ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΚΑΙ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΣΤΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ ΓΙΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΟΥ Exploitation of solid waste materials and industrial byproducts for the improvement of the physicomechanical properties of concrete Νικόλαος Χουσίδης-Α 1, Ιωάννης Ιωάννου-Β 2, Αγγελική Ζαχαροπούλου-Γ 3, Γιώργος Μπατής-Δ 4 Λέξεις κλειδιά: Πρόσμικτα σκυροδέματος, μηχανικές ιδιότητες, πορώδες, δυναμικό διάβρωσης, οπλισμένο σκυρόδεμα, διαχείριση αποβλήτων Keywords: Concrete admixtures, mechanical properties, porosity, Half-cell Potential, reinforced concrete, waste management ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η χρήση στερεών αποβλήτων - βιομηχανικών παραπροϊόντων ως πρόσμικτα στο σκυρόδεμα για βελτίωση των φυσικομηχανικών και ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων του σε περιβάλλον χλωριόντων. Για το σκοπό της έρευνας χρησιμοποιήθηκε ιπτάμενη τέφρα (δύο είδη), σιδηρούχα σκωρία ελάστρων και απόβλητο από την παραγωγή Ηλεκτρολυτικού Διοξειδίου του Μαγγανίου (E.M.D.) για αντικατάσταση του τσιμέντου σε ποσοστά 10% κ.β. Η πειραματική διαδικασία συμπεριελάμβανε δοκιμές μηχανικών ιδιοτήτων (θλίψη, εφελκυσμός) μετρήσεις πορώδους και δυναμικού διάβρωσης των οπλισμών συναρτήσει του χρόνου παραμονής στο διάλυμα NaCl. Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν η χημική/ορυκτολογική σύσταση και η λεπτότητα των βιομηχανικών παραπροϊόντων και αποβλήτων για την παραγωγή σκυροδέματος διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ποιότητα του παραγόμενου σκυροδέματος. 1 Μεταδιδακτορικός Ερευνητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήμιο Κύπρου, e-mail: chousidis.nikolaos@ucy.ac.cy 2 Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήμιο Κύπρου, e-mail: ioannis@ucy.ac.cy 3 Μεταδιδακτορικός Ερευνητής, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο aggeliki.zaxaropoulou@gmail.com 4 Ομότιμος Καθηγητής, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, e-mail: batis@chemeng.ntua.gr [1]
Abstract: The present study investigates the use of waste solid materials and industrial by-products for the improvement of the physico-mechanical and electrochemical properties of concrete. The study examines cementitious composite materials prepared with fly ash, iron scraps (calamine) and waste from the Electrolytic Manganese Dioxide (E.M.D.) production. The aforementioned solid wastes replaced cement by 5% wt. and 10% wt. Concrete specimens without any additive were also prepared for comparison reasons. The concretes were partially immersed in 3.5% wt. NaCl solution prior to testing. Mechanical properties (compressive and tensile strength), porosity and Half-cell Potential (HCP) measurements against time of exposure in NaCl solution were performed in the laboratory. The experimental results showed the influence of the chemical composition and mineralogy of the aforementioned additives in the performance of cementitious materials. Additionally, the grain size and fineness of waste materials also affected the quality of composite concrete. 1. Εισαγωγή Η ανακύκλωση ή/και επανάχρηση στερεών αποβλήτων έχει ως κύριο στόχο την διαφύλαξη και αειφορία των φυσικών πρώτων υλών. Η διάθεση των αποβλήτων αυτών στο έδαφος προκαλεί ρύπανση του ανώτερου εδαφικού ορίζοντα και του υπόγειου υδροφορέα, με αποτέλεσμα να καθίστανται επικίνδυνα για τη δημόσια υγεία, ειδικά σε χώρους που γειτνιάζουν με το δομημένο περιβάλλον. Στη βιβλιογραφία αναφέρονται αρκετά συστήματα ανάλυσης και διαχείρισης στερεών αποβλήτων (Pires, Martinho et al. 2011, Pargana, Pinheiro et al. 2014) τα οποία περιλαμβάνουν διάφορες τεχνοοικονομικές και κοινωνικές παραμέτρους. Ένας εναλλακτικός τρόπος διαχείρισης των βιομηχανικών αποβλήτων είναι η παραγωγή κατασκευαστικών υλικών (Zhang 2013, Gameiro, et al. 2014, Chousidis, et al. 2015). Τα απόβλητα προστίθενται στα δομικά υλικά (κονιάματα, σκυρόδεμα, οπτόπλινθοι κ.α.) με ελαχίστη ή καθόλου επεξεργασία με αποτέλεσμα το όφελος να μεγιστοποιείται, γιατί παράγονται φθηνότερα κατασκευαστικά υλικά και μειώνεται το ενεργειακό τους αποτύπωμα (για χρήση τοπικών/εγχώριων αποβλήτων). Παράλληλα, η χρήση υλικών με ποζολανικές ή/και υδραυλικές ιδιότητες, ή εξαιρετικά λεπτόκοκκων υλικών (παιπάλη λατομείων, σκωρίες κ.α.) στο σκυρόδεμα, αυξάνει την ανθεκτικότητα του τελικού προϊόντος και βελτιώνει τη συμπεριφορά του σε μηχανικές καταπονήσεις, επιδρώντας θετικά στη φέρουσα ικανότητα και το χρόνο ζωής των κατασκευών (Chousidis, et al. 2015, Lim, et al. 2017). Πολλοί τρόποι προστασίας του οπλισμένου σκυροδέματος έχουν προταθεί, όπως οργανικά επιχρίσματα, αναστολείς διάβρωσης, ηλεκτροχημικές μέθοδοι κτλ. (Rakanta, et al. 2013, Zafeiropoulou, et al. 2013, Zacharopoulou, et al. 2014). Μερικές από τις μεθόδους αυτές (επαναλκαλοποίηση, καθοδική προστασία κ.α.) είναι οικονομικά ασύμφορες (π.χ. υψηλό κόστος συντήρησης και τοποθέτησης [2]
ηλεκτροδίων στην κατασκευή), ενώ άλλες περιλαμβάνουν υλικά τοξικά προς το περιβάλλον (οργανικά επιχρίσματα, αναστολείς διάβρωσης, χρώματα κ.α.). Εκτός από τα παραπάνω, η χρήση αποβλήτων με ποζολανικές ιδιότητες είναι δυνατό να επηρεάσει θετικά τις ιδιότητες του παραγόμενου σκυροδέματος. Προηγούμενη έρευνα (Chousidis, et al. 2015) έδειξε πως οι ιπτάμενες τέφρες (Ι.Τ.), για παράδειγμα, βοηθούν στην αύξηση των αντοχών (σε ηλικίες >28 ημερών) και της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος σε περιβάλλον χλωριόντων, γεγονός που οφείλεται στη μικροδομή και τις ιδιότητες των σφαιρικών σωματιδίων της τέφρας (Wang, et al. 2017). Πρέπει να αναφερθεί πως η χρήση ιπτάμενων τεφρών στο τσιμέντο είναι συνήθης, αλλά η κοκκομετρία και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των τεφρών διαφοροποιούνται εξαιτίας του τρόπου καύσης και του είδους της πρώτης ύλης που χρησιμοποιείται (λιγνίτης, μαζούτ, πετρέλαιο κ.α.) (Chousidis, et al. 2016), οπότε η διερεύνηση της χρήσης τους αποτελεί πρόκληση για την ακαδημαϊκή κοινότητα. Μια άλλη κατηγορία υλικών, όπως οι σιδηρούχες σκωρίες, μπορούν να επιδράσουν θετικά στις ιδιότητες του παραγόμενου σκυροδέματος, εμφανίζοντας λανθάνουσες ποζολανικές ιδιότητες ή/και επηρεάζοντας τις φάσεις ενυδάτωσης του τσιμέντου. Τα συγκεκριμένα βιομηχανικά παραπροϊόντα χρησιμοποιούνται συνήθως για παρασκευή βαρέως τύπου σκυρόδεμα (heavy type concrete), αγνοώντας ότι λόγω της λεπτότητας και της υψηλής περιεκτικότητας σε σίδηρο μπορεί να αντιδράσουν με τις χημικές φάσεις του τσιμέντου, δημιουργώντας σιδηρούχα άλατα όπως σιδηρίτη, ανκερίτη κ.α. (Chousidis, et al. 2015, Chousidis, et al. 2016). Η παρούσα έρευνα πραγματεύεται τη διαχείριση τεσσάρων διαφορετικών βιομηχανικών παραπροϊόντων και στερεών αποβλήτων με στόχο τη βελτίωση των φυσικομηχανικών ιδιοτήτων του σκυροδέματος και την προστασία του οπλισμού από τη διάβρωση με βελονισμούς (pitting corrosion) σε περιβάλλον υψηλής συγκέντρωσης χλωριόντων. Τα απόβλητα που χρησιμοποιήθηκαν παρουσιάζουν διαφορετικούς μηχανισμούς δράσης με το τσιμέντο δρώντας είτε ως ποζολανικά είτε ως λεπτόκοκκα πληρωτικά (fillers) υλικά. 2. Πειραματική διαδικασία 2.1. Πρώτες ύλες και παρασκευή δοκιμίων Για την πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκε τσιμέντο CEM Ι 42.5N, νερό δικτύου και ασβεστολιθικά αδρανή. Ο λόγος νερού/τσιμέντου (w/c) ήταν σταθερός 0.65 σε όλα τα μίγματα που παρασκευάστηκαν. Σημειώνεται ότι σε χαμηλότερο λόγο w/c, τα μίγματα (ιδίως εκείνα με τις Ι.Τ) παρουσίασαν εξαιρετικά χαμηλή εργασιμότητα. Παρασκευάστηκε σκυρόδεμα κατηγορίας C20/25 και οι ποσότητες/αναλογίες των υλικών παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Για την πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκε ιπτάμενη τέφρα από δύο διαφορετικούς ηλεκτροπαραγωγικούς σταθμούς (κωδικοί: FA1, FA2), σιδηρούχα σκωρία ελάστρων (κωδικός: kal) από την παραγωγή δομικού χάλυβα και απόβλητο από την παραγωγή Ηλεκτρολυτικού Διοξειδίου Μαγγανίου (κωδικός: EMDW). Τα [3]
προαναφερθέντα υλικά αντικατέστησαν μέρος του τσιμέντου σε ποσοστά μέχρι 10% κ.β. ενώ παρασκευάστηκε και μίγμα χωρίς πρόσθετο για σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Η χημική σύσταση των τεφρών και του τσιμέντου δίνεται στο Πίνακα 2. Όπως προκύπτει, και οι δυο τέφρες έχουν υψηλά ποσοστά CaO και κατατάσσονται σύμφωνα με το ASTM C-618 στις τέφρες υψηλού ασβεστίου (C-class), ενώ περιέχουν επίσης και υψηλό ποσοστό CaOf (12.5% και 11.5% για FA1 και FA2 αντίστοιχα). Η τέφρα Πτολεμαΐδας (FA2) περιέχει επίσης υψηλή ποσότητα SO3 (7.56%). Η σιδηρούχα σκωρία ελάστρων που χρησιμοποιήθηκε αποτελεί παραπροϊόν της επεξεργασίας σιδήρου για την παραγωγή δομικού χάλυβα από τη βιομηχανία ΧΑΛΥΒΟΥΡΓΙΚΗ Α.Ε και ορυκτολογικά αποτελείται από 95% κ.β βουστίτη (FeO), και 5% κ.β. αιματίτη (Fe2O3), μαγνητίτη (Fe3O4). Συγκεκριμένα, παράγεται από την απότομη επαφή του χάλυβα με τον ατμοσφαιρικό αέρα στο στάδιο θερμής έλασης. Η απότομη οξείδωση του χάλυβα δημιουργεί ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του σιδήρου, το οποίο αποκολλάται και συλλέγεται (Mironovs V., et al. 2011). Η κοκκομετρία του κυμαίνεται από 10-15 μm. Το απόβλητο από την παραγωγή E.M.D. προκύπτει από ηλεκτροχημική διαδικασία, έπειτα από έκπλυση του ορυκτού πυρολουσίτη (MnO2) με θερμό θειικό οξύ (H2SO4) για απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων και των ακαθαρσιών. Ορυκτολογικά αποτελείται κυρίως από αλουνίτη, γύψο και γιαροσίτη. Στη βιβλιογραφία (Sikalidis, 2007) αναφέρεται επίσης η ύπαρξη αλουμίνας, χαλαζία και μαγγανίου στη σύσταση του αποβλήτου. Συνολικά παρασκευάστηκαν εννέα (9) μίγματα (δύο ποσοστά προσθήκης για κάθε απόβλητο και το αναφοράς). Για την εκτέλεση των πειραμάτων και των δοκιμών παρασκευάστηκαν κυβικά (100 x 100 x 100 mm) και κυλινδρικά (H=300 mm φ=150 mm και H=200 mm, φ=100 mm) δοκίμια, ενώ η ανθεκτικότητα εξετάστηκε σε κυλινδρικά δοκίμια (H=100 mm, φ=50 mm) οπλισμένης τσιμεντοκονίας (Σχήμα 1), τοποθετώντας ομοαξονικά χαλύβδινο οπλισμό τύπου Tempcore B500C με διαστάσεις H=100 mm, φ=10 mm σε ύψος 15 mm από την βάση του δοκιμίου. Σχήμα 1. Σκαρίφημα οπλισμένου τσιμεντοκονιάματος (αριστερά) και Κυλινδρικό δοκίμιο με Ι.Τ (δεξιά). [4]
Οι χαλύβδινες/πολυμερικές μήτρες αρχικά λιπάνθηκαν εσωτερικά για την ευκολότερη εξαγωγή των δοκιμίων, και στη συνέχεια τοποθετήθηκε το μίγμα. Ακολούθησε συμπύκνωση σε τράπεζα δόνησης για 15 s. Τα δοκίμια αφαιρέθηκαν από τα καλούπια στις 24 h και τοποθετήθηκαν σε δεξαμενή με νερό για 7 ημέρες (Τ=25 ο C, RH=99%). Τέλος, όλα τα δοκίμια εμβαπτίστηκαν (η στάθμη του διαλύματος ήταν 2-3 cm από τη βάση τους σε όλη τη διάρκεια της εμβάπτισης) σε διάλυμα NaCl 3.5% κ. β. Πίνακας 1. Ποσότητες (kg/m 3 ) και αναλογίες υλικών (κ.β.) στα μίγματα σκυροδέματος και τσιμεντοκονιάματος. Σκυροδέματα Τσιμέντο Λεπτόκοκκα Χονδρόκοκκα Χονδρόκοκκα Πρόσθετο Νερό αδρανή (0-4 mm) αδρανή (4-10 mm) αδρανή (8-20 mm) Αναφοράς 376 715 611 433-244 5% κ. β πρόσθετο 357 715 611 433 18.8 244 10% κ. β. πρόσθετο 338 715 611 433 37.6 244 Κονιάματα Σκυροδέματα Νερό/τσιμέντο 0.65 0.65 Άμμος/τσιμέντο 3/1 1.9 Χονδρόκοκκα/λεπτόκοκκα - 2/3 Πρόσθετο/τσιμέντο 0%, 5%, 10% 0%, 5%, 10% Πίνακας 2. Χημική σύσταση τσιμέντου και ιπτάμενων τεφρών για την παρασκευή δοκιμίων. Οξείδια FA1 FA2 CEM I 42.5 N SiO2 37.02 27.05 19.50 Al2O3 16.80 13.44 4.80 Fe2O3 6.61 6.31 3.60 CaO 29.21 37.30 63.50 MgO 3.24 3.90 3.40 K2O 1.25 0.66 0.69 Na2O 0.49 0.33 0.22 SO3 3.38 7.56 2.60 CaOf 12.50 11.50 1.00 LOI 2.00 3.45 3.49 Αδιάλυτο Υπόλοιπο 27.93 14.66 0.20 Υαλώδης Φάση 26.68 24.48 - [5]
2.2. Πειραματικές Μετρήσεις 2.2.1. Μετρήσεις μηχανικών ιδιοτήτων Η αντοχή του σκυροδέματος σε μονοαξονική θλίψη προσδιορίζεται µε καταπόνηση σε κεντρική θλίψη δοκιμίων από σκυρόδεμα, και ορίζεται ως η µέγιστη τάση θραύσεως των δοκιμίων. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε κυβικά δοκίμια ακμής 100 mm στις 28, 70, 100 και 130 ημέρες μερικής εμβάπτισης σε NaCl. Η δοκιμή πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με το πρότυπο EN 12390-3 στη μηχανή CONTROLS ADVANTEST 9 με δυνατότητα επιβολής μέγιστου φορτίου 5000 kν. Η ταχύτητα φόρτισης ήταν 0.5 MPa/s. Η εκτίμηση προς εφελκυστικής αντοχής πραγματοποιήθηκε με διάρρηξη (Brazilian test) κυλινδρικών δοκιμίων σκυροδέματος (H=300 mm, φ=150 mm), σύμφωνα με τη διαδικασία που ορίζει το πρότυπο ΕΝ 12390-6. Η ταχύτητα φόρτισης ήταν 0.05 MPa/s. Το δοκίμιο υπεβλήθη σε θλίψη υπό ομοιόμορφα κατανεμημένες δυνάμεις P κατά μήκος δύο αντιδιαμετρικών γενέτειρων προς παράπλευρης επιφάνειας, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ομοιόμορφα κατανεμημένων εφελκυστικών τάσεων κάθετα στο επίπεδο που ορίζεται από προς δύο γενέτειρες, μεγέθους ίσο µε σh=2p/πdl (Κωτσοβός, 2001). Όταν οι τάσεις σh έφθασαν τη μέγιστη τιμή προς, το δοκίμιο διαχωρίστηκε κατά μήκος του επιπέδου αυτού και υπολογίστηκε η αντοχή σε διάρρηξη P. 2.2.2. Μετρήσεις μέτρου ελαστικότητας Το μέτρο ελαστικότητας του σκυροδέματος υπολογίστηκε σε κυλινδρικά δοκίμια διαστάσεων H=200 mm, φ=100 mm προς 28, 100 και 130 ημέρες μερικής εμβάπτισης σε διάλυμα NaCl 3,5% κ.β. Για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας, τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε τρεις κύκλους φόρτισης αποφόρτισης με μέγιστη τιμή φόρτισης το 40% προς μέγιστης αντοχής προς, σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C469-02. Στα δοκίμια τοποθετήθηκαν αντιδιαμετρικά ηλεκτρομηκυνσιόμετρα (strain gauges) 30 mm, τα οποία κατέγραφαν την παραμόρφωση του δοκιμίου, ενώ κατάλληλο λογισμικό δημιουργούσε το διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων. Η εφαπτομένη προς ευθείας του διαγράμματος αυτού δίνει το μέτρο ελαστικότητας E. 2.2.3. Μετρήσεις τριχοειδούς πορώδους Το πορώδες του σκυροδέματος μετρήθηκε με τη μέθοδο του κορεσμού υπό συνθήκες κενού. Τα δοκίμια αρχικά ξηραθήκαν μέχρι σταθερής μάζας σε φούρνο προς 105 ο C, στη συνέχεια έγινε απαέρωση με κατάλληλη αντλία για 2-3 h και κορεσμός υπό χαμηλή πίεση για 24 h. Για τον υπολογισμό του ανοικτού πορώδους υπολογίστηκε η ξηρή (Md), η κορεσμένη και επιφανειακά ξηρή (Μs) και η φαινόμενη μάζα (Mh) με εμβάπτιση ολοκλήρου του δοκιμίου στο νερό. Το πορώδες Po και ο όγκος των κενών V υπολογίστηκαν με προς εξισώσεις (1), (2), αντίστοιχα. Po = M s M d M s M h (1) [6]
V = M s M d ρ νερού (2) Όπου ρνερού η πυκνότητα του νερού προς 25 o C (ρνερου=998 kg/m 3 ). 2.2.4. Εκτίμηση του ρυθμού διάβρωσης των οπλισμών Το δυναμικό διάβρωσης Εcorr ή δυναμικό ανοικτού κυκλώματος είναι το δυναμικό που αποκτά αυθόρμητα ένα μέταλλο όταν εκτεθεί στο περιβάλλον. Υπολογίζεται ως προς ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς, ενώ παράλληλα είναι απαραίτητη η απουσία ρεύματος, διότι σε αντίθετη περίπτωση θα έδινε μια επιπλέον διαφορά δυναμικού η οποία θα προστίθετο στη μετρούμενη τιμή. Η μέτρηση του δυναμικού διάβρωσης των οπλισμών πραγματοποιήθηκε σε οπλισμένα κυλινδρικά δοκίμια τα οποία ήταν μερικώς εμβαπτισμένα σε διάλυμα NaCl 3,5% κ.β. σε εργαστηριακό περιβάλλον καθ όλη τη διάρκεια των μετρήσεων. Ως βοηθητικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιήθηκε κορεσμένος καλομέλανας (SCE) και η καταγραφή γινόταν από κατάλληλο πολύμετρο. Συνολικά παρασκευάστηκαν 8 δοκίμια για κάθε κατηγορία μίγματος και η καταγραφή γινόταν ανά 15 ημέρες. 2.3. Πειραματικά αποτελέσματα Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται ο μέσος όρος (3 δοκιμίων) των τιμών θλιπτικής αντοχής σε δοκίμια σκυροδέματος μετά από έκθεση σε περιβάλλον χλωριόντων. Από το γράφημα φαίνεται η αυξημένη αντοχή των δοκιμίων αναφοράς (ref) συγκριτικά με τις υπόλοιπες κατηγορίες στις 7 ημέρες, ενώ τα δοκίμια με FA1 και στα δύο ποσοστά προσθήκης έχουν τη χαμηλότερη αντοχή. Οι χαμηλότερες αντοχές των 7 ημερών σε όλα τα σύνθετα σκυροδέματα που παρασκευάστηκαν οφείλονται στο χαμηλό ρυθμό ενυδάτωσης και την ύπαρξη πορτλανδίτη (Ca(OH)2), λόγω της αντικατάστασης του τσιμέντου από τα απόβλητα (Younsi, et al. 2013). Στις 28 ημέρες φαίνεται ότι η προσθήκη τέφρας Πτολεμαΐδας (FA2) βελτιώνει σημαντικά την αντοχή του σκυροδέματος με τιμές παρόμοιες των δοκιμίων αναφοράς. Όσον αφορά την προσθήκη καλαμίνας, η αντοχή αυξάνεται σημαντικά από τις 70 στις 130 ημέρες στην κατηγορία 5% kal ενώ στη σειρά 10% kal δεν υπάρχει αξιόλογη μεταβολή συγκριτικά με το σκυρόδεμα αναφοράς. Από την άλλη, οι αντοχές του σκυροδέματος που περιέχει EMDW φαίνεται να μειώνονται σημαντικά σε όλες τις ηλικίες που πραγματοποιήθηκε η δοκιμή. Ωστόσο είναι σημαντικό να αναφερθεί πως η προσθήκη των συγκεκριμένων υλικών (EMDW και kal) έδωσε σκυρόδεμα με τιμές θλιπτικής αντοχής >25MPa (στις 28 ημέρες), γεγονός που παραπέμπει στην πιθανή χρήση των συγκεκριμένων αποβλήτων ως πρόσθετα για την παραγωγή σκυροδέματος (σχεδιάστηκε μίγμα C20/25). Από την άλλη, το σκυρόδεμα με τέφρα που περιέχει αργίλους (FA1) είναι ακατάλληλο για δόμηση, λόγω των εξαιρετικά χαμηλών αντοχών, σε αντίθεση με την τέφρα Πτολεμαΐδας (FA2) που μπορεί να θεωρηθεί υλικό που βελτιώνει [7]
Θλιπτική αντοχή (MPa) σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες (28-130 ημέρες) του σκυροδέματος στα δύο υπό εξέταση ποσοστά προσθήκης. Η μέτρηση της εφελκυστικής αντοχής υπολογίστηκε έμμεσα με τη δοκιμή διάρρηξης κυλινδρικών δοκιμίων σκυροδέματος. Σε κάθε ηλικία, δύο δοκίμια από κάθε κατηγορία δοκιμάστηκαν και ο μέσος όρος των μετρήσεων παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. Από το διάγραμμα διακρίνονται οι σημαντικά υψηλότερες τιμές που παρουσιάζει το σκυρόδεμα που δεν περιέχει πρόσθετο στις 7 και 28 ημέρες. Η μερική αντικατάσταση του τσιμέντου από τα πρόσθετα φαίνεται πως επηρεάζει σημαντικά τις αντιδράσεις ενυδάτωσης, γεγονός που συνεπάγεται μείωση στην εφελκυστική αντοχή του σκυροδέματος. Επιπλέον, παρατηρείται μείωση των τιμών σχεδόν σε όλες τις σειρές με τέφρα από τις 7 στις 28 ημέρες. Το παραπάνω είναι πιθανό να οφείλεται στο γεγονός ότι τα δοκίμια ήταν συνεχώς εμβαπτισμένα στο NaCl. Από το Σχήμα 3 φαίνεται ότι τα αποτελέσματα συμβαδίζουν με αυτά της θλίψης για τα συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα που εξετάστηκαν. Το μέτρο ελαστικότητας κυλινδρικών δοκιμίων σε σκυρόδεμα με και χωρίς πρόσθετα παρουσιάζεται στο Σχήμα 4. Η παραμόρφωση των δοκιμίων σε επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης/αποφόρτισης είναι δείκτης κυρίως για την εκτίμηση της ύπαρξης ρωγμών εντός του σκυροδέματος, απόμιξης αδρανών, παρουσίας υγρασίας, φτωχής συντήρησης και συμπύκνωσης κ.α. Ωστόσο, πολλές φορές συσχετίζεται και με τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος. Από το Σχήμα 4 φαίνεται η θετική δράση της καλαμίνας και της τέφρας FA2 στο μέτρο ελαστικότητας στις 28 και 100 ημέρες. Το πρόσθετο EMDW φαίνεται να ελαττώνει ελαφρώς την τιμή του μέτρου Ε από το 5% κ.β. στο 10% κ.β ποσοστό προσθήκης, αλλά οι τιμές και των δυο κατηγοριών θεωρούνται ικανοποιητικές αφού πλησιάζουν το σκυρόδεμα αναφοράς (ref). 40 35 30 25 20 15 10 5 0 7 28 70 100 130 Σχήμα 2. Θλιπτική αντοχή σκυροδέματος μετά από εμβάπτιση σε διάλυμα NaCl 3.5% κ.β. [8]
Μέτρο Ελαστικότητας (MPa) Αντοχή σε διάρρηξη (MPa) 2,50 2,00 7 28 1,50 1,00 0,50 0,00 Σχήμα 3. Αντοχή σε διάρρηξη σε δοκίμια σκυροδέματος μερικώς εμβαπτισμένα σε διάλυμα NaCl 3.5% κ.β. 35 30 25 28 100 20 15 10 5 0 Σχήμα 4. Στατικό μέτρο ελαστικότητας κυλινδρικών δοκιμίων σκυροδέματος. Το τριχοειδές πορώδες του σκυροδέματος (Σχήμα 5) υπολογίστηκε σε κυβικά δοκίμια στις 28, 70, 100 και 130 ημέρες από την ημέρα σκυροδέτησης. Επειδή η μέθοδος είναι μη καταστρεπτική, χρησιμοποιήθηκε το ίδιο δοκίμιο για κάθε κατηγορία σε όλες τις ηλικίες των μετρήσεων. Τα δοκίμια αναφοράς παρουσιάζουν χαμηλότερο πορώδες συγκριτικά με τις υπόλοιπες κατηγορίες δοκιμίων στις 7 ημέρες. Στις 28 ημέρες, τα πρόσθετα φαίνεται να ελαττώνουν σημαντικά τις τιμές του πορώδους με εξαίρεση την κατηγορία FA1. Το ίδιο παρατηρείται και στις υπόλοιπες ηλικίες που πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις. Σχετικά με την προσθήκη kal και FA1, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μεταξύ 70 και 100 ημερών δεν υπάρχει αξιόλογη μεταβολή. Ωστόσο στις 130 ημέρες η κατηγορία FA1 φαίνεται να [9]
Πορώδες % παρουσιάζει τη μεγαλύτερη μείωση σε σχέση με τις υπόλοιπες κατηγορίες δοκιμίων. Το συγκεκριμένο πρόσθετο παρουσιάζει συγκριτικά με την FA2 αυξημένη ποζολανικότητα και χαμηλό ποσοστό SO3 (Πίνακας 2), αλλά η παρουσία αργίλων επιδρά αρνητικά στην ποιότητα του σκυροδέματος μέχρι τις 100 ημέρες σε περιβάλλον NaCl. 35 30 25 20 15 10 5 0 28 70 100 130 Σχήμα 5. Τριχοειδές πορώδες δοκιμίων σκυροδέματος μερικώς εμβαπτισμένων σε NaCl 3.5% κ.β. Το δυναμικό κλειστού κυκλώματος Ecorr (Σχήμα 6) δείχνει την τάση των μετάλλων για διάβρωση εξαρτώμενο από τη χρονική διάρκεια της έκθεσης στο διαβρωτικό περιβάλλον, τις συνθήκες περιβάλλοντος (RH, T), την ύπαρξη ορυκτών πρόσμικτων στο σκυρόδεμα που περιβάλλει τον οπλισμό κ.α. To σχήμα 6 παρουσιάζει τις μετρήσεις του δυναμικού διάβρωσης συναρτήσει του χρόνου εμβάπτισης σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μετρήσεων (Σχήμα 6) οι οπλισμοί βρίσκονται σε ενεργή κατάσταση και είναι βέβαιη η πιθανότητα να διαβρωθούν από τα ιόντα χλωρίου (Broomfield, 2006). Επιπλέον, στις τέφρες που χρησιμοποιήθηκαν και στη σκωρία ελάστρων δεν παρατηρείται καμία ουσιαστική διαφοροποίηση μεταξύ των κατηγοριών στα δύο ποσοστά προσθήκης. Μεταβολή παρατηρείται μόνο στο πρόσθετο EMDW, όπου με αύξηση του ποσοστού ελαττώνεται το δυναμικό διάβρωσης. Ωστόσο, έπειτα από 600 ημέρες, οι τρεις κατηγορίες παρουσιάζουν τιμές μεταξύ -400 mv και -500 mv. [10]
Σχήμα 6. Δυναμικό διάβρωσης E corr οπλισμών εγκιβωτισμένων σε τσιμεντοκονιάματα εμβαπτισμένα σε NaCl 3.5% κ.β. 2.4. Συζήτηση αποτελεσμάτων Σε προηγούμενες έρευνες έχει αποδειχθεί η θετική επίδραση της ιπτάμενης τέφρας από την Πτολεμαΐδα και της καλαμίνας στις φυσικομηχανικές ιδιότητες (πορώδες, θλιπτική/εφελκυστική αντοχή) του σκυροδέματος (Chousidis, et al. 2015, Chousidis, et al. 2015). Η συγκεκριμένη τέφρα περιέχει υψηλό ποσοστό θειικών ιόντων (SO3) και ελεύθερης άσβεστου, (CaOf), τα οποία ωστόσο δεν επηρεάζουν αρνητικά την αντοχή. Αυτά τα αποτελέσματα βρίσκονται σε συμφωνία με τα αποτελέσματα άλλων ερευνητών (Kouloumbi, 1992, Malami, et al. 1994). Η καλαμίνα, λόγω της κοκκομετρίας, της λειτουργεί ως πληρωτικό υλικό στους πόρους του σκυροδέματος και αντιδρά με τις φάσεις του τσιμέντου, δημιουργώντας ανθρακικά άλατα και μειώνοντας το πορώδες (Chousidis, et al. 2016). Όσον αφορά το απόβλητο EMDW και την τέφρα FA1, οι αντοχές που προέκυψαν ελαττώνονται εξαιτίας της ύπαρξης θειικών και αργιλικών ορυκτών στη σύσταση των πιο πάνω πρόσθετων αντίστοιχα. Η προσθήκη 5% κ.β. EMDW φαίνεται γενικά να επιδρά θετικά στην ανθεκτικότητα του σκυροδέματος σε περιβάλλον χλωριόντων (Chousidis, et al. 2018) και άρα το συγκεκριμένο πρόσθετο θεωρείται κατάλληλο για την παραγωγή δομικών υλικών (Mymrin, 1999). Η ιπτάμενη τέφρα FA1 περιέχει ιλλίτη και μοντμοριλλονίτη, με αποτέλεσμα τη διόγκωση και τη μικρορηγμάτωση στο εσωτερικό του σκυροδέματος. Προηγούμενη έρευνα (Chousidis, et al. 2016) έχει δείξει ότι η χημική και ορυκτολογική σύσταση της [11]
ιπτάμενης τέφρας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ποιότητα του παραγόμενου σκυροδέματος. Η θετική επίδραση όλων των πρόσθετων στην ποιότητα του σκυροδέματος φαίνεται και στα αποτελέσματα του μέτρου ελαστικότητας (με εξαίρεση την τέφρα FA1). Τα απόβλητα που χρησιμοποιήθηκαν είναι λεπτότερα του τσιμέντου, βελτιώνοντας την εργασιμότητα του νωπού μίγματος, με αποτέλεσμα το αυξημένο μέτρο Ε. Στο Σχήμα 7 αποτυπώνεται η ποσοστιαία μεταβολή της θλιπτική αντοχής (7-130 ημερών και του πορώδους (28-130 ημερών). Όπως φαίνεται, η προσθήκη των αποβλήτων βελτιώνει τις συγκεκριμένες παραμέτρους, ενώ το σκυρόδεμα αναφοράς παρουσιάζει τη μικρότερη ποσοστιαία μεταβολή, γεγονός που αποδεικνύει τη θετική επίδραση των υλικών στην ποιότητα του παραγόμενου σκυροδέματος. 10% EMDW 5% EMDW 10% kal 5% kal 10% FA2 5% FA2 10% FA1 5% FA1 REF 4,99 12,37 12,15 23,61 27,17 16,62 28,31 20,13 18,33 19,34 18,17 29,51 38,35 38,11 41,15 45,07 50,44 67,26 Ποσοστό (%) 0 20 40 60 80 θλιπτική αντοχή πορώδες Σχήμα 7. Ποσοστιαία μεταβολή θλιπτικής αντοχής σκυροδέματος μεταξύ 7-130 ημερών και πορώδους μεταξύ 28-130 ημερών. 3. Συμπεράσματα Από την παρούσα έρευνα προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων: Η χημική και ορυκτολογική σύσταση της ιπτάμενης τέφρας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ποιότητα του παραγόμενου σκυροδέματος. Η τέφρα Πτολεμαΐδας (FA2) βελτιώνει τις μηχανικές αντοχές και το πορώδες του σκυροδέματος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο σε φέροντα δομικά στοιχεία στις κατασκευές. Από την άλλη, η τέφρα που περιέχει αργιλικά ορυκτά (FA1) έδωσε χαμηλότερες αντοχές και υψηλότερο πορώδες, συγκριτικά με το σκυρόδεμα αναφοράς. Σε βάθος [12]
χρόνου πιθανόν να επιδρά θετικά (βλέπε Σχήμα 7) και να μπορεί να εισαχθεί στο σκυρόδεμα για κατασκευή στοιχείων που δεν φέρουν φορτίο. Η σιδηρούχα σκωρία ελάστρων (kal) βελτιώνει σημαντικά τις παραμέτρους που εξετάστηκαν. Το συγκεκριμένο απόβλητο επιδρά στις χημικές φάσεις του τσιμέντου, δημιουργώντας ανθρακικά άλατα και επιπλέον πληρώνει τους πόρους λειτουργώντας ως filler. Το σκυρόδεμα με το απόβλητο από την παραγωγή E.M.D. (EMDW) σε ποσοστό 10% κ.β. εμφάνισε χαμηλότερη αντοχή από το σκυρόδεμα αναφοράς. Η προσθήκη 5% κ.β. EMDW πιθανόν να βελτιώνει συνολικά την απόδοση του σκυροδέματος λόγω της λανθάνουσας ποζολανικότητας και της λεπτότητας του αποβλήτου. Βιβλιογραφικές αναφορές Broomfield, J. P. (2006). Corrosion of Steel in Concrete: Understanding, Investigation and Repair, Second Edition, Taylor & Francis. Chousidis, N., I. Ioannou and G. Batis (2018). "Utilization of Electrolytic Manganese Dioxide (E.M.D.) waste in concrete exposed to salt crystallization." Construction and Building Materials 158: 708-718 (accepted). Chousidis, N., I. Ioannou, E. Rakanta, C. Koutsodontis and G. Batis (2016). "Effect of fly ash chemical composition on the reinforcement corrosion, thermal diffusion and strength of blended cement concretes." Construction and Building Materials 126: 86-97. Chousidis, N., E. Rakanta, I. Ioannou and G. Batis (2015). "Anticorrosive Effect of Electrochemical Manganese Dioxide By-Products in Reinforced Concrete." Journal of Materials Science and Chemical Engineering Vol.03No.05: 12. Chousidis, N., E. Rakanta, I. Ioannou and G. Batis (2015). Effect of Iron Oxides scrups on mechanical properties and hydration of concrete. 10o Conference of Chemical Engineering: Challenges and Prospects,. Chousidis, N., E. Rakanta, I. Ioannou and G. Batis (2015). "Mechanical properties and durability performance of reinforced concrete containing fly ash." Construction and Building Materials 101, Part 1: 810-817. Chousidis, N., E. Rakanta, I. Ioannou and G. Batis (2016). "Influence of iron mill scale additive on the physico-mechanical Εproperties and chloride penetration resistance of concrete." Advances in Cement Research 28(6): 389-402. Gameiro, F., J. de Brito and D. Correia da Silva (2014). "Durability performance of structural concrete containing fine aggregates from waste generated by marble quarrying industry." Engineering Structures 59(0): 654-662. Kouloumbi, N. and G. Batis (1992). "Chloride corrosion of steel rebars in mortars with fly ash admixtures." Cement and Concrete Composites 14(3): 199-207. Lim, S. K., C. S. Tan, B. Li, T.-C. Ling, M. U. Hossain and C. S. Poon (2017). "Utilizing high volumes quarry wastes in the production of lightweight foamed concrete." Construction and Building Materials 151(Supplement C): 441-448. Malami, C., V. Kaloidas, G. Batis and N. Kouloumbi (1994). "Carbonation and porosity of mortar specimens with pozzolanic and hydraulic cement admixtures." Cement and Concrete Research 24(8): 1444-1454. [13]
Mironovs V., Broņka J., Korjakins A. and K. J. (2011). Possibilities of application iron containing waste materials in manufacturing of heavy concrete. In: Civil Engineering '11: 3rd International Scientific Conference: Proceedings, Latvia, Jelgava. Mymrin, V. and A. Vazquez Vaamonde (1999). "New construction materials from Spanish jarosite processing wastes." Minerals Engineering 12(11): 1399-1402. Pargana, N., M. D. Pinheiro, J. D. Silvestre and J. de Brito (2014). "Comparative environmental life cycle assessment of thermal insulation materials of buildings." Energy and Buildings 82(Supplement C): 466-481. Pires, A., G. Martinho and N.-B. Chang (2011). "Solid waste management in European countries: A review of systems analysis techniques." Journal of Environmental Management 92(4): 1033-1050. Rakanta, E., T. Zafeiropoulou and G. Batis (2013). "Corrosion protection of steel with DMEA-based organic inhibitor." Construction and Building Materials 44(0): 507-513. Sikalidis, C. and V. Zaspalis (2007). "Utilization of Mn Fe solid wastes from electrolytic MnO2 production in the manufacture of ceramic building products." Construction and Building Materials 21(5): 1061-1068. Wang, Q., D. Wang and H. Chen (2017). "The role of fly ash microsphere in the microstructure and macroscopic properties of high-strength concrete." Cement and Concrete Composites 83(Supplement C): 125-137. Younsi, A., P. Turcry, A. Aït-Mokhtar and S. Staquet (2013). "Accelerated carbonation of concrete with high content of mineral additions: Effect of interactions between hydration and drying." Cement and Concrete Research 43(0): 25-33. Zacharopoulou, A., E. Zacharopoulou and G. Batis (2014). "Protection Systems for Reinforced Concrete with Corrosion Inhibitors." Open Journal of Metal Vol.04No.04: 7. Zafeiropoulou, T., E. Rakanta and G. Batis (2013). "Carbonation Resistance and Anticorrosive Properties of Organic Coatings for Concrete Structures." JSEMAT VOL.3/1A: 67-74. Zhang, L. (2013). "Production of bricks from waste materials A review." Construction and Building Materials 47(0): 643-655. Κωτσοβός, Μ. Δ. (2001). Οπλισμένο σκυρόδεμα, pp 28-33. Αθήνα, Εκδόσεις ΕΜΠ. [14]