Ανάπτυξη υδραυλικής κονίας για σκυροδέματα οδοποιίας με μεγάλη περιεκτικότητα σε ασβεστούχα ιπτάμενη τέφρα

Abstract

Fly Ash is a by-product of energy power plants. In Greece, 60% of the energy production comes from the lignite energy plants. Μost of the fly ash produced is calcareous fly ash. It has special pozzolanic and/or hydraulic properties. Only 10% of the total by-product production (near 9 million tons of fly ash) is used by the cement industry for the production of composite cements. The rest is returned to the depleted lignite quarries with major environmental and economic consequences. Thus it is therefore essential not only for economic and technical reasons but also for environmental reasons to increase the percentage of fly ash exploitation. The innovation of this research is the development of a hydraulic binder with the use of high percentage of calcareous fly ash (over 50%), clinker, limestone and pozzolan. The scope of the development of this new building material is a product with a high ecological profile (by-product exploitation, CO₂ reduction, decrease of energy production, cost reduction of fly ash management) production costs lower than for conventional cement and the utilization of domestic materials. The object of this research is the development of a hydraulic binder that complies with the European Standard of Rapid Hydraulic Binders EN 13282-1, and especially for the demanding E4 category. The main targets were the determination of higher upper limits of sulfur oxide and free lime, the determination of the optimum combination of fly ash, clinker, pozzolan and limestone for the production of binary, tertiary and quaternary binders through co-grinding and finally the examination of hydration and curing mechanism of the hydraulic binders. The results of this research lead to the conclusion that the production of binary, tertiary, quaternary hydraulic binders is feasible with the use of 60-70% of fly ash, and which complies with the European Standard EN 13282-1, E4 category. Some binders even comply with the demanding compressive strength target of 40±2 MPa at 28 days curing age. The upper limit for fly ash freelime seems to be near 10%. Above this value serious expansion appears at the mortar testing bars. Fly ashes with sulfur content up to 7,58% seem not to negatively affect the hydration mechanism of the hydraulic binders. Also the optimum pozzolan content (10%) helps to increase the compressive strength rate of tertiary hydraulic binders with 65% of calcareous fly ash and 25% of clinker. Limestone filler effect is obvious in tertiary and quaternary binders, reducing the water demand for binders with all tested fly ashes. Through the investigation of strength development, it seems that small percentages of limestone collaborate better with calcareous fly ash with low percentages of sulfur and free lime but not with ones that have increased percentages.

Η ιπτάμενη τέφρα αποτελεί παραπροϊόν των εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την καύση του άνθρακα, το οποίο παρουσιάζει ιδιαίτερα ποζολανικά ή/και υδραυλικά χαρακτηριστικά που βελτιώνουν τις ιδιότητες του σκυροδέματος. Στην Ελλάδα το 60% της ενέργειας προέρχεται από την καύση λιγνίτη με ετήσια παραγωγή 9 εκατ. τόνων ιπτάμενων τεφρών, ως επί το πλείστον ασβεστούχων (δραστικό ασβέστιο >10%). Από αυτές τις ποσότητες ποσοστό <10% απορροφάται από την τσιμεντοβιομηχανία και το υπόλοιπο εναποτίθεται στα ορύγματα με κόστος περιβαλλοντικό και οικονομικό. Η αύξηση του ποσοστού αξιοποίησής της, ιδιαίτερα στον Ελλαδικό χώρο, είναι επιτακτική όχι μόνο για οικονομικά και τεχνικά οφέλη αλλά και για ουσιαστικά περιβαλλοντικά οφέλη. Η πρωτοτυπία της διδακτορικής διατριβής στον Ελληνικό αλλά και στο διεθνή χώρο, είναι η καινοτόμος χρήση μεγάλου ποσοστού ασβεστούχας ιπτάμενης τέφρας (>50%) για την ανάπτυξη υδραυλικής κονίας για σκυροδέματα οδοποιίας σε συνδυασμό με Α´ ύλες, όπως είναι το κλίνκερ, η ποζολάνη και ο ασβεστόλιθος. Η σκοπιμότητα της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός προϊόντος που συμβάλλει στην αειφορία (απορρόφηση παραπροϊόντων, μείωση κόστους διαχείρισης παραπροϊόντων, μικρότερη ενέργεια παραγωγής, μείωση εκπομπών CO₂), στην κατανάλωση εγχώριων Α' υλών και στη μείωση του κόστους σε σχέση με το συμβατικό τσιμέντο. Το αντικείμενο της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής αφορά στην ανάπτυξη υδραυλικής κονίας με συνάλεση των Α’ υλών, βάσει του προτύπου ΕΝ 13282-1 για τις ταχείας σκλήρυνσης υδραυλικές κονίες οδοποιίας και συγκεκριμένα για την κατηγορία αντοχής Ε4. Οι κύριοι στόχοι ήταν o καθορισμός ορίων στη χημική σύσταση των ακατέργαστων τεφρών, ο προσδιορισμός του βέλτιστου συνδυασμού ιπτάμενης τέφρας, κλίνκερ, ποζολάνης και ασβεστολίθου για την παραγωγή μέσω της συνάλεσης διμερών, τριμερών και τετραμερών υδραυλικών κονιών και τέλος η διερεύνηση του μηχανισμού ενυδάτωσης και σκλήρυνσης των υδραυλικών κονιών. Τα αποτελέσματα της διατριβής οδηγούν στο συμπέρασμα ότι είναι εφικτή η παραγωγή διμερών και τριμερών υδραυλικών κονιών με ποσοστά ιπτάμενων τεφρών 60-70% που συμμορφώνονται με το πρότυπο ΕΝ 13282-1 για τις ταχείας σκλήρυνσης υδραυλικές κονίας οδοποιίας, για την κατηγορία αντοχής Ε4 και συγκεκριμένα με τον απαιτητικό στόχο αντοχών 28 ημερών 40±2 MPa. Το ανώτερο ποσοστό ελευθέρας ασβέστου για τη χρήση αυτών των ασβεστούχων ιπτάμενων τεφρών φαίνεται να είναι το 10%, πέραν του οποίου δημιουργούνται προβλήματα στη διαστολή των κονιαμάτων. Οι ιπτάμενες τέφρες με ποσοστά θειικών μέχρι και 7,58% φαίνεται ότι δεν επηρεάζουν αρνητικά την ενυδάτωση των κονιών. Επιπλέον το βέλτιστο ποσοστό ποζολάνης (10%) συμβάλλει στην αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης των αντοχών σε τριμερείς υδραυλικές κονίες με 65% ποσοστό ιπτάμενης τέφρας και 25% κλίνκερ. Το filler effect του προστιθέμενου ασβεστολίθου μειώνει την απαίτηση σε νερό, σε όλες τις εξεταζόμενες υδραυλικές κονίες, για όλες τις ιπτάμενες τέφρες. Όμως κατά τη διερεύνηση της ανάπτυξης των αντοχών, φάνηκε ότι ο ασβεστόλιθος συνεργάζεται σε μικρά ποσοστά εξαιρετικά μόνο με τις ασβεστούχες τέφρες με χαμηλά ποσοστά θειικών και ελεύθερου ασβεστίου.