An integrated design process for durable concrete structures at the minimum environmental cost: application with the incorporation of rice husk ash

Abstract

The construction industry is the largest consumer of materials in our society. Approximately 40% of all materials used are related to this section of the industry. Equivalent is the impact of the sector’s activities to the environment in terms of non-renewable energy sources (grey energy), gas emissions (mainly CO₂), solid waste, etc. With concrete being the most widely used construction material (second only to water in total volumes consumed annually by society) and cement being the essential “glue” in concrete, emphasis should be placed on investigating and enforcing ways, methodologies and policies, to make cement manufacturing and the construction industry in general a more environmental friendly sector. At the same time, by considering, at one hand the significant amount of research and breakthroughs achieved on structural materials and design, as well as the level of sophistication of the modern European Standards and structural codes, and on the other hand, the increasing cases of premature deterioration of concrete structures, particular emphasis should also be placed on safeguarding the service life of reinforced concrete structures (in addition to tackling their environmental burden). That is why it is very important to introduce the sustainable way of thinking and the concept of industrial ecology on the preliminary design stages of a structure, on the material selection process and on the service life estimation stage, in achieving a robust durable reinforced concrete (RC) structure (for a given service life) with the minimum environmental burden. ► Thus, the main objective of the present Thesis is to focus on identifying and quantifying a structured framework of the appropriate methodologies in formulating an Integrated Design Process (IDP) for the design of durable and sustainable structures at the minimum environmental and economical cost (without compromising issues of structural safety) and also in identifying and demonstrating ways of industrial ecology for the sustainable development ofthe cement and construction industry. A significant step forward for a thorough durability design process of reinforced concrete structures is the development of software packages, based on predictive models, for the estimation of concrete strength and service life. Such an attempt, in full compliance with the European Standards for cement and concrete, is presented in Chapter 2. Upon defining the concrete mix design, the software calculates the main chemical and volumetric characteristics, as well as the compressive strength, of concrete. By taking into account the environmental conditions where the structure will be exposed, concrete service life is predicted, using fundamental mathematical models (based on reaction engineering principles) that simulate the reinforced concrete deterioration mechanisms leading to corrosion of the embedded reinforcement (caused by either carbonation or chloride ingress). A validation process of the yielded results is also presented, and the effectiveness of the simulation tool in designing for durability is illustrated. The goal of this study is to promote wider acceptance in achieving feasible and durable solutions to structural concrete design problems. Considering the well-known environmental issues of cement manufacturing (direct and indirect levels of CO₂ emissions), clinker replacement by supplementary cementing materials (SCM) can be a very promising first step in reducing considerably the associated emissions. However, such a reduction is possible up to a particular level of SCM utilization, influenced by the rate of its pozzolanic reaction. In Chapter 3, a (4-step) structured methodology is proposed in order to be able to further adjust the concrete mix design of a particular SCM, in achieving additional reduction of the associated levels of CO₂ emissions and being at the same time accepted from a derived concrete strength and service life point of view. On this note, the aim of this study is twofold. To evaluate the environmental contribution of each concrete component and to provide the best possible mix design configuration, balanced between the principles of sustainability (low environmental cost) and durability (accepted concrete strength and service life). It was proved that such a balance can be achieved by utilising SCM by-products in the concrete mix, reducing in this way the fixed environmental emissions without compromising the long-term safety and durability of the structure. Utilization of biomass ash from agro-industrial by-products (containing large amounts of silica in amorphous form) in cement manufacturing and/or concrete production can be an alternative solution to the incorporation of the traditionally used supplementary cementing materials (SCM). An evaluation of biomass ashes, identified in the literature, with varying SiO₂ contents in terms of concrete strength and performance in chloride exposure is the focus of Chapter 4. Results indicate that these materials are effective on concrete strength development and extremely efficient in reducing the concrete permeability. The dependency of this behavior on the level of SiO₂ of the ash content was examined in depth and was concluded that it is affected by the composition of other components of the biomass ash. Main objective of Chapter 5 is to identify the detailed economical outcome for rice hush ash (RHA) valorization technique as a pozzolanic material and main biomass ash. A techno-economical analysis of producing advanced and high-added value material from RHA is presented. The study was elaborated in the framework of pilot production in a Greek rice industry. The importance of the issues examined is further enhanced by the emphasis given nowadays on adaptation of energy and emissions reducing solutions by the construction industry. Utilization of supplementary cementing materials (SCM) in concrete design, such as RHA, should be a very promising first step in reducing considerably the associated materials environmental footprint. In contrast to common approach – that often involves extensive pre-grinding - the utilization potential of RHA as an SCM, in its untreated form was further examined. This is to meet industry’s increasing awareness for lower embodied energy cement and concrete. Given the availability of current raw materials in cement manufacturing, what is needed is to be able to achieve an optimum approach, between sustainability and durability when designing concrete structures. Under this frame, as produced RHAs (D50 of approx. 70 microns) were examined with respect to their inherent characteristics and their impact on the performance of cement-based mortars. Strength, hydration and durability properties were considered. Untreated RHA exhibits moderate pozzolanicity and a low efficiency factor of approximately 0.5-0.6. Its very high chemical reactivity (active silica ratio of approx. 90%) cannot be exploited since the lack of adequate specific surface slows down its engagement in hydration reactions. Taking into consideration their untreated nature, it can be supported that they exhibit an acceptable strength potential after 28 days, complying - even marginally - with the strength class (42.5) of the used cement. Durability results revealed that there is no need to pre-treat RHA in order to achieve equal or even better performance than mortar with plain cement in terms of sorptivity (50% increase for 15% RHA usage) and resistivity. Untreated RHA however fails - as most SCMs do - to improve carbonation resistance since for a 15% cement replacement, carbonation depth was almost doubled. Overall, results indicate that usage of untreated RHA in cement-based systems is an alternative to decrease their carbon profile, as long as cement replacement is kept relatively low (below 15%). The internationally acclaimed efforts to reduce man-made CO₂ emissions require a more rigorous approach to be adopted by the construction industry. Given the need to provide a durable solution that guarantees a minimum service life, on a common reinforced concrete structure, the issue of sustainable durability design is of paramount importance. Bearing in mind that the major source of emission of gasses in concrete manufacturing arise from the clinker production process, during cement manufacturing several means of reducing the environmental footprint have been suggested, as incorporation of cement replacement materials. The present Thesis contributes to the evaluation of the environmental cost of each component of concrete and to provide the best possible mix design configuration (by means of a holistic analytical software tool) in terms of low environmental cost, as well as, to assess this proposed configuration in terms of strength and durability requirements. Overall, it has to be emphasized that through the present Thesis a new indicator is proposed for design purposes: the environmental cost, which can be added to the existing strength, durability and economic cost indicators towards an integrated design optimization of concrete structures. Finally, the incorporation of new SCM, as biomass ashes and especially RHA, offers new perspectives for decreasing the environmental cost of constructions.

Η κατασκευαστική βιομηχανία αποτελεί τον μεγαλύτερο καταναλωτή υλικών στην κοινωνία μας. Περίπου το 40% όλων των υλικών που χρησιμοποιούνται σχετίζονται με αυτόν τον τομέα της βιομηχανίας. Αντίστοιχο αντίκτυπο έχουν και οι δραστηριότητες του τομέα στο περιβάλλον σε ότι αφορά τις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας («γκρίζα» ενέργεια), αέριες εκπομπές (κυρίως CO₂), στερεά απόβλητα, κλπ. Δεδομένου ότι το σκυρόδεμα αποτελεί το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό (δεύτερο μετά το νερό σε συνολικούς όγκους που καταναλώνονται ετησίως από την κοινωνία) και ότι το τσιμέντο είναι η απαραίτητη «κόλλα» στο σκυρόδεμα, έμφαση πρέπει να δοθεί στη διερεύνηση και επιβολή τρόπων, μεθοδολογιών και πολιτικών για τη μετατροπή της τσιμεντοβιομηχανίας και της κατασκευαστικής βιομηχανίας σε έναν γενικά περισσότερο περιβαλλοντικά φιλικό τομέα. Ταυτόχρονα, λαμβάνοντας υπόψη από τη μια μεριά τη σημαντική ποσότητα έρευνας και τα επιτεύγματα σχετικά με τα δομικά υλικά και τον σχεδιασμό, και επιπλέον το επίπεδο της επιτήδευσης των σύγχρονων Ευρωπαϊκών Προτύπων και κατασκευαστικών κανονισμών, και από την άλλη μεριά τις αυξανόμενες περιπτώσεις της πρώιμης φθοράς των κατασκευών από σκυρόδεμα, ιδιαίτερη έμφαση θα πρέπει να δοθεί στη διασφάλιση της διάρκειας ζωής των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος (σε συνδυασμό με την αντιμετώπιση της περιβαλλοντικής τους επιβάρυνσης). Για το λόγο αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντική η εισαγωγή του βιώσιμου τρόπου σκέψης και της έννοιας της βιομηχανικής οικολογίας στα προκαταρκτικά στάδια σχεδιασμού μιας κατασκευής, κατά την διαδικασία επιλογής υλικών και κατά το στάδιο εκτίμησης της διάρκειας ζωής, ώστε να επιτευχθεί μια εύρωστη, ανθεκτική κατασκευή οπλισμένου σκυροδέματος (για δεδομένη διάρκεια ζωής) με την ελάχιστη περιβαλλοντική επιβάρυνση. ► Συνεπώς, ο κύριος στόχος της παρούσας Διατριβής είναι να επικεντρωθεί στον εντοπισμό και ποσοτικοποίηση ενός δομημένου προτύπου κατάλληλων μεθοδολογιών για τον σχηματισμό μιας Ενοποιημένης Διαδικασίας Σχεδιασμού για τον σχεδιασμό ανθεκτικών και βιώσιμων κατασκευών με το ελάχιστο περιβαλλοντικό και οικονομικό κόστος (χωρίς συμβιβασμούς σε θέματα που άπτονται της κατασκευαστικής ασφάλειας) και επίσης για την αναγνώριση και επίδειξη τρόπων βιομηχανικής οικολογίας για την βιώσιμη ανάπτυξη της βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος. Ένα σημαντικό βήμα προς μια ολοκληρωμένη διαδικασία σχεδιασμού των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος, είναι η ανάπτυξη πακέτων λογισμικού, βασισμένα σε μοντέλα πρόβλεψης, για την εκτίμηση της αντοχής και της διάρκειας ζωής σκυροδέματος. Μια τέτοια προσπάθεια, σε πλήρη συμφωνία με τα Ευρωπαϊκά Πρότυπα για το τσιμέντο και το σκυρόδεμα, παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 2. Για τον καθορισμό του σχεδιασμού της σύνθεσης σκυροδέματος, το λογισμικό υπολογίζει τα κύρια χημικά και ογκομετρικά χαρακτηριστικά, καθώς και τη θλιπτική αντοχή σκυροδέματος. Λαμβάνοντας υπόψη τις περιβαλλοντικές συνθήκες όπου θα εκτίθεται η κατασκευή, γίνεται πρόβλεψη της διάρκειας ζωής σκυροδέματος, με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων (βασισμένα σε αρχές χημικής μηχανικής) τα οποία προσομοιώνουν τους μηχανισμούς φθοράς του οπλισμένου σκυροδέματος (που προκαλείται λόγω ενανθράκωσης ή επίθεσης χλωριόντων). Επίσης, παρουσιάζεται μια διαδικασία επικύρωσης των αποτελεσμάτων καθώς και η αποτελεσματικότητα του εργαλείου προσομοίωσης στο σχεδιασμό της ανθεκτικότητας. Στόχος της μελέτης αυτής είναι να προωθήσει την ευρύτερη αποδοχή της επίτευξης αποτελεσματικών και ανθεκτικών λύσεων για τα προβλήματα σχεδιασμού σκυροδέματος των κατασκευών. Λαμβάνοντας υπόψη τα γνωστά περιβαλλοντικά ζητήματα της βιομηχανίας τσιμέντου (άμεσες και έμμεσες εκπομπές CO₂), η αντικατάσταση κλίνκερ από συμπληρωματικά υδραυλικά υλικά (SCM) μπορεί να αποτελέσει ένα πολλά υποσχόμενο πρώτο βήμα για την σημαντική μείωση των σχετιζόμενων εκπομπών. Παρόλα αυτά, μια τέτοια μείωση είναι δυνατή έως ένα συγκεκριμένο επίπεδο χρήσης SCM, επηρεαζόμενο από το βαθμό της ποζολανικής του αντίδρασης. Στο Κεφάλαιο 3, προτείνεται μια (4-βημάτων) δομημένη μεθοδολογία ούτως ώστε να είναι δυνατή η περαιτέρω προσαρμογή της σύνθεσης μίγματος σκυροδέματος ενός συγκεκριμένου SCM, ώστε να επιτευχθείεπιπλέον μείωση των σχετιζόμενων εκπομπών CO₂ που ταυτόχρονα θα είναι αποδεκτή από άποψη προκύπτουσας αντοχής σκυροδέματος και διάρκειας ζωής. Κατ’ επέκταση, ο στόχος της εργασίας αυτής είναι διττός. Να αξιολογήσει τη περιβαλλοντική συνεισφορά κάθε συστατικού του σκυροδέματος και να παράσχει τη καλύτερη δυνατή σύνθεση μίγματος σκυροδέματος, ισορροπημένη μεταξύ των αρχών της βιωσιμότητας (χαμηλό περιβαλλοντικό κόστος) και ανθεκτικότητας (αποδεκτή αντοχή σκυροδέματος και διάρκεια ζωής). Αποδείχτηκε πως μια τέτοιου είδους ισορροπία είναι δυνατό να επιτευχθεί με την αξιοποίηση προϊόντων SCM στο μίγμα σκυροδέματος, μειώνοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο τις πάγιες περιβαλλοντικές εκπομπές χωρίς συμβιβασμούς για τη μακροπρόθεσμη ασφάλεια και την ανθεκτικότητα της κατασκευής. Η αξιοποίηση της τέφρας βιομάζας από αγρό-βιομηχανικά παραπροϊόντα (τα οποία περιέχουν μεγάλες ποσότητες άμορφου πυριτίου) στη παραγωγή τσιμέντου ή/και στη παραγωγή σκυροδέματος μπορεί να αποτελέσει μια εναλλακτική λύση της ενσωμάτωσης των παραδοσιακά χρησιμοποιούμενων συμπληρωματικών υδραυλικών υλικών (SCM). Μια αξιολόγηση των τεφρών βιομάζας, οι οποίες εντοπίζονται στη βιβλιογραφία, με διαφορετικό περιεχόμενο SiO₂, σε ότι αφορά την αντοχή σκυροδέματος και τη συμπεριφορά στην έκθεση χλωριόντων αποτελεί το επίκεντρο του Κεφαλαίου 4. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα υλικά αυτά είναι αποτελεσματικά ως προς την ανάπτυξη αντοχής σκυροδέματος και εξαιρετικά αποδοτικά στη μείωση της διαπερατότητας σκυροδέματος. Η εξάρτηση της συμπεριφοράς αυτής από το επίπεδο της περιεκτικότητας της τέφρας σε SiO₂ εξετάστηκε σε βάθος και εξήχθη το συμπέρασμα ότι αυτή επηρεάζεται από τη σύνθεση των άλλων συστατικών της τέφρας βιομάζας. Κύριος στόχος του Κεφαλαίου 5 είναι ο εντοπισμός του λεπτομερούς οικονομικού αποτελέσματος για την τεχνική αξιοποίησης της τέφρας φλοιού ρυζιού (RHA) ως ποζολανικού υλικού και κύριας τέφρας βιομάζας. Παρουσιάζεται μια τεχνοοικονομική ανάλυση της παραγωγής αναβαθμισμένου και υψηλής προστιθέμενης αξίας υλικού από RHA. Η μελέτη έγινε στο πλαίσιο της πιλοτικής παραγωγής σε μια Ελληνική βιομηχανία ρυζιού. Η σημασία των θεμάτων που εξετάστηκαν ενισχύεται περαιτέρω από την έμφαση η οποία δίνεται σήμερα στην υιοθέτηση λύσεων εξοικονόμησης ενέργειας και μείωσης των εκπομπών από την κατασκευαστική βιομηχανία. Η αξιοποίηση των συμπληρωματικών υδραυλικών υλικών (SCM) στο σχεδιασμό σκυροδέματος, όπως η RHA, μπορεί να αποτελέσει ένα πολλά υποσχόμενο πρώτο βήμα για τη σημαντική μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος που σχετίζεται με τα υλικά. Σε αντίθεση με την κοινή προσέγγιση - η οποία συχνά περιλαμβάνει εκτεταμένη άλεση - το δυναμικό αξιοποίησης της RHA ως SCM, εξετάστηκε περαιτέρω στην ανεπεξέργαστη μορφή της. Αυτό γίνεται ώστε να ικανοποιηθεί η αυξανόμενη ευαισθητοποίηση της βιομηχανίας για χαμηλότερη ενσωματωμένη ενέργεια τσιμέντου και σκυροδέματος. Δεδομένης της διαθεσιμότητας των υφιστάμενων πρώτων υλών στη παραγωγή τσιμέντου, αυτό που χρειάζεται είναι η επίτευξη μιας βέλτιστης προσέγγισης, μεταξύ βιωσιμότητας και ανθεκτικότητας, κατά τον σχεδιασμό κατασκευών σκυροδέματος. Σε αυτό το πλαίσιο, τέφρες φλοιού ρυζιού με την μορφή που παρήχθησαν, (μέση διάμετρος περίπου 70 μm) εξετάστηκαν ως προς τα εγγενή χαρακτηριστικά τους και την επίδραση τους στην απόδοση των κονιαμάτων με βάση το τσιμέντο. Ελήφθησαν υπόψη ιδιότητες αντοχής, ενυδάτωσης και ποζολανικότητας. Η ανεπεξέργαστη RHA έχει μέτρια ποζολανικότητα και ένα χαμηλό δείκτη αποδοτικότητας, περίπου 0.5-0.6. Η πολύ υψηλή της χημική αντιδραστικότητα (αναλογία ενεργού πυριτίου περίπου 90%) δεν μπορεί να αξιοποιηθεί δεδομένου ότι η έλλειψη επαρκούς ειδικής επιφάνειας επιβραδύνει την εμπλοκή της σε αντιδράσεις ενυδάτωσης. Λαμβάνοντας υπόψη την ανεπεξέργαστη φύση της, μπορεί να υποστηριχθεί πως επιδεικνύει ένα αποδεκτό δυναμικό αντοχής μετά από 28 ημέρες, οπότε συμμορφώνεται - έστω και οριακά - με την κατηγορία αντοχής του χρησιμοποιούμενου τσιμέντου. Τα αποτελέσματα ανθεκτικότητας αποκάλυψαν ότι δεν υπάρχει ανάγκη για προεπεξεργασία της RHA ώστε να επιτευχθεί ίση ή ακόμα καλύτερη συμπεριφορά από τα κονιάματα με απλό τσιμέντο σε ότι αφορά την απορροφητικότητα (50% αύξηση για 15% χρήση της RHA) και την αντίσταση. Η ανεπεξέργαστη RHA όμως αποτυγχάνει - όπως τα περισσότερα SCMs - να βελτιώσει την αντίσταση σε ενανθράκωση δεδομένου ότι για 15% αντικατάσταση του τσιμέντου, το βάθος ενανθράκωσης σχεδόν διπλασιάστηκε. Γενικά, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η αξιοποίηση της ανεπεξέργαστης RHA σε συστήματα με βάση το τσιμέντο αποτελεί μια εναλλακτικήλύση για την μείωση του βάθους ενανθράκωσης, με τη προϋπόθεση ότι η αντικατάσταση τσιμέντου διατηρείται σχετικά χαμηλά (κάτω από 15%). Οι διεθνούς διάστασης προσπάθειες για τη μείωση των ανθρωπογενών εκπομπών CO₂ απαιτούν την υιοθέτηση μιας πιο αυστηρής προσέγγισης από την κατασκευαστική βιομηχανία. Με δεδομένη την ανάγκη για την εξεύρεση βιώσιμης λύσης που θα εγγυάται μια ελάχιστη διάρκεια ζωής, σε μια κοινή κατασκευή οπλισμένου σκυροδέματος, το θέμα σχεδιασμού της βιώσιμης ανθεκτικότητας είναι υψίστης σημασίας. Λαμβάνοντας υπόψη πως η κύρια πηγή αέριων εκπομπών κατά τη παραγωγή σκυροδέματος προκύπτει από τη διαδικασία παραγωγής κλίνκερ, έχουν προταθεί αρκετοί τρόποι μείωσης του περιβαλλοντικού αποτυπώματος κατά τη παραγωγή τσιμέντου, όπως η ενσωμάτωση υλικών αντικατάστασης τσιμέντου. Η παρούσα Διατριβή συνεισφέρει στην αξιολόγηση του περιβαλλοντικού κόστους κάθε συστατικού του σκυροδέματος αλλά και στην παροχή ενός καλύτερου δυνατού σχεδιασμού σύνθεσης σκυροδέματος (μέσω ενός ολιστικού αναλυτικού λογισμικού) υπό όρους χαμηλού περιβαλλοντικού κόστους, καθώς και στο να αξιολογήσει την προτεινόμενη σύνθεση υπό όρους αντοχής και απαιτήσεων ανθεκτικότητας. Συνολικά, πρέπει να τονισθεί ότι στη παρούσα Διατριβή προτείνεται για πρώτη φορά ένας νέος δείκτης για σκοπούς σχεδιασμού: το περιβαλλοντικό κόστος, το οποίο μπορεί να προστεθεί στους υπάρχοντες δείκτες αντοχής, ανθεκτικότητας και οικονομικού κόστους προς μια ολοκληρωμένη αριστοποίηση σχεδιασμού κατασκευών από σκυρόδεμα. Τέλος, η ενσωμάτωση νέων SCM, όπως οι τέφρες βιομάζας και ειδικά η RHA, προσφέρει νέες προοπτικές για τη μείωση του περιβαλλοντικού κόστους σκυροδέματος.