Συγκριτική αξιολόγηση ανθεκτικότητας γεωπολυμερών από ιπτάμενη τέφρα και τσιμεντοκονιαμάτων

Abstract

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η συγκριτική αξιολόγηση της ανθεκτικότητας γεωπολυμερών από ιπτάμενη τέφρα και τσιμεντοκονιαμάτων. Το τσιμέντο είναι το κύριο συστατικό του σκυροδέματος το οποίο αποτελεί παγκοσμίως το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο κατασκευαστικό υλικό. Κατά την παραγωγή του τσιμέντου καταναλώνονται μεγάλες ποσότητες φυσικών πόρων και καυσίμων, ενώ απελευθερώνεται και μεγάλη ποσότητα αερίων θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα. Τα γεωπολυμερή μπορούν να συμβάλλουν στη βελτίωση της οικολογικής εικόνας των δομικών υλικών, ειδικά όταν παράγονται με χρησιμοποίηση βιομηχανικών παραπροϊόντων, όπως είναι η ιπτάμενη τέφρα. Φυσικά, για να εφαρμοσθούν σε κατασκευαστικά έργα θα πρέπει να έχουν και ανταγωνιστικές ιδιότητες με τα συμβατικά δομικά υλικά. Στα πλαίσια των πειραματικών μετρήσεων, παρασκευάστηκαν 3 σειρές γεωπολυμερικών κονιαμάτων ιπτάμενης τέφρας με λόγο ασβεστολιθικής άμμου προς ιπτάμενη τέφρα (Α/ΙΤ) 0.5-2 και 2 σειρές τσιμεντοκονιαμάτων (ΕΝ 196-1) με CEM II 32.5 N και CEM I 42.5 N. Η σύνθεση (R/Al, Na/(Na+K), [Si]/R2O) των γεωπολυμερών, με στόχο τις βέλτιστες αντοχές σε θλίψη, προσδιορίστηκε με το πολυπαραγοντικό μοντέλου Taguchi. Στα δοκίμια έγιναν δοκιμές αντοχής σε θλίψη, ψύξης – απόψυξης, ξήρανσης – εμβάπτισης, ανθεκτικότητας σε περιβάλλον θειικών ιόντων, ανθεκτικότητας σε περιβάλλον ασθενών και ισχυρών οξέων, διάχυσης χλωριόντων, ενανθράκωσης, υδατοαπορροφητικότητας και ανθεκτικότητας στην έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες. Προέκυψε ότι η ιπτάμενη τέφρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για την παραγωγή κονιαμάτων γεωπολυμερών με ασβεστολιθική άμμο, οι ιδιότητες των οποίων διαφοροποιούνται ανάλογα με τη σύνθεση τους και την περιεχόμενη άμμο. Επιβεβαιώθηκε ότι το πολυπαραγοντικό μοντέλο Taguchi είναι σημαντικό εργαλείο για την αριστοποίηση της σύνθεσης των γεωπολυμερών ως προς συγκεκριμένη ιδιότητα. Τα γεωπολυμερή εμφανίζουν αντοχές σε θλίψη 7 ημερών στην περιοχή 29-47 MPa, ανάλογα με το λόγο Α/ΙΤ. Τα τσιμεντοκονιάματα έχουν αντοχές θλίψης 28 ημερών 40 και 60 MPa, για τα CEM II 32.5 και CEM I 42.5 αντίστοιχα. Σημαντικό πάντως χαρακτηριστικό των γεωπολυμερών είναι ότι παρουσιάζουν τις μέγιστες αντοχές τους λίγες μόνο μέρες μετά τη χύτευσή τους. Τόσο τα γεωπολυμερή όσο και τα τσιμεντοκονιάματα έχουν πολύ καλή συμπεριφορά (με μικρές διαφοροποιήσεις) στις δοκιμές ξήρανσης-εμβάπτισης, ενανθράκωσης και ανθεκτικότητας σε περιβάλλον θειικών ιόντων. Τα τσιμεντοκονιάματα δείχνουν γενικά καλύτερη συμπεριφορά από τα γεωπολυμερή στις δοκιμές υδατοαπορροφητικότητας, ψύξης – απόψυξης, διάχυσης χλωριόντων και έκθεσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Ακόμη όμως και σε αυτές τις δοκιμές υπάρχουν κάποιες συνθέσεις γεωπολυμερών (κριτήριο ο λόγος Α/ΙΤ) που υπερτερούν κάποιων συνθέσεων τσιμέντων (κριτήριο η κλάση αντοχών). Τέλος, τα γεωπολυμερή εμφανίζουν γενικά καλύτερη συμπεριφορά από τα τσιμεντοκονιάματα κατά την έκθεση τους σε περιβάλλον οξέων. Συνολικά, με βάση όλες τις δοκιμές ανθεκτικότητας, το κονίαμα CEM I 42.5 παρουσιάζει την καλύτερη συμπεριφορά, ακολουθούμενο από το CEM II 32.5 και τα γεωπολυμερή με αυξημένη συμμετοχή άμμου (Α/ΙΤ: 1 και 2). Η μέση περιεκτικότητα σε άμμο (A/IT=1) οδηγεί συνολικά σε μια μέση συμπεριφορά του γεωπολυμερούς, χωρίς ακραία χαρακτηριστικά (πολύ κακή ή πολύ καλή συμπεριφορά). Τα πολλά δεδομένα για διάφορες παραμέτρους της ανθεκτικότητας, που προέκυψαν από τις εργαστηριακές δοκιμές, είναι πολύ χρήσιμα τόσο για την εμβάθυνση και την αξιολόγηση της συμπεριφοράς των υλικών όσο και για την επιλογή των κατάλληλων υλικών για συγκεκριμένες εφαρμογές. Η αριστοποίηση της σύνθεσης των γεωπολυμερών θα πρέπει να γίνεται ανάλογα με τις απαιτήσεις ανθεκτικότητας και την εφαρμογή που θα χρησιμοποιηθούν. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής έδειξαν ότι δεν υπάρχει μια μονοσήμαντη φόρμουλα που να μπορεί να παράγει γεωπολυμερή που να εμφανίζουν ικανοποιητική συμπεριφορά ταυτόχρονα σε όλες τις δοκιμές. Επομένως θα πρέπει η γεωσύνθεση να προσαρμόζεται κατάλληλα ανάλογα με το πεδίο εφαρμογής έτσι ώστε τα παραγόμενα γεωπολυμερή να εμφανίζουν ικανοποιητικές ιδιότητες. Αναγκαία προϋπόθεση για να συμβεί αυτό είναι η επαρκής γνώση και κατανόηση της δραστικότητας των πρώτων υλών και της χημείας της αντίδρασης του γεωπολυμερισμού. Συνίσταται αξιολόγηση των συνθέσεων με θέσπιση συντελεστών βαρύτητας για τα διάφορα κριτήρια και οι οποίοι θα διαφοροποιούνται ανάλογα με την εφαρμογή. Κλείνοντας, με την παρούσα διδακτορική διατριβή πιστοποιείται ότι είναι εφικτή η αξιοποίηση της ιπτάμενης τέφρας στην παραγωγή γεωπολυμερικών κονιαμάτων και τίθενται οι βάσεις για την ορθολογική χρησιμοποίησή τους ως εναλλακτικά δομικά υλικά με βάση τις απαιτήσεις μιας κατασκευής.

In the present PhD thesis the durability of fly ash based geopolymer mortars compared to that of cement mortars is investigated. Cement is the main constituent of concrete, which is the most widely used material in the world. Manufacturing of cement requires significant amounts of natural resources and fuels, whilst it is responsible for the emission of large amounts of greenhouse gases. Geopolymers can improve the ecological image of building materials, especially when their production is based on industrial by-products such as fly ash. However, geopolymer have to possess competitive properties to conventional building materials, in order to be used in construction works. Three series of fly ash based geopolymer mortars were prepared using calcareous sand to fly ash ratio (S/FA) varying from 0.5 to 2. In addition, cement mortar specimens were prepared (according to EN 196-1) using cements CEM I 42.5 N and CEM II 32.5 N. The geopolymers’ synthesis (R/Al, Na/(Na+K), [Si]/R2O) was optimized using Taguchi experimental designing model in order to achieve the maximum compressive strength. Durability of geopolymer and cement mortars was evaluated by means of compressive strength development, sorptivity, carbonation, resistance to wet-dry cycles, resistance to freezing-thawing cycles, acid resistance, chloride diffusion, sulfate resistance and thermal stability at elevated temperatures. It was found that fly ash can be effectively used to produce geopolymer mortars with calcareous sand. The geopolymer properties are affected by its composition and sand content. It was also confirmed that the Taguchi experimental designing model is a useful tool for determining the geopolymers’ synthesis, in order to optimize a specific property of the geopolymer. Geopolymers exhibit 7-days compressive strength 29-47 MPa, depending on the sand to fly ash ratio. The 28-days compressive strength of cement mortars was 42 and 60 MPa, for CEM II 32.5 and CEM I 42.5, respectively. Geopolymer mortars develop their maximum compressive strength a few days after their casting and it is of great technological interest. Geopolymer and cement mortars exhibit satisfactory resistance (with minor variations) to wet – dry cycles, carbonation and sulphate attack. Cement mortars, generally, show better behavior (compared to geopolymers) in sorptivity, freezing–thawing, chloride diffusion and thermal stability (at elevated temperatures). It must be noted, that even in these tests specific geopolymers (depending on the sand to fly ash ratio) present better behavior than specific cement mortars (depending on cement type and strength class). Finally, geopolymers indicate improved performance against acid attack, compared to that of cement mortars. Based on all durability tests, it is seen that the CEM I 42.5 presents the best performance, followed by the CEM II 32.5 and the geopolymers samples made with increased sand content (S/FA: 1 and 2). Geopolymers with a median sand content (S/FA=1) show an overall average behavior without extreme characteristics (very bad or very good behavior). The durability data, which have been derived from this thesis, are very useful for the behavior evaluation of the materials and their selection for specific applications. In any case, the optimization of the geopolymeric synthesis should be based on the durability requirements and the application to be used. The results of this study showed that there is not a unique formula that can produce geopolymers with good performance in all durability tests. Synthesis parameters should be adjusted so that the produced geopolymers exhibit satisfactory properties depending on the application. It is highly recommended to evaluate the geopolymers’ synthesis using multi-criteria analysis and introducing weighting factors for the various criteria, depending on the application.