An integrated design process for durable concrete structures at the minimum environmental cost
Authors: Τάπαλη Τζούλια 
Published: September 2021

Η κατασκευαστική βιομηχανία αποτελεί τον μεγαλύτερο καταναλωτή υλικών στην κοινωνία μας. Περίπου το 40% όλων των υλικών που χρησιμοποιούνται σχετίζονται με αυτόν τον τομέα της βιομηχανίας. Αντίστοιχο αντίκτυπο έχουν και οι δραστηριότητες του τομέα στο περιβάλλον σε ότι αφορά τις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας («γκρίζα» ενέργεια), αέριες εκπομπές (κυρίως CO₂), στερεά απόβλητα, κλπ. Δεδομένου ότι το σκυρόδεμα αποτελεί το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό (δεύτερο μετά το νερό σε συνολικούς όγκους που καταναλώνονται ετησίως από την κοινωνία) και ότι το τσιμέντο είναι η απαραίτητη «κόλλα» στο σκυρόδεμα, έμφαση πρέπει να δοθεί στη διερεύνηση και επιβολή τρόπων, μεθοδολογιών και πολιτικών για τη μετατροπή της τσιμεντοβιομηχανίας και της κατασκευαστικής βιομηχανίας σε έναν γενικά περισσότερο περιβαλλοντικά φιλικό τομέα. Ταυτόχρονα, λαμβάνοντας υπόψη από τη μια μεριά τη σημαντική ποσότητα έρευνας και τα επιτεύγματα σχετικά με τα δομικά υλικά και τον σχεδιασμό, και επιπλέον το επίπεδο της επιτήδευσης των σύγχρονων Ευρωπαϊκών Προτύπων και κατασκευαστικών κανονισμών, και από την άλλη μεριά τις αυξανόμενες περιπτώσεις της πρώιμης φθοράς των κατασκευών από σκυρόδεμα, ιδιαίτερη έμφαση θα πρέπει να δοθεί στη διασφάλιση της διάρκειας ζωής των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος (σε συνδυασμό με την αντιμετώπιση της περιβαλλοντικής τους επιβάρυνσης). Για το λόγο αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντική η εισαγωγή του βιώσιμου τρόπου σκέψης και της έννοιας της βιομηχανικής οικολογίας στα προκαταρκτικά στάδια σχεδιασμού μιας κατασκευής, κατά την διαδικασία επιλογής υλικών και κατά το στάδιο εκτίμησης της διάρκειας ζωής, ώστε να επιτευχθεί μια εύρωστη, ανθεκτική κατασκευή οπλισμένου σκυροδέματος (για δεδομένη διάρκεια ζωής) με την ελάχιστη περιβαλλοντική επιβάρυνση. ► Συνεπώς, ο κύριος στόχος της παρούσας Διατριβής είναι να επικεντρωθεί στον εντοπισμό και ποσοτικοποίηση ενός δομημένου προτύπου κατάλληλων μεθοδολογιών για τον σχηματισμό μιας Ενοποιημένης Διαδικασίας Σχεδιασμού για τον σχεδιασμό ανθεκτικών και βιώσιμων κατασκευών με το ελάχιστο περιβαλλοντικό και οικονομικό κόστος (χωρίς συμβιβασμούς σε θέματα που άπτονται της κατασκευαστικής ασφάλειας) και επίσης για την αναγνώριση και επίδειξη τρόπων βιομηχανικής οικολογίας για την βιώσιμη ανάπτυξη της βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος. Ένα σημαντικό βήμα προς μια ολοκληρωμένη διαδικασία σχεδιασμού των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος, είναι η ανάπτυξη πακέτων λογισμικού, βασισμένα σε μοντέλα πρόβλεψης, για την εκτίμηση της αντοχής και της διάρκειας ζωής σκυροδέματος. Μια τέτοια προσπάθεια, σε πλήρη συμφωνία με τα Ευρωπαϊκά Πρότυπα για το τσιμέντο και το σκυρόδεμα, παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 2. Για τον καθορισμό του σχεδιασμού της σύνθεσης σκυροδέματος, το λογισμικό υπολογίζει τα κύρια χημικά και ογκομετρικά χαρακτηριστικά, καθώς και τη θλιπτική αντοχή σκυροδέματος. Λαμβάνοντας υπόψη τις περιβαλλοντικές συνθήκες όπου θα εκτίθεται η κατασκευή, γίνεται πρόβλεψη της διάρκειας ζωής σκυροδέματος, με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων (βασισμένα σε αρχές χημικής μηχανικής) τα οποία προσομοιώνουν τους μηχανισμούς φθοράς του οπλισμένου σκυροδέματος (που προκαλείται λόγω ενανθράκωσης ή επίθεσης χλωριόντων). Επίσης, παρουσιάζεται μια διαδικασία επικύρωσης των αποτελεσμάτων καθώς και η αποτελεσματικότητα του εργαλείου προσομοίωσης στο σχεδιασμό της ανθεκτικότητας. Στόχος της μελέτης αυτής είναι να προωθήσει την ευρύτερη αποδοχή της επίτευξης αποτελεσματικών και ανθεκτικών λύσεων για τα προβλήματα σχεδιασμού σκυροδέματος των κατασκευών. Λαμβάνοντας υπόψη τα γνωστά περιβαλλοντικά ζητήματα της βιομηχανίας τσιμέντου (άμεσες και έμμεσες εκπομπές CO₂), η αντικατάσταση κλίνκερ από συμπληρωματικά υδραυλικά υλικά (SCM) μπορεί να αποτελέσει ένα πολλά υποσχόμενο πρώτο βήμα για την σημαντική μείωση των σχετιζόμενων εκπομπών. Παρόλα αυτά, μια τέτοια μείωση είναι δυνατή έως ένα συγκεκριμένο επίπεδο χρήσης SCM, επηρεαζόμενο από το βαθμό της ποζολανικής του αντίδρασης. Στο Κεφάλαιο 3, προτείνεται μια (4-βημάτων) δομημένη μεθοδολογία ούτως ώστε να είναι δυνατή η περαιτέρω προσαρμογή της σύνθεσης μίγματος σκυροδέματος ενός συγκεκριμένου SCM, ώστε να επιτευχθείεπιπλέον μείωση των σχετιζόμενων εκπομπών CO₂ που ταυτόχρονα θα είναι αποδεκτή από άποψη προκύπτουσας αντοχής σκυροδέματος και διάρκειας ζωής. Κατ’ επέκταση, ο στόχος της εργασίας αυτής είναι διττός. Να αξιολογήσει τη περιβαλλοντική συνεισφορά κάθε συστατικού του σκυροδέματος και να παράσχει τη καλύτερη δυνατή σύνθεση μίγματος σκυροδέματος, ισορροπημένη μεταξύ των αρχών της βιωσιμότητας (χαμηλό περιβαλλοντικό κόστος) και ανθεκτικότητας (αποδεκτή αντοχή σκυροδέματος και διάρκεια ζωής). Αποδείχτηκε πως μια τέτοιου είδους ισορροπία είναι δυνατό να επιτευχθεί με την αξιοποίηση προϊόντων SCM στο μίγμα σκυροδέματος, μειώνοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο τις πάγιες περιβαλλοντικές εκπομπές χωρίς συμβιβασμούς για τη μακροπρόθεσμη ασφάλεια και την ανθεκτικότητα της κατασκευής. Η αξιοποίηση της τέφρας βιομάζας από αγρό-βιομηχανικά παραπροϊόντα (τα οποία περιέχουν μεγάλες ποσότητες άμορφου πυριτίου) στη παραγωγή τσιμέντου ή/και στη παραγωγή σκυροδέματος μπορεί να αποτελέσει μια εναλλακτική λύση της ενσωμάτωσης των παραδοσιακά χρησιμοποιούμενων συμπληρωματικών υδραυλικών υλικών (SCM). Μια αξιολόγηση των τεφρών βιομάζας, οι οποίες εντοπίζονται στη βιβλιογραφία, με διαφορετικό περιεχόμενο SiO₂, σε ότι αφορά την αντοχή σκυροδέματος και τη συμπεριφορά στην έκθεση χλωριόντων αποτελεί το επίκεντρο του Κεφαλαίου 4. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα υλικά αυτά είναι αποτελεσματικά ως προς την ανάπτυξη αντοχής σκυροδέματος και εξαιρετικά αποδοτικά στη μείωση της διαπερατότητας σκυροδέματος. Η εξάρτηση της συμπεριφοράς αυτής από το επίπεδο της περιεκτικότητας της τέφρας σε SiO₂ εξετάστηκε σε βάθος και εξήχθη το συμπέρασμα ότι αυτή επηρεάζεται από τη σύνθεση των άλλων συστατικών της τέφρας βιομάζας. Κύριος στόχος του Κεφαλαίου 5 είναι ο εντοπισμός του λεπτομερούς οικονομικού αποτελέσματος για την τεχνική αξιοποίησης της τέφρας φλοιού ρυζιού (RHA) ως ποζολανικού υλικού και κύριας τέφρας βιομάζας. Παρουσιάζεται μια τεχνοοικονομική ανάλυση της παραγωγής αναβαθμισμένου και υψηλής προστιθέμενης αξίας υλικού από RHA. Η μελέτη έγινε στο πλαίσιο της πιλοτικής παραγωγής σε μια Ελληνική βιομηχανία ρυζιού. Η σημασία των θεμάτων που εξετάστηκαν ενισχύεται περαιτέρω από την έμφαση η οποία δίνεται σήμερα στην υιοθέτηση λύσεων εξοικονόμησης ενέργειας και μείωσης των εκπομπών από την κατασκευαστική βιομηχανία. Η αξιοποίηση των συμπληρωματικών υδραυλικών υλικών (SCM) στο σχεδιασμό σκυροδέματος, όπως η RHA, μπορεί να αποτελέσει ένα πολλά υποσχόμενο πρώτο βήμα για τη σημαντική μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος που σχετίζεται με τα υλικά. Σε αντίθεση με την κοινή προσέγγιση - η οποία συχνά περιλαμβάνει εκτεταμένη άλεση - το δυναμικό αξιοποίησης της RHA ως SCM, εξετάστηκε περαιτέρω στην ανεπεξέργαστη μορφή της. Αυτό γίνεται ώστε να ικανοποιηθεί η αυξανόμενη ευαισθητοποίηση της βιομηχανίας για χαμηλότερη ενσωματωμένη ενέργεια τσιμέντου και σκυροδέματος. Δεδομένης της διαθεσιμότητας των υφιστάμενων πρώτων υλών στη παραγωγή τσιμέντου, αυτό που χρειάζεται είναι η επίτευξη μιας βέλτιστης προσέγγισης, μεταξύ βιωσιμότητας και ανθεκτικότητας, κατά τον σχεδιασμό κατασκευών σκυροδέματος. Σε αυτό το πλαίσιο, τέφρες φλοιού ρυζιού με την μορφή που παρήχθησαν, (μέση διάμετρος περίπου 70 μm) εξετάστηκαν ως προς τα εγγενή χαρακτηριστικά τους και την επίδραση τους στην απόδοση των κονιαμάτων με βάση το τσιμέντο. Ελήφθησαν υπόψη ιδιότητες αντοχής, ενυδάτωσης και ποζολανικότητας. Η ανεπεξέργαστη RHA έχει μέτρια ποζολανικότητα και ένα χαμηλό δείκτη αποδοτικότητας, περίπου 0.5-0.6. Η πολύ υψηλή της χημική αντιδραστικότητα (αναλογία ενεργού πυριτίου περίπου 90%) δεν μπορεί να αξιοποιηθεί δεδομένου ότι η έλλειψη επαρκούς ειδικής επιφάνειας επιβραδύνει την εμπλοκή της σε αντιδράσεις ενυδάτωσης. Λαμβάνοντας υπόψη την ανεπεξέργαστη φύση της, μπορεί να υποστηριχθεί πως επιδεικνύει ένα αποδεκτό δυναμικό αντοχής μετά από 28 ημέρες, οπότε συμμορφώνεται - έστω και οριακά - με την κατηγορία αντοχής του χρησιμοποιούμενου τσιμέντου. Τα αποτελέσματα ανθεκτικότητας αποκάλυψαν ότι δεν υπάρχει ανάγκη για προεπεξεργασία της RHA ώστε να επιτευχθεί ίση ή ακόμα καλύτερη συμπεριφορά από τα κονιάματα με απλό τσιμέντο σε ότι αφορά την απορροφητικότητα (50% αύξηση για 15% χρήση της RHA) και την αντίσταση. Η ανεπεξέργαστη RHA όμως αποτυγχάνει - όπως τα περισσότερα SCMs - να βελτιώσει την αντίσταση σε ενανθράκωση δεδομένου ότι για 15% αντικατάσταση του τσιμέντου, το βάθος ενανθράκωσης σχεδόν διπλασιάστηκε. Γενικά, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η αξιοποίηση της ανεπεξέργαστης RHA σε συστήματα με βάση το τσιμέντο αποτελεί μια εναλλακτικήλύση για την μείωση του βάθους ενανθράκωσης, με τη προϋπόθεση ότι η αντικατάσταση τσιμέντου διατηρείται σχετικά χαμηλά (κάτω από 15%). Οι διεθνούς διάστασης προσπάθειες για τη μείωση των ανθρωπογενών εκπομπών CO₂ απαιτούν την υιοθέτηση μιας πιο αυστηρής προσέγγισης από την κατασκευαστική βιομηχανία. Με δεδομένη την ανάγκη για την εξεύρεση βιώσιμης λύσης που θα εγγυάται μια ελάχιστη διάρκεια ζωής, σε μια κοινή κατασκευή οπλισμένου σκυροδέματος, το θέμα σχεδιασμού της βιώσιμης ανθεκτικότητας είναι υψίστης σημασίας. Λαμβάνοντας υπόψη πως η κύρια πηγή αέριων εκπομπών κατά τη παραγωγή σκυροδέματος προκύπτει από τη διαδικασία παραγωγής κλίνκερ, έχουν προταθεί αρκετοί τρόποι μείωσης του περιβαλλοντικού αποτυπώματος κατά τη παραγωγή τσιμέντου, όπως η ενσωμάτωση υλικών αντικατάστασης τσιμέντου. Η παρούσα Διατριβή συνεισφέρει στην αξιολόγηση του περιβαλλοντικού κόστους κάθε συστατικού του σκυροδέματος αλλά και στην παροχή ενός καλύτερου δυνατού σχεδιασμού σύνθεσης σκυροδέματος (μέσω ενός ολιστικού αναλυτικού λογισμικού) υπό όρους χαμηλού περιβαλλοντικού κόστους, καθώς και στο να αξιολογήσει την προτεινόμενη σύνθεση υπό όρους αντοχής και απαιτήσεων ανθεκτικότητας. Συνολικά, πρέπει να τονισθεί ότι στη παρούσα Διατριβή προτείνεται για πρώτη φορά ένας νέος δείκτης για σκοπούς σχεδιασμού: το περιβαλλοντικό κόστος, το οποίο μπορεί να προστεθεί στους υπάρχοντες δείκτες αντοχής, ανθεκτικότητας και οικονομικού κόστους προς μια ολοκληρωμένη αριστοποίηση σχεδιασμού κατασκευών από σκυρόδεμα. Τέλος, η ενσωμάτωση νέων SCM, όπως οι τέφρες βιομάζας και ειδικά η RHA, προσφέρει νέες προοπτικές για τη μείωση του περιβαλλοντικού κόστους σκυροδέματος.