Leaching of natural gravel and concrete experimental design, leaching behaviour and dissolution rates

Die Dauerhaftigkeit von Baumaterial ist ein Schlüsselkriterium bei der Evaluierung von deren Qualität und Anwendung. Obwohl bereits große Anstrengungen unternommen wurden, sind immer noch signifikante Wissenslücken bei der Evaluierung des Auflösungsverhaltens mittels Experimenten im Labor, sowohl be...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Fuchs, Rita
Format: Master Thesis
Language:English
Published: 2015
Subjects:
Online Access:https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubg:1-88060
Description
Summary:Die Dauerhaftigkeit von Baumaterial ist ein Schlüsselkriterium bei der Evaluierung von deren Qualität und Anwendung. Obwohl bereits große Anstrengungen unternommen wurden, sind immer noch signifikante Wissenslücken bei der Evaluierung des Auflösungsverhaltens mittels Experimenten im Labor, sowohl bei natürlichen Kiesen als auch bei Zement in Tunneln.In dieser Studie wurde ein experimenteller Ansatz entwickelt, der auf dem Auflösungsverhalten von calcithältigen Perlkies und Spritzbeton bei CO2-Angriff basiert. CO2 wurde eingespeist, um Kohlensäure zu erhalten, das als wichtiges Angriffsreagenz bekannt ist. Ziele waren I) die Entwicklung eines experimentellen Aufbaus bei dem die Auflösung von Materialien direkt mitverfolgt werden kann II) die einzelnen chemischen Reaktionen und die Reaktionskinetik zu entziffern und III) die chemische Widerstandsfähigkeit gegen Auflösung der verwendeten Materialien zeitlich abschätzen zu können.Ein kombinierter Durchflussreaktor wurde eingerichtet, bei dem die verschiedenen offenen und geschlossenen Systeme simuliert werden konnten, durch indem Fließraten und richtungen verändert wurden. Die chemische Zusammensetzung der experimentellen Lösungen wurde mit CO2 auf einen konstanten pH gesetzt und sowohl mit pH- und Leitfähigkeitselektroden, als auch mittels chemischer Analyse von Proben überwacht. Aus diesen Daten wurden bei den Kiesen kinetische Parameter wie die Auflösungsrate des enthaltenen Calcits berechnet. Diese hängt vom Calcitgehalt des Kieses ab. Die Raten spiegelten Fließrate und Sättigungszustand wieder und lagen im erwarteten Bereich aus anderen experimentellen Studien im CaCO3-CO2-H2O System. Bei den Zementexperimenten waren die Reaktionen komplizierter. Hier traten gekoppelte Phänomene von Auflösung und Präzipitation auf (Auflösung von Portlandit, Präzipitation von Calcit). Die gekoppelten Reaktionen wurden durch die Entwicklung der Lösungschemie mitverfolgt. The durability of building material in aggressive aqueous environments is a key factor for evaluating product quality and application. Despite of large efforts, still significant gaps of knowledge exist to evaluate the leaching behaviour of natural gravel and concrete used for tunnel buildings from laboratory experimental approaches. In the present study an experimental approach based on leaching behaviour of natural calcite-containing siliceous gravel used as backfill material in tunnelling and sprayed concrete by CO2 was developed. CO2 was introduced to form carbonic acid, which is known as an important agent to induce chemical attack. The goals of this study were (i) to develop an experimental design to survey the leaching of building materials on-line, (ii) to decipher individual reaction mechanisms and kinetics, and (iii) to estimate time-resolved chemical resistance of the used material throughout leaching.A combined flow through reactor unit was installed, where individual open and closed system conditions can be simulated by changing flow directions and rates. The chemical compositions of the experimental solutions were adjusted by CO2 addition at pHstat conditions and monitored in-situ by pH/EC electrodes and by analysing the chemical composition of samples throughout an experimental run. From the obtained data kinetic parameters like dissolution rates with respect to calcite were obtained for the gravel material, which depend on the individual calcite content of the leached material. The rates were found to reflect the flow rate and saturation state conditions, and the kinetic data lay within the range expected from dissolution experiments in the CaCO3-CO2-H2O system. In case of concrete the reactions throughout the leaching experiment were more complex. Coupled dissolution and precipitation phenomena (e.g. portlandite dissolution, calcite formation) occurred. The coupled reactions were followed by the evolution of the solution chemistry. Rita Fuchs Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zsfassungen in dt. und engl. Sprache Graz, Univ. und Techn. Univ., Masterarb., 2015 (VLID)761542