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.

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 appropriate 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 of the cement and construction industry. 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, it is concluded that the incorporation of new Supplementary Cementing Materials (SCM), as biomass ashes and especially Rice Husk Ash (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 (κυρίωςCO2 ), 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 κατάλληλων 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 τη 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. 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, προκύπτει το συμπέρασμα ότι η ενσωμάτωση νέων συμπληρωματικών υδραυλικών υλικών (SCM: Supplementary Cementing Materials), όπως οι τέφρες βιομάζας και ειδικά η τέφρα φλοιού ρυζιού (RHA: Rice Husk Ash), προσφέρει νέες προοπτικές για τη μείωση του περιβαλλοντικού κόστους σκυροδέματος.