Κατασκευή σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με την προσθήκη ανακυκλούμενων υλικών από απόβλητα κατεδάφισης κτιρίων και μελέτη μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων τους
Authors: Μπογιατζίδης Κωνσταντίνος 
Published: October 2022

Τα σύνθετα πολυμερικής μήτρας (PMCs) χρησιμοποιούνται στην εποχή μας ευρέως, σε πολλές και ποικίλες εφαρμογές. Το ιδιαίτερα χαμηλό τους κόστος συγκριτικά με άλλα υλικά, οι απλές τεχνικές κατασκευής και οι σχετικά καλές ιδιότητες που παρουσιάζουν τα έχουν τοποθετήσει σε κυρίαρχη θέση σε πάρα πολλούς τεχνολογικούς και επιστημονικούς τομείς.Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό των σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας είναι και η αξιοσημείωτα καλή θερμομονωτική απόδοση που παρουσιάζουν σε σύγκριση με τα συμβατικά υλικά. Η ιδιότητά τους αυτή, αποδίδεται στον χαμηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του πολυμερούς συστήματος που χρησιμοποιείται αποτελώντας την μήτρα του τελικού συνθέτου και το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την εκτεταμένη χρήση τέτοιου τύπου προϊόντων σε πλήθος δομικών και κατασκευαστικών εφαρμογών.Τις τελευταίες δεκαετίες, η επιστημονική έρευνα έχει επικεντρωθεί στον σχεδιασμό και την ανάπτυξη υλικών που να παρουσιάζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Ωστόσο, τα υψηλά κόστη ορισμένων ενισχυτικών προσθέτων υλικών, οδήγησε τους ερευνητές στην μελέτη εναλλακτικής μορφής υλικών πλήρωσης στην κατασκευή σύνθετων υλικών.Ταυτόχρονα, τα ανακύπτοντα ζητήματα περιβαλλοντικής ευαισθητοποίησης κατέστησαν πρόσφορες τις συνθήκες υπό τις οποίες τα υποπροϊόντα αρκετών ανθρώπινων δραστηριοτήτων τέθηκαν υπό επανεξέταση και άρχισε να ερευνάται η εκμετάλλευση τους ως εν δυνάμει πληρωτικά συστατικά στην κατασκευή συνθέτων υλικών. Ειδικότερα δε σε ότι αφορά στο ζήτημα της επεξεργασίας των υποπροϊόντων του κατασκευαστικού τομέα και συγκεκριμένα των αποβλήτων κατεδάφισης και ανακαίνισης λαμβάνοντας υπόψη ότι πολλά εκ των συμπεριλαμβανομένων σε αυτά υλικά διαθέτουν καλές θερμομηχανικές ιδιότητες κίνησε το ενδιαφέρον των επιστημόνων.Σημαντικός αριθμός ερευνητικών εργασιών δημοσιεύτηκε. Σε αυτές παρουσιάστηκαν ολιστικές στρατηγικές και σχέδια διαχείρισης οι οποίες αποσκοπούσαν στη βελτιστοποίηση της ανακύκλωσης των απορριμμάτων κατασκευών και κατεδαφίσεων (AKK). Παρόλα αυτά έως και σήμερα πολλές χώρες παγκοσμίως δεν έχουν καταφέρει να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις της περιβαλλοντικής νομοθεσίας και να επιτύχουν τους εξαιρετικά υψηλούς στόχους που τίθενται σε ότι αφορά τις ποσότητες συλλογής και ανακύκλωσης της συγκεκριμένης κατηγορίας αποβλήτων. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω περιβαλλοντικά επιβλαβείς πρακτικές επεξεργασίας όπως, η υγειονομική ταφή και η παράνομη απόρριψη εξακολουθούν να εφαρμόζονται στο πλαίσιο διαχείρισης του ρεύματος των ΑΚΚ.Το υψηλό εν δυνάμει ποσοστό ανάκτησης των υλικών αυτών το οποίο επί του παρόντος παραμένει ανεκμετάλλευτο, έχει προσφάτως οδηγήσει αρκετές ερευνητικές προσπάθειες στην ανάπτυξη και μελέτη νέων σύνθετων υλικών στα οποία ως πληρωτικό υλικό ή μέσο ενίσχυσης εισάγονται απόβλητα κατασκευής και κατεδάφισης υπό τη μορφή σκόνης μικρό-κοκκομετρικού μεγέθους.Σκοπός της εν λόγω διατριβής είναι να διερευνήσει μέσω της μελέτης των μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων την δυνατότητα κατασκευής συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας στα οποία ως υλικό πλήρωσης χρησιμοποιούνται επεξεργασμένα απόβλητα που έχουν προκύψει από την κατεδάφιση κτισμάτων και ενσωματώνονται στην πολυμερική μήτρα σε μορφή σκόνης διαφορετικών κοκκομετριών και αναλογιών (% κ. β.). Ο βαθμός καινοτομίας αυτής της ερευνητικής εργασίας είναι σημαντικός λαμβάνοντας υπόψη ότι η εισαγωγή σκόνης ΑΚΚ σε θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή υλικών με καλές μηχανικές και θερμομονωτικές ιδιότητες. Πέραν αυτού, μέσω της κατασκευής των ανωτέρω σύνθετων υλικών, εισάγεται ένας εναλλακτικός και καινοτόμος τρόπος εκμετάλλευσης των παραπροϊόντων του κατασκευαστικού τομέα τα οποία παράγονται σε πολύ μεγάλες ποσότητες παγκοσμίως κάθε χρόνο. Σε ότι αφορά στην επεξεργασία και στην εκμετάλλευση, το βέλτιστο σενάριο ως προς την αξιοποίηση των υλικών αυτών, εάν δεν απορριφθούν σε χώρους υγειονομικής ταφής ή σε χώρους ανεξέλεγκτης διάθεσης, είναι η ανάκτησή τους μέσω της αποκατάστασης λατομείων και διαμόρφωσης υποστρωμάτων σε οδικά έργα αγροτικών κυρίως δρόμων. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης θα οδηγήσουν σε χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη δυνατότητα εκμετάλλευσης αποβλήτων παρόμοιου τύπου ως υλικά πλήρωσης στην ανάπτυξη νέων δομικών υλικών όπως για παράδειγμα τα υπολείμματα εξόρυξης και επεξεργασίας μαρμάρου, απορρίμματα βιομηχανίας σκυροδέματος και τσιμέντου, απόβλητα κατασκευής τούβλων κλπ. Για τους σκοπούς της διατριβής θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή σύνθετα υλικά εποξειδικής ρητίνης (ER), ακόρεστου πολυεστέρα (UP) και ρητίνης φαινόλης-φορμαλδεΰδης, κατηγορία νεολάκης (N) τα οποία εμπεριέχουν επεξεργασμένα ΑΚΚ σε μικρό-κοκκώδη μορφή αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας γνωστές τεχνικές κατασκευής. Αναλυτικότερα, κατασκευάστηκαν σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας με προσθήκη αποβλήτων κατεδάφισης (ως υλικό πλήρωσης) με τιμές αντοχής σε κάμψη (σb) στην περιοχή μεταξύ 20-60 MPa, αντοχή σε διάτμηση (τb) με τιμές μεταξύ 1-8 MPa και συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας (λ), μεταξύ 0.27-1.20 W/m K. Τα υλικά που αναπτύχθηκαν ενσωματώνουν ΑΚΚ σε ποσοστά από 30-50% κατά βάρος και σε αντιστοιχία με τη ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε ως μήτρα.Μέσω Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) και Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD) πραγματοποιήθηκε ο μορφολογικός χαρακτηρισμός των υλικών αυτών προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα ως προς τον βαθμό διασποράς του υλικού πλήρωσης σε κάθε μία από τις τρεις διαφορετικές πολυμερικές μήτρες που προαναφέρθηκαν. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε έλεγχος με σκοπό τον εντοπισμό τυχόν ελαττωματικών θέσεων ήτοι κενών, φυσαλίδων κλπ στα τελικά σύνθετα. Το σύνολο των υλικών που κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν επέδειξαν ψαθυρή θραύση και παράλληλα μειούμενες μηχανικές αντοχές σε κάμψη και διάτμηση σε σύγκριση με τα υλικά που κατασκευάστηκαν από καθαρή ρητίνη, γεγονός που επήλθε ως συνέπεια της αύξησης της περιεκτικότητας της σκόνης στα σύνθετα. Στον αντίποδα οι θερμικές ιδιότητες και ειδικότερα οι θερμομονωτική απόδοση των ανωτέρω συνθέτων υλικών παρουσίασε βελτίωση σε σχέση με τα υλικά που κατασκευάστηκαν αποκλειστικά από μια εκ των πολυμερικών ρητινών ως αποτέλεσμα της αυξανόμενης περιεκτικότητας σκόνης ΑΚΚ στα σύνθετα.Τα αποτελέσματα των μελετών που διεξήχθησαν υποδεικνύουν ότι τα εν λόγω υλικά μπορούν να αξιοποιηθούν εναλλακτικά σε ποικίλες εφαρμογές δομικού χαρακτήρα. Το χαμηλό κόστος, η ευκολία προετοιμασίας και τελικής μορφοποίησης τους σε συνδυασμό με την ευκολία προσαρμογής των υλικών αυτών στις συνθήκες και τις απαιτήσεις που διέπουν πολλές δομικές εφαρμογές προκρίνει τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας με προσθήκη ΑΚΚ ως αξιόπιστη λύση.