Διερεύνηση Παραμέτρων Αξιοποίησης Παραπροϊόντων Εγκαταστάσεων Παραγωγής Έτοιμου Σκυροδέματος

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής υπήρξε η διερεύνηση της δυνατότητας πλήρους ανακύκλωσης και επαναχρησιμοποίησης των παραπροϊόντων που προκύπτουν από τις ελληνικές μονάδες παραγωγής έτοιμου σκυροδέματος. Τα παραπροϊόντα στα οποία εστιάστηκε η έρευνα ήταν το νερό έκπλυσης των οχημάτων μεταφοράς νωπού σκυροδέματος και η λάσπη (λούμη) που βρίσκεται αιωρούμενη σε αυτό και συνήθως συσσωρεύεται στον πυθμένα των δεξαμενών καθίζησης του νερού, όταν το νερό συλλέγεται για επαναχρησιμοποίηση. Το νερό έκπλυσης έχει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά να έχει υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά και ιδιαίτερα υψηλό pH, με αποτέλεσμα να καθίσταται επικίνδυνο για απόρριψη στο περιβάλλον. Στην Ελλάδα, το πρότυπο που ακολουθούν οι Μονάδες Έτοιμου Σκυροδέματος (ΜΕΣ) για το νερό ανάμιξης σκυροδέματος, απαγορεύει τη χρήση του συγκεκριμένου νερού στην παραγωγή νέου σκυροδέματος λόγω των χαρακτηριστικών του και συνήθως οι ΜΕΣ εξουδετερώνουν το νερό έκπλυσης, αφού πρώτα απομακρύνουν την αιωρούμενη λούμη σε δεξαμενές καθίζησης, και το χρησιμοποιούν ιδιαίτερα αραιωμένο με νερό δικτύου. Στις περισσότερες περιπτώσεις, μικρών κυρίως μονάδων, δεν πραγματοποιείται κανενός είδους ανακύκλωση και το νερό απορρίπτεται με κίνδυνο προσβολής του υδροφόρου ορίζοντα. Προέκυψε έτσι η ανάγκη διερεύνησης για πρώτη φορά της επίδρασης των χαρακτηριστικών του νερού έκπλυσης στις ιδιότητες του παραγόμενου σκυροδέματος. Τα χαρακτηριστικά που μελετήθηκαν ήταν η περιεκτικότητα σε στερεά (λούμη) και το pH, ενώ, καθώς η εξουδετέρωση που πραγματοποιείται στις ΜΕΣ γίνεται κατά κύριο λόγο με HCl, ελέγχθηκε και η επίδραση της συγκέντρωσης των χλωριόντων. Στη φάση της βιβλιογραφικής ανασκόπησης αναλύονται οι βασικές ιδιότητες του σκυροδέματος και κονιάματος που εξετάζονται στο πειραματικό μέρος της διατριβής, όπως είναι η θλιπτική αντοχή και η εργασιμότητα (κεφάλαιο 1), καθώς και οι παράγοντες που τις επηρεάζουν που είναι ιδιαίτερης σημασίας στην επεξήγηση των διαφορών που θα εμφανιστούν στην πορεία των πειραμάτων. Επιπλέον μελετάται η ενυδάτωση τσιμέντου (κεφάλαιο 2) σε δύο βασικούς άξονες: i) στην θερμότητα ενυδάτωσης του τσιμέντου ως προς το πώς επηρεάζεται από το είδος του νερού που γίνεται η ανάμιξη με το τσιμέντο αλλά και το ποια μέθοδος μέτρησής της είναι η βέλτιστη και ii) στην επιταχυντική δράση των ιόντων χλωρίου στην ενυδάτωση μιγμάτων τσιμέντου, στην χρήση του CaCl2 ως χημικού πρόσθετου, αλλά και στους κινδύνους που μια τέτοια χρήση μπορεί να επιφέρει στο σκυρόδεμα. Επιπροσθέτως, αναλύεται η δράση του ασβεστολιθικού filler (κεφάλαιο 3) καθώς η κατανόηση της δράσης του είναι ιδιαίτερα σημαντική για την επεξήγηση της επίδρασης της λούμης σε δοκίμια κονιαμάτων και σκυροδεμάτων αλλά και σε πάστες τσιμέντου. Στη συνέχεια του θεωρητικού μέρους γίνεται περιγραφή των διαδικασιών που εφαρμόζονται στις μονάδες παραγωγής έτοιμου σκυροδέματος (κεφάλαιο 4) όπου γίνεται εισαγωγή στα συστήματα ανακύκλωσης νερού έκπλυσης καθώς και βιβλιογραφική ανασκόπηση σε έρευνες που έχουν γίνει για χρήση νερού έκπλυσης στο σκυρόδεμα. Συγκεκριμένα για το νερό ανάμιξης σκυροδέματος γίνεται εμβάθυνση στο κεφάλαιο 5, όπου αναλύονται οι επιπτώσεις τυχόν προσμίξεων στις ιδιότητες των παραγόμενων σκυροδεμάτων και μελετώνται τα ισχύοντα διεθνή πρότυπα καθώς και ο ελληνικός κανονισμός. Ακολουθεί η στατιστική μελέτη των μονάδων έτοιμου σκυροδέματος (κεφάλαιο 6) που πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο της διατριβής, η οποία βοήθησε να εντοπιστεί η πραγματική εικόνα των ΜΕΣ της Ευρώπης και της Ελλάδας όσον αφορά τα συστήματα ανακύκλωσης του νερού έκπλυσης των οχημάτων μεταφοράς έτοιμου σκυροδέματος καθώς επίσης και τα χημικά χαρακτηριστικά δειγμάτων νερού ελληνικών μονάδων. Παρατηρήθηκε ότι όλες οι μονάδες που απάντησαν στο ερωτηματολόγιο απορρίπτουν την λούμη, ενώ οι ελληνικές μονάδες, σε αντίθεση με τις ευρωπαϊκές, επεξεργάζονται το νερό έκπλυσης (εξουδετέρωση) και συνήθως το εξουδετερωμένο αυτό νερό το χρησιμοποιούν σε εξωτερικές χρήσεις, όπως πότισμα, πλύσιμο της μονάδας και των εγκαταστάσεων, κλπ. Στο αμιγώς πειραματικό μέρος της διατριβής περιγράφεται η διαδικασία της δειγματοληψίας των παραπροϊόντων (νερό έκπλυσης και λούμη) από το σύστημα ανακύκλωσης νερού της ΜΕΣ και γίνεται χαρακτηρισμός τους με φυσικοχημικές μεθόδους ώστε να φανεί η επίδραση του κάθε σταδίου ανακύκλωσης στις ιδιότητες του νερού αλλά και να ταυτοποιηθεί η λούμη. Οι πρώτες δοκιμές του πειραματικού μέρους πραγματοποιήθηκαν σε σκυρόδεμα (κεφάλαιο 9), όπου παράχθηκαν δοκίμια σκυροδέματος με τα δείγματα νερού της δειγματοληψίας αλλά και με απευθείας νερό έκπλυσης σε διάφορα στάδια οξύνισης με HCl, καθώς και εργαστηριακό νερό έκπλυσης - νερό που παρασκευάστηκε με νερό δικτύου και προσθήκη λούμης. Αυτές οι δοκιμές αποκάλυψαν σε πρώτο στάδιο τις επιδράσεις που έχουν στην εργασιμότητα και τις αντοχές του σκυροδέματος τα χαρακτηριστικά του νερού. Παρατηρήθηκε ότι η παρουσία λούμης οδηγεί σε μείωση της εργασιμότητας και βελτίωση των αντοχών, ενώ η προσθήκη χλωριόντων επιταχύνει την ανάπτυξη των αντοχών. Στη συνέχεια (κεφάλαιο 10) παρασκευάστηκαν δείγματα νερού έκπλυσης τα οποία επεξεργάστηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να εμφανίζουν διαφορετικές τιμές σε pH, περιεκτικότητα στερεών και συγκέντρωση χλωριόντων με σκοπό να απομονωθεί ο ρόλος του κάθε χαρακτηριστικού ως προς την επίδρασή του στις ιδιότητες των τσιμεντοκονιαμάτων. Παράχθηκαν τσιμεντοκονιάματα ως μικρογραφίες σκυροδέματος με τσιμέντο, θραυστή ασβεστολιθική άμμο και δείγματα νερού έκπλυσης. Οι ιδιότητες που μετρήθηκαν στο σύνολο των δειγμάτων νερού ήταν η εργασιμότητα (εξάπλωση) και οι αντοχές (θλιπτικές και καμπτικές) των κονιαμάτων. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα επιλέχθηκαν τα δείγματα νερού για τα οποία έγινε μέτρηση της αντίστασης σε διαπερατότητα χλωριόντων και υπολογισμός της θερμότητας ενυδάτωσης. Επιπλέον για τα δείγματα αυτά έγιναν δοκιμές σε πάστες τσιμέντου, οι οποίες αναλύονται στο 11ο κεφάλαιο. Στόχος των δοκιμών σε πάστες τσιμέντου ήταν η διαπίστωση της δράσης των χαρακτηριστικών του νερού στα προϊόντα ενυδάτωσης του τσιμέντου, μέσω μελέτης ενυδάτωσης, με σκοπό την πλήρη κατανόηση την κατανόηση των προηγούμενων αποτελεσμάτων, κυρίως της αντοχής. Εκτός από την μελέτη ενυδάτωσης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις των χρόνων πήξης παστών τσιμέντου που παράχθηκαν με τα παραπάνω δείγματα νερού - όπως απαιτείται και από τα σχετικά πρότυπα νερού ανάμιξης -, καθώς και δοκιμή ποροσιμετρίας σε πάστα τσιμέντου που παράχθηκε με νερό έκπλυσης. Διαπιστώθηκε ότι το υψηλό pH δεν επηρεάζει εμφανώς τις αντοχές και την εργασιμότητα των κονιαμάτων, ούτε ευνοεί την δημιουργία διαφορετικών προϊόντων ενυδάτωσης. Το είδος του οξέος που γίνεται η οξύνιση των δειγμάτων νερού είναι ιδιαίτερης σημασίας καθώς παρατηρήθηκε ότι η προσθήκη HNO3 μπορεί να επιφέρει σημαντική μείωση των αντοχών, ενώ η προσθήκη χλωριόντων με HCl ή CaCl2 οδηγεί σε αύξηση των αντοχών αλλά σε μεγαλύτερη διείσδυση χλωριόντων από το σώμα του δοκιμίου καθώς παραμένουν διαλυτά στο δοκίμιο και δεν εγκλωβίζονται σε κάποια φάση ενυδάτωσης. Επιπλέον διαπιστώθηκε αύξηση των αντοχών με την παρουσία λούμης στο νερό έκπλυσης η οποία δικαιολογείται από την μείωση του πορώδους που μετρήθηκε για πάστα τσιμέντου που παράχθηκε με νερό έκπλυσης. Οι δοκιμές στη λούμη (κεφάλαιο 12) περιλαμβάνουν πειράματα που έγιναν σε τσιμεντοκονιάματα που περιείχαν λούμη ως συστατικό του νερού ή ως συστατικό του τσιμέντου με αποτέλεσμα κυρίως αύξηση των αντοχών αλλά μείωση της εργασιμότητας. Οι δοκιμές με λούμη σε συνδυασμό με άμμους με διαφορετικά ποσοστά filler οδήγησαν, μέσα από στατιστική ανάλυση, στο συμπέρασμα ότι οι ΜΕΣ μπορούν να χρησιμοποιούν το νερό έκπλυσης με λούμη ανεξαρτήτως του filler της άμμου που χρησιμοποιείται στη μονάδα. Επιπλέον μελετήθηκε η αλληλεπίδραση της λούμης με πυριτική άμμο σε πρότυπα τσιμεντοκονιάματα, όπου φάνηκε ότι η λούμη οδηγεί σε ελαφρά μείωση των αντοχών σε συνεργασία με διαφορετικής φύσης αδρανή. Τέλος μελετήθηκε το νερό έκπλυσης σε συνδυασμό με σύνθετα τσιμέντα με ιπτάμενες τέφρες. Ελέγχθηκε η ευεργετική δράση που μπορεί να έχει το αλκαλικό νερό έκπλυσης όταν αναμιγνύεται με τσιμέντα που περιέχουν ιπτάμενες τέφρες καθώς τα τελευταία αποτελούν εμπορικά τσιμέντα που χρησιμοποιούνται από την πλειοψηφία των ΜΕΣ. Εν κατακλείδι συμπεραίνεται πως το νερό έκπλυσης οχημάτων μεταφοράς έτοιμου σκυροδέματος είναι ασφαλές για χρήση σε παραγωγή νέου σκυροδέματος, ενώ, αν χρησιμοποιηθεί με όλα του τα στερεά, μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένες αντοχές. Επίσης, η διαδικασία της εξουδετέρωσης κρίνεται μη απαραίτητη για την ανακύκλωση του νερού ενώ μπορεί να επιφέρει κινδύνους στην τελική εφαρμογή αν δεν συνδυάζεται με αραίωση. Τέλος προτείνονται πραγματικές λύσεις για την ανακύκλωση του νερού στις ΜΕΣ.

The thesis focused on the examination of the recycling and utilization potential of by-products from ready mixed concrete (RMC) plants. The by-products examined were i) wash water from washing out concrete mixing trucks and ii) the suspended sludge formatted in the bottom of the water’s settling tank. The water recycling necessity is highlighted by the fact that while approximately 1700 L of water are needed to produce one batch of concrete, another 1500 L are consumed for the washing of the concrete mixing truck drums. This leads to the conclusion that proper recycling of water would cut the plant’s water cost in half. Additionally, the wash water (or sludge water) has high total solids content, while it also demonstrates alkali characteristics (pH of over 12) being considered as waste hazardous for disposal. Therefore, recycling wash water has ecological and economical benefits for RMC plants globally. In the case of Greek RMC plants, the standard specification concerning concrete mixing water (ELOT 345), forbids the use of such water in concrete production resulting to a complex recycling system by the ready mixed concrete plants which includes sedimentation, neutralization and dilution prior to its use. In most cases though, the plants don’t use a water recycling system -especially in medium or small plants- and the wash water is disposed causing environmental problems. This triggered the necessity of an original investigation of the water characteristics effect on the produced concrete properties in order to study the Greek case and also demonstrate the flaws on the applied regulations. The studied water properties were the total solids content and the pH value, while, since ready mixed concrete plants normally use HCl for neutralization, the effect of chlorides was also examined. The theoretical part of the thesis describes the main properties of concrete and mortar that were examined in the experimental part; compressive strength and workability. The factors affecting those properties were analyzed in order to provide answers to experimental data resulting in this research. Cement hydration was also studied with focus on cement heat of hydration -and how it is affected by the mixing water properties- and the accelerating effect of chloride ions. Additionally, the limestone filler is examined with respect to the filler effect in order to comprehend the sludge influence on mortar and concrete specimens, as well as cement pastes. Moreover, a brief description of the ready mix concrete production is given followed by an introduction on wash water recycling systems and a literature review on research concerning the reuse of concrete sludge water in concrete production. A closer look on concrete mixing water shows a variety of effects on concrete from water impurities. In addition, the European, Australian, American and Greek standard specifications concerning concrete mixing water are analyzed and compared. A statistical study took place elaborating data from several European and Greek ready mixed concrete plants concerning their by-product recycling. The study was supplemented by an examination of the chemical characteristics of water samples from several Greek RMC plants. All of the plants that took part in the research answer that they dispose of the sludge, while in was confirmed that Greek plants treat the wash water by neutralizing it and usually utilize the water in external uses (i.e. cleaning, watering). The experimental part of the study firstly consists of the sampling process where the by-products (wash water and sludge) are collected from a RMC plant. The water samples were characterized in order to determine the effect of each recycling stage to the properties of the water and the nature of sludge is identified through instrumental methods of analysis. Detailed testing took place for concrete and mortar specimens as well as cement pastes. Concrete specimens were produced with water samples from the recycling process and also with direct truck wash water that was gradually acidified in several levels with HCl. The results show that wash water improves compressive strength (by 2.5-8 MPa), even more so with the addition of chlorides but in case of high concentration of total solids a significant loss of workability is noted. Several water samples were produced with a variety of values in pH, total solids content and chloride concentration using different reagents. Those water samples were used for the production of cement mortars manufactured with crushed limestone sand representing smaller concrete specimens and were tested for their workability (spread in a flow table) and strength. Based on those results, some of the water samples were selected to be examined for their effect in cement heat of hydration as well as chloride permeability and also to be mixed in cement pastes. Cement pastes were tested for their setting times as required by the standard specifications for mixing water. A hydration study took place to determine whether new hydration phases appear due to the mixing water characteristics. It was concluded that high pH value has no effect in strength development and hydration while the reagent used to lower the pH is crucial to the mortar properties. Mortars produced with water acidified with HNO3 demonstrated lower compressive strength. When chlorides were added to the water samples -either from HCl or CaCl2 addition- higher compressive strengths is noted (approximately 5 MPa) along with a slight increase of heat of hydration without the appearance of new phases. This was attributed to the accelerating effect of the chloride ions to the cement hydration. However, chloride addition to the mixing water leads to higher chloride permeability through the body of the specimen. The existence of sludge in the water (high total solids content) demonstrates higher early strength -a clear 4 MPa improvement was noted for the age of 2 days-, a small loss of workability and no other change in the mortar or paste properties. The higher strength can partially be attributed to the decrease of porosity. Another set of testing was performed for sludge which is used either as it is as an ingredient of water or dried as cement replacement -both in several ratios- for the production of mortars. Results showed mostly improvement of strength but, in some cases, significant loss of workability. A 2% cement replacement led to an increase of 2 MPa in all ages. Tests of sludge in collaboration with sand which includes different ratios of filler led to the conclusion, through statistical analysis, that RMC plants can use sludge water regardless of the sand granulometry. Moreover, the interaction of sludge and silica sand was examined and showed that sludge can cause slight decrease of strength when used with aggregates of different nature. Finally, sludge water was mixed with composite cements containing fly ash where the beneficial effect of the water’s alkali characteristics to those widely commercially used cements was tested. Results showed a slight improvement of strength in early ages. It was concluded that concrete mixing truck wash water can be safely used for the production of new concrete. If it is used as sludge water - containing its solids without the stage of sedimentation- it can lead to improved strength with no other significant changes in its properties. Additionally, the neutralization process is unnecessary and can cause problems to the final application if the neutralized water is used without dilution.