Εφαρμογή γεωπολυμερισμού για την αξιοποίηση της ιπτάμενης τέφρας στην τεχνολογία σκυροδέματος
Authors: Νικολουτσόπουλος Νικόλαος 
Published: September 2023

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η εφαρμογή γεωπολυμερισμού για την αξιοποίηση της ιπτάμενης τέφρας στην τεχνολογία σκυροδέματος. Η ιπτάμενη τέφρα (ΙΤ) είναι ένα παραπροϊόν της καύσης του άνθρακα στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με συμμετοχή περίπου στο 37% του παγκόσμιου ενεργειακού μίγματος των τελευταίων 50 χρόνων. Η ετήσια παραγωγή της ΙΤ παγκοσμίως κυμαίνεται στα 600 εκατ. τόνους και προβλέπεται μέχρι το 2030 να ξεπεράσει τους 1.04 δισ. τόνους, από την οποία αξιοποιείται μόνο το 6.5%. Η εγχώρια παραγωγή της ΙΤ από το 2019 έως και το 2022 είναι περίπου 3.5 εκατ. τόνοι ετησίως, εκ των οποίων χρησιμοποιείται μόλις το 3%. H δυνατότητα εφαρμογής της τεχνολογίας του γεωπολυμερισμού σε ένα ευρύ φάσμα στερεών βιομηχανικών αποβλήτων και παραπροϊόντων αργιλοπυριτικής σύστασης, με στόχο την παραγωγή δομικών υλικών, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον.Σε πρώτη φάση, παρασκευάστηκαν γεωπολυμερικές πάστες (GFA) με βάση την ΙΤ, με σταθερούς μοριακούς λόγους πυρίτιο προς αργίλιο (Si/Al=2.40) και αλκάλια προς αργίλιο (R/Al=0.85), αλλά σε διάφορους λόγους στερεό προς υγρό (S/L). Οι λόγοι S/L που επιλέχθηκαν είναι 2.8, 2.9, 3.0, 3.1 και 3.2, αφού σύμφωνα με τη βιβλιογραφία ο συνηθέστερος λόγος που επιλέγεται για το γεωπολυμερισμό της ΙΤ είναι 3.0. Η αλλαγή του λόγου S/L οφειλόταν αποκλειστικά και μόνο στην προσθήκη ή αφαίρεση ορισμένης ποσότητας νερού. Στη συνέχεια, σε επιλεγμένους λόγους S/L (3.0 και 3.2) χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα χημικά πρόσμικτα τσιμεντοειδών, διαφορετικών ιδιοτήτων, σε διάφορα ποσοστά προσθήκης. Στα παραγόμενα GFA όλων των παραπάνω συνθέσεων μετρήθηκε ο χρόνος πήξης, η εργασιμότητα, η συστολή ξήρανσης, η υδατοαπορροφητικότητα και η αντοχή τους σε μονοαξονική θλίψη. Τα GFA, κατά περίπτωση, στην ωρίμανσή τους ή συντηρήθηκαν στο χώρο του εργαστηρίου ή πραγματοποιήθηκε ένα αρχικό στάδιο θερμικής ωρίμανσης, στους 70°C για 2 ημέρες. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με τις απαιτήσεις και τα κριτήρια συμμόρφωσης που αναφέρει το αντίστοιχο πρότυπο για τα τσιμέντα, ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1, καθώς και με αντίστοιχες σχετικές έρευνες.Σε δεύτερη φάση, μετά την αξιολόγηση των παραπάνω, παρασκευάστηκαν τρία γεωπολυμερικά σκυροδέματα (GC) με περιεκτικότητα κατ’ όγκο σε ΙΤ 15%, 22.5% και 30%. Η επιλογή της περιεκτικότητας έγινε σύμφωνα με τις βιβλιογραφικές αναφορές της μέγιστης περιεκτικότητας τσιμέντου στο σκυρόδεμα. Σε όλες τις συνθέσεις GC παρέμειναν σταθεροί οι λόγοι S/L=3.20, Si/Al=2.90 και R/Al=1.00. Ακόμη, για συγκριτικούς λόγους, παρασκευάστηκαν τρία συμβατικά σκυροδέματα (CC), κατάλληλης σύνθεσης και μηχανικών ιδιοτήτων για να γίνει άμεση σύγκριση με τα GC. Τα CC συντηρήθηκαν σύμφωνα με τις απαιτήσεις του ΚΤΣ-2016, ενώ τα GC είχαν ένα αρχικό στάδιο θερμικής ωρίμανσης στους 70°C για 2 ημέρες και στη συνέχεια αφέθηκαν σε περιβάλλον εργαστηρίου μέχρι την ηλικία δοκιμής τους. Στα παραγόμενα GC και CC όλων των συνθέσεων μετρήθηκε η εργασιμότητα τους, η αεροπεριεκτικότητα και η πυκνότητά τους, η θλιπτική αντοχή, το μέτρο ελαστικότητας και ο λόγος Poisson, η εφελκυστική αντοχή μέσω διάρρηξης κυλίνδρου και κάμψης δοκού, η ταχύτητα μετάδοσης υπερήχων (UPV), η υδατοαπορροφητικότητα και το ελεύθερο πορώδες τους, η ανθεκτικότητα σε κύκλους ψύξης – απόψυξης και κύκλους ξήρανσης – εμβάπτισης, ο συντελεστής διάχυση χλωριόντων, η ανθεκτικότητα σε διαβρωτικά περιβάλλοντα θειικών ιόντων σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες (5οC και 20οC), καθώς και σε οξέα, οξικό και θειικό. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με τις απαιτήσεις των σε ισχύ κανονισμών για το σκυρόδεμα, του ΚΤΣ-2016 και του ΕΚΩΣ 2000, καθώς και με αντίστοιχες σχετικές έρευνες.Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, προκύπτει ότι ο λόγος S/L στη γεωπολυμερική πάστα δεν επηρεάζει σημαντικά την αντοχή μονοαξονικής θλίψης και το χρόνο πήξης, αλλά έχει σημαντική συμβολή στη διαμόρφωση της εργασιμότητας του γεωπολυμερούς. Επίσης, φαίνεται ότι τα μελετηθέντα χημικά πρόσμικτα δεν λειτουργούν όλα όπως στο συμβατικό σκυρόδεμα. Το GC έδειξε ανταγωνιστική αντοχή σε θλίψη σε σύγκριση με το CC, αντοχή σε εφελκυσμό εντός των ορίων που καθορίζονται από ΕΚΩΣ 2000 για το CC και μέτρο ελαστικότητας περίπου 50% μικρότερο από αυτό του CC. Η περιεκτικότητα γεωπολυμερικής πάστας φαίνεται να έχει σημαντική επίδραση στις ιδιότητες του GC. Σε περιβάλλον θειικών ιόντων και στις δύο θερμοκρασίες τα GC δείχνουν να έχουν πλήρη ανθεκτικότητα. Στην έκθεση σε οξέα, τα GC παρουσιάζουν 60% απώλεια μάζας σε περιβάλλον θειικού οξέος και 20% σε οξικό οξύ. Το GC με τη μέγιστη περιεκτικότητα σε ιπτάμενη τέφρα (750 kg/m3) φαίνεται να είναι η καλύτερη επιλογή λαμβάνοντας υπόψη τις μηχανικές ιδιότητες και την ανθεκτικότητα καθώς και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ως τελικό συμπέρασμα, προκύπτει ότι οι ιπτάμενες τέφρες μπορούν να αξιοποιηθούν ως πρώτη ύλη για την παραγωγή δομικών υλικών και ειδικότερα γεωπολυμερικών κονιαμάτων και σκυροδεμάτων.