Betonitutkimusseminaari 2016 Sementtiä korvaavat aineet; mahdollisuudet ja rajoitteet. TkT Anna Kronlöf, VTT Expert services Oy

Transkriptio

1 Betonitutkimusseminaari 2016 Sementtiä korvaavat aineet; mahdollisuudet ja rajoitteet TkT Anna Kronlöf, VTT Expert services Oy

2 Sementin CO 2 -päästöt Kalkkikivi CaCO 3 H20 Kivi Sementti Portland sementin valmistus

3 Portland sementin valmistus Sementin CO 2 -päästöt Uusiutuvat energialähteet Kalkki-kivi

4 Sementin CO 2 -päästöt Sementtä korvaavat aineet: Geopolymeerit Alkaliaktivoidut materiaalit

5 KL Scrivener, A Nonat. Hydration of cementitious materials, present and future, Cem.Concr.Res. 41 (2011) 651.

6 Pii KL Scrivener, A Nonat. Hydration of cementitious materials, present and future, Cem.Concr.Res. 41 (2011) 651.

7 Sementti + silika reaktio 1) Sementti +vesi -> Ca(OH) 2 + C-S-H + (vähän muuta) 2) Ca(OH) 2 + silika -> C-S-H

8 Kalsiumsilikaatit + vesi. Onko reaktio mahdollinen? [3] KL Scrivener, A Nonat. Hydration of cementitious 27/10/2016 materials, present and future, Cem.Concr.Res. 418 (2011) 651.

9 Kalsiumsilikaatit + vesi. Onko reaktio mahdollinen? Able Unable [3] KL Scrivener, A Nonat. Hydration of cementitious 27/10/2016 materials, present and future, Cem.Concr.Res. 419 (2011) 651.

10 Nopeus Ei riitä, että reaktio on mahdollinen. Sen pitää olla nopea.

11 Nopeus 27/10/

12 Sementti CSH

13 Nucleation Dissolution [Ca 2+ ] ~ 5 nm OPC [SiO 4 4- ] [OH - ] Growth

14 Nopeus Rate of heat evolution during hydration of alite, (w/c=0.4). Stage 1 (dissolution), stage 2 (induction also termed dormant period), stage 3 acceleration period, stage 4 deceleration period and stage Scrivener, A Nonat. Hydration of cementitious materials, 5 slow hydration present and future, Cem.Concr.Res. 41 (2011) 651.

15 Nopeus Nopeus edellyttää: Reaktion alkuvaiheessa muodostuu runsaasti nuklideja. Liukeneminen on riittävävän nopeaa tuotteiden muodostumiseksi. Esim. Masuunikuonalta ja silikalta puuttuvat molemmat ominaisuudet. Tarvitaan OPC ja/tai alkaliaktiovointi sekä nuklidien muodostamiseen että liukenemisnopeuden lisäämiseen Kuonan ja silikan koostumus on reaktiopotentiaalin kannalta hyvä, mutta ne eivät toimi yksin.

16 Alumiini KL Scrivener, A Nonat. Hydration of cementitious materials, present and future, Cem.Concr.Res. 41 (2011) 651.

17 Geopolymeeri Alumiinisilkaatti + vesi -> alumiinisilikaattihydraatti Alkaline depolymerization of the layered structure of the calcined kaolinite; Formation of monomeric and oligomeric species, including the "ortho-sialate" (OH) 3 -Si-O-Al-(OH) 3 molecule In the presence of waterglass (soluble potassium silicate), cyclic Al-Si structures form, whereby the hydroxide is liberated by condensation reactions and can reacts again Geopolymerization (polycondensation) into higher oligomers and polymeric 3D-networks.

18 Geopolymeeri Sideaineen ja geopolymeerin valmistus Alumiini-silikaattimineraali Kalsinointi Dehydraatti, muuttunut kidemuoto -> sideaine Geopolymeeri = kovettunut tuote Kaoliini Kalsinointi Metakaoliini -> sideaine Geopolymeeri = kovettunut tuote

19 Alumiinisilikaattien rakenne Tetraedri O O O Si Me + O Al O O O O O O O O O O O

20 Alumiinisilikaattien rakenne Oktaedri Fe Al

21 Kaoliini Tetraedri Oktaedri Si Al, Fe Tyhjää

22 Metakaoliinin muodostuminen (Kalsinoitu kaoliini - sideaine) Kaoliinin kalsinoinnissa Vesi poistuu Kiderakenne hajoaa Erityisesti alumiinikerroksen rakenne muuttuu. -Tarkka rakenne ei ole tiedossa Kalsinointi? Kaoliini Metakaoliini

23 Geopolymeerin muodostuminen Metakaoliini + Vesi + Emäs. Esim. vesilasi (alkiaktivointi) OH palautuu liuotukseen Emäksinen liuotus [OH ] Tetraedrit liukenevat Luoksessa monomeerejä, oligomeereja Kiinteä geopolymeeri

24 Geopolymeeri Mahdollisuudet ja rajoitteet CO 2 Kaoliini on maailma yleisimpiä mineraaleja. Myös muilla savilla on havaittu vastaavia ominaisuuksia. Tarvitaan emäs reaktion käynnistämiseen. Työturvallisuus. Työmaat. Uudet laitteet Säilyvyys Alkaalikiviainesreaktio ei ongelma - varmistettava Massojen käyttäytyminen muuttuu. Työstettävyys muuttuu. Uudet tuotteet Normit Ohjeet Kaikki muuttuu

25 Pii + alumiini KL Scrivener, A Nonat. Hydration of cementitious materials, present and future, Cem.Concr.Res. 41 (2011) 651.

26 Sementti + aluminaattisilkaatti Kemiallinen reaktio 1) Sementti + vesi -> Ca(OH) 2 + C-S-H (+ vähän muuta) 2) Ca(OH) 2 + alumiinisilikaatti -> C 4 AH 13 tai C 3 AH 6 (+ yms) Tai 3) Ca(OH) 2 + aluminaattisilikaatti -> C 2 ASH 8 Eli..

27 Sementti + alumiinisilikaatti Kemiallinen reaktio Sementti reagoi kalsinoitujen alumiinisilikaattien kanssa ja muodostaa sideainetta, jossa C-S-H lisäksi muodostuu alumiinia sisältäviä tuotteita C-A-S-H. Näitä muodostuu myös muiden alumiinia sisältävien pozzolaanien kuten masuunikuonan ja lentotuhkan kanssa.

28 Sementti + alumiinisilikaatti (esim metakaoliini) Mahdollisuudet ja rajoitteet Alkaliaktivointia ei tarvita vrt. geopolymeeri. Uudet sideaineseokset voidaan ottaa käyttöön vähitellen. Aluminaatit parantavat raudoitteiden säilyvyyttä kloridien aiheuttamaa korroosiota vastaa. Aluminaatit ja sulfaatti korroosio. Kirjallisuuden mukaan aluminaatit parantavat sulfaatin kestävyyttä. Asia pitää varmistaa. Normit ja ohjeet päivitetään siten, että seosten käyttö helpottuu. (By 65 taulukot 3.2 ja 3.3). Nykykäsityksen mukaan reaktio ei paranna varhaislujuutta. Asialle pitää tehdä jotain.

29 Uudet sideaineet paremmat betonit Tulevaisuudessa tunnistamme eri sideaineiden potentiaaliin. Niillä on omat tehtävänsä. Jotkut liukenevat nopeasti ja tuottavat materiaalia nukleaatioon ja reaktiotuotteiden kasvuun. Jotkut edistävät muiden aineiden liukenemista. Jotkut toimivat nukleaatioalustana. Jotkut tuottavat pintaa nukleaatiolle. Jotkut tiivistävät materiaalia. Jotkut parantavat säilyvyyttä.

30 Kiitos!