- / -

Ο προσανατολισμός της ενεργειακής πολιτικής της χώρας μας προς την κατεύθυνση της κάλυψης των αναγκών με την καύση στερεών καυσίμων (λιγνίτης) έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή όλο και μεγαλύτερων ποσοτήτων παραπροιόντων αυτής της καύσης. Το σημαντικότερο παραπροιόν από την άποψη παραγωγής (13×106 τόννοι ετησίως ) της θερμικής διάσπασης των λιγνιτών, είναι η ιπτάμενη τέφρα, ενα κονιώδες υλικό πού συλλέγεται στα ηλεκτρόφιλτρα των ενεργειακών σταθμών της Μεγαλόπολης και της Δυτικής Μακεδονίας. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η αξιοποίηση της ιπτάμενης τέφρας Μεγαλόπολης στα δομικά υλικά όχι μόνο σαν ποζολανικό πρόσθετο (μέχρι 10%) αλλά σαν συστατική Α΄ ύλη σε μεγαλύτερα ποσοστά . Αυτή η προοπτική παρουσιάζει εξαιρετικά οικονομικά πλεονεκτήματα λόγω του χαμηλότερου κόστους παραγωγής αυτών των δομικών υλικών, αφ ενός μεν λόγω της φθηνότερης Α΄ ύλης, αφ ετέρου δε λόγω εξοικονόμησης ενέργειας ( άλεση, έψηση ) από την προσθήκη αυτής της Α΄ ύλης στό τελευταίο στάδιο της παραγωγής. Η έρευνα αρχικά περιλαμβάνει την ξεχωριστή μελέτη των δύο υλικών που αποτελούν τα συστατικά των προτεινομένων μιγμάτων (τεφροτσιμέντων), του τσιμέντου Portland και της ιπτάμενης τέφρας Μεγαλόπολης. Γίνεται μιά συστηματική και εκτενής αναφορά στην παραγωγή και την ενυδάτωση των τσιμέντων Portland ( κεφ 2), και στην συνέχεια αξιολογούνται οι μηχανισμοί ενυδάτωσης των τσιμέντων αυτών.(κεφ.3). Η αξιολόγηση των μηχανισμών της ενυδάτωσης οδήγησε στην διαμόρφωση της φαινομενολογικής σχέσης που συνδέει τα κύρια τεχνολογικά χαρακτηριστικά (κοκκομετρία, χρόνος ενυδάτωσης) του τσιμέντου, με τις αποκτώμενες τελικές αντοχές. Αυτή η φαινομενολογική σχέση επιβεβαιώθηκε πειραματικά για όλα τα τσιμέντα αναφοράς που χρησιμοποιήθηκαν στην έρευνα.(κεφ 3). Ακολούθησε η μελέτη των ιδιοτήτων και ο χαρακτηρισμός της ι.τ.Μ., και εξετάσθηκε κατά πόσον πληρεί τα βασικά κριτήρια καταλληλότητας ώστε να χρησιμοποιηθεί σαν συστατικό δομικών υδραυλικών κονιών. Η ι.τ.Μ., κατατάσσεται στα ποζολανικά υλικά και δεν αναμένεται να αναπτύξει αυτόνομα αντοχές σε αντίθεση με την ιπτάμενη τέφρα Πτολεμαίδος η οποία παρουσιάζει υδραυλικές ιδιότητες. Η έρευνα έδειξε επίσης ότι με άλεση, η ι.τ.Μ., ικανοποιεί τα κριτήρια καταλληλότητας για να χρησιμοποιηθεί σαν συστατικό υδραυλικών κονιών.( κεφ.4) Στην συνέχεια διερευνήθηκαν οι τεχνολογικές ιδιότητες των μιγμάτων τσιμέντου-ι.τ.Μ., σε σειρές δοκιμίων και δοκιμών, στις οποίες εξετάστηκαν : 5  η ποζολανική υποκατάσταση της θηραικής γης από την ι.τ.Μ.,  η επίδραση της προσθήκης της ι.τ.Μ στον περιεχόμενο αέρα ,  το ποσοστό υποκατάστασης του τσιμέντου από την ι.τ.Μ., και οι τελικές αντοχές.  η επίδραση της προσθήκης της ι.τ.Μ στις μακροχρόνιες αντοχές,  οι επιπτώσεις του είδους της άλεσης (συνάλεση, ξεχωριστηάλεση), στίς ιδιότητες των υλικών με ι.τ.Μ. ,  η επίπτωση της άλεσης στην σύσταση των κοκκομετρικών κλασμάτων των μιγμάτων με ι.τ.Μ., και η επί μέρους συμβολή αυτών των κλασμάτων στις αποκτώμενες αντοχές, και  η επίδραση της προσθήκης της ι.τ.Μ στην ρεολογική συμπεριφορά των νέων υλικών. Από τα αποτελέσματα των παραπάνω διαπιστώθηκαν πολύ καλές τεχνολογικές ιδιότητες των μιγμάτων με ι.τ.Μ ακόμα και υψηλά ποσοστά προσθήκης, Ταυτόχρονα όμως εμφανίσθηκε ένας επικίνδυνος «ανταγωνισμός» μεταξύ των σημαντικότερων τεχνολογικών ιδιοτήτων των νέων υλικών, της εργασιμότητας και των τελικών αντοχών. Ο ανταγωνισμός αυτός συνίσταται στο ότι η βελτίωση της εργασιμότητας (αυξηση λόγου w/c), μειώνει τις τελικές αντοχές. Η προώθηση της άλεσης της ι.τ.Μ και η παράλληλα μικρή προώθηση της άλεσης του τσιμέντου των μιγμάτων αντιμετωπίζει αυτόν τον ανταγωνισμό. Η πειραματική επιβεβαίωση αυτής της βέλτιστης λύσης πραγματοποιήθηκε με πολυπαραμετρική ανάλυση.( κεφ.5). Στα πλαίσια της αναζήτησης μιας εξήγησης της καλής συμπεριφοράς των μιγμάτων με ι.τ.Μ, εφαρμόσθηκε το φαινομενολογικό μοντέλο που συνδέει την κοκκομετρία του υλικού, τον χρόνο ενυδάτωσης και τις αποκτώμενες τελικές αντοχές . Από τις σχέσεις που προκύπτουν γίνεται φανερό ότι η ι.τ.Μ, ενώ μειώνει τις αντοχές σε χαμηλά ποσοστά ενυδάτωσης (πρώιμη ενυδάτωση), συμβάλλει αποφασιστικά στην απόκτηση αντοχών στην ύστερη ενυδάτωση. Η έρευνα της συμπεριφοράς της ι.τ.Μ, σχετικά με τα ιόντα Ca+2 τα οποία παίζουν καθοριστικό ρόλο στις αντοχές των τσιμέντων, έδειξε ότι η παρουσία της ι.τ.Μ. στα μίγματα, οδηγεί σε μεγαλύτερα ποσοστά αξιοποίησης του περιεχόμενου Ca στο τσιμέντο, με αποτέλεσμα την διατήρηση πολύ υψηλών αντοχών (κεφ.6). Τα προτεινόμενα αυτά δομικά υλικά παρουσιάζουν επιπλέον αυξημένη μακροχρόνια αντίσταση στήν προσβολή του σκυροδέματος από διαβρωτικά ιόντα Mg+2, SO4 -2 , γεγονός που συνηγορεί στην χρήση των υλικών αυτών σαν τσιμέντα ειδικού τύπου για κατασκευές οι οποίες ερχονται σε επαφή με υδατικό περιβάλλον που περιέχει τέτοια ιόντα (γέφυρες, λιμάνια, σήραγγες, φράγματα.) (κεφ.7.2). 6 Επι πλέον διαπιστώθηκε ότι ενώ η τάση γιά οξείδωση του σιδηροπλισμού παρουσιάζεται αυξημένη όσο αυξάνεται το ποσοστό προσθήκης της ι.τ.Μ. στα μίγματα, δεν επιβεβαιώθηκε πειραματικά αυξημένη οξείδωση σε δοκίμια μετα από 8 χρόνια. Πιθανότερη εξήγηση αυτής της συμπεριφοράς των μιγμάτων είναι ότι η μείωση της αλκαλικής προστασίας του σιδηροπλισμού από την προσθήκη της όξινης ι.τ.Μ., αντισταθμίζεται από την αύξηση της στεγανοποίησης του σκυροδέματος με ι.τ.Μ.(κεφ 7.3) Τελικό αποτέλεσμα αυτής της έρευνας είναι ότι η προσθήκη έως και 30% ι.τ.Μ., με κατάλληλη προετοιμασία, σε μίγματα με τσιμέντο, δημιουργεί νέα δομικά υλικά με βελτιωμένες τεχνολογικές ιδιότητες. Αυτή η αξιοποίηση της ι.τ.Μ, θα αυξήσει σοβαρά τα ήδη υπάρχοντα οικονομικά ωφέλη για την τσιμεντοβιομηχανία και για την Δ.Ε.Η., ενώ με την απορρόφηση της ι.τ.Μ, θα συμβάλλει στην προστασία του περιβάλλοντος και θα εξοικονομήσει πόρους από την μείωση της εξόρυξης Α΄ υλών από την τσιμεντοβιομηχανία.(κεφ.8). / The Greek energy policy is orientated towards the coverage of the electricity requirements by the combustion of solid fuels (lignite), which results in the production of high amounts of byproducts. The most important byproduct (13 x 106 t/y) of the lignite thermal decomposition is the fly ash, a fine material, which is collected in the electrostatic filters of the Public Power Corporation power plants in Megalopoli (Peloponnese) and Ptolemais (West Macedonia). The objective of the present thesis is the utilization of Megalopoli’s fly ash in construction materials production, not only as pozzolanic additive (up to 10%) but also as a raw material with addition up to 30%. This perspective is of significant economical benefits because of the lower production cost of the building materials, due to the utilization of cheaper raw material (fly ash) and energy savings (grinding, firing), since fly ash is added in the last stage of the cement production process. The investigation initially consists of the separate study of the two materials, Portland cement and Megalopoli’s fly ash, which comprise the components of the proposed mixtures (fly ash –cements). The production and hydration process of Portland cements (Chapt.2) and the consequent evaluation of the hydration mechanisms (Chapt.3) are thoroughly stated. The evaluation of the hydration mechanisms led to the formation of a phenomenological relationship, which associates the main technological features of cement (grain size, hydration time) with the final compressive strengths. This relationship was experimentally validated for all the reference cements used in this study (Chapt.3). The study of M.F.A’s properties and its characterization were performed in order to control its compatibility to the requirements for utilization as component in the production of hydraulic cements. M.F.A is a pozzolanic material and it is not expected to develop autonomous strengths in contradiction to Ptolemais fly ash, which has hydraulic properties. The investigation showed that blended M.F.A confronts to the requirements of its utilization as component for the production of blended cements (Chapt.4). The technological properties of Portland cement-M.F.A. mixtures were investigated in series of tests and specimens in which the following features were studied:  The pozzolanic substitution of Santorini’s earth by fly ash  The influence of M. F. A. addition in the porosity  The substitution percentage of cement by fly ash and the final compressive strengths  The influence of the addition in the long-term strengths. 8  The effect of different kind of grinding (co-grinding, separate grinding) on the technological properties of the mixtures.  The effect of grinding on the composition of the grain size fractions of the mixtures with M.F.A as well as the contribution of these fractions in the compressive strengths.  The influence of M.F.A. addition in the viscisity of the new materials. The improved technological properties of the mixtures with M.F.A even with high amounts of addition were established. However, the alteration of the mixtures workability in relation to the M.F.A. percentage addition reduces the final compressive strengths. The grinding propagation of M.F.A and cement presents an optimum value of the mixtures workability and the compressive strengths. This was the result of an experimental multi-parameter analysis. The phenomenological relationship, which expresses a linear equation between grain size distribution, time of hydration and compressive strengths in cements was applied in the mixtures with M.F.A. All mixtures seem to have similar behavior with two “hardening” periods and M.F.A. contributes to the compressive strengths in the second period. The behavior of M.F.A. in solution with Ca++, gives an explanation of the mixtures with high compressive strengths, because of the activated Ca++ of cement in MFA (Chapt.6). These novel building materials increase the resistance of the concrete in Mg++ and SO4 - attack and thus are suitable for constructions, which are in contact with the aquatic environment. Moreover, it was detected that although the trend for oxidation of the steel in the armed concrete increases with the M.F.A. addition percentage in the mixtures, increase of oxidation was not experimentally noticed in specimens after 8 years. This behavior is explained by the fact that the reduction of the alkali protection of the steel from the addition of fly ash is balanced by the increase of the concrete’s sealing with M.F.A. (Chap. 7.3). Final coclusion of this investigation is that the addition up to 30% of M.F.A. properly prepared, in mixtures with cement, results in new building materials with improved technological properties. This utilization of M.F.A. will increase significantly the existing severe economical drawbacks for the cement industry and P.P.C., while the absorption of M.F.A. will contribute to the protection of the environment and to the conservation of natural resources from the reduction of the raw materials extraction by cement industry.