ΗΜΕΡΙ Α ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΥΛΙΚΑ

ΗΜΕΡΙ Α ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΥΛΙΚΑ «Κονιάµατα υδραυλικής ασβέστου για επεµβάσεις συντήρησης αποκατάστασης ιστορικών κτιρίων. Αξιολόγηση ελληνικών πρώτων υλών για παρασκευή οικολογικών υδραυλικών κονιών» Θ. Μαρκόπουλος, Β. Περδικάτσης Γ. Τριανταφύλλου, Ε. Ρεπούσκου, Π. Ροτόντο 6 Νοεµβρίου 2007 ΑΘΗΝΑ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Μηχανικών Ορυκτών Πόρων Εργαστήριο Πετρολογίας & Οικονοµικής Γεωλογίας

Εισαγωγή Η φυσική υδραυλική άσβεστος NHL παράγεται µετά από έψηση ανθρακικών πετρωµάτων (ασβεστολίθων) στους οποίους συνυπάρχουν αφενός ανθρακικό ασβέστιο και αφετέρου αργιλικά και πυριτικά συστατικά σε διαφορετικά ποσοστά (15 έως 35%). Τα προιόντα της έψησης ενυδατώνεται και µετατρέπεται σε σκόνη µε η χωρίς λειτρίβηση. Αποτελούν παροδοσιακά δοµικά υλικά και είναι οι πρώτες υδραυλικές κονίες που χρησιµοποιήθηκαν για την παραγωγή κονιαµάτων πριν από την ανάπτυξη του κοινού τσιµέντου Portland. Η χρήση τσιµέντου σε εργασίες συντήρησης αποκατάστασης έχει επιφέρει πολλά προβλήµατα. Τα «εναλλακτικά κονιάµατα», επανήλθαν τα τελευταία χρόνια στη σύγχρονη οικδοµική δραστηριότητα, είτε σε νέες κατασκευές, είτε σε εργασίες συντήρησης µέσω της αναγκαιότητας για την εφαρµογή της οικολογικής δόµησης. Στις εργασίες συντήρησης αποκατάστασης ιστορικών κτιρίων δίδεται έµφαση στη χρησιµοποίηση συµβατών υλικών, ως προς τα υλικά των µνηµείων. Στην Ελλάδα δεν παράγεται υδραυλική άσβεστος.

Πλεονεκτήµατα από τη χρήση φυσικών υδραυλικών κονιών Ικανότητα µορφοποίησης και εύκολη κατεργασία Εξικονόµηση ενέργειας από τη διαδικασία παραγωγής 1. Εύθρυπτες πρώτες ύλες 2. Χαµηλές θερµοκρασίες έψησης Υλικά συµβατά µεταυπάρχονταυλικάδόµησης Καθαρότητα (δε περιέχει πρόσθετα ανεπιθύµητες ενώσεις) Υλικά φιλικά προς το περιβάλλον Πολύπλευρες εφαρµογές Material Emission during burning CO 2 per Kg/Tonne of Binder Emission from de- carbonation Total emitted during production Re - absorbed Cement 403 416 819 NIL NHL 3.5 256 350 606 270 NHL 5 275 360 635 220 Πηγή St Astier NHL

Ταξινόµηση Ταξινόµηση Αντοχή στις 7 ηµέρες (MPa) Αντοχή στις 28 ηµέρες (MPa) NHL 2, HL2 2 7 NHL 3.5, HL 3.5 NHL 5, HL 5 2 Τύποι οµικών ασβέστων. Πηγή ΕΝ 459-1 3.5 10 5 15

ειγµατοληψία Γεωλογικά χαρακτηριστικά Περιοχή δειγµατοληψίας 2(Αποκόρωνας Χανίων): είγµα P. APOK (Μαργαΐκός ασβεστόλιθος) Χηµισµός. SiO 2 : 16.60 21.30 %, CaO: 40.90 35.60 %, Al 2 O 3 : 2.01 3.60, Fe 2 O 3 : 1.56 2,09 Περιοχή δειγµατοληψίας 3(Πρινίας Ηρακλείου): είγµα P. PRIN (Υφαλογενής βιοκλαστικός ασβεστόλιθος) Χηµισµός. SiO 2 : 7.64 10.50 %, CaO: 48.30 45.60 %, Al 2 O 3 : 0.89 1.51, Fe 2 O 3 : 0.97 1.23

Αξιολόγηση Ελληνικών πρώτων υλών Κύριοι στόχοι ιερεύνηση της καταλληλότητας νεογενών ασβεστολιθικών σχηµατισµών της Κρήτης για παραγωγή οικολογικών υδραυλικών κονιών. Εντοπισµός Χαρτογράφηση Υπολογισµός αποθεµάτων. Μελέτη για την εξακρίβωση των βέλτιστων συνθηκών έψησης (θερµοκρασία χρόνος) ώστε να προκύψουν κονίες ιδιαίτερα ενεργές. Σύνθεση κονιαµάτων µε σκοπότηχρήσηκυρίωςσεεργασίεςσυντήρησης αναπαλαίωσης.

ιάγραµµα Φάσεων CaO SiO 2 ΗαναλογίαCaO/SiO 2 είναι καθοριστικής σηµασίας για τις φάσεις που δηµιουργούνται κατά την έψηση

C. I = είκτης Υδραυλικότητας 2.8 % SiO 2 + 1.1 % Al O % CaO+ 1.4 % MgO 2 3 + 0.7 % Fe O 2 3 C.I = 0.3 0.5 Ασθενώς υδραυλική (NHL 2) C.I = 0.5 0.7 Μεσαίας υδραυλικότητας (NHL 3.5) C.I = 0.7 1.1 Ισχυρά υδραυλική (NHL 5) C.I > 1.1 Φυσικό τσιµέντο EN 459.01

Χηµική ανάλυση των υδραυλικών κονιών είγµα P. PRIN. P. PRIN. P. APOK. P. APOK. % (-212, +90) µm -90 µm SiO 2 5.85 Al 2 O 3 1.57 5.48 1.52 (-212, +90) µm 15.50 1.99-90 µm 15.40 2.10 Fe 2 O 3 1.08 1.09 1.71 1.67 CaO 61.35 58.80 54.30 52.81 MgO 1.03 0.92 1.54 1.61 Na 2 O 0.77 0.76 0.77 0.73 K 2 O 0.15 0.09 0.30 0.43 MnO 0.05 0.06 0.55 0.61 TiO 2 0.11 0.09 0.18 0.16 SO 3 0.07 0.04 0.03 0.02 LOI 27.71 31.87 22.77 24.17 ΣΥΝΟΛΟ 99.63 99.72 99.64 99.71 C.I. 0.3 0.3 0.83 0.85 Χαµηλές περιεκτικότητες σε αλκάλια (K 2 O, Na 2 O) και MgO

Αξιολόγηση των υδραυλικών κονιών (Ειδική επιφάνεια Φαινόµενη πυκνότητα Ενυδάτωση) είγµα P. PRIN. P. PRIN. P. APOK. P. APOK. % (-212, +90) µm -90 µm (-212, +90) µm -90 µm S.S.A BET (m 2 /gr) 5.79 4.48 3.71 3.61 Bulk density 1.52 1.99 (gr/cm 3) 1.57 2.10 Η ενυδάτωση της ασβέστου πραγµατοποιήθηκε µε τη µέθοδο της ανάδευσης µε περιστροφή (Slaking rate test). Όταν το νερό έρχεται σε επαφή µε άσβεστο που προέρχεται από την πύρωση ασβεστολίθων υψηλής καθαρότητας, δηλαδή πολύ ενεργή, τότε ο ρυθµός της ενυδάτωσης είναι πολύ γρήγορος και σε αρκετές περιπτώσεις ακαριαίος. Αντίθετα, ο ρυθµός της ενυδάτωσης ασβέστου που προέρχεται από ασβεστόλιθους που πυρώνονται δύσκολα ή δολοµιτικούς ασβεστόλιθους, είναι αρκετά χαµηλός.

Αξιολόγηση των προϊόντων έψησης ραστικότητα (Slaking rate test) 60,00 ΜΕΛΕΤΗ ΡΑΣΤΙΚΟ ΤΗΤΑΣ ΤΗΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΗΣ ΑΣΒΕΣΤΟ Υ P. PRIN ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΕΨΗΣΗΣ 900 C Θερµοκρασία ( C) 55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 60,00 55,00 Η παρουσία προσµίξεων (οξείδια του πυριτίου, αργιλίου, σιδήρου) σε µεγάλο βαθµό ελατώνειτορυθµό ενυδάτωσης. ΜΕΛΕΤΗ ΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΗΣ ΑΣΒΕΣΤΟ Υ P. PRIN ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΕΨΗΣΗΣ 950 C 15,00 50,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Χρόνος (min) 9Η ΕΨΗΣΗ 12Η ΕΨΗΣΗ Μια άσβεστος υψηλής αντιδραστικότητας ολοκληρώνει την ενυδάτωσή της µέσα σε 2 έως 3 λεπτά. Θερµοκρασία ( C) 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Χρόνος (min) 9Η ΕΨΗΣΗ 12Η ΕΨΗΣΗ Πρότυπο ΕΝ 459-02 Μέθοδοι δοκιµής δοµικής ασβέστου

Αξιολόγηση των προϊόντων έψησης Υδραυλικές φάσεις P. APOK 850 900 950 C 9h XRD PATERN 9000 8000 7000 P Lin (Counts) 6000 5000 4000 3000 950 C 9h 900 C 9h P Q b-c2s P a'-c2s b-c2s M 2000 1000 850 C 9h Cc L 0 3 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale PAF8509F - File: PAF 8509F.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.000 - End: 69.997 - Step: 0.019 - Step time: 31.8 s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 21 s - 2-Theta: 3.000 - Theta: PAF9009F - File: PAF 9009F.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.000 - End: 69.997 - Step: 0.019 - Step time: 31.8 s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 22 s - 2-Theta: 3.000 - Theta: PAF9509F - File: PAF 9509F.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.000 - End: 69.997 - Step: 0.019 - Step time: 31.8 s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 21 s - 2-Theta: 3.000 - Theta: ιάγραµµα περιθλασιµετρίας ακτίνων - Χ των προϊόντων έψησης του δείγµατος P.APOK, για χρονικό διάστηµα 9 ωρών σε 850-900-950 C

Αξιολόγηση των προϊόντων έψησης Υδραυλικές φάσεις P. APOK 850 900 950 C 12h XRD PATERN 6000 P 5000 P b-c2s Lin (Counts) 4000 3000 950 C 12h Cc 900 C 12h Q P a'-c2s b-c2s 2000 1000 850 C 12h C3A L M 0 4 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale PAF85012F - File: PAF 85012F.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.007 - End: 70.002 - Step: 0.019 - Step time: 31.8 s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 22 s - 2-Theta: 3.007 - T PAF90012F - File: PAF 90012F.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.000 - End: 69.997 - Step: 0.019 - Step time: 31.8 s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 22 s - 2-Theta: 3.000 - T PAF95012F - File: PAF 95012F.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.000 - End: 69.997 - Step: 0.019 - Step time: 31.8 s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 21 s - 2-Theta: 3.000 - T ιάγραµµα περιθλασιµετρίας ακτίνων - Χ των προϊόντων έψησης του δείγµατος P.APOK, για χρονικό διάστηµα 12 ωρών σε 850-900-950 C

Ορυκτολογική ανάλυση των υδραυλικών κονιών Επίδραση συνθηκών έψησης είγµα P. APOK. 9 ώρες έψηση P. APOK. 12 ώρες έψηση Φάσεις (%) 850 C 900 C 950 C 850 C 900 C 950 C β C s S 12.2 17.0 17.2 17.6 19.7 22.5 α C 2 S 10.8 9.7 8.4 10.6 10.3 7.4 P (Ca(OH) 2 ) 65.9 66.4 67.3 61.5 64.8 63.9 Cc (CaCO 3 ) 7.7 2.3 2.7 0.3 1.1 1.1 S (SiO 2 ) 1.7 0.7 1.4 1.6 0.8 0.3 M (MgO) 0.5 2.4 1.0 0.8 1.2 3.1 C 3 A 0.2 0.5 1.0 1.9 1.1 0.7 60 Υψηλά ποσοστά CaCO 3 στις ήπιεςσυνθήκεςέψησης. ΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΗΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΟΝΙΑΣ P. APOK Ηπαραγόµενη από τη διαδικασία έψησης ποσότητα CaO είναι πιο ενεργή µετά από 9 ώρες έψησης των πρώτων υλών. Μέγ. τιµή ανόδου της Θερµ. ( C) 55 50 47,50 47,88 46,83 45 42,24 42,91 43,02 40 35 800 850 900 950 1000 Θερµ οκρασία έψησης τω ν πρώτων υλών ( C) 12 ώρες έψησης 9 ώρες έψησης

Ορυκτολογική ανάλυση των υδραυλικών κονιών Επίδραση συνθηκών έψησης 60 ΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΗΣ Υ ΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΟΝΙΑΣ P. PRIN Μέγ. τιµή ανόδου της θερµ. ( C) 57,56 55 56,28 53,17 50 49,78 51,09 51,62 45 40 35 800 850 900 950 1000 Θερµ οκρασία έψησης των πρώτων υλών ( C) Υψηλά ποσοστά της υδραυλικής φάσης του βελίτη (β C s S) στις υψηλές συνθήκες πύρωσης. Πατατηρείται υπέψηση της ασβέστου (dead burning) µετά από 12 ώρες έψησης της πρώτης ύλης στους 950 C. 12 ώρες έψησης 9 ώρες έψησης είγµα P. PRIN. 9 ώρες έψηση P. PRIN. 12 ώρες έψηση Φάσεις (%) 850 C 900 C 950 C 850 C 900 C 950 C β C s S 6.2 8.2 10.1 8.5 9.4 11.4 α C 2 S 2.5 2.1 1.6 1.9 1.5 1.5 P (Ca(OH) 2 ) 72.8 76.3 78.2 77.3 78.5 79.6 Cc (CaCO 3 ) 16.0 11.3 7.2 8.1 6.4 4.5 S (SiO 2 ) 1.5 0.9 1.2 2.0 1.7 1.0 M (MgO) 0.5 0.5 0.7 0.5 0.7 0.9 C 3 A 0.5 0.7 1.0 1.7 1.8 1.1

Βέλτιστες συνθήκες παραγωγής των κονιών 60 ΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ Υ ΡΑΥΛΙΚΩ Ν ΚΟΝΙΩΝ Μέγ. τιµή ανόδου της Θερµ. ( C) 55 57,56 56,28 53,17 50 45 42,24 42,91 43,02 40 35 800 850 900 950 1000 Θερµ οκρασία έψ ησης τω ν πρώ τω ν υλών ( C) P. APOK. P. PRIN. Σε συνθήκες έψησης 900 C για 12 h παράγεται εξαιρετικά ενεργή ποσότητα CaO και σηµαντικό ποσοστό υδραυλικών φάσεων (β-c 2 S & α C 2 S) και στα δυο υλικά. Υπάρχει πλήρης µετατροπή του CaO σε Ca(OH) 2 απλά µε αέρια σβέση των κονιών (χωρίς προσθήκη νερού).

Προσδιορισµός της λεπτότητας Κοκκοµετρική κατανοµή δείγµατος κονίας P. APOK 50,0 46,6 % κ.β. παραµένον υλικό στο κόσκινο 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 6,0 2,2 2,2 8,2 34,9 2,00 1,18 0,5 0,212 0,09 Βάση Οπή κοσκίνου (mm) Συνολική ποσότητα κονίας µε µέγεθος µικρότερο από 212 µm: 81.5%. % κ.β. παραµένoν υλικό στο κόσκινο Συνολική ποσότητα κονίας µε µέγεθος µικρότερο από 212 µm: 42.2%. Κοκκοµετρική κατανοµή δείγµατος κονίας P. PRIN 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 9,4 7,4 17,2 23,8 30,0 12,2 2,00 1,18 0,5 0,212 0,09 Βάση Oπή κοσκίνου (mm) Πρότυπο ΕΝ 196-6

Κονιάµατα Υδραυλικής ασβέστου - Έλεγχος της µηχανικής συµπεριφοράς Θραύση, οµογενοποίηση των πρώτων υλών. Τα πειράµατα έψησης έγιναν σε κλάσµα του υλικού (-9.5, +3.35 mm). Ταχεία ψύξη και παραµονή σε επαφή µε την ατµόσφαιρα για 30 ηµέρες, προκειµένου να επέλθει αέρια «σβέση» των προϊόντων της έψησης. Σύνθεση κονιαµάτων υδραυλικής ασβέστου µε αναλογίες κονίας/αδρανούς 1:2, 1:3 (ΕΝ 459). Ως αδρανές χρησιµοποιήθηκε χαλαζιακή άµµος (ISO 679 Silica Sand), µε µέγιστο µέγεθος κόκκου 3,35 mm. Κοκκοµετρική κατανοµή των αδρανών (Κονίαµα δόµησης) 0,01 0,1 1 10 Κοκκοµετρικό κλάσµα (mm) 100 80 60 40 20 0 % κ. β διερχό µ ενο ποσαοστό κόκκων

Αντοχή των κονιαµάτων σε µονοαξονική θλίψη 12 11,03 Αντοχή σε µονοαξονική θλίψη (MPa 10 8 6 4 2 0 9,49 7,28 6,19 5,03 3,28 3,41 1 3 7,9 οκιµές σε άκαµπτη µηχανή φόρτισης (ΜΤ 815). Ρυθµός φόρτισης της τάξης των 0.5 1 MPa/s Χρόνος ωρίµανσης (µήνες) P APOK 1:3 P PRIN 1:3 P APOK 1:2 P PRIN 1:2 Οι τιµές των αντοχών που προέκυψαν ικανοποιούν το Πρότυπο ΕΝ 459 1 Πρότυπο ΕΝ 459-2 οµική άσβεστος (Μέθοδοι δοκιµής)

Συζήτηση - Συµπεράσµατα Οι ασβεστολιθικές πρώτες ύλες που εξετάστηκαν, µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την παραγωγή φυσικών οικολογικών υδραυλικών κονιών. Βάση της αξιολόγησης που έγινε οι κονίες P. PRIN. και P. APOK. χαρακτηρίζονται ως φυσικές υδραυλικές κονίες χαµηλής (NHL 2) και υψηλής δραστικότητας (NHL 5). Εξακριβώθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες παραγωγής των υδραυλικών κονιών. Συνέχιση της έρευνας µε τεκµηρίωση της συµβατότητας των κονιαµάτων που έχουν ως βάση τις παραγόµενες υδραυλικές κονίες µε δοµικά υλικά των κατασκευών (ασβεστόλιθους, οπτόπλινθους, προγενέστερα κονιάµατα). ΗΜΕΡΙ Α ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΥΛΙΚΑ

ΗΜΕΡΙ Α ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΥΛΙΚΑ * Larnite Ca2SiO4 Η έρευνα αυτή συγχρηµατοδοτήθηκε από το Ευρωπαϊκό κοινωνικό ταµείο και Εθνικούς πόρους -(ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ) Πρόγραµµα ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ ΙΙ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Μηχανικών Ορυκτών Πόρων Εργαστήριο Πετρολογίας & Οικονοµικής Γεωλογίας