Effect of elevated temperature on cement paste ageing

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-04-14
Department
Major/Subject
Rakennetekniikka
Mcode
R3001
Degree programme
Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
72+7
Series
Abstract
Long-term effects of elevated temperatures (65 °C - 345 °C) on the ageing of concrete and cement paste were studied. According to the literature review, harmful effects on ageing are porosity increase resulting from drying and dehydration of cement minerals, movement of moisture due to the uneven temperature, drying shrinkage, spalling, and carbonation. Delayed ettringite formation was found not to be significant when the exposure of cement paste or concrete to elevated temperatures lasts more than 2 days and there is no water storage after the exposure. The laboratory tests were carried out for studying the effects of elevated temperatures on cement paste. The cement paste specimens made of ordinary or sulphate resisting portland cement were exposed to temperatures of 95 °C, 175 °C and 345 °C for 124 days and also to cooling cycles in water and relative humidity 45%. The specimens were studied with thermal analysis and x-ray diffraction. Compressive strength and porosity tests were also performed. Decreasing of portlandite and increasing of calcite was observed when the exposure temperature was risen. Porosity increased as the exposure temperature increased and compression strength after 124 days in 345 °C was 70-80% of original. Ordinary portland cement behaved better than sulphate resistant cement at elevated temperatures, in respect of porosity and compressive strength. In the study, the ageing was also simulated numerically. The numerical model was implemented in geochemical Crunchflow software. The simulations were compared to the values received from laboratory experiments and the same agreements were observed but also clear deviations indicating needs for further research. The simulations were performed for predicting the phenomena after one and two years of exposure. Simulations showed that even after 124 d in 175 °C not all calcium-silicate-hydrate has disappeared, it did decompose after two years of exposure. According to the calculations at the temperature of 345 °C almost all cement hydrates are decomposed and only dicalciumsilicate is left. Calculations and experimental results suggest that temperature of 95 °C cannot be considered detrimental for cement paste. Temperature of 175 °C is not harmful for short periods, but after 1 year, almost all C-S-H is decomposed. 345 °C is harmful for cement paste also for short periods. In the simulations no differences were observed between the behaviour of different cements at the elevated temperatures.

Työssä tutkittiin kohonneen lämpötilan (65 °C - 345 °C) vaikutuksia betoniin ja sementtipastaan. Kohonneesta lämpötilasta aiheutuva huokoisuuden kasvaminen dehydrataation ja kuivumisen takia, epätasaisesta lämpötilasta johtuva kosteuden siirtyminen, kuivumiskutistuminen, hajoaminen ja karbonatisoituminen ovat kirjallisuustutkimuksen mukaan haitallisia vaikutuksia betonille tai sementtipastalle. Myöhästyneen ettringiitin muodostuminen ei ole mahdollista, jos lämpötilarasitus kestää yli 2 päivää ja sitä ei seuraa vesisäilytys. Kohoneen lämpötilan vaikutuksia sementtipastaan tutkittiin kokeellisesti. Kokeissa käytettiin tavallisesta ja sulfaatinkestävästä sementistä valettuja kappaleita, jotka sijoitettiin lämpötiloihin 95 °C, 175 °C ja 345 °C 124 päivän ajaksi. Osa kappaleista pidettiin myös välillä huoneenlämpötilassa, vesisäilytyksessä tai 45% suhteellisessa kosteudessa. Kappaleille tehtiin huokoisuus- ja puristuslujuuskokeet sekä termovaaka- ja röntgendiffraktioanalyysi. Portlandiitin väheneminen ja kalsiitin lisääntyminen havaittiin analyyseista altistuslämpötilan kasvaessa. Myös huokoisuus kasvoi lämpötilan mukana. Altistuminen 345 °C lämpötilaan laski sementtipastojen puristuslujuutta 20-30%. Huokoisuus- ja puristuslujuuskokeiden vertailu osoitti, että tavallinen portland sementti kesti paremmin lämpötilarasitusta kuin sulfaatinkestävä sementti. Ikääntymistä simuloitiin numeerisella mallilla, joka implementoitiin Crunchflow-ohjelmaan. Simuloinnin tuloksia verrattiin kokeellisesti määritettyihin arvoihin. Yhtäläisyyksien lisäksi arvoissa havaittiin myös eroavaisuuksia, joten lisätutkimukselle on tarvetta. Simulaatioita tehtiin myös yhden ja kahden vuoden aikavälille. Laskentojen mukaan lämpötilassa 345 °C melkein kaikki sementtihydraatit ovat hajonneet ja vain dikalsiumsilikaattia on jäljellä. Laskentojen ja kokeellisten tulosten mukaan 95 °C ei ole haitallinen sementtipastalle. 175 °C lämpötila ei ole haitallinen lyhyellä altistuksella, mutta esimerkiksi vuoden jälkeen melkein kaikki kalsium-silikaatti-hydraatti on hajonnut. 345 °C lämpötila on vaarallinen lyhyilläkin altistusajoilla. Laskennoissa ei huomattu eroja tavallisen ja sulfaatinkestävän sementin välillä.
Description
Supervisor
Puttonen, Jari
Thesis advisor
Kari, Olli-Pekka
Keywords
cement paste, elevated temperature, simulation, cement hydrates, porosity, sementtipasta, kohonneet lämpötilat, simulaatio, sementtihydraatit, huokoisuus
Other note
Citation