Αξιοποίηση καολινών στην τεχνολογία σκυροδέματος

Abstract

The subject of this dissertation is the Exploitation of Kaolins in Concrete Technology. Kaolinite, the main mineral in kaolin, is transformed, after thermal treatment, in metakaolinite, a material with a remarkable pozzolanic reactivity. The target of this work is the exploitation of Hellenic poor kaolinitic deposits for the production of metakaolin and its use for the production of high performance concrete. The dissertation comprises three well defined stages. Thorough study of the kaolin thermal treatment and the reactivity of the produced metakaolin. This stage includes i) the selection and full characterization of Hellenic kaolins having different chemical and mineralogical composition, ii) the optimization of thermal treatment as far as time, temperature and fineness are concerned, iii) the investigation of the relation between the kaolin's structure and the reactivity of the produced metakaolin and iv) the study of the pozzolanic reaction of metakaolin. As it is concluded the crystallinity of kaolinite and especially the degree of its crystallinity, affects the reactivity of the produced metakaolin, while the chemical composition of kaolin affects the kind of the hydration products. The thermal treatment of kaolin at 650 °C for 3 hours is recommended for the Hellenic kaolins. Preparation of blended metakaolin cements and determination of characteristic mechanical and physical properties. In this stage the metakaolins were prepared, under the previously defined conditions, superfine metakaolins were produced, in a special grinding device, and blended cements, with the incorporation of 10% and 20% metakaolin, were prepared. After the measurement of their properties, it was concluded that the incorporation of 20% metakaolin improves the mechanical properties of cements. Use of metakaolin for concrete production. In this stage concrete, having a varying content of a Hellenic and a commercial metakaolin, was prepared and the properties of fresh and hardened concrete were measured. The quality of the concrete and its specification as high performance concrete were evaluated on the basis of special durability tests. As it was concluded the incorporation of metakaolin in the concrete improves the durability of the concrete and leads to the production of high performance concrete. Based on the above remarks, it is generally concluded that Hellenic kaolins of low purity can be transformed after proper thermal treatment, in highly reactive metakaolins. Their reactivity is fully competitive with the reactivity of commercial products of high purity. The concrete, incorporating Hellenic metakaolins, is high performance concrete and meets the contemporary demands for structural materials of high quality and specific requirements.

Το θέμα της διδακτορικής διατριβής είναι η Αξιοποίηση Καολινών στην Τεχνολογία Σκυροδέματος. Ο καολινίτης, το κύριο ορυκτολογικό συστατικό του καολίνη, μετατρέπεται κατά τη διάρκεια θερμικής επεξεργασίας σε μετακαολινίτη, υλικό με αξιόλογη ποζολανική δραστικότητα. Στόχος της εργασίας είναι η αξιοποίηση Ελληνικών καολινιτικών κοιτασμάτων φτωχών σε καολινίτη για την παραγωγή μετακαολίνη και η χρήση του μετακαολίνη αυτού στην παραγωγή σκυροδέματος υψηλής απόδοσης (high performance concrete). Η εργασία περιλαμβάνει 3 διακριτά στάδια: Επιστημονική εμβάθυνση στη διεργασία της θερμικής μετατροπής του καολίνη και στη δραστικότητα του παραγόμενου μετακαολίνη. Το στάδιο αυτό περιλαμβάνει i) την επιλογή και τον πλήρη χαρακτηρισμό Ελληνικών καολινών με διαφορετική χημική και ορυκτολογική σύσταση, ii) την αριστοποίηση της θερμικής κατεργασίας του καολίνη μέσω της μελέτης της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων (χρόνος, θερμοκρασία, κοκκομετρία), iii) τη διερεύνηση της σχέσης "δομής του καολινίτη" και "δραστικότητας" του αντίστοιχου μετακαολινίτη και iv) τη μελέτη της ποζολανικής αντίδρασης του μετακαολίνη. Όπως προέκυψε, η κρυσταλλικότητα του καολινίτη και ιδιαίτερα ο βαθμός κρυσταλλικότητας του, επηρεάζει τη δραστικότητα του παραγόμενου μετακαολινίτη, ενώ η χημική σύσταση του καολίνη επιδρά στο είδος των προϊόντων ενυδάτωσης. Η θερμική επεξεργασία των καολινών σε θερμοκρασία 650°C επί 3h θεωρείται η πιο ενδεδειγμένη για τους Ελληνικούς καολίνες. Παρασκευή συνθέτων τσιμέντων με συμμετοχή μετακαολίνη και μέτρηση χαρακτηριστικών μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων. Στο στάδιο αυτό παρασκευάσθηκαν οι αντίστοιχοι μετακαολίνες στις ήδη καθορισμένες βέλτιστες συνθήκες, πραγματοποιήθηκε η άλεση τους σε ειδική διάταξη, με στόχο την παραγωγή υπέρλεπτου μετακαολίνη και παρασκευάστηκαν σύνθετα τσιμέντα με περιεκτικότητα 10% και 20% σε μετακαολίνη, όπου μετρήθηκαν μηχανικές (αντοχές θλίψης διαφόρων ηλικιών) και χαρακτηριστικές φυσικές ιδιότητες (απαίτηση σε νερό, χρόνος πήξης). Όπως προέκυψε τα σύνθετα τσιμέντα με μετακαολίνη έως 20% παρουσιάζουν σαφέστατα βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με το αμιγές τσιμέντο. Χρήση του μετακαολίνη στην παραγωγή σκυροδέματος. Στο στάδιο αυτό έγινε παρασκευή σκυροδέματος με τη συμμετοχή διαφόρων ποσοστών ενός Ελληνικού και ενός εμπορικού μετακαολίνη και μετρήθηκαν χαρακτηριστικές ιδιότητες του νωπού και του σκληρυμένου σκυροδέματος. Η ποιότητα του σκυροδέματος και ο χαρακτηρισμός του ως υψηλής απόδοσης αξιολογήθηκε με βάση ειδικές δοκιμές (διαπερατότητα CI-, διαπερατότητα σε αέρα, υδατοαπορροφητικότητα, πορώδες, κατανομή πόρων). Όπως προέκυψε η χρήση του μετακαολίνη οδηγεί στην παραγωγή σκυροδέματος υψηλής απόδοσης, αφού όλες οι ιδιότητες που διαμορφώνουν την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος παρουσιάζουν σαφή βελτίωση. Με βάση τα παραπάνω προκύπτει ότι Ελληνικοί καολίνες χαμηλής περιεκτικότητας σε καολινίτη, μετατρέπονται μετά από κατάλληλη επεξεργασία, σε μετακαολίνες με δραστικότητα απόλυτα ανταγωνιστική της δραστικότητας εμπορικών μετακαολινών υψηλής καθαρότητας. Το σκυρόδεμα που περιέχει Ελληνικούς μετακαολίνες είναι υψηλής απόδοσης και ανταποκρίνεται πλήρως στις απαιτήσεις της σύγχρονης εποχής για δομικά υλικά συγκεκριμένων προδιαγραφών και υψηλής ποιότητας.