Ανάπτυξη σύνθετων δομικών υλικών με χρήση υαλοθραύσματος και υαλοποιημένων απορριμμάτων

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε μια προσπάθεια για την ανάδειξη του σημαντικού ρόλου της ανακύκλωσης του γυαλιού και των υαλοποιημένων απορριμμάτων. Κριτήριο για την επιλογή των δομικών υλικών τα οποία θα μπορούσαν να παραχθούν εναλλακτικά από ανακυκλωμένο υαλόθραυσμα και υαλοποιημένα απόβλητα ήταν η ποσότητα η οποία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί κατά την παραγωγή τους αλλά και η μέγιστη βελτιστοποίηση των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων τους. Βάση των παραπάνω παρατηρήσεων, αρχικά, εξετάστηκε η δυνατότητα αξιοποίησης του υαλοθραύσματος και υαλοποιημένης ιπτάμενης τέφρας σε προϊόντα τσιμέντου. Η χρήση του γυαλιού δεν περιορίστηκε στο πολυχρωματικό υαλόθραυσμα αλλά εξετάστηκαν χωριστά τα πιο κοινά χρωματιστά γυαλιά που χρησιμοποιούνται ως υλικά συσκευασίας στην ελληνική αγορά. Αποτιμήθηκε, όχι μόνο η επίδραση της κοκκομετρίας (<200 μm, <90 μm, <45 μm),της ποζολανικής δράσης και του ποσοστού αντικατάστασης (5-25%) του υαλοθραύσματος, αλλά και η επίδραση του αλκαλικού περιβάλλοντος (NaOH 1M) και της μεταβολής της θερμοκρασίας (25, 80oC) στα παραγόμενα τελικά προϊόντα. Επιπρόσθετα, εξετάστηκε η πιθανή συνεργιστική δράση του υαλοθραύσματος με την παρουσία της ιπτάμενης τέφρας, δηλαδή ενός ποζολανικού υλικού. Σε όλα τα δείγματα των σύμμεικτων παστών και κονιαμάτων πραγματοποιήθηκε συστηματική μελέτη του βαθμού και των προϊόντων ενυδάτωσης, της ανάπτυξης των μηχανικών αντοχών καθώς και έλεγχος της πιθανής διαστολής λόγω αλκαλοπυριτικής δράσης. Από την παραπάνω μελέτη προκύπτει ότι, το λεπτοαλεσμένο υαλόθραυσμα παρουσιάζει ποζολανική δράση για κοκκομετρία μικρότερη από τα 90μm η οποία αυξάνεται με τη μείωση της κοκκομετρίας. Για την ολοκλήρωση της μελέτης της συνολικής δυνατότητας αξιοποίησης του υαλοθραύσματος σε προϊόντα τσιμέντου μελετήθηκε η χρήση του και σε εμπορικά προϊόντα, όπως είναι τα επιχρίσματα τοιχοποιίας και το σκυρόδεμα. Τα προϊόντα αυτά επέδειξαν ικανοποιητικές μηχανικές ιδιότητες. Επιπρόσθετα, έγινε μία προσπάθεια αλκαλικής ενεργοποίησης του υαλοθραύσματος είτε μόνο του είτε με ισόποση ιπτάμενη τέφρα ή σκωρία χάλυβα σε ισχυρά αλκαλικό περιβάλλον με χρήση NaOH 6M σε θερμοκρασία περιβάλλοντος αλλά και στους 60οC. Αντίστοιχα, παρασκευάστηκαν κονιάματα από αλκαλικά ενεργοποιημένο γυαλί ή γυαλί με σκωρία χάλυβα, τόσο με κοινά αδρανή όσο και με αδρανή από υαλόθραυσμα. Το υαλόθραυσμα χρησιμοποιήθηκε ως δευτερεύον συστατικό μαζί με βιομηχανικά παραπροϊόντα, όπως είναι η ιπτάμενη τέφρα και οι σκωρίες μεταλλουργικών διεργασίων για την παραγωγή υάλων και υαλοκεραμικών. Η υαλοποίηση των δειγμάτων έλαβε χώρα στους 1450οC και η διαδικασία αποϋαλοποίησης από τους 900-1000οC για 2 ώρες. Τα παραγόμενα γυαλιά και υαλοκεραμικά επέδειξαν ικανοποιητικές μηχανικές αντοχές καθώς και μεγάλη αντοχή στη χημική διάβρωση. Μία αντίστοιχη εφαρμογή αποτελεί η χρήση του υαλοθραύσματος για την παραγωγή αφρώδους γυαλιού με την προσθήκη μέσων διόγκωσης. Το πορώδες του υλικού αυξάνει με τη μείωση της κοκκομετρίας του υαλοθραύσματος, αλλά υπάρχει περιορισμός στην αντίστοιχη αύξηση της περιεκτικότητας σε μέσο διόγκωσης. Τούτη η εργασία προσπάθησε να επιδείξει τη διαφορετική ποικιλία εφαρμογών οι οποίες είναι διαθέσιμες για το γυαλί. Τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά και ανοίγουν το δρόμο για την αξιοποίηση του γυαλιού προς αειφόρες εφαρμογές.

This thesis will try to demonstrate the important role that glass recycling will play in the future. The criterion of the alternative application of waste glass and vitrified waste was the amount of the waste that could be consumed and the maximum exploitation of the chemical and physical properties of glass. Based on the aforementioned remarks, the possibility of glass cullet and vitrified fly ash exploitation with regard to cement products was investigated. The use of glass cullet was not restricted in mixed-colored one, but there was a separate examination of the most common colored glasses, used as packaging materials in the Greek Market. The effect of granulometry (<200μm, <90μm and <45μm) and the substitution percentage (5-25%), along with effect of the alkaline environment and temperature differentiation on the final products was evaluated. Moreover, the possible synergetic activity of glass cullet and fly ash was examined. In all samples of blended pastes, a systematic assessment of the degree and the products of hydration, of the mechanical strength development and of the possible expansion due to the alkali-silica reaction, were conducted. Results show that the very fine glass cullet presents a pozzolanic activity for granulomentry lower to 90μm and that activity increases with granulometry decrease. For the completion of the assessment with respect to glass cullet utilization in cement products, the particular material was implemented in market products, such as masonry plasters and concrete. The plasters and the concrete containing glass cullet as aggregate material illustrated satisfactory mechanical properties. Furthermore, the potential utilization of glass cullet in alkali-activated mixtures with lignite fly ash and steel slag at different temperatures is assessed by using NaOH 6M at 25, 40 and 60οC. Additional experiments were performed with activated glass or glass and steel slag with conventional and glass aggregates. Glass cullet could be used as a secondary raw material with industrial wastes, such as fly ash and steel slag, for the production of glass and glass-ceramics. Samples vitrification took place at 1450οC, while de-vitrification process conducted at 900-1000οC for 2 hours. The glasses and glass ceramics produced illustrated a satisfactory mechanical properties and chemical resistance. A similar thermal treatment could be used for the production of foamed glass. Glass cullet can easily be transformed to foam glass by the addition of SiC. The porosity of the material increases when the glass cullet granulomentry decreases, but there is a constraint with respect to the increase of the foaming agent content. This thesis has hopefully illustrated the diverse range of applications available for glass. The results are more than satisfactory and could open a way for the use of glass to sustainable applications.