Παρασκευή δομικών υλικών από Ιπτάμενη Τέφρα με Μηχανική Ενεργοποίηση και Υδροθερμικές Μεθόδους και σύγκριση των ιδιοτήτων τους
Creators: name: Τσολακίδης, Νικόλαος Χαραλάμπους
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: Ιπτάμενη τέφρα
Υδροθερμική κατεργασία
Μηχανική ενεργοποίηση
Fly ash
Hydrothermal synthesis
Mechanical activation

description: Σήμερα, είναι ευρύτατα διαδεδομένο το πνεύμα ανάγκης για άμεση μείωση των εκπομπών CO2 που είναι υπεύθυνες κατά 85% για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Αδιαμφισβήτητα, οι κύριες πηγές εκπομπής CO2 είναι κατά σειρά η παραγωγή ενέργειας από άνθρακα, οι μεταφορές και οι βιομηχανίες, κυρίως αυτές που παράγουν σίδηρο και τσιμέντο. Συνεπώς, η ανάγκη για εύρεση εναλλακτικών μεθόδων και αξιοποίηση νέων υλικών στην παραγωγή δομικών υλικών αποτελεί ζωτικής σημασίας προοπτική για την οικονομία και την αειφορία των κατασκευαστικών έργων. Βασικός στόχος αυτής της έρευνας ήταν η παρασκευή δομικών υλικών με τη χρήση ιπτάμενης τέφρας, η οποία συλλέγεται από τους ενεργειακούς σταθμούς της Πτολεμαΐδας και Μεγαλόπολης. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν ως πρώτη ύλη ασβεστούχος ιπτάμενη τέφρα (τύπου C), με υδραυλικές και ποζολανικές ιδιότητες και πυριτική ιπτάμενη τέφρα (τύπου F). Παρασκευάστηκαν δείγματα ιπτάμενης τέφρας με προσθήκη πορτλανδίτη (Ca(OH)2) και απεσταγμένου νερού, συγκεκριμένων συστάσεων, μέσω υδροθερμικής κατεργασίας στους 95οC. Ως δυαλύματα ενεργοποίησης χρησιμοποιήθηκαν σκόνη μετακαολίνη (Al2O3.2SiO2), υδρύαλος (Na2SiO3), σκόνη γυαλιού (soda lime scrap) και καυστικό νάτριο (NaOH). Η μορφολογία και η χημική σύσταση της πρώτης ύλης, παρατηρήθηκαν με χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και επιβεβαιώθηκαν με μικροαναλύσεις φασματοσκοπίας ενεργειακού διασκορπισμού (EDS) που έγιναν τόσο σε μη αλεσμένη όσο και σε αλεσμένη ιπτάμενη τέφρα (Ι.Τ.). Για την παρασκευή των δειγμάτων κρίθηκε απαραίτητη άλεση σε σφαιρόμυλο, για περαιτέρω ομογενοποίηση, ενώ η συμπίεση έγινε με υδραυλική πρέσσα. Ο δομικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων έγινε με περίθλαση ακτίνων X (XRD). Η αλκαλική ενεργοποίηση της ιπτάμενης τέφρας είναι μια χημική διαδικασία κατά την οποία το άμορφο περιεχόμενό μετατρέπεται σε ανθεκτικές τσιμεντοειδείς δομές. Το κύριο προϊόν αυτής της αντίδρασης (ενυδατωμένο) είναι ένα ασβεστο-αργιλοπυριτικό gel (CSH) με μειωμένη κρυσταλλικότητα. Τέλος μετρήθηκαν οι δυναμικές ελαστικές σταθερές των δειγμάτων (μέτρο Young, μέτρο διάτμησης G, πυκνότητα, λόγος Poisson) μέσω της τεχνικής με δυναμική παλμική διέγερση, καταλήγοντας στο αποτέλεσμα ότι κάθε μεταβολή των δυναμικών ελαστικών σταθερών σχετίζεται με τις αποκτώμενες αντοχές των προϊόντων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα δείγματα με ιπτάμενη τέφρα τύπου C και σκόνη γυαλιού ως δυάλυμα ενεργοποίησης ανέπτυξαν τις μεγαλύτερες τιμές E και G, έως 22.83 GPa και 9.31 GPa αντίστοιχα, λόγω μεγαλύτερης περιεκτικότητας σε ασβέστιο. Ωστόσο μεγάλες ποσότητες ανυδρίτη και γκελενίτη εντοπίστηκαν σε αυτά, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μικρών, αλλά ανιχνεύσιμων, ποσοτήτων κρυστάλλων εντριγγίτη και κουζελίτη, προκαλώντας την ανάπτυξη μικρορωγμών και τη διόγκωση του δείγματος. Αντιθέτως στα δείγματα με ιπτάμενη τέφρα τύπου F ανιχνεύθηκαν πολύ μικρότερα ποσά εντριγγίτη και κουζελίτη, το οποίο οφείλεται στην αύξηση της περιεκτικότητας σε πυρίτιο (Si). Αυτό διευκολύνει τη διαλυτοποίηση φάσεων Si και Si-Al, οδηγώντας σε μείωση της περιεκτικότητας σε ανυδρίτη και γκελενίτη, καθιστώντας τα δείγματα πιο σταθερά και αξιόπιστα ως υλικά κατασκευής.
description: In our days the need for immediate reduction of CO2 emissions, which are responsible for 85% of greenhouse effect, is crucial. Undoubtedly, the main sources of CO2 emissions are the production of energy from coal, transport and the industry, especially those industries that produce steel and cement. Therefore, the need to find alternative production methods and the development of new construction materials is vital perspective for the sustainability of construction work. The main objective of this research was the manufacture of construction materials from fly ash, which is collected from the eleoctrostatic filters of the Thermoelectric Power Stations of Ptolemaida and Megalopoli. More specifically calcium fly ash (type C), with hydraulic and pozzolanic properties and silica fly ash (type F) were used as raw material. Samples were prepared with the addition of portlandite ((Ca(OH)2) and de-ionized water, using specific concentrations, through hydrothermal synthesis 95oC. As activation solutions metakolin (Al2O3.2SiO2), waterglass (Na2SiO3), soda lime scrap and sodium hydroxide (NaOH) were investgated. The morphology and chemical composition of raw material were observed through scanning electron microscopy (SEM) and confirmed through energy dispersive spectroscopy (EDS) microanalyses that were conducted in non-powdered as well as in powdered fly ash. For the preparation of the samples mechanical grinding by ball milling was necessary, for further homogenization, whereas the compression was made with a hydraulic press. The structural characterization of the samples was made with X-ray diffraction (XRD). The alkali activation of fly ash is a chemical process through with the glassy component of this powdered material is transformed into very well-compacted cement. The main reaction product (hydrated) formed is an alkaline calcium-aluminosilicate gel, with low-ordered crystalline structure. Finally the dynamic elastic constants (dynamic Young’s Modulus, Shear Modulus, density, Poisson’s ratio) were determined via impulse excitation of vibration, leading to the result that every change of the dynamic elastic constants is related to the acquired resistances of the products. Results showed that the FA C samples with soda lime scrap as admixture developed the largest E and G values of up to 22.83 GPa and 9.31 GPa respectively, due to higher calcium content. However larger quantities of anhydrite and gehlenite were detected in FA C samples forming small, but detectable quantities of ettringite and kuzelite crystalls, leading to the development of cracks and swelling of samples. On the contrary considerably smaller amounts of ettringite and kuzelite were detected in FA F samples, due to the increase of the Si content. This facilitates the dissolution of Si and Si-Al phases, leading to the reduction of anhydrite and gehlenite amounts, making them more stable and reliable as construction materials.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)