Ανάπτυξη, παραγωγή και εφαρμογές ελαφροσκυροδέματος υψηλής ανθεκτικότητας και βιωσιμότητας

Abstract

This doctoral dissertation focuses on the theoretical analysis and experimental study of lightweight concrete with the use of industrial by-products, a technologically advanced material expected to yield significant benefits in the realm of circular economy and contribute to further advancement of the ready-mix concrete industry. The main objective of the dissertation is the design and production of optimal blends of lightweight concrete with the desired physicochemical and mechanical properties. Initially, an investigation of the pozzolanic nature of the utilized raw materials is conducted. Subsequently, a preliminary study and assessment of the microstructure of lightweight aggregate mortar with pumice is pursued. In this study, emphasis is placed on exploring how the incorporation of supplementary cementitious materials (metakaolin, fly ash, silica fume, granulated blast furnace slag) at percentages of 10% and 20% of the cement content influences the durability of the concrete.Αn extensive investigation follows into the impact of the characteristics of lightweight aggregate concrete mixtures on durability-related aspects. Specifically, the durability aspects under examination encompass: a) water permeability via the calculation of open porosity and sorptivity, b) chloride permeability via the calculation of non-steady state chloride migration coefficient, migration coefficient (Chloride migration test), and the determination of chloride diffusion coefficient, c) carbonation depth, and finally, the evaluation of durability after continuous cycles of freeze-thaw exposure. A comprehensive analysis of the effect of the mechanical properties of fiber-reinforced lightweight aggregate concrete is conducted. Uniaxial compression and three-point flexural tests are performed on concrete specimens extracted from each concrete composition considered. Specifically, three different mix compositions of PePu mixture are examined, with varying fiber percentages (Vf=0.25% and Vf=0.50%).At the conclusion of the study, an assessment of the structural adequacy of reinforced concrete prism specimens is performed employing four-point flexural tests. A detailed presentation and comments on the experimental results follow. The results of this dissertation demonstrate that producing lightweight concrete using industrial by-products opens new possibilities in the construction sector. This advanced practice combines sustainable approaches with technological innovations, effectively addressing the challenges of CO2, emissions, energy efficiency, and waste production. Beyond the environmental benefits, lightweight concrete exhibits exceptional structural behavior and durability, rendering it ideal for diverse applications, from buildings to infrastructure projects. The use of lightweight concrete enables architects and engineers to achieve their design objectives, while adopting environmental criteria and responding to regulatory requirements. Ultimately, lightweight concrete emerges as an innovative choice that harmonizes strength and aesthetics, offering opportunities for sustainable and efficient construction practices.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη θεωρητική ανάλυση και πειραματική μελέτη του ελαφροσκυροδέματος με τη χρήση βιομηχανικών παραπροϊόντων, ενός τεχνολογικά προηγμένου υλικού που αναμένεται να έχει σημαντικά οφέλη στον τομέα της κυκλικής οικονομίας και να συμβάλει στην περαιτέρω ανάπτυξη της βιομηχανίας ετοίμου σκυροδέματος. Ο βασικός στόχος της διατριβής είναι ο σχεδιασμός και η παρασκευή βέλτιστων μειγμάτων ελαφροσκυροδέματος με επιθυμητές φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες. Αρχικά πραγματοποιείται μια διερεύνηση της ποζολανικότητας των πρώτων υλών που χρησιμοποιήθηκαν. Στην συνέχεια, ακολουθεί προκαταρκτική μελέτη και εκτίμηση της μικροδομής του ελαφροκονιάματος με κίσσηρη. Στη μελέτη αυτή, δίνεται έμφαση στην εξέταση του πώς η προσθήκη τσιμεντοειδών πρόσθετων (μετακαολινή, ιπτάμενη τέφρα, πυριτική παιπάλη, σκωρία υψικαμίνου) σε ποσοστά 10% και 20% του τσιμέντου επηρεάζει την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος. Aκολουθεί εκτενής διερεύνηση της επίδρασης των χαρακτηριστικών των συνθέσεων ελαφροσκυροδέματος σε θέματα ανθεκτικότητας. Συγκεκριμένα, τα θέματα ανθεκτικότητας που εξετάζονται περιλαμβάνουν: α) τη διαπερατότητα σε νερό μέσω του υπολογισμού του ανοικτού πορώδους και του συντελεστή τριχοειδούς απορρόφησης, β) τη διαπερατότητα σε χλωριόντα μέσω του υπολογισμού του συντελεστή διείσδυσης χλωριόντων μη σταθερής κατάστασης, του συντελεστή διείσδυσης (Chloride migration test) και τον προσδιορισμό του συντελεστή διάχυσης χλωριόντων, γ) το βάθος ενανθράκωσης ενώ τελικά αξιολογείται η ανθεκτικότητα μετά από συνεχείς κύκλους ψύξης-απόψυξης. Ακολούθως, πραγματοποιείται εκτενής ανάλυση της επίδρασης των μηχανικών ιδιοτήτων του ινοπλισμένου ελαφροσκυροδέματος. Εξετάζονται δοκιμές μονοαξονικής θλίψης και κάμψης τριών σημείων σε δείγματα σκυροδέματος που ελήφθησαν από κάθε εξεταζόμενη σύνθεση σκυροδέματος. Συγκεκριμένα, εξετάζονται τρεις διαφορετικές συνθέσεις του μείγματος PePu, με διαφορετικά ποσοστά ινών (Vf=0.25% και Vf=0.50%). Στο τέλος της μελέτης, πραγματοποιείται έλεγχος της δομοστατικής επάρκειας πρισματικών δοκών οπλισμένου σκυροδέματος, μέσω της κάμψης τεσσάρων σημείων και γίνεται αναλυτική παρουσίαση και σχολιασμός των πειραματικών αποτελεσμάτων. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής δείχνουν ότι, η παραγωγή ελαφροσκυροδέματος με βιομηχανικά παραπροϊόντα ανοίγει νέες δυνατότητες στον τομέα της κατασκευής. Αυτή η προηγμένη πρακτική συνδυάζει βιώσιμες προσεγγίσεις με τεχνολογικές καινοτομίες, αντιμετωπίζοντας αποτελεσματικά τις προκλήσεις των εκπομπών CO2, της ενεργειακής απόδοσης και της παραγωγής αποβλήτων. Πέρα από τα περιβαλλοντικά οφέλη, το ελαφροσκυρόδεμα επιδεικνύει εξαιρετική δομική συμπεριφορά και ανθεκτικότητα, που το καθιστούν ιδανικό για ποικίλες εφαρμογές, από κτίρια μέχρι έργα υποδομής. Η χρήση ελαφροσκυροδέματος επιτρέπει στους αρχιτέκτονες και μηχανικούς να επιτύχουν τους σχεδιαστικούς τους στόχους, προσαρμοσμένους σε περιβαλλοντικά κριτήρια και νομοθετικές απαιτήσεις. Εν τέλει, το ελαφροσκυρόδεμα αναδεικνύεται ως καινοτόμα επιλογή που συνδυάζει αντοχή και αισθητική, παρέχοντας ευκαιρίες για βιώσιμη και αποδοτική κατασκευή.