Διαπερατό σκυρόδεμα: ανάπτυξη, σχεδιασμός, μελέτη ιδιοτήτων και περιβαλλοντικά οφέλη

Abstract

The subject of the present PhD thesis is the development and the production of pervious concrete by using either conventional limestone aggregates or alternatives (like steel slag, construction and demolition wastes). Pervious concrete is currently an alternative flood prevention measurement. Its main characteristic lies on its high porosity, which allows rain water to pass through its mass. The produced pervious concrete samples were studied for their physicomechanical properties and their basic durability properties. The samples were tested for their compressive strength, tensile strength and abrasion behavior. The seven final produced mix designs were tested for: i) the freeze and thaw effect, ii) the study of the carbonization phenomenon in different environments, iii) their water permeability coefficient , iv) their water absorption and v) their behavior in extreme conditions of pressure and temperatures by using an autoclave . Also, the internal porosity of the produced samples were measured by using CT Scan, the dimensions of the pores as well as their morphology were examined by using images received through the tomographer. The aim of this test is the better understanding of the internal structure and of the connecting internal porosity of the samples.Additionally, the environmental benefits of the use of pervious concrete were examined by the retention of inorganic and organic pollutants. The final scope is the evaluation of the use of pervious concrete as a filter for cleaning rainwater and, therefore, as a protection measurement for the underground water supplies. Finally, to evaluate the properties of pervious concrete in actual conditions (in situ) a pilot laying with different mix designs has taken place on a factory parking lot. According to the conclusions of the Thesis, the production of pervious concrete with satisfactory properties and environmental benefits is possible with the use of limestone and alternative aggregates. The steel slag showed that it helps the particular type of concrete in all sectors. While the recycled concrete mainly helps with the results of abrasion behavior but not with the water permeability due to the large compaction of the samples. Both these alternative aggregates seemed to pack well with the limestone ones in creating the internal porous structure. But the packing of these two alternative aggregates was not a very good match. The exception is the mix design of the three aggregates, which had very good bahavior. The quantity of cement in the mix design must be the minimum possible while a small quantity of sand shows that it helps with the bonding of the aggregates. Finally, an important parameter is the good but not excessive compaction as it constitutes one of the key factors behind the final properties of concrete and also it creates a correct and continuous porous structure.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και ο σχεδιασμός διαπερατού σκυροδέματος τόσο με ασβεστολιθικά αδρανή όσο και με εναλλακτικά (σκωρία χάλυβα και οικοδομικά απόβλητα). Το διαπερατό σκυρόδεμα αποτελεί ένα εναλλακτικό αντιπλημμυρικό μέτρο προστασίας, η ιδιαιτερότητα του έγκειται στο υψηλό του πορώδες το οποίο επιτρέπει στο νερό της βροχής να διέρχεται μέσα από τη μάζα του. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνονται: η σωστή διαχείριση των όμβριων υδάτων, η αποφυγή των πλημμυρών και ο εμπλουτισμός του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα.Οι φυσικομηχανικές ιδιοτήτες καθώς και οι βασικές ιδιότητες ανθεκτικότητας του σκυροδέματος μελετώνται στα παραγόμενα δοκίμια διαπερατού σκυροδέματος καθώς και έλεγχος της ανθεκτικότητας τους σε συνθήκες τρίψης-απότριψης. Ενώ για τις επτά τελικές παραγόμενες συνθέσεις πραγματοποιείται έλεγχος ψύξης-απόψυξης, έλεγχος του φαινομένου ενανθράκωσης σε διαφορετικούς ως προς την επιβάρυνσή τους σε CO2 χώρους, έλεγχος του συντελεστή υδατοπερατότητάς τους , της υδατοαπορροφητικότητας του σκυροδέματος καθώς και έλεγχος της επίδρασης ακραίων συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας στα δοκίμια διαπερατού σκυροδέματος με τη χρήση αυτοκλείστου. Ταυτόχρονα μέσω απεικονίσεων αξονικής τομογραφίας ελέγχεται το εσωτερικό πορώδες των παραγόμενων δοκιμίων (διαστάσεις πόρων και μορφολογία αυτών) με τη χρήση εικόνων-τομών που παραλήφθηκαν από αξονικό τομογράφο με στόχο την καλύτερη κατανόηση της εσωτερικής δομής των κενών τους χώρων καθώς και την σύνδεση του εσωτερικού πορώδους με την υδατοπερατότητα που αποτελεί βασική ιδιότητα του διαπερατού σκυροδέματος.Επιπροσθέτως στο πλαίσιο της διατριβής και με στόχο τις περιβαλλοντικές εφαρμογές έγινε συστηματική μελέτη της κατακράτησης του συγκεκριμένου τύπου σκυροδέματος σε ρύπους όπως τα νιτρικά και θειικά ιόντα καθώς και σε οργανικά κατάλοιπα των αυτοκινήτων με στόχο την αξιολόγηση της χρήσης του συγκεκριμένου προϊόντος ως φίλτρου για τον καθαρισμό των όμβριων υδάτων και κατά συνέπεια την προστασία του υδροφόρου ορίζοντα. Τέλος, στο πλαίσιο της επιβεβαίωσης των συμπερασμάτων της έρευνας πραγματοποιήθηκε πιλοτική διάστρωση με συνθέσεις διαπερατού σκυροδέματος σε εργοστασιακό χώρο στάθμευσης μιας τσιμεντοβιομηχανίας. Σύμφωνα με τα συμπεράσματα που προέκυψαν, η δημιουργία διαπερατού σκυροδέματος με περιβαλλοντικά οφέλη και ικανοποιητικές ιδιότητες για το πεδίο εφαρμογών του είναι εφικτή τόσο με τη χρήση ασβεστολιθικών όσο και εναλλακτικών αδρανών. Η σκωρία χάλυβα έδειξε να βοηθάει το συγκεκριμένου τύπου σκυρόδεμα σε όλους τους τομείς, ενώ το ανακυκλωμένο σκυρόδεμα κυρίως στα αποτελέσματα της τρίψης - απότριψης αλλά όχι τόσο στην υδατοπερατότητα λόγω μεγάλου βαθμού συμπύκνωσης. Και τα δύο αυτά εναλλακτικά αδρανή φαίνονται να συνεργάζονται καλά με τα ασβεστολιθικά στη δημιουργία του εσωτερικού πορώδους ιστού των δοκιμίων, όχι όμως τόσο και μεταξύ τους, με εξαίρεση την τριμερή σύνθεση. Η ποσότητα του τσιμέντου πρέπει να είναι η ελάχιστη δυνατή στη σύνθεση ενώ μία μικρή ποσότητα άμμου δείχνει να βοηθάει στην συνάφεια των αδρανών. Τέλος σημαντική παράμετρος αποτελεί η καλή αλλά όχι υπερβολική συμπύκνωση καθώς αποτελεί έναν από τους βασικούς παράγοντες για τις τελικές ιδιότητες του σκυροδέματος και κυρίως για τη δημιουργία μίας σωστής και συνεχούς πορώδους δομής.