Παραγωγή κυψελωτού μικροσκυροδέματος φυσικής σκλήρυνσης από υπερλεπτομερή παραπροϊόντα της λατομικής βιομηχανίας

Abstract

This study aims to the production of non-autoclaved cellular micro-concrete with the use of ultrafine quarry by-products (quarry dust). Aggregate quarrying operations produce a large amount of quarry dust, which is difficult to handle and poses several environmental and economic problems. Valorization of quarry dust in construction applications could lead to economic and environmental benefits for the quarrying industry. Over the past few years many research efforts regarding the utilization of quarry dust for the production of several types of building elements (mostly self-compacting concrete and cement-based building elements), have been conducted. On the other hand, research studies related to the use of quarry dust for the production of lightweight building elements such as cellular concrete, are very limited. The production of cellular micro-concrete using quarry dust to replace quartz sand, as well as fly ash for partial substitution of lime and cement, could reduce the environmental impact of raw materials extraction industry. This dissertation focuses on the production of cellular micro-concrete, using quarry dust for total replacement of quartz sand, fly ash for the highest possible lime and cement substitution, and aluminum powder as aerating agent, under conventional curing processes used for cement-based building elements.Regarding the mixture design methodology, due to the fine and similar grading of aggregates and binders used, specialized synthesis studies are required. The proposed mixture design methodology is based on Andreasen particle packing model, while Box-Behnken fractional factorial design of experiments, in combination with the response surface methodology are also used to determine optimal composition. Due to the assumptions and simplifications introduced in the Andreasen model (e.g., particle characteristics like shape are not taken into account), its estimations are considered approximate and therefore is used in the initial mixture design stage. Consecutively, based on the initial estimations, the levels of design parameters are then selected for the determination of the optimum composition based on factorial design of experiments and response surface methodology. Based on the binding material used, two mixture groups (OPFA and WCHL) are designed. OPFA group refers to the mixtures produced using common Portland cement CEM I 42.5N and calcareous fly ash, while WCHL to the mixtures produced using white Portland cement CEM I 52.5N and hydrated lime. Specimens’ preparation includes the mixing of raw materials and casting into molds, followed by conventional moist-curing instead of the energy intensive autoclaving curing process. The specimens are tested for their compressive and flexural strength, density and water absorption. Additionally, the thermal conductivity, capillary rise coefficient, modulus of elasticity, and linear shrinkage of the produced specimens, are determined. The microstructure of the produced cellular micro-concrete is also studied by means of optical and electron microscopy, mercury intrusion porosimetry, image analysis and X-ray microtomography. Moreover, elevated temperature and accelerated carbonation curing techniques are investigated, in order to improve the mechanical characteristics of cellular micro-concrete, such as early-age compressive strength and linear shrinkage. Results indicate that the density of both OPFA and WCHL hardened specimens varies from 680 to 1080 kg/m3 and is considerably lower than that of reference specimens (produced without Al powder). Density is considered to be the most characteristic physical property of all the produced specimens which largely determines all the measured properties.More specifically, a decrease in density of about 50%, causes a compressive strength and flexural strength decrease of 60 and 85 %, respectively. On the other hand, a 50% decrease in density provokes a water absorption increase of about 90%, whereas the decrease rate of thermal conductivity is similar to the one of density. Box-Behnken factorial design results show that the aerating agent has a significant effect on the density of the hardened specimens, since it affects the aeration degree of both OPFA and WCHL mixtures. The amount of binder used has a similar effect with aerating agent on response variables, whereas superplasticizer dosage and mixer speed (revolutions per minute) effect on response variables is significantly lower.Regarding the developed polynomial models, it seems that they can adequately describe the influence of the design factors to response variables and can be successfully used for the production of cellular micro-concrete of predetermined properties. Linear shrinkage of OPFA and WCHL specimens is high (1.1 and 1.7 mm/m, respectively) and reaches a stable value after 140 days of curing. OPFA and WCHL specimens meet the linear shrinkage requirements according to Eurocode 6 (0.5 mm/m) after 42 and 35 days of curing, respectively. Regarding microstructural observations, it seems that the median pore size of OPFA specimens is lower than the WCHL specimens, whereas pore size distribution of WCHL specimens appears to be more uniform than that of OPFA specimens. Moreover, pore shape of OPFA specimens appears to be elongated, as a result of the synthesis conditions and the mixing procedure used. Pore size distribution obtained through 3D microstructural analysis, is different to the one determined using 2D image analysis technique. This is attributed to the fact that the aeration pores are connected forming pore tubes/channels. Moreover, 3D analysis shows a significant difference between the size of the pores formed in the basis compared to the ones formed in the top of the specimens as a result of the hydrostatic pressure applied by the fresh mixture on the walls of macropores. Consequently, in order to better elucidate the microstructure of cellular micro-concrete three-dimensional pore system analysis is required. High-temperature curing results in a more than double increase of OPFA specimen’s early-age compressive strength, while WCHL specimen shows an early-age compressive strength increase of 60%. On the contrary, the final strength (28 days) of OPFA and WCHL specimens cured under high-temperature is 7 and 5 % lower (crossover effect) than the ones cured under conventional curing, respectively. Moreover, high-temperature curing decreases the linear shrinkage of OPFA and WCHL specimens by 34 and 37 %, respectively. The required high-temperature curing days of OPFA and WCHL specimens according to Eurocode 6 decrease from 42 and 35 to 25 and 27 days, respectively. Regarding accelerated carbonation, OPFA specimen shows a more than double early-age compressive strength increase, whereas its final strength increases by 30%. WCHL specimen shows an early-age compressive strength increase by 60% and a 28-days compressive strength increase by 26%. Accelerated curing significantly reduces the linear shrinkage of OPFA and WCHL specimens by 70 and 67 %, respectively. Consequently, OPFA and WCHL specimens meet the Eurocode 6 requirements at 7 and 12 days of curing, respectively.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας παραγωγής κυψελωτού μικροσκυροδέματος φυσικής σκλήρυνσης από υπερλεπτομερή παραπροϊόντα της λατομικής βιομηχανίας (λατομική παιπάλη). Η παιπάλη προέρχεται από τις λατομικές διεργασίες που σχετίζονται με την παραγωγή των αδρανών υλικών. Η διαχείριση-απόθεσή της αποτελεί ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα με αξιοσημείωτες οικονομικές επιπτώσεις. Η αξιοποίηση της παιπάλης μπορεί να προσφέρει σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη και να βελτιώσει τα οικονομικά αποτελέσματα της λατομικής και κατασκευαστικής βιομηχανίας. Στην κατεύθυνση αυτή, τα τελευταία χρόνια έχουν ενταθεί οι ερευνητικές προσπάθειες για τη χρήση των υπερλεπτομερών λατομικών παραπροϊόντων όπως η παιπάλη στην παραγωγή καινοτόμων δομικών στοιχείων, και κυρίως στην παραγωγή αυτοσυμπυκνούμενου σκυροδέματος, καθώς και δομικών στοιχείων τύπου τεχνητού λίθου. Αντίθετα, οι εργασίες που αφορούν στη χρήση της παιπάλης για παραγωγή ελαφροβαρών δομικών στοιχείων, όπως το κυψελωτό μικροσκυρόδεμα είναι περιορισμένες. Η χρήση της παιπάλης για την αντικατάσταση της πυριτικής άμμου, καθώς και της ιπτάμενης τέφρας για τη μέγιστη δυνατή υποκατάσταση της ασβέστου και του τσιμέντου που χρησιμοποιούνται στην παρασκευή του κυψελωτού μικροσκυροδέματος, κρίνεται ως ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα λύση που μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στην εξοικονόμηση πρωτογενών υλικών και στη μείωση των εκπομπών CO2.Κύριος στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και υλοποίηση σε εργαστηριακή κλίμακα μεθοδολογίας για την παραγωγή κυψελωτού μικροσκυροδέματος προκαθορισμένων ιδιοτήτων με αποκλειστικό αδρανές την παιπάλη. Χρησιμοποιείται ιπτάμενη τέφρα για τη μέγιστη δυνατή υποκατάσταση των συνδετικών κονιών (ασβέστου και τσιμέντου), σκόνη αργιλίου ως διογκωτικός παράγοντας και επιλέγονται μη ενεργοβόρες διαδικασίες ωρίμανσης. Ο καθορισμός της σύνθεσης μιγμάτων κυψελωτού μικροσκυροδέματος με κύριο αδρανές υλικό τη λατομική παιπάλη δεν μπορεί να βασιστεί στις υπάρχουσες μεθοδολογίες σύνθεσης μιγμάτων για σκυροδέματα και τσιμεντοκονιάματα, λόγω της πολύ λεπτόκοκκης, αλλά και παραπλήσιας κοκκομετρικής διαβάθμισης των αδρανών και της συνδετικής κονίας. Η προτεινόμενη μεθοδολογία σύνθεσης των μιγμάτων βασίζεται αρχικά στο μοντέλο στοίβαξης κόκκων κατά Andreasen, ενώ για τον καθορισμό της βέλτιστης σύνθεσης χρησιμοποιείται ο κλασματικός παραγοντικός σχεδιασμός Box-Behnken σε συνδυασμό με την μέθοδο των επιφανειών απόκρισης. Το μοντέλο Andreasen είναι κατάλληλο για τον σχεδιασμό συνθέσεων στις οποίες συμμετέχουν πολύ λεπτόκοκκα υλικά όπως η παιπάλη. Ωστόσο, λόγω των παραδοχών και των απλοποιήσεων που εισάγονται στο μοντέλο Andreasen, οι εκτιμήσεις του είναι προσεγγιστικές και γι’ αυτό χρησιμοποιείται κατά το αρχικό στάδιο σχεδιασμού για τον υπολογισμό ενός ενδεικτικού εύρους των αναλογιών των συστατικών των μιγμάτων. Ο ακριβής καθορισμός της βέλτιστης σύστασης του μίγματος γίνεται με τη χρήση του κλασματικού παραγοντικού σχεδιασμού Box-Behnken σε συνδυασμό με τη μεθοδολογία των επιφανειών απόκρισης. Ο σχεδιασμός των συνθέσεων γίνεται με βάση το συνδετικό υλικό που χρησιμοποιείται και περιλαμβάνει τη σειρά συνθέσεων ΟPFA (κοινό τσιμέντο Portland CEM I 42.5N και ασβεστούχα ιπτάμενη τέφρα από τον ΑΗΣ Αγ. Δημητρίου), και τη σειρά συνθέσεων WCHL (λευκό τσιμέντο Portland CEM I 52.5N και υδράσβεστος). Η διαδικασία παραγωγής των δοκιμίων περιλαμβάνει την ανάμιξη, χύτευση και ωρίμανση χωρίς τη χρήση αυτοκλείστου (φυσική σκλήρυνση). Τα δοκίμια που παρασκευάζονται, ελέγχονται ως προς την αντοχή τους σε μονοαξονική θλίψη και κάμψη, την πυκνότητα και την υδατοαπορροφητικότητά τους. Επιπλέον, προσδιορίζεται ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, ο συντελεστής απορρόφησης ύδατος με τριχοειδή αναρρίχηση, το μέτρο ελαστικότητας και η γραμμική συρρίκνωση των παραχθέντων δοκιμίων, ενώ μελετάται και η μικροδομή τους. Για τον χαρακτηρισμό της μικροδομής των δοκιμίων κυψελωτού μικροσκυροδέματος, γίνεται χρήση της ηλεκτρονικής και οπτικής μικροσκοπίας σε συνδυασμό με τεχνικές ανάλυσης εικόνας, της ποροσιμετρίας υδραργύρου και της μικροτομογραφίας ακτίνων-Χ.Επίσης, διερευνάται η δυνατότητα βελτίωσης των τεχνικών χαρακτηριστικών των δοκιμίων όπως η αντοχή σε θλίψη και η γραμμική συρρίκνωση, μέσω της ταχείας ωρίμανσης σε περιβάλλον αυξημένης θερμοκρασίας και σε περιβάλλον CO2. Από τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών παρατηρείται ότι η πυκνότητα των δοκιμίων κυψελωτού μικροσκυροδέματος και των δυο σειρών συνθέσεων (OPFA και WCHL) είναι αρκετά χαμηλότερη από αυτή του δοκιμίου αναφοράς και κυμαίνεται μεταξύ 680 και 1080 kg/m3. Η μείωση αυτή της πυκνότητας επηρεάζει καθοριστικά τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των δοκιμίων κυψελωτού μικροσκυροδέματος που μετρώνται. Συγκεκριμένα, παρατηρείται ότι για μια μείωση της πυκνότητας της τάξης του 50% σε σχέση με το δοκίμιο αναφοράς, η αντοχή σε κάμψη και η αντοχή σε θλίψη μειώνονται περίπου κατά 60 και 85%, αντίστοιχα. Αντίθετα, η μείωση της πυκνότητας οδηγεί σε σημαντική αύξηση της υδατοαπορροφητικότητας της τάξης του 90%, ενώ η σχετική μεταβολή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας είναι παραπλήσια με αυτή της πυκνότητας.Για τα δοκίμια τόσο της σειράς OPFA όσο και της WCHL o λόγος του διογκωτικού παράγοντα προς τα συνδετικά υλικά έχει τη μεγαλύτερη επίδραση σε όλες τις ιδιότητες των δοκιμίων που μετρώνται (μεταβλητές απόκρισης), καθώς είναι αυτός που καθορίζει τον βαθμό διόγκωσης του μίγματος, άρα και την πυκνότητα των σκληρυμένων δοκιμίων. Σημαντική επίδραση στις μεταβλητές απόκρισης έχει επίσης η ποσότητα των συνδετικών υλών, ενώ η ποσότητα του υπερευστοποιητή και ο αριθμός των στροφών ανά λεπτό του αναδευτήρα, έχουν σημαντικά χαμηλότερη επίδραση.Από τα αποτελέσματα των σεναρίων βελτιστοποίησης των συνθέσεων που εξετάζονται, φαίνεται ότι τα πολυωνυμικά μοντέλα δευτέρου βαθμού που αναπτύσσονται, περιγράφουν ικανοποιητικά την επίδραση των παραγόντων σχεδιασμού στις μεταβλητές απόκρισης, και επιτρέπουν τον σχεδιασμό συνθέσεων κυψελωτού μικροσκυροδέματος με προκαθορισμένες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες ή συνθέσεων που εξασφαλίζουν τις βέλτιστες ιδιότητες. Η γραμμική συρρίκνωση των δοκιμίων των κεντρικών συνθέσεων των σειρών OPFA και WCHL που εξετάζονται είναι υψηλή (1.1 και 1.7 mm/m, αντίστοιχα) και σταθεροποιείται μετά τις 140 ημέρες φυσικής ωρίμανσης. Οι απαιτήσεις του Ευρωκώδικα 6 (0.5 mm/m) όσον αφορά τη γραμμική συρρίκνωση κατά την εφαρμογή καλύπτονται μετά από ωρίμανση 42 και 35 ημερών, αντίστοιχα για τις σειρές OPFA και WCHL. Από τη μελέτη της μικροδομής φαίνεται ότι η μέση διάμετρος των πόρων των δοκιμίων της σειράς OPFA είναι μικρότερη σε σχέση με αυτή των δοκιμίων της σειράς WCHL, ενώ η κατανομή των πόρων των δοκιμίων της σειράς WCHL είναι πιο ομοιόμορφη σε σχέση με αυτή της OPFA. Επιπλέον, το σχήμα των πόρων των δοκιμίων της σειράς OPFA είναι πιο επίμηκες σε σχέση με αυτό της WCHL. Οι παρατηρήσεις αυτές αποδίδονται στην ταχύτερη πήξη των μιγμάτων της σειράς OPFA, ως αποτέλεσμα της σύνθεσης και της διαδικασίας παραγωγής που ακολουθείται. Η κατανομή του μεγέθους των πόρων που προσδιορίζεται με την ανάλυση σε τρεις διαστάσεις, διαφέρει σημαντικά από αυτήν που προκύπτει από την ανάλυση σε δύο διαστάσεις. Η διαφορά αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι οι πόροι που σχηματίζονται σε μεγάλο βαθμό είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους δημιουργώντας έτσι διαύλους. Επίσης, από την ανάλυση σε τρεις διαστάσεις παρατηρείται ότι υπάρχει σημαντική διαφορά στο μέγεθος των πόρων που σχηματίζονται στη βάση σε σχέση με την κορυφή των δοκιμίων, λόγω της υδροστατικής πίεσης που ασκείται από το βάρος του νωπού μίγματος στα τοιχώματα των πόρων διόγκωσης. Συνεπώς, για την ακριβέστερη απεικόνιση του είδους και της μορφής των πόρων των δοκιμίων απαιτείται η μελέτη της μικροδομής τους σε τρεις διαστάσεις. Η επιταχυνόμενη ωρίμανση σε αυξημένη θερμοκρασία έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση της πρώιμης αντοχής για τα δοκίμια της σειράς OPFA (υπερδιπλασιασμό πρώιμης αντοχής) και WCHL (αύξηση κατά 64%). Αντίθετα, η τελική αντοχή των δοκιμίων OPFA και WCHL είναι χαμηλότερη σε σχέση με τα δοκίμια φυσικής σκλήρυνσης (φαινόμενο υπερπήδησης) κατά 7 και 5 %, αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, η ωρίμανση σε περιβάλλον αυξημένης θερμοκρασίας οδηγεί σε σημαντική μείωση της γραμμικής συρρίκνωσης των δοκιμίων της σειράς OPFA και WCHL κατά 34 και 37 %, αντίστοιχα. Οι απαιτούμενες ημέρες ωρίμανσης των δοκιμίων της σειράς OPFA και WCHL για συμμόρφωση με τον Ευρωκώδικα 6 μειώνονται από 42 και 35 σε 25 και 27 ημέρες ωρίμανσης, αντίστοιχα. Από τα αποτελέσματα των δοκιμών για τα δοκίμια της σειράς OPFA και WCHL που υποβάλλονται σε επιταχυνόμενη ωρίμανση σε περιβάλλον CO2, παρατηρείται ότι στο δοκίμιο της σειράς OPFA η πρώιμη αντοχή υπερδιπλασιάζεται, ενώ η τελική αντοχή αυξάνεται κατά 30%. Αντίστοιχα, στο δοκίμιο της σειράς WCHL η πρώιμη και τελική αντοχή αυξάνονται κατά 60 και 26 %, αντίστοιχα. Η ωρίμανση σε περιβάλλον CO2 μειώνει επίσης σημαντικά τη γραμμική συρρίκνωση των δοκιμίων της σειράς OPFA και WCHL κατά 70 και 67 %, αντίστοιχα. Συνεπώς, οι απαιτήσεις του Ευρωκώδικα 6 καλύπτονται με ωρίμανση 7 και 12 ημερών για τις σειρές OPFA και WCHL, αντίστοιχα.