Διερεύνηση της συμβολής του ενεργού διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) στην ποζολανική δραστικότητα των ελληνικών ιπταμένων τεφρών

Abstract

Portland cement production remains one of the most environmental harmful processes, since not only it uses vast amounts of energy, but additionally because it is associated with the production of great amounts of CO2 emissions. Indicative is the fact that approximately 8% of the CO2 emissions that are globally produced annually are directly linked with the clinkerisation processes, a part of Portland cement production. Nowadays, legal pressure and constantly rising tendency of the involved stakeholders to deal with the aforementioned problems in an environmental friendly manner, have underlined the importance of energy saving in the cement industry. At the same time, they have attracted the attention of the scientific community, which is currently working towards minimizing the environmental impact via coming up with ways that could be viable for the involved parties. In the construction sector, and especially in the sector of construction material production, this tendency is mainly expressed through the utilization of solid waste products that can replace small and/or large amounts of the traditional cement parts, due to their pozzolanic and latent hydraulic properties. It is a common belief that sustainability in the specific sector can only be achieved through the extended use of such materials, which when properly used may lead to products not only economical and ecological-friendly but of advanced quality as well. In Greece, the dominance of fly ashes towards the abovementioned direction is beyond doubt. Fly ashes are the solid residues coming from burning lignite in the power stations of PPC during the electricity production process. In a current research, it was shown that the annual fly ash production in Greece (including bottom ash) is approximately 11 million tons, an amount considered impressive especially when compared to the production rates of other industrial by-products exhibiting similar properties (i.e. slag). Apart from its vast availability, and its relatively low cost, fly ash comprises many other advantages since it is by far the best quality controlled supplementary cementing material, used both in cement and concrete systems. Despite the fact that fly ash beneficial assets are fairly well demonstrated both in the literature and in the field, its utilization rate in Greece remains steadily low (approximately 10-12%), with the majority being used in the cement industry, either as supplementary cementing material to a diverse number of blended cements, or as filler. Even though, the main aim of this work is not to highlight parties that may be responsible for this underachievement, it should be emphasized that it is considered the joint result of the lack of an integrated quality control system at source and the reluctance expressed by the involved parties to upgrade the value of this waste. The currently conducted National Specification scheme for the use of Hellenic fly ashes in (non-reinforced for the time being) concrete is expected to initiate its greater use, however the need for similar managerial schemes is more pronounced than ever, especially now when the local scientific community has focused many of its resources into fully exploring the character and potential of fly ash. Shortly, the positive effect of fly ash is mainly based on its pozzolanic potential, that is, its ability to react with Ca(OH)2 produced during cement hydration and form additional hydration products with binding properties. Nowadays, a large part of the research is focused on the in-depth investigation of the role of critical inherent characteristics of fly ashes, especially those that determine its reactivity into an alkaline environment similar to that generated in a hydrated cement system. Undoubtedly, the principal reactive constituent of fly ash is reactive silicon oxide, which is actually the part of the total silica that can react towards the production of second generation compounds with hydraulic properties that are of similar composition and nature with those coming from the hydration of clinker constituents. Despite very crucial, the exact way (and time) that reactive silica acts depending on the type of fly ash still remains unclear, whilst questions regarding the effect of this parameter on the chemical reactivity of fly ash, the mechanical performance of blended cementitious systems, the evolution of their durability properties and its greater role in relation to other critical parameters of the pozzolan (such as glass phase content) and of the systems that are incorporating it (such as alkalinity of the pore solution) are constantly increasing. With respect to the above, the main objective of this thesis is to provide answers to these vague areas, aiming to fill the void observed in the literature and provide explanations concentrated on the Hellenic material that is significantly differentiated from the fly ash globally produced from coal.

Η παραγωγή τσιμέντου Πόρτλαντ παραμένει μια από τις διαδικασίες που έχουν χαρακτηριστεί από τις πλέον επιζήμιες για το περιβάλλον, όχι μόνο γιατί χρησιμοποιεί τεράστιες ποσότητες ενέργειας, αλλά επιπλέον επειδή είναι από τους μεγαλύτερους εκπομπείς ρύπων CO2. Ενδεικτικό είναι το γεγονός πως το 8% του CO2 που εκπέμπεται παγκοσμίως κάθε χρόνο, συνδέεται άμεσα με τις διαδικασίες κλινκεροποίησης οι οποίες αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της παραγωγικής διαδικασίας του τσιμέντου. Στην παρούσα φάση, η αύξηση των νομικών πιέσεων (με την μορφή αλλεπάλληλων διαταγμάτων της Κοινότητας) σε συνδυασμό με την διαρκώς αυξανόμενη τάση των ενδιαφερόμενων φορέων να αντιμετωπίσουν τα προβλήματα με περιβαλλοντικά φιλική διάθεση, έχουν υπογραμμίσει την σημασία της εξοικονόμησης ενέργειας στην βιομηχανία. Παράλληλα, έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας, η οποία τα τελευταία χρόνια και στην Ελλάδα, προσπαθεί να προτείνει εναλλακτικές λύσεις οι οποίες θα μειώσουν τις εμφανείς επιπτώσεις στο περιβάλλον, αλλά συνάμα θα είναι βιώσιμες για τους ενδιαφερόμενους φορείς. Στον κατασκευαστικό τομέα και ιδιαίτερα στην παραγωγή δομικών υλικών, η τάση αυτή εκδηλώνεται κύρια με την μορφή της εκτενούς αξιοποίησης στερεών παραπροϊόντων, τα οποία μπορούν να αντικαταστήσουν μικρό ή/και μεγαλύτερο μέρος του συμβατικού τσιμέντου δεδομένου πως διαθέτουν ποζολανικές και, κατά είδος, λανθάνουσες υδραυλικές ιδιότητες. Είναι πλέον κοινή πεποίθηση πως η αειφόρος ανάπτυξη στον συγκεκριμένο τομέα μπορεί να προκύψει μόνο διαμέσου της εκτενούς εκμετάλλευσης ανάλογων υλικών, τα οποία όταν χρησιμοποιηθούν κατάλληλα, επιφέρουν όχι μόνο οικολογικά και οικονομικά αλλά και τεχνολογικά οφέλη. Στον Ελλαδικό χώρο, η κυριαρχία των ιπταμένων τεφρών προς αυτήν την κατεύθυνση είναι αναμφισβήτητη. Ως γνωστόν οι ιπτάμενες τέφρες (ΙΤ) αποτελούν το στερεό κατάλοιπο της καύσης των λιγνιτικών κοιτασμάτων, η οποία λαμβάνει χώρα στους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς (ΑΗΣ) της ΔΕΗ κατά την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Σε πρόσφατη έρευνα εκτιμήθηκε πως η ετήσια παραγωγή τεφρών, ιπταμένων (fly ash) και βάσης (bottom ash), στην Ελλάδα προσεγγίζει τους 11 εκ. τόννους, νούμερο εντυπωσιακό συγκρινόμενο με τα αντίστοιχα ανάλογων στερεών αποβλήτων (π.χ σκωρίες υψικαμίνου) με ανάλογες ιδιότητες και δυναμικό εκμετάλλευσης. Εκτός της μεγάλης διαθεσιμότητας της, αλλά και του ασυνήθιστα ακόμη χαμηλού κόστους της, η ιπτάμενη τέφρα συγκεντρώνει σωρεία και άλλων πλεονεκτημάτων αφού είναι διεθνώς το καλύτερα ποιοτικά ελεγχόμενο και δοκιμασμένο παραπροϊόν σε συστήματα δομικών υλικών (κατά κύριο λόγο τσιμέντου και σκυροδέματος). Ωστόσο, παρά τα καλά διατυπωμένα πλεονεκτήματα του εν λόγω υλικού, ο ρυθμός αξιοποίησης του παραμένει χαμηλός (περί το 10%), με το μεγαλύτερο μέρος αυτού να απορροφάται από την τσιμεντοβιομηχανία είτε ως συστατικό σύνθετων (ποζολανικών) τσιμέντων είτε ως πληρωτικό υλικό (filler). Παρά το γεγονός πως πρόθεση του παρόντος έργου δεν είναι να αποδώσει ευθύνες για τον φτωχό ρυθμό εκμετάλλευσης των τεφρών, πρέπει να σημειωθεί πως αυτός είναι αποτέλεσμα τόσο της έλλειψης ενός αναβαθμισμένου συστήματος ποιοτικού ελέγχου στην πηγή, όσο και της ατολμίας των ενδιαφερόμενων φορέων και κυρίως της παραγωγού ΔΕΗ να αναβαθμίσουν την αξία ενός πολύτιμου αποβλήτου διαμέσου μιας ολιστικής προσέγγισης διαχείρισης αυτού. Το πρόσφατα συνταχθέν Σχέδιο Εθνικών προδιαγραφών για την χρήση της ΙΤ στο (άοπλο προς το παρόν) σκυρόδεμα, αναμένεται να ενεργοποιήσει την εκτενέστερη αξιοποίηση του παραπροϊόντος, παραμένει ωστόσο επιτακτική η ανάγκη για εγκαθίδρυση ανάλογων σχημάτων αν αναλογιστούμε πως και η Ελληνική, μετά την παγκόσμια, ερευνητική κοινότητα έχει ασχοληθεί ενεργά την τελευταία εικοσαετία με το εν λόγω υλικό αναδεικνύοντας τα πολυδιάστατα οφέλη που μπορούν να συνδεθούν άρρηκτα με την χρήση του. Επιγραμματικά, η θετική συμβολή των ιπταμένων τεφρών στις κατασκευές, στηρίζεται στην ποζολανική τους δράση, στην τάση τους δηλαδή να αντιδρούν με το Ca(OH)2 που παράγεται κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου και να σχηματίσουν προϊόντα ενυδάτωσης αντίστοιχα με αυτά του κλίνκερ. Πλέον σημαντικό μέρος της σχετικής έρευνας στρέφεται στην ενδελεχή μελέτη του ρόλου των κρίσιμων εγγενών χαρακτηριστικών της ιπτάμενης τέφρας, ειδικά αυτών που καθορίζουν την δραστικότητα τους σε αλκαλικό περιβάλλον, όπως αυτό που δημιουργείται κατά την ανάμιξη του τσιμέντου με το νερό. Το κυρίαρχο ενεργό συστατικό της τέφρας είναι το δραστικό πυριτικό της κλάσμα, μέρος του συνολικού SiO2 της, που αποτελεί ουσιαστικά το μέρος της τέφρας που δύνανται να εκδηλώσει αντίδραση προς παραγωγή υδραυλικών ενώσεων ανάλογης φύσης και σύστασης με τω ν βασικών προϊόντων της ενυδάτωσης του τσιμέντου.