ΤΕΧΝΙΚΗ, ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΑΡΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΣΕ ΙΠΤΑΜΕΝΗ ΤΕΦΡΑ ΜΕ ΣΤΟΧΟ ΤΗ ΒΙΩΣΙΜΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Τ.Γ. Τάπαλη Τµήµα ιαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων, Πανεπιστήµιο υτικής Ελλάδας, Σεφέρη 2, 30100, Αγρίνιο Σ. έµης Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, Πανεπιστηµιούπολη, 26504, Ρίο Ε.Γ. Παπαδάκης Τµήµα ιαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων, Πανεπιστήµιο υτικής Ελλάδας, Σεφέρη 2, 30100, Αγρίνιο ΠΕΡΙΛΗΨΗ εδοµένου ότι ο τοµέας δόµησης παράγει περισσότερο από το 35% των εκποµπών αερίων θερµοκηπίου, ιδιαίτερη έµφαση θα πρέπει να δοθεί στην υιοθέτηση αποτελεσµατικών πρακτικών και λύσεων προκειµένου να επιτευχθεί µείωση της ενέργειας και των εκποµπών στον κατασκευαστικό κλάδο. Η χρήση συµπληρωµατικών υδραυλικών υλικών SCM (supplementary cementing materials) στον σχεδιασµό µε σκυρόδεµα θα πρέπει να αποτελέσει ένα πρωταρχικό αλλά πολλά υποσχόµενο βήµα προς την κατεύθυνση της µείωσης του περιβαλλοντικού αποτυπώµατος των υλικών. Ο στόχος της παρούσας µελέτης είναι διπλός. Αρχικά επιδιώκεται ο υπολογισµός του περιβαλλοντικού κόστους κάθε συστατικού του σκυροδέµατος και αφετέρου ο καθορισµός της καλύτερης λύσης για το σχεδιασµό σύνθεσης µίγµατος, βάσει αναλυτικών µοντέλων, υπό όρους χαµηλού περιβαλλοντικού κόστους, θλιπτικής αντοχής σκυροδέµατος και εκτίµησης της διάρκειας ζωής των κατασκευών σε δυσµενείς συνθήκες. Έχει ήδη αποδειχτεί ότι η ισορροπία µεταξύ βιωσιµότητας και ανθεκτικότητας µπορεί να επιτευχθεί µε τη χρήση SCM στο µίγµα σκυροδέµατος, όπως η ιπτάµενη τέφρα, µειώνοντας κατά αυτόν τον τρόπο τις πάγιες περιβαλλοντικές εκποµπές, χωρίς όµως να µειώνεται η ασφάλεια και ανθεκτικότητα των κατασκευών. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η βιοµηχανία τσιµέντου και σκυροδέµατος κατέχει σήµερα πρωτεύουσα θέση στον ευρύτερο κατασκευαστικό τοµέα. Έχει υπολογιστεί ότι η µέση κατανάλωση σκυροδέµατος είναι ένας τόνος ανά έτος για κάθε άτοµο στον πλανήτη [1]. Η κατανάλωση τσιµέντου και σκυροδέµατος συνδέεται άµεσα µε την οικονοµική ανάπτυξη κάθε χώρας ή ευρύτερης περιφέρειας. Παρά το γεγονός ότι η παγκόσµια οικονοµική κρίση η οποία ξεκίνησε το 2008 οδήγησε σε µείωση της κατασκευαστικής δραστηριότητας, έχουν ήδη αρχίσει να εµφανίζονται σηµάδια σταθεροποίησης στην Ευρωπαϊκή κατασκευαστική βιοµηχανία, οπότε αναµένεται αύξηση των πωλήσεων τσιµέντου τα επόµενα χρόνια. Ωστόσο, τα αυξηµένα αυτά επίπεδα ζήτησης συνεπάγονται σηµαντική περιβαλλοντική επιβάρυνση. Κατά την παραγωγή σκυροδέµατος οι κυριότερες εκποµπές συνδέονται µε την διαδικασία παραγωγής τσιµέντου και συγκεκριµένα µε το στάδιο σχηµατισµού κλίνκερ, όπου σηµαντικές ποσότητες CO 2 και άλλων αερίων θερµοκηπίου εκπέµπονται στην ατµόσφαιρα. Εκτιµάται ότι η καύση ενός τόνου κλίνκερ απελευθερώνει 0.97 τόνους CO 2. Αν ληφθεί υπόψη ότι για την παραγωγή ενός τόνου τσιµέντου χρησιµοποιούνται κατά µέσο όρο 900 kg
κλίνκερ, τότε οι εκποµπές CO 2 ανά τόνο τσιµέντου υπολογίζονται σε 0.87 τόνους [2,3]. Αξίζει να αναφερθεί ότι ο κατασκευαστικός τοµέας παράγει περισσότερο από το 35% των συνολικών εκποµπών αερίων θερµοκηπίου ενώ η βιοµηχανία τσιµέντου συµβάλει κατά 5% στις παγκόσµιες εκποµπές CO 2. Περισσότερη έµφαση θα πρέπει να δοθεί λοιπόν στην διερεύνηση µεθοδολογιών ούτως ώστε η βιοµηχανία τσιµέντου και σκυροδέµατος να µετατραπεί σε έναν περισσότερο βιώσιµο τοµέα. Η κύρια πρόκληση είναι να εξασφαλιστεί όχι µόνο µειωµένο περιβαλλοντικό αποτύπωµα αλλά και αποδεκτές µηχανικές ιδιότητες, όπως εργασιµότητα, ανάπτυξη αντοχής, διάρκεια ζωής των κατασκευών, µε τη χρήση ενός περιβαλλοντικά φιλικού τύπου τσιµέντου. Ο κύριος στόχος της παρούσας εργασίας είναι να αναλύσει την σχέση µεταξύ βιώσιµου και ανθεκτικού σχεδιασµού κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος. Προτείνεται λοιπόν µια δοµηµένη µεθοδολογία για την αξιολόγηση της µείωσης του περιβαλλοντικού κόστους καθώς και της αντοχής και της διάρκεια ζωής σκυροδέµατος που εµπεριέχει υλικά αντικατάστασης τσιµέντου (SCM), ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη διαµόρφωση σύνθεσης µίγµατος. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η εκτίµηση του περιβαλλοντικού αποτυπώµατος σκυροδέµατος µε ενσωµατωµένα SCM αποτέλεσε το πρώτο βήµα της υπολογιστικής διαδικασίας που ακολουθήθηκε. Γενικά µπορεί να λεχθεί ότι οι εκποµπές CO 2 από την παραγωγή σκυροδέµατος είναι το άθροισµα των εκποµπών από την χηµική διαδικασία µετατροπής κατά την παραγωγή κλίνκερ, από την κατανάλωση ενέργειας λόγω της καύσης ορυκτών καυσίµων (επίσης κατά την παραγωγή τσιµέντου), από την ηλεκτρική ενέργεια η οποία απαιτείται για την άλεση των επιπρόσθετων υλικών και από την ενέργεια η οποία απαιτείται για την µεταφορά των πρώτων υλών και του τελικού προϊόντος. Γενικά το περιβαλλοντικό κόστος σκυροδέµατος (εκφραζόµενο σε kg CO 2 / m 3 σκυροδέµατος) λαµβάνοντας υπόψη κάθε παράµετρο που προκαλεί περιβαλλοντική επιβάρυνση, από την προµήθεια υλικών µέχρι την παραγωγή σκυροδέµατος, την διανοµή και την χύτευση, µπορεί να εκφραστεί ως εξής: E I,conc = E M + E P + E T + E G (1) όπου E M : το περιβαλλοντικό κόστος υλικών, E P : το περιβαλλοντικό κόστος της παραγωγής σκυροδέµατος, E T : το περιβαλλοντικό κόστος της µεταφοράς σκυροδέµατος, της διανοµής και της χύτευσης, E G : άλλα κόστη (όλα εκφρασµένα σε µονάδες kg CO 2 / m 3 σκυροδέµατος). Στη συνέχεια παρουσιάζεται µία πιο ακριβής εκτίµηση του περιβαλλοντικού αποτυπώµατος για κάθε συστατικό σκυροδέµατος η οποία βασίζεται σε δεδοµένα τα οποία αντλούνται από την υπάρχουσα βιβλιογραφία καθώς και σε δεδοµένα προερχόµενα από τσιµεντοβιοµηχανίες. Το συνολικό περιβαλλοντικό αποτύπωµα των υλικών σκυροδέµατος (E M, kg CO 2 / m 3 σκυροδέµατος) µπορεί να υπολογιστεί ως εξής E M = C E c + Σ (SCM E SCM ) + A E A + W E W + D E D (2) όπου: C, SCM, A, W, and D: τα περιεχόµενα του τσιµέντου, των SCM, των αδρανών, του νερού και των προσµίκτων, αντίστοιχα, στον όγκο σκυροδέµατος και E C, E SCM, E A, E W, και E D : τα αντίστοιχα περιβαλλοντικά κόστη (σε kg CO 2 / kg υλικού). Εάν ληφθεί υπόψη η χηµική εξίσωση της πλήρους καύσης του άνθρακα (Εξ. 3), όπου παράγεται ενέργεια Q= 94 kcal/mol, αφού πρόκειται για εξωθερµική αντίδραση, η ποσότητα
CO 2 που παράγεται από την κατανάλωση ενέργειας 1kWh υπολογίζεται σε 0.404 kg (1 cal is equal to 1.162 10-6 kwh, οπότε 94 kcal ισοδυναµούν µε 0.109 kwh και παράγουν 44 g of CO 2 ). C + O 2 CO 2 + Q (3) Σύµφωνα µε την βιβλιογραφία [1-4], οι εκποµπές CO 2 που σχετίζονται µε την παραγωγή τσιµέντου ποικίλουν από 0.65-0.92 τόνους για κάθε τόνο παραγόµενου τσιµέντου δεδοµένου ότι η παραγωγή γίνεται από ένα εργοστάσιο τσιµέντου που διαθέτει µοντέρνα τεχνολογία και εξοπλισµό. Σύµφωνα µε δεδοµένα από τσιµεντοβιοµηχανίες οι εκποµπές αυτές κυµαίνονται µεταξύ 0.61 0.80 [5-10]. Ωστόσο, θα πρέπει να διευκρινιστεί ότι τα επίπεδα εκποµπών CO 2 τα οποία προέρχονται από τις τσιµεντοβιοµηχανίες αντιπροσωπεύουν το µέσο επίπεδο εκποµπών που παράγονται από διάφορους τύπους τσιµέντου ετησίως από κάθε εταιρεία. Συνεπώς, δεν αντιπροσωπεύουν τα πραγµατικά επίπεδα εκποµπών ενός CEM I τύπου τσιµέντου. Για τους σκοπούς της δεδοµένης εργασίας υπολογίστηκαν τα ακριβή επίπεδα εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα από την βιοµηχανία τσιµέντου, βάσει δεδοµένων λειτουργίας και παραγωγής. Συγκεκριµένα, ελήφθησαν υπόψη δεδοµένα όπως η συνολική ποσότητα παραγόµενου τσιµέντου (1,700,000 t/χρόνο), η απαιτούµενη ηλεκτρική ενέργεια (500,000 kwh/ηµέρα), το µετρούµενο επίπεδο εκποµπών CO 2 (3,801,000 kg/ηµέρα), οι συνολικές ηµέρες λειτουργίας ανά χρόνο (335), οπότε οι συνολικές εκποµπές CO 2 υπολογίστηκαν σε 1,341,005 t/χρόνο. Εποµένως, για την παραγωγή ενός τόνου τσιµέντου 0.79 τόνοι CO 2 εκπέµπονται στην ατµόσφαιρα. Επιπλέον, οι εκποµπές CO 2 που οφείλονται στην µεταφορά πρέπει να προστεθούν. εδοµένου ότι κατά µέσο όρο 2.74 kg CO 2 εκπέµπονται για κάθε λίτρο καυσίµου, µε την χρήση οχηµάτων µεταφοράς, καθώς και ότι η κατανάλωση καυσίµου εκτιµάται σε 1 lt/3 km για 5 τόνους πρώτων υλών, οι συνολικές εκποµπές οι οποίες προκύπτουν από την µεταφορά υπολογίζονται σε 0.183 kg/km πρώτης ύλης [11]. Για την εξαγωγή, επεξεργασία και άλεση αδρανών οι συνολικές εκποµπές CO 2 εκτιµώνται σε 5.96 kg/t αδρανών (δεδοµένου ότι 2.53 kwh απαιτούνται για την παραγωγή ενός τόνου αδρανών και ότι 9 lt καυσίµου απαιτούνται για την µεταφορά ενός φορτίου 5 t, οπότε προκύπτουν 4.94 kg CO 2 / t αδρανών). Στην περίπτωση της ιπτάµενης τέφρας (FA: fly ash), η µόνη πηγή εκποµπών είναι µια µικρή ποσότητα ενέργειας η οποία απαιτείται για την άλεση των πρώτων υλών σε λεπτή σκόνη καθώς και για την µεταφορά της. Σύµφωνα µε την βιβλιογραφία [12,13], η ενεργειακή αυτή απαίτηση εκτιµάται σε 20 kwh ανά τόνο παραγόµενης ιπτάµενης τέφρας, οπότε 8.06 kg CO 2 ανά τόνο ιπτάµενης τέφρας (εκποµπές λόγω µεταφοράς όπως και κατά την µεταφορά τσιµέντου πρέπει να προστεθούν). Στην περίπτωση της πυριτικής παιπάλης (SF: silica fume), δεδοµένου ότι είναι διαθέσιµη σε περιορισµένη κλίµακα στην Ευρώπη, οι σχετιζόµενες εκποµπές οφείλονται µόνο στην µεταφορά. Για λόγους απλοποίησης, αφού στην παρούσα εργασία επιχειρείται µια εκτίµηση του περιβαλλοντικού κόστους σκυροδέµατος, γίνεται η υπόθεση ότι οι εκποµπές αυτές είναι διπλάσιες από τις αντίστοιχες της ιπτάµενης τέφρας. Σε ότι αφορά το νερό, η µόνη πηγή εκποµπών οφείλεται στην απαιτούµενη ηλεκτρική ενέργεια για την άντληση του νερού, η οποία στην παρούσα µελέτη θεωρείται αµελητέα. Στον σχεδιασµό µίγµατος, δεν χρησιµοποιούνται καθόλου πρόσµικτα, εποµένως η περιβαλλοντική τους επίδραση δεν λαµβάνεται υπόψη.
Στη συνέχεια εφαρµόστηκε µια προτεινόµενη µεθοδολογία τεσσάρων βηµάτων για την αξιολόγηση της αποτελεσµατικότητας των βιοµηχανικών παραπροϊόντων ως υποκατάστατα του τσιµέντου µε στόχο την επίτευξη ενός «εύρωστου» σχεδιασµού σύνθεσης µίγµατος (υπό όρους ιδιοτήτων σκυροδέµατος και διάρκειας ζωής) µε το ελάχιστο περιβαλλοντικό κόστος. Σε κάθε βήµα η αξιολόγηση της διάρκειας ζωής και της θλιπτικής αντοχής πραγµατοποιήθηκε µε τη χρήση ενός συγκεκριµένου λογισµικού, το οποίο βασίζεται σε αποδεδειγµένα µοντέλα πρόβλεψης, έχει αποδειχθεί στην πράξη. Επιπλέον, αξίζει να αναφερθεί ότι αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε από ορισµένους από τους συγγραφείς της παρούσας εργασίας [14-18]. Αναλυτικά, η µεθοδολογία αυτή αποτελείται από τα παρακάτω βήµατα: Βήµα 1 ο :Επιλογή των αρχικών τιµών CCP (Concrete Compositional parameters): Τσιµέντο, Νερό, Αδρανή Μια θλιπτική αντοχή 40 MPa και µια διάρκεια ζωής 50 ετών επιλέχθηκαν ως αρχικές τιµές στόχου. Ως βάση σύγκρισης (σκυρόδεµα αναφοράς) θεωρήθηκε ένα σκυρόδεµα µε περιεκτικότητα C= 300 kg/m 3 σε τσιµέντο τύπου CEM I, µε περιεκτικότητα σε νερό W= 150 kg/m 3, µε θραυστά, ασβεστολιθικά αδρανή µέγιστου κόκκου 31.5 mm, χωρίς πρόσθετα και χωρίς πρόσµικτα). Το συνολικό περιβαλλοντικό κόστος υπολογίστηκε σε 311.47 (kg CO 2 / m 3 σκυροδέµατος). Το µίγµα ελέγχου παρουσίασε θλιπτική αντοχή σκυροδέµατος 44.6 MPa ενώ η διάρκεια ζωής υπολογίστηκε σε 119.9 χρόνια λόγω ενανθράκωσης (µε πάχος επικάλυψης: 30 mm) και σε 53.1 χρόνια λόγω έκθεσης σε χλωριόντα (µε πάχος επικάλυψης: 30 mm). Αυτές οι τιµές (περιβαλλοντικό κόστος, αντοχή, διάρκεια ζωής) θεωρούνται ως τιµές αναφοράς καθ όλη την διαδικασία βελτιστοποίησης σύνθεσης µίγµατος η οποία ακολουθείται στην παρούσα εργασία. Βήµα 2 ο και 3 ο : Αντικατάσταση αδρανών ή τσιµέντου από SCM Μία σταθερή µονάδα όγκου (1 m 3 ) σκυροδέµατος επιλέχθηκε ως κοινή βάση σύγκρισης. Κάθε φορά που γινόταν προσθήκη ενός SCM σε αυτήν την µονάδα τότε ίσος όγκος από ένα άλλο υλικό, είτε τσιµέντο (βήµα 3) είτε αδρανή (βήµα 2), αφαιρούνταν ώστε να διατηρείται σταθερός ο συνολικός όγκος (±5 - ±30% επί του τσιµέντου αναφοράς). Ελήφθησαν υπόψη διάφορες συνθέσεις όπου κάθε φορά έγινε προσθήκη ενός προσµίκτου τύπου ΙΙ (πυριτικής ιπτάµενης τέφρας SFA, ασβεστικής ιπτάµενης τέφρας CFA, πυριτικής παιπάλης SF) σε συγκεκριµένες αναλογίες, προς αντικατάσταση τσιµέντου και αδρανών. Στην περίπτωση της ιπτάµενης τέφρας επιλέχθηκαν ποσοστά αντικατάστασης της µάζας τσιµέντου 10, 20 και 30%, ενώ στην περίπτωση της πυριτικής παιπάλης τα ποσοστά αντικατάστασης ήταν 5, 10 και 15%, δεδοµένου ότι το υλικό αυτό παρουσιάζει πιο έντονη ποζολανική συµπεριφορά. Βήµα 4 ο : Περαιτέρω µείωση του περιεχοµένου νερού και/ ή αδρανών Μεταβάλλοντας το λόγο νερού/τσιµέντο της σύνθεσης µίγµατος που παρουσίασε την καλύτερη απόδοση στο βήµα 3 και διατηρώντας ταυτόχρονα το ποσοστό SCM σταθερό, µελετήθηκε η συµπεριφορά του µίγµατος σχετικά µε το περιβαλλοντικό κόστος και τις ιδιότητες σκυροδέµατος. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η παρούσα µελέτη επιχειρεί να διερευνήσει τη σχέση µεταξύ βιωσιµότητας και ανθεκτικότητας, προτείνοντας µια δοµηµένη µεθοδολογία τεσσάρων βηµάτων για την βελτιστοποίηση περιεκτικότητας σκυροδέµατος σε ιπτάµενη τέφρα, µε κριτήρια τεχνικά, οικονοµικά και περιβαλλοντικά.
Ο Πίνακας 1 συνοψίζει τα τρία πρώτα βήµατα, παρουσιάζει δηλαδή τις συνθέσεις µίγµατος που εξετάστηκαν καθώς και τις τιµές που αφορούν τη διάρκεια ζωής αλλά και το περιβαλλοντικό κόστος. Πίνακας 1. Σύνθεση µίγµατος, δείκτες διάρκειας ζωής και περιβαλλοντικό κόστος (Βήµατα 1-3) SCM C W A P f c Z carb Z Cl- E C E C SCM type % (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) w/c (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (MPa) (years) (years) (kg CO 2 /m 3 con.) Control 0 300 150 0.5 1925-44.6 119.9 53.1 311.47 - SFA Replacing aggregates s-fa 1a 10 300 150 0.50 1890 30 47.4 175 187.5 311.52 0.02 s-fa 2a 20 300 150 0.50 1856 60 50.3 >200 >200 311.58 0.03 s-fa 3a 30 300 150 0.50 1821 90 50.4 >200 >200 311.63 0.05 Replacing cement s-fa 1c -10 270 150 0.56 1915 30 41.8 98.4 81.3 281.67-9.57 s-fa 2c -20 240 150 0.63 1905 60 38.0 74.3 106.3 251.87 - s-fa 3c -30 210 150 0.71 1895 90 31.7 47.6 45.8 222.07 - CFA Replacing aggregates c-fa 1a 10 300 150 0.50 1896 30 51.4 180.2 118.8 311.56 0.03 c-fa 2a 20 300 150 0.50 1866 60 58.0 > 200 >200 311.64 0.05 c-fa 3a 30 300 150 0.50 1837 90 64.4 > 200 >200 311.72 0.08 Replacing cement c-fa 1c -10 270 150 0.56 1920 30 45.8 102.3 70.8 281.70-9.56 c-fa 2c -20 240 150 0.63 1916 60 46.9 86.2 93.8 251.94 - c-fa 3c -30 210 150 0.71 1911 90 48.0 72.2 187.5 222.16 - SF Replacing aggregates sf 1a 5 300 150 0.50 1908 15 50.8 135.3 137.5 311.39-0.03 sf 2a 10 300 150 0.50 1890 30 56.9 146.5 >200 311.30-0.06 sf 3a 15 300 150 0.50 1873 45 62.0 164.8 >200 311.21-0.08 Replacing cement sf 1c -5 285 150 0.53 1920 15 48.0 102.9 81.3 296.46-4.82 sf 2c -10 270 150 0.56 1915 30 51.4 85.2 143.8 281.45-9.64 sf 3c -15 255 150 0.59 1910 45 51.2 70.9 156.3 266.43 - SCM: Replacement level (%) with supplementary cementing material C: cement content (kg/m 3 ) W: Water content (kg/m 3 ) A: aggregate content (kg/m 3 ) w/c: water cement ratio P: supplementary cementing material content (kg/m 3 ) of fly ash FA (siliceous SFA or calcareous CFA ) and of silica fume SF f c : Concrete compressive strength (MPa) Z carb, Z Cl- Service life for carbonation and chloride exposure, respectively (years) E C, E C : Environmental cost (kg CO 2 / m 3 of concrete) and change (%) compared to control Κατά την αντικατάσταση αδρανών, η προσθήκη τέφρας CFA σε τσιµέντο τύπου Ι αποδείχτηκε πιο αποτελεσµατική σε σχέση µε την τέφρα SFA. Συγκεκριµένα, προσθήκη 30% CFA οδήγησε σε τιµές διάρκειας ζωής παρόµοιες µε αυτές της SFA, όµως σε ότι αφορά την αντοχή οι τιµές ήταν αισθητά υψηλότερες από τις αντίστοιχες της SFA, σε σύγκριση µε το µίγµα ελέγχου (44.4% αύξηση αντοχής για την CFA έναντι 13% για την SFA) Όταν τα SCM χρησιµοποιήθηκαν για την αντικατάσταση αδρανών το περιβαλλοντικό τους αποτύπωµα δεν βελτιώθηκε (το οποίο ήταν αναµενόµενο δεδοµένου ότι δεν αντικαθιστούν κλίνκερ). Παρόλα αυτά, η αντοχή και η διάρκεια ζωής σε ενανθράκωση παρουσίασε σηµαντικές αυξήσεις, σε σύγκριση µε τον έλεγχο. Όταν τα SCM χρησιµοποιήθηκαν ως υλικά αντικατάστασης τσιµέντου παρατηρήθηκαν χαµηλότερες τιµές διάρκειας ζωής λόγω ενανθράκωσης (οπότε υψηλότερα βάθη ενανθράκωσης), ταυτόχρονα όµως υψηλότερες από τις τιµές στόχου ενώ το περιβαλλοντικό τους αποτύπωµα µειώθηκε σηµαντικά. (%)
Η εξήγηση της συγκεκριµένης συµπεριφοράς η οποία παρατηρήθηκε και από άλλους ερευνητές [19,20], αποδίδεται στο τρόπο ενσωµάτωσης των υλικών αυτών στο µίγµα. Στην πρώτη περίπτωση, η συνολική ποσότητα των ανθρακούχων συστατικών παρέµεινε περίπου η ίδια µε αποτέλεσµα το µειωµένο πορώδες και χαµηλότερα ποσοστά ενανθράκωσης [21]. Στην δεύτερη περίπτωση η µείωση του περιεχόµενου τσιµέντου και κλίνκερ οδήγησε σε µείωση της ποσότητας των ανθρακούχων υλικών (λόγω της µείωσης στο συνολικό CaO) και συνεπώς σε υψηλότερα ποσοστά ενανθράκωσης [20]. Γενικά, τα υλικά SCM (ως υποκατάστατα του τσιµέντου) παρουσίασαν µειωµένη αντίσταση στην ενανθράκωση, λόγω της χαµηλής ικανότητας που διαθέτουν για την δέσµευση του CO 2, η οποία προκαλείται από τις µικρότερες συγκεντρώσεις Ca(OH) 2, σε σύγκριση µε τον έλεγχο (λόγω της κατανάλωσης κατά την ποζολανική αντίδραση και το χαµηλότερο περιεχόµενο σε τσιµέντο). Σχετικά µε την έκθεση σε χλωριόντα όλα τα µίγµατα συµπεριφέρθηκαν καλύτερα από το µίγµα ελέγχου. Παρατηρήθηκε oτι όλα τα δείγµατα µε SCM, ανεξάρτητα εάν έγινε αντικατάσταση τσιµέντου ή αδρανών, σηµείωσαν χαµηλότερο περιεχόµενο σε χλωριόντα για όλα τα βάθη από την επιφάνεια [22]. Θα πρέπει ωστόσο να αναφερθεί ότι για υψηλά ποσοστά προσθήκης της SFA (30%) οι τιµές της διάρκειας ζωής λόγω ενανθράκωσης και διείσδυσης χλωριόντων έπεσε κάτω από την αρχικά καθορισµένη τιµή στόχου των 50 ετών. Σε ότι αφορά το περιβαλλοντικό κόστος η ιπτάµενη τέφρα παρουσίασε σηµαντικές µειώσεις (28.7%) των εκποµπών CO 2 σε σχέση µε την πυριτική παιπάλη (14.5%). Οι µειώσεις αυτές και οι γενικές τάσεις σχετικά µε την αντοχή και τη διάρκεια ζωής, παρατηρήθηκαν επίσης και σε άλλα εξεταζόµενα µίγµατα µε διαφορετικούς λόγους νερού/τσιµέντο, σε σχέση µε την τιµή 0.5 του ελέγχου, αλλά για το ίδιο αρχικό περιεχόµενο σε τσιµέντο (300 kg/m 3 σκυροδέµατος, όπως στο µίγµα ελέγχου. Ακόµα και για συνθέσεις µίγµατος µε διαφορετικό περιεχόµενο σε τσιµέντο (από 300 έως 400 kg/m 3 ) σε σχέση µε τον έλεγχο και µε το ίδιο ποσοστό SCM και τον ίδιο λόγο νερού/τσιµέντου ίσο µε 0.5, τα ποσοστά µείωσης του περιβαλλοντικού κόστους ήταν σταθερά (Σχήµα 1). 100 Compressive Strength (MPa) 80 (a) 320 300 (b) 60 280 40 260 20 Environmental Cost (kg CO 2 / m 3 concrete) 240 w/c 0 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 SCM (%) 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 control 220 200 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65-40 w/c -20-10 0-30 SCM (%) 10 20 30 40 Service Life Chloride Exposure (years) 250 200 150 100 50 0 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65-40 w/c (c) 0-20 -10-30 SCM (%) 20 30 40 10 Environmental Cost (kg CO 2 /m 3 concrete) 420 400 380 360 340 320 300 280 260 380 360 340 320 300 280 260 C (Kg/m3) -20-15-10-5 0 5 10 1520 Σχήµα 1. Γενική συµπεριφορά των υλικών SCM υπό όρους περιβαλλοντικού κόστους (b), αντοχής σκυροδέµατος (a) και ιδιοτήτων διάρκειας ζωής(c) για ένα εύρος λόγων νερού/τσιµεντο και για διαφορετικό αρχικό περιεχόµενο σε τσιµέντο (d) (d) SCM (%) 300 320 340 360 380 400 control
εδοµένου ότι περαιτέρω προσθήκη SCM οδηγεί σε βαθµό ποζολανικής αντίδρασης κάτω από 1 (ή ακόµα και κάτω από 0.5), προκειµένου να µειωθεί ακόµα περισσότερο το περιβαλλοντικό κόστος, επιχειρήθηκαν οριακές µειώσεις του περιεχοµένου σε τσιµέντο και νερό (Βήµα 4). Κάθε µείωση του περιεχοµένου σε τσιµέντο (κατά 10 kg/m 3 ) σχετίζεται µε µια µείωση περιβαλλοντικού κόστους, ενώ η µείωση του νερού (πάλι κατά 10 kg/m 3, για κάθε µείωση τσιµέντου) ενισχύει τις ιδιότητες σκυροδέµατος και διάρκειας ζωής, όπως φαίνεται στο Σχήµα 2. Παρατηρήθηκε πως το περιβαλλοντικό κόστος ενός µίγµατος µε 30% CFA (το οποίο είχε ήδη µειωθεί κατά 28.7% σε σχέση µε το µίγµα ελέγχου) µπορεί να µειωθεί περαιτέρω (έως και 45%) µε σταδιακές µειώσεις τσιµέντου (10 kg/m 3 )και επιπρόσθετων µειώσεων νερού. Ένα τέτοιο µίγµα, εκτός από το σηµαντικά µειωµένο επίπεδο εκποµπών CO 2, παρουσιάζει τιµές αντοχής και διάρκειας ζωής (λόγω διείσδυσης χλωριόντων) αυξηµένες σε σχέση µε τις τιµές στόχου (40 MPA και 50 έτη) σε ποσοστά πάνω από 26.5% και 150% αντίστοιχα. 320 Env. cost of control mix (No SCM, C: 300 Environmental Cost (kg CO 2 /m 3 concrete) 300 280 260 240 220 200 180-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80 64.2 MPa >200 years 49.9 MPa 75.6 years Cement reduction (kg/m 3 ) Env. cost of 20% CFA mix (C: 240 kg/m 3, CFA: 60 kg/m 3 ) 160 100 110 120 130 140 150 160 Water Content (kg/m3) Σχήµα 2. Επίδραση της µείωσης βήµα-βήµα του περιεχοµένου σε τσιµέντο και νερό στο περιβαλλοντικό κόστος µίγµατος µε 20% Συνεπώς, εάν ληφθούν υπόψη οι επιδράσεις κάθε οριακής µείωσης τσιµέντου και νερού στις σχετιζόµενες ιδιότητες περιβαλλοντικού κόστους, αντοχής (Σχήµα 3) και διάρκειας ζωής (Σχήµα 4), µια περιοχή αποδεκτής συµπεριφοράς µπορεί να καθοριστεί. Σε καθένα από τα Σχήµατα 3 και 4, για κάθε µείωση στο περιεχόµενο τσιµέντου, εκτός από την µείωση του περιβαλλοντικού κόστους, παρουσιάζεται και η βελτίωση σε αντοχή και διάρκεια ζωής για κάθε µείωση του περιεχόµενου σε νερό, εκφρασµένη ως ποσοστό αύξησης σε σχέση µε τις αρχικά καθορισµένες τιµές στόχου για αντοχή (40MPa) και διάρκεια ζωής (50έτη).
Σχήµα 3. Επίδραση της µείωσης του περιεχοµένου του νερού και του τσιµέντου στην αντοχή και το περιβαλλοντικό κόστος Σχήµα 4. Επίδραση της µείωσης του περιεχοµένου του νερού και του τσιµέντου στην διάρκεια ζωής και το περιβαλλοντικό κόστος ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εάν ληφθεί υπόψη η αυξανόµενη ζήτηση για τσιµέντο και σκυρόδεµα η οποία αναµένεται να σηµειωθεί τα επόµενα χρόνια, σε συνδυασµό µε τα σηµαντικά επίπεδα εκποµπών CO 2, τα οποία σχετίζονται µε την διαδικασία παραγωγής τσιµέντου, θεωρείται πλέον επιτακτική η ανάγκη για υιοθέτηση και επιβολή ενός περισσότερο βιώσιµου σχεδιασµού συνθέσεων σκυροδέµατος. Μια πραγµατικά υποσχόµενη λύση είναι η χρήση βιοµηχανικών παραπροϊόντων ως υλικά αντικατάστασης τσιµέντου (κλίνκερ).
Τα κυριότερα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την παρούσα µελέτη συνοψίζονται ως εξής: Το περιβαλλοντικό αποτύπωµα κάθε συστατικού του σκυροδέµατος µπορεί να υπολογιστεί γρήγορα βάσει δεδοµένων από βιβλιογραφικές πηγές ή βάσει δεδοµένων παραγωγής και λειτουργίας από τις διάφορες σχετικές βιοµηχανίες. Η επίδραση των υλικών SCM στη συµπεριφορά του µίγµατος σκυροδέµατος διαφοροποιείται αναλόγως εάν τα υλικά αυτά αντικαθιστούν τσιµέντο ή αδρανή (υπό όρους διάρκειας ζωής λόγω ενανθράκωσης). Η προσθήκη SCM στο µίγµα σκυροδέµατος προς αντικατάσταση τσιµέντου ή αδρανών, προκάλεσε σηµαντική αύξηση της διάρκειας ζωής έναντι διείσδυσης χλωριόντων, σε σύγκριση µε το µίγµα ελέγχου. Γενικά η χρήση SCM προς αντικατάσταση τσιµέντου συνεπάγεται σηµαντική µείωση των επιπέδων εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ). Βάσει του υπολογισµένου περιβαλλοντικού κόστους ενός µίγµατος σκυροδέµατος και των τιµών αντοχής και διάρκειας ζωής, δηµιουργήθηκε ένα ολοκληρωµένο «πορτραίτο» της σχέσης µεταξύ των ιδιοτήτων για κάθε σύνθεση µίγµατος. Η ασβεστιτική ιπτάµενη τέφρα CFA αποδείχτηκε ως το πιο πολλά υποσχόµενα υλικό SCM στο να παρέχει µια ισορροπηµένη λύση, περιβαλλοντικά φιλική και ταυτόχρονα ανθεκτική. Αποδείχτηκε ότι µια περαιτέρω µείωση του περιβαλλοντικού φορτίου (έως και 45%) µπορεί να επιτευχθεί µε σταδιακές µειώσεις του περιεχοµένου νερού και τσιµέντου, για ένα δεδοµένο επίπεδο αντικατάστασης µε SCM (π.χ 30%). Βάσει των επιδράσεων των οριακών µειώσεων νερού και τσιµέντου στην αντοχή και τη διάρκεια ζωής των µιγµάτων, δηµιουργήθηκε µια προτεινόµενη περιοχή αποδεκτής απόδοσης πάνω από τις καθορισµένες τιµές στόχου. Ο σχεδιασµός σύνθεσης µίγµατος µε την ενσωµάτωση υλικών SCM µπορεί να προσαρµοστεί περαιτέρω προκειµένου να επιτευχθεί µια βέλτιστη βιώσιµη και ανθεκτική απόδοση, σύµφωνα µε τις απαιτήσεις των πρόσφατα εισαχθέντων Προτύπων EN15643. Τα αποτελέσµατα της παρούσας εργασίας ενθαρρύνουν την υιοθέτηση µιας πιο αυστηρής προσέγγισης από την επιστηµονική κοινότητα, στο επίπεδο της βιωσιµότητας η οποία µπορεί να επιτευχθεί µε την ενσωµάτωση ιπτάµενης τέφρας αλλά και άλλων παραπροϊόντων στο µίγµα σκυροδέµατος. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Flower, D.J.M. and Ganjayan, J.G., Green house gas emissions due to concrete manufacture, Int J LCA, 12:5 (2007), p. 282-288. [2] Ecosmart Concrete, Environmental impact - Cement production and the CO 2 challenge, Ecosmart Foundation, Canada, (2008). [3] WBCSD, World Business Council for Sustainable Development. Cement sustainability Initiative. Guidelines for the selection and use of fuels and raw materials in the cement manufacturing process, Geneva, Switzerland, (2005). [4] Hoenig, V., Hoppe, H. and Emberger, B., Carbon capture technology - options and potentials for the cement industry, Tannenstrasse: European Cement Research Academy, (2007). [5] ACC, Sustainable Development Report. India, (2010). [6] CRH, Sustainability Report - Responsible performance & growth. Ireland, (2011).
[7] Heidelberg, Sustainability Report, Heidelberg Cement Northern Europe, Sweden, (2009) [8] Holcim, Corporate Sustainable Development Report. Holcim, Switzerland, (2011). [9] Italcementi, Sustainability Disclosure. Italcementi Group, Italy, (2011). [10] Lafarge, Sustainability 11 th Report, Lafarge Group, France, (2011) [11] GHG Protocol, Mobile Guide. Calculating CO 2 emissions from mobile sources. Guidance to calculation worksheets, The Greenhouse Gas protocol initiative, (2011). [12] IPPC, Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Bureau, Reference document of best available techniques in the cement, lime and magnesium oxide manufacturing industries, European Commission, Joint Research Centre, Institute for Prospective Technological Studies, Seville, Spain, (2010). [13] U.S. Environmental Protection Agency, Guidebook for Using the Tool BEST Cement: Benchmarking and Energy Savings Tool for the Cement Industry, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA, (2008). [14] Papadakis, V.G., Experimental investigation and theoretical modelling of silica fume activity in Concrete, Cem. Concr. Res., 29:1 (1999a), p. 79-86. [15] Papadakis, V.G., Effect of fly ash on Portland cement systems. Part I: Low calcium fly ash, Cem. Concr. Res., 29:11 (1999b), p. 1727-1736. [16] Papadakis, V.G., Efstathiou, M.P. and Apostolopoulos, C.A., Computer-Aided Approach of Parameters Influencing Concrete Service Life and Field Validation, Comput. Concr., 4 (2007), p. 1-18. [17] Papadakis, V.G. and Demis, S., Estimation and Validation of Concrete Strength and Service Life Using Software Packages based on Predictive Models, Proceedings of the 12 th International Conference on Durability of Building Materials and Components, Porto, Portugal, April, (2011). [18] Demis, S. and Papadakis, V.G., A software-assisted comparative assessment of the effect of cement type on concrete carbonation and chloride ingress, Comput. & Concr., 10:4 (2012), p. 391-407. [19] Khunthingkeaw, J., Tangtermisirikul, S. and Leelawat, T., A study on carbonation depth prediction for fly ash concrete, Const. Build. Mater., 20 (2011), 744-753 [20] Valcuende, M. and Parra, C., Natural carbonation of self-compacting concretes, Const. Build. Mater., 24 (2010), p. 848 853. [21] Papadakis, V.G., Effect of Supplementary Cementing Materials on Concrete Resistance against Carbonation and Chloride Ingress, Cem. Concr. Res., 30 (2000), p. 291-299. [22] Hosam, E.D.H.S., Rashad, A.M. and El-Sabbagh, B.A., Durability and Strength Evaluation of High-Performance Concrete in Marine Structures, Const Build Mater., 21 (2010), p. 878-884.