xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Μηχανικές Iδιότητες Ένυδρων Ασβεστο-αργιλοπυριτικών Προϊόντων
από Ιπτάµενη Τέφρα
Π. Τζιώγας 1 , Γ. Καϊµακάµης 1 , Ι. Ιωάννου 2 , Σ. Αντωνίου 3 , Ι. Χαριτωνίδης 4 , Κ. Χαριτίδης 5 και Γ. Π. ∆ηµητρακόπουλος 1,*
1 Τµήµα Φυσικής, Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης
2 Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήµιο Κύπρου
3 Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Εργαστήριο Τριβολογίας, Ανώτατο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Πειραιά
4 Γενικό Τµήµα Θετικών Επιστηµών, Ανώτατο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Θεσσαλονίκης
5 Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
*gdim@auth.gr
Στην εργασία µελετήθηκαν οι µηχανικές ιδιότητες ένυδρων ασβεστο-αργιλοπυριτικών προϊόντων για δοµικές εφαρµογές, τα
οποία παρήχθησαν µε τη µέθοδο της αλκαλικής ενεργοποίησης της ιπτάµενης τέφρας (ΙΤ) του ενεργειακού σταθµού
Πτολεµαϊδας. H µέθοδος παρασκευής και ο µικροδοµικός χαρακτηρισµός παρουσιάζονται στο παρόν συνέδριο σε άλλη
ανακοίνωση. Έγιναν µετρήσεις του δυναµικού µέτρου ελαστικότητας, της θλιπτικής αντοχής, και των τριβολογικών
χαρακτηριστικών των προϊόντων. Προσδιορίσθηκαν οι συνθήκες ανάπτυξης του υλικού για την επίτευξη βέλτιστων
µηχανικών ιδιοτήτων και συσχετίσθηκαν µε τη µικροδοµή διαµέσου παρατηρήσεων ηλεκτρονικής µικροσκοπίας.
Επιτεύχθηκε βέλτιστη θλιπτική αντοχή ~60 ΜPa και δυναµική ακαµψία ~20 GPa, και προσδιορίσθηκε επίσης ο ρυθµός
ανάπτυξης της αντοχής. Παράλληλα επιτεύχθηκε ικανοποιητική αντοχή στη λειαντική φθορά συγκρίσιµη µε την αντίστοιχη
του τσιµέντου τύπου Πόρτλαντ.
Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ξηρή καύση λιγνίτη συνοδεύεται από την παραγωγή αποβλήτων από τα οποία
η ΙΤ είναι το σηµαντικότερο αφού παράγεται σε ιδιαίτερα µεγάλες ποσότητες. Πρόκειται για το κονιώδες υλικό πού
συλλέγεται στα ηλεκτροστατικά φίλτρα των ατµοηλεκτρικών σταθµών. Στο σύνολο της παραγόµενης τέφρας στους
θερµοηλεκτρικούς σταθµούς ενέργειας, η ΙΤ αποτελεί το 85-90% κ.β. Η ΙΤ χρησιµοποιείται στον κατασκευαστικό τοµέα π.χ.
σαν πρόσθετο υλικό του τσιµέντου. Όµως οι ποσότητες που µπορούν να εισαχθούν χωρίς µεταβολή των ιδιοτήτων του
τσιµέντου δεν ξεπερνούν το 20-30% ΙΤ περίπου [1,2]. Πλεονεκτήµατα της χρήσης ΙΤ για τη σύνθεση ενός κατασκευαστικού
υλικού που να αντικαθιστά το τσιµέντο είναι ότι απαιτείται σηµαντικά µικρότερη κατανάλωση ενέργειας, ενώ παράλληλα
αποφεύγεται η εναπόθεση της ΙΤ στο περιβάλλον. Στην παρούσα εργασία γίνεται διερεύνηση µηχανικών ιδιοτήτων
προϊόντων µε κύριο συστατικό την ΙΤ που παρήχθησαν µε ειδική κατεργασία τσιµεντοποίησης µε στόχο τη µαζική
αξιοποίηση της ΙΤ σε κατασκευαστικές εφαρµογές. Τσιµεντοειδή προϊόντα µεγάλης περιεκτικότητας σε ΙΤ (60-90% κ.β.)
παρήχθησαν µε µέθοδο αλκαλικής ενεργοποίησης υπό θέρµανση σε κορεσµένη ατµόσφαιρα υδρατµών (για λεπτοµέρειες επί
της διεργασίας ενεργοποίησης βλ. [3]). Η εφαρµοσθείσα κατεργασία είχε σαν αποτέλεσµα το σχηµατισµό στερεού σώµατος
διαµέσου της δηµιουργίας ασβεστο-αργιλοπυριτικής γέλης.
Στο Σχήµα 1 δίνονται µετρήσεις του δυναµικού µέτρου Young µε τη µέθοδο του συντονισµού υπερήχων [4]. Oι τιµές των
συχνοτήτων συντονισµού όλων των δειγµάτων που µετρήθηκαν παρουσίαζαν πολύ καλή επαναληψιµότητα. ∆ιακρίνεται ότι
τις υψηλότερες τιµές Ε εµφανίζουν τα δείγµατα µε 30% Ca(OH) 2 και για χρόνο σκλήρυνσης >8h. Η βελτίωση των ιδιοτήτων
είναι σε συµφωνία µε το µικροδοµικό χαρακτηρισµό που δείχνει τη δηµιουργία ασβεστο-αργιλοπυριτικής γέλης ιδιαίτερα
µετά τις 8h [3]. Για 40% Ca(OH) 2 δεν παρατηρήθηκε σηµαντική αύξηση του Ε. Αυτό µπορεί να αποδοθεί τόσο στην αύξηση
του πορώδους στο στερεοποιηµένο υλικό όσο και στο σχηµατισµό CaCO 3 λόγω της περίσσειας ασβεστίου. H συνάλεση των
κόνεων ΙΤ και Ca(OH) 2 βελτίωσε περαιτέρω τη µηχανική συµπεριφορά. Για τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 η µέγιστη τιµή του Ε
αυξήθηκε κατά ~5 GPa. Με δεδοµένο ότι οι τελικές αποκτώµενες αντοχές αυτών των µειγµάτων είναι αποτέλεσµα των
αντιδράσεων ενυδάτωσης και ποζολανικότητας, η άλεση βελτιώνει τη ρεολογική συµπεριφορά του µείγµατος, δηλαδή
πετυχαίνεται εκτενέστερη ενεργοποίηση της αντιδράσεων σκλήρυνσης. Η µείωση του πορώδους, ως συνέπεια της
συνάλεσης των κόνεων, ενισχύει µε τη σειρά της τις τελικές αντοχές του υλικού. Η συνάλεση είχε ως αποτέλεσµα την
αύξηση της πυκνότητας από ρ=~1.8 g/cm 3 σε ~2 g/cm 3 για τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 . Ανάλογες παρατηρήσεις έγιναν για το
µέτρο διάτµησης, G, και το λόγο Poisson, ν, όπου οι βέλτιστες τιµές που επιτεύχθηκαν ήταν ~8 GPa και 0.21 αντίστοιχα για
τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 .
Στο Σχήµα 2(α) δίνονται τα αποτελέσµατα των δοκιµών ανεµπόδιστης θλίψης για τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 .
Παρατηρείται ότι η θλιπτική αντοχή είναι σ=~60 ΜPa στις 24h δηλαδή ×~3 φορές ανώτερη της αντίστοιχης του τσιµέντου
Πόρτλαντ. Η ανάπτυξη τόσο της θλιπτικής αντοχής όσο και της ακαµψίας Ε µπορεί να περιγραφεί ικανοποιητικά µε
εκθετική συνάρτηση σε συµφωνία µε τη σχετική βιβλιογραφία [5]. Στο Σχήµα 2(β) δίνονται οι θλιπτικές αντοχές τριών
διαφορετικών συστάσεων για κοινό χρόνο σκλήρυνσης t=72h. Παρατηρείται ότι η σύσταση 30% Ca(OH) 2 δίνει και πάλι την
καλύτερη τιµή. Η ανάπτυξη της θλιπτικής αντοχής µπορεί να συσχετιστεί φαινοµενολογικά µε την αύξηση της ακαµψίας, Ε,
µε γραµµική σχέση.
Όπως αναφέρθηκε, τα προϊόντα που παρήχθησαν είναι υποψήφια υλικά για κατασκευαστικές εφαρµογές, οπότε κρίθηκε
αναγκαίο να µελετηθούν και τα τριβολογικά τους χαρακτηριστικά. Στο Σχήµα 3 φαίνεται η εξάρτηση του όγκου φθοράς και
της πυκνότητας συναρτήσει του χρόνου σκλήρυνσης, ενώ οι τιµές του όγκου φθοράς και του συντελεστή τριβής δίνονται
στον Πίνακα 1. Ο κύριος τύπος φθοράς που παρατηρήθηκε ήταν η λειαντική φθορά. Παρατηρείται βελτίωση της
συµπεριφοράς του υλικού µε την αύξηση του χρόνου σκλήρυνσης µε τις τελικές τιµές να είναι ικανοποιητικές σε σχέση µε
τις αντίστοιχες του τσιµέντου Πόρτλαντ.
Συνοψίζοντας, η δυνατότητα παραγωγής δοµικών υλικών από ασβεστούχα ΙΤ των µονάδων του ενεργειακού σταθµού
Πτολεµαΐδας, µέσα από τεχνολογίες χαµηλού κόστους, αποτελεί µια πολλά υποσχόµενη µέθοδο για την διαχειρισή του
226