Προστασία των μέτρων στήριξης σηράγγων από πυρκαγιά

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη τριών νέων υλικών για την προστασία των μέτρων στήριξης σηράγγων από πυρκαγιά. Τα τρία υλικά αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο του γεωπολυμερισμού, μία ραγδαία εξελισσόμενη τεχνολογία, η οποία περιλαμβάνει την ετερογενή χημική αντίδραση μεταξύ στερεών υλικών, πλούσιων σε οξείδια πυριτίου και αργιλίου και αλκαλικών πυριτικών διαλυμάτων, σε ισχυρές αλκαλικές συνθήκες. Τα υλικά κατασκευάσθηκαν χρησιμοποιώντας ως ενεργοποιητή είτε ΝαΟΗ είτε ΚΟΗ, στην υδατική φάση, και δύο διαφορετικές πρώτες ύλες: τη σκωρία των ηλεκτροκαμίνων (βιομηχανικό απόβλητο) που προέρχεται από την επεξεργασία των λατεριτών για την παραγωγή Ni και τον μετακαολίνη (βιομηχανικό ορυκτό) που προέρχεται από τη αφυδροξυλίωση του καολίνη. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε η σκωρία των ηλεκτροκαμίνων με την οποία αναπτύχθηκαν δύο υλικά, το Να-γεωπολυμερές και το Κ-γεωπολυμερές. Η σύνθεση των υλικών προέκυψε με τη βοήθεια προγενέστερης εργασίας αλλά και θεωρητικών υπολογισμών και τριγωνικών διαγραμμάτων φάσεων, με σκοπό τα υλικά να μπορούν να ανθίστανται σε θερμοκρασίες άνω των 1000°C. Τα υλικά ωρίμασαν είτε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος είτε σε φούρνο. Τα σκληρυμμένα υλικά υποβλήθηκαν σε εργαστηριακές δοκιμές για τον προσδιορισμό των μηχανικών, φυσικών και θερμικών τους ιδιοτήτων. Τα αποτελέσματα των παραπάνω δοκιμών έδειξαν ότι τα υλικά έχουν αρκετά ικανοποιητικές ιδιότητες, συγκρινόμενα με τις αντίστοιχες ιδιότητες των υφισταμένων υλικών πυροπροστασίας. Στη συνέχεια, τα υλικά υποβλήθηκαν σε διάφορα σενάρια πυρκαγιάς, σύμφωνα με παραλλαγή της πρότυπης δοκιμής ελέγχου παθητικής πυροπροστασίας της E.F.A.N.R.C. Και τα δύο υλικά μπορούν να αντισταθούν σε δυσμενή σενάρια πυρκαγιάς με θερμοκρασίες έως 1049 °C (καμπύλη ISO 834) δημιουργώντας μια υψηλή θερμική βάθμωση. Το δεύτερο μάλιστα αποδείχθηκε πιο πυράντοχο, ακόμα και μετά από έκθεση σε ακραίες θερμοκρασίες, που φτάνουν μέχρι τους 1350 °C χωρίς να εμφανίσει κανένα σημάδι αποφλοίωσης ή ρωγμάτωσης ακόμα και μετά την έκθεση στις υψηλές θερμοκρασίες. Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης του πιο δυσμενούς σεναρίου πυρκαγιάς, της καμπύλης Rijkswaterstaat (RWS), η θερμοκρασία στη διεπιφάνεια του υλικού πυροπροστασίας και της προστατευόμενης πλάκας σκυροδέματος έφτασε μέχρι τους 280°C, τιμή η οποία είναι κατά 100 ° C χαμηλότερη από τις απαιτήσεις της δοκιμής RWS. Έτσι, το σκυρόδεμα δεν εμφάνισε καμίας μορφής αποφλοίωση, γεγονός που επιβεβαιώθηκε και από την απουσία σημάτων ακουστικής εκπομπής κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη ο μετακαολίνης, ένα εμπορικό βιομηχανικό υλικό με διάφορες εφαρμογές, με τον οποίο αναπτύχθηκε το τρίτο υλικό το Κ-ΜΚ-γεωπολυμερές. Η σύνθεσή του προέκυψε με τη βοήθεια τριγωνικών διαγραμμάτων φάσεων. Προσδιορίστηκαν οι μηχανικές, φυσικές και θερμικές ιδιότητες του και πραγματοποιήθηκε ο έλεγχος παθητικής πυροπροστασίας, σύμφωνα με τις οδηγίες της E.F.N.A.R.C. Από τη δοκιμή που πραγματοποιήθηκε φάνηκε ότι το συγκεκριμένο υλικό δημιουργεί την επιθυμητή βάθμωση ως υλικό πυροπροστασίας, διατηρώντας τη θερμοκρασία στη διεπιφάνεια των υλικών σχεδόν 170 °C χαμηλότερα από τις απαιτήσεις της δοκιμής. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μία αρχική ανάλυση του κόστους παραγωγής και εφαρμογής των υλικών με την περίπτωση του Να-γεωπολυμερούς και Κ-γεωπολυμερούς να είναι πιο φθηνά από το Κ-ΜΚ γεωπολυμερές καθώς χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη ένα απόριμμα και όχι ένα εμπορικό υλικό. Συγκριτικά με ένα εμπορικό υλικό πυροπροστασίας και τα τρία υλικά (Να-γεωπολυμερές, Κ-γεωπολυμερές, Κ-ΜΚ γεωπολυμερές) είναι φθηνότερα. Επίσης ένα επιπλέον πλεονέκτημα του Να-γεωπολυμερούς και του Κ-γεωπολυμερούς είναι ότι με την ανάπτυξη τους αξιοποιείται ένα μέρος ενός βιομηχανικού απορρίματος συμβάλλοντας θετικά στην περιβαλλοντική διαχείριση του.

In the present thesis, three fire protection materials for passive fire protection of concrete tunnel linings were developed with the technology of geopolymerisation. This rapidly evolving technology involves the heterogeneous reaction between solid materials, rich in silicon and aluminum oxides, and alkali silicate solutions in strong alkaline conditions. The fire protection materials were prepared using either NaOH or KOH as an activator in the aqueous phase, and two different raw materials: FeNi slag from the electric arc treatment of laterites to produce Ni , which is an industrial waste, and metakaolin derived from dehydroxylation of the kaolin which is an industrial mineral. Initially, the FeNi slag was used and two materials were developed, a Na-geopolymer and a K-geopolymer. The composition of the materials was determined using previous research, theoretical analysis and triangular phase diagrams in order the produced materials to be able to withstand at temperatures over 1000 °C. The materials were cured at either ambient temperature or in the furnace. The cured materials were subjected to laboratory tests to determine their mechanical, physical and thermal properties. The results of the above tests showed that the materials have fairly satisfactory properties, compared to the existing fire protection materials. Then, the materials were subjected to different fire scenarios according to the E.F.N.A.R.C specifications and guidelines. Both materials can withstand adverse fire scenarios with temperatures up to 1049 °C (curve ISO 834) generating a high thermal gradient. The second material, the K-geopolymer, was more fireproof even after exposure to extreme temperatures, reaching up to 1350°C without any spalling or cracking sign after exposure to high temperatures. During the simulation of the most unfavorable scenario curve, Rijkswaterstaat (RWS), the temperature at the interface of the material and fire protected concrete slab reached up to 280 ° C, a value that is 100 ° C lower than test requirements of RWS curve. Thus, the concrete did not show any form of spalling, which was also confirmed by the absence of any acoustic emission signals during the test. Then metakaolin was used as a raw material and a third fire resistant material was developed, the K-MK geopolymer. The composition was determined with the aid of the triangular phase diagram. Its mechanical, physical and thermal properties were measured and passive fire protection testing according to E.F.N.A.R.C specification and guidelines was performed. The test conducted showed that this material creates the desired thermal gradient, retaining the temperature at the interface of the geopolymer and the concrete slab, 170 ° C below the test requirement. Finally, a production and application cost analysis was made, showing the Na and K – geopolymers to be clearly cheaper than the K-MK geopolymer, due to using a industrial waste as a raw material. A further advantage of these two materials is the environmental benefits resulting from the reducement of the serious problem of slag deposition.