderhoudsploegen deze plaatsen niet makkelijk kunnen bereiken. Een tweede voorbeeld is een betonnen weg. Deze zal scheuren en het insijpelen van water in de scheur gedurende vriesperiodes zal zorgen voor putvorming, zeker tijdens strenge winters. Deze putten zijn de oorzaak van schade aan je auto. Maar dit fenomeen zal niet alleen je wagen beschadigen, ook de economie lijdt door de vele opstoppingen, files en herstelwerken.



Hoe kunnen we dit oplossen?

Een antwoord vind je bij jezelf. De mens heeft namelijk de eigenschap zichzelf te herstellen. Een wonde zal na verloop van tijd helen en achteraf zie je geen schade meer. Ook beton kan deze eigenschap hebben. We dienen dit enkel te optimaliseren.

Vier mechanismen en hun gecombineerd effect zijn verantwoordelijk voor de heling in beton. De eerste is de zwellende matrix na het in contact komen met water. De tweede is de blokkering van de scheur door onzuiverheden en losse deeltjes, zoals losgekomen hydratatie producten. Deze twee mechanismen zijn echter niet de hoofdmechanismes van autogene heling.

Er blijven namelijk steeds cement en andere bindmiddelen in het beton aanwezig die nog niet hebben gereageerd. Als regenwater hiermee in aanraking komt, zal het cement verharden en het beton herstellen. Dit is verdergaande cement-hydratatie. Ook vormen er zich kristallen in de scheuren. Er bevindt zich namelijk calcium in het beton dat calciumcarbonaat kan vormen door in contact te komen met koolstofdioxide-gas uit de omgeving dat opgelost is in water. Als we nu deze twee mechanismes zouden stimuleren, dan zou er een materiaal verkregen worden dat zichzelf perfect zou helen en zou resulteren in een lagere herstelkost.

Drie condities zijn van belang voor autogene heling. De eerste is de aanwezigheid van bouwstenen voor heling. De calcium ionen in de matrix en een hoog aanwezig gehalte aan ongehydrateerd cement en puzzolane materialen zijn hierbij van belang. Deze zijn aanwezig door een weldoordachte mengeling met een lage water/binder factor. De mengeling werd geoptimaliseerd door het variëren van het type binder en de water/binder factor.

De tweede conditie is de restrictie in scheurwijdtes aangezien enkel kleine scheuren zelfheling vertonen. Bij grote scheuren zijn de bouwstenen voor totaal herstel namelijk onvoldoende aanwezig. Indien je jezelf zou snijden, zal je lichaam ook niet in staat zijn zichzelf snel en efficiënt te helen als de snijwonde te groot en te diep is. De scheurwijdte in beton kan beperkt worden door het inmengen van microvezels. Microvezels zijn dunne vezels en geven een soort van uniform verspreid driedimensionaal wapeningsnet. Door de microvezels zal er zich geen grote nadelige scheur vormen. Bij de start van een scheur, bij het bereiken van de treksterkte van het beton, zullen de vezels namelijk de krachten opnemen door brugvorming. Dit kan je inzien als volgt. Als je een vinger in je handpalm steekt en dan trekt, zal je door wrijving hard moeten trekken. Dit principe is hetzelfde in beton waar vele vezels als vingers dienen om de scheur te overbruggen. Doordat de vezels de kracht opnemen, zal het beton ergens anders scheuren en vormen opnieuw andere vezels een brug. Dit gaat door totdat je zo hard aan je vinger trekt dat je deze uit je hand trekt. In beton heb je dan meervoudige scheurvorming waarbij meerdere kleine scheuren ontstaan in plaats van één enkele grote scheur. De gevormde kleine scheuren kunnen wel heling vertonen en het materiaal kan volledig herstellen. Een groot voordeel van vezels en meervoudige scheurvorming is de grote ductiliteit; de buiging en rek van het beton. Deze eigenschap is heel handig om krachten en verplaatsingen tijdens aardbevingen op te nemen zonder een direct bezwijken van het gebouw. Verschillende vezeltypes werden bestudeerd, waaronder synthetische microvezels en natuurlijke vezels als groen alternatief. De mengelingen werden geoptimaliseerd en de natuurlijke vezels werden chemisch behandeld om hun ductiele capaciteit te verbeteren.

De derde conditie is de blootstelling aan een vochtige omgeving. Als mens hebben we bloed nodig en dit bloed is water voor beton. Zonder water is er geen heling. Het water is voorradig door het inmengen van superabsorberende polymeren die tot 500 keer hun eigen gewicht aan vloeistoffen kunnen opnemen. Superabsorberende polymeren zijn ketens met geladen groepen, verbonden door verschillende crosslinks. Door osmotisch druk zullen de polymerische ketens uiteengedreven worden, waardoor het polymeer zwelt. Hun gebruik situeert zich in hygiënisch materiaal zoals pampers en in slimme pillen die medische stoffen met verloop van tijd afgeven. De ziekte in dit onderzoek is niet menselijk, maar is de scheurvorming van het beton door de opgelegde lasten. De superabsorberende polymeren nemen eender welk vocht op uit de omgeving en geven dit af aan het beton. Het vocht dient voor de zelfheling van het materiaal. Ze zijn in staat tot vier keer hun eigen gewicht in vocht op te nemen vanuit de omgeving. Dit werd bestudeerd door middel van dynamische vocht sorptie proeven, waarbij de massa bestudeerd wordt bij het veranderen van de relatieve vochtigheid. In een alkalisch milieu zoals beton zijn de polymeren in staat slechts een vijfde van hun zwelgedrag in water te vertonen. Dit komt door de afscherming van geladen groepen door de kationen die in de poriënvloeistof aanwezig zijn. Ook is er een sterke complexatie van divalente en trivalente ionen met de geladen groepen van het polymeer, waardoor er extra crosslinks optreden en dus ook minder zwelling. Verschillende superabsorberende polymeren, waaronder één zelfgemaakt, werden bestudeerd op het zwellend gedrag, hun kinetiek, levensduur en degradatie.

Door hun zwellend gedrag zullen superabsorberende polymeren een deel van het mengwater opnemen. Vandaar werd steeds extra water toegevoegd om aan dit verlies in verwerkbaarheid tegemoet te komen. Dit water wordt tijdens verharding aan de matrix gegeven, waardoor de autogene krimp volledig wordt gecompenseerd. Achteraf blijven lege macro poriën achter. Dezen blijken de vorst/dooi resistentie te verhogen maar zijn nefast op het gebied van sterkte.

Net doordat deze polymeren water opnemen, verlaagt de effectieve water/cement factor waardoor de microstructuur verandert en denser wordt. Dit aspect dient onderzocht te worden aangezien de transporteigenschappen in het cementgebonden materiaal afhankelijk zijn van de water/cement factor. Vochttransport kan hierbij niet begrepen worden zonder kennis van de vochtfixatie in de poriën. Water sorptie is daarom belangrijk.

Twee methodes worden gebruikt om vochttransport te bestuderen. Deze zijn de statische en dynamische test. De dynamische methode om de micro- en meso-porositeit te bestuderen wordt niet vaak gebruikt voor cementgebonden materialen en vele vragen rijzen op over de proefstukvoorbereiding, meettechniek en interpretatie van de verkregen isothermen. Verschillende parameters werden daarom bestudeerd om waardevolle informatie te verkrijgen over de microstructuur van het proefstuk, zoals de connectiviteit, distributie en specifieke oppervlakte. Verschillende drogingsmethodes en modellen (Barrett-Joyner-Halenda en Dubinin-Radushkevich) werden toegepast op cementgebonden materialen. Het is een nieuwe veelbelovende techniek om extra informatie te geven over en inzicht te bieden in cementgebonden materialen, al dan niet met superabsorberende polymeren.

Door overmatige scheurvorming kunnen ongewenste deeltjes of vloeistoffen via de scheuren naar binnen treden en zo het beton van binnenuit aantasten. Superabsorberende polymeren zwellen na contact met een vloeistof en blokkeren de scheur waardoor ze de indringing van deeltjes verhinderen. De permeabiliteit kon bestudeerd worden door middel van water permeabiliteitstesten, capillaire absorptieproeven en neutronen radiografie. Een gehalte van één massapercent ten opzichte van het cementgegehalte aan SAPs bleek effectief de scheur te kunnen dichten. Dit zelfdichtend effect is een interessante eigenschap van het gebruik van de superabsorberende polymeren.

Het herstel in mechanische eigenschappen werd bestudeerd door herhaalde vierpuntsbuigproeven op verschillende leeftijden van de proefstukken. De proefstukken werden eerst belast tot een rek van 1% en werden dan opgeslagen in drie verschillende helingscondities. De eerste is een combinatie van nat/droog cycli waarbij proefstukken eerst een uur in water werden gebracht en vervolgens de overige 23 uur in een standaard laboratorium conditie met een relatieve vochtigheid van 60%. De tweede conditie is de opslag onder een relatieve vochtigheid van meer dan 90% en de derde onder 60% relatieve vochtigheid. De proefstukken werden dan belast tot falen. Sommige proefstukken werden opnieuw belast tot 1% rek en opgeslagen in helingscondities vooraleer belast te worden tot falen. Dit was om de herhaalbaarheid van zelfheling te bestuderen. Alle proefstukken werden microscopisch onderzocht op hun scheurdichtende capaciteit en de samenstelling van de helende producten werd bepaald door middel van een elektronenmicroscoop uitgerust met een elementaire detector.

Het materiaal zonder superabsorberende polymeren in nat/droog cycli is in staat om totale visuele heling te vertonen in scheuren tot 30 µm. Wanneer de polymeren wel werden ingemengd, bleken scheuren tot 100 µm en groter volledig te dichten, hoofdzakelijk door calciumcarbonaat kristallisatie. De polymeren helpen het dichten van grotere scheuren waardoor het materiaal sneller en beter herstelt. Ze zwellen na het in contact komen met een vloeistof, geven de opgenomen vloeistof af voor zelfheling en realiseren zo een herwonnen dichtheid van het beton. Na hun afgifte van vocht kunnen de superabsorberende polymeren opnieuw vocht opnemen en afgeven, wat zorgt voor een gesloten keten. Dit is nuttig in droge regionen waar het weinig regent, maar ook in regionen waar het veel regent. In de droge tussenperioden in België is er namelijk zo water voorradig. In een relatieve vochtigheidsconditie is er enkel zichtbare heling waarneembaar in proefstukken met superabsorberende polymeren. Hun vochtopname lijkt voldoende om een lichte vorm van autogene heling te stimuleren. Deze vorm van heling bestaat voornamelijk uit verdergaande hydratatie en de puzzolane activiteit van vliegas.

Deze helingsproducten; hebben ze enige vorm van sterkte?

Het herstel in sterkte diende bestudeerd te worden. Eerst en vooral moet er gezegd worden dat de sterkte van de materialen met één massapercent aan SAPs en het referentie-materiaal onderling geen significant verschillende sterkte hebben. Hogere gehaltes aan superabsorberende polymeren zouden leiden tot lagere sterktes door meer gevormde macro poriën.

In nat/droog cycli is er een sterkteherstel van 45% in proefstukken zonder superabsorberende polymeren en geen heling in standaardcondities. Met deze polymeren is er echter een gedeeltelijke heling van 25-40% in een relatieve vochtigheid van 60% en 40-55% herstel bij meer dan 90%. De vochtopname door de polymeren lijkt voldoende om enige vorm van zelfheling te stimuleren in standaardcondities. Deze nieuwe en interessante eigenschap kan zelfheling binnenshuis stimuleren waar regen of water niet voorhanden is. De polymeren vervullen zo de voorwaarde voor de aanwezigheid van water. In nat/droog cycli kan het materiaal met superabsorberende polymeren volledig herstellen en 70-100% van haar mechanische eigenschappen wordt herwonnen.

Als de helingsproducten driedimensionaal door middel van microtomografie worden gevisualiseerd, kunnen dezelfde conclusies getrokken worden. Door zelfheling moeten geen manuele reparaties meer toegepast worden. Dit verhoogt de betrouwbaarheid en bedrijfszekerheid van constructies.



Samenvattend zorgt de combinatie van microvezels en superabsorberende polymeren voor verbeterde zelfhelende eigenschappen, waardoor het materiaal minder onderhoud en kosten vergt. Meervoudige scheurvorming, zelfdichting en zelfheling onder de vorm van verdergaande hydratatie en calciumcarbonaat kristalvorming, zullen de duurzaamheid verhogen. Op deze manier wordt een betrouwbaar materiaal verkregen, onafhankelijk van de omgevingscondities.

Abstract

Concrete is an excellent material to take up compressive forces. But, due to the low tensile strength, concrete is very brittle. When tensile forces are acting, the concrete may crack. This cracking leads to the ingress of water, and with that, to the ingress of potentially harmful substances. These substances will enter the cracks and will cause the deterioration of concrete from inside out. In this way, the durability of concrete is endangered. If you do not repair it in time, the costs will rise sky high. Examples are bridge decks, where water is pouring out of the cracks and where reinforcements are corroding inside. This needs to be repaired. But, it can be very difficult to reach cracked concrete underneath a bridge deck since maintenance crews cannot get to it. A second example is a concrete road, which will crack, and due to the freezing conditions water inside the cracks will expand. This can lead to so-called pitting, which causes damage to your car. Not only your car is damaged, also the economy is damaged because there are many traffic jams due to repair times on the roads.



But how can we solve this?

Well, we do not need to look too far, because we, humans, are the answer. We are able to heal cuts, bruises and broken bones and this property is also available in concrete. You only need to improve it.

There are four main mechanisms for autogenous healing in cementitious materials. The first is the swelling of the cementitious matrix upon contact with water and the second one is the blockage by the crack by impurities or loose particles, like hydration products which came loose due to crack formation. But these two mechanisms are not the main mechanisms of autogenous healing.

The two main mechanisms for this biomimicry are the formation of calcium carbonate crystals and further hydration of both cement and pozzolanic materials like fly ash. The first one needs carbon dioxide to dissolve in water and to react with the free calcium ions in concrete to form calcium carbonate. The second form only needs water to further hydrate unhydrated cement grains present in the cementitious matrix. If you would stimulate these properties, you would get a material which could perfectly heal itself and which will thus result in less repair costs.

For this healing to occur, three conditions need to be fulfilled. The first one is the presence of the ‘building blocks’ for healing, the calcium ions in the cementitious matrix and a fair amount of un-hydrated cement grains and pozzolanic materials in the matrix. This is fulfilled by using a well-thought mixture; a vast amount of cement and fly ash, some superplasticizer, fine silica sand and a low water-to-binder ratio. The mixture composition was optimized to obtain the best autogenous healing capacity. The composition was hereby changed, as well as the type of binder and the water-to-binder ratio.

The second one is the restriction in crack width. If you would cut yourself severely, your body will not be able to heal itself because the cut is too wide. This is the same in concrete, so the crack width needs to be limited. This is reached by mixing in an appropriated amount of microfibres. When mixed, they are evenly and randomly distributed in the cementitious matrix. If prisms are loaded under four-point-bending and when cracking occurs, the fibres become active and will bridge the crack and transfer the load. This will force the matrix to crack somewhere else, leading to the formation of multiple cracking. So, in this way, not one large crack, but several small cracks are formed, increasing the ductility of the material. Different fibre types were studied, including synthetic types and the cheaper natural fibres as a green replacement for synthetic microfibres. The history of microfibre-reinforced cementitious materials will be discussed first. Then, the mixtures will be optimized and a chemical treatment of the natural fibres to obtain multiple cracking and to reduce the degradation in an alkaline environment was performed.

The third criterion is the exposure to environmental conditions. We humans need blood and that blood is water for concrete. If the concrete would not be exposed to water, there will be no healing. That water is provided by superabsorbent polymers. These polymers have a polymer chain with electrically charged groups, interconnected with crosslinks. An important property of superabsorbent polymers is the amount of fluid they can absorb. Due to osmotic pressure, the polymeric chains expand, causing the swelling. Exposed to de-ionized water, they are able to take up three hundred times their own weight in water and four times their weight in moisture. This was investigated by using dynamic vapour sorption. Dynamic vapour sorption is a way to increase the relative humidity by mixing an amount of dry and humid nitrogen gas and to record the mass compared to a reference. In an alkaline environment, however, there is less swelling due to charge-screening effects by cations like calcium ions and complex formation of divalent and trivalent ions with carboxylate groups. This causes additional crosslinking, and the polymer to swell less. The absorption value in cement filtrate is five times lower than the value in de-ionized water due to the just-mentioned causes. The superabsorbent polymers used in this investigation are a copolymer of acrylamide and sodium acrylate, SAP A, a cross-linked potassium salt polyacrylate, SAP B. Other commercially available polymers were studied as well, together with an in-house synthesized hydrogel on their swelling behaviour, kinetics and degradation and shelf life.

Because the superabsorbent polymers swell, they will absorb part of the mixing water. Additional water was therefore used to counteract the uptake of mixing water by the superabsorbent polymers. During hardening, they will release their stored water for internal curing, leading to a reduction and total mitigation of autogenous strain. Afterwards, empty macro pores remain. These pores are good for frost resistance, but they lower the strength. The air voids and capillary porosity were studied by means of several techniques.

The internal curing will also lead to the densification of the cementitious matrix and this was studied in detail. The concrete pore structure will change by mixing in superabsorbent polymer particles due to the uptake of mixing water. This is unwanted, since the water-to-cement ratio may change. The effect of superabsorbent polymers on the microstructure and the water exchange between superabsorbent polymers and the matrix will be investigated. This will lead to a better understanding of the moisture movements in the composite, and also for self-healing in standard laboratory conditions. Furthermore, moisture transport processes cannot be understood without the knowledge of the moisture fixation in the concrete pore system. Water sorption is therefore a key parameter.

There are two important methods for characterizing water vapour transport processes; using semi-equilibrium or dynamic gravimetric methods. The micro- and mesopores were studied by means of dynamic vapour sorption. The method, however, is not frequently used in concrete applications and a lot of questions remain regarding sample preparation, measuring procedure and interpretation of the isotherms. Therefore, several parameters need to be investigated to optimize the method and to obtain valuable information concerning the effect of humidity on self-healing. Scanning and analysis of water vapour sorption isotherms can give useful information concerning the structure of porous materials like connectivity, inkbottle porosity, pore size distribution and specific surface area. Different drying techniques and models (Barrett-Joyner-Halenda and Dubinin-Radushkevich) were applied to cementitious materials. Dynamic vapour sorption is a new promising technique to give additional insights in the field of cementitious materials with and without superabsorbent polymers and gives new information on their microstructure.

Due to the swelling ability of the superabsorbent polymers, they are able to seal a crack. The permeability could be visualized by means of low-pressure and high-pressure water permeability tests, capillary absorption tests and neutron radiography. Specimens with superabsorbent polymers are able to seal a crack due to the swelling of superabsorbent polymers at the crack faces, if one mass percent of cement weight of SAPs is added. This self-sealing is thus an interesting feature of superabsorbent polymers.

The regain in mechanical properties was investigated as well by performing repeated four-point-bending tests at different ages. To study the influences of superabsorbent polymers on the self-healing properties, the specimens were first loaded under four-point-bending until 1% of strain, and were then stored in three different curing conditions. These first one was storage in wet/dry cycles where the specimens are stored in water for an hour, and 23 hours in standard laboratory conditions with a relative humidity of 60%. The second curing regime is storage at a relative humidity of more than 90% and the third at a relative humidity of 60%. Then, specimens were reloaded until failure. Also, to study the repeatability of autogenous healing, some specimens were reloaded with an additional 1% strain and are cured again. After this second healing period, the specimens were loaded until failure. In the meantime, specimens were microscopically observed and backscattered-electron scanning electron microscopy was used to study the formed healing products.

The material is able to visually heal itself perfectly. In wet/dry cycles, cracks up to 30 µm in specimens without superabsorbent polymers were closed completely. When mixing in superabsorbent polymers, cracks up to 100 µm and further were able to close in wet/dry cycles, mainly due to calcium carbonate crystallization, as microscopically observed and by means of elemental analysis by scanning electron microscopy. So, superabsorbent polymers are able to take up water, to hold it and to provide it to the cementitious matrix for self-healing. After providing the water to the cementitious matrix, the superabsorbent polymers are able to take up water again, resulting in a closed loop. Even at a relative humidity condition, parts of the cracks were visually closed in specimens with superabsorbent polymers, proving that their moisture uptake capacity seems to be sufficient to promote some autogenous healing. This healing was mainly further hydration and pozzolanic activity of the fly ash.

But, these healing materials; are they strong enough?

Therefore, the regain in mechanical properties was investigated. First of all, the strength is approximately the same when using one mass percent of SAPs. If larger amounts would be used, the strength would decrease due to the formation of more macro pores.

There is healing up to 45% of specimens without superabsorbent polymers and in standard laboratory conditions, there is no healing. But, when using superabsorbent polymers, there is partial healing in standard laboratory conditions; 25-40% at a relative humidity of 60% and 40-55% at more than 90%. So, the moisture uptake by the superabsorbent polymers seems to be enough to promote autogenous healing in standard laboratory conditions. This new feature can promote self-healing materials indoors and for structural components that are not exposed to rain. In this way, superabsorbent polymers may be used as a replacement for the environmental condition (water) to introduce crack-healing, even in air. In wet/dry cycles, the material heals perfectly and regain of 70-100% of its mechanical properties is achieved. Even repeated healing is possible.

The healing products were visualized three-dimensionally by means of X-ray computed microtomography. The same results were found. Self-healing provides a complete or partial healing of the mechanical properties after crack formation. This happens in situ, meaning that no action has to be undertaken like manual repair. This improves the reliability and the lifetime of structures, reducing the maintenance costs.



This doctoral thesis will focus on three main parts. First, the teething problems due to mixing in superabsorbent polymers will be addressed. Secondly, the under-used technique for sorption measurements to characterize the porous structure will be optimized. Finally, a smart self-healing cementitious material independent from conditions will be designed.

To conclude, the smart material by the combination of microfibres and superabsorbent polymers will promote multiple cracking and self-healing. Also, the superabsorbent polymers will swell and this will result in a decrease of water ingress. The material thus has self-sealing properties. Due to its self-healing effect, by further hydration and calcium carbonate crystallization, the material will increase the durability and this will result in less maintenance costs needed. In this way, a smart cementitious material which is reliable and independent from the conditions is acquired.


Dovnload 38.03 Kb.