Η ευρύτατη χρήση του τσιμέντου οφείλεται στην χρήση του ως βασικού δομικού υλικού σε σύγχρονες κατασκευές περιλαμβανομένου και του εγκιβωτισμού επικίνδυνων στερεών ή υγρών αποβλήτων. Οι υψηλές τιμές pH και οι πολύπλοκες στερεοχημικές δομές των ένυδρων αλάτων του πυριτικού ασβεστίου (C-S-H gel) στο τσιμέντο, μπορούν να εγκλωβίσουν πολλά χημικά είδη βαρέων μετάλλων στο πλέγμα τους, καθιστώντας τα έτσι ανενεργά. Ο βαθμός σχηματισμού των ένυδρων πυριτικών αλάτων είναι επίσης, ρυθμιστικός παράγων του πορώδους, της σκληρότητας και της αντοχής του σκυροδέματος. Οι κυριότεροι τύποι του C-S-H gel που εντοπίζονται στα συστατικά του τσιμέντου είναι το πυριτικό διασβέστιο Ca2SiO4 και το πυριτικό τριασβέστιο Ca3SiO5. Εύλογα λοιπόν, η μελέτη της θερμοδυναμικής και της κινητικής σχηματισμού των αλάτων αυτών είναι πολύ σημαντική. Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιήθηκε μελέτη της κινητικής της καταβύθισης του C-S-H gel σε υπέρκορα υδατικά διαλύματα παρασκευαζόμενα από στόκ διαλύματα Ca(NO3)2 και Na2Si3O7 σε σταθερή θερμοκρασία 25°C. Η επίδραση παραμέτρων, όπως το pH των υπέρκορων διαλυμάτων και του γραμμομοριακού λόγου των συγκεντρώσεων Ca/Si στα διαλύματα, μελετήθηκαν σε συνθήκες σταθερού pH με την προσθήκη διαλύματος NaOH από αυτόματο τιτλοδοτητή. Η κινητική ανάλυση έδειξε ότι ο μηχανισμός της ανάπτυξης των κρυσταλλικών στερεών γίνεται κυρίως με επιφανειακή διάχυση και εξαρτάται από το pH των διαλυμάτων στην περιοχή pH 10-12. Η ταυτοποίηση των ιζημάτων με τεχνικές περίθλασης ακτίνων Χ (ΧRD), υπερύθρου (FTIR) και με θερμοσταθμική ανάλυση, έδειξε τον σχηματισμό C-S-H gel με πιθανή συγκαταβύθιση άμορφης σίλικας. Το γεγονός ότι το καθορίζον την ταχύτητα στάδιο είναι η επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η τροποποίηση της επιφάνειας των κρυστάλλων παρέχει την δυνατότητα ελέγχου του ρυθμού σχηματισμού του C-S-H gel και κατ’ επέκταση των ιδιοτήτων του τσιμέντου κατά την ενυδάτωσή του. Η τροποποίηση της επιφάνειας μπορεί να πραγματοποιηθεί με την βοήθεια υδατοδιαλυτών και μη χημικών ουσιών οι οποίες μπορούν να αλληλεπιδράσουν με την επιφάνεια, αλλοιώνοντας τον αριθμό και την ενεργότητα των κρυσταλλικών κέντρων ανάπτυξης. Βάσει των αποτελεσμάτων της επίδρασης της παρουσίας προσθέτων στην κινητική της καταβύθισης, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σε δοκίμια τσιμέντου στα οποία έγινε και εφαρμογή πολυμερών (υδατοδιαλυτών και μη) και μετρήθηκαν η υδροπερατότητα και η αντοχή τους, ιδιότητες που εξαρτώνται από τον βαθμό σχηματισμού του πυριτικού ασβεστίου. / The widespread use of cement as a building material in modern construction, including use for embedding radioactive wastes makes it a material of paramount importance. The formation of calcium silicate hydrates is of key importance for the determination of the cement characteristic properties including porosity, strength and hardness. The main types of C-S-H gel identified between cement components include di-calcium silicate Ca2SiO4 and tri-calcium silicate Ca3SiO5. Since these silicate salts during the cement hydration interact with water yielding C-S-H gel, the investigation of homogeneous precipitation of this phase is very interesting. In the present work the kinetics of spontaneous C-S-H gel precipitation in aqueous solutions was investigated at constant solution pH from supersaturated solutions at 25°C. The pH range investigated covered the range between 10-12. The effect of the solution pH and of the molar calcium:silicate ratio in the supersaturated solutions was investigated. Plots of the rates of precipitation as a function of the solution supersaturation, showed a high order dependence suggesting that the rate determining step for the precipitation of C-S-H gel was surface diffusion. The rates were found to be pH dependent in the range investigated. The precipitate was identified by powder X-ray diffraction, infrared spectrometry (FTIR) and thermogravimetric analysis as a mixture of calcium silicate hydrate gel and amorphous silica. The fact that the rate determining step was surface diffusion control, suggested that it is possible to control the rate of precipitation through surface modification, possibly treating the surface with compounds which may interact, resulting in poisoning of the active crystal growth sites. It is anticipated that control of kinetics may result in the control of the rate and of the extent of C-S-H gel formation and subsequently of the cement properties during its hydration. On the basis of the results obtained for the precipitation of C-S-H gel in the presence of additives, a series of experiments was done on cement specimens using both water soluble and compounds soluble in organic solvents. In general, the presence of the tested additives resulted in a significant reduction of water uptake suggesting, indirectly, that the formation of C-S-H gel was suppressed. Moreover the resistance to friction was reduced, possibly due to the fact that the compounds tested formed soft but impermeable to water, surface films.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη του μηχανισμού καταβύθισης ανόργανων αλάτων μέσω της επί τόπου (in-situ) καταβύθισής τους σε πορώδη μέσα και η ανάπτυξη μιας περιβαλλοντικά φιλικής μεθόδου που θα οδηγήσει στη στεγανοποίηση και ενδυνάμωση (θεραπεία) των μηχανικών ιδιοτήτων των πετρωμάτων. Οι εφαρμογές στη βιομηχανία μπορεί να είναι ποικίλες, όπως για τη στεγανοποίηση σηράγγων και άλλων υπόγειων έργων, για τη σταθεροποίηση των κυματοθραυστών, για την προστασία των κατασκευών από τη διάβρωση εξ αιτίας της υγρασίας, για την προστασία των μνημείων πολιτισμικής κληρονομιάς. Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα που μελετάται είναι το σύστημα των πυριτικών αλάτων. Έγινε μελέτη της αυθόρμητης καταβύθισης του πυριτικού ασβεστίου σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση συγκεκριμένης ποσότητας κονιοποιημένης σκόνης (10γραμμάρια) πετρώματος στο μηχανισμό καταβύθισης του πυριτικού ασβεστίου. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας συλλέγονταν δείγματα από τον αντιδραστήρα σε τακτά χρονικά διαστήματα για να διαπιστωθεί η μείωση των ιόντων πυριτίου και ασβεστίου από το διάλυμα με τη μέθοδο του φωτομέτρου και της ατομικής απορρόφησης αντίστοιχα. Από τη μείωση της συγκέντρωσης των ιόντων υπολογίστηκε ο ρυθμός καταβύθισης και κατόπιν η φαινόμενη τάξη της αντίδρασης. Επίσης, με τη χρήση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης και της περιθλασιμετρίας των ακτίνων Χ ανιχνεύθηκαν οι καταβυθιζόμενες φάσεις στις διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Αυτές ήταν κυρίως το άμορφο διοξείδιο του πυριτίου, το ένυδρο πυριτικό ασβέστιο και ο βολλαστονίτης. Κατά την αυθόρμητη καταβύθιση του πυριτικού ασβεστίου ο κύριος μηχανισμός που την ελέγχει βρέθηκε ότι είναι το πολυπυρηνικό πρότυπο. Η εργασία χωρίζεται σε 6 κεφάλαια. Το πρώτο αναφέρεται γενικότερα στο πρόβλημα των διαβρώσεων και των προβληματικών κατασκευών, το δεύτερο δίνει πληροφορίες σχετικά με το στοιχείο του πυριτίου, τις ενώσεις που σχηματίζει και τις ιδιότητές του και το τρίτο είναι μια σύντομη αναφορά στη θεωρία της κρυστάλλωσης. Επίσης, αναφέρονται σύντομα οι θεωρίες που έχουν διατυπωθεί για την πυρηνογένεση και την κρυστάλλωση από υπέρκορα διαλύματα. Στη συνέχεια, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου για διαφορετικές συγκεντρώσεις και τιμές pH. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε pH=9 και pH=10 και σε εύρος συγκεντρώσεων 2mM to 50mM, απουσία και παρουσία σκόνης πετρώματος. Τα υδατικά διαλύματα που χρησιμοποιήθηκαν είναι χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2) και οξείδιο του πυριτίου (Na2Si3O7). Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η μέθοδος που αναπτύχθηκε με σκοπό να μειωθεί το πορώδες των πετρωμάτων. Χρησιμοποιήθηκαν κυλινδρικά δοκίμια φυσικού πετρώματος (υπόστρωμα), πάνω στα οποία εφαρμόστηκαν διαλύματα πυριτικού ασβεστίου σε διάφορες συγκεντρώσεις. Η επιλογή του πετρώματος ως υπόβαθρο εφαρμογής έγινε γιατί η σταθεροποίηση πετρωμάτων βρίσκει εφαρμογή σε αρκετά πεδία, όπως η προστασία των μνημείων και των έργων τέχνης, η βιομηχανία πετρελαίου και τα τεχνικά έργα. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα υδατικής εισρόφησης (water absorption test) σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Το επιθυμητό προϊόν καταβύθισης ανάμεσα στους πόρους του πετρώματος είναι το Ca-Si-O και η καταβύθιση είναι επιθυμητό να πραγματοποιείται στην επιφάνεια αλλά και μερικά χιλιοστά κάτω από αυτή. Τέλος, στο τελευταίο κεφάλαιο παρατίθενται συνολικά τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την εργασία. / The main motivation for the present work is the investigation of the precipitation mechanisms through in-situ mixing and the precipitation of soluble salts in porous media. The proposed method may be applicable for the prevention of sand entrainment into well bores during oil production in poorly consolidated oil reservoirs. The work done concerning the development of the methodology of calcium silicate salts involved the following steps: i) investigation of the mechanism via growth rate measurements. ii) treatment of natural rock samples with the application of chemical solutions and testing of the method. In the present study, two series of experiments were conducted in order to investigate the kinetics of calcium silicate precipitation in batch reactors using calcium chloride and sodium trisilicate as the initials reagents in the absence and presence of silica sand and at pH=9 and 10 at 25oC. Different concentrations of the salts were tried, ranging from 2mM to 50mM. In all sets of lab experiments used in the present work the molar concentrations of the supersaturated solutions were equal (1:1). During the experiments, samples were taken, filtered by membrane filters and analyzed for total calcium by AAS (atomic absorption spectroscopy) and for total silica by UV spectrometry. Moreover, at the end of each experiment, the fluid suspension was filtered with a 0.22μm filter and the solid parts were collected, then dried and finally characterized by powder XRD (X-Ray diffraction) method and observed in SEM (scanning electron microscopy) for the identification of the mineral crystalline phases. The analysis of the kinetic data showed that in spontaneous precipitation experiments at pH=10, the crystal growth mechanism is best described by the polynuclear model (n=6) and the main crystalline phase recognized was calcium silicate hydrate. The effect of various parameters, such as temperature, salts concentration, pH, and the presence of sand was studied upon the rate of precipitation and the morphology of the precipitate. It was expected that precipitation would be favored for high concentrations of solutions. Finally, a set of experiments was carried out to test the efficiency of the method when applied inside porous media. The porous media that was used was natural rock that was cut and formalized in small cylindrical samples. The two soluble salts were applied either separately on the rock samples or after having been mixed for different concentrations and repeatedly with brushing or spraying. It was attempted to obtain qualitative and quantitative information concerning the deposition and growth of calcium silicate within the pores of the rock. After the treatment of the samples with the solutions water absorption test took place. It was found that precipitation of calcium silicate happened within porous material and indeed was favored by high concentrations and repeated applications