Παραγωγή κυψελωτού μικροσκυροδέματος φυσικής σκλήρυνσης από υπερλεπτομερή παραπροϊόντα της λατομικής βιομηχανίας
Authors: Σουλτανά Αθανασία 
Published: April 2021

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας παραγωγής κυψελωτού μικροσκυροδέματος φυσικής σκλήρυνσης από υπερλεπτομερή παραπροϊόντα της λατομικής βιομηχανίας (λατομική παιπάλη). Η παιπάλη προέρχεται από τις λατομικές διεργασίες που σχετίζονται με την παραγωγή των αδρανών υλικών. Η διαχείριση-απόθεσή της αποτελεί ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα με αξιοσημείωτες οικονομικές επιπτώσεις. Η αξιοποίηση της παιπάλης μπορεί να προσφέρει σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη και να βελτιώσει τα οικονομικά αποτελέσματα της λατομικής και κατασκευαστικής βιομηχανίας. Στην κατεύθυνση αυτή, τα τελευταία χρόνια έχουν ενταθεί οι ερευνητικές προσπάθειες για τη χρήση των υπερλεπτομερών λατομικών παραπροϊόντων όπως η παιπάλη στην παραγωγή καινοτόμων δομικών στοιχείων, και κυρίως στην παραγωγή αυτοσυμπυκνούμενου σκυροδέματος, καθώς και δομικών στοιχείων τύπου τεχνητού λίθου. Αντίθετα, οι εργασίες που αφορούν στη χρήση της παιπάλης για παραγωγή ελαφροβαρών δομικών στοιχείων, όπως το κυψελωτό μικροσκυρόδεμα είναι περιορισμένες. Η χρήση της παιπάλης για την αντικατάσταση της πυριτικής άμμου, καθώς και της ιπτάμενης τέφρας για τη μέγιστη δυνατή υποκατάσταση της ασβέστου και του τσιμέντου που χρησιμοποιούνται στην παρασκευή του κυψελωτού μικροσκυροδέματος, κρίνεται ως ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα λύση που μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στην εξοικονόμηση πρωτογενών υλικών και στη μείωση των εκπομπών CO2.Κύριος στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και υλοποίηση σε εργαστηριακή κλίμακα μεθοδολογίας για την παραγωγή κυψελωτού μικροσκυροδέματος προκαθορισμένων ιδιοτήτων με αποκλειστικό αδρανές την παιπάλη. Χρησιμοποιείται ιπτάμενη τέφρα για τη μέγιστη δυνατή υποκατάσταση των συνδετικών κονιών (ασβέστου και τσιμέντου), σκόνη αργιλίου ως διογκωτικός παράγοντας και επιλέγονται μη ενεργοβόρες διαδικασίες ωρίμανσης. Ο καθορισμός της σύνθεσης μιγμάτων κυψελωτού μικροσκυροδέματος με κύριο αδρανές υλικό τη λατομική παιπάλη δεν μπορεί να βασιστεί στις υπάρχουσες μεθοδολογίες σύνθεσης μιγμάτων για σκυροδέματα και τσιμεντοκονιάματα, λόγω της πολύ λεπτόκοκκης, αλλά και παραπλήσιας κοκκομετρικής διαβάθμισης των αδρανών και της συνδετικής κονίας. Η προτεινόμενη μεθοδολογία σύνθεσης των μιγμάτων βασίζεται αρχικά στο μοντέλο στοίβαξης κόκκων κατά Andreasen, ενώ για τον καθορισμό της βέλτιστης σύνθεσης χρησιμοποιείται ο κλασματικός παραγοντικός σχεδιασμός Box-Behnken σε συνδυασμό με την μέθοδο των επιφανειών απόκρισης. Το μοντέλο Andreasen είναι κατάλληλο για τον σχεδιασμό συνθέσεων στις οποίες συμμετέχουν πολύ λεπτόκοκκα υλικά όπως η παιπάλη. Ωστόσο, λόγω των παραδοχών και των απλοποιήσεων που εισάγονται στο μοντέλο Andreasen, οι εκτιμήσεις του είναι προσεγγιστικές και γι’ αυτό χρησιμοποιείται κατά το αρχικό στάδιο σχεδιασμού για τον υπολογισμό ενός ενδεικτικού εύρους των αναλογιών των συστατικών των μιγμάτων. Ο ακριβής καθορισμός της βέλτιστης σύστασης του μίγματος γίνεται με τη χρήση του κλασματικού παραγοντικού σχεδιασμού Box-Behnken σε συνδυασμό με τη μεθοδολογία των επιφανειών απόκρισης. Ο σχεδιασμός των συνθέσεων γίνεται με βάση το συνδετικό υλικό που χρησιμοποιείται και περιλαμβάνει τη σειρά συνθέσεων ΟPFA (κοινό τσιμέντο Portland CEM I 42.5N και ασβεστούχα ιπτάμενη τέφρα από τον ΑΗΣ Αγ. Δημητρίου), και τη σειρά συνθέσεων WCHL (λευκό τσιμέντο Portland CEM I 52.5N και υδράσβεστος). Η διαδικασία παραγωγής των δοκιμίων περιλαμβάνει την ανάμιξη, χύτευση και ωρίμανση χωρίς τη χρήση αυτοκλείστου (φυσική σκλήρυνση). Τα δοκίμια που παρασκευάζονται, ελέγχονται ως προς την αντοχή τους σε μονοαξονική θλίψη και κάμψη, την πυκνότητα και την υδατοαπορροφητικότητά τους. Επιπλέον, προσδιορίζεται ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, ο συντελεστής απορρόφησης ύδατος με τριχοειδή αναρρίχηση, το μέτρο ελαστικότητας και η γραμμική συρρίκνωση των παραχθέντων δοκιμίων, ενώ μελετάται και η μικροδομή τους. Για τον χαρακτηρισμό της μικροδομής των δοκιμίων κυψελωτού μικροσκυροδέματος, γίνεται χρήση της ηλεκτρονικής και οπτικής μικροσκοπίας σε συνδυασμό με τεχνικές ανάλυσης εικόνας, της ποροσιμετρίας υδραργύρου και της μικροτομογραφίας ακτίνων-Χ.Επίσης, διερευνάται η δυνατότητα βελτίωσης των τεχνικών χαρακτηριστικών των δοκιμίων όπως η αντοχή σε θλίψη και η γραμμική συρρίκνωση, μέσω της ταχείας ωρίμανσης σε περιβάλλον αυξημένης θερμοκρασίας και σε περιβάλλον CO2. Από τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών παρατηρείται ότι η πυκνότητα των δοκιμίων κυψελωτού μικροσκυροδέματος και των δυο σειρών συνθέσεων (OPFA και WCHL) είναι αρκετά χαμηλότερη από αυτή του δοκιμίου αναφοράς και κυμαίνεται μεταξύ 680 και 1080 kg/m3. Η μείωση αυτή της πυκνότητας επηρεάζει καθοριστικά τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των δοκιμίων κυψελωτού μικροσκυροδέματος που μετρώνται. Συγκεκριμένα, παρατηρείται ότι για μια μείωση της πυκνότητας της τάξης του 50% σε σχέση με το δοκίμιο αναφοράς, η αντοχή σε κάμψη και η αντοχή σε θλίψη μειώνονται περίπου κατά 60 και 85%, αντίστοιχα. Αντίθετα, η μείωση της πυκνότητας οδηγεί σε σημαντική αύξηση της υδατοαπορροφητικότητας της τάξης του 90%, ενώ η σχετική μεταβολή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας είναι παραπλήσια με αυτή της πυκνότητας.Για τα δοκίμια τόσο της σειράς OPFA όσο και της WCHL o λόγος του διογκωτικού παράγοντα προς τα συνδετικά υλικά έχει τη μεγαλύτερη επίδραση σε όλες τις ιδιότητες των δοκιμίων που μετρώνται (μεταβλητές απόκρισης), καθώς είναι αυτός που καθορίζει τον βαθμό διόγκωσης του μίγματος, άρα και την πυκνότητα των σκληρυμένων δοκιμίων. Σημαντική επίδραση στις μεταβλητές απόκρισης έχει επίσης η ποσότητα των συνδετικών υλών, ενώ η ποσότητα του υπερευστοποιητή και ο αριθμός των στροφών ανά λεπτό του αναδευτήρα, έχουν σημαντικά χαμηλότερη επίδραση.Από τα αποτελέσματα των σεναρίων βελτιστοποίησης των συνθέσεων που εξετάζονται, φαίνεται ότι τα πολυωνυμικά μοντέλα δευτέρου βαθμού που αναπτύσσονται, περιγράφουν ικανοποιητικά την επίδραση των παραγόντων σχεδιασμού στις μεταβλητές απόκρισης, και επιτρέπουν τον σχεδιασμό συνθέσεων κυψελωτού μικροσκυροδέματος με προκαθορισμένες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες ή συνθέσεων που εξασφαλίζουν τις βέλτιστες ιδιότητες. Η γραμμική συρρίκνωση των δοκιμίων των κεντρικών συνθέσεων των σειρών OPFA και WCHL που εξετάζονται είναι υψηλή (1.1 και 1.7 mm/m, αντίστοιχα) και σταθεροποιείται μετά τις 140 ημέρες φυσικής ωρίμανσης. Οι απαιτήσεις του Ευρωκώδικα 6 (0.5 mm/m) όσον αφορά τη γραμμική συρρίκνωση κατά την εφαρμογή καλύπτονται μετά από ωρίμανση 42 και 35 ημερών, αντίστοιχα για τις σειρές OPFA και WCHL. Από τη μελέτη της μικροδομής φαίνεται ότι η μέση διάμετρος των πόρων των δοκιμίων της σειράς OPFA είναι μικρότερη σε σχέση με αυτή των δοκιμίων της σειράς WCHL, ενώ η κατανομή των πόρων των δοκιμίων της σειράς WCHL είναι πιο ομοιόμορφη σε σχέση με αυτή της OPFA. Επιπλέον, το σχήμα των πόρων των δοκιμίων της σειράς OPFA είναι πιο επίμηκες σε σχέση με αυτό της WCHL. Οι παρατηρήσεις αυτές αποδίδονται στην ταχύτερη πήξη των μιγμάτων της σειράς OPFA, ως αποτέλεσμα της σύνθεσης και της διαδικασίας παραγωγής που ακολουθείται. Η κατανομή του μεγέθους των πόρων που προσδιορίζεται με την ανάλυση σε τρεις διαστάσεις, διαφέρει σημαντικά από αυτήν που προκύπτει από την ανάλυση σε δύο διαστάσεις. Η διαφορά αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι οι πόροι που σχηματίζονται σε μεγάλο βαθμό είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους δημιουργώντας έτσι διαύλους. Επίσης, από την ανάλυση σε τρεις διαστάσεις παρατηρείται ότι υπάρχει σημαντική διαφορά στο μέγεθος των πόρων που σχηματίζονται στη βάση σε σχέση με την κορυφή των δοκιμίων, λόγω της υδροστατικής πίεσης που ασκείται από το βάρος του νωπού μίγματος στα τοιχώματα των πόρων διόγκωσης. Συνεπώς, για την ακριβέστερη απεικόνιση του είδους και της μορφής των πόρων των δοκιμίων απαιτείται η μελέτη της μικροδομής τους σε τρεις διαστάσεις. Η επιταχυνόμενη ωρίμανση σε αυξημένη θερμοκρασία έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση της πρώιμης αντοχής για τα δοκίμια της σειράς OPFA (υπερδιπλασιασμό πρώιμης αντοχής) και WCHL (αύξηση κατά 64%). Αντίθετα, η τελική αντοχή των δοκιμίων OPFA και WCHL είναι χαμηλότερη σε σχέση με τα δοκίμια φυσικής σκλήρυνσης (φαινόμενο υπερπήδησης) κατά 7 και 5 %, αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, η ωρίμανση σε περιβάλλον αυξημένης θερμοκρασίας οδηγεί σε σημαντική μείωση της γραμμικής συρρίκνωσης των δοκιμίων της σειράς OPFA και WCHL κατά 34 και 37 %, αντίστοιχα. Οι απαιτούμενες ημέρες ωρίμανσης των δοκιμίων της σειράς OPFA και WCHL για συμμόρφωση με τον Ευρωκώδικα 6 μειώνονται από 42 και 35 σε 25 και 27 ημέρες ωρίμανσης, αντίστοιχα. Από τα αποτελέσματα των δοκιμών για τα δοκίμια της σειράς OPFA και WCHL που υποβάλλονται σε επιταχυνόμενη ωρίμανση σε περιβάλλον CO2, παρατηρείται ότι στο δοκίμιο της σειράς OPFA η πρώιμη αντοχή υπερδιπλασιάζεται, ενώ η τελική αντοχή αυξάνεται κατά 30%. Αντίστοιχα, στο δοκίμιο της σειράς WCHL η πρώιμη και τελική αντοχή αυξάνονται κατά 60 και 26 %, αντίστοιχα. Η ωρίμανση σε περιβάλλον CO2 μειώνει επίσης σημαντικά τη γραμμική συρρίκνωση των δοκιμίων της σειράς OPFA και WCHL κατά 70 και 67 %, αντίστοιχα. Συνεπώς, οι απαιτήσεις του Ευρωκώδικα 6 καλύπτονται με ωρίμανση 7 και 12 ημερών για τις σειρές OPFA και WCHL, αντίστοιχα.