Δυνατότητα γεωπολυμερισμού αποβλήτων από εκσκαφές, κατασκευές και κατεδαφίσεις (ΑΕΚΚ)

Abstract

Τα απόβλητα από εκσκαφές, κατασκευές και κατεδαφίσεις (ΑΕΚΚ) αποτελούν ένα από τα μεγαλύτερα σε όγκο ρεύματα αποβλήτων. Η διαχείριση των αποβλήτων αυτών, με σκοπό να μην καταλήγουν σε ανεξέλεγκτους χώρους διάθεσης προκαλώντας αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις όπως είναι η ρύπανση του εδάφους, των υδροφόρων οριζόντων, της ατμόσφαιρας και η αισθητική υποβάθμιση της περιοχής, αποτελεί σημαντική πρόκληση τα τελευταία χρόνια. Ο γεωπολυμερισμός θεωρείται ως μια εξαιρετικά υποσχόμενη τεχνολογία αξιοποίησης αποβλήτων και τα τελευταία χρόνια αναπτύσσεται σε εργαστηριακή και πιλοτική κλίμακα με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση των αποβλήτων. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η διαχείριση και αξιοποίηση των ΑΕΚΚ μέσω της τεχνολογίας του γεωπολυμερισμού, καθώς και η συνδιαχείρισή τους με άλλα απόβλητα και παραπροϊόντα. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν σκυρόδεμα, τούβλα και πλακάκια τα οποία συλλέχθηκαν από κατεδαφισμένες οικοδομές και διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων παραγόντων, όπως το είδος και η συγκέντρωση του διαλύματος ενεργοποίησης, η ορυκτολογία και η κοκκομετρία των πρώτων υλών, η θερμοκρασία θέρμανσης και η περίοδος γήρανσης, στην αντοχή των γεωπολυμερών σε θλίψη. Επίσης, διερευνήθηκε η δυνατότητα συνδιαχείρισης των υλικών των ΑΕΚΚ με βιομηχανικά παραπροϊόντα όπως η σκωρία σιδηρονικελίου, η ερυθρά ιλύς και η ιπτάμενη τέφρα καθώς και η επίδραση της προσθήκης διαφόρων άλλων υλικών, όπως το εμπορικό γυαλί και η χαλαζιακή άμμος στην αντοχή των γεωπολυμερών σε θλίψη, με στόχο την αξιοποίηση και επαναχρησιμοποίησή τους. Για τη σύνθεση των γεωπολυμερών οι στερεές πρώτες ύλες αναμίχθηκαν με το διάλυμα ενεργοποίησης (pellets ΚΟΗ ή NaOH, απιονισμένο νερό και διάλυμα Na2SiO3) και μετά από συνεχή μηχανική ανάδευση, ο πολφός χυτεύτηκε σε κυβικές μήτρες ώστε να προκύψουν γεωπολυμερή σε διάφορες συνθήκες σύνθεσης (θέρμανση στους 60-90 οC, συγκέντρωση ΚΟΗ ή NaOH 8-14 Μ), τα οποία υποβλήθηκαν σε δοκιμές μονοαξονικής θλίψης. Για τον προσδιορισμό της ανθεκτικότητας των γεωπολυμερών από ΑΕΚΚ, τα δοκίμια που παρασκευάστηκαν στις βέλτιστες συνθήκες υποβλήθηκαν σε δοκιμές θέρμανσης σε υψηλές θερμοκρασίες έως 800 °C. Επιπλέον μελετήθηκε η γεωχημική σταθερότητα των γεωπολυμερών μετά από εμβάπτισή τους σε διάλυμα απιονισμένου και θαλασσινού νερού για χρονικό διάστημα έως 3 μήνες και η ανθεκτικότητά τους σε εναλλασσόμενους κύκλους ψύξης - θέρμανσης μεταξύ -15 και 60 οC. Από τα υλικά των ΑΕΚΚ που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, τα τούβλα και τα πλακάκια γεωπολυμερίζονται επιτυχώς αποκτώντας υψηλές τιμές αντοχής σε θλίψη που φτάνουν τα 49,5 και 57,8 MPa, αντίστοιχα. Τα γεωπολυμερή από σκυρόδεμα απέκτησαν εμφανώς χαμηλότερες αντοχές σε θλίψη που δεν ξεπέρασαν σε καμία περίπτωση τα 14 MPa. Οι τεχνικές περίθλασης ακτίνων - X (XRD), υπέρυθρης φασματοσκοπίας (FTIR), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και θερμοβαρυτομετρική ανάλυση (TG) παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τη μορφολογία και τη μικροδομή των παραγόμενων γεωπολυμερών. Η ομοιόμορφη γεωπολυμερική δομή αποδεικνύεται ότι σχετίζεται με τις υψηλές αντοχές σε θλίψη.

Construction and demolition waste (CDW) is one of the largest volume waste streams. The management of such waste, in order not to avoid land disposal causing negative environmental impacts, such as cotamination of the soil and atmosphere and aesthetic degradation of the region, is a major challenge in recent years. Geopolymerization is an attractive, simple and alternative method of effective management of CDW for the production of high value-added components. The present master thesis aims to investigate the geopolymerization potential of construction and demolition waste. The effect of various factors, such as the molarity of the alkaline activating solution, the curing temperature, the ageing period and the particle size of the raw materials on the compressive strength of the final products is studied. The co-geopolymerization of CDW and various by-products and wastes, such as slag, fly ash and red mud and other materias such as glass and silica sand is assessed. For the synthesis of geopolymers, concrete, bricks and tiles collected from various demolished buildings were mixed with the activating solution (KOH or NaOH, deionized water and Na2SiO3). Various synthesis conditions (curing at 60–90 °C, 8–14 M KOH or NaOH molarity, particle size) have been considered. Results have shown that tiles and bricks are well geopolymerized, reaching a compressive strength of 49.5 and 57.8 MPa, respectively, while concrete shows limited geopolymerization potential since it reaches a compressive strength of only 14 MPa. CDW geopolymers synthesized under the optimum conditions were also subjected to high temperature heating for one hour, freeze–thaw cycles and immersed in distilled and sea water for one, two and three months to assess changes in their structural integrity. Analytical techniques, X-ray diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Thermogravimetric Analysis (TG) were used for the identification of the morphology and microstructure of the final products.