Experimental investigation of gas diffusivity and CO2-binding capacity of cementitious materials

Die zurzeit verwendeten Methoden zur Untersuchung des Karbonatisierungs-widerstandes von Beton basieren auf der direkten Bestimmung des pH-Wertes der oberflächennahen Betonrandzone, die zuvor einer bestimmten Prüflagerung ausgesetzt war (relative Luftfeuchte, spezifische CO2-Konzentrationen). Diese Methoden sind jedoch entweder sehr zeitaufwändig (natürliche Karbonatisierung) oder von fraglicher Praxisnähe (beschleunigte Karbonatisierung). Der physikalisch-chemische Karbonatisierungsprozess beinhaltet zwei Hauptmechanismen: die Diffusion von gasförmigem CO2 in das poröse Netzwerk des Betons und dessen Auflösung und Reaktion mit CaO der ausgehärteten Zementsteins. Die meisten Modelle zur Vorhersage der Karbonatisierungstiefe erfordern den effektiven CO2-Diffusionskoeffizienten und die Menge an karbonatisierbarer Masse als Eingabeparameter. Ziel dieser Arbeit ist es, zwei einfache und zuverlässige Testmethoden zu entwickeln, um diese beiden Eigenschaften zuverlässig und kostengünstig zu bestimmen.Nach Entwicklung und Validierung einer geeigneten Testmethode zur Messung von Sauerstoffdiffusionskoeffizienten (De,O2), wurden diese an neun verschiedenen Zementproben gemessen, die bei unterschiedlichen relativen Luftfeuchten vorkonditioniert wurden. Anschließend wurden 44 verschiedene Betonmischungen geprüft. Bei diesen wurde die Hydratationsdauer und der Wasserbindemittelwert variiert. Die Abhängigkeit des Sauerstoffdiffusionskoeffizienten De,O2 von der getesteten Betonprobendicke wurde im trockenen Zustand und nach Konditionierung bei 93% relativer Luftfeuchtigkeit untersucht. Der Sauerstoffkoeffizient De,O2 wurde vor und nach der vollständigen Carbonisierung von sechs Betonmischungen bestimmt, die zuvor bei unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit vorkonditioniert worden waren. Eine zweite Testmethode wurde entwickelt, um die momentane CO2-Bindekapazität und die Menge an karbonatisierbarer Masse aus pulverförmigen Zementhydratpasten und synthetischen wasserfreien Produkten und Hydraten zu bestimmen. Die Proben wurden zunächst in offenen Systemen bei einer CO2-Konzentration in der Umgebung und einer kontrollierten relativen Luftfeuchtigkeit gegeben, um danach dann in eine geschlossene Konfiguration umzuwechseln. So konnte man die CO2-Aufnahme über einen kurzen Zeitraum nachverfolgen. Die Testmethode ermöglicht die Messung der Karbonatisierungsreaktionsrate und –kapazität in Abhängigkeit der Zeit unter verschiedenen relativen Luftfeuchten der Umgebungsluft. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der Testmethode und der thermogravimetrischen Analyse festgestellt, was die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der entwickelten Untersuchungsmethodik unterstreicht.Die Ergebnisse beider Tests wurden als Input für Vorhersagemodelle für den zeitabhängigen Karbonatisierungsfortschritt von Beton verwendet. Es wurde eine Korrelation zwischen der gemessenen Karbonatisierungstiefe an verschiedenen Beton- und Zementhydratmischungen mittels Phenolphthaleinlösung untersucht, wobei u. a. Karbonatisierungstiefen bestimmt nach natürlicher Lagerung mit berechneten/vorhergesagten Karbonatisierungstiefen, die mithilfe der vorgestellten Modellierung und Inputdaten aus Test miteinander verglichen wurden.
The current standardized methods used to investigate the carbonation performance of concrete are based on the direct determination of the pH variation on the surface of a concrete specimen exposed to ambient or higher CO2 concentration. These methods are either time-consuming (natural carbonation) or of a questionable accuracy (accelerated carbonation). The carbonation physicochemical process involves two major mechanisms: gaseous CO2 diffusion into the cementitious material’s porous network and its dissolution and reaction with CaO of the hardened cement paste. Most carbonation depth prediction models require the CO2-effective diffusion coefficient and the amount of carbonatable products as input parameters. Hence the aim of this work is to develop two simple and reliable test methods to determine these two properties in a reliable and cost-effective manner.First we developed and validated a test method to determine the oxygen-effective diffusion coefficient (De,O2) of nine different hardened cement pastes preconditioned at different relative humidity levels, and 44 concrete mixtures. The influence of the hydration duration, water-per-binder ratio, accelerated carbonation, and binder type on the oxygen diffusivity was investigated. The dependence of the De,O2 on the tested concrete specimen thickness was investigated at the dry state and after conditioning at 93%RH. The De,O2 was determined before and after full carbonation of six concrete mixtures previously conditioned at different RH. A correlation between oxygen permeability and diffusivity is investigated on 44 concrete mixtures.A second test method is developed to determine the instantaneous CO2 binding rate and the amount of carbonatable products of powdered hydrated cement pastes and synthetic anhydrous and hydrates. The samples were carbonated in open systems at ambient CO2 concentration and controlled relative humidity, and then the system switches into a closed configuration while the measurement of the CO2-uptake is performed over a short period of time. The test method allows for the measurement of the carbonation reaction rate and capacity; and their evolution as function of time under different RH. The developed method shows advantages for being nondestructive, allowing the samples to carbonate at controlled CO2 concentration and humidity, and providing measurements with low cost equipment. A good agreement between the test method results and thermogravimetric analysis was observed, which highlights the reliability and accuracy of the developed test method.The results obtained from the gaseous diffusion coefficient and carbonatable products test methods were used as inputs for carbonation depth prediction models. A correlation was investigated between the measured carbonation depth on different concrete and hydrated cement pastes mixtures by means of phenolphthalein solution under both natural and accelerated exposure. The results were compared with the calculated carbonation depth using our experimental results.
Actuellement, les méthodes d’essais normalisées, couramment utilisées pour étudier la carbonatation du béton, s’appuient sur l’évaluation de la chute du pH (