title: Εργαστηριακή διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης των λεπτομερών παραπροϊόντων που δημιουργούνται κατά την παραγωγή ανακυκλωμένων αδρανών ως συνδετικών κονιών.
title: Recycled concrete fines as binders. An experimental approach.
Creators: name: Δερμιτζακη Ρωξανη
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2019

description: Στις μέρες μας η βιομηχανία τσιμέντου και σκυροδέματος καλείται να αντιμετωπίσει τις ολοένα αυξανόμενες ανάγκες για μείωση των επιπτώσεων στο περιβάλλον. Το σκυρόδεμα είναι σήμερα ένα από τα πλέον χρησιμοποιούμενα κατασκευαστικά υλικά, με παγκόσμια παραγωγή που ξεπερνά τα 20 δισεκατομμύρια τόνους ετησίως. Επομένως μικρές βελτιωτικές αλλαγές στην τεχνολογία παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος έχουν τη δυνατότητα να επιφέρουν σημαντική αλλαγή στο περιβαλλοντικό αποτύπωμα της βιομηχανίας αυτής παγκοσμίως. Ειδικότερα, υπάρχει ανάγκη για μείωση της κατανάλωσης των φυσικών πόρων και της ενέργειας που καταναλώνεται τόσο για την παραγωγή τσιμέντου όσο και του σκυροδέματος. Οι αλλαγές αυτές μπορεί να συμβάλλουν σημαντικά στη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου που οφείλονται κατά κύριο λόγο στην παραγωγή του τσιμέντου Portland. Σημαντική επίσης συμβολή στη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος θεωρείται και η μείωση των αποβλήτων από εκσκαφές, κατασκευές και κατεδαφίσεις που αποτελούν το μεγαλύτερο σε όγκο ρεύμα βιομηχανικών αποβλήτων σήμερα. Μια από τις πλέον υποσχόμενες λύσεις του προβλήματος αυτού θεωρείται η ανακύκλωση των αποβλήτων αυτών. Η ανακύκλωση μπορεί να μειώσει τις επιπτώσεις που προέρχονται από τη βιομηχανία τσιμέντου και σκυροδέματος και πέρα από το περιβαλλοντικό όφελος να προσφέρει οικονομικά βιώσιμες λύσεις που σχετίζονται με τον κύκλο ζωής του υλικού και την εξοικονόμηση ενέργειας.
Με την ανακύκλωση το κατεδαφισθέν σκυρόδεμα χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ανακυκλωμένων αδρανών υλικών μετά από κατάλληλη επεξεργασία (καθαρισμός, θραύση, ταξινόμηση). Κατά τις διαδικασίες αυτές προκύπτει ως παραπροϊόν-απόρριμμα ένα λεπτομερές υλικό (παιπάλη ανακυκλωμένων αδρανών). Το λεπτομερές αυτό υλικό προέρχεται κυρίως από τη θραύση-λειοτρίβηση της ενυδατωμένης τσιμεντόπαστας του σκυροδέματος. Λόγω της εξαιρετικά λεπτής κοκκομετρίας του και των ερεθιστικών ουσιών που μπορεί να περιέχει (ενυδατωμένες φάσεις τσιμέντου) δημιουργεί σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα. Για την αξιοποίηση του λεπτόκοκκου αυτού απορρίμματος έχει προταθεί η θερμική ενεργοποίηση του και η χρήση του ως ανακυκλωμένης συνδετικής κονίας για μερική υποκατάσταση του τσιμέντου.
Κατά τη θερμική ενεργοποίηση λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις αφυδάτωσης και αποσύνθεσης της ενυδατωμένης πάστας τσιμέντου που οδηγούν σε αλλαγές φάσεων που εμφανίζονται με πιο έντονα αποτελέσματα κυρίως μετά τους 300 °C. Οι φάσεις της πάστας του τσιμέντου αφυδατώνονται προοδευτικά για να δώσουν άνυδρες φάσεις, μειώνοντας την πυκνότητα και αυξάνοντας το πορώδες. Η επανυδάτωση των άνυδρων φάσεων συνοδεύεται από μερική ανάκτηση της δομής και των μηχανικών ιδιοτήτων της πάστας. Ωστόσο, παρά την εμφανή αναστρεψιμότητα της διαδικασίας ενυδάτωσης, οι άνυδρες φάσεις που σχηματίζονται από την αφυδάτωση είναι διαφορετικές από τις άνυδρες φάσεις του αρχικού τσιμέντου. Οι ένυδρες ασβεστοπυριτικές φάσεις (C-S-H) σταδιακά αποσυντίθενται πάνω από 300 °C για να παραχθεί b-C2S υψηλής ειδικής επιφάνειας. Για το C-S-H από ανακυκλωμένη σκληρυμένη πάστα τσιμέντου αναστέλλεται η διαδικασία αφυδάτωσης στους 750 °C για να σχηματιστεί ένα ασβεστοπυριτικό άλας παρόμοιο με τη δομή του b-C2S, το οποίο επανυδατώνεται όταν έρθει σε επαφή με νερό και παράγει νέο C-S-H. Αυτή η επανυδάτωση εμφανίζει τσιμεντοειδή συμπεριφορά, παρόμοια με εκείνη του ασβεστοπυριτικού άλατος που υπάρχει στο τσιμέντο Portland.
Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας έγινε πύρωση του λεπτόκοκκου υλικού (-125 μm) που προέκυψε κατά την παραγωγή ανακυκλωμένων αδρανών από σκυρόδεμα κατεδαφίσεων στις θερμοκρασίες των 600 οC και 800 οC που στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε σε διάφορες αναλογίες για την υποκατάσταση του τσιμέντου σε τσιμεντοκονιάματα. Τόσο για το αρχικό υλικό όσο και εκείνο που προέκυψε από την πύρωση υπολογίστηκαν η κοκκομετρία τους με αναλυτή lazer, η χημική και η ορυκτολογική τους σύσταση με χρήση των τεχνικών XRF (φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων-Χ) και XRD (περιθλασιμετρία ακτίνων-Χ) αντίστοιχα, καθώς και η ειδική επιφάνεια με τη μέθοδο Blaine. Για τη μελέτη των φυσικοχημικών μεταβολών του υλικού κατά την πύρωση χρησιμοποιήθηκε η θερμοβαρυτομετρική μέθοδος (TGA) σε συνδυασμό με την υπέρυθρη φασματοσκοπία (FTIR) και την XRD.
Παρασκευάστηκε σειρά δοκιμίων τσιμεντοκονιαμάτων με βάση το πρότυπο EN 196-1 με υποκατάσταση του τσιμέντου (CEMI 42.5N) σε ποσοστά 10%, 20%, 30% τόσο από αρχικό λεπτόκοκκο υλικό όσο και από τα θερμικά ενεργοποιημένα υλικά στους 600 οC και 800 οC. Στη συνέχεια μετρήθηκαν, μετά από ωρίμανση 28 ημερών, η πυκνότητα, η υδαταπορρόφηση, η αντοχή σε θλίψη και κάμψη των δοκιμίων.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε τσιμεντοκονιάματα είναι εφικτή η αντικατάσταση του τσιμέντου σε ποσοστό 10% κ.β. από το αρχικό μη θερμικά επεξεργασμένο υλικό. Τα δοκίμια στα οποία έγινε αντικατάσταση του τσιμέντου σε ποσοστό 10% κ.β. από το θερμικά επεξεργασμένο υλικό στους 600 °C παρουσίασαν τις υψηλότερες τιμές αντοχής σε θλίψη και κάμψη, ενώ στα δοκίμια στα οποία έγινε αντικατάσταση του τσιμέντου από το θερμικά επεξεργασμένο υλικό στους 800 °C είχαν τις χαμηλότερες τιμές. Η μείωση αυτή οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητα σε ελεύθερη άσβεστο (CaO) του πυρωμένου υλικού που λειτούργησε αρνητικά στην ανάπτυξη των αντοχών μετά από ωρίμανση 28 ημερών. Για το υλικό αυτό απαιτείται συμπληρωματική έρευνα για τον υπολογισμό της αντοχής μετά από ωρίμανση μεγαλύτερου χρονικού διαστήματος. Για υψηλότερο ποσοστό αντικατάστασης τσιμέντου (20% κ.β.), η θερμική επεξεργασία στους 600 °C δίνει τα καλύτερα αποτελέσματα. Η πυκνότητα και η υδατοαπορρόφηση εμφανίζουν μικρές μεταβολές. Ειδικότερα προκύπτει ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας πύρωσης του υλικού παρουσιάζεται αυξητική τάση στις τιμές της πυκνότητας και μειωτική τάση στις τιμές της υδαταπορρόφησης. Τέλος, με την αύξηση του ποσοστού αντικατάστασης του τσιμέντου παρατηρείται μια αυξητική τάση στις τιμές της υδαταπορρόφησης.
description: Waste concrete is the most predominant constituent material among construction and demolition waste. Recycling of this waste could minimize landfilled waste and mineral resources depletion. Current waste concrete recycling is limited to the use of recycled concrete aggregates as a road-base material or, in minor quantities, as aggregates in new concrete mixes. The production of recycled concrete aggregates results to the generation of high amount of fines consisting mainly of cement paste particles. The use of these fines in construction applications is limited. Moreover, the stockpiling and disposal of this fine airborne material poses severe environmental problems. This study aims to the production of cement mortars using recycled concrete fines activated through a thermal treatment method. The studied recycled concrete fines were collected from a construction and demolition waste plant located in Crete (Greece). Apart from the hydrated cement paste, fines also contain significant amounts of limestone dust. Fines were heated at temperatures of 600°C and 800°C and were used to replace 10, 20 and 30% by weight cement in control mixtures produced using Portland cement and quartz sand. Results showed that the usage of untreated fines is feasible for up to 10% by weight replacement of cement. For higher cement replacement percentage (20% wt. of cement), 600°C-treated fines appear to be a promising addition for the production of cement mortars.