Κατασκευή σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με την προσθήκη ανακυκλούμενων υλικών από απόβλητα κατεδάφισης κτιρίων και μελέτη μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων τους

Abstract

Polymer matrix composites (PMCs) are extensively used in numerous applications nowadays. The low cost, simple manufacturing techniques and the relatively good properties that these materials exhibit, have placed them in a dominating position in many technological and scientific aspects.Moreover PMCs are also characterized by significantly good heat insulation efficiencies in comparison to conventional materials. This is attributed to the low thermal conductivity coefficient of the polymer system that is usually used to form the PMCs’ matrix and has led to their wide utilization in many applications within the construction sector.During the last decades, researchers have focused on the development of materials with enhanced mechanical properties. The high costs of some reinforcing additives however, have driven scientific research into the consideration of alternative kinds of filling (embedding additives) materials in composites’ manufacturing.At the same time, environmental awareness issues created the circumstances under which byproducts of various human activities were reviewed and exploited as potential fillers in PMCs’ manufacturing. On the other hand, the issue concerning the treatment of byproducts deriving from construction, demolition, and renovation projects combined with the good thermo-mechanical characteristics of these materials, has intrigued the interest of scientists. A significant number of research papers in which holistic management strategic plans were introduced in order to optimize the recycling of construction and demolition (C&D) waste stream were published. Up until now however, many countries worldwide have been unable to meet the demands of environmental legislation and achieve the extremely high (in terms of quantities) targets set for the recycling of waste produced from the construction sector. As a result, environmentally harmful treatment methods such as landfilling and illegal dumping are still in use in the management of this specific waste stream.The high recovery potential of these materials, which at the moment remains unexploited, has focused the most recent research efforts on the development and study of new composite materials embedding construction and demolition wastes as filler in the form of micro-powder.The purpose of this dissertation is to investigate the possibility of manufacturing polymer matrix composite materials in which processed C&D waste of different granular sizes and % w/w proportions in form of powder are embedded as fillers, via the study of their mechanical and thermal characteristics.The degree of innovation of this research work is important considering that the introduction of C&D waste powder in thermoset polymers results in the production of materials with good mechanical and thermal insulating properties. In addition, through the manufacture of the above composite materials, an alternative and innovative way of exploiting the by-products of the construction sector is introduced, which are produced in very large quantities worldwide every year. In terms of processing and exploitation, the best scenario for the utilization of these materials, if not dumped in landfills or in illegal areas of uncontrolled disposal, is their recovery through the rehabilitation of quarries and the formation of substrates in rural road projects, mainly.The results of this study will lead to useful conclusions about the possibility of exploiting waste of similar type as fillers in the development of new construction materials such as marble mining and processing residues, concrete and cement industry waste, brick construction waste, etc.In the present study, thermosetting polymer composites of epoxy resin (ER), unsaturated polyester (UP), and novolac resin (N) embedding pulverized C&D waste in micro-scale sizes were developed using manufacturing techniques that have been described in previously mentioned studies. More specifically, composite materials of polymeric matrix were made by adding demolition waste (as a filler) with flexural strength values (σb) in the range between 20-60 MPa, shear strength (τb) with values between 1-8 MPa and thermal conductivity coefficients (λ), between 0.27-1.20 W /m K. The materials developed incorporate AKK in percentages of 30-50% by weight and in correspondence with the resin used as a matrix.Through Scanning Electron Microscopy (SEM) X-Ray Diffraction (XRD), the morphological characterization of these materials was performed and conclusions about the dispersion of the filling material in each of the three different polymeric matrices mentioned above were drawn. At the same time the identification of possible defective locations such as voids, bubbles, etc. in the resulting composites was also carried out.All the composites that were made and studied presented a brittle-type fracture. Besides that they were characterized by reduced bending and shear strengths compared to these of pure polymeric materials, as a consequence of the increase of the filling powder content in the composites.On the contrary, the thermal properties of these materials and in particular their thermal insulation performance was improved in comparison to the materials made of 100% resin, as a result of the increasing content of C&D waste filler in the composites.The results of the studies carried out indicate that these materials can be used as alternatives in various structural applications. Their low cost and easy curing process in combination with their adaptability to the conditions and requirements of many structural applications favors the composite materials of polymeric matrix with C&D waste as a reliable solution.

Τα σύνθετα πολυμερικής μήτρας (PMCs) χρησιμοποιούνται στην εποχή μας ευρέως, σε πολλές και ποικίλες εφαρμογές. Το ιδιαίτερα χαμηλό τους κόστος συγκριτικά με άλλα υλικά, οι απλές τεχνικές κατασκευής και οι σχετικά καλές ιδιότητες που παρουσιάζουν τα έχουν τοποθετήσει σε κυρίαρχη θέση σε πάρα πολλούς τεχνολογικούς και επιστημονικούς τομείς.Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό των σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας είναι και η αξιοσημείωτα καλή θερμομονωτική απόδοση που παρουσιάζουν σε σύγκριση με τα συμβατικά υλικά. Η ιδιότητά τους αυτή, αποδίδεται στον χαμηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του πολυμερούς συστήματος που χρησιμοποιείται αποτελώντας την μήτρα του τελικού συνθέτου και το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την εκτεταμένη χρήση τέτοιου τύπου προϊόντων σε πλήθος δομικών και κατασκευαστικών εφαρμογών.Τις τελευταίες δεκαετίες, η επιστημονική έρευνα έχει επικεντρωθεί στον σχεδιασμό και την ανάπτυξη υλικών που να παρουσιάζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Ωστόσο, τα υψηλά κόστη ορισμένων ενισχυτικών προσθέτων υλικών, οδήγησε τους ερευνητές στην μελέτη εναλλακτικής μορφής υλικών πλήρωσης στην κατασκευή σύνθετων υλικών.Ταυτόχρονα, τα ανακύπτοντα ζητήματα περιβαλλοντικής ευαισθητοποίησης κατέστησαν πρόσφορες τις συνθήκες υπό τις οποίες τα υποπροϊόντα αρκετών ανθρώπινων δραστηριοτήτων τέθηκαν υπό επανεξέταση και άρχισε να ερευνάται η εκμετάλλευση τους ως εν δυνάμει πληρωτικά συστατικά στην κατασκευή συνθέτων υλικών. Ειδικότερα δε σε ότι αφορά στο ζήτημα της επεξεργασίας των υποπροϊόντων του κατασκευαστικού τομέα και συγκεκριμένα των αποβλήτων κατεδάφισης και ανακαίνισης λαμβάνοντας υπόψη ότι πολλά εκ των συμπεριλαμβανομένων σε αυτά υλικά διαθέτουν καλές θερμομηχανικές ιδιότητες κίνησε το ενδιαφέρον των επιστημόνων.Σημαντικός αριθμός ερευνητικών εργασιών δημοσιεύτηκε. Σε αυτές παρουσιάστηκαν ολιστικές στρατηγικές και σχέδια διαχείρισης οι οποίες αποσκοπούσαν στη βελτιστοποίηση της ανακύκλωσης των απορριμμάτων κατασκευών και κατεδαφίσεων (AKK). Παρόλα αυτά έως και σήμερα πολλές χώρες παγκοσμίως δεν έχουν καταφέρει να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις της περιβαλλοντικής νομοθεσίας και να επιτύχουν τους εξαιρετικά υψηλούς στόχους που τίθενται σε ότι αφορά τις ποσότητες συλλογής και ανακύκλωσης της συγκεκριμένης κατηγορίας αποβλήτων. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω περιβαλλοντικά επιβλαβείς πρακτικές επεξεργασίας όπως, η υγειονομική ταφή και η παράνομη απόρριψη εξακολουθούν να εφαρμόζονται στο πλαίσιο διαχείρισης του ρεύματος των ΑΚΚ.Το υψηλό εν δυνάμει ποσοστό ανάκτησης των υλικών αυτών το οποίο επί του παρόντος παραμένει ανεκμετάλλευτο, έχει προσφάτως οδηγήσει αρκετές ερευνητικές προσπάθειες στην ανάπτυξη και μελέτη νέων σύνθετων υλικών στα οποία ως πληρωτικό υλικό ή μέσο ενίσχυσης εισάγονται απόβλητα κατασκευής και κατεδάφισης υπό τη μορφή σκόνης μικρό-κοκκομετρικού μεγέθους.Σκοπός της εν λόγω διατριβής είναι να διερευνήσει μέσω της μελέτης των μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων την δυνατότητα κατασκευής συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας στα οποία ως υλικό πλήρωσης χρησιμοποιούνται επεξεργασμένα απόβλητα που έχουν προκύψει από την κατεδάφιση κτισμάτων και ενσωματώνονται στην πολυμερική μήτρα σε μορφή σκόνης διαφορετικών κοκκομετριών και αναλογιών (% κ. β.). Ο βαθμός καινοτομίας αυτής της ερευνητικής εργασίας είναι σημαντικός λαμβάνοντας υπόψη ότι η εισαγωγή σκόνης ΑΚΚ σε θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή υλικών με καλές μηχανικές και θερμομονωτικές ιδιότητες. Πέραν αυτού, μέσω της κατασκευής των ανωτέρω σύνθετων υλικών, εισάγεται ένας εναλλακτικός και καινοτόμος τρόπος εκμετάλλευσης των παραπροϊόντων του κατασκευαστικού τομέα τα οποία παράγονται σε πολύ μεγάλες ποσότητες παγκοσμίως κάθε χρόνο. Σε ότι αφορά στην επεξεργασία και στην εκμετάλλευση, το βέλτιστο σενάριο ως προς την αξιοποίηση των υλικών αυτών, εάν δεν απορριφθούν σε χώρους υγειονομικής ταφής ή σε χώρους ανεξέλεγκτης διάθεσης, είναι η ανάκτησή τους μέσω της αποκατάστασης λατομείων και διαμόρφωσης υποστρωμάτων σε οδικά έργα αγροτικών κυρίως δρόμων. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης θα οδηγήσουν σε χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη δυνατότητα εκμετάλλευσης αποβλήτων παρόμοιου τύπου ως υλικά πλήρωσης στην ανάπτυξη νέων δομικών υλικών όπως για παράδειγμα τα υπολείμματα εξόρυξης και επεξεργασίας μαρμάρου, απορρίμματα βιομηχανίας σκυροδέματος και τσιμέντου, απόβλητα κατασκευής τούβλων κλπ. Για τους σκοπούς της διατριβής θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή σύνθετα υλικά εποξειδικής ρητίνης (ER), ακόρεστου πολυεστέρα (UP) και ρητίνης φαινόλης-φορμαλδεΰδης, κατηγορία νεολάκης (N) τα οποία εμπεριέχουν επεξεργασμένα ΑΚΚ σε μικρό-κοκκώδη μορφή αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας γνωστές τεχνικές κατασκευής. Αναλυτικότερα, κατασκευάστηκαν σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας με προσθήκη αποβλήτων κατεδάφισης (ως υλικό πλήρωσης) με τιμές αντοχής σε κάμψη (σb) στην περιοχή μεταξύ 20-60 MPa, αντοχή σε διάτμηση (τb) με τιμές μεταξύ 1-8 MPa και συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας (λ), μεταξύ 0.27-1.20 W/m K. Τα υλικά που αναπτύχθηκαν ενσωματώνουν ΑΚΚ σε ποσοστά από 30-50% κατά βάρος και σε αντιστοιχία με τη ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε ως μήτρα.Μέσω Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) και Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD) πραγματοποιήθηκε ο μορφολογικός χαρακτηρισμός των υλικών αυτών προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα ως προς τον βαθμό διασποράς του υλικού πλήρωσης σε κάθε μία από τις τρεις διαφορετικές πολυμερικές μήτρες που προαναφέρθηκαν. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε έλεγχος με σκοπό τον εντοπισμό τυχόν ελαττωματικών θέσεων ήτοι κενών, φυσαλίδων κλπ στα τελικά σύνθετα. Το σύνολο των υλικών που κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν επέδειξαν ψαθυρή θραύση και παράλληλα μειούμενες μηχανικές αντοχές σε κάμψη και διάτμηση σε σύγκριση με τα υλικά που κατασκευάστηκαν από καθαρή ρητίνη, γεγονός που επήλθε ως συνέπεια της αύξησης της περιεκτικότητας της σκόνης στα σύνθετα. Στον αντίποδα οι θερμικές ιδιότητες και ειδικότερα οι θερμομονωτική απόδοση των ανωτέρω συνθέτων υλικών παρουσίασε βελτίωση σε σχέση με τα υλικά που κατασκευάστηκαν αποκλειστικά από μια εκ των πολυμερικών ρητινών ως αποτέλεσμα της αυξανόμενης περιεκτικότητας σκόνης ΑΚΚ στα σύνθετα.Τα αποτελέσματα των μελετών που διεξήχθησαν υποδεικνύουν ότι τα εν λόγω υλικά μπορούν να αξιοποιηθούν εναλλακτικά σε ποικίλες εφαρμογές δομικού χαρακτήρα. Το χαμηλό κόστος, η ευκολία προετοιμασίας και τελικής μορφοποίησης τους σε συνδυασμό με την ευκολία προσαρμογής των υλικών αυτών στις συνθήκες και τις απαιτήσεις που διέπουν πολλές δομικές εφαρμογές προκρίνει τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας με προσθήκη ΑΚΚ ως αξιόπιστη λύση.