Μηχανικά χαρακτηριστικά και ανθεκτικότητα σκυροδεμάτων παρασκευασθέντων με σκωρία χαλυβουργίας
Authors: Χατζόπουλος Αλέξανδρος 
Published: July 2022

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησης της σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου και της σκωρίας κάδου (ασβεστούχα σκωρία), ως αδρανή για την παρασκευή κοινών σκυροδεμάτων. Οι συγκεκριμένες σκωρίες αποτελούν βιομηχανικά παραπροϊόντα της βιομηχανίας χάλυβα. Σκοπός της διατριβής είναι η παρασκευή σκυροδεμάτων με αδρανή σκωρίας, τα οποία θα έχουν ευρεία χρήση, σε συνήθεις κατασκευές. Η αξιοποίηση των σκωριών, ως αδρανή, για παραγωγή συμβατικών σκυροδεμάτων αποτελεί ένα κομμάτι της έρευνας που λίγοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί, καθώς οι περισσότερες μελέτες αφορούν ειδικά σκυροδέματα (βαρέα, πυρίμαχα, εκτοξευόμενα κ.α.), τα οποία εφαρμόζονται σε ειδικές κατασκευές και έργα. Επιπλέον, ο Ευρωπαϊκός Κανονισμός θέτει ως όριο την αντικατάσταση μόνο των χονδρόκοκκων κλασμάτων (> 4 mm) για τη χρήση ανακυκλώσιμων αδρανών χωρίς το ποσοστό αντικατάστασης να υπερβαίνει το 30%, για τις συνήθεις κατηγορίες αντοχής και περιβαλλοντικής έκθεσης. Στην παρούσα μελέτη επιλέχθηκε η παρασκευή σκυροδεμάτων, στα οποία η σκωρία αντικατέστησε τα συμβατικά αδρανή σε μικρότερα αλλά και σε μεγαλύτερα από αυτό ποσοστά, συμπεριλαμβάνοντας επίσης και τα λεπτόκοκκα αδρανή. Το πειραματικό μέρος της διατριβής, και συγκεκριμένα η Α Φάση παρασκευών, αφορά στη μελέτη τριών κατηγοριών αντοχής, C20/25, C25/30 και C30/37. Για κάθε μία από αυτές τις κατηγορίες αποφασίστηκε να παρασκευαστούν τα εξής σκυροδέματα: Συμβατικό μείγμα με ασβεστολιθικά αδρανή που χρησιμοποιήθηκε σαν μείγμα αναφοράς για σύγκριση με τα υπόλοιπα μείγματα. Μείγματα στα οποία έγινε αντικατάσταση της ασβεστολιθικής άμμου, με άμμο σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστά 10%, 20%, 30%, 50%, 75% και 100%. Μείγματα στα οποία έγινε αντικατάσταση της άμμου, με άμμο σκωρίας κάδου σε ποσοστά 10%, 20%, 30% και 50%. Μείγματα στα οποία έγινε αντικατάσταση του ασβεστολιθικού γαρμπιλιού, με γαρμπίλι ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστά 50% και 100%. Μείγματα στα οποία έγινε αντικατάσταση του χαλικιού, με χαλίκι ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστά 25%, 50%, 75% και 100%. Για κάθε ένα από τα παραπάνω σκυροδέματα παρασκευάστηκαν δοκίμια και ελέγχθηκαν συγκεκριμένες μηχανικές ιδιότητες και ιδιότητες ανθεκτικότητας, οι οποίες συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες ιδιότητες του συμβατικού σκυροδέματος, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως σκυρόδεμα αναφοράς. Στη συνέχεια, όλα τα παραπάνω δεδομένα μελετήθηκαν, αναλύθηκαν και αξιολογήθηκαν έτσι ώστε να γίνει η επιλογή των ανθεκτικότερων μειγμάτων, τα οποία όμως να μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε συνήθεις κατασκευές ως συνήθη σκυροδέματα. Σε αυτή την πρώτη φάση παρασκευών, όπου παρήχθησαν πάνω από 50 μείγματα, τα αποτελέσματα δείχνουν πως η αντικατάσταση των συμβατικών αδρανών, με αδρανή σκωρίας, δρα ευεργετικά σχεδόν για το σύνολο των ιδιοτήτων που μελετήθηκαν. Με βάση τις παραπάνω αναλύσεις, τις παραδοχές, αλλά και τα αποτελέσματα, επιλέχθηκε η παρασκευή επιπλέον μειγμάτων στα οποία έγινε συνδυασμός της αντικατάστασής των αδρανών, των πιο ανθεκτικών σκυροδεμάτων. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκε η ταυτόχρονη αντικατάσταση της άμμου με άμμο σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστό 30% και του γαρμπιλιού με γαρμπίλι ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστό 50%. Επιπρόσθετα, επιλέχθηκε η ταυτόχρονη αντικατάσταση της συμβατικής άμμου, με τις δύο άμμους, σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου και σκωρίας κάδου, σε ποσοστό 30% εκάστη και αντικατάσταση του γαρμπιλιού με γαρμπίλι σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστό 50%. Η παραγωγή των παραπάνω μειγμάτων πραγματοποιήθηκε και για τις τρεις κατηγορίες αντοχής και αναφέρεται στη διατριβή ως Β Φάση παρασκευών. Αυτά τα σκυροδέματα, με την ταυτόχρονη αντικατάσταση και λεπτόκοκκων και χονδρόκοκκων αδρανών, συγκρίθηκαν με τα πιο ανθεκτικά και ταυτόχρονα λειτουργικά σκυροδέματα της Α Φάσης, δηλαδή τα σκυροδέματα με αντικατάσταση της άμμου με άμμο σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου αλλά και με άμμο σκωρίας κάδου σε ποσοστά 30% και 50% και στις δύο περιπτώσεις. Τα δύο αυτά νέα μείγματα της Β Φάσης βελτιώνουν έτι περαιτέρω τους δείκτες αντοχής και ανθεκτικότητας που μελετήθηκαν. Στο έβδομο κεφάλαιο της διδακτορικής διατριβής γίνεται καταγραφή των περιβαλλοντικών επιπτώσεων όλων των μειγμάτων. Αντλώντας στοιχεία από τη Διδακτορική Διατριβή του διδάκτορα Αλέξανδρου Λιάπη, «ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΟΠΛΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ», περιγράφονται και υπολογίζονται οι επιπτώσεις του κάθε σκυροδέματος για όλες τις κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων που περιλήφθηκαν στην παραπάνω έρευνα. Οι κατηγορίες επιπτώσεων που αξιολογούνται, τόσο στη διδακτορική διατριβή του Αλέξανδρου Λιάπη όσο και στην παρούσα, είναι αυτές που προτείνονται από το Πρότυπο EN 15804. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι τα σκυροδέματα με αδρανή σκωρίας οδηγούν σε μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος της κατασκευής. Τα κυριότερα συμπεράσματα από την εργαστηριακή μελέτη όλων αυτών των σκυροδεμάτων είναι τα εξής: Η μερική αντικατάσταση των ασβεστολιθικών συμβατικών αδρανών με αδρανή σκωρίας, βελτίωσε τις ιδιότητες αντοχής και ανθεκτικότητας σε σχέση με τα μείγματα αναφοράς. Η αντοχή σε θλίψη αυξήθηκε ήδη από την 7η μέρα και συνεχίστηκε μέχρι το ένα έτος. Η αντίσταση στην ενανθράκωση ήταν εντυπωσιακή στα μείγματα με σκωρία. Η ανάλυση του χρόνου ζωής των κατασκευών που πραγματοποιήθηκε στη Β Φάση παρασκευών, με βάση τα αποτελέσματα της φυσικής ενανθράκωσης, έδειξε πως μόνο τα μείγματα αναφοράς C20/25 και C25/30 δεν έφτασαν το χρόνο ζωής των 50 ετών χωρίς επισκευή. Αντιθέτως, όλα τα μείγματα με αδρανή σκωρίας, που μελετήθηκαν στη Β Φάση παρασκευών, ξεπέρασαν αυτό το όριο, πράγμα που σημαίνει ότι οι κατασκευές με αυτά τα σκυροδέματα δε χρειάζονται επισκευή κατά τη διάρκεια του χρόνου ζωής τους. Η αντίσταση στη διείσδυση χλωριόντων αυξήθηκε σημαντικά στα μείγματα με αδρανή σκωρίας. Ανάλυση του χρόνου ζωής έγινε και σε αυτήν την περίπτωση για όλα τα σκυροδέματα και των τριών κατηγοριών αντοχής, με βάση τις μετρήσεις χλωριόντων που έγιναν σε τέσσερις ηλικίες. Από τα 54 σκυροδέματα με αδρανή σκωρίας, κανένα δεν εμφάνισε μικρότερο χρόνο ζωής από το αντίστοιχο σκυρόδεμα αναφοράς, ενώ οι συνθέσεις που παρήχθησαν κατά τη Β Φάση αύξησαν το χρόνο ζωής θεαματικά. Τα χονδρόκοκκα αδρανή σκωρίας βελτιώνουν την εργασιμότητα του σκυροδέματος. Από την άλλη, τα λεπτόκοκκα και κυρίως η άμμος σκωρίας κάδου μειώνει πολύ την εργασιμότητά του. Ως βιομηχανικό παραπροϊόν, η σκωρία, υπό τη μορφή που εξετάζεται στην παρούσα διατριβή, είναι ένα υλικό που όταν χρησιμοποιείται στο σκυρόδεμα μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή οικονομικών και ανθεκτικών στο χρόνο, κατασκευών, συμβάλλοντας στη βιωσιμότητα των δομών. Ταυτόχρονα, το οικονομικό όφελος είναι αισθητό κατά την διάρκεια της ζωής των κατασκευών, ενώ το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των σκυροδεμάτων είναι μειωμένο. Όλα τα παραπάνω αποτελούν τον ορισμό της αειφορίας των κατασκευών.