Μηχανικά χαρακτηριστικά και ανθεκτικότητα σκυροδεμάτων παρασκευασθέντων με σκωρία χαλυβουργίας

Abstract

The research objective of this thesis is to investigate the feasibility of using electric furnace slag and ladle furnace slag as aggregates, to produce common concretes. These slags are industrial by-products of the steel industry.The aim of the thesis is the preparation of concretes with slag aggregates, which will be widely used in ordinary constructions. The use of slag, as aggregate, for the production of conventional concrete is a part of the research that few researchers have dealt with, as most studies concern special concretes (heavy, fire-resistant, etc.), which are applied in special constructions and projects.In addition, the European Regulation sets a limit for the replacement of only coarse aggregates (> 4 mm) for the use of recyclable aggregates without a replacement rate of more than 30%, for the usual strength and environmental exposure categories. In the present study, the slag aggregates replaced the conventional ones in smaller but also higher percentages, including the fine aggregates. The experimental part of the thesis, in particular Phase A of Preparations, concerns the study of three strength classes, C20/25, C25/30 and C30/37. For each of these categories it was decided to prepare the following concretes for each one of these strength classes: Conventional mixture, with limestone aggregates, used as reference for comparison with the other mixtures. Mixtures where limestone sand replaced by EFS sand at 10%, 20%, 30%, 50%, 75% and 100% ratios. Mixtures where limestone sand replaced by LFS sand at 10%, 20%, 30% and 50%, ratios. Mixtures where limestone gravel replaced by EFS gravel at 50% and 100% ratios. Mixtures where limestone coarse aggregates replaced by EFS coarse aggregates at 25%, 50%, 75% and 100% ratios. Specimens were prepared for each of the above concretes and mechanical and durability properties were tested, which were compared with the corresponding properties of conventional concretes, which were used as reference concretes.Then, all the above data were studied, evaluated and analyzed and the most durable mixtures were selected, among them that could also be used in conventional structures as conventional concretes.In this first phase of preparations, where almost 60 mixtures were produced, the results show that the replacement of conventional aggregates with slag aggregates has a beneficial effect on almost all the properties studied.Based on the above analyses and assumptions, as well as on the results, it was selected to produce additional mixtures, that combined the replacement of the fine and coarse slag aggregates. Specifically, it was chosen to simultaneously replace the limestone sand with EFS sand at 30% and the limestone gravel with EFS gravel at 50%. In addition, the simultaneous replacement of conventional limestone sand was chosen, with both EFS sand and LFS sand at 30% each and replacement of the limestone gravel with EFS gravel at 50%. The above mixtures were produced for all three strength classes and are referred to in this thesis as Phase B of Preparations.These concretes were compared with the most durable and at the same time functional Phase A concretes, namely, the concretes with replacement of the sand with slag sand of electric furnace but also with ladle furnace slag sand in percentages of 30% and 50% in both cases. These two new mixes further improve the strength and durability indicators studied. The seventh chapter of the doctoral thesis records the environmental impact of all mixtures. Using data from the Doctoral Thesis of Dr. Alexandros Liapis, "SPECIFICATION OF THE PARAMETERS FOR LIFE CYCLE ASSESSMENT AND COST ASSESSMENT OF UNREINFORCED CONCRETE APPLICATIONS”, who recorded in detail all the environmental flows of materials used in the production of concrete, the effect of each concrete is described and calculated for all the environmental impact categories included in the above research.The categories of impacts that are evaluated, both in the doctoral dissertation of Alexandros Liapis and in the present one, are those proposed by the Standard EN 15804.The results confirm that slag aggregate concrete leads to a reduction of the environmental footprint of the construction.The main conclusions from the laboratory study of all these concretes are: Partial replacement of limestone conventional aggregates with slag aggregates not only did not reduce the mechanical and durability properties of concretes, but on the contrary, all properties either remained stable or improved compared to the reference concretes. The compressive strength has increased from the age of 7 days and afterwards and continued until the one year. The resistance to carbonation was impressive in slag mixtures. Analysis of the lifespan of constructions carried out in Phase B of preparations, based on the results of natural carbonation, showed that only the reference mixtures C20/25 and C25/30 did not reach the 50-year lifetime without repair. In contrast, all mixtures with slag aggregates studied in the Preparation Phase B exceeded this limit, which means that structures with these concretes do not need to be repaired during their service life. Resistance to chloride penetration increased significantly in mixtures with slag aggregates. Life time analysis was, also, performed in this case for all concretes of all three strength classes, based on four chloride measurements conducted in four ages. Out of the 54 concretes with slag aggregates, none showed a shorter life time than the corresponding reference concrete, while the compositions produced during Phase B increased the life time dramatically. Coarse slag aggregates improve the workability of concrete. On the other hand, fine slag aggregates and mainly ladle furnace sand greatly reduces its workability. As an industrial by-product, slag, as examined in this thesis, is a material that, when used in concrete, can lead to the production of economical and time-resistant structures, contributing to the viability of constructions. At the same time, the economic benefit is already evident from the moment the mixtures are produced and throughout the life of the constructions, while the environmental footprint of concrete is reduced. All of the above constitute the definition of the sustainability of constructions.

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησης της σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου και της σκωρίας κάδου (ασβεστούχα σκωρία), ως αδρανή για την παρασκευή κοινών σκυροδεμάτων. Οι συγκεκριμένες σκωρίες αποτελούν βιομηχανικά παραπροϊόντα της βιομηχανίας χάλυβα. Σκοπός της διατριβής είναι η παρασκευή σκυροδεμάτων με αδρανή σκωρίας, τα οποία θα έχουν ευρεία χρήση, σε συνήθεις κατασκευές. Η αξιοποίηση των σκωριών, ως αδρανή, για παραγωγή συμβατικών σκυροδεμάτων αποτελεί ένα κομμάτι της έρευνας που λίγοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί, καθώς οι περισσότερες μελέτες αφορούν ειδικά σκυροδέματα (βαρέα, πυρίμαχα, εκτοξευόμενα κ.α.), τα οποία εφαρμόζονται σε ειδικές κατασκευές και έργα. Επιπλέον, ο Ευρωπαϊκός Κανονισμός θέτει ως όριο την αντικατάσταση μόνο των χονδρόκοκκων κλασμάτων (> 4 mm) για τη χρήση ανακυκλώσιμων αδρανών χωρίς το ποσοστό αντικατάστασης να υπερβαίνει το 30%, για τις συνήθεις κατηγορίες αντοχής και περιβαλλοντικής έκθεσης. Στην παρούσα μελέτη επιλέχθηκε η παρασκευή σκυροδεμάτων, στα οποία η σκωρία αντικατέστησε τα συμβατικά αδρανή σε μικρότερα αλλά και σε μεγαλύτερα από αυτό ποσοστά, συμπεριλαμβάνοντας επίσης και τα λεπτόκοκκα αδρανή. Το πειραματικό μέρος της διατριβής, και συγκεκριμένα η Α Φάση παρασκευών, αφορά στη μελέτη τριών κατηγοριών αντοχής, C20/25, C25/30 και C30/37. Για κάθε μία από αυτές τις κατηγορίες αποφασίστηκε να παρασκευαστούν τα εξής σκυροδέματα: Συμβατικό μείγμα με ασβεστολιθικά αδρανή που χρησιμοποιήθηκε σαν μείγμα αναφοράς για σύγκριση με τα υπόλοιπα μείγματα. Μείγματα στα οποία έγινε αντικατάσταση της ασβεστολιθικής άμμου, με άμμο σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστά 10%, 20%, 30%, 50%, 75% και 100%. Μείγματα στα οποία έγινε αντικατάσταση της άμμου, με άμμο σκωρίας κάδου σε ποσοστά 10%, 20%, 30% και 50%. Μείγματα στα οποία έγινε αντικατάσταση του ασβεστολιθικού γαρμπιλιού, με γαρμπίλι ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστά 50% και 100%. Μείγματα στα οποία έγινε αντικατάσταση του χαλικιού, με χαλίκι ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστά 25%, 50%, 75% και 100%. Για κάθε ένα από τα παραπάνω σκυροδέματα παρασκευάστηκαν δοκίμια και ελέγχθηκαν συγκεκριμένες μηχανικές ιδιότητες και ιδιότητες ανθεκτικότητας, οι οποίες συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες ιδιότητες του συμβατικού σκυροδέματος, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως σκυρόδεμα αναφοράς. Στη συνέχεια, όλα τα παραπάνω δεδομένα μελετήθηκαν, αναλύθηκαν και αξιολογήθηκαν έτσι ώστε να γίνει η επιλογή των ανθεκτικότερων μειγμάτων, τα οποία όμως να μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε συνήθεις κατασκευές ως συνήθη σκυροδέματα. Σε αυτή την πρώτη φάση παρασκευών, όπου παρήχθησαν πάνω από 50 μείγματα, τα αποτελέσματα δείχνουν πως η αντικατάσταση των συμβατικών αδρανών, με αδρανή σκωρίας, δρα ευεργετικά σχεδόν για το σύνολο των ιδιοτήτων που μελετήθηκαν. Με βάση τις παραπάνω αναλύσεις, τις παραδοχές, αλλά και τα αποτελέσματα, επιλέχθηκε η παρασκευή επιπλέον μειγμάτων στα οποία έγινε συνδυασμός της αντικατάστασής των αδρανών, των πιο ανθεκτικών σκυροδεμάτων. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκε η ταυτόχρονη αντικατάσταση της άμμου με άμμο σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστό 30% και του γαρμπιλιού με γαρμπίλι ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστό 50%. Επιπρόσθετα, επιλέχθηκε η ταυτόχρονη αντικατάσταση της συμβατικής άμμου, με τις δύο άμμους, σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου και σκωρίας κάδου, σε ποσοστό 30% εκάστη και αντικατάσταση του γαρμπιλιού με γαρμπίλι σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου σε ποσοστό 50%. Η παραγωγή των παραπάνω μειγμάτων πραγματοποιήθηκε και για τις τρεις κατηγορίες αντοχής και αναφέρεται στη διατριβή ως Β Φάση παρασκευών. Αυτά τα σκυροδέματα, με την ταυτόχρονη αντικατάσταση και λεπτόκοκκων και χονδρόκοκκων αδρανών, συγκρίθηκαν με τα πιο ανθεκτικά και ταυτόχρονα λειτουργικά σκυροδέματα της Α Φάσης, δηλαδή τα σκυροδέματα με αντικατάσταση της άμμου με άμμο σκωρίας ηλεκτρικού κλιβάνου αλλά και με άμμο σκωρίας κάδου σε ποσοστά 30% και 50% και στις δύο περιπτώσεις. Τα δύο αυτά νέα μείγματα της Β Φάσης βελτιώνουν έτι περαιτέρω τους δείκτες αντοχής και ανθεκτικότητας που μελετήθηκαν. Στο έβδομο κεφάλαιο της διδακτορικής διατριβής γίνεται καταγραφή των περιβαλλοντικών επιπτώσεων όλων των μειγμάτων. Αντλώντας στοιχεία από τη Διδακτορική Διατριβή του διδάκτορα Αλέξανδρου Λιάπη, «ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΟΠΛΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ», περιγράφονται και υπολογίζονται οι επιπτώσεις του κάθε σκυροδέματος για όλες τις κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων που περιλήφθηκαν στην παραπάνω έρευνα. Οι κατηγορίες επιπτώσεων που αξιολογούνται, τόσο στη διδακτορική διατριβή του Αλέξανδρου Λιάπη όσο και στην παρούσα, είναι αυτές που προτείνονται από το Πρότυπο EN 15804. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι τα σκυροδέματα με αδρανή σκωρίας οδηγούν σε μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος της κατασκευής. Τα κυριότερα συμπεράσματα από την εργαστηριακή μελέτη όλων αυτών των σκυροδεμάτων είναι τα εξής: Η μερική αντικατάσταση των ασβεστολιθικών συμβατικών αδρανών με αδρανή σκωρίας, βελτίωσε τις ιδιότητες αντοχής και ανθεκτικότητας σε σχέση με τα μείγματα αναφοράς. Η αντοχή σε θλίψη αυξήθηκε ήδη από την 7η μέρα και συνεχίστηκε μέχρι το ένα έτος. Η αντίσταση στην ενανθράκωση ήταν εντυπωσιακή στα μείγματα με σκωρία. Η ανάλυση του χρόνου ζωής των κατασκευών που πραγματοποιήθηκε στη Β Φάση παρασκευών, με βάση τα αποτελέσματα της φυσικής ενανθράκωσης, έδειξε πως μόνο τα μείγματα αναφοράς C20/25 και C25/30 δεν έφτασαν το χρόνο ζωής των 50 ετών χωρίς επισκευή. Αντιθέτως, όλα τα μείγματα με αδρανή σκωρίας, που μελετήθηκαν στη Β Φάση παρασκευών, ξεπέρασαν αυτό το όριο, πράγμα που σημαίνει ότι οι κατασκευές με αυτά τα σκυροδέματα δε χρειάζονται επισκευή κατά τη διάρκεια του χρόνου ζωής τους. Η αντίσταση στη διείσδυση χλωριόντων αυξήθηκε σημαντικά στα μείγματα με αδρανή σκωρίας. Ανάλυση του χρόνου ζωής έγινε και σε αυτήν την περίπτωση για όλα τα σκυροδέματα και των τριών κατηγοριών αντοχής, με βάση τις μετρήσεις χλωριόντων που έγιναν σε τέσσερις ηλικίες. Από τα 54 σκυροδέματα με αδρανή σκωρίας, κανένα δεν εμφάνισε μικρότερο χρόνο ζωής από το αντίστοιχο σκυρόδεμα αναφοράς, ενώ οι συνθέσεις που παρήχθησαν κατά τη Β Φάση αύξησαν το χρόνο ζωής θεαματικά. Τα χονδρόκοκκα αδρανή σκωρίας βελτιώνουν την εργασιμότητα του σκυροδέματος. Από την άλλη, τα λεπτόκοκκα και κυρίως η άμμος σκωρίας κάδου μειώνει πολύ την εργασιμότητά του. Ως βιομηχανικό παραπροϊόν, η σκωρία, υπό τη μορφή που εξετάζεται στην παρούσα διατριβή, είναι ένα υλικό που όταν χρησιμοποιείται στο σκυρόδεμα μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή οικονομικών και ανθεκτικών στο χρόνο, κατασκευών, συμβάλλοντας στη βιωσιμότητα των δομών. Ταυτόχρονα, το οικονομικό όφελος είναι αισθητό κατά την διάρκεια της ζωής των κατασκευών, ενώ το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των σκυροδεμάτων είναι μειωμένο. Όλα τα παραπάνω αποτελούν τον ορισμό της αειφορίας των κατασκευών.