Micromechanical analysis of blended cement-based composites

Abstract

Za účelem snížení emisí CO2 vznikajících při výrobě betonu přistoupil cementářský průmysl k vývinu alternativních pojiv, které vzniknou smícháním Portlandského cementu s doplňkovými cementovými příměsmi jako např. struska a popílek, případně dalšími inertními materiály jako např. mikromletý křemen anebo vápenec. Motivací pro tuto disertační práci byla skutečnost, že směsné cementy vykazují rozdílné vlastnosti v porovnání s Portlandským cementem. Za účelem zlepšení předpovědi výsledných vlastností kompozitů na bázi směsných cementů je v této práci použit komplementární, experimentálně-modelovací přístup. První část disertační práce se zabývá experimenty a je zde podrobně popsáno vytvoření obsáhlé databáze výsledků získaných kombinací metod určených pro charakterizaci mikrostruktury cementových past a vývoj jejich mechanických vlastností. Charackterizace mikrostruktury byla provedena v 1, 3, 7, 28 a 91 dnech po smíchání cementu s vodou za použití kombinace termické analýzy, RTG difrakce a rastrovacího elektronového mikroskopu s detektorem odražených elektronů. Výstupem byl vývoj objemového zastoupení materiálových fází pro jednotlivé cementové pasty v čase. Následně byl zdokumentován vývoj mechanických vlastností cementových past od okamžiku odbednění vzorku po 24 hodinách až do stáří 91 dnů. Statické měření vývoje modulu pružnosti bylo prováděno každou hodinu během prvních osmi dnů stáří vzorku. Dynamické měření modulu pružnosti bylo prováděno soubežně se statickým měřením podle metodiky vyhodnocení rychlosti šíření ultrazvukové vlny v isotropním materiálu. Vývoj jednoosé tlakové pevnosti byl změřen na vzorcích cementové pasty a malty v časech 1, 3, 7, 28 a 91 dnů. Vývoj tahové pevnosti cementových past byl změřen v časech 1, 3, 28 a 91 dnů. Nově byla založena databáze "CemBase" za účelem shromáždění výsledků zkoušení cementových past nejen v rámci této práce, ale zejména z dostupné literatury. Databáze "CemBase" obsahovala ke dni odevzdání této práce 399 položek, přičemž přibližně 20 % dat bylo naměřeno v rámci této práce a zbývajících přibližně 80 % dat pochází z literatury. V druhé části disertační práce je popsáno modelování vývoje pevnosti cementových past za pomoci dvou komplementárních přístupů: pomocí metody konečných prvků a pomocí mikromechaniky kontinua. Při homogenizaci metodou konečných prvků je použit materiálový model založený na nelineární lomové mechanice se zohledněním isotropního poškození. Tento materiálový model je použit při modelování nanoskopických "vápenato-křemičitých hydrátů'' (C-S-H) za účelem predikce výsledné jednoosé tlakové pevnosti na úrovni makroskopické cementové pasty s přihlédnutím k nerovnoměrné distribuci C-S-H v okolí slínkových zrn. Model klade důraz na C-S-H jakožto základní stavební kámen mikrostruktury cementových past a nově zavádí popis mikrostruktury za pomoci C-S-H a kapilární porozity. Současně také analyzuje klíčové faktory, které ovlivňují tlakovou pevnost cementových past

In order to reduce CO2 emissions associated with the production of building materials, the cement and concrete industry has developed new binders by blending ordinary Portland cement with supplementary cementitious materials such as the industrial waste products blast furnace slag and fly ash, and/or with finely ground inert materials such as limestone and quartz. This is setting the scene for the present thesis which is motivated by the fact that the new binders exhibit different hardening characteristics compared to their predecessors that were produced with ordinary Portland cement alone. In order to improve the predictability of properties of blended cementitious materials, a combined experimental-computational approach is used. In the experimental part, a comprehensive test database is elaborated by combining state-of-the-art microstructural characterization techniques and mechanical testing. Microstructural characterization combines methods including thermogravimetric analysis, X-ray diffraction with Rietveld analysis, and scanning electron microscopy, in order to determine the microstructural phase assemblages of the initial raw products as well as 1, 3, 7, 28, and 91 days after mixing with water. This allows for resolving phase volume evolutions point wisely. Mechanical testing, in turn, includes characterization of stiffness and strength. The early-age evolution of static unloading modulus is determined with a test protocol including cyclic loading-unloading tests which are hourly repeated from 24 hours after production up to material ages of 8 days. Dynamic stiffness is determined based on measurements of ultrasonic pulse velocities of longitudinal and shear waves, evaluated on the basis of elastic wave propagation in isotropic media. The uniaxial compressive strength evolution is determined both on pastes and mortars, crushed 1, 3, 7, 28, and 91 days after production. The tensile splitting strength, in turn, is determined 1, 3, 28, and 91 days after production. All the measured data is then stored in a newly established database "CemBase" along with additional data collected from the literature. At the end of this thesis "CemBase" contained information on 399 entries out of which approx. 20 % were measured during the experimental campaign and approx. 80 % were collected from available literature. The computational part focuses on multiscale strength homogenization in the frameworks of two complementary modeling methods: multiscale Finite Element-based homogenization and continuum micromechanics. Finite Element-based homogenization uses nonlinear fracture mechanics with an isotropic damage model to establish a link between nanoscopic calcium-silicate-hydrates and the uniaxial compressive strength of cement pastes, emphasizing the nonuniform distribution of C-S-H around clinker grains. The model focuses on the special role of C-S-H as the main material phase contributing to the macroscopic mechanical properties as well as introduces the C-S-H/space ratio as the main microstructural descriptor. In addition, the model identifies key factors influencing the compressive strength of cement