ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ-ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΥ ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΩΝ Καθηγητής: Τσακαλάκης Κώστας

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΠΑΡΑ∆ΟΣΕΩΝ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ

ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑΤΟΣ

Στο πλαίσιο του µαθήµατος

Τεχνολογία Παραγωγής Τσιµέντου και Σκυροδέµατος

Αθήνα, Ιούνιος 2009

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ (2007)

• Παρούσα κατάσταση

Εργοστάσια τσιµέντου: Οκτώ (-8-) στην Ελλάδα και επτά (-7-) της εταιρείας ΤΙΤΑΝ

Α.Ε. στο εξωτερικό

1. ΤΙΤΑΝ στην Ελλάδα (Καµάρι Βοιωτίας 1, Ελευσίνα 1, Θεσσαλονίκη 1, ∆ρέπανο

Αχαϊας 1) + Εξωτερικό (U.S.A. 2, Αίγυπτος 2, Σκόπια 1, Βουλγαρία 1, Σερβία 1)

2. ΑΓΕΤ «ΗΡΑΚΛΗΣ» (Lafarge Group) στην Ελλάδα (Βόλος 1, Χαλκίδα 1,

Μηλάκι Αλιβερίου 1)

3. Τσιµέντα «ΧΑΛΥΨ» (Italcementi Group) στην Ελλάδα (Ασπρόπυργος 1)

Σχήµα 1. Κατανοµή ελληνικών εργοστασίων παραγωγής τσιµέντου

1

Σχήµα 2. Ετήσια παραγωγική ικανότητα ελληνικής τσιµεντοβιοµηχανίας

Σχήµα 3. Eτήσια (2006) ελληνική παραγωγή τσιµέντου: 16.117.000 τόννους περίπου

2

Σχήµα 4. Εξέλιξη πωλήσεων του παραγόµενου τσιµέντου στην Ελλάδα

Η ετήσια παραγωγή της ελληνικής τσιµεντοβιοµηχανίας ανήλθε το 2006 σε 16.1 εκατ.

τόννους τσιµέντου. Το 35.8 % της παραγωγής (5.77 εκατ. τόννοι) εξάγεται σε χώρες της

Ευρωπαϊκής Ένωσης, στις Η.Π.Α. και τις χώρες της Μ. Ανατολής και της Αφρικής, ενώ

το 64.2 % (10.35 εκατ. τόννοι) διατίθεται στην ελληνική αγορά. Από το διατιθέµενο

τσιµέντο στην ελληνική αγορά (Ι.Ο.Β.Ε, Ινστιτούτο Οικονοµικών και Βιοµηχανικών

Ερευνών) ποσοστό 70% (7.25 εκατ. τόννοι περίπου) διατίθεται χύµα και 30% (3.1 εκατ.

τόννοι περίπου) ενσακκισµένο. Το 80% του διατιθέµενου «χύµα» τσιµέντου στην

ελληνική αγορά απορροφάται από τις εταιρείες παραγωγής έτοιµου σκυροδέµατος, το

12-15% από τις κατασκευαστικές εταιρείες και το 5-8% από τις µονάδες παραγωγής

προϊόντων τσιµέντου.

3

Σχήµα 5. Εξέλιξη εξαγωγών ελληνικού τσιµέντου

• Οικονοµική σηµασία τσιµεντοβιοµηχανίας και βιοµηχανίας

έτοιµου σκυροδέµατος

1. Ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή τσιµέντου

Είναι γνωστό ότι για την παραγωγή 1 τόννου τσιµέντου απαιτούνται περίπου 1,6-1,65

τόννοι πρώτων υλών. Από αυτές το 75%, δηλ. περίπου

0.75x1.65x16.1 εκατ. τόννοι = 19.92 x 106 τόννοι ετήσια, είναι ασβεστολιθικά

πετρώµατα που χρησιµοποιούνται στην Ελλάδα για την παραγωγή τσιµέντου και επίσης

4-4.5 x 106 τόννοι περίπου ετήσια είναι τα µη ασβεστολιθικά πετρώµατα

(αργιλοπυριτικά πετρώµατα, χαλαζιακή άµµος, βωξίτες, ποζολάνες κλπ.).

Οι πρώτες ύλες και τα προϊόντα (πεδία εφαρµογής) της τσιµεντοβιοµηχανίας δίνονται στ

Σχήµα 6.

4

Σχήµα 6. Πρώτες ύλες και προϊόντα (πεδία εφαρµογής) της βιοµηχανίας τσιµέντου και σκυροδέµατος.

2. Ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών (αδρανών) για την παραγωγή

σκυροδέµατος

Άν υποτεθεί ότι, το 90-95% του διατιθέµενου τσιµέντου στην ελληνική αγορά δηλ. (0.90

x 10.35 εκατ. τόννοι ≈ 9.32 εκατ. τόννοι) χρησιµοποιείται για την παραγωγή

σκυροδέµατος και δεδοµένου ότι για κάθε m3 σκυροδέµατος απαιτούνται περίπου 300 kg

(0.3 t) τσιµέντου, τότε παράγονται: (9.32/0.3) x 106 = 31.07 x 106 m3 σκυροδέµατος

Επειδή όµως για κάθε m3 σκυροδέµατος απαιτούνται επίσης περίπου 2 τόννοι αδρανών

υλικών, τότε απαιτούνται επιπλέον 2 x 31.07 x 106 ≈ 62.14 x 106 τόννοι αδρανών υλικών

για σκυρόδεµα.

Οι 62.14 x 106 τόννοι αδρανών υλικών προέρχονται από την κατεργασία (θραύση,

ταξινόµηση-κοσκίνιση) ασβεστολιθικού πετρώµατος που εξορύσσεται σε λατοµεία

(νταµάρια) µε επιφανειακή εξόρυξη. Το ποσοστό του αξιοποιήσιµου υλικού (κατάλληλα

κοκκοµετρικά κλάσµατα µετά τη θραύση και κοσκίνιση) ανέρχεται κατά µέγιστο

ποσοστό περίπου στο 60-70% του εξορυσσόµενου, δηλαδή πρέπει να εξορυχθούν

συνολικά τουλάχιστον:

(62.14 x 106 /0.70) ≈ 88.8 x 106 τόννοι ασβεστολιθικού πετρώµατος για την παραγωγή

του σκυρόδεµατος.

5

3. Συνολική ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή

τσιµέντου και σκυροδέµατος

Οι συνολικοί τόννοι ασβεστολιθικού υλικού για τσιµέντο και σκυρόδεµα ετησίως είναι: (19.92 + 88.80) x106 ≈ 108.72 x 106 τόννοι ασβεστολιθικών πετρωµάτων. Για λόγο αποκάλυψης (στείρα / ασβεστολιθικό υλικό) = 1:5, σύµφωνα µε µέτριους

υπολογισµούς, η ποσότητα αυτή προσαυξάνεται κατά 20% δηλ. η συνολική ποσότητα

εξορυσσόµενου υλικού ανέρχεται σε:

(108.72 x 106) x 1.2 ≈ 130.5 x 106 τόννοι ή περίπου 49.2x106 m3 ασβεστολιθικών

πετρωµάτων (ειδ.βάρος ασβεστολίθου 2.65 τόννοι/ m3) και υλικό αποκάλυψης.

Σ’ αυτήν την ποσότητα δεν έχουν ληφθεί υπόψη οι µη ασβεστολιθικές πρώτες ύλες στη

βιοµηχανία παραγωγής τσιµέντου, οι οποίες ανέρχονται σε 4-4.5 x 106 τόννοι για το

τσιµέντο (1.8-2.0 x 106 m3) περίπου.

4. Αξία παραγόµενων προϊόντων (τσιµέντο, σκυρόδεµα κλπ.)

1. Αξία εξαγόµενου τσιµέντου

Αν ληφθεί υπόψη ότι η τιµή του εξαγόµενου τσιµέντου είναι περίπου 100 €/τόννο, τότε

τα έσοδα από την πώληση του τσιµέντου ανέρχονται ετήσια σε:

5.77x106 τόννοι x 100 €/τόννο = 577 εκατοµµύρια ευρώ ετησίως ή 0.577 δις ευρώ

ετησίως

2. Αξία παραγόµενου σκυροδέµατος

Η σηµερινή µέση τιµή του σκυροδέµατος στην ελληνική αγορά (συµπεριλαµβανοµένου

και του Φ.Π.Α) είναι 90 €/m3. Άρα τα άκαθάριστα έσοδα από την πώληση των 30.27x106

m3 σκυροδέµατος ανέρχονται σε:

31.07x106 m3 σκυροδέµατος x 90 €/m3 = 2796.3 x106 € ετησίως (περίπου 2.8 δις ευρώ

ετησίως)

6

3. Συνολικά έσοδα βιοµηχανίας τσιµέντου και σκυροδέµατος

Οι συνολικές πωλήσεις τσιµέντου και σκυροδέµατος αποφέρουν ακαθάριστα έσοδα 3.4

δισεκατοµµυρίων ευρώ ετησίως περίπου.

Αν ληφθούν δε υπόψη και τα προϊόντα τσιµέντου (τσιµεντόλιθοι, έτοιµα κονιάµατα κλπ.)

που παράγονται, δεν απέχει πολύ από την πραγµατικότητα αν λεχθεί ότι ο ετήσιος

κύκλος εργασιών των βιοµηχανιών τσιµέντου και σκυροδέµατος ανέρχεται σε 4.0-5.0

δισεκατοµµύρια ευρώ περίπου.

Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι οι τοµείς του τσιµέντου και του σκυροδέµατος

είναι από τους δυναµικότερους της ελληνικής βιοµηχανίας µε σηµαντική συµµετοχή στο

Α.Ε.Π. της χώρας Το µέλλον τους προβλέπεται ευοίωνο για τα επόµενα χρόνια,

δεδοµένης της αύξησης της παραγωγικής τους δυναµικότητας µε την εξαγορά οµοειδών

επιχειρήσεων του εξωτερικού, την αύξηση διεθνώς του αριθµού των κέντρων διανοµής

των προϊόντων τους και την κατάσταση της οικοδοµικής και κατασκευαστικής

δραστηριότητας της χώρας.

7

1. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ

ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΩΝ ΤΥΠΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

Σύµφωνα µε απόφαση της ΕΕ, από 01/04/01 τα τσιµέντα που θα κυκλοφορούν σε όλες

τις χώρες κράτη µέλη πρέπει να είναι πιστοποιηµένα, να φέρουν σήµανση CΕ και να

είναι σύµφωνα µε τα νέα Ευρωπαϊκά Πρότυπα, τα οποία είναι:

• ΕΝ 197-1: Τσιµέντο Μέρος-1 : «Σύνθεση, προδιαγραφές και κριτήρια

συµµόρφωσης για κοινά τσιµέντα» και

• ΕΝ 197-2 : Τσιµέντο Μέρος-2 : «Αξιολόγηση συµµόρφωσης»

Τα παραπάνω ευρωπαϊκά πρότυπα έχουν υιοθετηθεί και εφαρµόζονται στην Ελλάδα ως

Ελληνικά Πρότυπα από τον ΕΛΟΤ (Ελληνικό Οργανισµό Τυποποίησης). Είναι γνωστά

ως ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 και ΕΛΟΤ ΕΝ 197-2 και κυκλοφορούν από τον Οκτώβριο 2000,

αλλά τέθηκαν σε ισχύ µε Υπουργική απόφαση (ΦΕΚ 917 Β / 17-07-01), η οποία

προέβλεπε µεταβατική περίοδο µέχρι 31/12/01 για την προσαρµογή του

κατασκευαστικού κλάδου σε αυτά.

1.1. ΣΤΟΧΟΙ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ

Το τσιµέντο, όπως και τα άλλα δοµικά υλικά, ως υλικό που διέπεται από την ευρωπαϊκή

οδηγία CPD 89/106, λόγω της σπουδαιότητάς του για την ασφάλεια των δοµικών

κατασκευών, θα πρέπει να πληροί ορισµένες ελάχιστες απαιτήσεις, όσον αφορά στις

ιδιότητες και στη σταθερότητα στην ποιότητα παραγωγής του. Για τους παραπάνω

λόγους η ποιότητα του τσιµέντου, σε αντίθεση µε άλλα υλικά, ελέγχεται και

πιστοποιείται µε το αυστηρότερο σύστηµα αξιολόγησης συµµόρφωσης από

αναγνωρισµένο φορέα πιστοποίησης, µε ανεξάρτητη εξωτερική δειγµατοληψία.

Κατά την σύνταξη των παραπάνω προτύπων συµπεριλήφθηκαν και κωδικοποιήθηκαν

όλα τα κοινής αποδοχής και ευρείας χρήσης τσιµέντα, που παράγονται στις χώρες µέλη

της ΕΕ, µε στόχο τη δηµιουργία κοινής ορολογίας για όλους τους µελετητές - χρήστες -

κατασκευαστές δοµικών έργων της ΕΕ.

8

1.2. ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ

Οι τύποι των τσιµέντων που παρασκευάζονται σε κάθε χώρα της Ευρωπαϊκής Ένωσης

εξαρτώνται από τις διαθέσιµες πρώτες ύλες, όπως επίσης από τη ζήτηση κάθε τύπου

τσιµέντου. Έτσι, ανάλογα µε τις διαθέσιµες και χρησιµοποιούµενες πρώτες ύλες,

δηµιουργήθηκαν οι διάφοροι τύποι τσιµέντων που µπορούν να παραχθούν. Οι τύποι

αυτοί είναι το κοινό τσιµέντο Portland, τα τσιµέντα µε ποζολάνη, ιπτάµενη τέφρα

(πυριτική ή ασβεστιτική), τσιµέντα µε σκωρία υψικαµίνου, τσιµέντα µε πυριτική

παιπάλη, µε ασβεστόλιθο κλπ.

Γι' αυτό το λόγο, το πρότυπο προβλέπει µεγάλο αριθµό προϊόντων τσιµέντου (Πίνακας

4.1, σελ. 63), τα οποία, για προφανείς λόγους, όµως δεν κυκλοφορούν κατ' ανάγκη όλα

σε κάθε χώρα µέλος. Στον Πίνακα δίνονται αναλυτικά, σύµφωνα µε το πρότυπο, το είδος

και το ποσοστό των συστατικών του τσιµέντου, τα οποία χρησιµοποιούνται για την

παραγωγή και καθορίζουν τα 27 διαφορετικά είδη τσιµέντων του Πίνακα.

Όµως, το πρότυπο ΕΝ 197-1 προδιαγράφει σε γενική µορφή τους εξής πέντε (-5-) τύπους

τσιµέντου (Πίνακας 1).

Πίνακας 1. Βασικοί τύποι τσιµέντων ευρωπαϊκού προτύπου

ΤΥΠΟΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ CEM I Κοινό τσιµέντο Portland CEM II Σύνθετο τσιµέντο Portland CEM III Σκωριοτσιµέντο CEM IV Ποζολανικό τσιµέντο CEM V Σύνθετο τσιµέντο

Επίσης, το νέο πρότυπο προδιαγράφει και 6 κατηγορίες αντοχών, στις οποίες τα τσιµέντα

κατατάσσονται ανάλογα µε την αντοχή σε θλίψη κονιάµατος πρότυπης σύνθεσης και

τρόπου παρασκευής, σύµφωνα µε το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 196-1 (Μέθοδοι δοκιµών

τσιµέντου - Μέρος 1 : Προσδιορισµός αντοχών).

Κάθε κατηγορία αντοχής ορίζεται από ένα κατώτερο και ένα ανώτερο όριο αντοχής. Το

κατώτερο όριο αντοχής σε θλίψη (28 ηµερών) χαρακτηρίζει τη συγκεκριµένη κατηγορία.

Κάθε µία από τις παραπάνω κατηγορίες περιλαµβάνει δύο υποκατηγορίες πρώιµης

αντοχής N και R (Πίνακας 2).

9

Πίνακας 2: Απαιτήσεις µηχανικές και φυσικές οριζόµενες ως χαρακτηριστικές τιµές

Η συµµόρφωση των τσιµέντων ως προς τα όρια αντοχών είναι στατιστική και

περιγράφεται στο πρότυπο.

Ο συµβολισµός των διαφόρων τσιµέντων, σύµφωνα µε το πρότυπο EN 197-1, άρα και µε

το ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 (Σχήµα 1.1), καθορίζεται από:

• τον κύριο τύπο τσιµέντου, • το ποσοστό clinker που περιέχεται στο τσιµέντο, • τον τύπο του δεύτερου κύριου συστατικού, • την κατηγορία αντοχής, • το επίπεδο της πρώιµης αντοχής.

Οι διαφορές στις κατηγορίες αντοχών του ελληνικού κανονισµού Π∆ 244/80, που

εφαρµόζονταν παλαιότερα, και του προτύπου ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 δίνονται στον Πίνακα 3.

Πίνακας 3. ∆ιαφορές αντοχών Π∆ 244/80 και ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1

Π∆ 244/80 ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1 Κατηγορία αντοχών

Όρια αντοχών, MPa (N/mm2)

Κατηγορία αντοχών

Όρια αντοχών, MPa (N/mm2)

35 25-45 32.5 32.5-52.5 45 35-55 42.5 42.5-62.5 55 ≥ 45 52.5 ≥ 52.5

Αντοχή σε θλίψη, MPa (N/mm2) Κατηγορία αντοχής Αρχική αντοχή

Τυπική αντοχή (όρια)

Αρχικός χρόνος πήξης

∆ιόγκωση (∆ιαστολή)

2 ηµέρες 7 ηµέρες 28 ηµέρες min mm 32.5 N - ≥ 16.0 32.5 R ≥ 10.0 -

≥ 32.5 ≤ 52.5 ≥ 75

42.5 N ≥ 10.0 - 42.5 R ≥ 20.0 -

≥ 42.5 ≤ 62.5 ≥ 60

52.5 N ≥ 20.0 - 52.5 R ≥ 30.0 -

≥ 52.5 - ≥ 45

≤ 10

10

Σχήµα 1.1 . Συµβολισµός των διαφόρων τύπων τσιµέντου του ευρωπαϊκού προτύπου

Τα κύρια δευτερεύοντα συστατικά, που χρησιµοποιούνται στην παραγωγή σύνθετων

τσιµέντων και εµφανίζονται στον αναλυτικό πίνακα του ευρωπαϊκού προτύπου EN 197-1

(Πίνακας 4.1, σελ. 81), δίνονται παρακάτω µε το χαρακτηριστικό κεφαλαίο λατινικό

γράµµα που αναφέρεται σε κάθε ένα από αυτά:

• S – blastfurnace slag (σκωρία υψικαµίνων)

• D – silica fume (ατµοί πυριτίας)

• P – natural pozzolana (φυσική ποζολάνη)

• Q – natural calcined pozzolana (φυσική ποζολάνη µετά από πύρωση)

• V – siliceous fly ash (πυριτική ιπτάµενη τέφρα)

• W – calcareous fly ash (ασβεστιτική ιπτάµενη τέφρα)

• L, LL – limestone (ασβεστόλιθος)

• T – burnt shale (τέφρα καύσης βιτουµενιούχων σχιστολίθων)

• M – two or more of the above (µείγµα των παραπάνω).

Η ποσοστιαία % κατανοµή των παραγόµενων (κατά τύπο) ευρωπαϊκών τσιµέντων

δίνεται στο Σχήµα 1.2. Είναι φανερό ότι, µεγάλο µερίδιο της ευρωπαϊκής παραγωγής

11

αφορά σε σύνθετα τσιµέντα (CEM II), κυρίως για περιβαλλοντικούς λόγους (µείωση των

εκπεµπόµενων ποσοτήτων CO2). Οι ποσότητες αυτές CO2 είναι πολύ σηµαντικές στην

περίπτωση της τσιµεντοβιοµηχανίας και αφορούν: πρωτογενώς στην πύρωση (διάσπαση)

του ασβεστολίθου και στην καύση ορυκτών καυσίµων στην κυρίως µεταλλουργική

διεργασία και δευτερογενώς επίσης στην καύση ορυκτών καυσίµων για την παραγωγή

ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλίσκεται για την παραγωγή τσιµέντου.

Σχήµα 1.2. Ποσοστιαία % κατανοµή (κατά τύπο) των παραγόµενων ευρωπαϊκών τσιµέντων

(Πηγή: CEMBUREAU, 2006).

12

2. ΤΣΙΜΕΝΤΟ

2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το σκυρόδεµα είναι σήµερα το συνηθέστερο δοµικό υλικό για τις κατασκευές κτιρίων

και έργων κοινής ωφέλειας. Το τσιµέντο σε ανάµειξη µε το νερό (τσιµεντόπαστα) είναι

το συνδετικό υλικό, που χρησιµοποιείται στην παραγωγή του σκυροδέµατος. Υπάρχουν

πολλών ειδών (τύποι) τσιµέντα, µε συνηθέστερο αυτό που καλείται κοινό τσιµέντο

Portland (OPC, Ordinary Portland Cement). Το κοινό τσιµέντο είναι ένα γκρίζο

λεπτοµερές υλικό, που προκύπτει από τη λειοτρίβηση του κλίνκερ τσιµέντου. Ο λόγος

τιµή (αξία) προς βάρος είναι πολύ µικρός για το τσιµέντο γεγονός που το κάνει να είναι

πολύ ακριβό για µεταφορά σε µεγάλες αποστάσεις. Οι πρώτες ύλες επίσης για την

παραγωγή του τσιµέντου είναι ακόµη χαµηλότερης αξίας και για την ελαχιστοποίηση του

κόστους µεταφοράς των πρώτων υλών (θραυσµένος ασβεστόλιθος, αργιλικά πετρώµατα,

χαλαζιακά πετρώµατα, σιδηροµετάλλευµα, βωξίτης) οι µονάδες παραγωγής τσιµέντου

χωροθετούνται πολύ κοντά στις πηγές πρώτων υλών. Η µεγαλύτερη ποσότητα του

παραγόµενου τσιµέντου, για τους παραπάνω λόγους, πρέπει να διατίθεται σε περιοχές

και µονάδες παραγωγής σκυροδέµατος πολύ κοντά στα εργοστάσια παραγωγής του.

Εικόνα 2.1. Πρώτες ύλες, ενδιάµεσα προϊόντα και τελικό προϊόν στη διεργασία παραγωγής τσιµέντου.

2.2. Η ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

13

Πίνακας 2.1. Ενδεικτική σύνθεση (χηµική σύσταση %) τριών πρώτων υλών (1, 2 και 3) για την παραγωγή τσιµέντου, [3]

• Οι πρώτες ύλες

Η κυριότερη πρώτη ύλη για την παραγωγή του κλίνκερ είναι τα ασβεστολιθικά

πετρώµατα, που εξορύσσονται επιφανειακά κοντά στη µονάδα παραγωγής του

τσιµέντου. Επειδή, ποσοστό περίπου 80% από τους 1.65 τόννους πρώτων υλών, που

απαιτούνται για την παραγωγή 1 τόννου κλίνκερ, είναι ασβεστολιθικό υλικό, είναι

προφανής η αναγκαιότητα γειτνίασης της θέσης εξόρυξης ασβεστολιθικών πετρωµάτων

και της µονάδας παραγωγής τσιµέντου. Ενδεικτικές πρώτες ύλες που µπορούν να

χρησιµοποιηθούν για την παραγωγή τσιµέντου δίνονται στον Πίνακα 2.1.

Το µείγµα των πρώτων υλών (θραυσµένος ασβεστόλιθος, αργιλικά πετρώµατα,

χαλαζιακά πετρώµατα, σιδηροµετάλλευµα, βωξίτης) αναµειγνύονται, θραύονται και

λειοτριβούνται. Το λειοτριβηµένο µείγµα υφίσταται πυροµεταλλουργική κατεργασία

µέσα σε περιστροφική κάµινο (rotary kiln ). Μέσα στις περιστροφικές καµίνους οι

λειοτριβηµένες πρώτες ύλες θερµαίνονται σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες µε καύση των

καυσίµων (φυσικό αέριο, πετρέλαιο, γαιάνθρακες) και µετατρέπονται µε φυσικοχηµικές

διεργασίες σε ένα υλικό γκριζοπράσινου χρώµατος σε µορφή σφαιριδίων διαµέτρου 15-

25 mm, το οποίο ονοµάζεται κλίνκερ τσιµέντου (Εικόνα 2.2).

Απλοποιηµένη απεικόνιση περιστροφικής καµίνου δίνεται στο Σχήµα 2.1.

Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό), %

Χηµική ένωση

Στόχος, % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων υλών

παραγωγής κλίνκερ 1

Ασβεστόλιθος 2

Αργιλοπυριτικό υλικό

3 Χαλαζιακή άµµος

Κατά βάρος % περιεκτικότητα του παραγόµενου κλίνκερ

(χωρίς απορρόφηση τέφρας καυσίµου)

SiO2 14.35 4.83 65.0 91.58 21.5* Al2O3 4.04 1.85 24.0 2.83 6.1* Fe2O3 0.92 0.64 2.5 2.53 1.4* CaO 43.55 50.5 4.0 0.92 65.3* Ελεύθερη άσβεστος (CaO)

- - - - 1.0*

Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συµµετοχή πρώτων υλών

85.02 13.61 1.37

*Τιµές για χρήση στις εξισώσεις Bogue

Συντελεστής µετατροπής φαρίνας σε κλίνκερ (Raw

meal factor) = 1.50, δηλαδή από 1.5 τόννους πρώτων υλών παράγεται 1 τόννος

κλίνκερ.

14

2.3. ΟΙ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΕΣ ΚΑΜΙΝΟΙ

Οι περιστροφικές κάµινοι είναι ογκώδεις κυλινδρικού σχήµατος κατασκευές,

επενδεδυµένες εσωτερικά µε πυρίµαχη επένδυση (πυρίµαχα τούβλα), µέσα στις οποίες

τροφοδοτείται οµογενοποιηµένο και λειοτριβηµένο µείγµα (ασβεστόλιθος, αργιλικά

πετρώµατα, χαλαζιακά πετρώµατα, σιδηροµετάλλευµα, βωξίτης) και καύσιµα (άνθρακας,

πετρέλαιο, φυσικό άεριο ή εναλλακτικά καύσιµα). Στο Σχήµα 2.3 (σχηµατικό

διάγραµµα) δίνεται ενδεικτικό ισοζύγιο µάζας πρώτων υλών για την παραγωγή 1 kg

τσιµέντου.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι περιστροφικών καµίνων, όµως όλες βασίζονται στην ίδια αρχή

λειτουργίας. Οι συνήθεις διαστάσεις των περιστροφικών καµίνων είναι:

∆ιαστάσεις περιστροφικής καµίνου: D (διάµετρος) µέχρι 6 m, L (µήκος) µέχρι 180 m

Η ταχύτητα περιστροφής της καµίνου κυµαίνεται από 1-4 στροφές το λεπτό (rpm). Η

περιστροφική κάµινος είναι ελαφρώς κεκλιµµένη προς την έξοδό της, για να ρέει

(µετακινείται) το υλικό και να αποκενώνεται από το κατότερο άκρο το προϊόν της

(κλίνκερ). Ο χρόνος παραµονής του υλικού µέσα στην κάµινο µπορεί να φτάσει µέχρι 2

ώρες.

Σχήµα 2.1. Απλοποιηµένη απεικόνιση περιστροφικής καµίνου

Αναλυτικό διάγραµµα ροής των διεργασιών παραγωγής τσιµέντου παρουσιάζεται στο

Σχήµα 2.2.

15

Σχήµα 2.2. Αναλυτικό διάγραµµα ροής διεργασιών παραγωγής τσιµέντου.

16

Σχήµα 2.3. Ισοζύγιο πρώτων υλών και προϊόντων στην παραγωγή 1 kg τσιµέντου.

• Οι τρείς κύριες διεργασίες παραγωγής του τσιµέντου είναι:

1. Η προετοιµασία των πρώτων υλών (θραύση, λειοτρίβηση,

οµογενοποίηση)

2. Η πύρωση και η µεταλλουργική κατεργασία (πυροσυσσωµάτωση ή

κλινκεροποίηση) στην περιστροφική κάµινο

3. Η τελική λειοτρίβηση (άλεση) του κλίνκερ (Εικόνα 2.2) και η

παραγωγή του τσιµέντου

17

Εικόνα 2.2. Σφαιρίδια (pellets) µεγέθους 15-25 mm του κλίνκερ τσιµέντου (προϊόν της διεργασίας πυροσυσσωµάτωσης στην περιστροφική κάµινο).

• Προσδιορισµός της σύνθεσης του φορτίου, ανάµειξη (οµογενοποίηση) και

ελάττωση µεγέθους (θραύση, λειοτρίβηση)

Οι ποσότητες των πρώτων υλών που θα χρησιµοποιηθούν εξαρτώνται από τις χηµικές

και ορυκτολογικές τους ιδιότητες και από τις ιδιότητες (απαιτήσεις) του κλίνκερ που θα

παραχθεί. Μετά τον προσδιορισµό της κατάλληλης σύνθεσης του φορτίου, οι πρώτες

ύλες (για ξηρή µέθοδο παραγωγής τσιµέντου) αναµειγνύονται κατάλληλα και

οµογενοποιούνται για την παραγωγή ενός οµοιόµορφου µείγµατος που θα υποστεί

ελάττωση µεγέθους (λειοτρίβηση).

Η καλή ανάµειξη εξασφαλίζει οµοιόµορφη κατανοµή των πρώτων υλών στην

τροφοδοσία του κυκλώµατος θραύσης και λειοτρίβησης και επίσης την παραγωγή

κλίνκερ οµοιόµορφης ποιότητας.

• Τα είδη των περιστροφικών καµίνων-Μέθοδοι παραγωγής

Εάν πρόκειται να χρησιµοποιηθούν πρώτες ύλες µε µεγάλο ποσοστό υγρασίας, οι πρώτες

ύλες µετατρέπονται πρώτα σε πολφό, κατόπιν υποβάλλονται σε πύκνωση και διήθηση

και το υλικό της διήθησης (filter cake) εισάγεται στην περιστροφική κάµινο, οπότε η

µέθοδος αυτή χαρακτηρίζεται ως ηµι-υγρή (semi-wet) µέθοδος παραγωγής.

18

Σήµερα, για λόγους µείωσης της καταναλισκόµενης ενέργειας αλλά και ευκολίας

εφαρµογής, η κύρια µέθοδος παραγωγής κλίνκερ τσιµέντου είναι η ξηρή µέθοδος (Σχήµα

2.4) µε προθέρµανση και µερική διάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου (Preheater-

precalciner). Στα διάφορα στάδια της ξηρής κατεργασίας γίνονται οι παρακάτω

διεργασίες:

A Προθέρµανση τροφοδοσίας και µερική πύρωση διάσπαση του ασβεστολίθου από τα

ανερχόµενα θερµά αέρια (θερµοκρασίες έως 1000 °C)

B Σχηµατισµός ενδιάµεσων φάσεων από την αντίδραση των πρώτων υλών µεταξύ τους

(θερµοκρασίες 1000-1200 °C)

C Πυροσυσσωµάτωση και σχηµατισµός σφαιριδίων κλίνκερ (θερµοκρασίες 1200-1450

°C)

Σχήµα 2.4. ∆ιάταξη ξηρής µεθόδου παραγωγής κλίνκερ µε προθέρµανση και µερική πύρωση της τροφοδοσίας (Prehetater ή Precalciner).

19

Στις καµίνους αυτού του τύπου, η η ξήρανση, η αποµάκρυνση του συνδεδεµένου νερού

στις πρώτες ύλες, η προθέρµανση στη θερµοκρασία πύρωσης και η µερική διάσπαση

(πύρωση) του ασβεστολίθου γίνονται εκτός της περιστροφικής καµίνου. Εξαρτάται από

τον τύπο αυτών καµίνων (preheater ή precalciner) το ποσοστό % της διεργασίας

πύρωσης (διάσπαση) του ασβεστολίθου που ολοκληρώνεται εκτός της καµίνου. Στις

καµίνους τύπου preheater 30-40% γίνεται εκτός της καµίνου, ενώ στις καµίνους τύπου

precalciner 90% αντιστοίχως. Αυτό καθορίζει και το µήκος που καταλαµβάνει η ζώνη

πύρωσης και η ζώνη πυροσυσσωµάτωσης εντός της καµίνου, το οποίο διαµορφώνεται σε

60% και 35% µε διαφοροποίηση του µήκους της ζώνης πυροσυσσωµάτωσης µέσα στην

κάµινο σε 40% και 65%, αντιστοίχως (Peray, 1986).

Σχήµα 2.5. ∆ιάταξη ηµι-ξηρής µεθόδου (semi-dry) Lepol παραγωγής τσιµέντου.

Άλλη µέθοδος παραγωγής είναι η γερµανική ηµι-ξηρή (semi-dry) µέθοδος Lepol (Σχήµα

2.5) κατά την οπoία οι πρώτες ύλες τροφοδοτούνται υπό µορφή συσφαιρωµάτων

(pellets). Για το σκοπό αυτό, οι πρώτες ύλες διαβρέχονται ελαφρά µε ψεκασµό οπότε

σχηµατίζονται συσφαιρώµατα, τα οποία προθερµαίνονται κατόπιν σε διάταξη τύπου

εσχάρας (grate preheater) µε τη βοήθεια των αερίων εξαγωγής της περιστροφικής

καµίνου και κατόπιν εισάγονται στην περιστροφική κάµινο. Επίσης, στην κάµινο τύπου

20

Lepol η ξήρανση, η αποµάκρυνση του συνδεδεµένου νερού στις πρώτες ύλες, η

προθέρµανση στη θερµοκρασία πύρωσης και η µερική διάσπαση (πύρωση) του

ασβεστολίθου γίνονται εκτός της περιστροφικής καµίνου. Μέσα στην περιστροφική

κάµινο ολοκληρώνεται η πύρωση του ασβεστολίθου και η επιτελούνται οι αντιδράσεις

µετατροπής των πρώτων υλών σε κλίνκερ. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά επηρεάζουν το

µήκος της καµίνου που καταλαµβάνει κάθε ζώνη. Στις καµίνους αυτής της αρχής

λειτουργίας, η ζώνη πύρωσης καταλαµβάνει το 55% του µήκους της, ενώ η ζώνη

πυροσυσσωµάτωσης το υπόλοιπο 45%.

• Τα στάδια κατεργασίας µέσα στην κάµινο (Σχήµα 2.6) αναλυτικά είναι τα εξής:

1. Εξάτµιση του ελεύθερου (µη συνδεµένου) νερού

2. Αποµάκρυνση του κρυσταλλικού νερού (συνδεδεµένο νερό) κυρίως από τα

αργιλικά πετρώµατα (πρώτες ύλες)

3. ∆ιάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου

4. Σχηµατισµός των ενώσεων του τσιµέντου

• ενώσεις πυριτικού ασβεστίου (C2S, C3S)

• αργιλικού ασβεστίου (C3Α)

• αργιλοσιδηρούχου ασβεστίου (C4AF)

5. Ψύξη του κλίνκερ (clinker)

6. Ανάµειξη του κλίνκερ (95%) µε γύψο (≈ 5%) και

7. Λεπτοµερής λειοτρίβηση (άλεση) ⇒ παραγωγή τσιµέντου

21

Σχήµα 2.6. ∆ιεργασίες που λαµβάνουν χώρα στην περιστροφική κάµινο για την παραγωγή του κλίνκερ.

Ουσιαστικό ρόλο στην ποιότητα του κλίνκερ και στις ιδιότητες του παραγόµενου

τσιµέντου παίζουν οι διεργασίες ψύξης του παραγόµενου κλίνκερ και η αξιοποίηση της

απαγόµενης, µέσω του αέρα ψύξης, θερµότητας. Η θερµότητα αυτή αξιοποιείται για την

προθέρµανση της τροφοδοσίας των πρώτων υλών συµβάλλοντας στην ενεργειακή

βελτιστοποίηση της διεργασίας παραγωγής κλίνκερ (Εικόνες 2.3 και 2.4).

Το κλίνκερ που εξέρχεται από την περιστροφική κάµινο διέρχεται, µε τη βοήθεια

κινούµενης διάτρητης εσχάρας, από θάλαµο όπου ψύχεται µε τη βοήθεια αέρα που

εµφυσάται από ανεµιστήρες. Ο αέρας ψύξης θερµαίνεται από το ζεστό κλίνκερ, τα δε

εξερχόµενα θερµά αέρια ανακυκλώνονται και οδηγούνται στον πύργο προθέρµανσης για

αξιοποίηση της θερµότητας (Σχήµα 2.4).

22

Εικόνα 2.7. ∆ιάταξη ψύξης κλίνκερ στην έξοδο της καµίνου

Εικόνα 2.8. Τρισδιάστατη απεικόνιση της διάταξης ψύξης κλίνκερ

23

2.4. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΚΑΜΙΝΟ

Η απρόσκοπτη λειτουργία της περιστροφικής καµίνου απαιτεί την ύπαρξη επαρκούς

πηγής θερµότητας, η οποία καταρχήν θα αυξήσει τη θερµοκρασία της καµίνου στην

απαιτούµενη τιµή λειτουργίας και κατόπιν θα τη διατηρήσει σε αποδεκτό θερµοκρασιακό

εύρος, αναπληρώνοντας τις απώλειες, λόγω ακτινοβολίας και αγωγής στο σύστηµα της

καµίνου και στα απαέρια, εξασφαλίζοντας έτσι την απαιτούµενη θερµότητα για τις

διεργασίες πυροσυσσωµάτωσης του µείγµατος των πρώτων υλών.

Η θερµότητα για τη λειτουργία της περιστροφικής καµίνου και την επιτέλεση των

αντιδράσεων πυροσυσσωµάτωσης (κλινκεροποίηση) προκύπτει από την καύση των

χρησιµοποιούµενων καυσίµων. Η καύση είναι η χηµική αντίδραση (οξείδωση) του

άνθρακα, του υδρογόνου και του θείου του καυσίµου µε το οξυγόνο του αέρα,

αντιδράσεις που είναι εντόνως εξώθερµες.

C + O2 → CO2 (-94.03 kcal/mol) ή -7836 kcal/kg

Η2 + ½ O2 → Η2Ο (-67.88 kcal/mol) ή -33940 kcal/kg

S + O2 → SO2 (-70.81 kcal/mol) ή -2213 kcal/kg

Για να λάβουν χώρα οι παραπάνω αντιδράσεις της καύσης πρέπει να ικανοποιούνται δύο

προϋποθέσεις:

• Πρέπει να υπάρχει επαρκής ποσότητα οξυγόνου για ανάµειξη µε το καύσιµο και η πραγµατική ποσότητα του εισαγόµενου αέρα πρέπει να είναι µεγαλύτερη της θεωρητικά απαιτούµενης, δηλαδή να υπάρχει περίσσεια αέρα. Η περίσσεια αέρα (% ) εξαρτάται από τον τύπο του καυσίµου, το σύστηµα έναυσης, το µέγεθος των τεµαχίων του καυσίµου προκειµένου περί στερεών ή το µέγεθος των σταγονιδίων προκειµένου περί υγρών καυσίµων

• Πρέπει να διατηρείται δεδοµένη ελάχιστη θερµοκρασία για την έναυση του µείγµατος καυσίµου-οξυγόνου

Το οξυγόνο της αντίδρασης προέρχεται από τον αέρα, ο οποίος περιέχει περίπου 78%

κ.ο. άζωτο (76% κ.β.) και 20.9% κ.ο. οξυγόνο (23% κ.β.), οπότε για να επιτευχθεί

πλήρης καύση απαιτούνται τουλάχιστον 5 όγκοι αέρα για κάθε ένα όγκο οξυγόνου που

απαιτείται για την πλήρη καύση.

24

Οι παραπάνω αντιδράσεις καύσης αφορούν πλήρη καύση των καυσίµων, ενώ όταν

γίνεται ατελής καύση του καυσίµου η αντίδραση που λαµβάνει χώρα είναι:

C + ½ O2 → CO (Σχηµατισµός µονοξειδίου του άνθρακα CO αντί CO2) Η ατελής αντίδραση, παρά το γεγονός ότι και αυτή είναι εξώθερµη, εκλύει περίπου το

1/3 (≅ 2500 kcal/kg) της θερµότητας που εκλύει η πλήρης καύση και γίνεται αντιληπτή

από το µαύρο καπνό που παράγεται που υποδηλώνει άνθρακα ο οποίος δεν έχει «καεί».

Τόσο ή έλλειψη όσο και η υπερβολική περίσσεια αέρα έχουν δυσµενείς οικονοµικές

επιπτώσεις στη διεργασία παραγωγής κλίνκερ στις περιστροφικές καµίνους. Η έλλειψη,

επειδή παράγει µικρότερες ποσότητες θερµότητας λόγω ατελούς καύσης. Επίσης, η

υπερβολική περίσσεια αέρα έχει οικονοµικές επιπτώσεις στη διεργασία, επειδή ποσοστό

της παραγόµενης θερµότητας καταναλώνεται για την ανύψωση της θερµοκρασίας της

περίσσειας του αέρα (άζωτο και υπολειπόµενο οξυγόνο από τις αντιδράσεις καύσης) και

κατόπιν απάγεται ως θερµότητα στα καπναέρια, αντί να χρησιµοποιείται στην κυρίως

διεργασία της πυροσυσσωµάτωσης.

Εκτός των άλλων, υπερβολική περίσσεια αέρα και θερµότητα στην περιοχή του άκρου

εισόδου της τροφοδοσίας (περιοχή αλύσεων προθέρµανσης) µπορεί να οδηγήσει σε

εκδήλωση φωτιάς, λόγω του άνθρακα που περιέχεται στο υλικό (χάλυβας) των αλύσεων.

Άρα, οι συνθήκες καύσης µέσα στην κάµινο πρέπει να είναι κατάλληλες ώστε να γίνεται

πλήρης καύση του καυσίµου που υπάρχει, χωρίς σηµαντικές οικονοµικές επιπτώσεις στο

κόστος της διεργασίας εξαιτίας απωλειών θερµότητας στο περιβάλλον.

Σηµαντικό ρόλο στην καύση παίζει και η θερµοκρασία έναυσης του καυσίµου, η οποία

για τα διάφορα καύσιµα δίνεται από τον Πίνακα 2.2

Από τον Πίνακα 2.2 είναι φανερό ότι, οι θερµοκρασίες έναυσης των αερίων καυσίµων

είναι µεγαλύτερες από τις αντίστοιχες των υγρών και στερεών καυσίµων, γεγονός που

καθορίζει τη θέση του ακροφυσίου του καυστήρα µέσα στην κάµινο.

25

Πίνακας 2.2. Θερµοκρασίες έναυσης ορυκτών καυσίµων στην τσιµεντοβιοµηχανία

Είδος καυσίµου Θερµοκρασία έναυσης, °C

‘Ανθρακας 250

Πετρέλαιο 200

Fuel Oil No.1 210

Fuel Oil No.2 256

Fuel Oil No.4 262

Φυσικό αέριο 550

Petcoke 620-670

2.5. ΚΑΥΣΙΜΑ ΣΤΗΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ

Τα ορυκτά καύσιµα που χρησιµοποιούνται στις περιστροφικές καµίνους είναι τριών

ειδών:

Αέρια, υγρά ή στερεά ή συνδυασµός τουλάχιστον δύο ειδών από τα παραπάνω.Τα αέρια

καύσιµα, κυρίως φυσικό αέριο (≅ 95% CH4), επειδή είναι το φθηνότερο από τα πόλοιπα

αέρια και έχει µεγάλη θερµογόνο δύναµη λόγω και του περιεχόµενου υδρογόνου,

χρησιµοποιείται κατά κύριο λόγο στην τσιµεντοβιοµηχανία και παρουσιάζει ουσιαστικά

πλεονεκτήµατα έναντι των άλλων ορυκτών καυσίµων. Αυτά είναι τα εξής:

• ∆εν χρειάζεται καµιά προετοιµασία ξήρανση, λειοτρίβηση ή προθέρµανση • Η καύση λαµβάνει χώραν µόλις αναµειχθεί µε την κατάλληλη ποσότητα αέρα και

η θερµοκρασία έναυσης φθάσει στην επιθυµητή τιµή της • Η ατµόσφαιρα στη ζώνη καύσης είναι «διαυγής» σε σχέση µε αυτή που

εµφανίζεται στις περιπτώσεις καύσης πετρελαίου ή άνθρακα • Απλά συστήµατα καύσης χωρίς ουσιαστική ανάγκη συντήρησης • Περιβαλλοντικά πλεονεκτήµατα, λόγω χαµηλών εκποµπών αερίων του

θερµοκηπίου και άλλων εκποµπών • Επιπλέον πλεονέκτηµα της έναυσης του φυσικού αερίου θεωρείται η µη

αναγκαιότητα σηµαντικής ποσότητας αρχικού αέρα, ώστε η δευτερογενής παροχή θερµού αέρα χρησιµοποιείται αποκλειστικά στην καύση µέσα στην κάµινο

Επειδή η θερµοκρασία στη ζώνη έναυσης εµφανίζεται υψηλότερη στην περίπτωση

χρήσης φυσικού αερίου στην κάµινο σε σχέση µε τα άλλα καύσιµα, απαιτείται

26

κατάλληλη προσαρµογή του καυστήρα και της θέσης του στην έξοδο της καµίνου σε

περίπτωση αλλαγής τύπου καυσίµου.

Τα υγρά καύσιµα που χρησιµοποιούνται στην τσιµεντοβιοµηχανία είναι αποκλειστικά,

για λόγους χαµηλού κόστους, βαρέα κλάσµατα της απόσταξης αργού πετρελαίου, τα

οποία εµφανίζουν µεγάλο ιξώδες (είναι παχύρρευστα) και απαιτούν ιδιαίτερη φροντίδα

(προθέρµανση για να µειωθεί το ιξώδες τους) και προσοχή για την ικανοποιητική τους

«εκνέφωση» ώστε να προκληθεί ή έναυσή τους. Για να προκληθεί εκνέφωση,

ουσιαστικής σηµασίας παράγοντας για την καλή λειτουργία της καµίνου είναι η επαρκής

συµπίεσή τους, επειδή ατελής εκνέφωση (µεγάλο µέγεθος σταγονιδίων καυσίµου) έχει

ως αποτέλεσµα ατελή καύση µε αποτέλεσµα την επικάθιση µέρους του «µη καµένου»

πετρελαίου στα τοιχώµατα της περιστροφικής καµίνου και ανεπιθύµητη ανάµειξη µε την

τροφοδοσία.

Ως στερεά καύσιµα θεωρούνται οι παντός είδους ορυκτοί άνθρακες, ξύλα, άχρηστα

ελαστικά αυτοκινήτων, στερεά οργανικά απόβλητα, τα οποία µπορούν να

χρησιµοποιηθούν στην τσιµεντοβιοµηχανία για την παραγωγή ενέργειας (θερµότητα)

• Οι ορυκτοί άνθρακες κατατάσσονται σε τρεις κύριες κατηγορίες και συγκεκριµένα σε ανθρακίτες, βιτουµενιούχους άνθρακες και λιγνίτες

• Οι ανθρακίτες είναι οι γεωλογικά παλαιότεροι άνθρακες µε σηµαντικό ποσοστό άνθρακα, µικρό ποσοστό πτητικών και πρακτικά χωρίς υγρασία

• Οι λιγνίτες είναι οι γεωλογικά νεότεροι άνθρακες, µε σηµαντικό ποσοστό πτητικών και υγρασίας και χαµηλό ποσοστό µόνιµου άνθρακα

• Οι βιτουµενιούχοι άνθρακες είναι άνθρακες ενδιάµεσης θερµογόνου δύναµης

Η χηµική σύσταση των ανθράκων έχει σηµαντική επίδραση στην καύση τους και οι

ιδιότητές τους διακρίνονται στις φυσικές και τις χηµικές

• Οι φυσικές ιδιότητες των ανθράκων περιλαµβάνουν τη θερµογόνο δύναµή τους, το ποσοστό υγρασίας, την περιεκτικότητά τους σε πτητικά και την περιεκτικότητά τους σε τέφρα ενώ,

• Οι χηµικές τους ιδιότητες αναφέρονται στην περιεκτικότητά τους σε άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο και θείο (στοιχειακή ανάλυση)

27

Το ποσοστό υγρασίας των ανθράκων κυµαίνεται από 0.5-10% περίπου και θεωρείται ως

«µειονέκτηµα» των ανθράκων, επειδή αντικαθιστά την καύσιµη ύλη και µειώνει τη

θερµογόνο δύναµή τους

Τα πτητικά συστατικά των ανθράκων είναι εύφλεκτα αέρια (µεθάνιο, υδρογόνο,

µονοξείδιο του άνθρακα) και µη εύφλεκτα αέρια όπως διοξείδιο του άνθρακα και άζωτο.

Είναι φανερό ότι µεγάλη περιεκτικότητα σε πτητικά συµβάλει στην εύκολη ανάφλεξη

των ανθράκων.

Η τέφρα

• Η τέφρα αποτελεί την ανόργανη ύλη των ανθράκων, η οποία κυµαίνεται µεταξύ

5-40% στους άνθρακες και δεν καίεται

• Η περιεκτικότητα σε τέφρα επηρεάζει την απόδοση της καύσης, έχει επίδραση

στο προϊόν (κλίνκερ) της διεργασίας πυροσυσσωµάτωσης, επειδή, λόγω της

χηµικής συγγένειάς της µε τα οξείδια της φαρίνας, επιδρά στις παραγόµενες

φάσεις του κλίνκερ µεταβάλλοντας την αναλογία των διαφόρων οξειδίων της

φαρίνας. Επίσης, έχει σηµαντική επίδραση στον εξοπλισµό ελέγχου της αέριας

ρύπανσης και απαιτεί ειδικό εξοπλισµό διαχείρισης των στερεών καταλοίπων της

διεργασίας

Ο µόνιµος άνθρακας

• Ο µόνιµος άνθρακας (Fixed carbon, FC) είναι η κύρια πηγή έκλυσης θερµότητας

κατά την καύση και χρησιµοποιείται για τον κατ΄ εκτίµηση προσδιορισµό της

θερµογόνου δύναµης των ανθράκων

• Ο προσδιορισµός του µόνιµου άνθρακα FC στους διαφόρους τύπους ανθράκων

προκύπτει µε αφαίρεση του αθροίσµατος (ποσοστό υγρασίας + ποσοστό πτητικών

+ ποσοστό τέφρας) από την τιµή 100 δηλαδή:

FC = 100 - (ποσοστό υγρασίας + ποσοστό πτητικών + ποσοστό τέφρας)

Στον Πίνακα 2.3 δίνονται ενδεικτικά χαρακτηριστικές φυσικές και χηµικές ιδιότητες

ορυκτών καυσίµων που χρησιµοποιούνται στην τσιµεντοβιοµηχανία.

28

Πίνακας 2.2. Χαρακτηριστικές ιδιότητες καυσίµων τσιµεντοβιοµηχανίας

Στοιχείο Πετρέλαιο,

Fuel Oil Άνθρακας, Coal

(Ινδίας) Φυσικό αέριο, Natural Gas

Άνθρακας, Carbon 84 41.11 74

Υδρογόνο, Hydrogen 12 2.76 25

Θείο, Sulphur 3 0.41 -

Οξυγόνο, Oxygen 1 9.89 ίχνη

Άζωτο, Nitrogen ίχνη 1.22 0.75

Τέφρα, Ash ίχνη 38.63 -

Υγρασία, moisture ίχνη 5.98 -

Ενδεικτικές τιµές Ανώτερη Θερµογόνος δύναµη, GCV (Gross calorific value),

10500-10700

kcal/kg

4000 kcal/kg (Συνήθως από

4000-6000 kcal/kg, ανάλογα µε τη

γεωλογική ηλικία)

9350 kcal/Nm3 (Συνήθως κυµαίνεται από 9000-11000

kcal/Nm3)

Ιδιαίτερη σηµασία και προσοχή πρέπει να δίνεται στην περίπτωση χρήσης ανθράκων στις

περιστροφικές καµίνους, επειδή τα λεπτοµερή τεµάχια άνθρακα, που προκύπτουν από τη

διακίνησή τους και από τις διεργασίες ελάττωσης µεγέθους, προκαλούν προβλήµατα και

εγκυµονούν κινδύνους στην καύση. Στις περιπτώσεις αυτές, και για να αποφευχθεί η

απόµειξη των λεπτοµερών τεµαχίων από τα χονδροµερή στους σωρούς αποθήκευσης,

επιβάλλεται διαβροχή των λεπτοµερών και ανάµειξη των συσσωµατωµάτων µε

χονδροµερή τεµάχια. Η παραπάνω πρακτική µειώνει το ποσοστό του άνθρακα που δεν

καίεται και επίσης την απαιτούµενη % περίσσεια αέρα.

2.6. ΠΡΟΣ∆ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΛΛΗΛΗΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΑΕΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΥΣΗ ∆Ε∆ΟΜΕΝΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΕ ΥΓΡΑΣΙΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΓΟΝΟΣ ∆ΥΝΑΜΗ)

Η απαιτούµενη ποσότητα αέρα για την καύση συγκεκριµένου καυσίµου επιβάλει τον

καταρχήν υπολογισµό της θεωρητικά απαιτούµενης ποσότητας αέρα, που είναι

συνάρτηση των φυσικών και χηµικών ιδιοτήτων του καυσίµου. Η ποσότητα αυτή του

29

αέρα προκύπτει από τη στοιχειοµετρική επεξεργασία των εξώθερµων αντιδράσεων που

θα λάβουν χώρα µέσα στην κάµινο.

Για να επιτευχθούν συνθήκες πλήρους καύσης του καυσίµου, πρέπει η πραγµατική

ποσότητα του αέρα που τροφοδοτείται στην κάµινο να είναι µεγαλύτερη από τη

θεωρητικά απαιτούµενη που προέκυψε από το στοιχειοµετρικό υπολογισµό. Η διαφορά

των ποσοτήτων αυτών ανηγµένη %, ως προς τη θεωρητικά απαιτούµενη ποσότητα,

αποτελεί την % περίσσεια αέρα

Στο διεθνές σύστηµα µονάδων η ελάχιστη ποσότητα (kg) αέρα, που απαιτείται για την

καύση δεδοµένου καυσίµου (άνθρακα), είναι (Peray, 1986):

Παροχή αέρα (kg αέρα/kg άνθρακα) = 10.478×SCF, όπου SCF (standard coal factor)

Ο SCF δίνεται από την εξίσωση:

7000100

100 BaSCF ×

−= ,

Όπου:

α είναι το ποσοστό υγρασίας του τροφοδοτούµενου άνθρακα και

Β η θερµογόνος δύναµη του τροφοδοτούµενου άνθρακα σε kcal/kg άνθρακα

Η παραπάνω υπολογιζόµενη τιµή αναφέρεται σε 5% περίσσεια αέρα καύσης της

απαιτούµενης από τη στοιχειοµετρία των αντιδράσεων.

Μια άλλη εξίσωση από την οποία υπολογίζεται η ελάχιστη παροχή αέρα, συναρτήσει της

στοιχειακής ανάλυσης του καυσίµου (για στερεά και υγρά καύσιµα), είναι:

όπου:

Η Παροχή αέρα δίνεται σε kg αέρα/kg καυσίµου και

m% είναι το ποσοστό % περίσσειας τροφοδοτούµενου αέρα (χρησιµοποιείται 5%)

C% είναι το ποσοστό % του περιεχόµενου C στο καύσιµο

H% είναι το ποσοστό % του περιεχόµενου Η στο καύσιµο

O% είναι το ποσοστό % του περιεχόµενου Ο στο καύσιµο

S% είναι το ποσοστό % του περιεχόµενου S στο καύσιµο

30

• Έλεγχος των προτεινόµενων εξισώσεων προσδιορισµού ελάχιστης παροχής αέρα καύσης, συναρτήσει των ιδιοτήτων του καυσίµου

Εφαρµόζοντας τις παραπάνω εξισώσεις για καύσιµο άνθρακα (προέλευσης Ινδίας,

Πίνακας 2.3) µε τα παραπάνω χαρακτηριστικά, οι παροχές του αέρα που υπολογίζονται

είναι:

5.63 kg αέρα/kg άνθρακα από την πρώτη εξίσωση, ενώ από τη δεύτερη εξίσωση

(χρησιµοποιώντας τη στοιχειακή ανάλυση του άνθρακα) η παροχή που προσδιορίζεται

είναι 5.58 kg αέρα/kg άνθρακα. Οι τιµές αυτές δεν απέχουν σηµαντικά µεταξύ τους.

Παίρνοντας υπόψη τις τιµές της πυκνότητας του αέρα συναρτήσει της θερµοκρασίας του

(Πίνακας 2.4), προσδιορίζεται ο όγκος του τροφοδοτούµενου αέρα.

Όµως, η πυκνότητα του αέρα εξαρτάται από την πίεση και τη θερµοκρασία του βάσει του

νόµου των ιδανικών αερίων.

Όπου ρ είναι η πυκνότητα του αέρα, p είναι η απόλυτη πίεση, R είναι η ειδική σταθερά

του ξηρού αέρα 287.05 J/(kg·K) στο διεθνές σύστηµα µονάδων και T είναι η απόλυτη

θερµοκρασία του αέρα.

Πίνακας 3.4. Πυκνότητα ξηρού αέρα συναρτήσει της θερµοκρασίας σε πίεση 760 mm Hg

Θερµοκρασία, (oC) Πυκνότητα, ρ (kg/m3)

-50 1.534

0 1.293

20 1.205

40 1.127

60 1.067

80 1.000

100 0.946

31

• Προσδιορισµός της περίσσειας ή της έλλειψης αέρα στην κάµινο

Σήµερα, για την επιτήρηση και την αξιολόγηση της λειτουργίας της καµίνου,

χρησιµοποιούνται αναλυτές αερίων (Ο2, CO και CO2) στα απαέρια της καµίνου όσο και

µέσα στην κάµινο. Το ποσοστό % του Ο2 στα απαέρια της καµίνου δείχνει τις συνθήκες

καύσης που επικρατούν µέσα στην κάµινο, επειδή το οξυγόνο που προσδιορίζεται στα

απαέρια έχει άµεση σχέση µε την ποσότητα του εισαγόµενου αέρα. Απουσία Ο2 στα

απαέρια δείχνει ότι δεν έχει εισαχθεί περίσσεια αέρα, ενώ ταυτόχρονη ανίχνευση CO στα

απαέρια δείχνει συνθήκες ατελούς καύσης µέσα στην κάµινο και επιβάλει άµεσο

«συναγερµό» στην εγκατάσταση. Υπάρχουν διαγράµµατα (Σχήµα 2.7) που δίνουν την %

περίσσεια του τροφοδοτούµενου αέρα συναρτήσει του ποσοστού % του Ο2 που

ανιχνεύεται στα απαέρια.

Σχήµα 2.7. Προσδιορισµός της % περίσσειας αέρα συναρτήσει του ποσοστού % Ο2 στα απαέρια.

• ∆ιοξείδιο του άνθρακα (CO2) στα απαέρια της καµίνου

Όπως προαναφέρθηκε, το ποσοστό του οξυγόνου (Ο2) στα απαέρια της καµίνου

προέρχεται αποκλειστικά από τον αέρα και είναι συνάρτηση της ποσότητας του

εισαγόµενου αέρα για την καύση των καυσίµων.

Αντιθέτως, το ποσοστό του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στα απαέρια είναι συνάρτηση

τόσο της διεργασίας πύρωσης του ασβεστολίθου όσο και της διεργασίας καύσης. Εάν δεν

υπάρχει έκλυση CO2 από την πύρωση του ασβεστολίθου και υπό ιδανικές συνθήκες

32

καύσης λειοτριβηµένου άνθρακα (πλήρης καύση του άνθρακα και απουσία περίσσειας

αέρα στα απαέρια), το µέγιστο δυνατό ποσοστό CO2 στα απαέρια είναι 18.3% περίπου.

Οµοίως, στις περιπτώσεις καύσης πετρελαίου και φυσικού αερίου τα ποσοστά είναι

15.8% και 12.2% περίπου, αντιστοίχως. Τα παραπάνω ποσοστά αναφέρονται στη σπάνια

περίπτωση της τέλειας καύσης των καυσίµων. Είναι προφανές ότι οποιαδήποτε

περίσσεια αέρα καύσης θα προκαλέσει µείωση αυτών των ποσοστών, λόγω µεγαλύτερης

αραίωσης του CO2 στα απαέρια. Επειδή όµως το ποσοστό του CO2 στα απαέρια

κυµαίνεται από 22-28%, είναι προφανές ότι µέρος αυτού οφείλεται στη διεργασία

πύρωσης του ασβεστολίθου.

Θεωρώντας ότι το ποσοστό του CO2, που προέρχεται από τη διάσπαση του

ασβεστολίθου της φαρίνας τροφοδοσίας παραµένει σταθερό, είναι προφανές ότι

οποιαδήποτε µείωση της τιµής του CO2 στα απαέρια οφείλεται σε περίσσεια του

τροφοδοτούµενου αέρα. Η µεγάλη περίσσεια αέρα είναι γνωστό ότι προκαλεί µείωση της

απόδοσης καύσης του καυσίµου, λόγω απαγωγής ποσότητας της παραγόµενης

θερµότητας στο περιβάλλον. Ως εκ τούτου η κατανάλωση καυσίµου ανά τόνο

παραγόµενου κλίνκερ είναι µεγαλύτερη, οπότε είναι προφανές ότι, το ποσοστό του CO2

στα απαέρια πρέπει να διατηρείται στη µέγιστη δυνατή τιµή κατά τη λειτουργία της

καµίνου.

Οι αναλυτές CO2 συνεχούς λειτουργίας µέσα στην κάµινο είναι συµπληρωµατικές

διατάξεις που δίνουν ενδείξεις για τη σωστή λειτουργία της καµίνου στη ζώνη πύρωσης

και είναι απαραίτητα εργαλεία για να διακριβώνονται εγκαίρως «διαταραχές» στην

περιοχή αυτή, οι οποίες αµέσως µετά επηρεάζουν τις διεργασίες πυροσυσσωµάτωσης

που ακολουθούν.

Από διάγραµµα (Σχήµα 2.8) µπορεί να προσδιοριστεί µε καλή προσέγγιση η % περίσσεια

του τροφοδοτούµενου αέρα, συναρτήσει του ποσοστού % του CO2 που ανιχνεύεται στα

απαέρια.

33

Σχήµα 2.8. Προσδιορισµός της % περίσσειας αέρα συναρτήσει του ποσοστού % CO2 στα απαέρια.

2.7. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΛΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΙΝΟ

1. Τα απαέρια της καµίνου πρέπει υπό κανονικές συνθήκες να περιέχουν 0.7-3.5% O2 (µε προτιµότερες τιµές µεταξύ 1-1.5%)

2. Τα απαέρια σε καµµία περίπτωση δεν πρέπει να περιέχουν µονοξείδιο του άνθρακα (CO). Το όριο άµεσου συναγερµού είναι 100 ppm (0.01% CO)

3. Τα απαέρια της καµίνου πρέπει να περιέχουν το µέγιστο δυνατό ποσοστό % CO2

34

2.8. Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ TOY ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

Το κοινό τσιµέντο Portland (OPC, Ordinary Portland Cement, Type I) είναι γενικώς

κατάλληλο για παραγωγή σκυροδέµατος, στις περιπτώσεις όµως που δεν υπάρχει επαφή

του σκυροδέµατος µε θειϊκές ενώσεις (τόσο στο έδαφος όσο και στα υπόγεια νερά µε τα

οποία πιθανόν έρχεται σε επαφή). Προέρχεται από την άλεση (λεπτοµερής λειοτρίβηση)

95-100% κατά βάρος κλίνκερ και 0-5% άλλων πρόσθετων. Σύµφωνα µε το ευρωπαϊκό

πρότυπο ENV 197-1:1992, η κατά βάρος % περιεκτικότητα σε (C3S+C2S) πρέπει να

είναι µεγαλύτερη ή ίση του 2/3=67%, ο λόγος µαζών CaO/SiO2≥ 2.0 και η

περιεκτικότητα σε MgO≤5.0 % δηλ.

2.8.1. Τσιµέντο Portland (OPC), Type I

(C3S+C2S) ≥ 67%

CaO/SiO2 ≥ 2.0

MgO ≤ 5.0 %

Τα άλλα πρόσθετα (Πίνακας τύπων τσιµέντου Ευρωπαϊκού Προτύπου, Πίνακες 4.1

έως 4.6-Κεφάλαιο 4) έχουν ιδιότητες πληρωτικών δηλ. είναι φυσικές πρώτες ύλες

(µεταλλευτικά ορυκτά π.χ. ποζολάνες ή λειοτριβηµένος ασβεστόλιθος) ή βιοµηχανικά

παραπροϊόντα. Τα βιοµηχανικά αυτά παραπροϊόντα είναι ανόργανες ενώσεις (ιπτάµενη

τέφρα, λειοτριβηµένες σκωρίες υψικαµίνων ή ατµοί πυριτίας), που λόγω των φυσικών

και χηµικών ιδιοτήτων τους (π.χ. κοκκοµετρική ανάλυση, ποζολανικότητα) είναι

συµβατά µε το τσιµέντο ή βελτιώνουν τις ιδιότητές του στην παραγωγή σκυροδέµατος

(π.χ. την εργασιµότητα του σκυροδέµατος, την απορροφητικότητά του σε νερό κλπ.).

Επειδή το ευρωπαϊκό πρότυπο δεν περιλαµβάνει λεπτοµερώς τις περιεκτικότητες του

κλίνκερ στα διάφορα οξείδια, χρησιµοποιείται ένας δείκτης ο οποίος ονοµάζεται δείκτης

κορεσµού σε άσβεστο (LSF, Lime Saturation Factor). Ο δείκτης αυτός για το τσιµέντο

πρέπει να κυµαίνεται µεταξύ 0.66 και 1.02 και δίνεται από το λόγο:

35

)(%65.0)(%2.1)(%8.2

)(%7.0)(%0.1

32322

3

OFeOAlSiO

SOCaOLSF

++

−= και

0.66≤≤≤≤ LSF ≤≤≤≤ 1.02

Κάθε παράγοντας σε παρένθεση δηλώνει το % ποσοστό κάθε οξειδίου (κατά βάρος) στο

τσιµέντο. Το ανώτερο όριο του LSF (1.02) εξασφαλίζει ότι, κατά τη µετατροπή των

πρώτων υλών σε κλίνκερ, δεν παραµένει ελέυθερο οξείδιο του ασβεστίου (CaO, free

lime), που έχει ως αποτέλεσµα την παρουσία του και τη συµµετοχή του κατά τη

διεργασία ενυδάτωσης του τσιµέντου. Τιµή του LSF µικρότερη από 0.66, προκαλεί

προβλήµατα κατά την πυροσυσσωµάτωση µε αποτέλεσµα το ποσοστό % του C3S στο

κλίνκερ που παράγεται να είναι χαµηλό. Έτσι, το σκυρόδεµα δεν µπορεί να αποκτήσει

την αρχική αντοχή του, η οποία αναπτύσσεται κατά την ενυδάτωση του τσιµέντου και

οφείλεται κατά το µεγαλύτερο ποσοστό στο πυριτικό τριασβέστιο (C3S, 3CaO⋅SiO2 ).

Ο πυριτικός δείκτης (SR, Silica Ratio), που ορίζεται ως:

3232

2

%%

%

OFeOAl

SiOSR

+=

Ο πυριτικός δείκτης δίνει τη σχετική τιµή των συνολικών πυριτικών ενώσεων (C3S+C2S)

προς τις C3Α και C4ΑF που υπάρχουν στο κλίνκερ. Οι τιµές του κυµαίνονται µεταξύ 1.7-

2.5 µε πιο συνήθεις αυτές µεταξύ 2.0 και 2.5. Αύξηση της τιµής του λόγου SR έχει ως

αποτέλεσµα την αύξηση των περιεχόµενων πυριτικών ενώσεων εις βάρος των C3Α και

C4ΑF, φάσεις οι οποίες καθορίζουν την ποσότητα της υγρής φάσης κατά την τήξη των

πρώτων υλών, ενώ ο λόγος ΑR (Alumina Ratio) που καλείται αργιλικός δείκτης ελέγχει

τη σύνθεση του κλίνκερ, όσον αφορά στις αναλογίες µεταξύ των C3Α και C4ΑF. Οι τιµές

του αργιλικού δείκτη στα τσιµέντα κοινού τύπου κυµαίνονται µεταξύ 1.0 και 3.0.

36

32

32

%

%

OFe

OAlAR =

2.8.2. Ιδιότητες των ενώσεων του κλίνκερ τσιµέντου

• Γενικές παρατηρήσεις

Το πυριτικό τριασβέστιο (C3S) περιέχεται σε ποσοστά 55-65% στο κοινό τσιµέντο

Portland (OPC, Ordinary Portland Cement). Η εψησιµότητα των πρώτων υλών, µε

πιθανό σχηµατισµό C3S σε περιεκτικότητα µεγαλύτερη από 65% στο κλίνκερ, είναι

προβληµατική. Το (C2S) αντιστοιχεί σε ποσοστό περίπου 20-25% του βάρους του

κλίνκερ. Επειδή όµως απαιτούνται υψηλότερες θερµοκρασίες για το σχηµατισµό του C3S

έναντι του C2S, χαµηλότερη θερµοκρασία έψησης οδηγεί τις διεργασίες προς την

κατεύθυνση σχηµατισµού C2S σε βάρος του C3S, γεγονός που έχει σηµαντική επίπτωση

στο είδος και τον τύπο του τσιµέντου που τελικά προκύπτει.

Το αργιλικό τριασβέστιο (C3Α, 3CaO.Al2O3) είναι υπεύθυνο για την εργασιµότητα

(workability) της τσιµεντοκονίας, οπότε µεγαλύτερη περιεκτικότητα σε C3Α στο

τσιµέντο προσδίδει ιδιότητες αυξηµένης εργασιµότητας στο τσιµέντο. Όµως, τσιµέντα µε

υψηλό % ποσοστό C3Α δεν έχουν αντοχή σε θειϊκές ενώσεις του εδάφους ή των

υπογείων υδάτων σε αντίθεση µε τσιµέντα χαµηλής περιεκτικότητας σε C3Α.

Το αργιλοσιδηρούχο τετρασβέστιο (C4AF) προσδίδει το χαρακτηριστικό του χρώµατος

στα τσιµέντα. Όσο µεγαλύτερο ποσοστό C4AF υπάρχει στο κλίνκερ, τόσο πιο σκούρο

είναι ένα τσιµέντο και επίσης, επειδή ο σίδηρος δρα ως ρευστοποητής κατά τη διεργασία

παραγωγής του κλίνκερ, η θερµοκρασία σχηµατισµού του κλίνκερ αναµένεται να είναι

χαµηλότερη όταν υπάρχει Fe2O3 στις πρώτες ύλες.

• Tricalcium silicate (C3S, Alite)

Το C3S ενυδατώνεται και σκληραίνει πολύ γρήγορα και είναι υπεύθυνο για την αρχική

πήξη και την αρχική αντοχή. Γενικώς, η αρχική αντοχή του σκυροδέµατος είναι

µεγαλύτερη, όσο αυξηµένη είναι η περιεκτικότητα του τσιµέντου σε C3S. Τα κύρια

χαρακτηριστικά του C3S στο τσιµέντο είναι:

37

⇒ Το κυριότερο συστατικό του clinker στο τσιµέντο, συνήθως περισσότερο από

50% κ.β.

⇒ Ταχεία ανάπτυξη αντοχής – Το C3S αντιδρά ταχύτερα από το C2S

⇒ Μεγάλη συνεισφορά στην τελική αντοχή

⇒ Ανθεκτική ένωση σε παρουσία θείου (θειικές ενώσεις)

⇒ Το 25% του προστιθέµενου νερού στο σκυρόδεµα ενώνεται και αντιδρά κατά τη

διεργασία ενυδάτωσης του C3S

⇒ Αναπτυσσόµενη θερµότητα: ≈500 kJ/kg

⇒ Η διεργασία ενυδάτωσης του C3S επηρεάζεται µέχρι κάποιου σηµείου από την

παρουσία του C3Α και της γύψου. Το C3Α και η γύψος δρούν «διεγερτικά» στην

ενυδάτωση του C3S. Επίσης και τα αλκάλια έχουν κάποια επίδραση στην

ενυδάτωση του C3S.

⇒ Η γενική αντίδραση ενυδάτωσης του C3S είναι:

Ca3SiO5 + (y+z)H2O = zCa(OH)2 + Ca(3-z)SiO(5-z)⋅yH2O

⇒ Σύµφωνα µε τη µέθοδο Bogue το C3S υπολογίζεται από την εξίσωση:

C3S = 4.071⋅CaO(%) – (7.6⋅SiO2 + 6.718⋅Al 2O3 + 1.43⋅Fe2O3 + 2.852⋅SO3)(%)

• Dicalcium Silicate (C2S, Belite)

• Το δεύτερο από πλευράς περιεκτικότητας συστατικό του clinker, που κυµαίνεται

από 10-60%

• Αργή ανάπτυξη αντοχής – Το C2S αντιδρά πιο αργά από το C3S

• Το C2S ενυδατώνεται και σκληραίνει πολύ αργά και συµβάλλει κατά κύριο λόγο

στην αύξηση της αντοχής µετά την πάροδο µιας εβδοµάδας περίπου από την

έναρξη της ενυδάτωσης.

• Συµµετέχει σηµαντικά στην τελική αντοχή

• Ανθεκτικό στην επίδραση ενώσεων θείου

• Το 20% του προστιθέµενου νερού ενώνεται και αντιδρά κατά τη διεργασία

ενυδάτωσης του C2S

• Αναπτυσσόµενη θερµότητα: 260 kJ/kg

38

• Κατά την ενυδάτωσή του το C2S επιδεικνύει όµοια συµπεριφορά µε το C3S, αλλά

αντιδρά µε µικρότερη ταχύτητα. Συνεχίζει όµως να ενυδατώνεται αργά κατά τη

διάρκεια της σκλήρυνσης του τσιµέντου και έτσι συµβάλλει στην αντοχή του

σηµαντικά

• Σύµφωνα µε τη µέθοδο Bogue το C2S υπολογίζεται από την εξίσωση:

C2S = 2.87⋅SiO2 (%) – 0.7544⋅C3S (%)

• Tricalcium Aluminate (C 3A)

Το C3A απελευθερώνει µεγάλη ποσότητα θερµότητας κατά το αρχικό χρονικό διάστηµα

της ενυδάτωσης και της πήξης. Συµβάλλει ελάχιστα στην αύξηση της αρχικής αντοχής.

Η γύψος (CaSO4), που προστίθεται κατά τη λειοτρίβηση του κλίνκερ, επειδή είναι

υγροσκοπική δηλ. προσλαµβάνει εύκολα νερό, επιβραδύνει το ρυθµό (ταχύτητα)

ενυδάτωσης του C3A. Χωρίς την προσθήκη γύψου, τα τσιµέντα που περιέχουν C3A θα

έπηζαν πολύ γρήγορα. Τσιµέντα µε χαµηλή περιεκτικότητα σε C3A είναι ιδιατέρως

ανθεκτικά σε εδάφη και νερά που περιέχουν θειϊκές ενώσεις. • Η περιεκτικότητά του στο τσιµέντο κυµαίνεται µεταξύ 3-10%

• Έχει µικρή συνεισφορά στην ανάπτυξη πρόωρης αντοχής (early strength)

• Χαµηλή συµβολή στην τελική αντοχή

• ∆εν είναι ανθεκτικό στην παρουσία θειικών ενώσεων

• 40-210% του βάρους του προστιθέµενου νερού χρησιµοποιείται κατά την

ενυδάτωση του C3Α

• Παρουσιάζει γρήγορη και µεγάλη έκλυση θερµότητας: ≈900 kJ/kg

• Συγκρινόµενο µε το C3S αντιδρά πολύ γρήγορα µε το νερό δίνοντας δυο

διαφορετικά ένυδρα προϊόντα σύµφωνα µε την αντίδραση:

2⋅ C3Α + 21⋅Η = C4AH13 + C2AH8

Οι ενώσεις αυτές σχηµατίζουν «πετάλια» µέσα στο τσιµέντο και µετατρέπονται

σε C3AH6, που σχηµατίζεται πολύ γρήγορα και ευθύνεται για τη δηµιουργία

κρυσταλλικού δικτύου κατά την ενυδάτωση. Παρουσία όµως ελεύθερης

ασβέστου στο τσιµέντο ευνοείται ο σχηµατισµός C4AH13 , που επιβραδύνει το

σχηµατισµό C3AH6, αλλά ακόµη και στην περίπτωση αυτή ο σχηµατισµός

C4AH13 προκαλεί πολύ γρήγορη πήξη του τσιµέντου. Για την αποφυγή της

39

ταχείας πήξης του τσιµέντου προστίθεται γύψος στο τσιµέντο και σχηµατίζεται το

ορυκτό εττριγκίτης (ettringite) κατά την ενυδάτωση σύµφωνα µε την αντίδραση:

C3Α + 3⋅CaSO4⋅2H2O + (25-26)⋅H2O = Ca6Al2O6(SO4)⋅(31-32)⋅ H2O

Σύµφωνα µε τη µέθοδο Bogue το C3A υπολογίζεται από την εξίσωση:

C3A = 2.65⋅(%)·Al2O3 – 1.692⋅(%)·Fe2O3

• Tetracalcium Aluminoferrite (C 4AF, Ferrite)

• Κυµαίνεται µεταξύ 5-10% στο τσιµέντο

• Έχει µικρή συµµετοχή στην ανάπτυξη αντοχής

• 37-70 του βάρους % νερού καταναλώνεται κατά την ενυδάτωσή του

• Μέτρια προς χαµηλή έκλυση θερµότητας: ≈ 420 kJ/kg

• Η αντίδραση ενυδάτωσής του είναι: C4ΑF + 13⋅Η = C4ΑFΗ13

• Σύµφωνα µε τη µέθοδο Bogue το C4AF υπολογίζεται από την εξίσωση:

C4ΑF = 3.04⋅Fe2O3

Το C4AF µειώνει (ελαττώνει) τη θερµοκρασία µετατροπής σε κλίνκερ και έτσι

συµβάλλει θετικά στην κατανάλωση ενέργειας κατά την παραγωγή του τσιµέντου.

Ενυδατώνεται και αυτό σχετικά γρήγορα αλλά δεν συµβάλλει σχεδόν καθόλου στην

ανάπτυξη αντοχής. Οι περισσότεροι χρωµατισµοί του τσιµέντου οφείλονται στην

παρουσία C4AF και των ένυδρων ενώσεών του.

Πίνακας 2.1: Θερµότητα εκλυόµενη κατά την ενυδάτωση των ενώσεων του τσιµέντου

Συστατικό Θερµότητα ενυδάτωσης, (kJ/kg)

C3S 502

C2S 260 (ελάχιστη)

C3A 867 (µέγιστη)

C4AF 419

• Αλκάλια (Na2O + K2O)

• Στη παραγωγή σκυροδέµατος πρέπει να χρησιµοποιούνται τσιµέντα µε χαµηλή

περιεκτικότητα σε αλκάλια, όταν χρησιµοποιούνται αδρανή που περιέχουν

40

πυριτικό (SiO2). Τα αλκάλια προωθούν (διευκολύνουν) τις αντιδράσεις µε το

άµορφο πυριτικό. Τα περιεχόµενα αλκάλια συµβάλλουν στην επιτάχυνση

απόκτησης της πρόωρης αντοχής αλλά ταυτόχρονα δρούν αρνητικά στην τιµή της

τελικής αντοχής. Τα περιεχόµενα αλκάλια προέρχονται τόσο από τις

χρησιµοποιούµενες πρώτες ύλες στην παραγωγή τσιµέντου, αλλά εξαρτώνται και

από τη µέθοδο παραγωγής του clinker (ξηρή ή υγρή). Τσιµέντο παραγόµενο από

υγρή µέθοδο περιέχει µικρότερο ποσοστό αλκαλίων συγκρινόµενο µε εκείνο της

ξηρής µεθόδου

• Η περιεκτικότητα σε αλκάλια λαµβάνονται υπόψη στη µεθοδολογία του Bogue

σύµφωνα µε την εξίσωση:

%Na2O (συνολικό)= %Na2O + 0.658⋅⋅⋅⋅(%K2O)

41

2.8.3. ∆ιαµόρφωση εξισώσεων Bogue

1. Γενικά

Για όσους ασχολούνται µε τη ρύθµιση των πρώτων υλών για την παραγωγή τσιµέντου, οι

τύποι (εξισώσεις) που προτάθηκαν από τον Bogue είναι οι συνηθέστερα

χρησιµοποιούµενοι «δείκτες» για την περιγραφή των ιδιοτήτων που αναµένεται να έχουν

το τσιµέντο ή το κλίνκερ. Τα συστατικά, που προσδιορίζονται από τις εξισώσεις του

Bogue, δίνουν µόνο την πιθανή σύνθεση, όταν το κλίνκερ έχει παραχθεί και ψυχθεί σε

δεδοµένες (κανονικές) συνθήκες. ∆ιαφοροποιήσεις στη θερµοκρασία παραγωγής και στο

ρυθµό ψύξης µπορούν να προκαλέσουν σηµαντικές αλλαγές στην πραγµατική σύνθεση

του προϊόντος.

Οι ποσοστικές αναλύσεις των κλίνκερ τσιµέντου γίνονταν µέχρι τώρα χρησιµοποιώντας

τις εξισώσεις του Bogue µε δεδοµένα που είχαν προκύψει από χηµικές αναλύσεις του

τσιµέντου ή από οπτική µικροσκοπία.

Πρόσφατα άρχισαν να εφαρµόζονται ακτινοδιαγνωστικές µέθοδοι (περίθλαση ακτίνων

Χ, XRD) σε συνδυασµό µε τη µέθοδο ποσοτικής ανάλυσης Rietveld που δίνει

ακριβέστερα αποτελέσµατα.

2. Οι εξισώσεις του Bogue για τα συστατικά του κλίνκερ

Όταν µέσω της χηµικής ανάλυσης ανιχνευθούν σηµαντικά ποσοστά SO3 και Mn2O3 στο

κλίνκερ, οι τιµές της χηµικής ανάλυσης πρέπει να διορθωθούν κατάλληλα για να

µπορούν να χρησιµοποιηθούν στις εξισώσεις Bogue. Με τη µέθοδο αυτή πρέπει να

ληφθούν υπόψη τα ποσοστά του CaO, που είναι πιθανόν να ενωθούν µε το SO3 και να

δώσουν CaSO4, πρέπει να υπολογιστεί η ελεύθερη άσβεστος (free lime, CaO) και να

ληφθεί υπόψη η περιεκτικότητα σε Mn2O3.

Οι τιµές των περιεκτικοτήτων, που θα χρησιµοποιηθούν στις εξισώσεις του Bogue

γίνονται:

%Fe2O3 (Bogue) = %Fe2O3 + %Mn 2O3 (1)

% CaO(Bogue) = %CaO – ελεύθερο CaO – (CaO δεσµευόµενο ως CaSO4) (2)

42

Για να προσδιοριστεί το CaO δεσµευόµενο ως CaSO4, πρέπει πρώτα να προσδιοριστούν

οι ποσότητες του SO3, που ενώνονται µε τα αλκάλια (Κ2Ο, Νa2O) και δίνουν K2SO4 και

Νa2SO4, αντιστοίχως. Η µεθοδολογία αυτή δίνεται παρακάτω.

Βήµα 1.

Εάν (%Κ2Ο/%SO3) < 1.176, τότε µέρος του SO3 ενώνεται µε το Κ2Ο και

παράγει K2SO4, οπότε :

%SO3(στο Κ2Ο) = 0.85(%Κ2Ο)

Βήµα 2.

Το αποµένον SO3 υπολογίζεται από:

SO3(αποµένον) = %SO3- %SO3 (στο Κ2Ο) =%SO3 - 0.85(%Κ2Ο)

Εάν (%Νa2Ο/%SO3(αποµένον)) < 0.774, τότε µέρος του SO3(αποµένον) ενώνεται

µε το Νa2Ο και παράγει Νa2SO4, οπότε :

%SO3 (στο Να2Ο) = 1.292 (%Να2Ο)

Βήµα 3.

Υπολογισµός του CaO που ενώνεται µε το SO3 και παράγει CaSO4

CaO (στο SO3) = 0.7 [%SO3 -%SO3 (στο Κ2Ο)-%SO3 (στο Να2Ο)]

= 0.7 [%SO3 - 0.85(%Κ2Ο) - 1.292 (%Να2Ο)] (3)

43

Το υπόλοιπο CaO, δηλαδή αυτό που αποµένει αν από το ποσοστό της χηµικής ανάλυσης

αφαιρεθεί η ποσότητα που δεσµεύεται ως CaSO4, χρησιµοποιείται στις εξισώσεις του

Bogue.

Επίσης, για τις εξισώσεις Bogue, εκτός από την εξίσωση (2), χρησιµοποιείται και η

εξίσωση (1), που αφορά στην περιεκτικότητα (συνολική) σε %Fe2O3 (Bogue) .

Όταν οι εξισώσεις Bogue χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό της σύνθεσης

(αναλογία πρώτων υλών) της τροφοδοσίας για την παραγωγή του κλίνκερ, τότε πρέπει να

ληφθούν προσεκτικά υπόψη και τα παρακάτω:

• Χρησιµοποίηση των χηµικών αναλύσεων, αφού αναχθούν στις πραγµατικές %

συγκεντρώσεις µετά την αφαίρεση του % ποσοστού των απωλειών (π.χ. απώλειες

πύρωσης)

• Τροποποίηση των συγκεντρώσεων των οξειδίων ή των άλλων χηµικών ενώσεων

λόγω της παραγωγής τέφρας (κατάλοιπο) από την καύση των ορυκτών καυσίµων

κατά τη διεργασία της πυροσυσσωµάτωσης (έψηση πρώτων υλών).

• Οι απώλειες ως σκόνη στα απαέρια

Ο προσδιορισµός του τύπου του τσιµέντου γίνεται µε χρήση των εξισώσεων Bogue,

αφού γίνει ορυκτολογική και χηµική ανάλυση µε µεθόδους XRD και XRF ή µε κλασσική

χηµική ανάλυση και οπτική µικροσκοπία και κατόπιν προσδιορισµός των ενώσεων του

τσιµέντου (C3S, C2S, C3A, C4AF) µε τη βοήθεια των εξισώσεων Bogue ακολουθώντας

τα εξής βήµατα:

1. Κατ΄αρχήν προσδιορίζεται το CaO, που δεσµεύεται ως CaSO4, όπως αναφέρθηκε

προηγουµένως. Το CaO που χρειάζεται να ενωθεί µε SO3 για την παραγωγή

CaSO4 έχει µάζα :

(56/80)x (%SO3) = 0.7 x (%SO3) (4)

ή σύµφωνα µε την πιο πάνω εξίσωση (2) όταν συνυπάρχουν Κ2Ο και Νa2O.

2. Το Fe2O3 ενώνεται µε το Al2O3 και το CaO για παραγωγή C4AF. Σύµφωνα µε τη

χηµική ανάλυση σε %Fe2O3 (αφού ληφθεί υπόψη και το Mn2O3), υπολογίζονται

οι ποσότητες των παραπάνω οξειδίων που δεσµεύει το Fe2O3. Αυτές είναι:

44

Al 2O3 = (102/160) x (%Fe2O3) = 0.64 x (%Fe2O3) και

4 CaO = (4 x 56/160) = 1.4 x (%Fe2O3)

Άρα το παραγόµενο C4AF έχει µάζα:

(1 + 0.64 + 1.4) (%Fe2O3) = 3.04 x (%Fe2O3) δηλαδή,

% (C4AF) = 3.04 x (%Fe2O3),

που είναι η πρώτη εξίσωση Bogue

3. Το υπόλοιπο Al 2O3 ενώνεται µε το CaO και δίνει C3A. Η ποσότητα του CaO,

που χρειάζεται είναι:

3 CaO = (3 x 56/102) = 1.65 x [(%Al2O3) – 0.64 x (%Fe2O3)]

και τελικά παράγεται

[1.65 x (%Al2O3) – 1.056 x (%Fe2O3)] + [1 x (%Al 2O3) – 0.64 x

(%Fe2O3)] ή τελικώς

% (C3A) = 2.65 x (%Al 2O3) – 1.696 x (%Fe2O3),

που είναι η δεύτερη εξίσωση Bogue.

4. Το υπόλοιπο CaO, µετά την αφαίρεση όλων των ποσοτήτων που έχουν

δεσµευτεί προηγουµένως, χρησιµοποιείται για τον υπολογισµό κατ΄αρχήν του

C2S (πιο εύκολα παραγόµενο λόγω χαµηλότερης θερµοκρασίας σχηµατισµού) και

κατόπιν του C3S.

Λαµβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, διαµορφώνονται οι εξισώσεις του Bogue, που

είναι:

Περίπτωση I:

A/F >= 0.64, όπου Α = % Al2O3 και F = % Fe2O3

• C4AF = 3.043 (%Fe2O3)

• C3A = 2.650 (%Al2O3) - 1.692 (Fe2O3)

• C2S = 2.867 (%SiO2) - 0.7544 (%C3S)

45

• C3S = 4.071 (% CaO) - 7.6 (% SiO2) - 6.718 (% Al2O3) – 1.43 (%

Fe2O3) - 2.852 (% SO3)

B. Περίπτωση II: A/F < 0.64

C4AF = 2.1 (% Al2O3) + 1.702 (%Fe2O3)

C3A = 0

C2S = 2.867 (%SiO2) - 0.7544 (%C3S)

C3S = 4.071 (% CaO) - 7.6 (% SiO2) - 4.479 (% Al2O3) – 2.859 (% Fe2O3) -

2.852 (% SO3)

Παράδειγµα:

∆εδοµένα: Raw material oxide composition ,

(Περιεκτικότητα των πρώτων υλών σε οξείδια, % κ.β.):

CaO = 63 (% κ.β.)

SiO2 = 20

Al 2O3 = 6

Fe2O3 = 3

MgO = 1.5

SO3 = 2

Αλκάλια (Κ2Ο, Νa2O) = 1

A/F = 6/3 = 2 (> 0.64), έτσι εµπίπτει στην περίπτωση Ι.

Περίπτωση Ι: "Πιθανή" αναλογία χηµικών συστατικών κλίνκερ

• C4AF = 3.043 × 3 = 9.13%

• C3A = 2.65×6 - 1.692×3 = 10.82%

• C3S = 4.07× 63 - 7.6×20 - 6.72×6 - 1.43 × 3 - 2.852 ×2 = 54.1%

(συνήθως υποεκτιµηµένο)

• C2S = 2.867×20 - 0.7544 ×54.1 = 16.52% (µεγαλύτερο του

πραγµατικού)

46

3. ΠΡΟΣ∆ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΟΥ ΜΕΙΓΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΩΝ

ΥΛΩΝ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

Στο παρόν κεφάλαιο εξετάζεται η µεθοδολογία προσδιορισµού της αναλογίας των

πρώτων υλών που θα χρησιµοποιηθούν µε στόχο την παραγωγή τσιµέντου

συγκεκριµένου τύπου, δηλαδή τσιµέντου που θα παρουσιάζει συγκεκριµένη

συµπεριφορά κατά την ενυδάτωσή του και θα προσδίδει σε βάθος χρόνου κατάλληλες

ιδιότητες στο σκυρόδεµα για το οποίο θα χρησιµοποιηθεί. Ως δεδοµένα

χρησιµοποιούνται η χηµική και ορυκτολογική σύσταση των δεδοµένων πρώτων υλών και

ο τύπος του τσιµέντου που επιδιώκεται να παραχθεί. Ο τύπος του τσιµέντου εκφράζεται

από τους δείκτες ποιότητας του κλίνκερ που έχουν καθιερωθεί διεθνώς.

Επίσης, γίνεται διερεύνηση της επίδρασης των τιµών των δεικτών ποιότητας του κλίνκερ

στη διαδικασία σύνθεσης της µέσης τροφοδοσίας και προκύπτουν χρήσιµα

συµπεράσµατα.

Εισαγωγή

Για την παραγωγή τσιµέντου συγκεκριµένου τύπου, δηλαδή τέτοιου ώστε να

παρουσιάζει συγκεκριµένη συµπεριφορά κατά την ενυδάτωσή του και να προσδίδει

κατάλληλες ιδιότητες στο σκυρόδεµα για το οποίο χρησιµοποιείται, είναι απαραίτητη η

παραγωγή κλίνκερ τσιµέντου µε ορισµένα φυσικοχηµικά χαρακτηριστικά (ορυκτολογική

σύσταση κλπ.).

Τα χαρακτηριστικά όµως του κλίνκερ εξαρτώνται από τις πρώτες ύλες που επιλέγονται,

από την αναλογία τους στο µείγµα και από την πυροµεταλλουργική κατεργασία στην

οποία υποβάλλονται.

Το µείγµα των πρώτων υλών (τροφοδοσία), εκτός των άλλων, πρέπει να έχει την

κατάλληλη µέση χηµική και ορυκτολογική σύσταση, ώστε µετά την πυροσυσσωµάτωσή

τους το κλίνκερ να παρουσιάζει ορισµένη σύσταση στα κύρια οξείδια CaO, SiO2, Al2O3

και Fe2O3 που εµφανίζονται στο κλίνκερ υπό τη µορφή των ενώσεων (φάσεων) C3S, C2S,

C3A και C4AF. Η ποσοστιαία % σύσταση του κλίνκερ στις ενώσεις αυτές επηρεάζει, σε

συνδυασµό µε το βαθµό λεπτότητας (Blaine fineness) κατά την άλεση, τη χηµική

47

συµπεριφορά του τσιµέντου που θα παραχθεί και καθορίζουν τα πεδία εφαρµογής του

(καταλληλότητα) για ορισµένες χρήσεις.

Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται η µεθοδολογία και ο τρόπος προσδιορισµού της

αναλογίας των πρώτων υλών υπό «στατικές» συνθήκες (steady state conditions) µε στόχο

την παραγωγή του τσιµέντου συγκεκριµένου τύπου. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιείται

το µαθηµατικό λογισµικό Mathcad, το οποίο επιτρέπει τη διεξαγωγή των διαφόρων

υπολογισµών µε µεγάλη ταχύτητα και ακρίβεια.

3.1. Τύποι τσιµέντων σύµφωνα µε το Αµερικανικό πρότυπο ASTM

Τα τσιµέντα αµερικανικού τύπου κατατάσσονται από το ASTM (American Standards

Testing Materials) σε πέντε κατηγορίες I, II, III, IV και V [4]. Οι κύριες κατηγορίες

χωρίζονται επίσης σε υποκατηγορίες, ανάλογα µε τις προσθήκες ανόργανων υλικών

(ιπτάµενη τέφρα, σκωρίες υψικαµίνων, ιπτάµενη τέφρα, ποζολανικά υλικά κλπ.) που

περιέχουν.

Τα τσιµέντα τύπου I κατά ASTM χαρακτηρίζονται ως «κοινά τσιµέντα» (OPC, ordinary

Portland cement) µε περιεκτικότητες σε C3S 50-55%, C2S 18-25% περίπου και οι άλλες

φάσεις C3A, C4AF κυµαίνονται από 1-17%.

Τα τσιµέντα τύπου II κατά ASTM είναι µέσης αρχικής αντοχής (µέσης αρχικής

θερµότητας ενυδάτωσης) και µέσης αντοχής σε θειϊκές ενώσεις µε µέγιστο ποσοστό

περιεχόµενου C3A 8%.

Τα τσιµέντα τύπου III χαρακτηρίζονται ως τσιµέντα υψηλής αρχικής αντοχής και έχουν

περιεκτικότητα σε C3S παρεµφερή µε αυτή των κοινών τσιµέντων (τύπου I) ή και

µεγαλύτερη και επίσης παρουσιάζουν µεγαλύτερη λεπτότητα (Blaine fineness), µέσω

της άλεσης απ’ ό,τι τα κοινά τσιµέντα, γεγονός που εξασφαλίζει µεγαλύτερη αρχική

ταχύτητα ενυδάτωσης και ως εκ τούτου και αρχική αντοχή.

Τα τσιµέντα τύπου IV κατά ASTM χαρακτηρίζονται ως τσιµέντα χαµηλής αρχικής

θερµότητας ενυδάτωσης (µικρό ή ενδιάµεσο ποσοστό % C3S) και µικρό ποσοστό C3A,

γεγονός που τα κάνει κατάλληλα για ογκώδεις κατασκευές (φράγµατα κλπ.), όπου η

απότοµη αύξηση της εκλυόµενης θερµότητας ενυδάτωσης πρέπει να αποφεύγεται για

λόγους προστασίας των έργων από ρωγµατώσεις.

48

Τα τσιµέντα τύπου V κατά ASTM παρουσιάζουν χαµηλό ποσοστό (≤ 5% σε C3A) και

είναι ανθεκτικά σε θειϊκές ενώσεις (π.χ. κατάλληλα για έργα σκυροδέµατος σε θαλάσσιο

περιβάλλον).

Στον Πίνακα 3.1 δίνεται η σύσταση των διαφόρων τύπων τσιµέντων σύµφωνα µε το

αµερικανικό πρότυπο ASTM.

Πίνακας 3.1. Σύσταση διαφόρων τύπων αµερικανικών τσιµέντων Portland Table1. Composition of some American Portland Cements [4]

Χηµική σύσταση κλίνκερ % Φάσεις κλίνκερ, % Τύπος

τσιµέντου κατά ASTM CaO Al2O3 Fe2O3 SiO2 SO3

Free CaO

C3S C2S C3A C4AF

I 1 63.8 5.6 2.4 20.7 1.6 0.4 55 18 11 7 Ι2 63.1 4.7 3.0 22.1 1.7 0.2 47 28 7 9 I 3 65.8 4.7 2.1 22.2 1.6 1.6 54 23 9 6

I

I 4 62.8 6.7 2.5 21.1 1.8 2.0 33 35 14 8 II 1 61.4 4.8 4.8 20.8 1.8 0.9 44 26 5 15

II II 2 64.9 4.0 2.1 24.0 1.7 1.5 41 38 7 6 III 1 65.6 5.2 2.5 20.0 2.3 1.8 63 10 10 8

III III 2 63.3 5.1 2.0 20.3 2.5 1.9 51 19 10 6 IV 1 59.6 4.6 5.0 22.9 1.3 0.4 25 47 4 15

IV IV 2 63.6 3.7 3.1 25.2 1.9 0.4 31 49 5 9 V1 64.3 3.1 3.3 24.4 1.4 0.5 45 36 3 10

V V2 63.3* 3.3 4.7 23.1 1.7 0.0 49 30 1 14

* Ενσωµατωµένη η διόρθωση για την ελεύθερη άσβεστο (Free CaO)

Όπου: C3S = 3CaO·SiO2

C2S = 2CaO·SiO2 C3A = 3CaO·Al 2O3 C4AF= 4CaO· Al2O3· Fe2O3,

είναι οι κυριότερες φάσεις του κλίνκερ και προσδιορίζονται µε διάφορες µεθόδους

(Bogue, Rietveld, XRD, οπτική µικροσκοπία κλπ.).

Στον Πίνακα 3.2 δίνονται οι τυπικές τιµές των δεικτών SR (πυριτικός δείκτης), AR

(αργιλικός δείκτης), Leq (υδραυλικός δείκτης) και LSF (βαθµός κορεσµού σε άσβεστο)

προς παραγωγή των τσιµέντων του αµερικανικού πρότυπου που δίνονται στον Πίνακα

3.1.

49

Πίνακας 3.2. Τυπικές τιµές των δεικτών SR, AR του Leq και του LSF για την ανάµειξη

των πρώτων υλών προς παραγωγή τσιµέντων του αµερικανικού πρότυπου (ASTM) του

Πίνακα 3.1. [4].

Όπου οι LSF, SR, AR και Leq χαρακτηρίζονται ως δείκτες ποιότητας του κλίνκερ και

κατ’ επέκταση και του τσιµέντου που θα παραχθεί από αυτό, µε άλεση και διάφορες

ανόργανες προσθήκες.

( ))%(

%

3232

2

OFeOAl

SiO

fa

sSR

+=

+= (1)

(%)

(%)

32

32

OFe

OAl

f

aAR ==

(2)

( )%65.018.18.2

100

fas

cLSF

⋅+⋅+⋅⋅

= (3)

( )( )

( )( )( )%

%

%)(

%

32322 OFeOAlSiO

CaO

fas

cLeq

++=

++=

(4)

Τύπος τσιµέντου κατά

ASTM

SR (πυριτικός δείκτης)

AR (αργιλικός δείκτης)

Leq , (υδραυλικός δείκτης)

LSF, (βαθµός

κορεσµού σε άσβεστο), %*

I 1 2.6 2.3 2.2 95.43 Ι2 2.9 1.6 2.1 90.04 I 3 3.3 2.2 2.3 96.45

I

I 4 2.3 2.7 2.1 92.69 II 1 2.2 1.0 2.0 90.46

II II 2 3.9 1.9 2.2 90.46 III 1 2.6 2.1 2.4 102.81

III III 2 2.9 2.6 2.3 98.00 IV 1 2.4 0.9 1.8 80.30

IV IV 2 3.7 1.2 2.0 83.19 V1 3.8 0.9 2.1 87.34

V V2 2.9 0.7 2.0 86.78

* O LSF υπολογίστηκε από τη σχέση µεταξύ Leq και LSF, AR και SR, που διαµορφώθηκε παρακάτω

50

Από τις παραπάνω σχέσεις, µε κατάλληλη επεξεργασία, προκύπτει ότι η σχέση, που

συνδέει τους δείκτες ποιότητας κλίνκερ, δίνεται από την εξίσωση:

65.018.1)1(8.2

)1()1(100

+⋅++⋅+⋅+⋅⋅

=ARARSR

SRARLeqLSF (5)

Με τη βοήθεια της εξίσωσης (5) συµπληρώθηκε ο Πίνακας 3.2. µε τις αντίστοιχες τιµές

του LSF.

Από τις % περιεκτικότητες των φάσεων C3S, C2S, C3A και C4AF (πιθανή σύσταση κατά

Bogue), που φαίνονται στον Πίνακα 1, διαπιστώνεται ότι τα τσιµέντα I 1, I 3, III 1 και III 2

θεωρούνται ως «κοινού τύπου» (ordinary Portland cements), ενώ όλα τα υπόλοιπα

τσιµέντα µπορούν να χαρακτηριστούν ως «βελιτικά» (σηµαντικό ποσοστό σε C2S).

Ο δείκτης LSF χρησιµοποιείται σήµερα ως ένας από τους σπουδαιότερους δείκτες για

τον χαρακτηρισµό της ποιότητας του τσιµέντου και οι τιµές του κυµαίνονται:

0.66 ≤≤≤≤ LSF ≤≤≤≤ 1.02

Το ανώτερο όριο του LSF (1.02) εξασφαλίζει ότι, κατά τη µετατροπή των πρώτων υλών

σε κλίνκερ, δεν παραµένει ελέυθερο οξείδιο του ασβεστίου (CaO, free lime), που έχει ως

αποτέλεσµα την παρουσία του και τη συµµετοχή του κατά τη διεργασία ενυδάτωσης του

τσιµέντου. Τιµή του LSF µικρότερη από 0.66, προκαλεί προβλήµατα κατά την

πυροσυσσωµάτωση (έψηση) µε αποτέλεσµα το ποσοστό του C3S στο κλίνκερ που

παράγεται να είναι χαµηλό. Έτσι, το σκυρόδεµα δεν µπορεί να αποκτήσει την αρχική

αντοχή του, που προκύπτει κατά την ενυδάτωση του τσιµέντου και οφείλεται κατά το

µεγαλύτερο ποσοστό στο πυριτικό τριασβέστιο (C3S, 3CaO⋅SiO2 ).

Ο πυριτικός δείκτης SR δίνει τη σχετική τιµή των συνολικών πυριτικών ενώσεων

(C3S+C2S) προς τις C3Α και C4ΑF που υπάρχουν στο κλίνκερ. Οι τιµές του συνήθως

κυµαίνονται µεταξύ 1.7-2.5 µε πιο συνήθεις αυτές µεταξύ 2.0 και 2.5. Αύξηση της τιµής

του λόγου SR έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση των περιεχόµενων πυριτικών ενώσεων εις

βάρος των C3Α και C4ΑF, που καθορίζουν την ποσότητα της υγρής φάσης κατά την τήξη

των πρώτων υλών. Ο λόγος ΑR ελέγχει τη σύνθεση του κλίνκερ όσον αφορά στις

αναλογίες µεταξύ των C3Α και C4ΑF. Οι τιµές του αργιλικού δείκτη στα τσιµέντα κοινού

τύπου κυµαίνονται µεταξύ 1.0 και 3.0.

51

Η συνολική (C3S + C2S) % περιεκτικότητα του κλίνκερ του τσιµέντου στις πυριτικές

φάσεις C3S και C2S κυµαίνεται µεταξύ 70-82% [2], ενώ εκτός των παραπάνω φάσεων

στο κλίνκερ υπάρχουν και τα παρακάτω:

• 0-17 % C3A

• 1-17% C4AF

• 0.5-6% MgO

• 0.5-3% Na2SO4, K2SO4 και ενώσεις που περιέχουν αυτές

• 0.2-4% ελεύθερη άσβεστο (CaO)

3.2. Πρώτες ύλες τσιµέντου Στους Πίνακες 3.3, 3.4 και 3.5, που ελήφθησαν από τη βιβλιογραφία και αφορούν σε

σύνθεση της τροφοδοσίας από τέσσερεις (4), τρεις (3) και δύο (2) πρώτες ύλες

αντίστοιχα, δίνεται η τυπική ανάλυση (ορυκτολογική, χηµική, ποσοστιαία % κατά βάρος)

των πρώτων υλών για την παραγωγή τσιµέντων κοινού τύπου (OPC) και επίσης φαίνεται

η µέση περιεκτικότητα της τροφοδοσίας που επιδιώκεται να παραχθεί από τις

συγκεκριµένες πρώτες ύλες.

Η απλούστερη µέθοδος δηµιουργίας της µέσης περιεκτικότητας της τροφοδοσίας για την

παραγωγή του τσιµέντου, που είχε υιοθετηθεί και εφαρµόζονταν για πολλά χρόνια

σ’όλες τις χώρες που παράγουν τσιµέντο, ήταν η ανάµειξη δύο (2) διαφορετικών

συµβατών µεταξύ τους από πλευράς χηµικής σύστασης πρώτων υλών, επειδή απαιτούσε

τον ελάχιστο έλεγχο στη ρύθµιση της µέσης τροφοδοσίας. Το πρόβληµα όµως της

παραγωγής ειδικών τύπων τσιµέντου απαιτεί σήµερα την ανάµειξη περισσοτέρων από δύο

πρώτων υλών για την επίτευξη της κατάλληλης µέσης περιεκτικότητας τροφοδοσίας.

Στις περιπτώσεις αυτές είναι απαραίτητη οπωσδήποτε η χρήση µιας πρώτης ύλης µε

περιεκτικότητα σε CaCO3 τουλάχιστον 80-85% (44.8-47.6% CaO) και επίσης η

χρησιµοποίηση και άλλων πρώτων υλών (αργιλοπυριτικά πετρώµατα, βωξίτες,

σιδηροµεταλλεύµατα, χαλαζιακές άµµοι κ.α.). Το ίδιο πρόβληµα ανακύπτει στις

περιπτώσεις που είναι απαραίτητη η ρύθµιση της µέσης περιεκτικότητας σε αλκάλια

στην παραγωγή του τσιµέντου και επίσης για τον έλεγχο της ευτηκτικής φάσης που

πρέπει να δηµιουργείται στη ζώνη µετατροπής των πρώτων υλών σε κλίνκερ.

52

Η ποσότητα της ευτηκτικής φάσης υπολογίζεται από ορισµένους τύπους, ανάλογα µε την

επιζητούµενη τιµή του αργιλικού δείκτη AR (a/f) του κλίνκερ και τη µέση

περιεκτικότητα της τροφοδοσίας σε MgO και η τιµή της (%) καθορίζει την εµφάνιση και

τη µορφή των δακτυλίων προστασίας της επένδυσης των περιστροφικών καµίνων,

γεγονός που επηρεάζει σηµαντικά τη διεργασία παραγωγής του τσιµέντου [1,2] .

Στη διαδικασία παραγωγής της κατάλληλης τροφοδοσίας σηµαντικότατο ρόλο επίσης

παίζουν, όχι µόνο η χηµική σύσταση, αλλά και οι φυσικοµηχανικές ιδιότητες

(σκληρότητα, αντοχή κλπ.) των πρώτων υλών που επιδρούν στην ποιότητα του

παραγόµενου τσιµέντου, στη λειτουργία της καµίνου αλλά και στην προετοιµασία από

πλευράς µεγέθους τεµαχίων της τροφοδοσίας.

Λόγω των διαφορετικών φυσικοµηχανικών ιδιοτήτων των πρώτων υλών, κατά την

προετοιµασία της τροφοδοσίας του τσιµέντου (θραύση, λειοτρίβηση, άλεση), η

κοκκοµετρική κατανοµή που επιτυγχάνεται είναι διαφορετική για κάθε υλικό, οπότε αυτό

έχει σηµαντική επίδραση στην περιεκτικότητα κάθε κοκκοµετρικού κλάσµατος όπως και

στη µέση τροφοδοσία στα διάφορα οξείδια (CaO, SiO2, Al2O3 και Fe2O3). Το πρόβληµα

αυτό επιβάλλει την ύπαρξη διαφορετικών θερµοκρασιών (διαφορές µέχρι και 150οC) για

την τήξη των διαφόρων κοκκοµετρικών κλασµάτων και την επίτευξη οµοιοµορφίας

προϊόντος ως προς το ιξώδες, µε επιπτώσεις τόσο στην κατανάλωση καυσίµων (κόστος

λειτουργίας της µεθόδου), στην προστασία των πυρίµαχων επενδύσεων της

περιστροφικής καµίνου [2], όσο και στην παραγόµενη ποσότητα της ελεύθερης

ασβέστου που προκύπτει [1].

Για την επίτευξη συνθηκών καλής τήξης, αποδοτικότητας και οικονοµίας της διεργασίας

έψησης, επιβάλλεται το µέγεθος τεµαχιδίων για τα χαλαζιακά πετρώµατα να είναι

µικρότερο από 45 µm (325 mesh) και των ασβεστολιθικών πετρωµάτων µικρότερο από

125 µm (80 mesh).

53

Πίνακας 3.3. Τυπική ανάλυση τροφοδοσίας πρώτων υλών για την παραγωγή κοινού τύπου τσιµέντου (OPC, Ordinary Portland Cement) κατά ASTM, [2]

Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό), %

Χηµική ένωση

Στόχος % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων υλών παραγωγής

κλίνκερ

1 Ασβεστόλιθο

ς

2 Αργιλοπυρι-τικό υλικό

3 Χαλαζιακή άµµος

4 Σιδηρο-

µετάλλευµα

Κατά βάρος % περιεκτικότητα του παραγόµενου κλίνκερ (χωρίς απορρόφηση τέφρας καυσίµου)

SiO2 13.6 1.4 37.9 95.0 2.7 20.3* Al2O3 4.2 0.5 16.5 1.4 6.6 6.2* Fe2O3 1.6 0.2 5.1 1.3 84.0 2.4* CaO 42.7 53.7 15.4 1.0 2.7 64.1* Ελεύθερη άσβεστος (CaO)

- - - - - 1.0*

CaCO3 77.8 95.9 27.5 1.8 4.8 - C3S (Bogue) - - - - - 57.52 C2S (Bogue) - - - - - 14.81 C3A (Bogue) - - - - - 12.4 C4AF (Bogue) - - - - - 7.3

Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συµµετοχή πρώτων υλών στην τροφοδοσία

- 73 22.5 4.2 0.3

*Τιµές για χρήση στις εξισώσεις Bogue Συντελεστής µετατροπής φαρίνας σε κλίνκερ (Raw meal factor) = 1.50, δηλαδή από 1.5 τόννους πρώτων υλών παράγεται 1 τόννος κλίνκερ.

54

Πίνακας 3.4. Σύνθεση (χηµική σύσταση %) τριών πρώτων υλών (1, 2 και 3) για την παραγωγή τσιµέντου , [3]

Πίνακας 3.5. Σύνθεση (χηµική σύσταση %) δύο πρώτων υλών (1 και 2) για την παραγωγή τσιµέντου, [2]

Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό), %

Χηµική ένωση

Στόχος, % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων υλών

παραγωγής κλίνκερ 1

Ασβεστόλιθος 2

Αργιλοπυριτικό υλικό

3 Χαλαζιακή άµµος

Κατά βάρος % περιεκτικότητα του παραγόµενου κλίνκερ

(χωρίς απορρόφηση τέφρας καυσίµου)

SiO2 14.35 4.83 65.0 91.58 21.5* Al2O3 4.04 1.85 24.0 2.83 6.1* Fe2O3 0.92 0.64 2.5 2.53 1.4* CaO 43.55 50.5 4.0 0.92 65.3* Ελεύθερη άσβεστος (CaO)

- - - - 1.0*

CaCO3 77.8 90.18 7.14 1.64 - C3S (Bogue) - - - - 55.4 C2S (Bogue) - - - - 19.9 C3A (Bogue) - - - - 13.8 C4AF (Bogue) - - - - 4.3

Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συµµετοχή πρώτων υλών

85.02 13.61 1.37

*Τιµές για χρήση στις εξισώσεις Bogue Συντελεστής µετατροπής φαρίνας σε κλίνκερ (Raw meal factor) = 1.50, δηλαδή από 1.5 τόννους πρώτων υλών παράγεται 1 τόννος κλίνκερ.

Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό), %

Χηµική ένωση

Στόχος, % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων υλών

παραγωγής κλίνκερ 1 2

Κατά βάρος % περιεκτικότητα του παραγόµενου κλίνκερ (χωρίς απορρόφηση τέφρας καυσίµου)

SiO2 13.7 6.9 15.9 20.5* Al2O3 4.0 1.9 4.7 6.0* Fe2O3 1.6 0.6 1.9 2.4* CaO 43.5 49.0 41.7 65.5* Ελεύθερη άσβεστος (CaO) - - - 1.0*

CaCO3 77.8 87.5 74.5 - C3S (Bogue) - - - 63 C2S (Bogue) - - - 11.0 C3A (Bogue) - - - 11.8 C4AF (Bogue) - - - 7.3

Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συµµετοχή πρώτων υλών

- 25 75

* Τιµές για χρήση στις εξισώσεις Bogue Συντελεστής µετατροπής φαρίνας σε κλίνκερ (Raw meal factor) = 1.50, δηλαδή από 1.5 τόννους πρώτων υλών παράγεται 1 τόννος κλίνκερ.

55

Τα καύσιµα που χρησιµοποιούνται στην παραγωγή τσιµέντου, ιδιαιτέρως δε αυτά (άνθρακες,

λιγνίτες) που αφήνουν ανόργανο υπόλειµµα καύσης (τέφρα), έχουν σηµαντική επίδραση στο

παραγόµενο κλίνκερ, επειδή µε αυτό τον τρόπο εισάγονται οξείδια που µεταβάλλουν τελικώς την

ποσοστιαία σύνθεση των πυριτικών φάσεων (C3S και C2S) του κλίνκερ και συνεπώς και του

τσιµέντου. Η έψηση παρουσιάζει µεγάλη ευαισθησία σε µικρές µεταβολές της περιεκτικότητας της

τροφοδοσίας σε CaO και SiO2, που έχει ως αποτέλεσµα τη σηµαντική διαφοροποίηση και στις

τελικές περιεκτικότητες σε C3S και C2S του κλίνκερ. Πολλή µικρότερη επίδραση έχει η

ενσωµάτωση της τέφρας στις φάσεις C3A και C4AF.

Μικρότερη αλλά σηµαντική επίσης επίδραση, τόσο στην παραγωγική διαδικασία όσο και στις

ιδιότητες και συµπεριφορά του τσιµέντου στο σκυρόδεµα έχουν και άλλες προσµίξεις που υπάρχουν

στις πρώτες ύλες παραγωγής τσιµέντου. Για το λόγο αυτό επιβάλλονται όρια για τις προσµίξεις

αυτές. Οι κυριότερες από τις ενώσεις αυτές είναι το MgO, Na2O, K2O, οι χλωριούχες ενώσεις και οι

ενώσεις του θείου.

Η παρουσία ελεύθερου MgO, το οποίο δεν ενσωµατώνεται στο κλίνκερ, δηµιουργεί προβλήµατα

κατά την ενυδάτωση του τσιµέντου, επειδή ενυδατώνεται µε πολύ αργότερο ρυθµό από τις

υπόλοιπες φάσεις του κλίνκερ µε αποτέλεσµα, σε βάθος χρόνου, η διογκoύµενη φάση του Mg(OH)2

να προκαλεί διαρρήξεις στο σκυρόδεµα και τις κονίες.

Η παρουσία αλκαλίων στην περιστροφική κάµινο, υπό µορφή θειϊκών ενώσεων, έχει σηµαντική

επίπτωση στο ιξώδες της ευτηκτικής φάσης και επιδρά στις ποσότητες των πυριτικών ενώσεων που

παράγονται και τελικώς στην υδραυλική συµπεριφορά του παραγόµενου τσιµέντου. Επίσης,

παρουσία χλωριούχων ενώσεων, σχηµατίζουν χλωριούχα αλκάλια που στην αρχή εξατµίζονται

µέσα στην κάµινο και κατόπιν συµπυκνώνονται στην έξοδο των καµίνων και προκαλούν εµφράξεις.

Η παρουσία αλκαλίων σε υψηλή περιεκτικότητα στο τσιµέντο έχει παρατηρηθεί ότι, κατά την

ενυδάτωσή του, σχηµατίζει µε συγκεκριµένα πυριτικά αδρανή ενώσεις τύπου γέλης (gel) οι οποίες

διογκώνονται και προκαλούν διαρρήξεις στο σκυρόδεµα και τις κονίες. Η αντίδραση αυτή είναι

γνωστή ως (Alkali silica reaction, ASR).

Πολλές φορές επίσης τα αλκάλια, υπό µορφή οξειδίων (απουσία θειϊκών ιόντων), ενσωµατώνονται

στο κλίνκερ ειδικά στη φάση C2S και παρεµποδίζουν τη µετατροπή του C2S σε C3S, ενώ για το C3A

αυξάνουν µεν την ικανότητα αντίδρασης στο νερό, όµως προκαλούν προβλήµατα κατά την πήξη

του και επιβάλλουν την προσθήκη γύψου για τον έλεγχο αυτού του φαινοµένου.

Επίσης, η παρουσία ιόντων χλωρίου στο τσιµέντο έχει σηµαντική επίδραση στη διάβρωση του

οπλισµού του σκυροδέµατος.

56

3.3. Μέθοδος του συστήµατος των γραµµικών εξισώσεων για τον προσδιορισµό της αναλογίας

των πρώτων υλών στην παραγωγή τσιµέντου

3.3.1. Ο ρόλος του αλγορίθµου ανάµειξης στο σύστηµα οµογενοποίησης πρώτων υλών

παραγωγής τσιµέντου

Για εξασφαλιστεί η ταχύτητα και ακρίβεια στους υπολογισµούς των παροχών των πρώτων υλών

W1, W2, W3 , W4 , W5, ..., WΝ, που συµµετέχουν στη διαµόρφωση της µέσης περιεκτικότητας της

τροφοδοσίας στο σύστηµα του µύλου λειοτρίβησης σε οποιαδήποτε χρονική στιγµή, είναι

απαραίτητη η χρήση ενός κατάλληλου υπολογιστικού συστήµατος και µαθηµατικού αλγορίθµου

ανάµειξης-καθορισµού της αναλογίας πρώτων υλών. Ο αλγόριθµος αυτός πρέπει να µπορεί να

υπολογίζει τη βέλτιστη λύση λαµβάνοντας υπόψη περιορισµούς, που αφορούν στην ποιότητα της

φαρίνας των πρώτων υλών (µέσω των γνωστών δεικτών) όπως επίσης και στα όρια διακύµανσης

των ολικών-µερικών παροχών των διαφόρων τροφοδοσιών.

3.3.2. Ποιοτικοί περιορισµοί της τροφοδοσίας παραγωγής τσιµέντου

Η βασική υπόθεση που γίνεται όσον αφορά στην ποιότητα των πρώτων υλών είναι ότι έχει

προηγηθεί επαρκής προοµογενοποίηση κάθε πρώτης ύλης σε προηγούµενα στάδια, δηλαδή σε

οµογενοποιητές τύπου σωρού, πριν τροφοδοτηθεί στο κύκλωµα ανάµειξης πρώτων υλών. Ως εκ

τούτου, η αρχή της µέσης ποιότητας των πρώτων υλών πάνω στην οποία βασίζονται οι υπολογισµοί

που ακολουθούν µπορεί να θεωρηθεί ως ρεαλιστική. Με κατάλληλη επιλογή της ποσοτικής

αναλογίας συµµετοχής κάθε µεµονωµένης πρώτης ύλης στη φαρίνα, είναι φανερό ότι παράγεται µια

µέση τροφοδοσία µε δεδοµένη και επιθυµητή χηµική σύσταση. Τα κριτήρια πάνω στα οποία

βασίζεται η µεθοδολογία σύνθεσης της φαρίνας είναι κατά κύριο λόγο οι δείκτες κορεσµού σε

άσβεστο (Lime saturation factor, LSF), ο πυριτικός δείκτης (Silica ratio, SR) και ο αργιλικός δείκτης

(Alumina ratio, AR), οι οποίοι χαρακτηρίζονται ως ποιοτικοί δείκτες της τροφοδοσίας.

Οι τιµές αυτών των δεικτών υπολογίζονται από τις γνωστές µαθηµατικές σχέσεις και από τις επί

τοις % περιεκτικότητες c, s, a και f του µείγµατος των πρώτων υλών (φαρίνα) σε οξείδια του

ασβεστίου (CaO), του πυριτίου (SiO2), του αργιλίου (Al2O3) και του σιδήρου (Fe2O3), αντίστοιχα.

57

Επίσης, για τη διευκόλυνση του προσδιορισµού της βέλτιστης λύσης για τις τροφοδοσίες W1, W2,

W3 , W4 , W5, ..., WΝ, που προκύπτει υπό τους παραπάνω περιορισµούς και για οικονοµικούς λόγους,

η επιλογή των αναµειγνυόµενων µεµονωµένων πρώτων υλών πρέπει να γίνεται µε τέτοιο τρόπο

ώστε αυτές να διαφέρουν εµφανώς µεταξύ τους όσον αφορά στη χηµική τους σύσταση στα

παραπάνω οξείδια. Είναι επίσης προφανές ότι κάθε µια από τις πρώτες ύλες, που χρησιµοποιούνται,

πρέπει να περιέχει τουλάχιστον ένα από τα παραπάνω οξείδια.

Εάν θεωρηθεί ότι αναµειγνύονται Ν πρώτες ύλες και ότι η χηµική τους σύσταση στα τέσσερα

οξείδια είναι γνωστή, τότε οι τιµές των αντίστοιχων περιεκτικοτήτων είναι:

c1 c2 c3 … cN

s1 s2 s3 … sN

a1 a2 a3 … aN

f1 f2 f3 … fN

Έστω επίσης ότι οι παροχές των Ν πρώτων υλών είναι W1, W2, W3 , W4 , ..., WΝ . Τότε οι

αναµενόµενες µέσες περιεκτικότητες c, s, a και f της τροφοδοσίας (φαρίνα) στα οξείδια δίνεται από

τις µαθηµατικές σχέσεις:

TNN WcWcWcWcWc ⋅=⋅+⋅⋅⋅+⋅+⋅+⋅ 332211

TNN WsWsWsWsWs ⋅=⋅+⋅⋅⋅+⋅+⋅+⋅ 332211 (6)

TNN WaWaWaWaWa ⋅=⋅+⋅⋅⋅+⋅+⋅+⋅ 332211

TNN WfWfWfWfWf ⋅=⋅+⋅⋅⋅+⋅+⋅+⋅ 332211

όπου NT WWWWWW +⋅⋅⋅++++= 4321 (7)

είναι η συνολική παροχή της τροφοδοσίας των πρώτων υλών.

Επιπροσθέτως, περιορισµοί ελέγχου ποιότητας επιβάλλονται όσον αφορά στα κάτω και άνω όρια

διακύµανσης των δεικτών LSF, SR και AR που δίνονται από τις σχέσεις:

fas

chLSFl

⋅+⋅+⋅⋅

=<<65.018.18.2

10022 (8)

fa

shSRl

+=<< 33 (9)

58

και

f

ahARl =<< 44 (10)

Είναι δυνατόν επίσης να επιβληθούν περιορισµοί (constraints) στις διακυµάνσεις των τιµών, που

αφορούν τόσο στη συνολική παροχή τροφοδοσίας WT ( )11 hWl T << όσο και στις τιµές των

διαφορετικών παροχών τροφοδοσίας W1, W2, W3 , W4 , ..., WΝ ή ακόµη στο ποσοστό µιας

τροφοδοσίας σε σχέση µε κάποια άλλη (σχέση µεταξύ δύο παροχών τροφοδοσίας).

Είναι προφανές ότι, αν χρησιµοποιηθούν δεδοµένες τιµές για τους δείκτες LSF, SR και AR µαζί µε

τα αποδεκτά όρια διακύµανσής τους, τότε είναι δυνατή µια µοναδική λύση για τις παροχές

τροφοδοσίας, µόνο στην περίπτωση που ο αριθµός των άγνωστων παροχών N υπερβαίνει κατά ένα

(-1-) τον αριθµό των δεικτών ποιότητας της σχεδιαζόµενης µέσης τροφοδοσίας µαζί µε την εξίσωση

ολικού ισοζυγίου των παροχών τροφοδοσίας, δηλαδή ο αριθµός των αγνώστων ισούται µε τον

αριθµό των µαθηµατικών σχέσεων που µπορούν να διαµορφωθούν. Στην περίπτωση αυτή

(εξισώσεις 11) οι άγνωστοι είναι οκτώ (W1, W2, W3 , W4 , c, s, a και f) και οι εξισώσεις που

διαµορφώνονται είναι επίσης οκτώ (8). Οι τέσσερεις από αυτές αφορούν στις µέσες περιεκτικότητες

των τεσσάρων οξειδίων (c, s, a και f) της τροφοδοσίας, µία (1) εξίσωση είναι αυτή του ολικού

ισοζυγίου µάζας και τρείς (3) εξισώσεις είναι αυτές που προκύπτουν από τους τρεις δείκτες

ποιότητας (LSF, SR και AR).

Πολλές φορές όµως, αυτή η λύση µπορεί να δίνει τιµές µη αποδεκτές, οπότε προκύπτει η ανάγκη

για αντιµετώπιση του προβλήµατος προς την κατεύθυνση της βέλτιστης προσέγγισης.

c1

s1

a1

f1

1

0

0

0

c2

s2

a2

f2

1

0

0

0

c3

s3

a3

f3

1

0

0

0

c4

s4

a4

f4

1

0

0

0

Wtot−

0

0

0

0

100−

0

0

0

Wtot−

0

0

0

2.8xLSF

1−

0

0

0

Wtot−

0

0

1.18xLSF

SR

1−

0

0

0

Wtot−

0

0.65xLSF

SR

AR

W1

W2

W3

W4

c

s

a

f

0

0

0

0

Wtot

0

0

0

(11)

όπου WT = Wtot (12)

Η παραπάνω µεθοδολογία περιγράφεται µε τη µορφή της θεωρίας πινάκων από την εξίσωση:

x =

59

CBxb = (13)

όπου Β είναι ο πίνακας που δίνει τις ποσότητες και τις περιεκτικότητες (ποιότητα) των

αναµειγνυόµενων πρώτων υλών.

Στην περίπτωση όπου ο αριθµός των αναµειγνυόµενων πρώτων υλών είναι Ν = 4, τότε ο πίνακας Β

είναι (8 x 8) δηλαδή είναι τετραγωνικός (αντιστρέψιµος) και b είναι το διάνυσµα που δίνει τη λύση

του προβλήµατος (εξίσωση 7).

xCBb 1−= , (14)

όπου Β-1 ο αντίστροφος πίνακας του Β.

Κατά τον ίδιο τρόπο, όταν ο αριθµός των αναµειγνυόµενων πρώτων υλών είναι Ν = 3 ή Ν = 2, για

να µετατραπεί ο πίνακας Β σε αντιστρέψιµο παραλείπονται ένας (1) ή δύο (2) δείκτες ποιότητας

αντιστοίχως δηλ. ο AR και οι (SR, AR), οπότε οι πίνακες Β γίνονται (7x7) και (6x6) οπότε έχουν

αντίστροφους και παρέχουν λύση.

Η λύση που προκύπτει µε εφαρµογή της παραπάνω διαδικασίας µπορεί να δώσει αποτελέσµατα τα

οποία δεν έχουν φυσική σηµασία (π.χ. αρνητικές τιµές σε µια από τις τιµές των παροχών

τροφοδοσίας Wi (i = 1, 2, …, N). Στην περίπτωση αυτή πρέπει να διαφοροποιηθεί ο πίνακας Β και

το διάνυσµα C στις εξισώσεις (11) ώστε να προκύπτει φυσικώς αποδεκτή λύση, δηλαδή οι παροχές

W1, W2, W3 , W4 , ..., WΝ. > 0. Για το σκοπό αυτό, παραλείπεται στον πίνακα Β και το διάνυσµα C ο

παράγοντας που αφορά στον αργιλικό δείκτη AR και εισάγεται ο παράγοντας που στην

προηγούµενη επίλυση παρουσίαζε πρόβληµα (π.χ. ο W3) µε τον αντίστοιχο περιορισµό. Ο πίνακας Β

και το διάνυσµα C που διαµορφώνεται για την αντιµετώπιση του προβλήµατος (π.χ. για αρχικά

αρνητική τιµή W3) είναι αυτός που δίνεται παρακάτω

c1

s1

a1

f1

1

0

0

0

c2

s2

a2

f2

1

0

0

0

c3

s3

a3

f3

1

0

0

1

c4

s4

a4

f4

1

0

0

0

Wtot−

0

0

0

0

100−

0

0

0

Wtot−

0

0

0

2.8xLSF

1−

0

0

0

Wtot−

0

0

1.18xLSF

SR

0

0

0

0

Wtot−

0

0.65xLSF

SR

0

W1

W2

W3

W4

c

s

a

f

0

0

0

0

Wtot

0

0

W3min

(15)

x =

60

Αξίζει να σηµειωθεί εδώ ότι, η σειρά σηµαντικότητας των δεικτών ποιότητας για να διαµορφωθεί

το σύστηµα των εξισώσεων είναι η LSF, SR και AR, οπότε αν πρέπει κάποιος δείκτης ποιότητας να

παραλειφθεί από το σύστηµα, η σειρά τους είναι αντίστροφη της σειράς σηµαντικότητας.

3.4. Άλλες µέθοδοι προσδιορισµού της αναλογίας των πρώτων υλών

3.4.1. Η µέθοδος Powell χωρίς περιορισµούς Η µέθοδος Powell [3] είναι µια άλλη µέθοδος προσδιορισµού των παροχών τροφοδοσίας σε

προβλήµατα ανάµειξης πρώτων υλών και εφαρµοζεται εναλλακτικά στο «ζήτηµα» προσδιορισµού

της βέλτιστης λύσης (βέλτιστη προσέγγιση των τιµών στόχων LSF, SR και AR) για προβλήµατα υπό

«στατικές» (steady state) συνθήκες.

Η µέθοδος είναι µια «επαναληπτική» µέθοδος σύγκλισης των αποτελεσµάτων προς τις αποδεκτές

τιµές των παροχών τροφοδοσίας. Εφαρµόζεται στις περιπτώσεις όπου ο αριθµός των µεταβλητών

και των περιορισµών είναι µεγαλύτερος από αυτούς που υπάρχουν στα συνήθη προβλήµατα

ανάµειξης πρώτων υλών. Με τη µέθοδο αυτή εξασφαλίζεται ότι, στην επαναληπτική διαδικασία που

εφαρµόζεται, είναι βέβαιη η επίτευξη βέλτιστης λύσης ανεξάρτητα από το σηµείο (δεδοµένο, initial

point) εκκίνησης της διαδικασίας σύγκλισης.

3.4.2. Τροποποιηµένη µέθοδος Powell µε περιορισµούς

Η χρήση του κλασσικού αλγορίθµου Powell, όπως περιγράφηκε προηγουµένως, δεν παρουσιάζει

την απαιτούµενη ευελιξία για την επίλυση του προβλήµατος ανάµειξης πρώτων υλών, επειδή δεν

έχει τη δυνατότητα να περιλάβει περιορισµούς που αφορούν στις µεταβλητές W1, W2, W3 , W4 , ...,

WΝ και στις «συναρτησιακές» µεταβλητές WΤ, LSF, SR και AR.. Αν όµως η µέθοδος τροποποιηθεί,

σύµφωνα µε τη µέθοδο που ήδη έχει εφαρµοστεί (Helmy, 1975), τότε υπάρχει η δυνατότητα να

ενσωµατώσει και περιορισµούς, οπότε η µέθοδος Powell µετατρέπεται σε «µέθοδο µε

περιορισµούς».

Η αντιµετώπιση του προβλήµατος, µέσω της τροποποιηµένης µεθόδου Powell, έχει το

χαρακτηριστικό της ανάγκης αποµάκρυνσης των περιορισµών που έχουν επιβληθεί µε τη βοήθεια

της µεθόδου Box [3] µε χρήση της συνάρτησης

( ) nn Ylhlx 2111 sin⋅−+= (16)

61

όπου l1, h1 είναι τα κάτω και άνω όρια του περιορισµού που έχει επιβληθεί στη συνάρτηση Xn και

Υn είναι η αντίστοιχη συνάρτηση χωρίς περιορισµούς.

3.4.3. Ελαχιστοποίηση της συνάρτησης σφάλµατος

Η αντικειµενική συνάρτηση, που χρησιµοποιείται για την επίλυση του προβλήµατος ανάµειξης

πρώτων υλών για τη µέθοδο Powell µε περιορισµούς, είναι µια συνάρτηση σφάλµατος της µορφής

( ) ( ) ( ) 22222 )()(JTTjjjj WWARARcSRSRbLSFLSFaexF −+−+−+−== (17)

και j = 1, 2, 3, …, N, τιµή που δείχνει το αντίστοιχο βήµα της διαδικασίας ελαχιστοποίησης της

παραπάνω συνάρτησης και την πραγµατική τιµή των δεικτών ποιότητας LSFj, SRj και ARj στο βήµα

αυτό.

Οι τιµές των συντελεστών της συνάρτησης (17) κυµαίνονται από 0 ≤ α, b, c ≤1,

ανάλογα µε το επίπεδο σηµαντικότητας των δεικτών ποιότητας LSF, SR και AR στη διαδικασία

σύνθεσης των διαφόρων πρώτων υλών. Όταν ο δείκτης ποιότητας παραλείπεται, ο αντίστοιχος

συντελεστής παίρνει τιµή 0, ενώ έχει τιµή 1 στην περίπτωση που ο σχετικός δείκτης ποιότητας

πρέπει οπωσδήποτε να περιληφθεί στη λύση.

Εάν α = b = c = 1, τότε οι δείκτες ποιότητας LSF, SR και AR θεωρούνται ότι έχουν ίδια

σηµαντικότητα στο αποτέλεσµα της λύσης του προβλήµατος, ενώ στην πραγµατικότητα ο LSF έχει

τη µεγαλύτερη και ο AR τη µικρότερη.

Στην παραπάνω µέθοδο ο αριθµός των περιορισµών που επιβάλλονται στις διάφορες µεταβλητές

µπορεί να είναι µεγαλύτερος από τον αριθµό των διαθέσιµων πρώτων υλών, ενώ στην περίπτωση

του συστήµατος των εξισώσεων πρέπει να είναι ίσος. Αυτό σηµαίνει ότι στην τροποποιηµένη

µέθοδο Powell µπορούν να επιβάλλονται και να χρησιµοποιηθούν περιορισµοί, που δεν µπορούν να

ληφθούν υπόψη στη µέθοδο του γραµµικού συστήµατος εξισώσεων.

3.4.4. Εφαρµογή της µεθόδου του συστήµατος των γραµµικών εξισώσεων [3]

• Πρώτες ύλες για τον προσδιορισµό της σύνθεσης της µέσης τροφοδοσίας

62

Για τον προσδιορισµό της αναλογίας των πρώτων υλών στη διαµόρφωση της µέσης τροφοδοσίας

παραγωγής των τσιµέντων αµερικανικού τύπου του Πίνακα 3.1 θα διερευνηθεί η χρήση διαφόρων

συνθέσεων πρώτων υλών. Η χηµική σύσταση των πρώτων υλών που χρησιµοποιούνται φαίνεται

στους πίνακες 3.6, 3.7, 3.8 και 3.9, όπου αυτές οργανώνονται σε τετράδες (1, 2, 3 και 4) όπως

επίσης και σε τριάδες (1, 2, 3). Οι στόχοι (περιορισµοί) που χρησιµοποιούνται είναι οι δείκτες

ποιότητας (LSF, SR και AR) του κλίνκερ το οποίο επιδιώκεται να παραχθεί κάθε φορά.. Οι τιµές

των δεικτών λαµβάνονται από τον Πίνακα 3.2 και αφορούν στους διάφορους τύπους τσιµέντων του

αµερικανικού προτύπου ASTM του Πίνακα 3.1.

Πίνακας 3.6. Χηµική σύσταση πρώτων υλών τσιµέντου

Πίνακας 3.7. Χηµική σύσταση πρώτων υλών τσιµέντου

Α΄ σύνθεση Πρώτων υλών (ξηρό υλικό), %

Χηµική ένωση 1 Ασβεστόλιθος

2 Σιδηρο-

µετάλλευµα

3 Χαλαζιακή άµµος

4 Αργιλοπυ- ριτικό υλικό

CaO 50.5 2.7 1.0 4.0 SiO2 4.83 2.7 95.0 65.0 Al 2O3 1.85 6.6 1.4 24.0 Fe2O3 0.64 84.0 1.3 2.5 CaCO3 90.2 4.8 1.8 7.14 Ελεύθερη άσβεστος CaO, SO3

Όσο προβλέπεται στον Πίνακα 1 (κατά ASTM) για κάθε τύπο τσιµέντου

Β΄ σύνθεση Πρώτων υλών (ξηρό υλικό), % Χηµική ένωση

1

Ασβεστόλιθος

2 Σιδηρο-

µετάλλευµα

3 Χαλαζιακή άµµος

4 Αργιλοπυ- ριτικό υλικό

CaO 50.5 2.7 1.0 15.4 SiO2 4.83 2.7 95.0 37.9 Al 2O3 1.85 6.6 1.4 16.5 Fe2O3 0.64 84.0 1.3 5.1 CaCO3 90.2 4.8 1.8 27.5 Ελεύθερη άσβεστος CaO, SO3

Όσο προβλέπεται στον Πίνακα 1 (κατά ASTM) για κάθε τύπο τσιµέντου

63

Πίνακας 3.8. Χηµική σύσταση πρώτων υλών τσιµέντου

Πίνακας 3.9. Χηµική σύσταση πρώτων υλών τσιµέντου

Γ΄ σύνθεση Πρώτων υλών (ξηρό υλικό), %

Χηµική ένωση 1 Ασβεστόλιθος

2 Αργιλοπυριτι-κό υλικό

3 Χαλαζιακή άµµος

CaO 50.5 15.4 1.0 SiO2 4.83 37.9 95.0 Al2O3 1.85 16.5 1.4 Fe2O3 0.64 5.1 1.3 CaCO3 90.2 27.5 1.8 Ελεύθερη άσβεστος (CaO), SO3

Όσο προβλέπεται στον Πίνακα 1 (κατά ASTM) για κάθε τύπο τσιµέντου

∆΄ σύνθεση Πρώτων υλών (ξηρό υλικό), %

Χηµική ένωση 1 Ασβεστόλιθος

2 Σιδηρο-

µετάλλευµα

3 Χαλαζιακή άµµος

CaO 50.5 2.7 1.0 SiO2 4.83 2.7 95.0 Al2O3 1.85 6.6 1.4 Fe2O3 0.64 84.0 1.3 CaCO3 90.2 4.8 1.8 Ελεύθερη άσβεστος (CaO), SO3

Όσο προβλέπεται στον Πίνακα 1 (κατά ASTM) για κάθε τύπο τσιµέντου

64

3.5. Προσδιορισµός της αναλογίας των πρώτων υλών, της µέσης σύστασης της τροφοδοσίας

και της πιθανής σύστασης (κατά Bogue) του παραγόµενου κλίνκερ

Στην παρούσα εργασία, µε δεδοµένα από τους Πίνακες 3.2, 3.6, 3.7, 3.8 και 3.9 και εφαρµόζοντας

τη µαθηµατική ανάλυση του συστήµατος γραµµικών εξισώσεων µε τη βοήθεια των λογισµικών

Mathcad και Excel, διαµορφώνονται οι παρακάτω Πίνακες 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14, 3.15, 3.16

και 3.17.

Οι Πίνακες 3.10 και 3.11 αφορούν στην παραγωγή τσιµέντων «κοινού τύπου» του αµερικανικού

προτύπου (I 1, I 3, III 1 και III 2 του Πίνακα 1) που αναµένεται να προκύψουν µε χρήση των τεσσάρων

(-4-) διαφορετικών πρώτων υλών των Πινάκων 3.6 και 3.7 µε δεδοµένα τις τιµές των LSF, SR και

AR (Πίνακας 3.2).

Ο Πίνακας 3.12 αναφέρεται στην παραγωγή τσιµέντων «κοινού τύπου» του αµερικανικού προτύπου

(I 1, I3, III 1 και III 2 του Πίνακα 3.1) που αναµένεται να προκύψουν µε χρήση τριων (-3-)

διαφορετικών πρώτων υλών του Πίνακα 3.8 µε δεδοµένα τις τιµές των LSF, SR από τον Πίνακα 3.2.

Στον Πίνακα 3.13 δίνονται τα αποτελέσµατα για τη σύνθεση της µέσης τροφοδοσίας και η πιθανή

σύνθεση (κατά Bogue) του κλίνκερ που αναµένεται να προκύψει, µε χρήση τεσσάρων (-4-)

διαφορετικών πρώτων υλών του Πίνακα 3.6 µε δεδοµένα (LSF, AR) για τα βελιτικά τσιµέντα I 2, I 4,

II 1, II 2, IV1, IV2, V1 και V2 του Πίνακα 3.2.

Στον Πίνακα 3.14 καταγράφονται οι δοκιµές βελτίωσης του βελιτικού τσιµέντου από 4 πρώτες ύλες

(τροφοδοσίες Πίνακα 3.6) µε µεταβολή των τιµών για τον δείκτη LSF.

Στους Πίνακες 3.15 και 3.16 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα διαµόρφωσης του µείγµατος τριών

(-3-) πρώτων υλών µε σκοπό παραγωγής βελιτικών τσιµέντων του αµερικανικού προτύπου από

τροφοδοσίες των Πίνάκων 3.8 και 3.9, ενώ στον Πίνακα 3.17 δίνεται το αποτέλεσµα «διόρθωσης»

της αρνητικής τιµής τροφοδοσίας του Πίνακα 3.16 µε επιβολή, κατά τη µαθηµατική επεξεργασία.,

µηδενικής τιµής (W2 = 0) στην δεύτερη τροφοδοσία του Πίνακα 3.9 (σιδηροµετάλλευµα)

65

Πίνακας 3.10. Παραγωγή κοινών τσιµέντων από 4 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 3.6)

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO

όπως Πίνακας 1 Τύπος

τσιµέντου LSF SR AR 1 2 3 4

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις (Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 42.953 SiO2 14.1 Al 2O3 3.78

Ι1 0.9543 2.60 2.3 80.90 0.455 5.453 13.19

Fe2O3 1.643

53.75 20.09 10.86 7.50 OPC

ASTM Type I

CaO 43.593 SiO2 14.545 Al 2O3 3.03

Ι3 0.9645 3.3 2.2 83.66 0.386 7.787 8.17

Fe2O3 1.377

55.82 20.44 8.55 6.29 OPC

ASTM Type I

CaO 43.426 SiO2 14.04 Al 2O3 3.497

ΙΙΙ2 0.98 2.90 2.60 82.40 0.19 6.051 11.364

Fe2O3 1.345

52.14 21.05 10.49 6.14 OPC

ASTM Type I ή III

CaO 43.679 SiO2 13.326 Al 2O3 3.472

ΙΙΙ1 1.0281 2.6 2.1 82.99 0.582 5.384 11.049

Fe2O3 1.653

62.39 10.24 9.61 7.55

Υψηλής αρχικής αντοχής,

ASTM Type III

66

Πίνακας 3.11. Παραγωγή κοινών τσιµέντων από 4 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 3.7)

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας (∆εδοµένα)

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO

όπως Πίνακας 1 Τύπος

τσιµέντου LSF SR AR 1 2 3 4

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις (Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 43.61 SiO2 14.316 Al 2O3 3.838

Ι1 0.9543 2.60 2.3 85.51 1 4.636 8.854

Fe2O3 1.669

54.65 20.33 11.02 7.62 OPC

ASTM Type I

CaO 44.004 SiO2 14.682 Al2O3 3.059

Ι3 0.9645 3.3 2.2 86.52 0.721 7.306 5.451

Fe2O3 1.39

56.45 20.55 8.63 6.34 OPC

ASTM Type I

CaO 43.997 SiO2 14.225 Al 2O3 3.543

ΙΙΙ2 0.98 2.90 2.60 86.38 0.655 5.356 7.61

Fe2O3 1.363

53.01 21.18 10.62 6.22 OPC

ASTM Type I ή III

CaO 44.237 SiO2 13.497 Al 2O3 3.516

ΙΙΙ1 1.0281 2.6 2.1 86.86 1.039 4.7 7.396

Fe2O3 1.675

63.36 10.25 9.72 7.65

Υψηλής αρχικής αντοχής,

ASTM Type III

67

Πίνακας 3.12. Παραγωγή κοινών τσιµέντων από 3 πρώτες ύλες του Πίνακα 3.8 (∆εδοµένα LSF, SR)

Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως

Πίνακας 1

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας

∆εδοµένα ( LSF, SR)

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h

Τύπος τσιµέντου

LSF SR AR (Υπολογ.) 1 2 3

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

CaO 42.882 SiO2 14.029 Al 2O3 4.049

Ι1 0.9543 2.60 3.006 80.201 15.155 4.644

Fe2O3 1.349

52.05 21.07 12.68 6.15

CaO 43.531 SiO2 14.483 Al 2O3 3.262

Ι3

0.9645 3.30 2.897 83.053 9.858 7.09

Fe2O3 1.126

54.35 21.28 10.11 5.14

CaO 43.395 SiO2 14.01 Al 2O3 3.61

ΙΙΙ2

0.98 2.90 2.96 82.102 12.187 5.711

Fe2O3 5.711

51.42 21.46 11.25 5.57

CaO 43.587 SiO2 13.237 Al 2O3 3.817

ΙΙΙ1

1.0281 2.60 2.996 82.088 13.563 4.349

Fe2O3 1.274

60.18 11.53 11.94 5.82

68

Πίνακας 3.13. Παραγωγή βελιτικών τσιµέντων από 4 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 3.6)

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας % Παροχή τροφοδοσίας ή t/h

Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως

Πίνακας 1 Τύπος

τσιµέντου LSF SR AR 1 2 3 4

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις (Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 42.602 SiO2 15.085 Al 2O3 3.201

I 2 0.9004 2.90 1.60 74.54 15.99 8.37 1.104

Fe2O3 42.602

45.97 30.19 7.65 9.13

Βελιτικό µέσης αρχικής αντοχής µέσης αντοχής σε θειϊκά άλατα,

ASTM Type II CaO 42.311 SiO2 14.042 Al 2O3 4.455

I 4 0.9269 2.30 2.70 78.26 0.229 3.686 17.822

Fe2O3 1.65

36.84 32.60 13.53 7.51 Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 42.154 SiO2 14.49 Al 2O3 3.293

II 1 0.9046 2.20 1.0 73.63 16.01 7.704 2.654

Fe2O3 3.293

43.18 29.74 4.73 15.03

Βελιτικό µέσης αρχικής αντοχής ανθεκτικό σε θειϊκά

άλατα, ASTM Type IV

CaO 43.198 SiO2 15.628 Al 2O3 2.625

II 2 0.9046 3.9 1.9 74.64 12.495 10.32 0.544

Fe2O3 1.382

45.26 33.07 6.93 6.31

Βελιτικό µέσης αρχικής αντοχής µέσης αντοχής σε θειϊκά άλατα,

ASTM Type II CaO 41.208 SiO2 16.161 Al 2O3 3.19

IV 1 0.8030 2.4 0.90 72.069 15.122 9.832 2.977

Fe2O3 3.544

22.32 52.66 3.69 16.18

Βελιτικό χαµηλής αρχικής αντοχής ανθεκτικό σε θειϊκά

άλατα, ASTM Type IV

CaO 42.42 SiO2 16.698 Al 2O3 2.462

IV 2 0.8319 3.70 1.20 75.53 11.05 12.02 1.40

Fe2O3 2.051

32.42 47.35 4.58 9.36

Βελιτικό χαµηλής αρχικής αντοχής ανθεκτικό σε θειϊκά

άλατα, ASTM Type IV

CaO 43.027 SiO2 16.198 Al 2O3 2.019

V1 0.8734 3.80 0.90 77.47 8.10 12.63 1.80

Fe2O3 2.243

46.90 34.28 2.33 10.24

Βελιτικό µέσης αρχικής αντοχής ανθεκτικό σε θειϊκά

άλατα, ASTM Type V

CaO 42.511 SiO2 15.805 Al 2O3 2.244

V2 0.8678 2.90 0.70 76.18 9.13 11.79 2.90

Fe2O3 3.206

45.08 33.96 0.78 14.63

Βελιτικό µέσης αρχικής αντοχής ανθεκτικό σε θειϊκά

άλατα, ASTM Type V

69

Πίνακας 3.14. ∆οκιµές βελτίωσης βελιτικού τσιµέντου από 4 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 3.6)

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας ∆εδοµένα (LSF, SR, AR)

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως

Πίνακας 1 Τύπος

τσιµέντου LSF SR AR 1 2 3 4

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις (Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 40.63 SiO2 16.836 Al 2O3 3.323

∆οκιµή 1 0.76 2.4 0.90 70.76 15.88 10.25 3.10

Fe2O3 3.692

9.44 65.29 3.84 16.85 Χ

CaO 40.905 SiO2 16.515 Al 2O3 3.26

∆οκιµή 2 0.78 2.4 0.90 71.382 15.521 10.054 3.044

Fe2O3 3.622

15.56 59.28 3.77 16.53 X

CaO 41.208 SiO2 16.161 Al 2O3 3.19

IV 1 0.803 2.4 0.90 72.069 15.122 9.832 2.977

Fe2O3 3.544

22.32 52.66 3.69 16.18

Βελιτικό χαµηλής αρχικής αντοχής ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

ASTM Type IV CaO 41.424 SiO2 15.909 Al2O3 3.14

∆οκιµή 3 0.82 2.4 0.90 72.56 14.838 9.674 2.93

Fe2O3 3.489

27.13 47.95 3.63 15.93

Βελιτικό χαµηλής αρχικής αντοχής ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

ASTM Type IV CaO 41.67 SiO2 15.622 Al2O3 3.083

∆οκιµή 3 0.84 2.4 0.90 73.11 14.515 9.494 2.876

Fe2O3 3.426

32.61 42.58 3.56 15.64

Βελιτικό χαµηλής αρχικής αντοχής ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

ASTM Type IV

70

Πίνακας 3.15. Παραγωγή βελιτικών τσιµέντων από 3 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 3.8)

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας ∆εδοµένα (LSF, SR)

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως

Πίνακας 1 Τύπος

τσιµέντου LSF SR AR

(Υπολογ.) 1 2 3

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις (Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 42.582 SiO2 14.962 Al 2O3 3.859

I 2 0.9004 2.90 2.968 79.961 13.901 6.138

Fe2O3 1.30

42.12 32.57 12.04 5.93 Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 42.276 SiO2 14.007 Al 2O3 4.59

I 4 0.9269 2.30 3.06 77.916 18.802 3.282

Fe2O3 1.50

35.73 33.28 14.44 6.85 Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 41.907 SiO2 14.136 Al 2O3 4.85

II 1 0.9046 2.20 3.079 76.659 20.562 2.779

Fe2O3 1.575

45.65 32.64 9.07 4.78 Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 43.269 SiO2 15.596 Al 2O3 2.951

II 2 0.9046 3.9 2.816 83.123 7.796 9.08

Fe2O3 1.048

31.55 36.99 15.28 7.19 Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 40.913 SiO2 15.739 Al 2O3 4.942

IV 1 0.803 2.4 3.058 74.453 21.238 4.308

Fe2O3 1.616

11.81 58.78 15.54 7.38 X

CaO 42.35 SiO2 16.519 Al 2O3 3.307

IV 2 0.8319 3.70 2.858 80.558 10.231 9.211

Fe2O3 1.157

27.44 50.34 10.21 5.28 Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 42.882 SiO2 15.971 Al 2O3 3.108

V1 0.8734 3.80 2.838 82.032 8.863 9.105

Fe2O3 1.095

40.09 38.44 9.58 5.00 Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 42.216 SiO2 15.391 Al 2O3 3.971

V2 0.8678 2.90 2.972 78.997 14.672 6.331

Fe2O3 1.336

34.60 40.08 12.39 6.10 Βελιτικό

ASTM Type I

71

Πίνακας 3.16. ∆οκιµή παραγωγής βελιτικών τσιµέντων από 3 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 3.9)

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας ∆εδοµένα (LSF, AR)

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως

Πίνακας 1 Τύπος

τσιµέντου LSF SR

(Υπολογ.) AR 1 2 3

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις (Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 43.913

SiO2 16.39

Al 2O3 1.816 I 2 0.9004 5.55 1.60 86.677 0.492 12.831

Fe2O3 1.135

54.91 29.06 4.34 5.18

OPC, ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

Type V

CaO 44.312 SiO2 16.166 Al 2O3 1.79

I 4 0.9269 6.59 2.70 87.502 -0.072 12.57

Fe2O3 0.663

53.56 29.11 5.43 3.03 Χ

CaO 43.683

SiO2 16.032 Al 2O3 1.859

II 1 0.9046 4.31 1.0 86.182 1.363 12.455

Fe2O3 1.859

52.47 29.36 2.67 8.49

OPC, ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

Type V

CaO 44.018 SiO2 16.397 Al 2O3 1.805

II 2 0.9046 5.94 1.9 86.895 0.27 12.835

Fe2O3 0.95

50.69 32.28 4.76 4.34

OPC, ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

Type V

CaO 42.649

SiO2 17.704 Al 2O3 1.862

IV 1 0.803 4.50 0.90 84.085 1.6 14.315

Fe2O3 2.068

30.08 53.45 2.15 9.44

Βελιτικό ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

Type V

CaO 43.137

SiO2 17.392 Al 2O3 1.833

IV 2 0.8319 5.18 1.20 85.092 0.954 13.954

Fe2O3 1.527

36.35 47.37 3.41 6.97

Βελιτικό ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

Type V

CaO 43.328 SiO2 16.448

Al 2O3 1.869 V1 0.8734 4.17 0.90 85.456 1.621 12.923

Fe2O3 2.076

47.76 34.70 2.16 9.48

Βελιτικό ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

Type V

CaO 43.041 SiO2 16.278

Al 2O3 1.907 V2 0.8678 3.52 0.70 84.489 2.399 12.752

Fe2O3 2.724

47.35 34.28 0.67 12.43

Βελιτικό ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

Type V

72

Πίνακας 3.17. ∆ιόρθωση της αρνητικής τιµής της τροφοδοσίας κατά την παραγωγή βελιτικού τσιµέντου από 3 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 3.9)

∆είκτες µέσης τροφοδοσίας ∆εδοµένα (LSF, AR)

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως

Πίνακας 1 Τύπος

τσιµέντου LSF SR

(Υπολογ.) AR 1 2 3

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις (Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 44.312 SiO2 16.166 Al 2O3 1.79

I 2 0.9269 6.59 2.70 87.502 -0.072 12.57

Fe2O3 0.663

53.56 29.11 5.43 3.03 Χ

CaO 44.713 Υπολογιζόµενα

SiO2 15.371 Al 2O3 1.797 I 2∆ 0.9269

6.11 2.51 88.31 0 11.69

Fe2O3 0.717

65.13 16.97 5.32 3.27

Υψηλής αρχικής αντοχής,

ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

ASTM Type III

73

3.6. Παρατηρήσεις-Συµπεράσµατα

Από τους Πίνακες 3.10 και 3.11, που αφορούν στην παραγωγή κλίνκερ από τις τροφές

των Πινάκων 3.6 και 3.7 αντιστοίχως και µε δεδοµένα τα LSF, SR και AR (Πίνακας 3.2),

διαπιστώνεται ότι οι δύο διαφορετικές συνθέσεις τροφοδοσίας (4 τροφές), που

χρησιµοποιούνται, παράγουν όµοιου τύπου «κοινά» τσιµέντα, επειδή αυτά τα τσιµέντα

ικανοποιούν και τους τρεις δείκτες ποιότητας κλίνκερ.

Από τον Πίνακα 3.13 διαπιστώνεται ότι, µε χρήση των τεσσάρων (-4-) τροφοδοσιών

του Πίνακα 6 παράγονται «βελιτικά» τσιµέντα τύπων ASTM Ι, ΙΙ, IV και V για τους

διάφορους συνδυασµούς δεικτών (LSF, SR και AR). Από τα αποτελέσµατα του Πίνακα 3.14

αποδεικνύεται ότι αύξηση της τιµής του LSF σε τιµές ≥ 0.80 δίνει τσιµέντα βελιτικού τύπου

(ASTM Type IV ) ανθεκτικά σε θειϊκές ενώσεις. Αυτό αποδεικνύει τη µεγάλη σηµαντικότητα

του LSF στην παραγωγή του κατάλληλου κλίνκερ.

Από τα παραπάνω προκύπτει το συµπέρασµα ότι η ανάµειξη τεσσάρων (4) πρώτων

υλών παράγει τσιµέντα ίδια µε αυτά που καθορίζουν οι τιµές στόχοι των τριών δεικτών

ποιότητας κλίνκερ (κοινά ή ειδικού τύπου).

Είναι δυνατή η «διόρθωση» του παραγόµενου τύπου τσιµέντου, µέ τη βοήθεια της

δεδοµένης µαθηµατικής διερεύνησης, µε αλλαγή της τιµής του δείκτη στόχου (π.χ. του LSF),

όπως αποδεικνύεται από τον Πίνακα 3.14.

Η χρήση τριών (-3-) τροφοδοσιών, όπως αυτές των Πινάκων 3.8 και 3.9, παράγει

τσιµέντα τόσο «κοινού» όσο και ειδικού τύπου (Πίνακες 3.15 και 3.16). Ο τύπος του

τσιµέντου, που θα παραχθεί, εξαρτάται από τις τιµές των δεικτών στόχων (LSF και SR) ή

(LSF και AR) όσο και από τις πρώτες ύλες που θα χρησιµοποιηθούν. ∆ηλαδή, διαφορετικές

πρώτες ύλες µε ίδιες τιµές (στόχους) για τους LSF, SR και AR θα δώσουν διαφορετικούς

τύπους τσιµέντων. Απαιτείται λοιπόν διεξοδική µαθηµατική διερεύνηση για την επιλογή των

κατάλληλων πρώτων υλών που θα χρησιµοποιηθούν για την παραγωγή του επιδιωκόµενου

τύπου τσιµέντου.

Στην περίπτωση επίσης που, κατά τη χρησιµοποίηση τριών (-3-) πρώτων υλών,

προκύψει αρνητική τιµή για κάποια τροφοδοσία, τότε είναι είναι δυνατή η διόρθωση µε

επιβολή µηδενικής τιµής σαυτή την τροφοδοσία. Τότε όµως ο αριθµός των πρώτων υλών,

που πρέπει να χρησιµοποιηθούν, υποβιβάζεται κατά µία, ο δε τύπος του τσιµέντου που

επιδιώκεται µπορεί να είναι είτε κοινού είτε ειδικού τύπου (Πίνακας 3.17).

Η παραπάνω µεθοδολογία επιτρέπει τόσο την ταχεία διερεύνηση του τύπου του

τσιµέντου που θα παραχθεί απο δεδοµένες πρώτες ύλες µε τιµές στόχους για τους δείκτες

74

ποιότητας κλίνκερ, όσο και τη διερεύνηση της µεταβολής των τιµών των δεικτών ποιότητας

στον τύπο του παραγόµενου τσιµέντου στην περίπτωση δεδοµένων πρώτων υλών.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Τσίµας. Σ. & Τσιβιλής Σ., 2000, Επιστήµη και Τεχνολογία Τσιµέντου, Τµήµα Χηµικών

Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα.

2. Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 1998, 4th Edition, Edited by P.C. Hewlett,

Arnold, London.

3. Schofield G. C., 1980, Homogenisation/Blending Systems Design and Control for

Mineral Processing, Series on Bulk Materials Handling Vol. 2, Trans Tech Publications.

4. SME, 1985, Mineral Processing Handbook, Edited by N.L. Weiss, S.W. MUDD SERIES,

New York.

75

4. ΕΝΥ∆ΑΤΩΣΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

4.1. Οι αντιδράσεις ενυδάτωσης

Οι ενώσεις (φάσεις) του κλίνκερ τσιµέντου είναι κατά προσέγγισηστα «κοινά» τσιµέντα:

Σύντµηση Ποσοστό (περίπου), %

Πυριτικό τριασβέστιο 3⋅ CaO ⋅SiO2 C3S 50

Πυριτικό διασβέστιο 2⋅ CaO ⋅SiO2 C2S 25

Αργιλικό τριασβέστιο 3⋅ CaO ⋅Al 2O3 C3A 10

Αργιλισιδηρούχο τετρασβέστιο 4⋅ CaO⋅Al 2O3⋅Fe2O3 C3AF 10

Γύψος CaSO4 5

Όταν προστεθεί νερό στο τσιµέντο αρχίζει η αντίδραση της ενυδάτωσης η οποία προκαλεί

την πήξη και σκλήρυνση του σκυροδέµατος. Είναι γνωστό ότι µόνο οι πυριτικές ενώσεις του

ασβεστίου (C3S, C2S) ευθύνονται δηλ. συµµετέχουν στην αύξηση αντοχής του

σκυροδέµατος.

Το C3S ευθύνεται για την αύξηση της αντοχής του σκυροδέµατος για τις πρώτες 7 ηµέρες

µετά τη διάστρωσή του (αντιδρά πολύ γρηγορότερα µε το νερό), ενώ το C2S αντιδρά µε

αργότερους ρυθµούς και αυξάνει την αντοχή του σκυροδέµατος στα µετέπειτα στάδια.

Η αντίδραση ενυδάτωσης του C3S είναι: 2 C3S + 7 Η2Ο → Ένυδρο πυριτικό ασβέστιο + Υδροξείδιο του ασβεστίου + ↑↑↑↑ (θερµότητα)

2 [3CaO ⋅SiO2 ] + 7 Η2Ο → 3CaO ⋅ 2SiO2 ⋅ 4Η2Ο + 3 Ca(OH)2 + 173 kJ Το C3S αντιδρά πολύ γρήγορα µε το νερό, απελευθερώνονται ιόντα Ca+ και (OH)- και επίσης

πολύ µεγάλη ποσότητα θερµότητας.

Το pH του περιβάλλοντος γίνεται, λόγω της παρουσίας των ιόντων (OH)- περίπου 12. Αυτή η

αρχική υδρόλυση επιβραδύνεται γρήγορα µετά την έναρξη της ενυδάτωσης. Ο ρυθµός της

αντίδρασης µειώνεται σχετικώς σύντοµα και συνοδεύεται από µείωση της εκλυόµενης

ποσότητας θερµότητας. Η παραγωγή ιόντων Ca+ και (OH)- (υδρόλυση) συνεχίζεται µε

χαµηλότερο ρυθµό µέχρι κορεσµού του συστήµατος. Αφού συµβεί αυτό το υδροξείδιο του

ασβεστίου αρχίζει να κρυσταλλώνεται. Ταυτόχρονα αρχίζουν να σχηµατίζονται ενώσεις

ένυδρου πυριτικού ασβεστίου. Η απελευθέρωση ιόντων Ca+ και (OH)- από το πυριτικό

76

τριασβέστιο επιταχύνει την αντίδραση της υδρόλυσης, σύµφωνα µε την αρχή του Le

Chatelier, µε ταυτόχρονη πολύ µεγάλη απελευθέρωση θερµότητας.

Ο σχηµατισµός κρυστάλλων υδροξειδίου του ασβεστίου και ένυδρου πυριτικού ασβεστίου

δηµιουργούν τους «πυρήνες» γύρω από τους οποίους αρχίζει να συσσωρεύεται µεγαλύτερη

ποσότητα ένυδρου πυριτικού ασβεστίου. Οι κρύσταλλοι του ένυδρου πυριτικού ασβεστίου

διαρκώς µεγαλώνουν εµποδίζοντας τα µόρια του νερού να προσεγγίσουν το µη ενυδατωµένο

πυριτικό τριασβέστιο. Ο ρυθµός της αντίδρασης ρυθµίζεται τώρα πλέον από το ρυθµό

διάχυσης των µορίων του νερού διαµέσου της επικάλυψης του ένυδρου πυριτικού ασβεστίου.

Το πάχος της επικάλυψης διαρκώς µεγαλώνει προκαλώντας µείωση του ρυθµού παραγωγής

ένυδρου πυριτικού ασβεστίου. (∆ιαγράµµατα a,b,c και d Σχήµατος 4.1 )

Σχήµα 4.1. Σχηµατική αναπαράσταση του πορώδους της τσιµεντόπαστας κατά την ενυδάτωση του τσιµέντου

Τα παραπάνω σχήµατα (a,b,c και d) δείχνουν το σχηµατισµό πόρων κατά το σχηµατισµό του

ένυδρου πυριτικού ασβεστίου. Στο τµήµα (a) του σχήµατος δεν έχει αρχίσει ακόµη

ενυδάτωση και τα διάκενα µεταξύ των τεµαχιδίων του τσιµέντου γεµίζουν µε νερό. Το τµήµα

(b) απεικονίζει την έναρξη της ενυδάτωσης. Στο τµήµα (c) συνεχίζεται η ενυδάτωση, ενώ στο

(d) απεικονίζεται όχι τελείως σκληρυµένη τσιµεντόπαστα. Παρατηρείται δε ότι σχεδόν ότι

σχεδόν ολόκληρος ο χώρος έχει καλυφθεί από ένυδρο πυριτικό ασβέστιο. Η ενυδάτωση, είναι

προφανές, ότι θα συνεχιστεί για όσο διάστηµα υπάρχει παρουσία νερού και επίσης µη

ενυδατωµένα συστατικά µέσα στην τσιµεντόπαστα.

Η παραπάνω διεργασία αποτελείται από τα εξής απλοποιηµένα στάδια:

1. Υδρόλυση του C3S και παραγωγή ιόντων Ca+ και (OH)-

2. Κρυστάλλωση των ελεύθερων ιόντων Ca+ και (OH)- σε Ca(OH)2

3. Μετατροπή του C3S σε ένυδρο πυριτικό ασβέστιο (Ca3Si2O7 ⋅ 4H2O)

77

4. Τα Ca(OH)2 και (Ca3Si2O7⋅ 4 H2O) αποτελούν τους «πυρήνες» ανάπτυξης, που

αρχίζουν να καλύπτονται από στρώµατα Ca3Si2O7 ⋅ 4 Η2O

5. Οι κρύσταλλοι (διαδοχικές στρώσεις) του Ca3Si2O7 ⋅4H2O διαρκώς διευρύνονται,

καλύπτουν το χώρο µεταξύ τους και εµποδίζουν το νερό να προσεγγίσει το µη

ενυδατωµένο C3S

6. Ο ρυθµός της αντίδρασης ενυδάτωσης ρυθµίζεται πλέον από την ταχύτητα

(δυνατότητα) διάχυσης του νερού µέσα από τους κρυστάλλους του Ca3Si2O7⋅4

H2O. Επειδή λοιπόν ο χώρος αυτός µικραίνει, µειώνεται και η ταχύτητα

ενυδάτωσης των µη ενυδατωµένων τεµαχίων C3S.

Η αντίδραση ενυδάτωσης του C2S είναι:

2 [2CaO ⋅SiO2 ] + 5 Η2Ο → 3CaO⋅2SiO2⋅4Η2Ο + Ca(OH)2 + 58.6 kJ

Ενυδατώνονται επίσης και οι ενώσεις C3Α και C4AF, αλλά δεν συµβάλλουν σηµαντικά στην

αντοχή του σκυροδέµατος.

Οι ταχύτητες ενυδάτωσης των ενώσεων του τσιµέντου είναι κατά σειρά ταχύτητας η εξής:

C3Α >>>> C3S >>>> C4AF >>>> C2S

Η θερµότητα που εκλύεται οφείλεται στη δηµιουργία και καταστροφή χηµικών δεσµών που

λαµβάνουν χώραν µε την επίδραση του νερού.

Λεπτά

1 2 3 4 5

2 ώρες

12 ώρες 20 ώρες

Ώρες Ηµέρες

15 min

Ρυθµός

έκλυσης

θερµότητας

Σχήµα 4.2. Ρυθµός έκλυσης θερµότητας κατά την ενυδάτωση του τσιµέντου Portland

78

Στο Σχήµα 4.2 φαίνονται τα στάδια ενυδάτωσης του τσιµέντου, η κατά προσέγγιση χρονική

διάρκειά τους και επίσης ο ρυθµός έκλυσης θερµότητας. Στο στάδιο 1 φαίνεται η µικρή

χρονική διάρκεια του σταδίου της υδρόλυσης του τσιµέντου (απελευθέρωση ιόντων Ca+ και

(OH)-), που συνοδεύεται από υψηλό ρυθµό έκλυσης θερµότητας και αύξησης της

θερµοκρασίας του διαλύµατος κατά πολλούς βαθµούς. Το στάδιο 2 είναι γνωστό ως στάδιο

ωρίµανσης (dormancy period), έχει χρονική διάρκεια 2-3 ώρες και είναι το χρονικό διάστηµα

κατά το οποίο το σκυρόδεµα διατηρεί πλαστικές ιδιότητες δηλ. µπορεί να µεταφερθεί στον

τόπο του έργου και να διαστρωθεί, πριν αρχίσει να πήζει και να σκληρύνεται. Μετά το στάδιο

2 αρχίζει η κύρια αντίδραση της ενυδάτωσης, δηλαδή η σταδιακή πήξη και σκλήρυνση του

σκυροδέµατος µε παράλληλη έκλυση σηµαντικής ποσότητας θερµότητας από την ενυδάτωση

κατ΄ αρχήν του C3S. Οι φάσεις αυτές αναφέρονται στα στάδια 3 και 4. Το στάδιο 5 αρχίζει

πρακτικά µετά την πάροδο 36 ωρών και κατά τη διάρκειά του συνεχίζεται ο αργός

σχηµατισµός ένυδρων ενώσεων, εφόσον βέβαια συνεχίζουν να υπάρχουν µη ενυδατωµένες

πυριτικές ενώσεις και παρουσία νερού.

Στο Σχήµα 4.3 φαίνεται η επίδραση της ποσότητας του χρησιµοποιούµενου νερού στην

ενυδάτωση του τσιµέντου και στις ιδιότητες της τσιµεντόπαστας και κατ’ επέκταση στις

ιδιότητες του σκυροδέµατος που θα παραχθεί.

79

Σχήµα 4.3. Επίδραση της ποσότητας του νερου (λόγος W/C) στην ενυδάτωση του τσιµέντου

και στις ιδιότητες της τσιµεντόπαστας και κατ’ επέκταση και του σκυροδέµατος.

4.2. Τσιµέντα του Ευρωπαϊκού και Αµερικανικού προτύπου

Η σύσταση των διαφόρων τύπων τσιµέντων, σύµφωνα µε το αναθεωρηµένο Ευρωπαϊκό

Πρότυπο (prEN 197-1), δίνεται στους παρακάτω έξι (6) Πίνακες (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 και

4.6), όσον αφορά στην κατά βάρος σύστασή τους σε κλίνκερ, στα ποσοστά %

υποκατάστασης του κλίνκερ από άλλα συστατικά, στις κατηγορίες αντοχών που

αναπτύσσουν, στις ενώσεις του κλίνκερ και στην περιεκτικότητά των φάσεων του κλίνκερ

στα διάφορα οξείδια. Επίσης, στους Πίνακες 4.7 και 4.8 δίνονται οι χαρακτηριστικοί τύποι

τσιµέντων του Αµερικανικού προτύπου (ASTM C 150), όπως επίσης και οι ιδιότητές τους.

Είναι γνωστό ότι, ποσοστό του κλίνκερ, µπορεί να αντικατασταθεί από άλλα συστατικά

(φυσικά, όπως ποζολάνες) ή βιοµηχανικά παραπροϊόντα (σκωρίες υψικαµίνων, ιπτάµενη

τέφρα ή ατµούς πυριτίας), τα οποία παρουσιάζουν ευνοϊκά χαρακτηριστικά, δηλαδή

ποζολανικές ιδιότητες κατά την ενυδάτωση, που τα καθιστούν κατάλληλα για υποκατάσταση

µέρους του κλίνκερ στην παραγωγή τσιµέντου. Η συµβατότητα αυτών των υλικών µε το

τσιµέντο φαίνεται από τη θέση τους στο τριµερές διάγραµµα CaO-SiO2 -Al 2O3 (Σχήµα 4.4).

∆ιάχυτα τεµάχίδια τσιµέντου µέσα στο νερό ανάµειξης

Μικρό πορώδες= Μεγάλη αντοχή

Μεγάλο πορώδες= Χαµηλή αντοχή

Μικρός λόγος νερού:τσιµέντο (W/C)

Μεγάλος λόγος νερού:τσιµέντο (W/C)

Πλήρως ενυδατωµένο τσιµέντο

80

Πίνακας 4.1. Τσιµέντα Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

81

Πίνακας 4.2. Χαρακτηριστικά τσιµέντων του Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

Σχήµα 4.4. Συνήθη υλικά που αντικαταθιστούν µέρος του κλίνκερ στην παραγωγή τσιµέντου.

82

Πίνακας 4.3. Ιδιότητες τσιµέντων Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

Πίνακας 4.4. Ιδιότητες τσιµέντων Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

83

Πίνακας 4.5. Ιδιότητες τσιµέντων Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

84

Πίνακας 4.6. Ιδιότητες τσιµέντων Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

Πίνακας 4.7. Τύποι τσιµέντων κατά τα Αµερικανικά πρότυπα (ASTM)

Τύποι τσιµέντων Χρήση Ι1 Γενικής χρήσης ΙΙ2 Μέτριας αντίστασης σε θειϊκές ενώσεις ΙΙΙ Υψηλής αρχικής αντοχής

IV 3 Χαµηλής θερµότητας ενυδάτωσης για

ογκώδεις κατασκευές V4 Υψηλής αντίστασης σε θειϊκές ενώσεις IA 4 Τσιµέντο τύπου Ι µε αερακτικό IIA 4 Τσιµέντο τύπου ΙΙ µε αερακτικό IIIA 4 Τσιµέντο τύπου ΙΙΙ µε αερακτικό

1 Τσιµέντα µε προδιαγραφές µεταξύ των τύπων Ι και ΙΙ παράγονται επίσης.

2 Τσιµέντα τύπου ΙΙ (συνολική περιεκτικότητα σε αλκάλια < 0.6 Na2O) χρησιµοπούνται σε περιοχές

µε αδρανή επιδεκτικά σε αντιδράσεις αλκαλίων-πυριτικών ενώσεων (Alkali Silica Reaction, ASR).

3.Τσιµέντα τύπου IV παράγονται µόνο κατόπιν παραγγελίας για ειδικές χρήσεις.

4. Τσιµέντα που παράγονται σε περιορισµένες ποσότητες και δεν χρησιµοποιούνται συχνά.

85

Πίνακας 4.8. Σύσταση διαφόρων τύπων τσιµέντων κατά το Αµερικανικό Πρότυπο

ASTM C 150

* Αφορά στη µέγιστη περιεκτικότητα που επιτρέπεται από το Αµερικάνικο Πρότυπο ASTM C 150.

4.3. Ιδιότητες των τσιµέντων Οι βασικές ιδιότητες των τσιµέντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά τους στις διάφορες

χρήσεις (π.χ. παρασκευή σκυροδέµατος), όπως επίσης και τα διάφορα πρότυπα που έχουν

καθιερωθεί και εφαρµόζονται για τον έλεγχό τους, περιγράφονται παρακάτω.

4.3.1. Κοκκοµετρία ή λεπτότητα (Fineness)

Η λεπτότητα του τσιµέντου επιδρά στην θερµότητα που απελευθερώνεται όπως επίσης και

στο ρυθµό (ταχύτητα) ενυδάτωσης. Σήµερα η λεπτότητα του τσιµέντου εκφράζεται από την

κοκκοµετρική του ανάλυση (Σχήµατα 4.5 και 4.6) και από τον αριθµό Blaine (ειδική

επιφάνεια) σε µονάδες m2/kg ή cm2/g και αντιπροσωπεύει τη συνολική εξωτερική επιφάνεια των

τεµαχιδίων που περιέχονται σε µάζα 1 kg ή 1 g τσιµέντου (Σχήµα 4.6). Είναι προφανές ότι, όσο

µεγαλύτερη είναι η λεπτότητα του τσιµέντου τόσο µεγαλύτερη είναι η ποσότητα της

ενέργειας που έχει καταναλωθεί για την παραγωγή του (µεγαλύτερη διάρκεια άλεσης του

κλίνκερ, άρα και κατανάλωση ενέργειας στο µύλο).

Η µεγαλύτερη λεπτότητα τσιµέντου αυξάνει την ταχύτητα ενυδάτωσης, λόγω µεγαλύτερης

επιφάνειας αντίδρασης µε το νερό, και έτσι επιταχύνεται η ταχύτητα ανάπτυξης αντοχής,

ιδιαιτέρως τις πρώτες 7 ηµέρες.

Χηµική σύσταση, % Πιθανή σύσταση κατά

Bogue, %* Τύπος

τσιµέντου

Portland SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3

Απώλεια

πύρωσης

(L.O.I.),

%

Αδιάλυτο

υπόλειµµα

, % C3S C2S C3A C4AF

Blaine

fineness,

m2/kg

Type I 20.9 5.2 2.3 64.4 2.8 2.9 1.0 0.2 55 19 10 7 370

Type II 21.7 4.7 3.6 63.6 2.9 2.4 0.8 0.4 51 24 6 11 370

Type III 21.3 5.1 2.3 64.9 3.0 3.1 0.8 0.2 56 19 10 7 540

Type IV 24.3 4.3 4.1 62.3 1.8 1.9 0.9 0.2 28 49 4 12 380

Type V 25.0 3.4 2.8 64.4 1.9 1.6 0.9 0.2 38 43 4 9 380

White 24.5 5.9 0.6 65.0 1.1 1.8 0.9 0.2 33 46 14 2 490

86

Η λεπτότητα του τσιµέντου προσδιορίζεται µε τις παρακάτω µεθόδους:

α) Wagner turbidimeter σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C 115

β) Blaine air-permeability test (σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C 204)

γ) Με προσδιορισµό µέσω κοσκίνισης του κλάσµατος –45µm (325 mesh) [σύµφωνα µε

το πρότυπο ASTM C 430].

Σχήµα 4.5. Κοκκοµετρική σύσταση τσιµέντων του Ευρωπαϊκού προτύπου.

87

Σχήµα 4.6. Καµπύλες κοκκοµετρικών αναλύσεων τσιµέντου ως συνάρτηση της λεπτότητας και αντιστοιχία τους σε µονάδες Blaine (cm2/g).

4.3.2. Υγεία (Soundness)

Είναι η ικανότητα της σκληρυµένης τσιµεντόπαστας να διατηρεί τον όγκο της µετά την

πήξη. Ένα τσιµέντο χαρακτηρίζεται ως µη «υγιές» εάν, µετά την πάροδο κάποιου χρόνου

από τη χρήση του, εµφανίσει καταστροφική για το σκυρόδεµα διόγκωση (expansion) που

προκαλεί διάρρηξη της κατασκευής. Η διόγκωση οφείλεται στην παρουσία περίσσειας

οξειδίων του ασβεστίου και µαγνησίου (ελεύθερη άσβεστος, CaO και µαγνησία, MgO) που

κατά την ενυδάτωση δηµιουργούν υδροξείδια µε παράλληλη αύξηση του όγκου της

τσιµεντοκονίας.

Η «υγεία» ελέγχεται µε:

α) Επιταχυνόµενη δοκιµή κατά Le-Chatelier (BS 4550 : Part 3)

β) ∆οκιµή διόγκωσης σε αυτόκλειστο (ASTM C 151)

4.3.3. Συνεκτικότητα ή Συνάφεια (Consistency)

88

Περιγράφει την ιδιότητα της τσιµεντοκονίας να ρέει. Προσδιορίζεται µε τη συσκευή Vicat και

δίνει το ποσοστό % του προστιθέµενου νερού για την παρασκευή τσιµεντόπαστας

(τσιµεντοκονίας), η οποία επιτρέπει τη βύθιση του εµβόλου της συσκευής κατά 10 mm ±1 mm.

4.3.4. Setting time (Χρόνος πήξης)

Το χρονικό διάστηµα που µεσολαβεί µεταξύ της έναρξης ανάµιξης του τσιµέντου µε το νερό

και της σκλήρυνσης της τσιµεντόπαστας (χρόνος «απώλειας» της πλαστικότητάς της) καλείται

χρονικό διάστηµα πήξης (setting time period). Ανάλογα µε τον τύπο του χρησιµοποιούµενου

τσιµέντου και µε τις ιδιότητές του, το χρονικό διάστηµα πήξης της τσιµεντόπαστας κυµαίνεται

µεταξύ 2 και 10 ωρών.

Ο χρόνος πήξης προσδιορίζεται σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C 150 και πρέπει να βρίσκεται

µεταξύ των ορίων του προτύπου. Για τον προσδιορισµό του χρησιµοποιούνται η συσκευή Vicat

ή η «βελόνα» Gillmore (ASTM C 266).

Ο αρχικός χρόνος πήξης αφορά στη βύθιση της βελόνας σε ύψος 5 mm από τον πυθµένα και

είναι περίπου 60 min, ενώ ο τελικός χρόνος αντιστοιχεί στο χρόνο κατά τον οποίο

δηµιουργείται “αποτύπωµα” πάνω στην επιφάνεια χωρίς να µπορεί να βυθιστεί η βελόνα και

αντιστοιχεί περίπου σε 10 ώρες (από την έναρξη της ανάµιξης νερού-τσιµέντου) για τα κοινά

τσιµέντα Portland.

Η ρύθµιση του χρόνου πήξης του τσιµέντου πετυχαίνεται µε τη χρήση της γύψου κατά την

άλεση του κλίνκερ. Ο χρόνος πήξης επίσης επηρεάζεται από: τη λεπτότητα (κοκκοµετρία) του

τσιµέντου, το λόγο W/C (νερό/τσιµέντο) και ελέγχεται µε χρήση χηµικών πρόσθετων

(admixtures).

4.3.5. Αντοχή σε θλίψη (compressive strength)

Η αντοχή σε θλίψη είναι σηµαντική ιδιότητα του τσιµέντου και προσδιορίζεται σύµφωνα µε το

πρότυπο ASTM C 109 σε κύβους πλευράς 2 inch (50.8 mm), που παρασκευάζονται από

τσιµεντοκονία και συγκεκριµένου τύπου άµµο και συντηρούνται µε προκαθορισµένο τρόπο.

Η αντοχή σε θλίψη εξαρτάται από τον τύπο τσιµέντου ή ακριβέστερα από τη σύσταση του

τσιµέντου στις φάσεις C3S, C2S, C3A και C4AF και από τη λεπτότητά του (Blaine fineness).

89

Γενικώς, οι αντοχές του τσιµέντου που υπολογίζονται σε κύβους τσιµεντοκονίας δεν

αντιστοιχούν στις αντοχές του σκυροδέµατος, εξαιτίας των διαφορών στα χαρακτηριστικά των

αδρανών του σκυροδέµατος, της σύνθεσης του σκυροδέµατος και στις διαδικασίες παρασκευής

των δοκιµίων.

Σχήµα 4.7 . Ρυθµός απόκτησης της θλιπτικής αντοχής 28 ηµερών ως συνάρτηση των διαφόρων τύπων χρησιµοποιούµενων τσιµέντων του Αµερικανικού προτύπου κατά PCA (Portland

Cement Association).

Στο Σχήµα 4.7 δίνεται ο ρυθµός (ταχύτητα) απόκτησης της θλιπτικής αντοχής 28 ηµερών

ανάλογα µε τον τύπο των χρησιµοποιούµενων τσιµέντων του Αµερικανικού προτύπου.

4.3.6. Θερµότητα ενυδάτωσης (Heat of Hydration)

Η θερµότητα ενυδάτωσης είναι η θερµότητα που απελευθερώνεται κατά την αντίδραση

τσιµέντου και νερού. Η ποσότητα αυτή εξαρτάται κυρίως από την περιεκτικότητα του

τσιµέντου σε C3S και C3A που ευθύνονται για τη µεγάλη ποσότητα εκλυόµενης θερµότητας.

Ο λόγος W/C, η λεπτότητα και η θερµοκρασία συντήρησης επηρρεάζουν επίσης τη θερµότητα

ενυδάτωσης. Αύξηση των παραπάνω παραγόντων αυξάνει τη θερµότητα ενυδάτωσης.

Σε ογκώδη έργα (µεγάλος όγκος σκυροδέµατος) ο ρυθµός και η ποσότητα της θερµότητας που

εκλύεται είναι καθοριστικής σηµασίας επειδή, αν η εκλυόµενη θερµότητα δεν απάγεται

90

γρήγορα, προκαλεί αύξηση της θερµοκρασίας της µάζας του σκυροδέµατος. Επίσης, ο µη

ελεγχόµενος ρυθµός µείωσης της θερµοκρασίας του σκληρυµένου σκυροδέµατος στη

θερµοκρασία περιβάλλοντος δηµιουργεί ανεπιθύµητες εσωτερικές τάσεις λόγω θερµικής

συστολής.

Αφ’ ετέρου όµως, η αύξηση της θερµοκρασίας εξαιτίας των αντιδράσεων ενυδάτωσης έχει

ευεργετικά αποτελέσµατα σε εξωτερικό περιβάλλον χαµηλών θερµοκρασιών, επειδή

εξασφαλίζει ευνοϊκές συνθήκες συντήρησης (αύξησης της αντοχής µε την πάροδο του χρόνου

δηλ. συνέχιση των αντιδράσεων ενυδάτωσης του τσιµέντου). Η θερµότητα ενυδάτωσης

ελέγχεται από το πρότυπο ASTM C 186.

Κατά προσέγγιση οι ποσότητες θερµότητας που εκλύονται κατά τις πρώτες 7 ηµέρες για τους

διάφορους τύπους τσιµέντων, συγκρινόµενες µε αυτή (100%) του κοινού τσιµέντου Portland

(Type I) είναι:

Type I Κοινό (OPC) 100%

Type II Ενδιάµεσο 80-85%

Type III Υψηλής αρχικής αντοχής έως 150%

Type IV Χαµηλής θερµότητας ενυδάτωσης 40-60%

Type V Ανθεκτικό σε θειϊκά 60-75%

91

5. Α∆ΡΑΝΗ 5.1. Εισαγωγή

Τα αδρανή στην Ελλάδα είναι χηµικώς αδρανή τεµάχια ασβεστολιθικών κυρίως πετρωµάτων τα

οποία χρησιµοποιούνται στην παραγωγή σκυροδέµατος, ως υλικά οδοστρωσίας και τα αδρανή

µεγάλου µεγέθους τεµαχίων ως σκύρα σιδηροδροµικών γραµµών.

Η ολοκληρωµένη διαδοχή φάσεων παραγωγής αδρανών υλικών δίνεται στο Σχήµα 5.1.

5.1. Αλληλουχία φάσεων εξόρυξης και παραγωγής αδρανών υλικών.

Η κύρια χρήση των αδρανών είναι στην παραγωγή σκυροδέµατος. Αυτά, λόγω γωνιώδους και

ακανόνιστου σχήµατος συνδέονται µεταξύ τους και συγκρατούνται στο σκυρόδεµα µε τη

βοήθεια της τσιµεντόπαστας (µείγµα τσιµέντου+νερού). Όµως, επειδή το τσιµέντο είναι πολύ

ακριβό ως υλικό (µεγάλο κόστος παραγωγής), η περιεχόµενη ποσότητά του στο σκυρόδεµα

πρέπει να ελαχιστοποιείται υπό την προϋπόθεση βέβαια της διατήρησης της αντοχής του.

Το 70-80% του σκυροδέµατος αποτελείται από αδρανή, γεγονός που συµβάλλει στο να

διατηρείται χαµηλό το κόστος του σκυροδέµατος, επειδή τα αδρανή είναι σχετικώς φθηνά

92

υλικά, τόσο ως πρώτη ύλη όσο και ως διαδικασία παραγωγής. ∆ρουν δηλαδή ως πληρωτικά για

το σκυρόδεµα..

Αυτό δεν είναι το µοναδικό πλεονέκτηµα από τη χρήση αδρανών. Τα αδρανή, εκτός των άλλων,

προσφέρουν αξιόλογα πλεονεκτήµατα και από τεχνικής άποψης στο σκυρόδεµα. Επηρεάζουν

θετικά τη στατική συµπεριφορά των κατασκευών από σκυρόδεµα, εξασφαλίζουν µεγάλη

“σταθερότητα όγκου” και µεγαλύτερη διάρκεια ζωής των κατασκευών σε σχέση µε την

περίπτωση χρήσης µόνο τσιµεντοκονιάµατος.

Τα απαιτούµενα χαρακτηριστικά (προδιαγραφές αντοχής και χρήσης) του σκυροδέµατος

καθορίζουν τα φυσικοµηχανικά χαρακτηριστικά των αδρανών που πρέπει να χρησιµοποιηθούν.

Είναι γνωστό ότι, χαµηλής πυκνότητας αδρανή µε µεγάλο πορώδες παράγουν ασθενές (χαµηλής

αντοχής) σκυρόδεµα µε µικρή αντίσταση σε φθορά, ενώ µεγάλης πυκνότητας και σκληρά

αδρανή συµβάλλουν στην παραγωγή σκυροδέµατος µεγάλης αντοχής (σε θλίψη και εκτριβή).

Τα αδρανή του σκυροδέµατος πρέπει να είναι καθαρά, χωρίς επιφανειακή σκόνη, άργιλο και

οργανικές ύλες (συνήθως πλυµένα), σκληρά και µεγάλης αντοχής.

Τα αδρανή που χρησιµοποιούνται για την παρασκευή σκυροδέµατος έχουν διάφορα µεγέθη και

ακανόνιστο σχήµα. Κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα µε το µέγεθός τους ως

εξής:

Άµµος –8 mm ή –3/8″= -9.5 mm (100%) και -4 mm (95%),

Γαρµπίλι (λεπτό ή χονδρό) 5-12,5 mm

Σκύρα 12,5-38 mm ή ακόµη µεγαλύτερα.

5.2. ∆ιατάξεις και διαγράµµατα ροής παραγωγής αδρανών υλικών

Τα αδρανή παράγονται µε τις γνωστές µεθόδους Μηχανικής Προπαρασκευής Πετρωµάτων,

δηλαδή πρωτογενή, δευτερογενή και τριτογενή θραύση και ταξινόµηση των προϊόντων κάθε

φάσης θραύσης σε δονούµενα κόσκινα για την παραγωγή των διαφόρων κοκκοµετρικών

κλασµάτων.

Τα µηχανήµατα θραυστήρες και κόσκινα, που µπορούν να χρησιµοποιηθούν στις παραπάνω

φάσεις θραύσης και ταξινόµησης, περιγράφονται διεξοδικά στά βιβλία Εµπλουτισµός

Μεταλλευµάτων και Βιοµηχανικών Ορυκτών (Ορυκτουργία) του Καθ. Α.Ζ.Φραγκίσκου και

Μηχανική Προπαρασκευή Μεταλλευµάτων, Βιοµηχανικών Ορυκτών και Πετρωµάτων του

Αναπλ. Καθηγητή Γ.Α.Σταµπολτζή.

93

∆ιατάξεις θραύσης-ταξινόµησης και διαγράµµατα ροής παραγωγής αδρανών υλικών δίνονται

στα Σχήµατα 5.2, 5.3, 5.4 και 5.5, που ακολουθούν.

Σχήµα 5.2. Κινητή µονάδα πρωτογενούς θραύσης (κατά Svedala Arbra)

94

Σχήµα 5.3. ∆ιατάξεις θραύσης-ταξινόµησης για την παραγωγή αδρανών σκυροδέµατος (σε

πλάγια όψη και κάτοψη).

95

ΥΠΟΜΝΗΜΑ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΡΟΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Α∆ΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Α/Α ΜΗΧΑΝΗΜΑ 1 Τροφοδότης 2 Θραυστήρας σιαγόνων απλής ενέργειας 3 Κόσκινο (scalp screen) 4 Γυροσκοπικός θραυστήρας 5 Κόσκινο διπλού καταστρώµατος (32 mm και 16 mm) 6 Κόσκινο διπλού καταστρώµατος (8 mm και 4 mm) 7 Αποθήκες προϊόντων (silos) 8 Αναβατόριο 9 Κωνικός θραυστήρας 10 11

Σωρός υλικού 3Α (συνήθως υλικό οδοστρωσίας) Λεπτοµερές υλικό φίλτρων

11

+32

16-32

8-16

4-8

0-4

-16 mm

+32 mm

8

4

32

16

-4 mm

1 2

3

4 5

6

7

8

9

10

Σχήµα 5.4. ∆ιάγραµµα ροής µονάδας παραγωγής αδρανών σκυροδέµατος (κατά Svedala Arbra ).

96

Σχήµα 5.5. ∆ιάγραµµα ροής µονάδας παραγωγής αδρανών σκυροδέµατος

97

5.3. Ιδιότητες των αδρανών υλικών

1. Ανάλυση των ιδιοτήτων των αδρανών

Όλα τα αδρανή είναι προϊόντα ελάττωσης µεγέθους από µεγαλύτερα τεµάχια µητρικού

πετρώµατος µέσω διαφόρων φυσικών µεθόδων (π.χ. αποσάθρωση, απόξεση, απολέπιση) ή

τεχνητών (π.χ. θραύση ή κατάτµηση πετρωµάτων).

Ως εκ τούτου, οι ιδιότητες των αδρανών εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από τις ιδιότητες του

µητρικού πετρώµατος δηλαδή από:

1. Χηµική και ορυκτολογική σύσταση

2. Πετρολογική προέλευση (πετρογραφική περιγραφή)

3. Ειδικό βάρος

4. Σκληρότητα

5. Αντοχή γενικώς

6. Φυσικοχηµική σταθερότητα (συµπεριφορά)

7. Πορώδες

8. Χρώµα κ.λπ.

Τα µεγέθη των τεµαχίων των αδρανών σκυροδέµατος, όπως προαναφέρθηκε, κυµαίνονται από

µερικές δεκάδες mm µέχρι µεγεθών περίπου 1/10 mm. Το µέγιστο µέγεθος αδρανών που

χρησιµοποιούνται στις κατασκευές από σκυρόδεµα ποικίλει και εξαρτάται από την κατασκευή

στην οποία θα χρησιµοποιηθούν. Σ’ ένα µίγµα τεµαχίων (σύνθεση διαφορετικών µεγεθών)

αδρανών σκυροδέµατος, η κατανοµή µεγέθους των τεµαχίων αναφέρεται ως “διαβάθµιση”

(grading) και εξαρτάται επίσης από ιδιότητες που δεν έχουν άµεση σχέση µε το µητρικό

πέτρωµα όπως (Σχήµατα 5.6, 5.7. και 5.8.):

1. Μέγεθος και σχήµα τεµαχίων

2. Επιφανειακή δοµή (υφή)

3. Απορροφητικότητα (πορώδες αδρανών)

4. Κατάσταση κορεσµού των τεµαχίων

98

Σχήµα.5.6. Επιφανειακή δοµή και πορώδες αδρανών.

Σχήµα 5.7. Τεµάχια αδρανών µερικώς (3) και πλήρως (4) κορεσµένα µε νερό αλλά επιφανειακά ξηρά.

99

Σχήµα.5.8. Τεµάχιο αδρανών πλήρως κορεσµένο µε νερό και καλυµµένο από επιφανειακό στρώµα νερού.

2. Ειδικό βάρος αδρανών (bulk specific gravity)

Το ειδικό βάρος των αδρανών, µε τις «εκφράσεις» που χρησιµοποιείται στην παρασκευή

σκυροδέµατος, διακρίνεται σε δύο (-2-) κατηγορίες όπως παρακάτω:

1. Προσδιορισµός του ειδικού βάρους χονδροµερών αδρανών

Το ειδικό βάρος των χονδροµερών αδρανών προσδιορίζεται σύµφωνα µε το πρότυπο

ASTM C 127 και δίνεται από τις εξισώσεις.

• Ειδικό βάρος χονδροµερών αδρανών (I)CB

A

−=

• Ειδικό βάρος χονδροµερών αδρανών (II) (αδρανή κορεσµένα µε νερό) CB

B

−= , όπου:

Α είναι η µάζα των τελείως ξηρών τεµαχίων (Σχήµα 5.6., τεµάχιο 1)

100

Β είναι η µάζα των ίδιων (όπως παραπάνω) τεµαχίων κορεσµένων µε νερό (Σχήµα 5.7.,

τεµάχιο 4), αλλά επιφανειακά ξηρών (χωρίς επιφανειακή υγρασία) και

C είναι η µάζα των ίδιων (όπως παραπάνω) τεµαχίων κορεσµένων µε νερό (Σχήµα 5.7.,

τεµάχιο 4), όταν αυτά είναι εµβαπτισµένα µέσα σε νερό.

Από τα παραπάνω προκύπτει ότι, ο παρονοµαστής (Β-C) των κλασµάτων αντιπροσωπεύει

τον όγκο των κορεσµένων µε νερό τεµαχίων.

Παράδειγµα:

∆εδοµένα:

Α = 3168.5 g

B = 3190.0 g

C = 1972.0 g

Από την εφαρµογή των παραπάνω εξισώσεων προκύπτει ότι:

Ειδικό βάρος χονδροµερών αδρανών Ι 60.20.19720.3190

5.3168=

−= g/cm3

Ειδικό βάρος χονδροµερών αδρανών ΙΙ 62.20.19720.3190

0.3190=

−= g/cm3

2. Προσδιορισµός του ειδικού βάρους λεπτοµερών αδρανών

Το ειδικό βάρος των λεπτοµερών αδρανών προσδιορίζεται σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM

C 128 και δίνεται από τις εξισώσεις.

• Ειδικό βάρος λεπτοµερών I (αδρανών) DCB

A

−+=

• Ειδικό βάρος λεπτοµερών II (αδρανή κορεσµένα µε νερό) DCB

B

−+=

Όπου:

Α είναι η µάζα των τελείως ξηρών τεµαχίων (Σχήµα 5.5., τεµάχιο 1)

Β είναι η µάζα των ίδιων (όπως παραπάνω) τεµαχίων κορεσµένων µε νερό (Σχήµα 5.7.,

τεµάχιο 4), αλλά επιφανειακά ξηρών (χωρίς επιφανειακή υγρασία)

101

C είναι η µάζα της ληκύθου (δοχείο µέτρησης πυκνότητας) γεµάτης µε νερό µέχρι τη

χαραγή και

D είναι η µάζα της ληκύθου µε δείγµα και νερό µέχρι τη χαραγή

Από τα παραπάνω προκύπτει ότι, ο παρονοµαστής (B+C-D) των κλασµάτων

αντιπροσωπεύει τον όγκο των κορεσµένων µε νερό τεµαχίων.

Παράδειγµα:

∆εδοµένα:

Α = 490.7 g (µάζα ξηρών τεµαχίων)

B = 501.4 g (µάζα κορεσµένων αλλά επιφανειακά ξηρών τεµαχίων)

C = 647.2 g (δοχείο µόνο µε νερό)

D = 953.5 g (δοχείο µε νερό και δείγµα)

Ειδικό βάρος λεπτοµερών αδρανών Ι 51.25.9532.6474.501

7.490=

−+= g/cm3

Ειδικό βάρος λεπτοµερών αδρανών ΙΙ (αδρανή κορεσµένα µε νερό)

57.25.9532.6474.501

4.501=

−+= g/cm3

3. Περιεχόµενη υγρασία (Moisture content) των αδρανών

Τα τεµάχια των αδρανών µπορούν να περιέχουν νερό στο εσωτερικό τους και επίσης εξωτερική

επιφανειακή υγρασία, που οφείλονται στο χώρο και τον τρόπο αποθήκευσής τους. Το πορώδες

των αδρανών δίνει τη δυνατότητα στα αδρανή να απορροφήσουν νερό, γεγονός που έχει ως

αποτέλεσµα να µειωθεί το διαθέσιµο νερό που είναι απαραίτητο για τις αντιδράσεις

ενυδάτωσης του τσιµέντου. Αντιθέτως, εάν τα αδρανή έχουν περίσσεια νερού (στο εσωτερικό

τους αλλά και στην επιφάνειά τους), συνεισφέρουν νερό για τις αντιδράσεις ενυδάτωσης.

Με βάση τα παραπάνω, τα τεµαχίδια των αδρανών διακρίνονται στις παρακάτω τέσσερεις

κατηγορίες, όσον αφορά στην κατάσταση τους από πλευράς υγρασίας.

1. Τελείως ξηρά (Oven-dry ή OD); χωρίς καθόλου υγρασία δηλαδή έχουν υποστεί

ολοκληρωτική ξήρανση

102

2. Μερικώς ξηρά (Air-dry ή AD); όπου οι εσωτερικοί τους πόροι είναι µερικώς γεµάτοι µε

νερό, ενώ η επιφάνειά τους είναι ξηρή.

3. Τεµάχια µε πόρους γεµάτους µε νερό (Saturated-surface-dry ή SSD); ενώ η επιφάνειά

τους δεν έχει υγρασία.

4. Τεµάχια µε πόρους γεµάτους µε νερό (Damp ή Wet); ενώ η επιφάνειά τους είναι

καλυµµένη µε στρώµα (φίλµ) νερού.

Από τις παραπάνω τέσσερεις καταστάσεις η πλέον χαρακτηριστική είναι η κατάσταση 3 (Σχήµα

5.7.), η οποία είναι µια κατάσταση ισορροπίας όπου τα αδρανή ούτε απορροφούν αλλά ούτε και

αποδίδουν νερό στην τσιµεντόπαστα. Η κατάσταση αυτή χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό

του ειδικού βάρους των αδρανών που χρησιµοποιούνται στο σκυρόδεµα.

4. Απορρόφηση και επιφανειακή υγρασία

Για να προσδιοριστεί η ποσότητα του νερού, που θα «προσφερθεί» στην τσιµεντόπαστα ή θα

απορροφηθεί από τα αδρανή του σκυροδέµατος, θα χρησιµοποιηθούν οι παρακάτω τρεις (-3-)

όροι:

• Απορροφητική ικανότητα (Absorption capacity ή AC).

Αφορά στη µέγιστη ποσότητα νερού που µπορούν να απορροφήσουν τα αδρανή από την

τσιµεντόπαστα. Η απορροφητική ικανότητα είναι το µέτρο του συνολικού όγκου των πόρων

που είναι προσβάσιµα από το νερό και µπορεί να προσδιοριστεί από τα αποτελέσµατα

προσδιορισµού του ειδικού βάρους (ASTM C 127 και C 128). Η ποσότητα αυτή κυµαίνεται

µεταξύ 1 και 2.5% για τα συνήθη αδρανή και εκφράζεται ποσοστιαία από:

(%)100⋅−

=OD

ODSSD

W

WWAC

Παράδειγµα: Προσδιορισµός της απορροφητικής ικανότητας των αδρανών

Μάζα του πλήρως κορεσµένου (επιφανειακά στεγνού, SSD) δείγµατος (WSSD = 501.4 g)

Μάζα του πλήρως ξηραµένου (OD) δείγµατος (WOD = 490.7 g)

103

Απορροφητική ικανότητα (AC) = %18.21007.490

7.4904.501=⋅

−

Η συνολική περιεχόµενη υγρασία (%) προσδιορίζεται σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C 566

εφαρµόζοντας τη σχέση:

Συνολική υγρασία (%)= 100⋅−

OD

OD

W

WW, όπου

W = µάζα του αρχικού δείγµατος (µε όλη την υγρασία του)

WOD = µάζα του πλήρως ξηραµένου (OD) δείγµατος

• Απορροφητική ικανότητα (Effective Absorption ή EA)

Αφορά στην ποσοστιαία δυνατή (εφικτή) ποσότητα νερού, που µπορούν να απορροφήσουν τα

αδρανή, ώστε να µεταπέσουν από την κατάσταση µερικού κορεσµού (AD) των πόρων τους

στην κατάσταση πλήρους κορεσµού τους (SSD), η οποία στα συνήθη αδρανή κυµαίνεται από 0-

8%.

∆ίνεται από την εξίσωση: (%)100⋅−

=SSD

ADSSD

W

WWEA

Η µάζα του νερού (Wabs), που µπορεί να απορροφηθεί από δεδοµένη µάζα Wagg αδρανών

κατάστασης µερικού κορεσµού (AD), προσδιορίζεται από:

aggabs WEAW ⋅= )(

• Επιφανειακή υγρασία (Surface Moisture ή SM)

Αφορά στην ποσοσστιαία περίσσεια νερού, λόγω επιφανειακής υγρασίας των τεµαχίων, σε

σχέση µε την κατάσταση του πλήρους κορεσµένου αλλά επιφανειακά στεγνού τεµαχίου (SSD).

(%)100⋅−

=SSD

SSDwet

W

WWSM

104

Ο παραπάνω συντελεστής χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό της επιπλέον ποσότητας

νερού (Wadd), η οποία «εισάγεται» στο µίγµα των πρώτων υλών σκυροδέµατος, µέσω των

αδρανών δεδοµένης µάζας Wagg.

aggadd WSMW ⋅= )(

Η ποσοστιαία προσφερόµενη από τα αδρανή υγρασία (Moisture content ή MC) δίνεται από:

(%)100⋅−

=SSD

SSDStock

W

WWMC

Εάν η τιµή του MC > 0, τότε τα αδρανή εµφανίζουν επιφανειακή υγρασία, ενώ εάν MC < 0,

τότε τα αδρανή έχουν δυνατότητα απορρόφησης νερού από την τσιµεντόπαστα. Οπότε, η

συνολική υγρασία των αδρανών χαρακτηρίζει την αναµενόµενη συµπεριφορά τους κατά την

παρασκευή σκυροδέµατος.

aggMC WMCW ⋅= )(

Τα λεπτοµερή αδρανή, τα οποία βρίσκονται αποθηκευµένα σε σωρούς στο ύπαιθρο έχουν

συνήθως επιφανειακή υγρασία κυµαινόµενη από 0-10%, ενώ τα χονδροµερή από 0-2%. Στα

λεπτοµερή αδρανή κατακρατείται µεγαλύτερη ποσότητα νερού µεταξύ των τεµαχίων τους απ’

ό,τι µεταξύ των χονδροµερών αδρανών, λόγω µεγαλύτερης ειδικής επιφάνειας. Αυτό το «φίλµ»

(λεπτό στρώµα) επιφανειακής υγρασίας διατηρεί τους κόκκους των αδρανών σε µεγαλύτερη

απόσταση µεταξύ τους και αυξάνει το φαινόµενο όγκο τους, µειώνοντας µε αυτό τον τρόπο το

φαινόµενο ειδικό τους βάρος.

Παράδειγµα:

Ένα δείγµα αδρανών έχει αποροφητική ικανότητα (AC) 1.2% και µάζα 847.3 g, όταν είναι

πλήρως κορεσµένο και επιφανειακά υγρό (damp ή wet). Μετά από πλήρη ξήρανση (OD) σε

ξηραντήριο η µάζα του βρίσκεται 792.7 g. Προσδιορίστε την % συνολική υγρασία του και το

ποσοστό της επιφανειακής υγρασίας του.

Συνολική υγρασία (%)= 100⋅−

OD

OD

W

WW= %9.6100

7.792

7.7923.847=⋅

−

105

Επειδή όµως η αποροφητική του ικανότητα είναι 1.2%, τότε το % ποσοστό της επιφανειακής

του υγρασίας είναι:

Ποσοστό (%) επιφανειακής υγρασίας = 6.9 - 1.2 = 5.7%

Ο όρος ειδικό βάρος χρησιµοποιείται ευρύτατα στους υπολογισµούς προσδιορισµού της

αναλογίας των πρώτων υλών για την παραγωγή του σκυροδέµατος. Η χρήση του όρου αφορά

στον υπολογισµό του απόλυτου (πραγµατικού όγκου) που θα καταλαµβάνει κάθε υλικό στο

µίγµα (σκυρόδεµα). Ο απόλυτος όγκος αναφέρεται στον όγκο των αδρανών (µαζί µε τους

πόρους του), χωρίς όµως να συµπεριλαµβάνεται ο όγκος των κενών µεταξύ των τεµαχίων. Η

αντικατάσταση των αδρανών, µε άλλου τύπου αδρανή (διαφορετικού ειδικού βάρους) στο

σκυρόδεµα, έχει ως αποτέλεσµα αύξηση ή µείωση του τελικού όγκου του σκυροδέµατος, εάν οι

µάζες όλων των πρώτων υλών παραµείνουν σταθερές. Επειδή όµως το σκυρόδεµα συνήθως

πωλείται µε τη µονάδα όγκου (π.χ. m3), αυτό θα έχει ως αποτέλεσµα, κατά περίπτωση, να

ωφελείται είτε ο αγοραστής είτε ο πωλητής. Μεταβολή στο ειδικό βάρος των αδρανών

προκαλεί επίσης µεταβολή της πυκνότητας του σκυροδέµατος, γεγονός που µπορεί να

επηρεάσει σηµαντικά την ποιότητα του έργου για την οποία προορίζεται το σκυρόδεµα, ειδικά

στις περιπτώσεις που έχουν τεθεί κατώτερα όρια τιµών ειδικού βάρους για το σκυρόδεµα.

Πρέπει να επισηµανθεί ότι το ειδικό βάρος των αδρανών δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως

µέτρο χαρακτηρισµού της ποιότητάς τους, αλλά µόνο ως δείκτης µεταβολής των

χαρακτηριστικών τους.

106

Σχήµα. 5.9. Εικόνες για τον προσδιορισµό της φαινόµενης πυκνότητας «συµπυκνωµένων»

αδρανών.

Οι παραπάνω φυσικές ιδιότητες έχουν µεγάλη σηµασία για τις ιδιότητες του σκυροδέµατος

(φρέσκου ή σκληρυµένου) µετά την πάροδο ορισµένου χρόνου.

Σχεδόν πάντα, από καλής ποιότητας αδρανή παράγεται καλής ποιότητας σκυρόδεµα, ενώ το

αντίθετο δεν συµβαίνει πάντα, δηλαδή από µέσης ποιότητας αδρανή δεν παράγεται πάντοτε

χαµηλής ποιότητας σκυρόδεµα.

Π.χ. δεν είναι πάντα σίγουρο ότι αδρανή, τα οποία αποσυντίθενται σε παγετό, θα “µεταδώσουν”

την ίδια αδυναµία και στο σκυρόδεµα. Ειδικά στις περιπτώσεις, που τα αδρανή καλύπτονται

από µία τσιµεντόπαστα χαµηλής διαπερατότητας, προστατεύονται από την απορρόφηση νερού,

αιτία που συνήθως οδηγεί στην αποσύνθεσή τους λόγω πήξης του νερού και διάρρηξης του

πετρώµατος. Εντούτοις, αδρανή που θεωρούνται “ακατάλληλα” σε περισσότερες από µια

ιδιότητές τους πρέπει να αναµένεται ότι θα “παράγουν” χαµηλών προδιαγραφών σκυρόδεµα,

οπότε, ο προσδιορισµός των ιδιοτήτων τους συνεισφέρει στην εκτίµηση της καταλληλότητάς

τους για χρήση στο σκυρόδεµα.

107

5.4. Ταξινόµηση των φυσικών αδρανών

Σχήµα 5.10. Ταξινόµηση φυσικών αδρανών σκυροδέµατος κατά τα BS και ASTM

Τα Βρετανικά πρότυπα (British Standards, B.S.) ταξινοµούν από πετρολογική άποψη τα

πετρώµατα από τα οποία προκύπτουν τα αδρανή, αλλά η ταξινόµηση αυτή δεν συνεπάγεται

οπωσδήποτε και καταλληλότητα για την παρασκευή σκυροδέµατος.

Η ταξινόµηση κατά ASTM περιγράφει τα πιο κοινά ορυκτά, ή τα σπουδαιότερα, που

συναντώνται στα αδρανή. Τα Αµερικανικά Πρότυπα (ASTM ) βοηθούν στην πρόβλεψη των

ιδιοτήτων των αδρανών που τα περιέχουν, αλλά δεν εξασφαλίζουν επίσης και την ποιότητα του

παραγόµενου σκυροδέµατος.

Παρόλα αυτά, η εξέταση της γεωλογικής προέλευσης των αδρανών είναι απαραίτητη, ιδιαίτερα

σε περιπτώσεις που χρησιµοποιούνται γνωστά από πλευράς ιδιοτήτων αδρανή ως δεδοµένα

αναφοράς.

Επίσης, είναι απαραίτητο να αναγνωριστούν π.χ. οι µετασταθείς φάσεις του SiO2 στα αδρανή,

φάσεις οι οποίες επηρεάζουν αρνητικά τις ιδιότητές τους.

Επίσης, µεγάλη σηµασία για τις ιδιότητές των αδρανών έχουν οι τρόποι παραγωγής (µέθοδοι

θραύσης, µηχανήµατα) και επεξεργασίας τους (π.χ. έκπλυση).

Α∆ΡΑΝΗ

Φυσικά αδρανή από πετρώµατα BS 812: Part 1:1975 ASTM C 294-69

Τεχνητά αδρανή από βιοµηχανικά παραπροϊόντα (π.χ. σκωρίες)

Προϊόντα θραύσης πετρωµάτων

Προϊόντα φυσικών διεργασιών (αποσάθρωση, απολέπιση κ.α)

108

5.5. ∆ειγµατοληψία

Για τον προσδιορισµό των ιδιοτήτων των αδρανών είναι απαραίτητη η παραλαβή

αντιπροσωπευτικού δείγµατος του προς εξέταση υλικού.

Η µάζα της απαιτούµενης ποσότητας δείγµατος εξαρτάται από το µέγεθος των αδρανών

(κοκκοµετρικό κλάσµα) και δίνεται στον παρακάτω Πίνακα 5.1.

Πίνακας 5.1. Ελάχιστη µάζα δείγµατος κατά το Βρετανικό πρότυπο BS 812 Part 102:1989 για τον έλεγχο των ιδιοτήτων των αδρανών.

Μέγιστο µέγεθος τεµαχίων αδρανών που

χρησιµοποιείται σε µεγάλο ποσοστό, mm

Ελάχιστη µάζα δείγµατος που

λαµβάνεται για έλεγχο ιδιοτήτων, kg

28 mm ή µεγαλύτερο 50

Μεταξύ 5-28 mm 25

Μικρότερο από 5 mm 13

Το δείγµα πρέπει να παίρνεται µε τη βοήθεια ειδικού πτύου (scoop) και όχι µε κλασσικού τύπου

πτύο (φτυάρι), ώστε να εξασφαλίζεται η µη «απόµειξη» (segregation) του υλικού.

Το δείγµα πρέπει να λαµβάνεται σταδιακά, τουλάχιστον από 10 διαφορετικά µέρη του

συνολικού υλικού για την κατά το δυνατόν µεγαλύτερη αντιπροσωπευτικότητά του. Εάν όµως

το δείγµα “παίρνεται” από µη οµοιόµορφο υλικό (π.χ. σωρός «αποµειγµένου» υλικού), τότε

πρέπει να αυξηθούν τόσο ο αριθµός των σταδίων, όσο και το βάρος του δείγµατος.

Επειδή όµως, για την εργαστηριακή εξέταση, απαιτείται πολύ µικρότερη ποσότητα από αυτή

του δείγµατος, πρέπει να γίνεται παραπέρα ελάττωση της µάζας του δείγµατος

(αντιπροσωπευτική δειγµατοληψία), φροντίζοντας να διατηρείται παράλληλα ο χαρακτήρας του

προς εξέταση υλικού, δηλαδή ως προς το αρχικό δείγµα και κατά το δυνατόν ως προς την

αρχική πηγή των αδρανών (π.χ. σωρός, αποθήκη ή µεταφορική ταινία).

Η µέθοδος λήψης του τελικού δείγµατος γίνεται συνήθως µε µία από τις δύο µεθόδους που

είναι:

1. η µέθοδος της τεταρτοτόµησης (quartering), και

2. η µέθοδος του µηχανικού δειγµατολήπτη (riffling)

109

Στη µέθοδο του «µηχανικού δειγµατολήπτη» πρέπει να χρησιµοποιούνται δειγµατολήπτες

ρυθµιζόµενου ανοίγµατος χωρισµάτων, ώστε να πετυχαίνεται ανάλογα µε το µέγεθος του

µέγιστου τεµαχίου η ανεµπόδιστη διέλευση του τροφοδοτούµενου υλικού και η λήψη του στους

υποδοχείς.

5.6. Σχήµα και υφή των τεµαχίων

Εκτός από τον πετρολογικό χαρακτήρα των τεµαχίων, µεγάλη σηµασία παίζουν και τα

εξωτερικά χαρακτηριστικά (σχήµα και επιφανειακή υφή) των τεµαχίων των αδρανών.

Το σχήµα των τρισδιάστατων στερεών είναι δύσκολο να περιγραφεί και να προσδιοριστούν τα

γεωµετρικά χαρακτηριστικά των ακανόνιστων στερεών (τεµαχίων).

Η σφαιρικότητα είναι η ιδιότητα µε την οποία χαρακτηρίζονται τα τεµάχια από πλευράς

γωνιώδους µορφής, οξύτητας των ακµών και των γωνιών τους.

Η σφαιρικότητα των τεµαχίων εξαρτάται από την αντοχή και την αποξεστικότητα του µητρικού

πετρώµατος, από τη φθορά που έχουν υποστεί τα τεµάχια κατά τη διαδικασία θραύσης (τύπος

θραυστήρα και λόγος ελάττωσης µεγέθους).

Τα τεµάχια χαρακτηρίζονται από πλευράς σχήµατος σύµφωνα µε το πρότυπο BS 812 : Part

1:1975 όπως παρακάτω:

• Στρογγυλεµένα

• Ακανόνιστα

• Πεπλατυσµένα

• Γωνιώδη

• Επιµήκη

• Πεπλατυσµένα και επιµήκη

Τα χαρακτηριστικά σχήµατος των τεµαχίων των αδρανών µπορούν επηρεάζουν την

εργασιµότητα (workability) και την αντοχή του σκυροδέµατος.

Στις ΗΠΑ η ταξινόµηση που χρησιµοποιείται συνήθως είναι:

• Καλά στρογγυλεµένα

• Στρογγυλεµένα

• Ηµιστρογγυλεµένα

• Ηµιγωνιώδη

• Γωνιώδη

110

Οι παράµετροι που εξετάζονται για το χαρακτηριστικό του σχήµατος των τεµαχίων είναι η

σφαιρικότητα (sphericity) και η κυκλικότητα (roundness).

5.7. Πρότυπα

⇒ Βρετανικά Πρότυπα

Οι Βρετανικοί κανονισµοί, που διέπουν τους παράγοντες σχήµατος των τεµαχίων των αδρανών,

είναι:

B.S. 882: 1992 και

B.S. 882 Section 105.1: 1989

Ενώ παλαιότερα το σχήµα των τεµαχίων θεωρούνταν ως βασικός παράγων για την ποιότητα

του σκυρόδεµατος, σήµερα, µε τις µοντέρνες µεθόδους και διεργασίες παραγωγής

σκυροδέµατος, ουσιαστικός έλεγχος πρέπει να γίνεται µόνο για το “πεπλατυσµένο” των

τεµαχίων, επειδή είναι πιθανή η δέσµευση κάτω από τα αδρανή νερού, που έχει ως αποτέλεσµα

επιφάνειες “αδυναµίας” ή µεγαλύτερη κατανάλωση νερού και τελικά παραγωγή σκυροδέµατος

µικρότερης αντοχής.

Το πρότυπο BS 882: 1992 περιορίζει την τιµή που δίνει το BS 882 : S 105.1Q 1989 στην τιµή

του δείκτη “πεπλατυσµένου” σε 50% για αυτογενές υλικό και 40% για θραυσµένο πέτρωµα ή

θραυσµένες κροκάλες. Μικρότερες όµως τιµές του δείκτη “πεπλατυσµένου” αφορούν σε

τεµάχια που είναι κατάλληλα µόνο για την παρασκευή σκυροδέµατος για επιφάνειες δρόµων.

Επειδή ο βαθµός “συµπύκνωσης” (packing) των τεµαχίων µιας µόνο κοκκοµετρικής οµάδας,

εξαρτάται από τη µορφή και το σχήµα τους, το κλάσµα των κενών (πορώδες, voids) σε δείγµα

που έχει “συµπυκνωθεί” µε συγκεκριµένο τρόπο, συσχετίζεται µε τη µορφή (γωνιώδες) των

αδρανών, σύµφωνα µε τις αρχές του προτύπου BS 812 : Part 1:1975.

Από την παραπάνω διαδικασία καθορίζεται η τιµή “γωνιώδους”, η οποία παίρνεται ως 67%

µείον το ποσοστό του πραγµατικού όγκου που καταλαµβάνουν τα στερεά σ’ ένα δοχείο που έχει

πληρωθεί µε συγκεκριµένο τρόπο.

Οι κοκκοµετρικές οµάδες τεµαχίων που ελέγχονται ως προς το πορώδες, πρέπει να είναι στενές

και θα πρέπει (κατά προτίµηση) να είναι οι παρακάτω:

111

-20 + 14 mm

-14 + 10 mm

-10 + 6.3 mm

-6.3 + 5.0 mm

Άλλος τρόπος περιγραφής του σχήµατος των τεµαχίων είναι η “σφαιρικότητά τους”, που είναι

συνάρτηση του λόγου της επιφάνειας του τεµαχίου προς τον όγκο του.

∆ηλαδή µεγάλη τιµή του λόγου επιφάνεια/όγκο τεµαχίου έχει µεγάλη σηµασία, γιατί µειώνει

την εργασιµότητα του µείγµατος τσιµέντου αδρανών. Τέτοια τεµάχια είναι τα «επιµήκη» και τα

«πεπλατυσµένα». Τα πεπλατυσµένα τεµάχια επιδρούν αρνητικά και στη διάρκεια ζωής του

σκυροδέµατος γιατί διατάσσονται µόνο σε µια κατεύθυνση δεσµεύοντας νερό και αέρα κάτω

από αυτά.

Η παρουσία πεπλατυσµένω τεµαχίων, σε ποσοστό µεγαλύτερο από 10-15% του βάρους των

χονδροµερών αδρανών, θεωρείται γενικά ανεπιθύµητη χωρίς όµως να έχουν τεθεί συγκεκριµένα

όρια.

Ως δείκτης “επιµήκων” και δείκτης “πεπλατυσµένων” παίρνεται ο λόγος του βάρους των

επιµήκων ή πεπλατυσµένων προς το συνολικό βάρος του δείγµατος.

Τα τεµάχια που είναι ταυτόχρονα επιµήκη και πεπλατυσµένα παίρνονται υπόψη και στις δυο

κατηγορίες.

Ως “επιµήκη” θεωρούνται τα τεµάχια µε µέγιστη διάσταση 1.8 φορές του µέσου µεγέθους του

κλάσµατος στο οποίο ανήκουν, ενώ “πεπλατυσµένα” θεωρούνται εκείνα που η ελάχιστη

διάστασή τους είναι 0.6 φορές του µέσου µεγέθους κλάσµατος στο οποίο ανήκουν.

Ο βαθµός «επιµήκoυς» και το σχήµα του χονδροµερούς αδρανούς έχει επίσης σηµαντική

επίδραση στην «εργασιµότητα» του σκυροδέµατος.

Η µορφή (δοµή) της επιφάνειας εξαρτάται από το βαθµό λείανσης της επιφάνειας των

τεµαχίων, η οποία µπορεί να χαρακτηριστεί ως λεία, οµαλή ή αδρή.

Η δοµή της επιφάνειας εξαρτάται από τη σκληρότητα, το µέγεθος των κόκκων και τα

χαρακτηριστικά των πόρων του µητρικού πετρώµατος και επίσης από τον τρόπο επιβολής των

δυνάµεων κατά τη διαδικασία θραύσης.

Σκληρά, συµπαγή, µεγάλης πυκνότητας και µικροκρυσταλλικά πετρώµατα παρουσιάζουν,

γενικώς, οµαλές επιφάνειες θραύσης. Φαίνεται ότι η µορφή και η επιφανειακή δοµή των

112

τεµαχίων επηρεάζουν σηµαντικά την αντοχή του σκυροδέµατος. Π.χ. η αντοχή σε κάµψη

επηρεάζεται περισσότερο από την αντοχή σε θλίψη.

Στον παρακάτω Πίνακα 5.2. δίνεται η επίδραση του σχήµατος και της επιφανειακής δοµής των

αδρανών στην αντοχή του σκυροδέµατος.

Πίνακας 5.2. Επίδραση του σχήµατος και της επιφανειακής δοµής των αδρανών στην

αντοχή του σκυροδέµατος

Σχετική επίδραση των ιδιοτήτων των αδρανών, (%) Είδος αντοχής σκυροδέµατος

Σχήµα Επιφανειακή δοµή Μέτρο ελαστικότητας

Αντοχή σε κάµψη 31 26 43

Αντοχή σε θλίψη 22 44 34

Τεµάχια µε αδρή επιφάνεια έχουν ως αποτέλεσµα µεγάλη συγκολλητική δύναµη µεταξύ

τεµαχίων και τσιµεντοπανταστας. Οµοίως, όσο µεγαλύτερη είναι η ειδική επιφάνεια (cm2/g ή

m2/kg) γωνιωδών αδρανών, τόσο µεγαλύτερη είναι η δύναµη συγκόλλησης µε την

τσιµεντόπαστα.

Οπότε, το σχήµα και η επιφανειακή δοµή των λεπτοµερών αδρανών έχει σηµαντική επίδραση

στην κατανάλωση νερού του παραγόµενου µείγµατος.

Εάν αυτές οι ιδιότητες αυτού του αδρανούς εκφράζονται έµµεσα µε τον τρόπο κατανοµής τους

κατά τη συµπύκνωση (packing) π.χ. ποσοστό κενών σε χαλαρή µορφή των αδρανών, τότε είναι

προφανής η επίδραση στις απαιτήσεις σε νερό. Η επίδραση των κενών µεταξύ των τεµαχίων

είναι λιγότερο σηµαντική για τα χονδροµερή αδρανή.

Στο Σχήµα 5.11 η επιφάνεια των υγρών µέσα στους ογκοµετρικούς σωλήνες A και Β, η οποία

αντιστοιχεί στον όγκο των κενών των αδρανών, είναι στο ίδιο ύψος από τον πυθµένα. Αυτό

σηµαίνει ότι ο όγκος των κενών είναι ίδιος για τις δύο διαφορετικές στενές κοκκοµετρίες (A και

Β) των αδρανών. Όταν όµως αναµειγνύονται διαφορετικά µεγέθη τεµαχίων (κοκκοµετρίες

αδρανών), ο όγκος των κενών µειώνεται (περίπτωση C), επειδή τα λεπτοµερή εισέρχονται και

γεµίζουν τα κενά των χονδροµερών αδρανών.

113

Σχήµα 5.11. Επίδραση της κοκκοµετρικής σύνθεσης των αδρανών στον όγκο των κενών.

5.8. Έλεγχος καταλληλότητας αδρανών σύµφωνα µε τα διάφορα πρότυπα

Ο έλεγχος καταλληλότητας των αδρανών σκυροδέµατος γίνεται στην Ελλάδα σύµφωνα µε το

Σχέδιο Προτύπου ΕΛΟΤ 408 (µέθοδοι ελέγχου ΣΚ-301, ΣΚ-305 και 306), ενώ τα αντίστοιχα

αµερικανικά πρότυπα (ASTM) που εφαρµόζονται είναι:

1. ASTM C 33 για τις γενικές προδιαγραφές

2. ASTM C 29/ C 29M για το ειδ. βάρος ανά µονάδα όγκου και τον υπολογισµό των

κενών

3. ASTM C 40 για τις οργανικές προσµίξεις του λεπτοµερούς αδρανούς του

σκυροδέµατος

4. ASTM C 87 για την επίδραση των οργανικών προσµίξεων στην αντοχή της

τσιµεντόπαστας

5. ASTM C 88 για την «υγεία» των αδρανών

114

6. ASTM C 117 για τον υπολογισµό του κλάσµατος – 200 mesh (-75 µm) (υπολογισµός

της «παιπάλης»)

7. ASTM C 127-88 και 128-97 για τον προσδιορισµό του ειδικού βάρους και της

απορροφητικότητας των αδρανών (λεπτοµερών και χονδροµερών, αντιστοίχως)

8. ASTM C 131 προσδιορισµός της αντοχής των αδρανών (υπολογισµός του δείκτη Los

Angeles)

9. ASTM C 136 για τον προσδιορισµό των κοκκοµετρικών αναλύσεων λεπτοµερών και

χονδροµερών αδρανών

10. ASTM C 289 για τον προσδιορισµό της αντίδρασης µε αλκάλια

11. ASTM C 295 για την πετρογραφική τους πετρογραφική εξέταση

12. ASTM C 125 (ορολογία που αφορά στο σκυρόδεµα και στα αδρανή σκυροδέµατος).

Παρεµφερείς προδιαγραφές υπάρχουν και στα Βρετανικά Πρότυπα (BS 812) και Ευρωπαϊκά

Πρότυπα (CEN/TC 154), τα οποία περιλαµβάνονται στους παρακάτω Πίνακες 5.3 και 5.4,

αντιστοίχως.

Πίνακας 5.3. Βρετανικά (BS) και Αµερικανικά Πρότυπα (ASTM) για τον έλεγχο

καταλληλότητας αδρανών υλικών (παράθεση σχετικών προτύπων)

Tests / Services Standard Methods / Techniques

(Πρότυπα)

Sampling

∆ειγµατοληψία

BS 821 : Pt 102 : 1989

SS 73 : 1974

Clay, silt & dust content (field settling)

Περιεκτικότητα σε αργιλικό υλικό

BS 812: Pt 1 : 1975

SS 73 : 1974

Clay, silt & dust content (decantation)

Περιεκτικότητα σε αργιλικό υλικό

BS 812 : Pt 1 : 1975

SS 73 : 1974

Materials finer then 75 µm

Λεπτοµερές υλικό < 75 µm

ASTM C 117-90

Particle size distribution by sieving

Κατανοµή µεγέθους τεµαχίων (κοσκίνιση)

BS 812: Sect 103.1 : 1985

ASTM C 136-84a & SS 73 : 1974

Moisture content

Περιεκτικότητα σε υγρασία

BS 812 : Pt 109 : 1990

ASTM C 566-89 & SS 73 : 1974

Organic impurities (colour test)

Οργανικές προσµείξεις (χρωµατική δοκιµή)

SS 73 : 1974

ASTM C 40-84

115

Bulk density, voids & bulking

Φαινόµενη πυκνότητα και πορώδες κλίνης

BS 812 : Pt 2 : 1975

SS 73 : 1974

Relative densities & water absorption

Σχετικές πυκνότητες και απορρόφηση νερού

BS 812 : Pt 2 : 1975 & SS 73 : 1974

Aggregate crushing value (ACV)

∆είκτης αντοχής αδρανών (ACV)

BS 812 : Pt 110 : 1990 & SS 73 : 1974

10% fines value (TFV)

Υπολογισµός δείκτη 10% κ.β. λεπτοµερών

BS 812 : Pt 111 : 1990 & SS 73 : 1974

Angularity number

∆είκτης γωνιωδών τεµαχίων

BS 812 : Pt 1 : 1975 & SS 73 : 1974

Flakiness index

∆είκτης πεπλατυσµένων τεµαχίων

BS 812 : Pt 105.1 : 1989 & SS 73 : 1974

Elongation index

∆είκτης επιµήκων τεµαχίων

BS 812 : Pt 105.2 : 1990

SS 73 : 1974

Soundness

Υγεία

BS 812 : Pt 121 : 1989

SS 73 : 1974

Impact value

Αντοχή σε κρούση

BS 812 : Pt 121 : 1990

SS 73 : 1974

Los Angeles Abrasion

∆είκτης Los Angeles

ASTM C 131-89

ASTM C 535-89 & SS 73 : 1974

Chloride content

Περιεκτικότητα σε χλωριόντα

BS 812: Pt 117 : 1988

SS 73 : Pt 17 : 1992

Sulphate content

Περιεκτικότητα σε θειϊκά

BS 812 : Pt 118 : 1988

SS 73 : Pt 18 : 1992

116

Πίνακας 5.4. Ευρωπαϊκά Πρότυπα για έλεγχο ιδιοτήτων των αδρανών (Aggregates)

(Είχαν υιοθετηθεί µέχρι 31 January 2002 και χρησιµοποιούνται από τότε)

CEN/TC 154

EN 932-1:1996 Tests for general properties of aggregates - Part 1: Methods for sampling

EN 932-2:1999 Tests for general properties of aggregates - Part 2: Methods for reducing laboratory samples

EN 932-3:1996 Tests for general properties of aggregates - Part 3: Procedure and terminology for simplified petrographic description

EN 932-5: 1999 Tests for general properties of aggregates - Part 5: Common equipment and calibration

EN 932-6: 1999 Tests for general properties of aggregates - Part 6: Definitions of repeatability and reproducibility

EN 933-1:1997 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 1: Determination of particle size distribution - Sieving method

EN 933-2:1995 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 2: Determination of particle size distribution - Test sieves, nominal size of apterures

EN 933-3:1997 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 3: Determination of particle shape - Flakiness index

EN 933-4: 1999 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 4: Determination of particle shape - Shape index

EN 933-5:1998 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 5: Determination of percentage of crushed and broken surfaces in coarse aggregate particles

EN 933-6:2001 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 6: Assessment of surface characteristics - Flow coefficient of aggregates

EN 933-7: 1999 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 7: Determination of shell content - Percentage of shells in coarse aggregates

EN 933-8: 1999 Test for geometrical properties of aggregates - Part 8: Assessment of fines - Sand equivalent test

EN 933-9:1998 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 9: Assessment of fines - Methylene blue test

EN 933-10:2001 Tests for geometrical properties of aggregates - Part 10: Assessment of fines - Grading of fillers (air jet sieving)

EN 1097-1:1996 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 1: Determination of the resistance to water (micro-Deval)

EN 1097-2:1998 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 2: Methods for the determination of resistance to fragmentation

EN 1097-3:1998 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 3: Determination of loose bulk density and voids

EN 1097- 4: 1999 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 4: Determination of the voids of dry compacted filler

EN 1097- 5: 1999 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 5: Determination of the water content by drying in a ventilated oven

117

EN 1097-6: 2000 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 6: Determination of particle density and water absorption

EN 1097-7: 1999 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 7: Determination of the particle density of filler - Pyknometer method

EN 1097-8: 1999 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 8: Determination of the polished stone value

EN 1097-9:1998 Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 9: Determination of the resistance to wear by abrasion from studded tyres - Nordic test

EN 1367-1: 1999 Tests for thermal and weathering properties of aggregates - Part 1: Determination of resistance to freezing and thawing

EN 1367-2:1998 Tests for thermal and weathering properties of aggregates - Part 2: Magnesium sulfate test

EN 1367-3:2001 Tests for thermal and weathering properties of aggregates - Part 3: Boiling test for "Sonnenbrand basalt"

EN 1367-4:1998 Tests for thermal and weathering properties of aggregates - Part 4: Determination of drying shrinkage

EN 1744-1:1998 Tests for chemical properties of aggregates - Part 1: Chemical analysis

EN 13179-1:2000 Tests for filler aggregate used in bituminous mixtures - Part 1: Delta ring and ball test

EN 13179-2:2000 Tests for filler aggregate used in bituminous mixtures - Part 2: Bitumen number

118

6. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΤΟΙΜΟΥ ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑΤΟΣ

Το σκυρόδεµα είναι µίγµα τσιµέντου, νερού/αέρα, λεπτοµερών και χονδροµερών αδρανών.

Σύµφωνα µε την PCA (Portland Cement Association), η κατ’όγκο συµµετοχή των πρώτων υλών

στο σκυρόδεµα δίνεται κατά προσέγγιση στο Σχήµα 6.1.

Σχήµα 6.1. Κατά προσέγγιση συµµετοχή των πρώτων υλών στο σκυρόδεµα.

6.1. Μέθοδοι παραγωγής και διαγράµµατα ροής µονάδων παραγωγής σκυροδέµατος

Υπάρχουν δύο (-2-) κύριες µέθοδοι παρασκευής έτοιµου σκυροδέµατος:

• η υγρή αυτοτελής (batch) µέθοδος και

• η ξηρή αυτοτελής µέθοδος.

Κατά την υγρή µέθοδο παρασκευής, ακριβείς ποσότητες όλων των συστατικών του

σκυροδέµατος (τσιµέντο ή υποκατάστατά του, αδρανή υλικά, νερό και χηµικά πρόσθετα)

τροφοδοτούνται σε µηχανικό αναµικτήρα (Σχήµατα 6.2 & 6.3).

Το προϊόν της διεργασίας ανάµιξης, που είναι το έτοιµο σκυρόδεµα (ready mixed concrete)

µεταφέρεται αναδευόµενο κατόπιν µε ειδικά φορτηγά ως ρευστό µεγάλου ιξώδους στη θέση

119

(έργο) όπου θα χρησιµοποιηθεί. Εκεί το σκυρόδεµα αποχύνεται σε καλούπια και δονείται ώστε

να συµπυκνωθεί και να πάρει τη µορφή του στοιχείου του έργου.

Κατά την ξηρή µέθοδο παρασκευής, οι ακριβώς υπολογισµένες ποσότητες των πρώτων υλών

τροφοδοτούνται στο περιστρεφόµενο τύµπανο του οχήµατος (π.χ. φορτηγού) παρασκευής και

µεταφοράς. Ταυτόχρονα επίσης, προστίθενται στο τύµπανο οι αναγκαίες ποσότητες νερού και

χηµικών πρόσθετων και η ανάµιξη όλων των συστατικών γίνεται κατά την κίνηση του

οχήµατος και τη µεταφορά του στο κατασκευαζόµενο.έργο (Σχήµα 6.3).

Σχήµα 6.2. ∆ιάταξη µηχανηµάτων και αποθηκών πρώτων υλών κατά την υγρή µέθοδο παρασκευής έτοιµου σκυροδέµατος.

Στό Σχήµα 6.4. φαίνεται ένα αναλυτικό διάγραµµα ροής διεργασιών σύγχρονης µονάδας

παραγωγής έτοιµου (ready mixed concrete) στο οποίο φαίνονται επίσης και οι απαραίτητες

συµπληρωµατικές διεργασίες που πρέπει να περιλαµβάνονται στο κύκλωµα, ώστε η παραγωγή

του σκυροδέµατος να γίνεται µε τον πιο οικονοµικό αλλά και «περιβαλλοντικά» φιλικό τρόπο.

Στο ίδιο διάγραµµα φαίνεται ο τρόπος διαχείρισης του αχρησιµοποίητου (περίσσευµα)

σκυροδέµατος, το οποίο πρέπει στην πλειονότητα των περιπτώσεων να επιστρέφεται στη

µονάδα και επίσης υποδεικνύεται ο τρόπος διαχείρισης των παντός είδους στερεών και υγρών

αποβλήτων που προκύπτουν, τα οποία σε καµµία περίπτωση δεν πρέπει να απορρίπτονται στο

περιβάλλον χωρίς προηγουµένως να έχουν υποστεί την απαραίτητη επεξεργασία.

120

Η «περιβαλλοντική» διάσταση της παραγωγής του σκυροδέµατος είναι µια παράµετρος η οποία

πρέπει να λαµβάνεται σοβαρά υπόψη κατά την ανέγερση και τη λειτουργία µονάδων

παραγωγής έτοιµου σκυροδέµατος.

Λεπτοµερέστερη ανάλυση του παραπάνω προβλήµατος γίνεται σε εργασία που παρατίθεται στο

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ.

Σχήµα 6.3. Αυτοτελείς διεργασίες (υγρή-ξηρή) παρασκευής σκυροδέµατος.

121

Σχήµα 6.4. ∆ιάγραµµα ροής διεργασιών σε µονάδα παραγωγής έτοιµου σκυροδέµατος.

122

6.2. Προσδιορισµός της σύνθεσης του σκυροδέµατος (Εισαγωγή) Οι αναλογίες των συστατικών του σκυροδέµατος προσδιορίζονται και «επιβάλλονται» κάθε

φορά από το έργο το οποίο θα κατασκευαστεί, δηλαδή εξαρτώνται από τις απαιτήσεις σε

εργασιµότητα (workability), αντοχή, ανθεκτικότητα στη διάρκεια του χρόνου (durability),

πυκνότητα και τελική επιφανειακή εµφάνιση, που επιβάλλονται από τις προδιαγραφές του

έργου.

Σηµαντική επίδραση στο σχεδιασµό παίζουν οι καιρικές συνθήκες, που αναµένονται να

επικρατούν κατά την εποχή της διάστρωσης όπως επίσης και καθ’όλη τη διάρκεια ζωής του

σκυροδέµατος.

1. Μέθοδοι προσδιορισµού της σύνθεσης του σκυροδέµατος

Οι δυο κύριες µέθοδοι προσδιορισµού της σύνθεσης του µίγµατος για την παρασκευή του

σκυροδέµατος είναι:

• Η αυτοτελής µέθοδος δοκιµής και σφάλµατος (trial-batch method)

• Η µέθοδος προσδιορισµού απολύτου όγκου των συστατικών του σκυροδέµατος

Η επιλογή των συστατικών για την παρασκευή του σκυροδέµατος πρέπει να γίνεται πάντοτε µε

γνώµονα, τη µε οικονοµικό τρόπο χρήση των διαθέσιµων υλικών για την παραγωγή

σκυροδέµατος, τη µεγάλη αντοχή σε θλίψη (compressive strength), την ανθεκτικότητα στη

διάρκεια του χρόνου µε ταυτόχρονη όµως εξασφάλιση ικανοποιητικής εργασιµότητας κατά τη

χρήση. Η χρήση των βασικών µαθηµατικών σχέσεων και εργαστηριακές δοκιµές δίνουν τη

δυνατότητα σύνθεσης σκυροδέµατος ικανοποιητικών ιδιοτήτων. Από πολυάριθµες

παρατηρήσεις έχει διαπιστωθεί ότι οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία αυτή

είναι:

• Ο λόγος νερού / τσιµέντο (W/C)

• Ο τύπος, το µέγεθος και η ποσοστιαία % συµµετοχή των διαθέσιµων αδρανών υλικών

• Η παραγωγή και χρήση σκυροδέµατος µε ή χωρίς αερακτικό

• Η απαιτούµενη κάθιση (slump) ή εξάπλωση του παραγόµενου µείγµατος Για την παραγωγή σκυροδέµατος πολύ καλής ποιότητας, ο ρόλος του νερού, που µετριέται

µέσω του λόγου νερού προς τσιµέντο (W/C), είναι πολύ σηµαντικός:

(W/C , Water-Cement ratio) = Μάζα νερού / Μάζα τσιµέντου

123

Το σκυρόδεµα, που θα προκύψει, πρέπει να είναι «εργάσιµο» (workable), δηλαδή να έχει

κατάλληλο ιξώδες που να του επιτρέπει να ρέει, να µορφοποιείται µέσα στον ξυλότυπο

(καλούπι) και αποκτά αντοχή µετά την πάροδο κάποιου χρόνου.

Το νερό προκαλεί µέσω της αντίδρασης ενυδάτωσης (hydration) πήξη και σκλήρυνση του

σκυροδέµατος. Η πήξη και σκλήρυνση του σκυροδέµατος διατηρεί τα αδρανή υλικά

συγκολληµένα µεταξύ τους. Το νερό πρέπει να είναι καθαρό για να µη γίνονται εκτός της

ενυδάτωσης και άλλες αντιδράσεις που παράγουν τελικά ασθενές (χαµηλής αντοχής)

σκυρόδεµα.

Ο λόγος νερού προς τσιµέντο (W/C) καθορίζεται από διάφορους παράγοντες που εξαρτώνται

από την απαιτούµενη αντοχή του σκυροδέµατος, από το είδος του σκυροδέµατος που

σχεδιάζεται να παραχθεί και από τις συνθήκες του περιβάλλοντος οι οποίες αναµένεται να

επικρατήσουν µετά τη διάστρωσή του. Η διαµόρφωση της τιµής του (W/C) καθορίζεται µε τη

βοήθεια στοιχείων από Πίνακες (π.χ. Πίνακας 6.1.), που ακολουθούν.

Η γενική αρχή που ισχύει στην παραγωγή σκυροδέµατος είναι:

Μεγάλος λόγος (W/C), δηλαδή περίσσεια νερού, προκαλεί παραγωγή ασθενούς

σκυροδέµατος, ενώ µικρός λόγος κάνει το σκυρόδεµα «µη εργάσιµο», δεν «δουλεύεται»

ικανοποιητικά (έχει πολύ µεγάλο ιξώδες).

Ο µεγάλος λόγος (W/C) επιτρέπει στα αδρανή να κατακάθονται µέσα στο αραιό µείγµα και έτσι

στην επιφάνεια της κατασκευής αποµένει τσιµεντόπαστα (µείγµα νερού και τσιµέντου). Επίσης,

λόγω της «υδαρότητας» (χαµηλού ιξώδους) του σκυροδέµατος, προκαλείται διαφορική

ταξινόµηση (ταξινόµηση κατά µέγεθος ή απόµειξη) των αδρανών του σκυροδέµατος µέσα στα

καλούπια και απορροή της τσιµεντόπαστας από τα διάκενα του ξυλότυπου. Τελικώς, αυτό έχει

ως αποτέλεσµα την έλλειψη συνδετικής ύλης µεταξύ των αδρανών, δηλαδή την παραγωγή

σκυροδέµατος ανοµοιόµορφης δοµής και χαµηλής αντοχής.

124

Πίνακας 6.1. Λόγος νερού προς τσιµέντο (W/C) ως συνάρτηση του είδους του σκυροδέµατος

Συνθήκες έκθεσης σκυροδέµατος Κανονικό σκυρόδεµα (Απόλυτος λόγος νερού προς τσιµέντο W/C κατά βάρος)

Σκυρόδεµα προστατευµένο από συνθήκες παγώµατος και τήξης του πάγου (freezing and thawing) ή από αντιπαγωτικά χηµικά

Επιλογή του λόγου W/C ανάλογα µε την αντοχή του, την εργασιµότητά του και τις ανάγκες φινιρίσµατος

Στεγανό σκυρόδεµα* • Σε φυσικό νερό • Σε θαλασσινό νερό

0.50 0.45

Σκυρόδεµα ανθεκτικό στον παγετό • Σκυρόδεµα πάχους µικρότερου από

5 cm πάνω από τον οπλισµό ή εκτεθειµένο σε αντιπαγωτικά χηµικά

• Όλες οι υπόλοιπες κατασκευές

0.45

0.50 Σκυρόδεµα εκτεθειµένο σε θειϊκές ενώσεις*

• Μέτρια έκθεση • Έντονη έκθεση

0.50 0.45

Σκυρόδεµα µέσα σε νερό Ποσότητα τσιµέντου όχι µικρότερη από 386 kg/m3

Σκυρόδεµα δαπέδων

Επιλογή του λόγου W/C ανάλογα µε την αντοχή του σκυροδέµατος και επίσης ανάλογα µε τις ελάχιστες απαιτήσεις σε τσιµέντο λόγω µεγέθους αδρανών (Πίνακας ? )

* Για τις ιδιότητες του στεγανού σκυροδέµατος, του ανθεκτικού σε παγετό και του εκτεθειµένου σε θειϊκές ενώσεις πρέπει να χρησιµοποιούνται οι αντοχές που αναφέρονται στα σκυροδέµατα µε χρήση αερακτικού

125

6.3. Τα υλικά του σκυροδέµατος

1. Τα αδρανή στην παραγωγή σκυροδέµατος

• Γενικά

Τα αδρανή που χρησιµοποιούνται στην παρασκευή σκυροδεµάτων κατατάσσονται σε τρεις

κύριες οµάδες µεγεθών τεµαχίων:

1. Χονδροµερή αδρανή µε τεµάχια µεγαλύτερα από 9.5 mm (3/8 in.)

2. Ενδιάµεσου µεγέθους αδρανή µε τεµάχια από 2.36 – 9.5 mm mm (8 mesh-3/8 in.) και τα

3. Λεπτοµερή αδρανή µε τεµάχια µικρότερα από 2.36 mm (8 mesh)

Το κοκκοµετρικό κλάσµα µε µεγέθη τεµαχίων (-5+0,075) mm χαρακτηρίζεται και ως «άµµος»

(sand), ενώ τα τεµάχια µεγέθους ≤ 0.075 mm (200 mesh) ονοµάζονται «παιπάλη».

Σχήµα 6.5. ∆ιάγραµµα ταξινόµησης αδρανών σκυροδέµατος κατά µέγεθος

126

Οι οµάδες µεγεθών (2) και (3) περιγράφονται στο Σχήµα 6.5. µε τον όρο «FINE », ενώ η οµάδα

(1), η οποία συµµετέχει µε το µεγαλύτερο ποσοστό σκυρόδεµα, ως «COARSE». Κάθε

κατηγορία έχει το περιθώριο να κινηθεί στην περιοχή µεταξύ των διακεκοµµένων γραµµών

διατηρώντας το χαρακτηρισµό της.

Σε κάθε περίπτωση, για την παραγωγή σκυροδέµατος υψηλών προδιαγραφών, απαιτούνται

τουλάχιστον δύο στενές κοκκοµετρικές οµάδες τεµαχίων (π.χ. λεπτοµερή ≤ 5 mm ή άµµος και

χονδροµερή ≥ 5 mm), Σχήµα 6.6.

Σχήµα 6.6. Περιπτώσεις κοκκοµετρικών διαβαθµίσεων αδρανών σκυροδέµατος.

• Χονδροµερή αδρανή (περιορισµοί επιλογής µεγέθους)

Στην παραγωγή σκυροδέµατος πρέπει να χρησιµοποιείται η χονδροµερέστερη κατα το δυνατόν

σύνθεση (κοκκοµετρικά κλάσµατα) αδρανών, που εξασφαλίζει τη µέγιστη αντοχή στο

παραγόµενο σκυρόδεµα και την ανάγκη χρήσης της µικρότερης ποσότητας τσιµεντόπαστας µε

προφανή µείωση του κόστους του σκυροδέµατος. Όµως, το µέγιστο µέγεθος αδρανών

εξαρτάται από την «πηγή» των αδρανών, που επηρεάζει, µέσω της µεθόδου παραγωγής του,

τόσο το σχήµα όσο και τη διαβάθµισή του.

127

Επίσης, το µέγιστο µέγεθος τεµαχίου αδρανών δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1/3 της ελάχιστης

διάστασης του δοµικού στοιχείου που θα κατασκευαστεί και τα ¾ της απόστασης µεταξύ των

διαδοχικών ράβδων σιδηροπλισµού του σκυροδέµατος. Για δρόµους και πλάκες δαπέδου

(επίπεδες επιφάνειες) από µη οπλισµένο σκυρόδεµα, το µέγιστο µέγεθος τεµαχίου αδρανούς δεν

πρέπει να υπερβαίνει το 1/3 του πάχους της κατασκευής.

• Λεπτοµερή αδρανή

Όπως προαναφέρθηκε, τα λεπτοµερή αδρανή (fine aggregates) χρησιµοποιούνται για την

πλήρωση των κενών µεταξύ των χονδροµερών αδρανών (coarse aggregates), µε στόχο να

αυξήσουν την εργασιµότητα του µίγµατος του σκυροδέµατος και να ελαττώσουν τον όγκο των

κενών που καλύπτεται από την τσιµεντόπαστα, γεγονός πού έχει προφανώς θετικό οικονοµικό

αποτέλεσµα στο κόστος παραγωγής του σκυροδέµατος.

Η µεθοδολογία προσδιορισµού του συντελεστή ή δείκτη λεπτότητας λεπτοµερών αδρανών

δίνεται στον Πίνακα 6.2.

Πίνακας 6.2. Προσδιορισµός του δείκτη λεπτότητας λεπτοµερών αδρανών

Κόσκινο

No mm

Βάρος παραµένοντος,

g

Παραµένον, %

Αθροιστικό Παραµένον,

% 4 4.75 18.4 1.85 1.85 8 2.36 135.2 13.59 15.44 16 1.18 202.4 20.35 35.79

∆είκτης λεπτότητας (Fineness modulus)

30 0.60 204.4 20.55 56.34 50 0.30 241.0 24.23 80.57 100 0.15 184.2 18.52 99.09

Υποδοχέας 0.0 9.0 0.91 0.91

ΣΥΝΟΛΟ - 994.6 100 100

(1.85+15.44+35.79+56.341+80.57+99.09)/100 = 289.08/100 ≈ 2.89

Ο χαρακτηρισµός των λεπτοµερών αδρανών συναρτήσει της τιµής του συντελεστή λεπτότητάς

τους, δίνεται στον Πίνακα 6.3.

128

Πίνακας 6.3. Χαρακτηρισµός λεπτοµερών αδρανών ως συνάρτηση του συντελεστή λεπτότητάς

τους.

Συντελεστής λεπτότητας λεπτοµερών αδρανών σκυροδέµατος (Fineness modulus) Χαρακτηρισµός αδρανών

2.3 to 2.59 Λεπτοµερής άµµος

Fine Sand

2.6 to 2.89 Ενδιάµεση άµµος

Medium Sand

2.9 to 3.10 Χονδροµερής άµµος

Coarse Sand

• Επίδραση λεπτοµερών αδρανών στη σύνθεση αδρανών σκυροδέµατος

Αδρανή υλικά τα οποία εµφανίζουν οµαλή διαβάθµιση κοκκοµετρικών κλασµάτων, χωρίς

µεγάλο κενό (έλλειψη) ή αντίστοιχα περίσσεια κάποιου κοκκοµετρικού κλάσµατος θεωρούνται

τα πιο κατάλληλα για την παραγωγή σκυροδέµατος (Σχήµατα 6.7 και 6.8).

Σχήµα 6.7. Ικανοποιητική διαβάθµιση από πλευράς µεγέθους (grading)

σύνθεσης αδρανών υλικών µέγιστου µεγέθους 12.7 mm (1/2-inch)

129

Σχήµα 6.8. Ικανοποιητική διαβάθµιση από πλευράς µεγέθους (grading)

σύνθεσης αδρανών υλικών µέγιστου µεγέθους 25.4 mm (1-inch)

Όµως, από τη σύγκριση των δύο παραπάνω σχηµάτων διαπιστώνεται ότι, µε αντικατάσταση

µέρους τεµαχίων, µε µέσο µέγεθος 12.7 mm (Σχήµα 6.7), από τεµάχια διαµέτρου 19 έως 25.4

mm (Σχήµα 6.8), µειώνονται τόσο η ειδική επιφάνεια όσο και το πορώδες της σύνθεσης

τεµαχίων, µε άµεσο θετικό αντίκτυπο στην κατανάλωση τσιµεντόπαστας.

Η ποσοτική επίδραση της προσθήκης λεπτοµερών αδρανών σε χονδροµερή αδρανή δίνεται στο

Σχήµα 6.9, στο οποίο φαίνεται η ποσοστιαία µείωση όγκου των κενών, η οποία επηρεάζει

σηµαντικά την κατανάλωση τσιµεντόπαστας στο σκυρόδεµα.

Σχήµα 6.9. Μεταβολή του όγκου των κενών αδρανών ως συνάρτηση της ποσοστιαίας προσθήκης λεπτοµερούς άµµου.

130

Η ελάχιστη κατανάλωση τσιµέντου (kg/m3 σκυροδέµατος) αντιστοιχεί σε ποσοστό λεπτοµερών

αδρανών περίπου 32% στο σκυρόδεµα (Σχήµα 6.10). Ποσοστό λεπτοµερών αδρανών στο

σκυρόδεµα µικρότερο από 32%, αφήνει προφανώς µεγαλύτερο ποσοστό κενών, το οποίο πρέπει

να γεµίσει µε τσιµεντόπαστα, γεγονός που έχει ως αποτέλεσµα τη µεγαλύτερη κατανάλωση

τσιµέντου. Αντιθέτως, εάν το ποσοστό των λεπτοµερών αδρανών στο σκυρόδεµα είναι

αυξηµένο (>32%), τότε πάλι η κατανάλωση τσιµέντου είναι αυξηµένη, λόγω µεγαλύτερης

ειδικής επιφάνειας της σύνθεσης των αδρανών (Σχήµα 6.10).

Σχήµα 6.10. Κατανάλωση τσιµέντου συναρτήσει του ποσοστού λεπτοµερών αδρανών στο σκυρόδεµα.

• Μέθοδοι προσδιορισµού κατάλληλων κοκκοµετρικών συνθέσεων αδρανών

Τα σκυροδέµατα, που παράγονται χρησιµοποιώντας ένα αποδεκτό συνδυασµό κοκκοµετρικών

κλασµάτων (οµαλής κοκκοµετρικής διαβάθµισης), έχουν την τάση να χρειάζονται µικρότερη

προσθήκη νερού (µικρότερος λόγος W/C, άρα παράγουν ανθεκτικότερα σκυροδέµατα),

εξασφαλίζουν αποδεκτή εργασιµότητα στο σκυρόδεµα, ευκολία στην επιφανειακή διαµόρφωση

131

και “συµπυκνώνονται” χωρίς το φαινόµενο “απόµειξης” των αδρανών. Αυτά τα χαρακτηριστικά

ευνοούν τις ιδιότητες απόχυσης και διάστρωσης του σκυροδέµατος και συµβάλλουν θετικά

στην ανάπτυξη αντοχών και στη συµπεριφορά του σε βάθος χρόνου (durability).

Αντιθέτως, όταν από την κοκκοµετρική σύνθεση των αδρανών σκυροδέµατος απουσιάζουν

κοκκοµετρικά κλάσµατα (gap graded aggregate combination), τότε εµφανίζονται συχνότερα

φαινόµενα απόµειξης, αυξάνει η περιεκτικότητα σε λεπτοµερή άδρανή (άρα απαιτούνται

µεγαλύτερες ποσότητες νερού) και τα σκυροδέµατα αυτά είναι επιδεκτικά σε φαινόµενα

συρρίκνωσης (συστολή) λόγω ξήρανσης (shrinkage effect).

Η επίτευξη οµοιόµορφης (οµαλής) κοκκοµετρικής διαβάθµισης επιβάλλει τη χρήση τριών ή

περισσότερων κοκκοµετρικών κλασµάτων. Για τη σύνθεση της τροφοδοσίας των αδρανών,

στην περίπτωση που γίνεται χρήση του διαγράµµατος «δείκτη χονδροµερούς»/εργασιµότητας

(Σχήµα 6.11), θεωρείται ως δεδοµένο ότι τα αδρανή που χρησιµοποιούνται έχουν

αποστρογγυλεµένο σχήµα ή είναι κυβικής µορφής. Τα µορφολογικά αυτά χαρακτηριστικά των

αδρανών εξασφαλίζουν εργασιµότητα και εύκολη επιφανειακή διαµόρφωση µετά τη

διάστρωση, ενώ τα πεπλατυσµένα αδρανή, επίπεδης και επιµήκους µορφής, δρούν ανασταλτικά

στις παραπάνω ιδιότητες του σκυροδέµατος.

1. ∆ιάγραµµα «δείκτη χονδροµερούς»/εργασιµότητας

Ο «∆είκτης Χονδροµερούς» αδρανών (coarseness factor) υπολογίζεται από την εξίσωση:

∆είκτης χονδροµερούς = 100)8(3%

)8/3(%⋅

62.

9.5

meshmmoA

inmmoA

κοσκινοσενπαραµενθροιστικο

σκινοκσεπαραµενονθροιστικο, όπου

Το % Αθροιστικό διερχόµενο από κόσκινο 2.36 mm χαρακτηρίζεται ως «∆είκτης

εργασιµότητας» του σκυροδέµατος. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι:

∆είκτης χονδροµερούς = 100100

)8/3(%⋅

−

9.5

οςσκυροδέµατ του ταςεργασιµότη ∆είκτης

κόσκινοσεπαραµένονAθροιστικό inmm, επειδή

100-% Αθροιστικό διερχόµενο από κόσκινο 2.36 mm = % Αθροιστικό παραµένον σε κόσκινο 2.36

mm.

132

Σχήµα 6.11. Σχέση µεταξύ «∆είκτη χονδροµερούς» αδρανών και «∆είκτη εργασιµότητας» του σκυροδέµατος

Ο Shilstone συνιστά να επιδιώκεται «στόχος» 60 για το «∆είκτη χονδροµερούς» και 35 για το

∆είκτη εργασιµότητας (Περιοχή ΙΙ). ΄Οµως, όταν το µέγιστο µέγεθος τεµαχίων αδρανών

κυµαίνεται από 25 mm – 37.5 mm, τότε ο ∆είκτης χονδροµερούς πρέπει να είναι περίπου 52 και

ο ∆είκτης εργασιµότητας να κυµαίνεται από 34 έως 38, ενώ όταν ο ∆είκτης χονδροµερούς είναι

68 τότε ο ∆είκτης εργασιµότητας πρέπει να παίρνει τιµές από 32 έως 36. Από τα παραπάνω

προκύπτει ότι αποδεκτή περιοχή για σύνθεση αδρανών σκυροδέµατος είναι η II (Σχήµα 6.11).

Συνθέσεις αδρανών που προσεγγίζουν το κάτω όριο της περιοχής ΙΙ φαίνονται να έχουν

περίσσεια χονδροµερούς υλικού, ενώ οι συνθέσεις αδρανών, που «υπερπηδούν» το κάτω όριο

της ΙΙ και ανήκουν στην περιοχή V, φαίνεται να έχουν υπερβολική ποσότητα χονδροµερούς

υλικού και έλλειψη λεπτοµερών αδρανών (άρα έλλειψη τσιµενοκονιάµατος). Αυτές οι

συνθέσεις είναι προφανές ότι δεν είναι αποδεκτές για την παραγωγή σκυροδέµατος. Οι

συνθέσεις που προσεγγίζουν το άνω όριο της ΙΙ εµφανίζουν υπερβολική ποσότητα λεπτοµερών

αδρανών, ενώ όταν εισέλθουν στην περιοχή IV απαιτούν, λόγω της λεπτότητάς τους, µεγάλη

133

ποσότητα νερού που οδηγεί πιθανώς σε «απόµειξη»* (segregation) των αδρανών και παραγωγή

τελικώς ασθενούς σκυροδέµατος. Συνθέσεις αδρανών, που ανήκουν στην περιοχή Ι (∆είκτης

χονδροµερούς µεγαλύτερος του 75), παράγουν µείγµατα µε έλλειψη κοκκοµετρικών

κλασµάτων, µε µειωµένη εργασιµότητα και πιθανότητα εµφάνισης του φαινοµένου της

απόµειξης, δηλαδή «ασθενή» σκυροδέµατα. Οι συνθέσεις αδρανών που ανήκουν στην περιοχή

ΙΙΙ αντιπροσωπεύουν µίγµατα αδρανών κατάλληλα για σκυρόδεµα όταν τα µεγέθη αδρανών

είναι µικρότερα από 3/4" (19 mm).

*(Ως «απόµειξη, των αδρανών στο σκυρόδεµα χαρακτηρίζεται το φαινόµενο της διαφορικής καθ΄ύψος κατανοµής,

λόγω µεγέθους, των αδρανών στη µάζα του σκυροδέµατος, Εικόνα 1).

Εικόνα 1. Φαινόµενο «απόµειξης» αδρανών υλικών στο σκυρόδεµα (εντονότερο στη δεξιά φωτογραφία)

2. Εξίσωση δύναµης µε εκθέτη 0.45 (0.45 Power Curve)

Η καµπύλη του Σχήµατος 6.12 αντιστοιχεί σε κατανοµή Gates-Gaudin-Schuhmann (G-G-S) µε

συντελεστή µεγέθους 25.0 mm και συντελεστή οµοιοµορφίας m = 0.45, δηλαδή δίνει το %

αθροιστικό διερχόµενο P και περιγράφεται από την εξίσωση:

45.0

25100

⋅=x

P

134

όπου P είναι το αθροιστικό % διερχόµενο από κόσκινο ανοίγµατος (βροχίδας) x.

Τελευταία, οι εξισώσεις αυτού του τύπου χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό

κοκκοµετρικών συνθέσεων αδρανών σκυροδέµατος που εµφανίζουν οµαλή διαβάθµιση

µεγεθών τεµαχίων µέχρι µέγιστου µεγέθους τεµαχίων αδρανών 37.5 mm (1 1/2 in.). Οι

καµπύλες (ευθείες στο διάγραµµα) χαράσσονται από την αρχή των αξόνων µέχρι του επόµενου

µεγαλύτερου µεγέθους που ακολουθεί το κόσκινο της διαβάθµισης µε διερχόµενο 90% περίπου

ή ελάχιστα µικρότερο (στην περίπτωση του Σχήµατος 6.12 µέχρι του µεγέθους 19 mm). Οι

ευθείες αυτές καλούνται γραµµές µέγιστης πυκνότητας. Μια αποδεκτή σύνθεση αδρανών πρέπει

να ακολουθεί την ευθεία µέγιστης πυκνότητας µέχρι του µεγέθους 1.18 mm (16 mesh), οπότε

στρέφεται προς τα κάτω, επειδή συνυπολογίζονται πλέον και τα λεπτοµερή των προσµίκτων

που εµφανίζουν υδραυλική συµπεριφορά, και τα οποία χρησιµοποιούνται για να

υποκαταστήσουν µέρος του τσιµέντου του σκυροδέµατος (Σχήµα 6.12). Η απόκλιση αυτή

µπορεί να κυµαίνεται κατά µέγιστο ± 7 % από κάθε αντίστοιχο σηµείο της γραµµής µέγιστης

πυκνότητας. Μη αποδεκτή σύνθεση αδρανών µε έλλειψη κάποιων κοκ. κλασµάτων, εµφανίζει

χαρακτηριστική µορφή τύπου τελικού “S”, η οποία αποκλίνει σηµαντικά από τη γραµµή

µέγιστης πυκνότητας (Σχήµα 6.13).

3. ∆ιάγραµµα παραµένοντος % (Percent Retained Chart)

Το διάγραµµα αυτό απεικονίζει τα ποσοστά του % παραµένοντος της σύνθεσης των αδρανών

σκυροδέµατος σε κάθε άνοιγµα κοσκίνου (Σχήµα 6.14). Εάν ενωθούν τα διαδοχικά σηµεία

µεταξύ τους, παράγεται µια τεθλασµένη γραµµή, η οποία αντιπροσωπεύει την κοκκοµετρική

ανάλυση της σύνθεσης των αδρανών. Μια αποδεκτή σύνθεση δεν έχει σηµαντικό αριθµό

«κορυφών» ή «βυθίσεων» και οφείλει, για να θεωρηθεί αποδεκτή κατά τον Shilstone, να δίνει

για δύο διαδοχικά κόσκινα άθροισµα % παραµενόντων τουλάχιστον 13%. Τα ποσοστά αυτά του

% παραµένοντος σε κάθε κόσκινο πρέπει να περιλαµβάνονται µεταξύ των ορίων 8 και 18%,

όπως φαίνεται στο Σχήµα 6.14.

Στο Σχήµα 6.15 η κοκκοµετρική σύνθεση αδρανών, η οποία δεν υπακούει στους παραπάνω

κανόνες, δεν θεωρείται αποδεκτή και χαρακτηρίζεται ως σύνθεση µε έλλειψη κάποιων κοκ.

κλασµάτων (gap graded aggregate combination).

135

Σχήµα 6.12. Αποδεκτή καµπύλη (τύπου 0.45) κοκκοµετρικής σύνθεσης αδρανών µέγιστου τεµαχίου 25 mm.

136

Σχήµα 6.13. Μη αποδεκτή καµπύλη (τύπου 0.45) κοκκοµετρικής σύνθεσης αδρανών µέγιστου τεµαχίου 25 mm.

137

Σχήµα 6.14. Οµαλή και συνεχής κοκκοµετρική διαβάθµιση αδρανών σκυροδέµατος

Σχήµα 6.15. Μη αποδεκτή κοκκοµετρική διαβάθµιση αδρανών σκυροδέµατος

138

• Βέλτιστη σύνθεση αδρανών σκυροδέµατος (Optimum Aggregate Blend)

• Βέλτιστη κοκκοµετρική σύνθεση αδρανών

Τα ζητήµατα, που αφορούν στο κόστος, στην εργασιµότητα, στην αντοχή σε

θλίψη και στην ανθεκτικότητα στη διάρκεια του χρόνου, οδηγούν στη

διαµόρφωση της άποψης ότι η πλέον «συµπαγής» σύνθεση (αυτή µε το

µικρότερο ποσοστό κενών) αναµένεται να είναι η πιο οικονοµική λύση,

επειδή απαιτεί τη µικρότερη ποσότητα συνδετικής ύλης (τσιµεντόπαστα).

Αυτή όµως η πρακτική δεν προτιµάται σήµερα, επειδή η εφαρµογή της

συνήθως δεν παράγει εργάσιµα σκυροδέµατα, εκτός του ότι µια τέτοια

πρακτική µπορεί να αποδειχθεί ταυτόχρονα και αντιοικονοµική, όσον αφορά

στη διαδικασία παραγωγής (προετοιµασία) των κοκκοµετρικών κλασµάτων

που θα συνθέσουν την τροφοδοσία των αδρανών.

Για το σκοπό αυτό, κατά κύριο λόγο, εφαρµόζεται η µεθοδολογία που

προβλέπει το Αµερικανικό πρότυπο ASTM C33, η οποία και πάλι δεν

εξασφαλίζει πάντοτε σκυροδέµατα µε αποδεκτή εργασιµότητα, λόγω του

ευρέος φάσµατος µεγεθών των κλασµάτων που χρησιµοποιούνται. Για την

αντιµετώπιση του προβλήµατος αυτού, σε σκυροδέµατα µε σύνθεση αδρανών

χονδροµερούς και λεπτοµερούς κλάσµατος στα οποία διαπιστώνεται ότι από

το λεπτοµερές κλάσµα λείπει σηµαντικό ποσοστό του υλικού µε µεγέθη

τεµαχίων από 4.75-9.5 mm, προτείνεται από τον Shilstone η αντικατάσταση

ποσοστού 15-30% του χονδροµερούς υλικού µε υλικό κοκκοµετρικού εύρους

4.75-9.5 mm.

• Προσδιορισµός της βέλτιστης σύνθεσης αδρανών σκυροδέµατος

Για τον προσδιορισµό µιας βέλτιστης σύνθεσης αδρανών σκυροδέµατος

πρέπει να χρησιµοποιηθούν και οι τρεις (-3-) παραπάνω µεθοδολογίες και να

επιστρατευθεί επίσης και η όποια εµπειρία υπάρχει στο εργοτάξιο. Το

διάγραµµα «∆είκτη χονδροµερούς/εργασιµότητας» είναι αυτό που πρέπει να

χρησιµοποιηθεί αρχικά για την εξασφάλιση σύνθεσης µε τις κατάλληλες

ρεολογικές ιδιότητες και την παραγωγή ανθεκτικού στο χρόνο σκυροδέµατος.

Οι άλλες µέθοδοι (Εξίσωση δύναµης µε εκθέτη 0.45 και ∆ιάγραµµα

139

παραµένοντος %) είναι δευτερογενείς (δευτερεύουσες) µέθοδοι που

επιβεβαιώνουν την ορθότητα των υπολογισµών του διαγράµµατος «∆είκτη

χονδροµερούς/εργασιµότητας» και προσδιορίζουν τις περιοχές απόκλισης

της σύνθεσης από την οµαλή κοκκοµετρική διαβάθµιση αδρανών.

Στο Σχήµα 6.16., µε συνεχή γραµµή φαίνεται µια οµαλή (αποδεκτή) κοκκοµετρική

διαβάθµιση αδρανών (a), ενώ µε τεθλασµένη γραµµή δείχνεται µια κοκκοµετρική

διαβάθµιση (b) µε έλλειψη κάποιων κλασµάτων. Στη γραµµή (b), όπως είναι προφανές,

ελλείπουν τα κοκκοµετρικά κλάσµατα -4.75+2.36 mm, -2.36+1.18 mm και -1.18+0.6

mm (τρία κλάσµατα), ενώ υπάρχει σε περίσσεια το κλάσµα -1+3/8 in.(-25.4+9.5 mm)

που είναι χονδροµερές υλικό. Εάν από µια σύνθεση αδρανών ελλείπουν µόνο δύο

διαδοχικά κοκκοµετρικά κλάσµατα, τότε είναι πιθανό τα γειτονικά από αυτά που

ελλείπουν να αποκαταστήσουν αυτή την ασυνέχεια στη διαβάθµιση, πράγµα που είναι

εντελώς αδύνατο να συµβεί σε περίπτωση έλλειψης τριών διαδοχικών κλασµάτων.

Σχήµα 6.16. Καµπύλες % παραµένοντος σύνθεσης αδρανών υλικών σκυροδέµατος (∆ιάγραµµα προσδιορισµού της κλασµατικής βέλτιστης ποσοστιαίας % κοκκοµετρικής

σύνθεσης αδρανών για την παραγωγή σκυροδέµατος).

140

Οι κοκκοµετρικές οµάδες τεµαχίων που χρησιµοποιούνται για την παρασκευή

σκυροδέµατος, σύµφωνα µε τον Ελληνικό Κανονισµό Τεχνολογίας Σκυροδέµατος (ΚΤΣ-

97), δίνονται στα Σχήµατα 6.17, 6.18, 6.19, και 6.20 που ακολουθούν, και δίνουν το

ποσοστό % αθροιστικώς διερχόµενου από κόσκινα τετραγωνικών βροχίδων (σε mm)

σύµφωνα µε τη Γερµανική τυποποίηση (DIN 4187 και 4188) ή σύµφωνα µε την

Αµερικανική τυποποίηση ASTM E 11 (Κανονισµός Τεχνολογίας Σκυροδέµατος ΄97 ή

ΚΤΣ-97).

Σχήµα 6.17. Όρια κοκκοµετρικής διαβάθµισης µίγµατος αδρανών µέγιστου τεµαχίου

8 mm (Γερµανικά κόσκινα) ή 9.5 mm (3/8″) κατά τα Αµερικανικά κόσκινα

Αµερικανικά Κόσκινα

Γερµανικά Κόσκινα, mm

0.25 0.5 1 2 4 8 16

141

Σχήµα 6.18. Όρια κοκκοµετρικής διαβάθµισης µίγµατος αδρανών µέγιστου τεµαχίου

16 mm (Γερµανικά κόσκινα) ή 12.5 mm (1/2″) κατά τα Αµερικανικά κόσκινα

Σχήµα 6.19. Όρια κοκκοµετρικής διαβάθµισης µίγµατος αδρανών µέγιστου τεµαχίου

31.5 mm (Γερµανικά κόσκινα) ή 25.4 mm (1″) κατά τα Αµερικανικά κόσκινα

142

Σχήµα 6.20. Όρια κοκκοµετρικής διαβάθµισης µίγµατος αδρανών µέγιστου τεµαχίου 37.5 mm (1 ½″) κατά τα Αµερικανικά κόσκινα.

143

2. Χηµικά πρόσµικτα και πρόσθετα (υποκατάστατα) τσιµέντου στην παρασκευή

σκυροδέµατος - Η δράση τους

Τα πρόσθετα σκυροδέµατος είναι υλικά διαφορετικά από το τσιµέντο, τα αδρανή και το

νερό, τα οποία προστίθενται στο σκυρόδεµα πριν από ή κατά τη διάρκεια της ανάµιξης

των παραπάνω κύριων πρώτων υλών.

Τα πρόσθετα σκυροδέµατος χωρίζονται σε δύο (-2-) κατηγορίες:

2.1. Χηµικά πρόσθετα

Τα χηµικά πρόσθετα δρουν ευεργετικά στην ανθεκτικότητα του σκυροδέµατος σε βάθος

χρόνου (durability) και επηρεάζουν την εργασιµότητα (workability), το χρόνο πήξης-

σκλήρυνσής του, τη θερµοκρασία συντήρησής του και την αναµενόµενη αντοχή

δεδοµένου µείγµατος σκυροδέµατος. Χρησιµοποιούνται για την αντιµετώπιση (1)

δύσκολων κατασκευαστικών συνθηκών (σκυροδέτηση σε υψηλές ή χαµηλές

θερµοκρασίες περιβάλλοντος), (2) απαιτήσεις αυξηµένης αντλησιµότητας του

σκυροδέµατος (υψηλά κτίρια), (3) απαιτήσεις υψηλών αρχικών αντοχών σκυροδέµατος

και (4) απαιτήσεις πολύ χαµηλών λόγων νερού/τσιµέντο που επιδρούν στην αντοχή του

έργου.

• Επιταχυντικό πρόσθετο (accelerating admixture) προστίθεται στο σκυρόδεµα µε

στόχο να µειώσει το χρόνο πήξης και σκλήρυνσης του σκυροδέµατος και να

επιταχύνει το χρόνο απόκτησης της πρώϊµης αντοχής του και η χρήση τους

ενδείκνυται σε περιπτώσεις που επικρατούν χαµηλές θερµοκρασίες κατά τη

σκυροδέτηση. Η ποσοστιαία µείωση του χρόνου πήξης και σκλήρυνσης ποικίλλει

και εξαρτάται από την ποσότητα του προστιθέµενου στο σκυρόδεµα

«επιταχυντικού» αντιδραστηρίου πήξης. Το χλωριούχο ασβέστιο (σε ποσότητες

µικρότερες από 2% της ποσότητας του τσιµέντου) χρησιµοποιείται ως ένα φθηνό

επιταχυντικό, αλλά οι προδιαγραφές σκυροδέµατος συνήθως επιβάλλουν την

αποφυγή χρήσης χλωριούχων ενώσεων, λόγω της πιθανής διάβρωσης του

σιδηροπλισµού (Σχήµα 6.22), σε περίπτωση οπλισµένων σκυροδεµάτων, γεγονός

που έχει αρνητικές επιπτώσεις στην αντοχή του σκυροδέµατος σε βάθος χρόνου

(durability) και καλύπτονται από την προδιαγραφή ASTM C 494 (Types B και D).

144

Εναλλακτικά, για να επιτευχθεί αύξηση της πρώϊµης αντοχής του σκυροδέµατος,

µπορούν επίσης να χρησιµοποιηθούν οι παρακάτω µεθοδολογίες:

1. Χρησιµοποίηση τσιµέντου τύπου III (υψηλής αρχικής αντοχής)

2. µείωση του λόγου νερό/τσιµέντο ή αύξηση της ποσότητας του

χρησιµοποιούµενου τσιµέντου ανά m3 σκυροδέµατος και

3. αύξηση της θερµοκρασίας συντήρησης των κατασκευών από σκυρόδεµα.

• Επιβραδυντικό πήξης (Retarding admixture). Η κύρια δράση του είναι προς την

κατεύθυνση της επιµήκυνσης του χρόνου (κατά µία 1 ώρα ή και περισσότερο)

εντός του οποίου το έτοιµο σκυρόδεµα πρέπει να µεταφερθεί, να διαστρωθεί και

να συµπυκνωθεί. Συνήθως προστίθεται στο σκυρόδεµα κατά την παραγωγή του

µε στόχο να επιβραδύνει την πήξη και σκλήρυνσή του, ιδιαιτέρως όταν

επικρατούν υψηλές θερµοκρασίες κατά τη σκυροδέτηση, ώστε να ελεγχθούν

φαινόµενα επιτάχυνσης των αντιδράσεων ενυδάτωσης. Λόγω των υψηλών

θερµοκρασιών που επικρατούν, ιδιαιτέρως σε περιπτώσεις ογκωδών κατασκευών

όπου λαµβάνει χώρα έντονη έκλυση θερµότητας κατά την ενυδάτωση των C3A

και C3S, η χρήση τους είναι προφανής και απαραίτητη. Χρησιµοποιείται επίσης,

όταν για «αισθητικούς» λόγους της εµφάνισης του σκυροδέµατος απαιτείται

αρκετός χρόνος για τη διαµόρφωση της εµφανούς επιφάνειάς του, δηλαδή δεν

είναι επιθυµητή π.χ. η εµφάνιση στην εξωτερική του επιφάνεια του σκυροδέµατος

των κόκκων των αδρανών υλικών. Στις περιπτώσεις αυτές επαλείφεται εσωτερικά

ο ξυλότυπος µε επιβραδυντικό πρόσθετο πήξης, το οποίο συντελεί τοπικά στην

επιβράδυνση της ταχύτητας πήξης-σκλήρυνσης του σκυροδέµατος.

Πολλά επιβραδυντικά της πήξης δρουν επίσης θετικά στην κατεύθυνση της

µείωσης του απαιτούµενου νερού για την ενυδάτωση του τσιµέντου µε

αποτέλεσµα, λόγω της µείωσης του χρησιµοποιούµενου νερού, να παράγεται

σκυρόδεµα αυξηµένης τελικής αντοχής (καλύπτονται από την προδιαγραφή

ASTM C 494 Types B και D).

145

Σχήµα 6.22. ∆ράση της διάβρωσης του σιδηροπλισµού επί του οπλισµένου σκυροδέµατος.

• Αερακτικά (air-entraining admixtures or agents). Είναι υγρές χηµικές ενώσεις που

χρησιµοποιούνται για την εισαγωγή (δηµιουργία) µικροσκοπικών φυσαλίδων αέρα

στη δοµή του σκυροδέµατος µε στόχο τον έλεγχο των φαινοµένων “αποσάθρωσης”,

λόγω γένεσης εσωτερικών τάσεων σε περιπτώσεις συχνού παγώµατος και τήξης

(freeze and thawing) του νερού του σκυροδέµατος και σε περιπτώσεις επιφανειακής

φθοράς του σκυροδέµατος από τη δράση χηµικών αντιπαγωτικών (de-icers). Στις

περιπτώσεις αυτές οι µικροσκοπικές φυσσαλίδες αέρα, στο εσωτερικό της µάζας του

σκυροδέµατος, παραλαµβάνουν και απορροφούν τις δηµιουργούµενες τάσεις

(Σχήµα 6.23 και Εικόνα 2).

Γενικώς, για κάθε 1% αύξηση του περιεχόµενου αέρα στο σκυρόδεµα προκαλείται

δηµιουργείται µείωση της θλιπτικής αντοχής του κατά 5% περίπου. Εν τούτοις, η

προσθήκη αερακτικών (1) αυξάνει την εργασιµότητα του σκυροδέµατος., (2)

συµβάλει στη µείωση της τάσης για απόµειξη (διαφορική κατά µέγεθος ταξινόµηση

146

µέσα στο σκυρόδεµα) των αδρανών, (3) µειώνει το φαινόµενο της «εξίδρωσης»

(bleeding) στην επιφάνεια του σκυροδέµατος και επίσης (4) µειώνει τη

διαπερατότητά του, συµβάλλοντας µε τον τρόπο αυτό στη διατήρηση της καλής

κατάστασής του σε βάθος χρόνου (durability).

Σχήµα 6.23. ∆ράση των φυσαλίδων αέρα µέσα στο σκυρόδεµα

Εικόνα 9. Μεγέθυνση τοµής σκυροδέµατος στην οποία φαίνονται οι φυσαλίδες αέρα στο εσωτερικό του.

147

• Water reducing admixtures (πρόσθετα µείωσης της αναγκαίας ποσότητας νερού)

Είναι χηµικές ενώσεις που συµβάλλουν στη µείωση του απαιτούµενου νερού στη

παραγωγή σκυροδέµατος, γεγονός που έχει ως αποτέλεσµα (1) την αύξηση της

αντοχής του σκυροδέµατος σε βάθος χρόνου και (2) την αύξηση της κάθισης

(εργασιµότητα) του σκυροδέµατος για ίδια περιεκτικότητα σε νερό (ίδιο λόγο

νερό/τσιµέντο). Τα αντιδραστήρια αυτά συµβάλλουν επίσης στην αύξηση της

αντίστασης του σκυροδέµατος σε προσβολή από θειϊκά ιόντα και στη µείωση της

περατότητας του. Η µείωση του νερού που προκαλούν είναι συνήθως της τάξης

του 5-10% και καλύπτονται από την προδιαγραφή ASTM C 494 (Type Α). Τα

ευρέος φάσµατος πρόσθετα (High range water reducers, HRWR) αυτής της

κατηγορίας µπορούν να προκαλέσουν µείωση της τάξης του 12-30% µε

διατήρηση εξαιρετικής εργασιµότητας του σκυροδέµατος, είναι όµως σχετικώς

ακριβά και δεν συµφέρει να χρησιµοποιούνται σε συνήθεις αλλά µόνο σε ειδικές

κατασκευές από σκυρόδεµα. Τα ειδικά αυτά χηµικά αντιδραστήρια ονοµάζονται

επίσης υπερ-ρευστοποιητικά (superplasicizers) και καλύπτονται από τις

προδιαγραφές ASTM C 494 (Types F και G) και ASTM C 1017 (Types 1 και 2).

Τα σκυροδέµατα στα οποία χρησιµοποιούνται αυτού του τύπου τα υπερ-

ρευστοποιητικά αποκτούν τη συνηθισµένη κάθιση 75-100 mm εντός χρονικού

διαστήµατος 30-60 min.

• Στεγανοποιητικά (waterproofing admixtures)

2.2. Ποζολάνες

Είναι συνήθως φυσικά αργιλοπυριτικά υλικά ή βιοµηχανικά παραπροιόντα

(ποζολάνη, ιπτάµενη τέφρα, αλεσµένη σκωρία υψικαµίνων ή ατµοί πυριτίας), τα

οποία λόγω της ορυκτολογικής τους σύστασης µπορούν να υποκαταστήσουν σε

ποσοστό 15-35% κατά βάρος το χρησιµοποιούµενο τσιµέντο στο σκυρόδεµα. Από τη

φύση τους δεν έχουν υδραυλικές ιδιότητες, αλλά ενώνονται εύκολα µε το υδροξείδιο

του ασβεστίου [Ca(OH)2] που παράγεται κατά την ενυδάτωση των διαφόρων φάσεων

του χρησιµοποιούµενου τσιµέντου και παράγουν ενώσεις µε υδραυλικές ιδιότητες. Η

συµβολή τους στην παραγωγή του σκυροδέµατος είναι η παρακάτω:

148

1. Αυξάνουν την εργασιµότητα του σκυροδέµατος

2. Βελτιώνουν την εµφάνιση των κατασκευών από σκυρόδεµα (φινίρισµα)

3. Μειώνουν την εκλυόµενη θερµότητα από την ενυδάτωση του τσιµέντου

4. Έχουν κόστος κυµαινόµενο µεταξύ 25-50% του τσιµέντου που

αντικαθιστούν, µειώνοντας έτσι το συνολικό κόστος της κατασκευής.

149

7. ΠΡΟΣ∆ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΟΥ

ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑΤΟΣ

7.1. Γενικά

Εκτός των προαναφερθέντων προδιαγραφών (ελάχιστη αντοχή σε θλίψη π.χ. 28 ηµερών,

προβλεπόµενες κλιµατικές συνθήκες και περιβάλλον έκθεσης του σκυροδέµατος στη

διάρκεια ζωής του), για τον προσδιορισµό της ογκοµετρικής σύνθεσης του σκυροδέµατος

στις αναγκαίες πρώτες ύλες, είναι απαραίτητα και τα παρακάτω δεδοµένα, τα οποία είτε

είναι γνωστά είτε προσδιορίζονται εύκολα στο εργαστήριο:

1. Η «κάθιση» ή εξάπλωση του σκυροδέµατος (Σχήµα 7.1), η οποία καθορίζεται

από το σχήµα και το µέγεθος των τύπων (καλούπια) στους οποίους θα αποχυθεί

και θα διαστρωθεί

2. Τα χαρακτηριστικά της άµµου (λεπτοµερή αδρανή), για την οποία είναι γνωστά ή

προσδιορίζονται:

•••• η κοκκοµετρική της ανάλυση

•••• ο συντελεστής ή δείκτης λεπτότητάς της (Fineness modulus)

•••• η % απορροφητικότητα των τεµαχίων της σε νερό (πόροι τεµαχίων) και

•••• η % (ποσοστιαία) υγρασία της, λόγω των συνθηκών αποθήκευσής της στο

περιβάλλον

3. Τα χαρακτηριστικά των χονδροµερών αδρανών µε το µέγιστο ονοµαστικό

µέγεθος των τεµαχίων τους, η % απορροφητικότητά τους, η υγρασία τους κλπ.

4. H πυκνότητα (συµπεριλαµβανοµένων των κενών µεταξύ των τεµαχίων) και το %

ποσοστό κενών των δονηµένων (fully compacted aggregates) των χονδροµερών

αδρανών

Από τις παραπάνω τιθέµενες προδιαγραφές και τα χαρακτηριστικά των πρώτων υλών,

που θα χρησιµοποιηθούν για την παρασκευή του σκυροδέµατος, µπορούν να προκύψουν

οι κλασµατικές (κατ’ όγκον ή κατά βάρος) αναλογίες τους, µε τη βοήθεια των παρακάτω

Πινάκων και ∆ιαγραµµάτων.

150

Πίνακας 7.1. Κατά προσέγγιση απαιτούµενο νερό σκυροδέµατος (kg/m3 ή l/ m3) και % ποσοστό αέρα συναρτήσει της επιδιωκόµενης κάθισης (κατά ACI, American Concrete Institute)

1 Ήπια έκθεση (δεν χρειάζεται δηµιουργία φυσαλίδων αέρα µε χηµικό πρόσθετο για αύξηση αντοχής στη διάρκεια του χρόνου) 2 Μέση έκθεση (όταν το σκυρόδεµα δεν είναι εκτεθειµένο συνεχώς σε περιβάλλον νερού πριν εκτεθεί σε παγετό και σε αντιπαγωτικά άλατα) 3 Έντονη έκθεση (όταν χρησιµοποιούνται αντιπαγωτικά άλατα ή όταν το σκυρόδεµα είναι κορεσµένο µε νερό πριν από παγετό)

Απαιτούµενη ποσότητα νερού σκυροδέµατος συναρτήσει του ονοµαστικού µέγιστου µεγέθους αδρανών, mm

Κάθιση ή εξάπλωση, mm ↓↓↓↓

9.5 12.5 19 25 37.5 50 75 150

Σκυρόδεµα χωρίς αερακτικό (χωρίς δηµιουργία φυσαλίδων µε χηµικό πρόσθετο)

25-50 207 199 190 179 166 154 130 113

75-100 228 216 205 193 181 169 145 124

150-175 242 228 216 202 190 178 160 -

Κατά προσέγγιση εγκλωβισµένος αέρας, %

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0.3 0.2

Σκυρόδεµα µε προσθήκη αερακτικού (δηµιουργία φυσαλίδων µε χηµικό πρόσθετο)

25-50 181 175 168 160 150 142 122 107

75-100 202 193 184 175 165 157 133 119

150-175 216 205 197 184 174 166 154 -

Συνιστώµενη περιεκτικότητα σε αέρα, %

Συνθήκες ήπιας έκθεσης σκυροδέµατος 1

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0

Συνθήκες µέσης έκθεσης σκυροδέµατος 2

6.0 5.5 5.0 4.5 4.5 4.0 3.5 3.0

Συνθήκες έντονης έκθεσης σκυροδέµατος 3

7.5 7.0 6.0 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0

151

Σχήµα 7.1. Κάθιση (slump) ή εξάπλωση του σκυροδέµατος.

Πίνακας 7.2. Λόγος νερού/τσιµέντο ως συνάρτηση της επιζητούµενης αντοχής σε θλίψη

28 ηµερών (κατά ACI, American Concrete Institute)

Λόγος νερό/τσιµέντο κατά

βάρος (W/C, Water-cement

ratio) Θλιπτική αντοχή 28

ηµερών σε MPa ή σε

(psi) Σκυρόδεµα

χωρίς

αερακτικό

Σκυρόδεµα µε

αερακτικό

41.4 (6000) 0.41 -

34.5 (5000) 0.48 0.40

27.6 (4000) 0.57 0.48

20.7 (3000) 0.68 0.59

13.8 (2000) 0.82 0.74

Η σχέση µεταξύ της αναµενόµενης θλιπτικής αντοχής 28 ηµερών δοκιµίων σκυροδέµατος και

των λόγων νερό/υλικό µε ποζολανικές ιδιότητες ή νερό/τσιµέντο δίνεται στα Σχήµατα 7.2 και

7.3, από τα οποία διαπιστώνεται η σηµαντική επίδραση της σχέσης µαζών νερού και τσιµέντου

στην αντοχή του παραγόµενου σκυροδέµατος.

152

Σχήµα 7.2. Λόγος νερού/υλικό µε υδραυλικές ή ποζολανικές ιδιότητες (W/cm)

συναρτήσει της επιζητούµενης αντοχής σε θλίψη 28 ηµερών (κατά American Concrete

Institute, ACI).

Σχήµα 7.3. Όρια µεταβολής θλιπτικής αντοχής 28 ηµερών καλά συντηρηµένων

κυλινδρικών δοκιµίων σκυροδέµατος (κατά Cement Association of Canada, 2006).

153

Πίνακας 7.3. Κλάσµα όγκου χονδροµερών αδρανών στη µονάδα όγκου σκυροδέµατος ως

συνάρτηση του συντελεστή ή δείκτη λεπτότητας των λεπτοµερών αδρανών (Πίνακας 6.2., σελ.

111), (Πηγή: American Concrete Institute, προδιαγραφή ACI 211-1-91).

∆είκτης λεπτότητας λεπτοµερών αδρανών (Fineness modulus) 2.40 2.60 2.80 3.00

Ονοµαστικό µέγιστο µέγεθος

αδρανών, mm Κλάσµα όγκου χονδροµερών αδρανών στη µονάδα όγκου

σκυροδέµατος 9.5 0.50 0.48 0.46 0.44 12.5 0.59 0.57 0.55 0.53 19.0 0.66 0.64 0.62 0.60 25.0 0.71 0.69 0.67 0.65 37.5 0.75 0.73 0.71 0.69 50.0 0.78 0.76 0.74 0.72 75.0 0.82 0.80 0.78 0.76 150.0 0.87 0.85 0.83 0.81

Ο Πίνακας 7.4 και το Σχήµα 7.4 είναι ενδεικτικά της ελάχιστης απαιτούµενης ποσότητας

τσιµέντου και υποκατάστατών του (υλικό µε ποζολανικές ιδιότητες) στο σκυρόδεµα, ως

συνάρτηση του µέγιστου µεγέθους τεµαχίων αδρανών και της αντοχής σε θλίψη του

σκυροδέµατος.

Πίνακας 7.4. Ελάχιστη ποσότητα απαιτούµενου τσιµέντου ως συνάρτηση του µέγιστου µεγέθους τεµαχίων αδρανών

Μέγιστο µέγεθος τεµαχίων αδρανών

Μάζα τσιµέντου, kg / m3σκυροδέµατος

in mm kg

Περιεκτικότητα αερακτικού,

(%)

1 ½ 37.5 278.9 5 1/2

1 25.0 308.7 6

3/4 19.0 320 6

1/2 12.7 350 7

3/8 9.5 362 7 1/2

154

Σχήµα 7.4. Ισοδύναµη (ελάχιστη) περιεκτικότητα τσιµέντου στο σκυρόδεµα (kg/m3) ως συνάρτηση της αντοχής σε θλίψη σε MPa.

155

7.2. Απαιτήσεις για τον προσδιορισµό της σύνθεσης του σκυροδέµατος

7.2.1. Η αντοχή του σκυροδέµατος

Ο προσδιορισµός της σύνθεσης του σκυροδέµατος πρέπει να γίνεται για αντοχή σε θλίψη (fcr

), η οποία προσδιορίζεται σύµφωνα µε τις παρακάτω εξισώσεις:

,σ⋅+= 1.4 f f crc όταν η αντοχή σε θλίψη fc του παραγόµενου σκυροδέµατος έχει τυπική

απόκλιση σ (από προηγούµενη εργοταξιακή εµπειρία) µέχρι 3.5 MPa

3.5−⋅+= σ 2.4 f f crc , όταν η τυπική απόκλιση σ της αντοχής σε θλίψη fc του παραγόµενου

σκυροδέµατος (από προηγούµενη εργοταξιακή εµπειρία) είναι

µεγαλύτερη από 3.5 MPa

Όπου fc είναι η ελάχιστη αντοχή σε θλίψη (συνήθως 28 ηµερών), που τίθεται εξαρχής ως

προαπαίτηση για το συγκεκριµένο έργο και σ η τυπική απόκλιση που έχει παρατηρηθεί ή

αναµένεται να υπάρχει στα παραγόµενα σκυροδέµατα.

Επίσης, είναι απαραίτητο να λαµβάνονται υπόψη οι κλιµατικές συνθήκες ή το περιβάλλον

(θαλάσσιο, θειϊκά άλατα κλπ.) στα οποία θα εκτεθεί το σκυρόδεµα στη διάρκεια ζωής του

Για τον προσδιορισµό της ογκοµετρικής σύνθεσης του σκυροδέµατος στις αναγκαίες πρώτες

ύλες, εκτός των παραπάνω προδιαγραφών (ελάχιστη αντοχή σε θλίψη π.χ. 28 ηµερών,

προβλεπόµενες κλιµατικές συνθήκες και περιβάλλον έκθεσης του σκυροδέµατος στη

διάρκεια ζωής του), είναι απαραίτητα και τα παρακάτω δεδοµένα, τα οποία, είτε είναι γνωστά

είτε προσδιορίζονται εύκολα στο εργαστήριο:

7.2.2. Οι συµπληρωµατικές απαιτήσεις (έχουν ήδη αναφερθεί σε προηγούµενη

παράγραφο)

•••• Η «κάθιση» ή εξάπλωση του σκυροδέµατος, η οποία επιβάλλεται από το σχήµα και το

µέγεθος των τύπων στους οποίους θα αποχυθεί και θα διαστρωθεί

•••• Τα χαρακτηριστικά της άµµου (λεπτοµερή αδρανή), για την οποία είναι γνωστή ή

προσδιορίζεται η κοκκοµετρική της ανάλυση, ο συντελεστής ή δείκτης λεπτότητάς

της (Fineness modulus), η % απορροφητικότητα των τεµαχίων της σε νερό (πόροι

156

τεµαχίων) ή η % (ποσοστιαία) υγρασία της, λόγω των συνθηκών αποθήκευσής της

στο περιβάλλον

•••• Τα χαρακτηριστικά των χονδροµερών αδρανών µε το µέγιστο ονοµαστικό µέγεθος

των τεµαχίων τους, η % απορροφητικότητά τους, η υγρασία τους κλπ.

•••• H πυκνότητα (συµπεριλαµβανοµένων των κενών µεταξύ των τεµαχίων) και το %

ποσοστό κενών των δονηµένων (fully compacted aggregates) των χονδροµερών

αδρανών

Από τις παραπάνω τιθέµενες προδιαγραφές και τα χαρακτηριστικά των πρώτων υλών, που θα

χρησιµοποιηθούν για την παρασκευή του σκυροδέµατος, µπορούν να προκύψουν οι

κλασµατικές (κατ’ όγκον ή κατά βάρος) αναλογίες τους, όπως περιγράφεται παρακάτω στο

αριθµητικό παράδειγµα.

7.3. Μεθοδολογία προσδιορισµού αναλογίας πρώτων υλών στο σκυρόδεµα

1. Προσδιορισµός (από σχετικό Πίνακα 7.1.) της απαιτούµενης ποσότητας προσθήκης

νερού (kg ή λίτρα l νερού/ m3 σκυροδέµατος), που υπολογίζεται συναρτήσει:

• Της αποδεκτής κάθισης ή εξάπλωσης (σε mm), η οποία έχει σχέση µε την

εργασιµότητα του σκυροδέµατος και τίθεται ως προαπαίτηση από το είδος και τις

απαιτήσεις του έργου

• Του ονοµαστικού µέγιστου µεγέθους τεµαχίων αδρανών (σε mm)

2. Μετά τον προσδιορισµό της ποσότητας του νερού ανά m3 σκυροδέµατος,

προσδιορίζεται η απαιτούµενη ποσότητα τσιµέντου (kg τσιµέντου/ m3 σκυροδέµατος)

από διάγραµµα (Σχήµα 7.2.) ή Πίνακα 7.2, µέσω του λόγου (W/cm, νερό προς υλικό

µε ποζολανικές ή υδραυλικές ιδιότητες), όταν υπάρχει ως δεδοµένο από τις

απαιτήσεις του έργου η ελάχιστη αντοχή σε θλίψη 28 ηµερών (fcr).

3. Ακολούθως, προσδιορίζεται (Πίνακας 7.3.) η ογκοµετρική συµµετοχή (κλασµατικά ή

ποσοστιαία) των χονδροµερών αδρανών στο σκυρόδεµα, συναρτήσει:

• του ονοµαστικού µέγιστου µεγέθους τεµαχίων αδρανών (σε mm) και

• του δείκτη λεπτότητας των διατιθέµενων λεπτοµερών αδρανών (ο δείκτης

λεπτότητας υπολογίζεται εύκολα από την κοκκοµετρική τους ανάλυση)

Σηµείωση: ο όγκος αυτός µετατρέπεται σε µάζα (σε kg) µε τη βοήθεια της

φαινόµενης πυκνότητας (συνυπολογιζόµενων των κενών) των χονδροµερών αδρανών

157

και κατόπιν µε την πραγµατική πυκνότητα του πετρώµατος προκύπτει ο πραγµατικός

όγκος που καταλαµβάνουν τα χονδροµερή αδρανή στο σκυρόδεµα (χωρίς τα κενά)

4. Μετά τον ογκοµετρικό υπολογισµό των παραπάνω, υπολογίζεται η ογκοµετρική

συµµετοχή (κλασµατικά ή ποσοστιαία) των λεπτοµερών αδρανών στο σκυρόδεµα µε

αφαίρεση από τη µονάδα (1 m3 σκυροδέµατος), όπως φαίνεται παρακάτω.

Προσδιορισµός της % περιεκτικότητας σκυροδέµατος σε λεπτοµερή αδρανή (fine

aggregate content)

Ο όγκος των λεπτοµερών αδρανών, που απαιτούνται για την πλήρωση των κενών µεταξύ των

χονδροµερών αδρανών και για την εξασφάλιση εργασιµότητας, προκύπτει µε αφαίρεση του

αθροίσµατος των επί µέρους όγκων από τον όγκο της µονάδας όγκου σκυροδέµατος, όπως

φαίνεται παρακάτω:

Όγκος µονάδας σκυροδέµατος (Unit volume of concrete), π.χ. 1 m3) - Απαιτούµενος όγκος νερού (µείον) - Απαιτούµενος όγκος αέρα (µείον) - Απαιτούµενος όγκος τσιµέντου Portland (µείον) - Απαιτούµενος όγκος χονδροµερών αδρανών (µείον) Απαιτούµενος όγκος λεπτοµερών αδρανών (Ίσον)

Γνωρίζοντας τις πυκνότητες των πρώτων υλών (νερού, τσιµέντου, αέρα, χονδροµερών και

λεπτοµερών αδρανών) οι παραπάνω ογκοµετρικές συµµετοχές (ανά m3 σκυροδέµατος)

µπορούν να µετατραπούν σε µάζες (kg ή t) και να παρουσιαστούν σε µορφή συγκεντρωτικού

Πίνακα.

7.4. Προσαρµογή των αποτελεσµάτων σε περίπτωση περιεχόµενης υγρασίας στα αδρανή

Στην παραπάνω διαδικασία έχουν υπολογιστεί οι όγκοι των διαφόρων πρώτων υλών που

συµµετέχουν στην παραγωγή σκυροδέµατος (υπό ξηρή µορφή). Όµως επειδή, κατά τη

διεργασία παραγωγής του σκυροδέµατος, τα αδρανή τροφοδοτούνται µε δοσοµετρικούς

τροφοδότες και περιέχουν συνήθως ποσοστό υγρασίας, η υγρασία αυτή πρέπει να

συνυπολογιστεί στη διαδικασία ανάµιξης, λόγω του ότι επηρεάζει σηµαντικά τη µάζα τους

άρα και την ποσότητα των προστιθέµενων πρώτων υλών.

Είναι επίσης προφανές ότι, το είδος της περιεχόµενης υγρασίας στα αδρανή (υγρασία πόρων

αδρανών, επιφανειακή υγρασία, κατάσταση κορεσµού τους κλπ.), επηρεάζει επίσης την

158

ποσότητα του απαιτούµενου νερού ανάµιξης, επειδή, αναλόγως τα αδρανή, είτε απορροφούν

είτε συνεισφέρουν νερό στη διεργασία.

7.5. Αριθµητικό παράδειγµα προσδιορισµού σύνθεσης πρώτων υλών σκυροδέµατος

1. ∆εδοµένα:

Χαρακτηριστικά του έργου (απαιτήσεις)

• Τύπος σχεδιαζόµενης κατασκευής: Φορτιζόµενη βάση από οπλισµένο

σκυρόδεµα (χωρίς αερακτικό)

• Συνθήκες έκθεσης: Μέση έκθεση (κατασκευή εντός του εδάφους, µη εκτιθέµενη

σε συνθήκες παγετού ή θειϊκά άλατα)

• Μέγιστο µέγεθος τεµαχίων αδρανών: 1½ in. ( ≈ 37.5 mm)

• Όρια κάθισης ή εξάπλωσης: 3-4 in. ( ≈ 75-100 mm)

• Ελάχιστη αντοχή σε θλίψη: 24 MPa (Τυπική απόκλιση 2 MPa)

Χαρακτηριστικά των επιλεγµένων υλικών (πρώτες ύλες σκυροδέµατος)

Πίνακας 4. Χαρακτηριστικά πρώτων υλών σύνθεσης σκυροδέµατος

Υλικό Ιδιότητα Τσιµέντο Χονδροµερή αδρανή Λεπτοµερή αδρανή

Ειδικό βάρος 3.15 2.60 2.70

Πυκνότητα (δονηµένων)

χονδροµερών αδρανών,

kg/m3 (µε κενά)

- 1602 -

∆είκτης λεπτότητας,

Fineness modulus - - 2.80

Απόκλιση υγρασίας από

την πλήρως κορεσµένη

κατάσταση, (%)

- +2.5 +0.5

159

Εικόνα 7.5. Προσδιορισµός της φαινόµενης πυκνότητας χονδροµερών αδρανών

2. Προσδιορισµός της αναλογίας πρώτων υλών σκυροδέµατος (Μέθοδος

απόλυτων όγκων)

Οι υπολογισµοί που αφορούν στην αντοχή σε θλίψη αναφέρονται σε τιµή:

1. fcr = 24 + 1.4·2 = 26.8 MPa

2. Από τον Πίνακα 7.1 προκύπτει ότι (για µέγιστο ονοµαστικό µέγεθος αδρανών 37.5

mm) και κάθιση 75-100 mm χρειάζονται 181 kg νερού / m3 σκυροδέµατος

3. Από το διάγραµµα (Σχήµα 7.2) ή τον Πίνακα 7.2 (µε παρεµβολή) και για αντοχή

fcr = 26.8 MPa, ο λόγος W/C = 0.58, οπότε η αναγκαία ποσότητα τσιµέντου

ανέρχεται σε: C = 181/0.58 = 312 kg τσιµέντου /m3 σκυροδέµατος

4. Όγκος «δονηµένων» χονδροµερών αδρανών

Από τον Πίνακα 7.3, για µέγιστο ονοµαστικό µέγεθος χονδροµερών αδρανών 37.5

mm και για δείκτη λεπτότητας λεπτοµερών αδρανών 2.80, το κλάσµα όγκου

χονδροµερών αδρανών στη µονάδα όγκου σκυροδέµατος είναι 0.71, οπότε η µάζα

των χονδροµερών αδρανών είναι: 0.71·1602 = 1137.42 kg χονδροµερών

αδρανών /m3 σκυροδέµατος, τα οποία αντιστοιχούν σε όγκο: 1137.42/2600 =

0.4375 m3 αδρανών / m3 σκυροδέµατος

1. Ο όγκος του απαιτούµενου τσιµέντου είναι: 312/3150 = 0.099 m3 / m3

σκυροδέµατος

2. Ο όγκος του νερού είναι: 0.181 m3 / m3 σκυροδέµατος

160

3. Ο όγκος του εγκλωβιζόµενου αέρα είναι: 0.01 m3 αέρα/ m3 σκυροδέµατος

4. Ο όγκος των λεπτοµερών αδρανών υπολογίζεται ως:

1-(0.4375+0.099+0.181+0.01) = 0.2725 m3 λεπτοµερών αδρανών / m3

σκυροδέµατος, και η µάζα τους: 0.2725·2700 = 736 kg λεπτοµερών αδρανών /

m3 σκυροδέµατος

Άρα το συνολικό ισοζύγιο µαζών στο 1 m3 σκυροδέµατος είναι:

1. 181 kg νερού

2. 312 kg τσιµέντου

3. 1137.42 kg χονδροµερών αδρανών

4. 736 kg λεπτοµερών αδρανών

5. 2366.42 kg / m3 σκυροδέµατος

Όµως, λόγω της περιεχόµενης υγρασίας στα χονδροµερή (0.5%) και λεπτοµερή αδρανή

(2.5%), πρέπει να γίνουν οι απαραίτητες διορθώσεις, οι οποίες επηρεάζουν τις ποσότητες των

αδρανών που ζυγίζονται και τροφοδοτούνται και επίσης την παροχή του προστιθεµενου

νερού.

1. 312 kg τσιµέντου

2. 736 + 0.025·736 = 754.4 kg λεπτοµερών αδρανών (όπως είναι αποθηκευµένα)

3. 1137.42 + 0.005·1137.42 =1143.1 kg χονδροµερών αδρανών (όπως είναι

αποθηκευµένα)

4. 156.92 kg νερού (µείωση της ποσότητας του νερού λόγω υγρασίας αδρανών)

5. 2366.42 kg / m3 σκυροδέµατος

Ανάλογες διορθώσεις θα πρέπει να γίνουν, εάν είναι γνωστή και ληφθεί υπόψη και η

ικανότητα απορρόφησης των αδρανών, δηλαδή ο όγκος των πόρων τους ο οποίος µπορεί να

γεµίσει µε νερό, το οποίο όµως θα χρειαζόταν για την ενυδάτωση του τσιµέντου.

161

8. ΓΡΗΓΟΡΟΣ ΠΡΟΣ∆ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑ ΒΑΡΟΣ (%) ΣΥΣΤΑΣΗΣ ΤΟΥ

ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑΤΟΣ

Πίνακας 8.1. Κατά βάρος σύσταση πρώτων υλών σκυροδέµατος συναρτήσει του λόγου (W/C).

2. Αναλογίες πρώτων υλών στο σκυρόδεµα Οι αναλογίες πρώτων υλών για την παρασκευή 1 m3 σκυροδέµατος υπολογίζονται από τη

γνωστές σχέσεις (εξισώσεις 1 και 2), από τις τιµές των λόγων W/C (νερό προς τσιµέντο) και

Β1/(Β1 + Β2) = (λεπτοµερή προς συνολικό βάρος αδρανών ανά m3 σκυροδέµατος). Η

ποσοστιαία κατά βάρος σύσταση πρώτων υλών σκυροδέµατος (Πίνακας 8.1) αφορά σε

διάφορους τύπους σκυροδεµάτων συναρτήσει του λόγου W/C.

11000100010001000 2

2

1

1 =⋅

+⋅

+⋅

+ρρρ

BBCW

c

m3 σκυροδέµατος (1)

όπου :

W είναι η µάζα σε kg (ή lt) του προστιθέµενου νερού/m3 σκυροδέµατος,

C είναι η µάζα σε kg του χρησιµοποιούµενου τσιµέντου/m3 σκυροδέµατος,

B1 είναι η µάζα σε kg της χρησιµοποιούµενης άµµου/m3 σκυροδέµατος

B2 είναι η µάζα σε kg των χρησιµοποιούµενων χονδροµερών αδρανών/m3 σκυροδέµατος και

ρc = η πυκνότητα του τσιµέντου ≈ 3,10 t/m3

ρ1= η πυκνότητα της άµµου (λεπτοµερή αδρανή) ≈ 2,69 t/m3

Συστατικό Βάρος, % Βάρος, % Βάρος, % Τσιµέντο Πόρτλαντ

12 12 13

Άµµος 34 34.56 33.85 Χονδροµερή αδρανή

48 48.60 47.3

Νερό 6 4.84 5.85 Αέρας - - - Σύνολο 100 100 100 W/C 0.5 0.4 0.45

162

ρ2= η πυκνότητα των χονδροµερών αδρανών ≈ 2,69 t/m3,

Όµως, εκτός της εξίσωσης (1) ισχύει και η εξίσωση (2)

kg2478.3BBWC 21 =++ + (2)

Οπότε, για λόγους W/C = 0.5 και Β1/(Β1 + Β2) = 41.6% και πυκνότητα (ή µάζα m3 ) σκυροδέµατος 2478.3 kg/ m3, από τις εξισώσεις (1) και (2) προκύπτουν:

C = 297.4 kg τσιµέντου

W = 148.7 kg νερού,

B1 = 842.6 kg άµµου (λεπτοµερή αδρανή) και

B2 = 1189.6 kg χονδροµερών αδρανών.

Η διαδικασία λοιπόν απλοποιείται στην επίλυση συστήµατος 4 εξισώσεων µε 4

αγνώστους.

Από τα παραπάνω φαίνεται ότι η πυκνότητα του σκυροδέµατος είναι ≈ 2.48 t/m3, η οποία

στην πραγµατικότητα είναι σηµαντικά µικρότερη λόγω του περιεχόµενου αέρα (3-6%) στο

σκυρόδεµα.

Σηµείωση: Η παραπάνω έκφραση της εξίσωσης (1) αναφέρεται στην περίπτωση

υπολογισµού των πρώτων υλών παραγωγής σκυροδέµατος σε kg (µε τα ειδικά βάρη σε t/m3),

ενώ στην περίπτωση υπολογισµού σε t (τόννους) η κατάλληλη µορφή της εξίσωσης (1) είναι:

11 2

2

1

1 =+++ρρρBBCW

c

m3 σκυροδέµατος (1)

163

9. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΚΑΙ ΤΟ ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑ

1. E: Να γίνει διάκριση µεταξύ τσιµέντου και σκυροδέµατος

A: Το τσιµέντο είναι ένα από τα συστατικά του σκυροδέµατος. Το τσιµέντο σε

ανάµειξη µε το νερό δηµιουργεί τη συνδετική ουσία («κόλλα»), που διατηρεί τα

συστατικά του σκυροδέµατος σταθερά συνδεδεµένα µεταξύ τους.

2. E: Ποιά είναι τα κύρια συστατικά του σκυροδέµατος και σε ποιά αναλογία

περίπου χρησιµοποιούνται;;;;

Α: Τσιµέντο, νερό, αδρανή (χονδροµερή και λεπτοµερή), αέρας και χηµικά

πρόσθετα. Η κατά βάρος επί τοις % περιεκτικότητα (σύνθεση του σκυροδέµατος)

δίνεται στον Πίνακα 8.1:

Πίνακας 8.1. Κατά βάρος σύσταση πρώτων υλών σκυροδέµατος συναρτήσει του

λόγου (W/C).

Συστατικό Βάρος, %

Βάρος, %

Βάρος, %

Τσιµέντο Πόρτλαντ 12 12 13 Άµµος (Λεπτοµερή αδρανή) 34 34.56 33.85 Χονδροµερή αδρανή 48 48.60 47.3 Νερό 6 4.84 5.85 Αέρας - - - Σύνολο 100 100 100 W/C (νερό/τσιµέντο) 0.5 0.4 0.45

3. E: Ποιός είναι ο ρόλος των κύριων συστατικών του σκυροδέµατος;;;;

Α: Το τσιµέντο αντιδρά µε το νερό και σχηµατίζει την τσιµεντόπαστα (κόλλα). Η

αντοχή του σκυροδέµατος ρυθµίζεται από την αντίδραση ενυδάτωσης, όπως και

από το λόγο νερό/τσιµέντο (W/C).

Τα αδρανή προσδίδουν µεγαλύτερη αντοχή σε θλίψη στο σκυρόδεµα

(compressive strength), το κάνουν πιο ανθεκτικό στο χρόνο (durable) και

συµβάλουν στην οικονοµικότητα του σκυροδέµατος επειδή είναι πολυ φθηνά ως

υλικά δηλαδή δρούν ως «πληρωτικά».

164

4. E: Τι σηµαίνει «εργάσιµο» σκυρόδεµα, γιατί είναι σηµαντική η ιδιότητα αυτή

και πώς µετράται ;;;;

Α: Το σκυρόδεµα θεωρείται εργάσιµο, όταν έχει αποδεκτό ιξώδες και χωρίς

δυσκολία αποχύνεται και γεµίζει καλούπια δηλαδή µορφοποιείται. Μετράται µε τη

δοκιµή «κάθισης ή εξάπλωσης» (slump test), δηλ. µε τη βοήθεια χαλύβδινου

διάτρητου (στην κορυφή και τη βάση του) κώνου που γεµίζεται µε σκυρόδεµα. Ο

κώνος µετά αναστρέφεται και το σκυρόδεµα αδειάζεται σε οριζόντια επιφάνεια.

Από την τιµή της υποχώρησης της κορυφής του κώνου σε σχέση µε το αρχικό του

ύψος χαρακτηρίζεται το σκυρόδεµα ως αποδεκτό ή µη αποδεκτό. Αν το ύψος του

κώνου, µετά την απόχυση είναι το 50-75% του αρχικού του ύψους, το σκυρόδεµα

θεωρείται ότι είναι αποδεκτά «εργάσιµο».

5. E: Εξηγήστε τι σηµαίνει περίοδος ωρίµανσης για ένα «φρέσκο» (παράχθηκε

λίγη ώρα πριν) σκυρόδεµα. Γιατί είναι σηµαντικός ο χρόνος ωρίµανσης στις

κατασκευές έργων από σκυρόδεµα ;;;;

A: Η περίοδος ωρίµανσης είναι η χρονική περίοδος κατά την οποία το σκυρόδεµα

διατηρείται σε πλαστική κατάσταση, δηλαδή οι αντιδράσεις ενυδάτωσης γίνονται

πολύ-πολύ αργά. Αυτή η κατάσταση διαρκεί από 1-3 ώρες και επιτρέπει τη

µεταφορά του από τις µονάδες παραγωγής στη θέση του έργου, την απόχυση και

γέµισµα των καλουπιών πριν από την έναρξη σκλήρυνσης και πήξης του. Μετά τη

χρονική αυτή περίοδο, οι αντιδράσεις της ενυδάτωσης επιταχύνονται πάρα πολύ

και αρχίζει η πήξη και η σκλήρυνσή του.

165

6. E: Γιατί οι κατασκευές από σκυρόδεµα πρέπει να διαβρέχονται συχνά µε

νερό µετά τη διάστρωση του σκυροδέµατος και πόσο σηµαντικό είναι αυτό

στην καλή ποιότητα (αντοχή) των έργων από σκυρόδεµα;;;; Τι σηµαίνει

«συντήρηση» (curing) του σκυροδέµατος;;;;

A: Μετά τη διάστρωση του σκυροδέµατος, είναι απαραίτητη η διατήρηση

ικανοποιητικής υγρασίας (µε διαβροχή) και της θερµοκρασίας του µεταξύ 10-25

°C. Η διαδικασία αυτή καλείται «συντήρηση» του σκυροδέµατος και η καλή

συντήρηση είναι ζωτικής σηµασίας διεργασία για την παραγωγή καλής ποιότητας

σκυροδέµατος δηλ. υψηλής αντοχής, µεγάλης διάρκειας ζωής, µεγάλης

στεγανότητας, αντοχής στην τριβή (απόξεση), µε σταθερότητα όγκου και

µεγάλης αντίστασης σε τάσεις που δηµιουργούνται από τις διαδοχικές φάσεις

πήξης και τήξης του δεσµευµένου ή απορροφούµενου νερού στους πόρους του

σκυροδέµατος σε περιβάλλον χαµηλών θερµοκρασιών.

Η συντήρηση του σκυροδέµατος συνεισφέρει σηµαντικά δηλαδή συµβάλει στη

συνέχιση της αντίδρασης ενυδάτωσης.

Η ανάπτυξη επιφανειακής αντοχής ελαττώνεται σηµαντικά, όταν δεν γίνεται

ικανοποιητική συντήρηση, επειδή η έλλειψη του αναγκαίου νερού συµβαίνει

ευκολώτερα στις περιοχές που γειτνιάζουν µε την ατµόσφαιρα µε αποτέλεσµα

αυτές οι περιοχές να εµφανίζουν προβλήµατα ανάπτυξης ικανοποιητικής αντοχής.

Είναι γνωστό ότι, το νωπό σκυρόδεµα (αυτό που έχει µόλις παρασκευαστεί)

περιέχει αρκετή ποσότητα νερού η οποία επαρκεί για την αντίδραση ενυδάτωσής

του τσιµέντου. Μερικές φορές όµως οποιαδήποτε απώλεια νερού (π.χ. λόγω

εξάτµισης) µπορεί να επιβραδύνει ή να εµποδίσει την ολοκλήρωση της

αντίδρασης. Εάν οι θερµοκρασίες του περιβάλλοντος είναι ευνοϊκές (εντός των

ορίων 10-25 °C), η αντίδραση ενυδάτωσης είναι σχετικά γρήγορη τις πρώτες

ηµέρες µετά τη διάστρωση του σκυροδέµατος. Είναι λοιπόν προφανές ότι καλή

συντήρηση σηµαίνει παρεµπόδιση της εξάτµισης ή στη χειρότερη περίπτωση

µείωσή της µε διάφορους τρόπους. Ένας από τους τρόπους αυτούς είναι η συχνή

διαβροχή της επιφάνειας του διαστρωµένου σκυροδέµατος για την αναπλήρωση

του νερού που εξατµίζεται.

Η σκλήρυνση του σκυροδέµατος είναι το αποτέλεσµα της αντίδρασης

ενυδάτωσης, που λαµβάνει χώραν όµως µόνο παρουσία νερού (υγρασίας) και σε

166

κατάλληλο θερµοκρασιακό εύρος. Η διαδικασία (διεργασία) της συντήρησης για

τα κοινά σκυροδέµατα διαρκεί µεταξύ 5-7 ηµερών κατά τη διάρκεια των οποίων

διατηρείται υγρό µε διαβροχή, µε καταιονισµό ή µε κάλυψη µε υγρή λινάτσα ή µε

επιφανειακή κάλυψη µε ειδικά χηµικά που δρουν ως φράγµατα υγρασίας

(µειώνουν την εξάτµιση).

7. Υπάρχει πρόβληµα για τη διάστρωση του σκυροδέµατος σε συνθήκες χαµηλών

και υψηλών θερµοκρασιών περιβάλλοντος;;;;

Οι ακραίες, κάτω από 10 °C ή πάνω από 25 °C, θερµοκρασίες δυσκολεύουν τη

συντήρηση του σκυροδέµατος. Σε χαµηλές θερµοκρασίες, κοντά στο σηµείο πήξης

του νερού, η αντίδραση ενυδάτωσης σταµατά ή επιβραδύνεται σηµαντικά. Η αύξηση

της θερµοκρασίας, λόγω έκλυσης θερµότητας από την ενυδάτωση του τσιµέντου, δρά

ευεργετικά στην κατεύθυνση συνέχισης των αντιδράσεων αυτών. Όµως, είναι πιθανό

σε πολύ χαµηλές θερµοκρασίες να προκληθεί πήξη (πάγωµα) του νερού και να

προκληθεί διάρρηξη του σκυροδέµατος λόγω διόγκωσής του νερού.

Αντιθέτως, σε υψηλές θερµοκρασίες υπάρχει αυξηµένη εξάτµιση και ως εκ τούτου

έλλειψη νερού για τη συνέχιση της αντίδρασης, οπότε η συχνή διαβροχή απληρώνει

το νερό που εξατµίζεται ή κάλυψη µε βρεγµένη λινάτσα εµποδίζει την εξάτµισή του

και συµβάλλει στη συνέχιση της ενυδάτωσης.

Όλα τα παραπάνω συνήθως οδηγούν στην κατεύθυνση αποφυγής εργασιών

σκυροδέτησης σε ακραίες θερµοκρασίες.

8. Ποιες είναι οι κατάλληλες αναλογίες µείγµατος συστατικών του σκυροδέµατος;;;;

Κάτω από κατάλληλες συνθήκες ανάµειξης υπάρχει µεγάλη ποικιλία αναλογιών των

διαφόρων συστατικών για την παρασκευή καλής ποιότητας σκυροδέµατος. Ένας

γενικός κανόνας στις Η.Π.Α. είναι αυτός που αναφέρεται και ως κανόνας των έκτων

(6’s rule).

I. Ελάχιστη ποσότητα τσιµέντου 6 σακκιά / κυβική υάρδα = 6 (42.64 kg)/(0.9144

m)3 = 334.6 kg/m3 .

II. Μέγιστη ποσότητα νερού 6 γαλόνια (6 x 4.55 = 27.27 liters) για κάθε σακκί

τσιµέντο

167

III. Συντήρηση σκυροδέµατος για 6 (έξι) ηµέρες τουλάχιστον µετά τη διάστρωση

και

IV. Ποσοστό περιεχόµενου αέρα 6% κ.ο (εάν το σκυρόδεµα θα υφίσταται κατά τη

διάρκεια της ζωής του διαδοχικές φάσεις παγώµατος και τήξης του νερού).

9. Τι πρέπει να προστεθεί στο σκυρόδεµα για την επιβράδυνση της πήξης και

σκλήρυνσης;;;; Τι θα προσφέρει η επιβράδυνση αυτής της διεργασίας;;;;

Μπορεί να προστεθεί ζάχαρη για την επιβράδυνση της διεργασίας και αυτό γίνεται

όταν το σκυρόδεµα πρέπει να µεταφερθεί σε µεγάλη απόσταση για να διαστρωθεί.

Σ΄αυτές τις περιπτώσεις προστίθενται επιβραδυντικά της πήξης και σκλήρυνσης.

10. Τι πρέπει να προστεθεί στο σκυρόδεµα για την επιτάχυνση της πήξης και της

σκλήρυνσης;;;; Πότε είναι αναγκαία η επιτάχυνση της διεργασίας;;;;

Προσθήκη χλωριούχου ασβεστίου (CaCl2) επιταχύνει την αντίδραση πήξης και

σκλήρυνσης και αυτό επιβάλλεται να γίνεται σε περιπτώσεις διάστρωσης

σκυροδέµατος υπό συνθήκες χαµηλής θερµοκρασίας περιβάλλοντος. Στην περίπτωση

αυτή επιταχύνεται η διεργασία µε παράλληλη αύξηση της εκλυόµενης θερµότητας

ενυδάτωσης.

11. Τι θα συµβεί στην περίπτωση που το σκυρόδεµα πήξει και σκληρυνθεί πολύ

γρήγορα;;;;

Το σκυρόδεµα θα υποστεί διάρρηξη (ρωγµάτωση) που οφείλεται σε συρρίκνωση

λόγω ξήρανσης. Η αντίδραση ενυδάτωσης, η οποία προκαλεί την αύξηση αντοχής του

σκυροδέµατος σταµατά προφανώς λόγω έλλειψης νερού και τελικά έχει ως

αποτέλεσµα την παραγωγή ασθενέστερου από την άποψη αντοχής σκυροδέµατος.

12. Σχολιάστε τη σπουδαιότητα του κατάλληλου λόγου βάρος νερού / βάρος

τσιµέντου στο σκυρόδεµα.

Ο λόγος νερό/τσιµέντο καθορίζει σηµαντικά την αντοχή του σκυροδέµατος. Όσο λιγότερο

νερό προστίθεται στο σκυρόδεµα (υπό την προϋπόθεση βέβαια ότι παράγεται «εργάσιµο»

σκυρόδεµα δηλ. ικανοποιητικού ιξώδους για την εξασφάλιση ροής στα καλούπια), τόσο

µεγαλύτερη αντοχή αναµένεται να αποκτήσει το σκυρόδεµα.

168

13. Εξηγείστε τη χρησιµότητα προσθήκης ρευστοποιητικών (superplasticizers) στην

παρασκευή σκυροδέµατος.

Τα ρευστοποιητικά είναι χηµικά πρόσθετα που εξασφαλίζουν ρευστότητα στο σκυρόδεµα

(ικανοποιητικό ιξώδες) δηλ. εργασιµότητα µε χρήση µικρότερης ποσότητας νερού και

κατά συνέπεια µικρότερο λόγο νερού προς τσιµέντο. Αναµένεται λοιπόν µεγαλύτερη

αντοχή του σκυροδέµατος.

14. Ποιές είναι οι συνηθέστερες δοκιµές ελέγχου της ποιότητας του σκυροδέµατος;;;;

Οι συνηθέστερες δοκιµές ελέγχου του σκυροδέµατος είναι:.

1. η δοκιµή κάθισης ή εξάπλωσης (slump test)

2. η δοκιµή αντοχής σε µοναξονική θλίψη (compressive strength)

3. η δοκιµή προσδιορισµού του ποσοστού περιεχόµενου αέρα (air content) και

4. η δοκιµή προσδιορισµού της πυκνότητας του σκυροδέµατος

Η δοκιµή κάθισης είναι η δοκιµή ελέγχου της εργασιµότητας του σκυροδέµατος (ιξώδες ή

flowability), που ελέγχεται στην Ελλάδα σύµφωνα µε τη Μέθοδο Ελέγχου ΣΚ-309 του

ΕΛΟΤ. Εάν το σκυρόδεµα έχει µεγάλο ιξώδες, τότε δεν µπορεί να περάσει ανάµεσα από

τα κενά του σιδηροπλισµού και να γεµίσει τα καλούπια και δεν µπορεί επίσης να

συµπυκνωθεί µε δόνηση. Εάν είναι πολύ ρευστό τότε η τσιµεντόπαστα (µείγµα νερού και

τσιµέντου) διαφεύγει µέσα από τα κενά των καλουπιών, τα αδρανή καθιζάνουν στον

πυθµένα των καλουπιών µε αποτέλεσµα την απόµειξη (διαχωρισµός κατά µέγεθος,

segregation) των αδρανών µέσα στα καλούπια. Το τελικό αποτέλεσµα είναι χαµηλής

αντοχής σκυρόδεµα.

Με τη δοκιµή προσδιορισµού του περιεχόµενου αέρα υπολογίζεται το ποσοστό (%) του

αέρα µέσα σε δείγµα «φρέσκου» σκυροδέµατος, αλλά αυτή δεν αποτελεί και ένδειξη του

τελικού ποσοστού µετά την πήξη και σκλήρυνση του σκυροδέµατος.

Με τη δοκιµή προσδιορισµού της πυκνότητας µετριέται το βάρος γνωστού όγκου

σκυροδέµατος.

Με τη δοκιµή προσδιορισµού της θλιπτικής αντοχής ελέγχονται οι αντοχές (τάσεις)

θραύσης κυλινδρικών ή κυβικών δοκιµίων σκυροδέµατος µε την πρόοδο της πήξης και

169

σκλήρυνσής τους (δηλ. σε προκαθορισµένους χρόνους). Εάν η τάση θραύσης µιας

δοκιµής δεν είναι µικρότερη κατά 3.5 MPa ≈ 500 psi από τη δοκιµή σχεδιασµού ή εάν η

µέση τιµή τάσης θραύσης τριών διαδοχικών δοκιµών υπερβαίνει την αντοχή θραύσης

κατά το σχεδιασµό, τότε το σκυρόδεµα θεωρείται αποδεκτό από πλευράς αντοχής.

170

10. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΜΕ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑ ΚΑΙ Α∆ΡΑΝΗ)

Α. «Η ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΕΛΛΗΝΙΚΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑΤΟΣ ΚΑΙ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ∆ΙΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ∆ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥΣ»

Το σκυρόδεµα είναι το κυριότερο δοµικό στοιχείο των σύγχρονων κατασκευών. Οι ιδιότητές

του, που είναι αποτέλεσµα των πρώτων υλών από τις οποίες παράγεται αλλά και των

µεθόδων µε τις οποίες παρασκευάζεται και χρησιµοποιείται (διαστρώνεται), είναι ουσια-

στικής σηµασίας παράγοντες στην ποιότητα και την αντοχή των κατασκευών.

Στην Ελλάδα σήµερα εξορύσσονται εκατοµµύρια κυβικά µέτρα πετρωµάτων και µεταλλευ-

µάτων κάθε χρόνο, που αποτελούν τις πρώτες ύλες στην παραγωγή ενδιάµεσων προϊόντων

(τσιµέντα διαφόρων τύπων), αλλά και αδρανή υλικά για την παραγωγή του σκυροδέµατος

(τελικό προϊόν).

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να καταδειχθεί µέσω της αξίας των παραγόµενων

προϊόντων η αναγκαιότητα της µεταλλευτικής, µεταλλουργικής και περιβαλλοντικής εκ-

παίδευσης στην ορθολογική παραγωγή τσιµέντου και σκυροδέµατος.

Επιχειρείται επίσης η καταγραφή των περιβαλλοντικών προβληµάτων, που έχουν σχέση µε το

ολοκληρωµένο κύκλωµα παραγωγής του σκυροδέµατος αλλά και οι ενεργειακές κατα-

ναλώσεις στις διαδικασίες παραγωγής του. ∆ιατυπώνονται επίσης προτάσεις αντιµετώπισης

και µείωσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων.

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γνωστό ότι τα βασικά συστατικά του σκυροδέµατος είναι (α) το τσιµέντο Πόρτλαντ,

(β) η άµµος (λεπτοµερή αδρανή), (γ) τα χονδροµερή αδρανή, (δ) το νερό και (ε) ο αέρας. Η

κατά βάρος συµµετοχή των παραπάνω υλικών στην παρασκευή του σκυροδέµατος δίνεται

στον Πίνακα 1.

Το τσιµέντο είναι το βασικό συστατικό στα προϊόντα σκυροδέµατος και δρα σε ανάµειξη

µε το νερό ως συνδετική ουσία των παντός είδους αδρανών στο σκυρόδεµα. Το τσιµέντο

Πόρτλαντ αντιπροσωπεύει το 95% περίπου των παραγόµενων παγκοσµίως ειδών τσιµέντου.

Για την παραγωγή του, απαιτούνται οι παρακάτω πρώτες ύλες:

1. ασβεστόλιθος (πηγή οξειδίου του ασβεστίου),

171

2. αργιλικά πετρώµατα (π.χ σχιστόλιθος) και χαλαζιακή άµµος (πηγές τριοξειδίου του

αργιλίου και διοξειδίου του πυριτίου),

3. σιδηροµετάλλευµα (πηγή οξειδίου του σιδήρου) ή

4. βωξίτης (πηγή τριοξειδίου του αργιλίου και διοξειδίου του πυριτίου) σε ειδικού τύπου

τσιµέντα.

Πίνακας 1. Τυπική κατά βάρος % σύνθεση σκυροδέµατος

Συστατικό Κατά βάρος,

% Τσιµέντο Πόρτλαντ Άµµος (λεπτοµερή αδρανή) Χονδροµερή αδρανή Νερό Αέρας

12 34 48 6 −

Σύνολο 100 Στην Ελλάδα, η τσιµεντοβιοµηχανία απορροφά επίσης ικανές ποσότητες πυριτικών

πετρωµάτων (ποζολάνη), σκωριών ηλεκτροκαµίνων από την παραγωγή σιδηρονικελίου

(περίπου 250.000 t ετησίως από τη ΛΑΡΚΟ ΑΕ), σκουριά από σιδηροπυρίτη από τις βιο-

µηχανίες λιπασµάτων και 150.000 t περίπου φωσφογύψο [3−5]. Η χρησιµοποίηση των

µεταλλουργικών σκωριών στην τσιµεντοβιοµηχανία είναι εφικτή λόγω των ευνοϊκών

ορυκτολογικών χαρακτηριστικών τους (περιεχόµενα οξείδια απαραίτητα στην τσιµε-

ντοβιοµηχανία) [3], ταυτόχρονα όµως συµβάλλει θετικά στο πρόβληµα που δηµιουργείται

από την απόθεση της σκωρίας στη θάλασσα.

Το διάγραµµα ροής της παραγωγής τσιµέντου φαίνεται στο Σχήµα 1. Από αυτό το διά-

γραµµα ροής γίνεται αντιληπτό ότι η διεργασία παραγωγής τσιµέντου είναι, σε πρώτο στάδιο,

καθαρά µεταλλευτική δραστηριότητα που περιλαµβάνει τις εξής επιµέρους διεργασίες:

1. εξόρυξη πρώτων υλών, και

2. µηχανική ελάττωση µεγέθους (θραύση, λειοτρίβηση)

και σε δεύτερο στάδιο µεταλλουργική δραστηριότητα και ελάττωση µεγέθους που περι-

λαµβάνει:

1. την καθαυτό µεταλλουργική διεργασία παραγωγής του κλίνκερ τσιµέντου, και

2. την άλεσή του (λεπτοµερής λειοτρίβηση του κλίνκερ) για την παραγωγή τσιµέντου.

Την παραγωγή τσιµέντου ακολουθεί η παραγωγή του σκυροδέµατος που απαιτεί, εκτός

από τη χρήση τσιµέντου και νερού, αδρανών υλικών µε κατάλληλα φυσικοχηµικά

172

χαρακτηριστικά και επίσης διάφορα χηµικά πρόσθετα για τον έλεγχο και τη ρύθµιση των

αντοχών του.

Είναι επίσης γνωστό ότι µε την παραγωγή του τσιµέντου και την εξόρυξη των αδρανών

υλικών, που αποτελούν βιοµηχανικά και περιβαλλοντικά εντατικές δραστηριότητες,

επιβαρύνεται σηµαντικά αλλά και αναπόφευκτα το περιβάλλον και πρέπει να λαµβάνεται

µέριµνα για την κατά το δυνατόν ελαχιστοποίηση των δυσµενών περιβαλλοντικών

επιπτώσεων ή την αναµόρφωση του εξορυγµένου χώρου.

2. Η ΜΕΤΑΛΛΕΥΤΙΚΗ ∆ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

ΚΑΙ Α∆ΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑΤΟΣ

Λατοµείο

Πρωτογενής θραύση

∆ευτερογενής θραύσηΑποθήκευση πρώτων υλών

Σχιστόλιθος

Χαλαζιακή άµµος

Προς κύκλωµα λειοτρίβησης

Ασβεστόλιθος

Ρύθµιση βαρών πρώτων υλών

Μύλος

Κονιοσυλλ

Ασβεστόλιθος

ΣχιστόλιθοςΣιδηρο-

µετάλλευµα

Σιλό ανάµειξης και αποθήκευσης

Χαλαζιακή

άµµος

Για προθέρµανση ή Π/Κ

Αντλία πρώτωνυλών

Ψύξη Κλίνκερ

Αντλία τσιµέντου

Μύλος άλεσης

Κλίνκερ

∆ιατάξεις φόρτωσης

Κονιοσυλλέκτης

Σιλό αποθήκευσης

∆ιάταξηΕνσάκκισης

Σιδηροµετάλλευµα

∆ιάταξη ενσάκκισης

Π/Κ

Γύψος, Κλίνκερ

Κονιοσυλλέκτης

Σχήµα 1: ∆ιάγραµµα ροής διαδικασιών παραγωγής τσιµέντου [1].

Figure1: Flowsheet for the cement production [1].

173

Σε πρόσφατη δηµοσίευση (1998) του Ινστιτούτου Οικονοµικών και Βιοµηχανικών

Ερευνών (ΙΟΒΕ) αναφέρεται ότι, η ετήσια παραγωγή της ελληνικής τσιµεντοβιοµηχανίας

ανήλθε το 1997 σε 14,8 εκατ. τόνους τσιµέντου [6]. Το 52% της παραγωγής (7,7 εκατ. τόνοι)

εξάγεται σε χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης και τις ΗΠΑ και το 48% (7,1 εκατ. τόνοι)

διατίθεται στην ελληνική αγορά. Από το διατιθέµενο τσιµέντο στην ελληνική αγορά, ποσοστό

68% διατίθεται χύµα και 32% ενσακκισµένο. Το 80% του διατιθέµενου στην ελληνική αγορά

«χύµα» τσιµέντου απορροφάται από τις εταιρείες παραγωγής έτοιµου σκυροδέµατος, το

12−15% από τις κατασκευαστικές εταιρείες και το 5−8% από τις µονάδες παραγωγής

προϊόντων τσιµέντου.

2.1. Ποσότητα πρώτων υλών για την παραγωγή τσιµέντου

Είναι γνωστό ότι για την παραγωγή ενός τόνου τσιµέντου απαιτούνται περίπου 1,6 τόνοι

πρώτων υλών. Από αυτές, το 75%, δηλ. περίπου 0,75 × 1,6 × 14,8 εκατ. τόνοι = 17,8 εκατ.

τόνοι ετησίως, είναι ασβεστολιθικά πετρώµατα που χρησιµοποιούνται στην Ελλάδα για την

παραγωγή τσιµέντου.

2.2. Ποσότητα πρώτων υλών για την παραγωγή σκυροδέµατος

Αν υποτεθεί ότι το 75% του διατιθέµενου στην ελληνική αγορά τσιµέντου (δηλαδή 0,75 ×

7,1 εκατ. τόνοι = 5,3 εκατ. τόνοι) χρησιµοποιείται για την παραγωγή σκυροδέµατος, τότε,

δεδοµένου ότι για κάθε m3 σκυροδέµατος απαιτούνται περίπου 300 kg τσιµέντου, παράγονται

(5,3/0,3) × 106 = 17,8 × 106 m3 σκυροδέµατος. Επειδή όµως απαιτούνται περίπου 2 τόνοι

αδρανών υλικών/m3 σκυροδέµατος, τότε απαιτούνται επίσης 35,6 εκατ. τόνοι αδρανών

υλικών για σκυρόδεµα.

Οι 35,6 εκατ. τόνοι αδρανών υλικών είναι προϊόν εξόρυξης και το αξιοποιήσιµο υλικό

(κατάλληλα κοκκοµετρικά κλάσµατα µετά τη θραύση) είναι κατά µέγιστο περίπου 75%

αυτού που εξορύσσεται, δηλαδή πρέπει να εξορυχθούν τουλάχιστον 35,6 × 106/0,75 = 47,4

εκατ. τόνοι αδρανών υλικών για σκυρόδεµα.

2.3. Συνολική ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή τσιµέντου

και σκυροδέµατος

174

Οι συνολικοί τόνοι ασβεστολιθικού υλικού για τσιµέντο και σκυρόδεµα ετησίως είναι:

(17,8 + 47,4)×106 = 65,2 εκατ. τόνοι. Με λόγο αποκάλυψης 1:5, σύµφωνα µε µέτριους

υπολογισµούς, η ποσότητα αυτή προσαυξάνεται 20% δηλ. η συνολική ποσότητα του

εξορυσσόµενου υλικού ανέρχεται σε (65,2 × 106) × 1,2 = 78,2 εκατ. τόνοι ή περίπου 30 × 106

m3 ασβεστολιθικών πετρωµάτων (ειδικό βάρος ασβεστολίθου περίπου 2,65 τόνοι/m3)

Σ’ αυτήν την ποσότητα δεν έχουν ληφθεί υπόψη οι µη ασβεστολιθικές πρώτες ύλες στη

βιοµηχανία παραγωγής τσιµέντου, οι οποίες είναι το 25% περίπου των ασβεστολιθικών

δηλαδή 18 × 106 εκατ. τόνοι ή 7-7,5 × 106 m3 επιπλέον.

3. ΑΞΊΑ ΠΑΡΑΓΌΜΕΝΩΝ ΠΡΟΪΌΝΤΩΝ (ΤΣΙΜΕΝΤΟ, ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑ)

3.1. Αξία εξαγόµενου τσιµέντου

Αν ληφθεί υπόψη ότι η τιµή του εξαγόµενου τσιµέντου είναι περίπου 70$/τόνο δηλ.

περίπου 28.000 δρχ./τόνο, τότε τα έσοδα από την πώληση του τσιµέντου ανέρχονται ετησίως

σε: 7,7 × 106 τόνοι × 28.000 δρχ./τόνο = 215,6 δισ. δρχ. ετησίως (632,7 εκατ. ευρώ ετησίως).

3.2. Αξία παραγόµενου σκυροδέµατος

Η σηµερινή µέση τιµή του σκυροδέµατος στην ελληνική αγορά (συµπεριλαµβανοµένου

και του ΦΠΑ) είναι 17.000 δρχ./m3. Άρα τα ακαθάριστα έσοδα από την πώληση των 17,8 ×

106 m3 σκυροδέµατος ανέρχονται σε: 17,8 × 106 m3 σκυροδέµατος × 17.000 δρχ./m3 = 302,3

δισ. δρχ. ετησίως (887,2 εκατ. ευρώ ετησίως).

3.3. Συνολικά έσοδα βιοµηχανίας τσιµέντου και σκυροδέµατος

Οι συνολικές πωλήσεις τσιµέντου και σκυροδέµατος αποφέρουν ακαθάριστα έσοδα

περίπου 518 δισ. δρχ. ή 1,52 δισ. ευρώ ετησίως. Αν ληφθούν δε υπόψη και τα προϊόντα

τσιµέντου που παράγονται, δεν απέχει πολύ από την πραγµατικότητα η υπόθεση ότι ο ετήσιος

κύκλος εργασιών των βιοµηχανιών τσιµέντου και σκυροδέµατος ανέρχεται σε 550 δισ. δρχ. ή

1,61 δισ. ευρώ περίπου.

Αυτό επιβεβαιώνεται και από στοιχεία δηµοσιευόµενα από την ελληνική εταιρεία «Τιτάν»

µε το µεγαλύτερο ποσοστό συµµετοχής (περίπου 40−45%) στη συνολική δραστηριότητα των

δύο κλάδων, η οποία δηλώνει εξαµηνιαία έσοδα (α΄ εξάµηνο 2000) 100 δισ. δρχ. ή 293 εκατ.

ευρώ περίπου [7].

Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι οι τοµείς του τσιµέντου και του σκυροδέµατος είναι

από τους δυναµικότερους της ελληνικής βιοµηχανίας µε σηµαντική συµµετοχή στο ΑΕΠ. Το

175

µέλλον τους προβλέπεται ευοίωνο για τα επόµενα χρόνια, δεδοµένης της αύξησης της

παραγωγικής τους δυναµικότητας µε την εξαγορά οµοειδών επιχειρήσεων του εξωτερικού

και την αύξηση του αριθµού των κέντρων διανοµής των προϊόντων τους.

4. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ

4.1. Ενεργειακή κατανάλωση Η σηµερινή κατανάλωση ενέργειας στη βιοµηχανία τσιµέντου αντιπροσωπεύει το 2% της

παγκόσµιας κατανάλωσης ενέργειας και σχεδόν το 5% της συνολικής ενέργειας που

καταναλώνεται από τη βιοµηχανία (World Energy Council, 1995).

Το κόστος της ενέργειας αντιπροσωπεύει το 20−30% του κόστους παραγωγής του

τσιµέντου. Η ενέργεια αυτή προέρχεται από την καύση στερεών, υγρών και αερίων

καυσίµων, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2 [8].

Πίνακας 2. Ποσοστιαία (%) κατανάλωση καυσίµων στη βιοµηχανία τσιµέντου στην ΕΕ [8].

Είδος καυσίµου Ποσοστό % κ.β. Άνθρακας Petcoke Λιγνίτης Πετρέλαιο Φυσικό αέριο Εναλλακτικά καύσιµα

36 39 6 7 2 10

Σύνολο 100 Καταναλώνεται επίσης και ηλεκτρική ενέργεια περίπου 100 kWh/t τσιµέντου (ποσοστό

5−8% της συνολικής), που κατανέµεται ως εξής [9]:

• 27,5% στην προετοιµασία των πρώτων υλών,

• 27,7% στις διεργασίες παραγωγής του κλίνκερ (κύκλωµα περιστροφικής καµίνου),

• 39,8% στις διεργασίες παραγωγής τελικού προϊόντος (άλεση του κλίνκερ κ.λπ.), και 5% σε

άλλες διεργασίες του κυκλώµατος παραγωγής.

Είναι γνωστό ότι, συµπεριλαµβανοµένης και της κατανάλωσης πετρελαίου στην εξόρυξη

και µεταφορά των πρώτων υλών, η παραγωγή του τσιµέντου απαιτούσε το 1975 περίπου 6,5

εκατ. BTU περίπου, που ισοδυναµούσε µε 1870 kWh/t παραγοµένου τσιµέντου [10]. Η

παραπάνω κατανάλωση ενέργειας ανά t τσιµέντου αναφέρεται και από τo Neville [11], που

δίνει τιµή 1,8 MWh/t τσιµέντου για ξηρή µέθοδο παραγωγής τσιµέντου (dry process).

176

Σήµερα µετά από 25 χρόνια περίπου η απαιτούµενη ενέργεια έχει µειωθεί κατά 25%

περίπου από 7,2 σε 5,5 GJ/t τσιµέντου. Τα 5,5 GJ/t τσιµέντου αντιστοιχούν σε 1528 kWh/t

τσιµέντου. Η αντιστοιχία αυτή σε kWh/t είναι τελείως ενδεικτική της ενεργειακής «έντασης»

της διεργασίας (Πίνακες 3 και 4).

Η µεγαλύτερη ποσότητα της ενέργειας που καταναλώνεται στην παραγωγή τσιµέντου

χρησιµοποιείται για τη λειτουργία της περιστροφικής καµίνου.

Η µεγάλη κατανάλωση ενέργειας είναι το σπουδαιότερο περιβαλλοντικό πρόβληµα στην

παραγωγή τσιµέντου και σκυροδέµατος [8, 9, 12]. Επειδή δε η παραγωγή τσιµέντου είναι µία

ενεργειοβόρος βιοµηχανική δραστηριότητα, κατά συνέπεια και στο σκυρόδεµα ως

δευτερογενές προϊόν ενσωµατώνονται µεγάλες ποσότητες ενέργειας.

Στόν Πίνακα 3 δίνεται η απαιτούµενη ποσότητα ενέργειας ανά t τσιµέντου [1]. Στoν

Πίνακα 4 γίνεται αναγωγή της ενέργειας ανά m3 σκυροδέµατος, σύµφωνα µε τις κατά βάρος

αναλογίες πρώτων υλών στο σκυρόδεµα. ∆ιαπιστώνεται λοιπόν ότι η ενσωµατωµένη

ενέργεια ανά m3 σκυροδέµατος, οφείλεται κατά 91,5% περίπου στην ενέργεια που

χρειάστηκε στην παραγωγή του περιεχόµενου τσιµέντου (εξόρυξη πρώτων υλών, µεταφορά,

θραύση, λειοτρίβηση, περιστροφική κάµινος, άλεση του κλίνκερ κ.λπ.) και µόνο το 8,5% στα

αδρανή υλικά του σκυροδέµατος.

4.2. Μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης στην παραγωγή τσιµέντου

Σήµερα στις ΗΠΑ, το 5% περίπου της απαιτούµενης ενέργειας στην παραγωγή τσιµέντου

προέρχεται από την καύση απορριµµάτων [1, 2]. Τα χρησιµοποιούµενα ως καύσιµα

απορρίµµατα είναι υλικά µε θερµικό δυναµικό, που είναι συµβατά µε τις διεργασίες

παραγωγής τσιµέντου. Τα περισσότερα απορρίµµατα που καίγονται στη βιοµηχανία

τσιµέντου είναι εκείνα που παράγονται από τις βιοµηχανίες παραγωγής αγαθών καθηµερινής

χρήσης και προσφέρονται χωρίς επιβάρυνση. Τα είδη των ανακυκλώσιµων υλικών είναι:

1. άχρηστα ελαστικά αυτοκινήτων,

2. χρησιµοποιηµένα ορυκτέλαια,

3. διαλυτικά χρωµάτων και υπολείµµατα χρωµάτων,

4. διαλύτες στεγνού καθαρισµού ενδυµάτων,

5. λάσπη των διεργασιών διύλισης πετρελαίου,

6. διαλύτες και µελάνια εκτύπωσης εφηµερίδων και περιοδικών,

7. διαλύτες ανακύκλωσης χαρτιού, και

8. απόβλητα γεωργικών βιοµηχανιών (τσόφλια ξηρών καρπών, κουκούτσια ροδάκινων κ.λπ.)

177

Πίνακας 3. Είδος καυσίµου και θερµική ενέργεια για την παραγωγή ενός τόνου τσιµέντου κατά την Portland Cement Association (PCA) [1].

Ενέργεια/t τσιµέντου Είδος καύσιµου BTU ×××× 103 kWh

Ποσοστό ενέργειας (%)

Προϊόντα πετρελαίου (diesel, βενζίνη κ.λπ.) 69,5 20,4 1,2

Φυσικό αέριο 524,8 153,8 9,3 Άνθρακας και κωκ 3885,3 1138,4 69,0

Καύσιµο από απόβλητα1 315,3 92,4 5,6 Ηλεκτρική ενέργεια2 840,2 246,2 14,9

Σύνολο 5215 + 420,1 1527,9 + 123,1 100,0

1 Καύσιµο από απόβλητα που έχουν θερµικό δυναµικό (ορυκτέλαια, διαλύτες, άχρηστα

ελαστικά αυτοκινήτων κ.λπ.).

2 Ως ηλεκτρική ενέργεια εδώ θεωρείται το θερµικό δυναµικό (θερµογόνος δύναµη) της

πρώτης ύλης που χρησιµοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Θεωρείται ότι

είναι διπλάσιο του πραγµατικού αποδιδόµενου µέσω της ηλεκτρικής ενέργειας (2 × 420,1 ×

103 BTU = 2 × 123,1 kWh, δηλ. απόδοση 50%).

Πίνακας 4. Ενέργεια στη διαδικασία παραγωγής τσιµέντου και σκυροδέµατος.

kWh/t πρώτης ύλης

Υλικό Βάρος

(%) Παραγω

γή Μεταφορά

kWh/m3 σκυροδέ

µατος

Βάρος πρώτων υλών

(t/m3 σκυροδέµατος)

Ενέργεια

(%)

Τσιµέντο 12 1651 162,8 539,4 0,297 91,6

Άµµος 34 1,6 12,0 11,4 0,843 1,9

Χονδροµερή αδρανή 48 15,1 17,1 38,3 1,190 6,5

Νερό 6 −−−− −−−− −−−− 0.149 −−−−

Αέρας −−−− −−−− −−−− −−−− −−−− −−−−

Σκυρόδεµα 100 1859,6 589,1 2,479 100,0

Η καύση των άχρηστων απορριµµάτων δεν επηρεάζει ουσιαστικά την ποιότητα του

τσιµέντου και ταυτόχρονα απαλλάσσει το περιβάλλον από άχρηστα και βλαβερά, όταν

178

αποτεθούν, υλικά. Το τελικό προϊόν δεν περιέχει τοξικές οργανικές ενώσεις από την καύση

των απορριµµάτων. Οι µονάδες παραγωγής τσιµέντου συµβάλλουν θετικά στην

περιβαλλοντική διαχείριση των άχρηστων απορριµµάτων, ενώ παράλληλα εκµεταλλεύονται

το θερµικό δυναµικό τους στην παραγωγή ενέργειας και τελικά στην παραγωγή χρήσιµου

υλικού, του τσιµέντου.

Η υψηλή θερµοκρασία της φλόγας µέσα στην περιστροφική κάµινο (> 1870°C) και η

µεγάλη διάρκεια καύσης προκαλεί ολοκληρωτική καταστροφή των άχρηστων υλικών. Η

Αµερικανική Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος (US EPA) απαιτεί απόδοση 99,99%

(καταστροφή ή εξουδετέρωση) στους αποτεφρωτές και τις άλλες µονάδες επεξεργασίας

βλαβερών αποβλήτων, πράγµα που πετυχαίνεται εύκολα στις περιστροφικές καµίνους µε

ταυτόχρονη όµως ανάκτηση ενέργειας.

Τα ανακυκλωµένα οργανικά απόβλητα καίγονται ως καύσιµα και τα συνοδεύοντα

ανόργανα (π.χ. µεταλλική ενίσχυση ελαστικών) είτε δεσµεύονται στο κρυσταλλικό πλέγµα

του τσιµέντου, είτε ανευρίσκονται στο τέλος στη σκόνη (παραπροϊόν) της περιστροφικής

καµίνου, η οποία τα διαχειρίζεται σχετικώς ανώδυνα για το περιβάλλον. Είναι γνωστό ότι για

ίδιο βάρος καυσίµου π.χ. ελαστικού αυτοκινήτων και άνθρακα, το ελαστικό έχει πολύ

µεγαλύτερο θερµικό δυναµικό. Αναφέρεται ότι 100 παλαιά λάστιχα αυτοκινήτων έχουν

θερµικό δυναµικό όσo η θερµογόνος δύναµη (calorific value) 1 t άνθρακα (≈ 5000 kcal/kg

άνθρακα).

H διαδικασία παραγωγής τσιµέντου πρέπει να υπακούει στις αυστηρές προδιαγραφές

εκποµπών αερίων και σκόνης στην ατµόσφαιρα και η χρήση απορριµµάτων ως καύσιµων δεν

αλλάζει ουσιαστικά το είδος των εκποµπών αυτών και συντελεί µεταξύ άλλων και στην

υποκατάσταση ικανών ποσοτήτων ορυκτών ανθράκων (άνθρακας, φυσικό αέριο, πετρέλαιο)

που τα αποθέµατά τους είναι πεπερασµένα.

Στην παραγωγή τσιµέντου µπορούν να χρησιµοποιηθούν επίσης και απορρίµµατα (π.χ.

σκυρόδεµα από κατεδαφίσεις) που περιέχουν ικανές ποσότητες τσιµέντου.

Παράδειγµα δυνατοτήτων εφαρµογής στην ελληνική βιοµηχανία τσιµέντου

Αναφέρθηκε παραπάνω ότι αποτελεί κοινή πρακτική στην τσιµεντοβιοµηχανία η

χρησιµοποίηση άχρηστων ελαστικών για ανάκτηση ενέργειας, µε παράλληλη προστασία του

περιβάλλοντος από ενδεχόµενη απόρριψή τους.

179

Στην Ελλάδα κυκλοφορούν περίπου 2 εκατ. οχήµατα. Αν υποτεθεί ότι αλλάζουν ελαστικά

κάθε τέσσερα χρόνια σηµαίνει ότι προκύπτουν περίπου 2 εκατ. άχρηστα ελαστικά ετησίως.

Παίρνοντας υπόψη όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, η ποσότητα αυτή ελαστικών αντιστοιχεί σε

2 × 106/1000 = 20.000 t άνθρακα. Αν επίσης υποτεθεί ότι 1 kg άνθρακα έχει θερµογόνο

δύναµη 5000 kcal, τότε οι 20.000 t άνθρακα έχουν θερµογόνο δύναµη 20.000 t × (5 × 106 kcal

/1000 kg άνθρακα) = 1011 kcal. ∆εδοµένου ότι από αυτή την θερµογόνο δύναµη µόνο το 50%

περίπου θα µετατραπεί σε ενέργεια τότε θα παραχθούν 5 × 1010 kcal. Η ενέργεια αυτή

ισοδυναµεί µε ηλεκτρική ενέργεια 58.106.000 kWh ή 58.106 MWh. Την ενέργεια αυτή

παράγει µια µονάδα ισχύος 7,33 MW ετησίως. Η ίδια ενέργεια αντιστοιχεί σε ετήσια οικιακή

κατανάλωση (300 kWh/µήνα) πόλης 65.000 κατοίκων.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στην Ελλάδα παράγονται 14.8 εκατ. t τσιµέντου ετησίως

και η µέση κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου 100 kWh/t τσιµέντου. Η

απαιτούµενη συνολική ηλεκτρική ενέργεια ανέρχεται σε 14,8 × 108 kWh ετησίως. Η ενέργεια

που µπορεί να ανακτηθεί από 2 εκατ. ελαστικά είναι (%): (58,106 × 106/14,8 × 108) × 100 =

3,93%.

Το ενεργειακό (οικονοµικό) όφελος είναι λοιπόν σηµαντικό. Βεβαίως, στους παραπάνω

υπολογισµούς δεν έχει ληφθεί υπόψη το κόστος συλλογής και µεταφοράς των άχρηστων

ελαστικών στις µονάδες παραγωγής τσιµέντου, που υπερκαλύπτεται όµως από το τεράστιο

περιβαλλοντικό όφελος τόσο της ανεξέλεγκτης απόρριψης όσο και της οικονοµίας σε

πεπερασµένες πρώτες ύλες καυσίµων (π.χ. άνθρακα).

5. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ

ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΣΚΥΡΟ∆ΕΜΑΤΟΣ Τα περιβαλλοντικά προβλήµατα στις παραπάνω διεργασίες αναφέρονται στην

τσιµεντοβιοµηχανία και στις διαδικασίες παραγωγής και χρήσης του σκυροδέµατος και είναι

κυρίως επιπτώσεις στο αέριο και υδάτινο περιβάλλον [1, 2, 12, 13].

∆εν πρέπει βέβαια να παραγνωριστούν τα προβλήµατα που υπάρχουν στις διαδικασίες

εξόρυξης και µεταφοράς των πρώτων υλών του τσιµέντου και των αδρανών υλικών του

σκυροδέµατος όπως επίσης και αυτά που αφορούν στην οπτική ρύπανση και στις δονήσεις.

Είναι σοβαρά προβλήµατα αλλά κατά κοινή αποδοχή ευκολότερα αντιµετωπίσιµα.

5.1. Πηγές παραγωγής και ποσότητες CO2 στην τσιµεντοβιοµηχανία

180

Το «φαινόµενο του θερµοκηπίου» που προέρχεται από τις εκποµπές αερίων στην

ατµόσφαιρα (CO2, µεθάνιο, όζον, ΝΟx, προωθητικά αέρια στα σπρέι, κ.λπ.) αναµένεται

σύµφωνα µε υπολογισµούς να προκαλέσει µια αύξηση στη θερµοκρασία του περιβάλλοντος

κατά 1,9 έως 5,3°C. Το πρόβληµα αυτό για να αντιµετωπιστεί επιβάλλει τoν έλεγχο των

αερίων εκποµπών στην ατµόσφαιρα. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει συστήσει στα µέλη την

εφαρµογή νέας φορολογικής πολιτικής των καυσίµων και της ενέργειας ώστε οι εκποµπές του

CO2 να περιοριστούν στα επίπεδα του 1990.

Παγκοσµίως υπολογίζεται ότι η βιοµηχανία τσιµέντου παράγει 1,6 δισ. t CO2, που

αντιστοιχεί στο 8% των συνολικών εκποµπών CO2 από όλες τις ανθρώπινες δραστηριότητες.

Είναι λοιπόν υπεύθυνη για µεγάλες ποσότητες εκποµπών CO2 στην ατµόσφαιρα. Οι

ανεπτυγµένες χώρες της ∆ύσης παράγουν στις τσιµεντοβιοµηχανίες τους πολύ µικρότερες

ποσότητες CO2/t τσιµέντου σε σύγκριση µε τις αναπτυσσόµενες χώρες και είναι φανερό ότι

µια προσπάθεια µείωσης των παραγόµενων και εκπεµπόµενων ποσοτήτων στις χώρες αυτές

θα είχε ανασταλτικά αποτελέσµατα στη βιοµηχανία τους.

Οι εκποµπές αυτές προέρχονται:

1. από τη µεταλλουργική διεργασία (πύρωση, θερµική διάσπαση) του ανθρακικού

ασβεστίου CaCO3, δηλ. της πρώτης ύλης (ασβεστόλιθοι), σε CaΟ και CO2 µέσα στις

περιστροφικές καµίνους των τσιµεντοβιοµηχανιών, και

2. από την καύση των ορυκτών καυσίµων (άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) στην

παραγωγή του τσιµέντου.

Από την καύση των ορυκτών καυσίµων προκύπτουν σύµφωνα µε υπολογισµούς περίπου

0,63 t CO2 ανά t παραγόµενου τσιµέντου, ενώ από την πύρωση 0,53 t CO2 ανά t παραγόµενου

τσιµέντου. Συνολικά δηλαδή προκύπτουν 1,16 t CO2 ανά t παραγόµενου τσιµέντου.

5.2. Θεωρητικός υπολογισµός των παραγόµενων ποσοτήτων CO2

Η πύρωση του CaCO3 γίνεται σύµφωνα µε την αντίδραση:

θερµότητα

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) (1) 100 56 44

181

Είναι γνωστό όµως ότι για την παραγωγή 1 t τσιµέντου απαιτούνται περίπου 1,21 t CaCO3,

που σύµφωνα µε την παραπάνω αντίδραση παράγουν: (44/100) × 1,21 ≈ 0,532 t CO2.

Η υπόλοιπη ενέργεια για την παραγωγή του τσιµέντου προέρχεται κατα 60% περίπου από

καύσιµα (στερεά, υγρά και αέρια), τα οποία καίγονται και απελευθερώνουν ενέργεια

σύµφωνα µε την εξώθερµη αντίδραση:

C(s) +O2(g) → CO2(g) − 94.052 cal/mol

(2)

12 32 44 Η εκλυόµενη αυτή ενέργεια αντιστοιχεί σε 94052/12 = 7837,7 cal / g άνθρακα. Αυτή

λοιπόν η ποσότητα ενέργειας εκλύεται από την καύση 1 g άνθρακα. Όµως 1 cal = 4,1868

joules, δηλ. 7837,7 × 4,1868 ≈ 32815 kJ/kg άνθρακα.

Από τον Πίνακα 3 φαίνεται ότι η ενέργεια που παράγεται από παντός είδους ορυκτά

καύσιµα είναι: (69,5 + 524,8 + 3885,3) × 103 BTU/t τσιµέντου, που επειδή 1 BTU = 1,0555

kJ, αντιστοιχεί σε 4728,2 × 103 kJ/t τσιµέντου = 4728,2 kJ/kg τσιµέντου. Αυτή όµως η

ενέργεια πρέπει να παραχθεί από την καύση άνθρακα και θα απαιτηθούν: (4728,2 kJ/kg

τσιµέντου) / 32815 kJ/kg άνθρακα = 0,144 kg άνθρακα/kg τσιµέντου. Από την καύση όµως

αυτή θα παραχθούν: 0,144 × (44/12) = 0,528 kg CO2/kg τσιµέντου.

Και η ηλεκτρική ενέργεια όµως που χρησιµοποιείται στην παραγωγή τσιµέντου παράγεται

κυρίως από ορυκτά καύσιµα (εξαιρείται η περίπτωση παραγωγής από πυρηνική ενέργεια ή

υδατοπτώσεις). Άρα συνεισφέρει κι αυτή στην παραγωγή και εκποµπή CO2. Εφαρµόζοντας

την ίδια διαδικασία όπως παραπάνω προκύπτει: 840,2 × 103 BTU/t τσιµέντου = (840,2 ×

1,0555) × 103kJ/ t τσιµέντου = 886,4 × 103 kJ/ t τσιµέντου ή (886,4 kJ/ kg τσιµέντου) /

(32815 kJ/kg άνθρακα) = 0,027 kg άνθρακα/kg τσιµέντου. Η παραπάνω ποσότητα του

άνθρακα αντιστοιχεί σε παραγωγή: 0,027 × (44/12) = 0,099 kg CO2/ kg τσιµέντου.

Από τους υπολογισµούς αυτούς και δεδοµένου ότι για την παραγωγή 1 m3 του

σκυροδέµατος χρησιµοποιήθηκαν 0,2974 t τσιµέντου, κατασκευάζεται ο Πίνακας 5.

5.3. Μέθοδοι ελάττωσης των εκποµπών CO2

Ο προσφορότερος τρόπος ελάττωσης του παραγόµενου CO2 είναι η αύξηση της

αποδοτικότητας στην παραγωγή ενέργειας µέσα στην περιστροφική κάµινο κάτι που τα

τελευταία χρόνια διαπιστώνεται ότι είναι εφικτό, η χρησιµοποίηση καυσίµων (φυσικό αέριο,

182

τσόφλια καρπών ροδάκινων, κ.λπ.) που παράγουν µικρότερες ποσότητες CO2, και η

χρησιµοποίηση για καύση απορριµµάτων µε θερµικό δυναµικό.

Πίνακας 5. Παραγωγή CO2 στις διεργασίες παραγωγής τσιµέντου και σκυροδέµατος

(συµπεριλαµβανοµένης και της ηλεκτρικής ενέργειας).

Πηγές εκποµπών CO2 στη βιοµηχανία τσιµέντου

kg CO2/ t τσιµέντου

kg CO2/ m3

σκυροδέµα

τος

Ποσοστό % συνολικού CO2

CO2 από την πύρωση του ασβεστολίθου 532 158,2 45,9

CO2 από την παραγωγή ενέργειας από καύσιµα

528 157,2 45,6

CO2 από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

99 29,3 8,5

Συνολική παραγωγή CO2 1159 344,7 100 Μια άλλη πρακτική που µπορεί να εφαρµοστεί είναι η χρησιµοποίηση στην παραγωγή

τσιµέντου, αντί ασβεστολίθου, ασβέστου (CaΟ) που προκύπτει ως παραπροϊόν άλλων

βιοµηχανικών δραστηριοτήτων.

Η υποκατάσταση επίσης ποσοστού του τσιµέντου στο σκυρόδεµα µε ιπτάµενη τέφρα (fly

ash) µπορεί να συνεισφέρει σηµαντικά στο στόχο αυτό [2, 11, 15].

Η χρήση της ιπτάµενης τέφρας που παράγεται στους σταθµούς παραγωγής ενέργειας, που

χρησιµοποιούν ως πρώτη ύλη στερεά καύσιµα (λιθάνθρακας, λιγνίτης, κ.λπ.), συµβάλει

θετικά στην αντιµετώπιση περιβαλλοντικών προβληµάτων (πρόβληµα απόθεσης τέφρας) και

µειώνει την συνολική κατανάλωση ενέργειας (15% προσθήκη αντί τσιµέντου στο σκυρόδεµα

έχει ως αποτέλεσµα την µείωση κατά 12,50% περίπου της ενέργειας ανά m3 σκυροδέµατος,

δηλ. από 589,13 kWh/m3 σε 515,49 kWh/m3 περίπου, Πίνακας 4).1

Τα πεδία χρήσης της είναι στην παραγωγή τσιµέντου ως πηγή SiO2, είτε ως προσθήκη στο

σκυρόδεµα για υποκατάσταση του τσιµέντου. Σήµερα η ιπτάµενη τέφρα ή οι ποζολάνες

µπορούν να αντικαταστήσουν το τσιµέντο στο σκυρόδεµα σε ποσοστά που κυµαίνονται από

15−35% και σε ειδικές περιπτώσεις (ογκώδη έργα) µπορεί να φτάσουν µέχρι 70%.

Η ιπτάµενη τέφρα ως γνωστόν αντιδρά µε το Ca(OH)2 που προκύπτει από την ενυδάτωση

του τσιµέντου και σχηµατίζει ένυδρο πυριτικό ασβέστιο, που έχει παρεµφερείς ιδιότητες µε

το πυριτικό τριασβέστιο και διασβέστιο. Μέσω αυτής της διεργασίας, η ιπτάµενη τέφρα

συµβάλλει θετικά στην αντίσταση του σκυροδέµατος σε θειϊκές ενώσεις, µειώνει την 1 0,2974 × (15/100) × 1651 kWh/t = 73,65 kWh/t µείωση κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας

183

διαπερατότητα του, συνεισφέρει στη µείωση του λόγου νερό / τσιµέντο (W/C) και βελτιώνει

τη ρευστότητα (ιξώδες) και το εργάσιµο του σκυροδέµατος.

Ο ρυθµός όµως απόκτησης της πρώιµης αντοχής (early strength) του σκυροδέµατος

εξαρτάται από τoν τύπο της χρησιµοποιούµενης τέφρας (τύπος F, C ή άλλοι τύποι).

Περισσότερο ευνοϊκή, ως προς το θέµα αυτό, συµπεριφορά παρουσιάζει η τέφρα τύπου C

έναντι της F, ενώ µακροπρόθεσµα η αντοχή που προσδίδουν είναι µεγαλύτερη από τού

κοινού σκυροδέµατος [11, 16].

Στην παρασκευή του σκυροδέµατος χρησιµοποιούνται στο εξωτερικό και άλλα άχρηστα

υλικά όπως σκωρίες υψικαµίνων, θραυσµένο σκυρόδεµα από κατεδαφίσεις κ.λπ. ως

υποκατάστατα των φυσικών αδρανών.

5.4. Άλλες επιβλαβείς εκποµπές στην ατµόσφαιρα

Η τσιµεντοβιοµηχανία και η παραγωγή σκυροδέµατος προκαλούν και άλλου είδους

εκποµπές στην ατµόσφαιρα εκτός του CO2, π.χ. σκόνη από την περιστροφική κάµινο, από την

παραγωγή και ανάµιξη των πρώτων υλών, από την άλεση του κλίνκερ, από τις διαδικασίες

ενσάκκισης και φόρτωσης του τσιµέντου κ.λπ. [2,12−14]. Ο καλύτερος τρόπος

αντιµετώπισης αυτής της ρύπανσης είναι η δέσµευση, η συλλογή και ανακύκλωση της

σκόνης στις διεργασίες παραγωγής του τσιµέντου. Οι διαδικασίες αυτές εφαρµόζονται

σήµερα αποδοτικά µε χρήση ηλεκτροστατικών φίλτρων, µηχανικών διατάξεων συλλογής,

σακκόφιλτρων, κάλυψης των µεταφερόµενων υλικών κ.λπ.

Σηµαντικό πρόβληµα όµως είναι η εξουδετέρωση και αντιµετώπιση της έντονα αλκαλικής

συµπεριφοράς της σκόνης της τσιµεντοβιοµηχανίας. Συνήθως λοιπόν χρησιµοποιείται για

επεξεργασία εδαφών γεωργικών καλλιεργειών και η αποµένουσα ποσότητα αποτίθεται ως

στείρο υλικό. Η χρησιµοποίηση αυτής της σκόνης για ρύθµιση του pH όξινων λιµνών στον

Καναδά είχε ως αποτέλεσµα την δηµιουργία επικίνδυνων αδιάλυτων αλάτων.

Μικρότερης αλλά όχι αµελητέας σπουδαιότητας είναι και οι εκποµπές άλλων ατµο-

σφαιρικών ρυπαντών (διοξείδιο του θείου, οξείδια του αζώτου, τριοξείδιο του θείου κ.λπ.). Η

αντιµετώπιση αυτού του προβλήµατος γίνεται συνήθως µε χρήση ως καυσίµων πρώτων υλών

χαµηλής περιεκτικότητας σε θείο και η δέσµευση των αερίων µε τις σύγχρονες µεθόδους και

µε κατάλληλο εξοπλισµό περιβαλλοντικού ελέγχου.

5.5. Ρύπανση των νερών

184

Σοβαρό περιβαλλοντικό πρόβληµα που ανακύπτει στην παραγωγή τσιµέντου και

σκυροδέµατος είναι η µόλυνση των νερών, µε κυριότερο αυτό στη διαδικασία παραγωγής και

χρήσης του σκυροδέµατος. Η κατανάλωση νερού στις µονάδες ετοίµου σκυροδέµατος είναι

το υπ΄αριθµόν ένα πρόβληµα. Υπολογίζεται ότι χρειάζονται περίπου 2 m3 (500 gallons) νερού

ανά φορτηγό (µπετονιέρα) και ανά ηµέρα για έκπλυση και το pH του νερού που προκύπτει

είναι περίπου 12. Η ισχυρή αλκαλικότητα του το καθιστά ιδιαίτερα τοξικό για οποιοδήποτε

υδρόβιους οργανισµούς. Στις σύγχρονες µονάδες ετοίµου σκυροδέµατος υπάρχουν λίµνες

απόρριψης των νερών έκπλυσης, όπου τα περιεχόµενα στερεά καθιζάνουν και το νερό

επεξεργάζεται για επαχρησιµοποίηση. Πολλές φορές επίσης υπάρχουν ειδικές εγκαταστάσεις

απόρριψης του πλεονάζοντος σε µια κατασκευή σκυροδέµατος για έκπλυση και ανάκτηση

των αδρανών που ξανατροφοδοτούνται στη µονάδα. Είναι φανερό ότι σοβαρό πρόβληµα

προκύπτει από την ανεξέλεγκτη έκπλυση των φορτηγών µεταφοράς και των αντλιών

τροφοδοσίας επί τόπου του έργου, γεγονός στο οποίο δεν έχει δοθεί η αναγκαία σηµασία στη

χώρα µας.

6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι οι τοµείς του τσιµέντου και του σκυροδέµατος είναι

από τους δυναµικότερους της ελληνικής βιοµηχανίας µε σηµαντική συµµετοχή στο ΑΕΠ και

µε σηµαντική εισροή συναλλάγµατος. Η σχέση τους µε την εξορυκτική, τη µεταλλουργική

βιοµηχανία και τη βιοµηχανία κατασκευής τεχνικών έργων είναι στενή και είναι γνωστό ότι

εξασφαλίζουν σηµαντικό αριθµό θέσεων εργασίας στους αντίστοιχους επιστηµονικούς

κλάδους.

Η τσιµεντοβιοµηχανία είναι εξαιρετικά ενεργοβόρος βιοµηχανία και συµβάλλει σηµαντικά

στις εκποµπές CO2 και άλλων αερίων εκποµπών στην ατµόσφαιρα. Είναι αναγκαίο λοιπόν το

σκυρόδεµα να χρησιµοποιείται σήµερα µε ορθολογικό τρόπο στις κατασκευές λαµβάνοντας

σοβαρά υπόψη τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που παρουσιάζουν οι διαδικασίες παραγωγής

των πρώτων υλών του και η χρήση του (π.χ. ορθολογική χρήση υλικών για παραγωγή

ενέργειας, αξιοποίηση απορριµµάτων, αντικατάσταση µέρους του τσιµέντου µε ιπτάµενη

τέφρα, ανακύκλωση του σκυροδέµατος από κατεδαφίσεις κ.λπ.). Επίσης, είναι προφανές ότι

είναι αναγκαίος ο προσανατολισµός της µεταλλευτικής, µεταλλουργικής και περιβαλλοντικής

εκπαίδευσης του Τµήµατος Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών προς τα αντικείµενα

αυτά (τσιµέντο, σκυρόδεµα).

185

Β. ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΙ∆ΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ (BLAINE) ΣΤΗΝ ΑΛΕΣΗ ΚΛΙΝΚΕΡ ΣΕ ΣΦΑΙΡΟΜΥΛΟΥΣ

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Είναι γνωστό ότι η καταναλισκόµενη ενέργεια κατά τη λειοτρίβηση και την άλεση έχει σχέση µε

το µέγεθος της τροφοδοσίας (διαστάσεις των τεµαχίων προς λειοτρίβηση), µε το µέγεθος του

προϊόντος, µε τα φυσικά χαρακτηριστικά του υλικού (σκληρότητα, δείκτης έργου, πυκνότητα),

τα χαρακτηριστικά του µύλου (διαστάσεις, σχέση µήκους προς διάµετρο) και τα χαρακτηριστικά

λειτουργίας του (συντελεστής πλήρωσης, σύνθεση του φορτίου). Είναι επίσης γνωστό ότι η

ειδική επιφάνεια του τσιµέντου (λεπτότητα) εξαρτάται από το µέγεθος των τεµαχίων του

προϊόντος.

Στην παρούσα εργασία διερευνάται η µαθηµατική σχέση και διαµορφώνεται µια εµπειρική

εξίσωση που υπάρχει µεταξύ της καταναλισκόµενης ενέργειας, του δείκτη έργου του κλίνκερ και

της ειδικής επιφάνειας (λεπτότητα Blaine) του παραγόµενου τσιµέντου κατά την άλεση του

κλίνκερ τσιµέντου σε σφαιρόµυλους.

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Είναι γνωστό ότι η παραγωγή του τσιµέντου είναι µια εξαιρετικά ενεργοβόρος διεργασία. Το

κόστος παραγωγής τσιµέντου διαµορφώνεται κατά 30-35% από το κόστος ενέργειας. Για την

παραγωγή του χρειάζονται τόσο ορυκτά καύσιµα (κυρίως άνθρακας, πετρέλαιο και φυσικό

αέριο) για τις διεργασίες µετατροπής των πρώτων υλών σε κλίνκερ όσο και ηλεκτρική

ενέργεια για τις διεργασίες που φαίνονται στο Σχήµα 1.

Για τον έλεγχο του κόστους παραγωγής του τσιµέντου, αλλά και για περιβαλλοντικούς

λόγους, εφαρµόζονται σήµερα πρακτικές χρήσης εναλλακτικών καυσίµων µεγάλης

θερµογόνου δύναµης που υποκαθιστούν τα ορυκτά καύσιµα ή περιορίζεται η συµµετοχή του

κλίνκερ στο τσιµέντο µε υποκατάστασή του από άλλα υλικά (π.χ. ιπτάµενη τέφρα, ποζολάνες,

ζεόλιθοι κλπ.) µε παρεµφερείς φυσικοχηµικές ιδιότητες και συµπεριφορά (ποζολανικότητα)

µε το τσιµέντο.

Οι ιδιότητες του τσιµέντου, όσο και η συµπεριφορά του κατά τη χρήση του στην παραγωγή

σκυροδέµατος, εξαρτώνται, εκτός των άλλων σηµαντικά, και από τη λεπτότητά του δηλαδή

από την κοκκοµετρική του ανάλυση. Η λεπτότητα του τσιµέντου εκφράζεται από την τιµή

του δείκτη Blaine, που δίνεται σε µονάδες cm2/g ή m2/kg και κυµαίνεται από 2800-6000

cm2/g, ανάλογα µε τη χρήση για την οποία προορίζεται.

186

2. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ

Με την τεχνολογική εξέλιξη που έχει συντελεστεί την τελευταία τριακονταπενταετία (1965-

2000), µε τη µετατροπή της µεθόδου παραγωγής τσιµέντου από υγρή (wet) σε ξηρή (dry) ή

ηµιυγρή (semi-dry), έγινε δυνατή η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας από 6000 MJ/tonne

κλίνκερ στα όρια από 3000-3800 MJ/tonne κλίνκερ. Σύµφωνα µε την Ευρωπαϊκή Ένωση

(1993), οι δυνατότητες παραπέρα µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας στην

τσιµεντοβιοµηχανία είναι µόνο 2.2% περίπου [1]. Η κατανάλωση άνθρακα στην παραγωγή

τσιµέντου Portland υπολογίζεται ότι ανέρχεται σήµερα [2,3,4] σε (0.110-0.140) tonnes

άνθρακα /tonne τσιµέντου (θερµογόνος δύναµη ανθρακίτη 27000 MJ/tonne) περίπου.

Η ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται επίσης στην παραγωγή τσιµέντου [4] κυµαίνεται από

100-110 kWh/tonne τσιµέντου (Σχήµατα 1 και 2). Σύµφωνα µε το Σχήµα 2, το 63.7% της

ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται στην παραγωγή τσιµέντου αφορά στις διεργασίες

θραύσης, λειοτρίβησης και ξήρανσης των πρώτων υλών και επίσης στην άλεση του κλίνκερ

και της γύψου. Η τιµή της kWh στην Ελλάδα είναι περίπου 0.055 €/ kWh [5] για την υψηλή

τάση µε την οποία τροφοδοτούνται οι τσιµεντοβιοµηχανίες. Το κόστος του εισαγόµενου

(θερµικού) άνθρακα στην Ευρωπαϊκή Ένωση έχει επίσης αυξηθεί σηµαντικά τα τελευταία

χρόνια και οι τιµές του κυµαίνονται από 50-55 €/ tonne [5]. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι

το κόστος ενέργειας στην παραγωγή τσιµέντου διαµορφώνεται ως εξής:

Σχήµα 1. Κατανοµή κατανάλωσης Η.Ε. στην παραγωγή τσιµέντου.

Κατανοµή κατανάλωσης Η.Ε. στην παραγωγή τσιµέντου

5

3,2

26,1

30

5,1

4,4

24,6

0

5

10

15

20

25

30

35

Αποκάλυψ

η & εξ

όρυξη πρώ

των υλών

Θραύση-πρ

οοµογενοποίηση Π.Υ

.

Λειοτρίβηση,

ξήρανση

Ανάµειξη,

οµογενοποίηση

Π.Υ

.

Παραγωγή

κλίνκερ,

ψύξη κλίνκερ

Άλεση κλίνκερ-παραγωγή

τσιµέντου

Μεταφ

ορά, ε

νσάκκιση

, φόρτωση

κ.α

.

Λειοτρίβηση ά

νθρακα

Κατανάλωση

Η.Ε

. σε

kWh

0

5

10

15

20

25

30

35

Ποσοστιαία

% κατανάλωση

Η.Ε

.

κατανάλωση Η.Ε. σε kWh Ποσοστιαία κατανάλωση Η.Ε. στην παραγωγή τσιµέντου

187

(110 kWh/tonne τσιµέντου x 0.055 €/kWh) + (0.14 tonnes άνθρακα /tonne τσιµέντου x 55 €/

tonne άνθρακα) = 13.75 €/ tonne τσιµέντου

Άρα το κόστος παραγωγής του τσιµέντου είναι περίπου:

(13.75 €/tonne τσιµέντου) / 0.3 ≈ 46 €/tonne τσιµέντου,

επειδή είναι γνωστό [1,2,3] ότι το 30-35% του κόστους παραγωγής τσιµέντου αφορά σε

κόστος ενέργειας. Η τιµή αυτή (≈ 14 €/tonne τσιµέντου), εκ πρώτης όψεως, φαίνεται χαµηλή

σε σχέση µε την τιµή πώλησης του τσιµέντου, που είναι περίπου 100 €/tonne τσιµέντου.

∆εδοµένου όµως ότι οι τσιµεντοβιοµηχανίες είναι βιοµηχανίες έντασης κεφαλαίου,

δικαιολογείται η παραπάνω τιµή πώλησης του τσιµέντου από το υψηλό κόστος επενδύσεων

και αποσβέσεων τέτοιων µονάδων. Από τα παραπάνω γίνεται φανερή η µεγάλη σπουδαιότητα

που έχει από πλευράς κόστους ηλεκτρικής ενέργειας η διεργασία της άλεσης του κλίνκερ

(30% του κόστους Η.Ε.) στην παραγωγή του τσιµέντου.

24,6

3,2

26,1

30

4,4

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Ποσοστιαία

% κατανάλωση

Η.Ε

. στις

διεργασίες παραγωγής τσιµέντου

Μεταφορά, ενσάκκιση,φόρτωση κ.α., 5.1%

Παραγωγή κλίνκερ, ψύξηκλίνκερ, 24.6%

Ανάµειξη, οµογενοποίησηΠ.Υ., 1.6%

Αποκάλυψη & εξόρυξηπρώτων υλών, 5%

Λειοτρίβηση άνθρακα, 4.4%

Άλεση κλίνκερ-παραγωγήτσιµέντου, 30%

Λειοτρίβηση Π.Υ., ξήρανση,26.1%

Θραύση-προοµογενοποίησηΠ.Υ., 3.2%

Σχήµα 2. Ποσοστιαία % κατανοµή της καταναλισκόµενης Η.Ε. στις διάφορες διεργασίες

παραγωγής τσιµέντου.

3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΕΜΠΕΙΡΙΚΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ

Για τους υπολογισµούς κατανάλωσης ενέργειας και κόστους παραγωγής είναι απαραίτητη

∆ιεργασίες θραύσης, λ

ειοτρ

ίβησης

Π.Υ

. και άλεσ

ης κ

λίνκερ

63.

7%

188

[6,7] η γνώση µε σχετική ακρίβεια της ειδικής κατανάλωσης kWh/tonne κλίνκερ ως

συνάρτηση της λεπτότητας του τσιµέντου (Blaine fineness) και του δείκτη έργου (work

index) του κλίνκερ. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται µια εµπειρική εξίσωση

υπολογισµού της καταναλισκόµενης Η.Ε. στην άλεση του κλίνκερ τσιµέντου µε συµβατικές

µεθόδους λειοτρίβησης (σφαιρόµυλους).

Με εφαρµογή πολλαπλής παλινδρόµησης ελαχίστων τετραγώνων σε πειραµατικά δεδοµένα

εταιρειών κατασκευής µύλων και διατάξεων άλεσης κλίνκερ [8,9], προκύπτει η εξίσωση:

( )4714.0035.01074.1 4

10 +×+×× −

= iBl wFE (1)

όπου Ε η ενέργεια άλεσης του κλίνκερ σε kWh/tonne, FBl η λεπτότητα του τσιµέντου (Blaine)

σε cm2/g και wi ο δείκτης έργου (work index) σε kwh/short ton. Στους συντελεστές της

εξίσωσης (1) έχει ενσωµατωθεί ο συντελεστής µετατροπής 1 short ton (s.t.) = 0.907 tonne.

Εφαρµόζοντας την εξίσωση (1) για διάφορες τιµές (από 3200-5000, µε βήµα µεταβολής 200

cm2/g) του δείκτη λεπτότητας Blaine του τσιµέντου και για 3 διαφορετικές τιµές (12, 14 και

16 kWh/s.t.) δείκτη έργου του κλίνκερ, υπολογίζονται οι τιµές της ενέργειας άλεσης κλίνκερ.

Οι τιµές αυτές συγκρινόµενες µε τις αντίστοιχες πειραµατικές διαµορφώνουν το Σχήµα 3,

από το οποίο διαπιστώνεται ότι η προτεινόµενη εξίσωση προσδιορίζει µε ακρίβεια την

απαιτούµενη ενέργεια της άλεσης του κλίνκερ σε kWh/tonne.

30 40 50 60 7030

40

50

60

70∆είκτης έργου Wi =12 kWh/s.t.∆είκτης έργου Wi =14 kWh/s.t∆είκτης έργου Wi = 16 kwh/s.t. Γραµµή σύγκρισης

Σχήµα 3. Σύγκριση πειραµατικών και υπολογιζόµενων από την εξίσωση (1) τιµών ενέργειας

άλεσης.

Πειραµατικές τιµές ενέργειας άλεσης σε kWh/tonne (Fuller Traylor Grinding Mill Systems)

Υπολογιζόµεµνες

τιµές

ενέργειας

άλεσης σε

kW

h/to

nn

e

189

Από την παραπάνω επεξεργασία διαπιστώνεται ότι η προτεινόµενη εξίσωση υπολογίζει µε

µεγάλη ακρίβεια την ενέργεια άλεσης συναρτήσει του δείκτη έργου του κλίνκερ και της

λεπτότητας του τσιµέντου που παράγεται.

190

Γ. ΠΡΟΣ∆ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ∆ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ

ΣΥΜΒΑΤΙΚΗΣ ΛΕΙΟΤΡΙΒΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΛΕΣΗΣ ΚΛΙΝΚΕΡ

Τσακαλάκης Κωνσταντίνος

Σχολή Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργών, Ε.Μ.Πολυτεχνείο, 15780 Ζωγράφου-Αθήνα

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Στην παρούσα εργασία συσχετίζεται ένα εµπειρικό µοντέλο το οποίο εκφράζει την ειδική

ενέργεια λειοτρίβησης ή άλεσης Ε του κλίνκερ ως συνάρτηση της λεπτότητας FBl (Blaine)

του τσιµέντου και του δείκτη έργου Bond (wi) του κλίνκερ, µε παλαιότερο µοντέλο, που δίνει

την ειδική ενέργεια λειοτρίβησης Ε ως συνάρτηση του δείκτη έργου Bond (wi) του κλίνκερ,

του λόγου ελάττωσης µεγέθους (λόγος κατάτµησης) R και του χαρακτηριστικού µεγέθους d80

του προϊόντος άλεσης.

Από τη διαδικασία που αναπτύχθηκε έγινε δυνατή η συσχέτιση της λεπτότητας του κλίνκερ

µε το µέγεθος του προϊόντος άλεσης d80. Οι προσδιοριζόµενες τιµές d80 είναι τελείως

ενδεικτικές, δεδοµένου ότι τσιµέντα ίδιας λεπτότητας εµφανίζουν εντελώς διαφορετικές

κατανοµές µεγέθους τεµαχίων. Παρόλα αυτά οι προσδιορισµένες τιµές d80 προσεγγίζουν

πολύ καλά το χαρακτηριστικό αυτό µέγεθος των κατανοµών που χρησιµοποιούνται για το

σκοπό αυτό.

Η µεθοδολογία που προτείνεται συνεισφέρει στον προσδιορισµό της ενέργειας λειοτρίβησης

σε kWh/t, στον υπολογισµό του κόστους λειοτρίβησης και συµβάλλει ουσιαστικά στη

διαδικασία µοντελοποίησης των διεργασιών λειοτρίβησης και άλεσης σε συµβατικούς µύλους

λειοτρίβησης.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Είναι γνωστό ότι η παραγωγή του τσιµέντου είναι µια εξαιρετικά ενεργοβόρος διεργασία. Το

κόστος παραγωγής τσιµέντου διαµορφώνεται κατά 30-35% (πρβλ. Υπολογισµούς σε

προηγούµενη εργασία) από το κόστος ενέργειας. Για την παραγωγή του χρειάζονται τόσο

ορυκτά καύσιµα (κυρίως άνθρακας, πετρέλαιο και φυσικό αέριο) για τις διεργασίες

µετατροπής των πρώτων υλών σε κλίνκερ όσο και ηλεκτρική ενέργεια για τις διεργασίες που

φαίνονται στο Σχήµα 1.

Οι ιδιότητες του τσιµέντου, όσο και η συµπεριφορά του κατά τη χρήση του στην παραγωγή

191

σκυροδέµατος, εξαρτώνται, εκτός των άλλων σηµαντικά, και από τη λεπτότητά του δηλαδή

από την κοκκοµετρική του ανάλυση. Η λεπτότητα του τσιµέντου εκφράζεται από την τιµή

του δείκτη Blaine, που δίνεται σε µονάδες cm2/g ή m2/kg και κυµαίνεται από 2800-6000

cm2/g, ανάλογα µε τη χρήση για την οποία προορίζεται και εξαρτάται σηµαντικά από το

δείκτη έργου Bond (wi) του κλίνκερ και τα χαρακτηριστικά µεγέθη Df της τροφοδοσίας

(κλίνκερ και d80 του προϊόντος ( τσιµέντο) ή από το λόγο κατάτµησης R.

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ

Με την τεχνολογική εξέλιξη που έχει συντελεστεί την τελευταία τριακονταπενταετία (1965-

2000), µε τη µετατροπή της µεθόδου παραγωγής τσιµέντου από υγρή (wet) σε ξηρή (dry) ή

ηµιυγρή (semi-dry), έγινε δυνατή η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας από 6000 MJ/tonne

κλίνκερ στα όρια από 3000-3800 MJ/tonne κλίνκερ.

Η ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται επίσης στην παραγωγή τσιµέντου [28] κυµαίνεται από

100-110 kWh/tonne τσιµέντου. Σύµφωνα µε το Σχήµα 1, το 63.7% της ηλεκτρικής ενέργειας,

που καταναλώνεται στην παραγωγή τσιµέντου, αφορά στις διεργασίες θραύσης, λειοτρίβησης

και ξήρανσης των πρώτων υλών και επίσης στην άλεση του κλίνκερ και της γύψου.

24,6

3,2

26,1

30

4,4

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Ποσοστιαία

% κατανάλωση

Η.Ε

.

στις

διεργασίες παραγωγής τσιµέντου

Μεταφορά, ενσάκκιση,φόρτωση κ.α., 5.1%

Παραγωγή κλίνκερ, ψύξηκλίνκερ, 24.6%

Ανάµειξη, οµογενοποίησηΠ.Υ., 1.6%

Αποκάλυψη & εξόρυξηπρώτων υλών, 5%

Λειοτρίβηση άνθρακα, 4.4%

Άλεση κλίνκερ-παραγωγήτσιµέντου, 30%

Λειοτρίβηση Π.Υ., ξήρανση,26.1%

Θραύση-προοµογενοποίησηΠ.Υ., 3.2%

Σχήµα 1. Ποσοστιαία % κατανοµή της καταναλισκόµενης Η.Ε. στις διάφορες διεργασίες παραγωγής τσιµέντου. ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ (ΜΟΝΤΕΛΑ) ΣΥΜΒΑΤΙΚΗΣ ΛΕΙΟΤΡΙΒΗΣΗΣ ΚΛΙΝΚΕΡ

Για τους υπολογισµούς κατανάλωσης ενέργειας και κόστους παραγωγής είναι απαραίτητη

[28], [29] η γνώση, µε σχετική ακρίβεια, της ειδικής κατανάλωσης kWh/tonne κλίνκερ ως

∆ιεργασίες θραύσης, λ

ειοτρ

ίβησης

Π.Υ

. και άλεσ

ης κ

λίνκερ

63.

7%

192

συνάρτηση της λεπτότητας του τσιµέντου (Blaine fineness) και του δείκτη έργου (work

index) ή Bond (wi) του κλίνκερ. Σε προηγούµενες εργασίες [28], [30] αναπτύχθηκαν

εµπειρικές εξισώσεις υπολογισµού της καταναλισκόµενης Η.Ε. στην άλεση του κλίνκερ

τσιµέντου µε συµβατικές µεθόδους λειοτρίβησης (σε σφαιρόµυλους).

Με εφαρµογή πολλαπλής παλινδρόµησης ελαχίστων τετραγώνων σε πειραµατικά

δεδοµένα εταιρειών κατασκευής µύλων και διατάξεων άλεσης κλίνκερ [28], διαµορφώθηκε η

εξίσωση:

( )4714.0035.01074.1 4

10 +×+×× −

= iBl wFE (1)

όπου: Ε η ενέργεια άλεσης του κλίνκερ σε kWh/tonne, FBl η λεπτότητα του τσιµέντου

(Blaine) σε cm2/g και wi ο δείκτης έργου (work index) σε kwh/short ton. Στους συντελεστές

της Εξ. (1) έχει ενσωµατωθεί ο συντελεστής µετατροπής 1 short ton (s.t.) = 0.907 tonne.

Επίσης παλαιότερα, χρησιµοποιώντας παρεµφερή δεδοµένα όπως προηγουµένως, είχε

αναπτυχθεί ένα εµπειρικό µοντέλο, που δίνει την ειδική ενέργεια λειοτρίβησης Ε ως

συνάρτηση του δείκτη έργου Bond (wi), του λόγου ελάττωσης µεγέθους (λόγος κατάτµησης)

R και του µεγέθους d80 του προϊόντος λειοτρίβησης:

769.080

193.07.23 −×××= dRwE i (2)

όπου: E, όπως είχε οριστεί προηγουµένως στην Εξ. (1), R = Df /d80 είναι ο λόγος

κατάτµησης ή λόγος ελάττωσης µεγέθους του κλίνκερ, Df είναι το χαρακτηριστικό µέγεθος

της τροφοδοσίας (κλίνκερ) που αναφέρεται σε 80% διερχόµενο και d80 είναι το

χαρακτηριστικό µέγεθος του προϊόντος (τσιµέντο), που αναφέρεται επίσης σε 80%

διερχόµενο.

Αντικαθιστώντας το R = Df /d80 στην εξίσωση (2), προκύπτει:

962.0

80193.07.23 −×××= dDwE fi (3)

‘Οµως, οι συµβατικοί µύλοι λειοτρίβησης, που χρησιµοποιούνται στη λειοτρίβηση (άλεση)

του κλίνκερ για παραγωγή τσιµέντου, είναι χωρισµένοι [31] µε διάτρητο διάφραγµα σε δύο (-

2-) διαδοχικά διαµερίσµατα (Σχήµα 2). Λόγω του γεγονότος αυτού, µπορεί να θεωρηθεί,

χωρίς σηµαντικό σφάλµα, ότι η διεργασία άλεσης του κλίνκερ λαµβάνει χώραν σε δύο

διαδοχικά στάδια. Η πρώτη ελάττωση µεγέθους γίνεται στο 1ο διαµέρισµα και η δεύτερη, µε

193

τροφοδοσία το προϊόν της πρώτης άλεσης, λαµβάνει χώραν στο 2ο διαµέρισµα. Ο λόγος

κατάτµησης της πρώτης διαδικασίας θραύσης είναι R1 και της δεύτερης διαδικασίας θραύσης

είναι R2, ο δε συνολικός λόγος κατάτµησης δίνεται από το γινόµενο των δύο επιµέρους

λόγων, και είναι: R = R1 x R2.

Οπότε, η Εξ. (3) πρέπει να εφαρµοστεί ως: E = E1 + E2.

όπου, E1 είναι η καταναλισκόµενη ενέργεια άλεσης του πρώτου σταδίου και

E2 είναι η καταναλισκόµενη ενέργεια του δεύτερου σταδίου άλεσης.

Η E1 θα δίνεται από: 962.0193.07.231

−×××=in

df

Di

wE (4)

και η Ε2 από:962.0

80193.07.2387.02

−××××= din

di

wE (5)

Σχήµα 2. Συµβατικοί µύλοι άλεσης (σφαιρόµυλοι) κλίνκερ.

Ο παράγοντας 0.87 στην Εξ. (5)., αφορά σε µείωση κατά 13% περίπου της απαιτούµενης

ενέργειας άλεσης, λόγω «κοινού» µηχανισµού περιστροφής 1ου και 2ου διαµερίσµατος και

επίσης στο ότι οι απώλειες λόγω τριβών έχουν ήδη υπολογιστεί στην Εξ. (4). ∆ηλαδή:

962.080

193.0962.0193.0 7.2387.07.23 −− ××××+×××= ddwdDwE iniinfi (6)

Από το συνδυασµό των εξισώσεων (1), (6) για wi = 14.5 kWh/short ton, Df = 16000 µm και

επίλυση ως προς d80, προκύπτει ο Πίνακας 1, στον οποίο συγκρίνονται οι τιµές που

προκύπτουν από το Σχήµα 3 µε αυτές που προσδιορίζονται από τη µαθηµατική επεξεργασία.

∆ιάφραγµα

1ο διαµέρισµα, R1

2ο διαµέρισµα, R2

Αποκένωση

Τροφή

194

Σχήµα 3. Κοκκοµετρικές αναλύσεις τσιµέντων διαφορετικής λεπτότητας (Blaine) [4].

Πίνακας 1. Σύγκριση υπολογιζόµενων µε τιµές d80 που προκύπτουν από το Σχήµα 3.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Από την παραπάνω επεξεργασία διαπιστώνεται ότι, η προτεινόµενη µεθοδολογία υπολογίζει

µε µεγάλη ακρίβεια την ενέργεια άλεσης σε kWh/t συναρτήσει του δείκτη έργου του κλίνκερ

και της λεπτότητας του τσιµέντου που παράγεται, προβλέπει ικανοποιητικά το

χαρακτηριστικό µέγεθος d80 του παραγόµενου τσιµέντου και συνεισφέρει ουσιαστικά στη

διαδικασία µοντελοποίησης των διεργασιών λειοτρίβησης και άλεσης σε συµβατικούς µύλους

άλεσης.

∆εδοµένα από Σχήµα 3 Σταθερός λόγος κατάτµησης = R0.5=√R

(Υπόθεση) (Yπόθεση), Αυθαίρετη τιµή αρχικού

λόγου κατάτµησης R1

Λεπτότητα Blaine FBl,

cm2/g

d80, µm (από

παρατήρηση)

Συνολικός λόγος R,

υπολογισµένος

Αρχικός R1 = R0.5

d80, µm υπολογισµέ-

νο

Συνολικός λόγος R,

υπολογισµέ-νος

d80, µm υπολογισµέ-

νο

Συνολικός λόγος R,

υπολογισµέ-νος

2500 55 290.9 17.06 57.15 280 57.70 277.30 3000 41 390.24 19.75 44.70 357.94 45.84 349.04 4000 30 533.33 23.06 27.76 576.37 29.28 546.45 5000 23 695.7 26.38 17.41 919.01

Αρχικός R1 = 15

18.91 846.11

Μέγεθος τεµαχίων x, µm

Αθροιστικό διερχόµενο

, %

195

∆. ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ∆ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Α∆ΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Κωνσταντίνος Γ. Τσακαλάκης Καθηγητής Ε.Μ.Π .- Σχολή Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργών

ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η διαδικασία παραγωγής αδρανών υλικών περιλαµβάνει συνδυασµό µεθόδων

ελάττωσης µεγέθους (πρωτογενή, δευτερογενή και τριτογενή θραύση) και ταξινόµηση κατά

µέγεθος (κοσκίνιση) σε κατάλληλα κοκκοµετρικά κλάσµατα (οµάδες διαφορετικού µεγέθους

τεµαχίων).

Η διαδικασία παραγωγής αδρανών υλικών χαρακτηρίζεται ως σχετικώς απλή, εµπεριέχει

όµως παραµέτρους, που αξίζει να διερευνώνται κατά περίπτωση ώστε να καθίσταται πλέον

αποδοτική και ως εκ τούτου και οικονοµική. Σηµαντική είναι επίσης η περιβαλλοντική

διάσταση των διεργασιών παραγωγής αδρανών υλικών, όσον αφορά στο ποσοστό απόληψης

χρήσιµων κλασµάτων υλικού από τη συγκεκριµένη διαδικασία.

Επειδή τα µηχανήµατα ελάττωσης µεγέθους (θραυστήρες) έχουν την ουσιαστικότερη

επίπτωση στις διεργασίες παραγωγής αδρανών υλικών, στην παρούσα εργασία γίνεται

προσπάθεια διερεύνησης της επίδρασης διαφόρων τύπων θραυστήρων στην ποσοστιαία (%

κατά βάρος) κατανοµή των παραγόµενων προϊόντων µε στόχο τη µείωση του ποσοστού του

λεπτόκκοκου υλικού (-5 mm).

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Κατά τη διαδικασία παραγωγής αδρανών υλικών (εξόρυξη, θραύση-κοσκίνιση), µαζί µε

τα εµπορεύσιµα κοκκοµετρικά κλάσµατα, συµπαράγεται και ένα λεπτόκοκκο κλάσµα (-5

mm), το οποίο δηµιουργεί σηµαντικά προβλήµατα διαχείρισης (εµπορευσιµότητα, απόθεση

κλπ.). Λεπτόκοκκα αδρανή προκύπτουν κυρίως από την προδιαλογή του εξορυσσόµενου

υλικού και από τις διαδικασίες θραύσης και ταξινόµησης (ξηρή κοσκίνιση) του «καθαρού»

υλικού. Τα υλικό αυτό επιβαρύνει τη διαδικασία παραγωγής τόσο από οικονοµική όσο και

από περιβαλλοντική σκοπιά.

Στον Πίνακα 1 δίνονται τα κατάλληλα µηχανήµατα (θραυστήρες) για την παραγωγή αδρανών

υλικών και τα όρια εφαρµογής τους κατά στάδιο θραύσης. Επίσης, στην Εικόνα 1 φαίνεται η

ποσοστιαία % διαµόρφωση του κόστους παραγωγής αδρανών υλικών.

196

Πίνακας 1. Μηχανήµατα θραύσης κατά στάδιο θραύσης και µέγεθος τεµαχίων τροφοδοσίας και προϊόντος. Πηγή: www.goodquarry.com (2007) & Σταµπολτζής (1994)

Εικόνα 1. ∆ιαµόρφωση του κατά προσέγγιση κόστους παραγωγής αδρανών υλικών (Metso Minerals, 2007)

ΣΤΑ∆ΙΑ ΘΡΑΥΣΗΣ

Μηχάνηµα θραύσης Μέγιστο µέγεθος

τεµαχίου τροφοδοσίας, mm

Μέγιστο µέγεθος τεµαχίου προϊόντος,

mm

Πρωτογενής, Primary

Jaw crusher (Σιαγονωτός) Gyratory crusher (Γυροσκοπικός)

700-1000 100-300

∆ευτερογενής, Secondary

Cone crusher (Κωνικός) HSI crusher (οριζόντιος κρουστικός) Jaw crusher (σπανίως)

100-250 20-100

Τριτογενής, Tertiary

Cone crusher (Κωνικός) VSI crusher (κατακόρυφος κρουστικός τύπου Barmac)

14-100 10-50

Τεταρτογενής κ.ο.κ., Quaternary

VSI crusher (κατακόρυφος κρουστικός τύπου Barmac) Cone crusher (Κωνικός)

10-40 10-20

13,0%

9,0%

10,0%

2,0%

11,0%13,0%

0,2%

14,0%

27,8%

Κεφάλαιο (Εξοπλισµός κλπ.), 13%

Ενέργεια, 9%

Ανταλλακτικά-Συντήρηση, (3+7) %

Μισθοδοσία, 2%

∆ιάτρηση, 11%

Ανατίναξη, 13%

Θραύση µε υδραυλικό σφυρί(δευτερογενής), 0.2%Φόρτωση, 14%

Μεταφορά, 27.8%

197

2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ Α∆ΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Όπως φαίνεται (Πίνακας 2), το ποσοστό του λεπτόκοκκου (-5 mm) υλικού αυξάνει από την

πρωτογενή στη δευτερογενή και στα επόµενα στάδια θραύσης και εξαρτάται σηµαντικά από

το στάδιο θραύσης, τον τύπο µηχανήµατος και τον τύπο του πετρώµατος.

Επίσης, το ποσοστό του υλικού αυτού στο προϊόν της πρωτογενούς θραύσης εξαρτάται

σηµαντικά από τη διαδικασία ανατίναξης (blasting). Η εξόρυξη ενός πετρώµατος χωρίς τη

χρήση εκρηκτικών µπορεί να µειώσει σηµαντικά (µέχρι 10-15%) το ποσοστό των

λεπτοµερών που παράγονται στο στάδιο της πρωτογενούς θραύσης.

Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η παραγωγή αδρανών υλικών από τη διαδικασία

ελάττωσης µεγέθους ασβεστολιθικού υλικού, µέγιστου µεγέθους τεµαχίων 700 mm, για την

παραγωγή κατάλληλων κοκκοµετρικών κλασµάτων αδρανών υλικών σκυροδέµατος µε

εφαρµογή των παρακάτω δύο διαφορετικών µεθοδολογιών:

1. Με συνδυασµό θραυστήρα σιαγόνων ως πρωτογενή θραυστήρα και µε

χρησιµοποίηση κωνικού θραυστήρα για τη δευτερογενή θραύση

2. Με συνδυασµό θραυστήρα σιαγόνων ως πρωτογενή θραυστήρα και µε

χρησιµοποίηση κρουστικού-περιστροφικού θραυστήρα για τη δευτερογενή θραύση

3. Η δυναµικότητα της εγκατάστασης παραγωγής αδρανών υλικών είναι 440 t/h. Αυτό

σηµαίνει ότι, για λειτουργία της µονάδας σε δύο βάρδιες το 24ωρο (14 ώρες), η

συνολική ετήσια παραγωγή (300 ηµέρες λειτουργίας) είναι:

1.848.000 t/χρόνο

Ενδεικτικές κοκκοµετρικές αναλύσεις προϊόντων θραύσης που χρησιµοποιούνται για τη

διαµόρφωση των ισοζυγίων των διακινούµενων υλικών και το σχεδιασµό των αντίστοιχων

διαγραµµάτων ροής δίνονται στην Εικόνα 2. Στην ίδια εικόνα δίνονται οι πολυωνυµικές

εξισώσεις που περιγράφουν τις κοκκοµετρικές αναλύσεις. Στα σχήµατα (Εικόνες 3 και 4)

δίνονται οι κοκκοµετρικές αναλύσεις των προϊόντων, για τους δύο τύπους θραυστήρων

(κωνικός, κρουστικός) που διερευνώνται, συναρτήσει των κλειστών ανοιγµάτων αποκένωσής

τους (close side setting, c.s.s.). Τα σχήµατα αυτά κατασκευάστηκαν από δεδοµένα της

εταιρείας Metso Minerals (2007).

198

Πίνακας 2. Ποσοστό λεπτοµερούς υλικού (-5 mm) στο προϊόν του θραυστήρα (% κατά βάρος) συναρτήσει του σταδίου θραύσης (τύπος µηχανήµατος) και του τύπου του πετρώµατος

(Πηγή: www.goodquarry.com, 2007)

y = 0,0002x3 - 0,0377x2 + 3,067x + 9,4486

R2 = 0,9997 (3)

y = 2E-06x3 - 0,0006x2 + 0,4319x + 0,4908

R2 = 0,9977 (1)

y = -0,0003x3 + 0,0316x2 + 0,3502x + 3,1645

R2 = 0,9969 (2)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000

Μέγεθος τεµαχίων, mm

% Αθροιστικό

διερχόµενο

3

2

1

Εικόνα 2. Ενδεικτικές κοκκοµετρικές αναλύσεις προϊόντων θραύσης (1-Θρ. Σιαγόνων, 2-Θρ. Κωνικός, 3-Θρ. Κρουστικός)

ΣΤΑ∆ΙΑ ΘΡΑΥΣΗΣ

Τύπος πετρώµατος Ποσοστό λεπτοµερών (-5 mm) στο

προϊόν του θραυστήρα (% κατά βάρος)

Πρωτογενής, Primary

1. Εκρηξιγενή + Μεταµορφωµένα (Igneous + metamorphic)

2. Ασβεστολιθικό (Limestone)

3. Χαλαζιτικό (Sandstone)

1. 3 - 6% (Σιαγονωτός) έως 10 - 15% (Γυροσκοπικός)

2. 6 - 7% (Σιαγονωτός) έως 20% (Κρουστικός)

3. 1 - 2% (Σιαγονωτός) έως 15 - 20% (Σιαγονωτός & Γυροσκοπικός)

∆ευτερογενής, Secondary

1. Εκρηξιγενή + Μεταµορφωµένα (Igneous + metamorphic)

2. Ασβεστολιθικό (Limestone)

3. Χαλαζιτικό (Sandstone)

1. 0 - 23% (Κωνικός) 2. 15 - 25% (Κωνικός) έως <30%

(Κρουστικός) 3. 10 - 15% (Κωνικός)

Τριτογενής κ.ο.κ., Tertiary

1. Εκρηξιγενή + Μεταµορφωµένα (Igneous + metamorphic)

2. Ασβεστολιθικό (Limestone)

3. Χαλαζιτικό (Sandstone)

1. 5 - 30% (Κωνικός) έως 40% (Κρουστικός)

2. <20% (Κρουστικός) έως 40% (Σφυρόµυλος)

3. ~15% (Κωνικός) έως 40% (Κρουστικός)

199

0

2

10

24

38

50

30

38

51

46

35

27

36

30

21

15

14

12

16

13,5

8

7

6

5

18

16,5

10

8

7

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ρύθµισ

η ανοίγµατο

ς αποκέν

ωσης

του

θραυστή

ρα

, mm

% Ποσοστό κοκ. κλάσµατος στο προϊόν του κωνικού θραυστήρα

+38 mm -38+20 mm -20+10 mm -10+5 mm -5 mm

51 mm

45 mm

38 mm

32 mm

25 mm

22 mm

Εικόνα 3. Κοκκοµετρικές αναλύσεις προϊόντος κωνικού θραυστήρα συναρτήσει του κλειστού

ανοίγµατος αποκένωσης.

12

20

30

40

48

60

71

24

23,5

23,5

21

18

15

11

21

19,5

17,5

15,2

14

10

8,2

14

13

11

9,8

8

6

4,8

29

24

18

14

12

9

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ρύθµιση

ανοίγµατος αποκένωσης

θραυστήρα

% Ποσοστό κοκ. κλάσµατος στο προϊόν του κρουστικού θραυστήρα

+ 38 mm -38+20 mm -20+10 mm -10+5 mm -5 mm

200 mm

150 mm

100 mm

80 mm

60 mm

50 mm

40 mm

Εικόνα 4. Κοκκοµετρικές αναλύσεις προϊόντος κρουστικού θραυστήρα συναρτήσει του κλειστού

ανοίγµατος αποκένωσης.

Από την όλη επεξεργασία των δεδοµένων διαµορφώνονται τα αντίστοιχα διαγράµµατα

ροής παραγωγής αδρανών υλικών για τους δύο τύπους θραυστήρων µε τα αντίστοιχα

200

ανοίγµατα αποκένωσης, οι παροχές (t/h) διακίνησης υλικών σε κάθε φάση, όπως επίσης και

τα παραγόµενα προϊόντα (Στις Εικόνες 5, 6, 7, 8 και 9).

Η ποσοστιαία κατανοµή των προϊόντων προέκυψε µε χρήση των ενδεικτικών

κοκκοµετρικών καµπυλών, εφαρµόζοντας τις βασικές αρχές και εξισώσεις που διέπουν τη

λειτουργία των κλειστών κυκλωµάτων θραύσης-κοσκίνισης (Τσακαλάκης, 1993;

Τσακαλάκης, 1996; Tsakalakis, 2000; Τσακαλάκης, 2001). Οι δευτερογενείς θραυστήρες

(κωνικοί και κρουστικοί-περιστροφικοί) λειτουργούν σε κλειστό κύκλωµα µε κόσκινο

ανοίγµατος 38 mm για κάθε περίπτωση, τα δε 4 κοκκοµετρικά κλάσµατα (προϊόντα)

προκύπτουν από την ταξινόµηση του διερχόµενου από το κόσκινο των 38 mm υλικού σε

κόσκινα 20, 10 και 5 mm.

Εικόνα 5. ∆ιάγραµµα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασµός θραυστήρα σιαγόνων-κωνικού

ανοίγµατος αποκένωσης 22 mm).

201

Εικόνα 6. ∆ιάγραµµα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασµός θραυστήρα σιαγόνων-κωνικού

ανοίγµατος αποκένωσης 25 mm).

202

Εικόνα 7. ∆ιάγραµµα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασµός θραυστήρα σιαγόνων-κωνικού

ανοίγµατος αποκένωσης 38 mm).

203

Εικόνα 8. ∆ιάγραµµα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασµός θραυστήρων σιαγόνων και

κρουστικού ανοίγµατος αποκένωσης 50 mm).

204

Εικόνα 9. ∆ιάγραµµα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασµός θραυστήρων σιαγόνων και

κρουστικού ανοίγµατος αποκένωσης 60 mm).

3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Τα αποτελέσµατα που προέκυψαν δίνονται συγκεντρωτικά στον Πίνακα 3.

Πίνακας 3. Αποτελέσµατα κοκκοµετρικών αναλύσεων προϊόντων κατάτµησης-ταξινόµησης

∆ΥΝΑΜΙΚΟΤΗΤΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ

440 t/h

ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΘΡΑΥΣΤΗΡΑΣ ΣΙΑΓΟΝΩΤΟΣ (Άνοιγµα αποκένωσης 175 mm)

Α. ∆ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΘΡΑΥΣΤΗΡΑΣ (Κωνικός)

c.s.s.: 22, 25 και 38 mm

Β. ∆ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΘΡΑΥΣΤΗΡΑΣ (Κρουστικός)

c.s.s.: 50 και 60 mm

Παραγόµενα κοκκοµετρικά κλάσµατα, Ποσοστό % κατά βάρος

Άνοιγµα 22 mm

Άνοιγµα 25 mm

Άνοιγµα 38 mm

Άνοιγµα 50 mm

Άνοιγµα 60 mm

-38+20 mm 31.5 40.1 56 30.9 35 -20+10 mm 36 30.6 23.5 24.9 25.4 -10+5 mm 15.7 13.6 10.5 16.2 15.6 -5 mm 16.8 15.7 10 28.0 24.0 ΣΥΝΟΛΟ 100 100 100 100 100

c.s.s. (close side setting): κλειστό άνοιγµα αποκένωσης θραυστήρα

205

∆ιαπιστώνεται ότι, µε χρήση κωνικών θραυστήρων στη θέση των κρουστικών-

περιστροφικών, το ποσοστό του επί τοις % παραγόµενου λεπτόκοκκου υλικού (-5 mm) είναι

σε κάθε περίπτωση µικρότερο κατά τουλάχιστον 8% περίπου από αυτό που παράγεται µε

χρήση κρουστικών θραυστήρων. Αυτό δικαιολογείται από το σηµαντικά µικρότερο λόγο

κατάτµησης των κωνικών έναντι των κρουστικών θραυστήρων. Το αποτέλεσµα αυτό έχει

σηµαντική επίπτωση στην οικονοµικότητα της διεργασίας παραγωγής, εφόσον η µείωση αυτή

αντιστοιχεί σε αύξηση των χρήσιµων προϊόντων κατά σε περίπου 140.000 t/χρόνο. Η αύξηση

των εσόδων από την πώληση των εµπορεύσιµων προϊόντων (για τιµή πώλησης αδρανών ≈ 4

€/ t) αναµένεται να είναι:

140.000 t / χρόνο ×××× 4 € / t = 560.000 € / χρόνο

Το αυξηµένο κόστος αγοράς του κωνικού έναντι του κρουστικού θραυστήρα αναµένεται

να αποσβεστεί σε δύο έως τρία χρόνια λειτουργίας της εγκατάστασης θραύσης.

Αν όµως ληφθεί υπόψη το σηµαντικό περιβαλλοντικό όφελος από την παραγωγή

συµπληρωµατικού χρήσιµου υλικού, από τη µείωση της εξορυσσόµενης ποσότητας

ασβεστολιθικού υλικού και από τη µειωµένη επιφάνεια απόθεσης του λεπτόκοκκου υλικού,

γίνεται ακόµη περισσότερο φανερό το όφελος από τη χρήση κωνικών έναντι των κρουστικών

θραυστήρων στη διαδικασία παραγωγής αδρανών υλικών. Αυτό επιβεβαιώνει τις

διαπιστώσεις των Mitchell & Benn (2007), οι οποίοι χρησιµοποιώντας κατάλληλο λογισµικό

ασχολήθηκαν µε τη βελτιστοποίηση των κυκλωµάτων παραγωγής αδρανών υλικών.

4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Metso Minerals, “Crushing and Screening Handbook”, Brochure No. 2051-04-07-CBL/ Tampere (2007) Mitchell, C., Benn, A., «Quarry Fines Minimisation: Process Optimisation Case Study 4» British Geological Survey & Metso Minerals (UK) Ltd (2007), www.goodquarry.com Σταµπολτζής, Γ.Α., «Μηχανική Προπαρασκευή Μεταλλευµάτων Βιοµηχανικών Ορυκτών και Πετρωµάτων (Υδροαυτοκαθαρισµός-Κατάτµηση-Ταξινόµηση)», Αθήνα (1994) Τσακαλάκης, Κ.Γ., "Κατανοµές µεγέθους τεµαχίων προιόντος θραύσης Γυροσκοπικού θραυστήρa βιοµηχανικού µεγέθους", Μεταλλειολογικά - Μεταλλουργικά Χρονικά, Τεύχος 75, Μάϊος-Αύγουστος 1990, 41-48 Τσακαλάκης, Κ.Γ., "Κλειστά κυκλώµατα θραύσης - κοσκίνισης", Μεταλλειολογικά - Μεταλλουργικά Χρονικά, Τόµος 3, Τεύχος 4 (1993), 37-45

206

Tσακαλάκης, Κ.Γ., "Αξιολόγηση και υπολογισµός κλειστών κυκλωµάτων θραύσης µε νοµογραφήµατα", Μεταλλειολογικά - Μεταλλουργικά Χρονικά, Τόµος 6, τεύχος 1 (1996), 25-36 Tsakalakis, K., “Use of a simplified method to calculate closed crushing circuits”, Minerals Engineering, Vol. 13, No 12 (2000), pp.1289-1299, Pergamon Τσακαλάκης, Κ.Γ., "Μελέτη των παραµέτρων σχεδιασµού έµµεσων κλειστών κυκλωµάτων θραύσης", δηµοσιεύτηκε στον Τιµητικό Τόµο για τον Καθ. Ι. Παπαγεωργάκη, Αθήνα (2001), 263-272 Τσακαλάκης, Κ.Γ., Κανάκης Α., «∆ιερεύνηση κατανοµών µεγέθους τεµαχίων επαναλαµβανόµενης απλής θραύσης ψαθυρών υλικών», δηµοσιεύτηκε στον τιµητικό Τόµο για τον Οµότιµο Καθηγητή Α.Ζ. Φραγκίσκο, Αθήνα (2005), 105-112 Tsakalakis, K.G., «Modelling the Crushing-Sizing Procedure of Industrial Gyratory Crushers», in 11th European Symposium on Comminution, October 9-12, 2006, Budapest, Hungary (2006).

207

ΓΕΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Τσίµας. Σ. & Τσιβιλής Σ., 2000, Επιστήµη και Τεχνολογία Τσιµέντου, Τµήµα

Χηµικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα.

2. Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 1998, 4th Edition, Edited by P.C. Hewlett,

Arnold, London.

3. Schofield G. C., 1980, Homogenisation/Blending Systems Design and Control for

Mineral Processing, Series on Bulk Materials Handling Vol. 2, Trans Tech

Publications.

4. Peray E. K., (1986), The Rotary Cement Kiln, Chemical Publishing Co.,Inc., N.Y.

5. SME, 1985, Mineral Processing Handbook, Edited by N.L. Weiss, S.W. MUDD

SERIES, New York.

6. Portland Cement Association-PCA (2000), The Cement Industry, January.

7. ENV (1993), Cement and Concrete: Environmental Considerations, vol. 2, no. 2,

March/April.

8. Ζευγώλης, Μ. Ν., Γαϊτάνος, Γ. Φ., και Κοντός, Γ. Λ. (1999), «Η ∆ιαχείριση των

Μεταλλουργικών Σκωριών στη Γ.Μ. & Μ. Α.Ε. ΛΑΡΚΟ», Πυρφόρος, Νο. 2.

9. Ισαακίδης, Α. (1997), «Υπάρχουσα κατάσταση σε σχέση µε τα επικίνδυνα απόβλητα

στην Ελλάδα». ∆ηµοσίευση στην ηµερίδα «Η διαχείριση των επικίνδυνων

απόβλητων», Τεχνικά Χρονικά, ΤΕΕ, Αθήνα.

10. Νισκόπουλος, Κ. (1997), «Τσιµεντοβιοµηχανία: µια αξιόπιστη λύση διαχείρισης

αποβλήτων», ∆ηµοσίευση στην ηµερίδα «Η διαχείριση των επικίνδυνων απόβλητων»,

Τεχνικά Χρονικά, ΤΕΕ, Αθήνα.

11. ΙΟΒΕ (1997), Executive Summary of the Greek Cement Industry, June.

12. Όµιλος ΑΕ Τσιµέντων «ΤΙΤΑΝ», Ενοποιηµένη Συνοπτική Λογιστική Κατάσταση της

30.6.2000, Αθήνα.

13. CEMBUREAU, The European Cement Association, “Best available techniques for the

cement industry”, Brussels, December 1999.

14. UNIDO & Sustainable Industrial Development (1998), “Energy conservation in the

cement industry”.

15. Weiss, N. L., 1985 (Editor), Mineral Processing Handbook, Society of Mining

Engineers, NY, U.S.A.

16. Neville, A. M. (1981), Properties of Cement and Concrete, 3rd Edition, Pitman.

208

17. Cadence Environmental Energy Inc. (2000), “Using Whole Scrap Tires as Fuel in a

Cement Kiln”.

18. Hewlett, P. C., 1998 (Editor), Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 4th edition,

Arnold.

19. IEA GREENHOUSE R&D PROGRAMME (2000), “Emission Reduction of

Greenhouse Gases from the Cement Industry”.

20. Μουτσάτσου, Α. και Τσίµας, Σ. (1999), Η ιπτάµενη τέφρα ως µέσο προστασίας του

περιβάλλοντος, Πυρφόρος, Νο. 2.

21. Kosmatka, S. H. and Panarese, W. C. (1994), Design and Control of Concrete

Mixtures, 13th Edition, PCA, Illinois.

22. European Commission, Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC), Reference

Document on Best Available Techniques in the Cement and Lime Manufacturing

Industries, December 2001.

23. COMPETITIVENESS OF THE EUROPEAN CEMENT INDUSTRY, The European

Cement Association, CEMBUREAU, www.cembureau.be.

24. Τσακαλάκης, Κ.Γ., 2000, Η οικονοµική σηµασία της ελληνικής βιοµηχανίας

τσιµέντου και σκυροδέµατος και η ενεργειακή και περιβαλλοντική διάσταση των

διεργασιών παραγωγής τους, Μεταλλειολογικά – Μεταλλουργικά Χρονικά (ΜΜΧ)

2/2000, σελ. 79-92.

25. Tsakalakis, K.G., 2003, The Greek cement industry sector and its potential towards

sustainable development, Sustainable Development Indicators in the Mineral Industry

(SDIMI 2003), Milos 2003, 21-23 May, Greece.

26. Stoiber W., 2002, Comminution Technology and Energy Management, LAFARGE

Cement Division in Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) Kongress, September

2002.

27. ENERGY AND TRANSPORT IN FIGURES 2004, European Commission

Directorate-General for Energy and Transport in Cooperation with Eurostat, European

Union, November 2004.

28. Tsakalakis K.G. and Stamboltzis G.A., 2004, Modelling the specific grinding energy

and ball-mill scale up, 11th IFAC Symposium on Automation in Mining, Mineral and

Metal Processing, Nancy.

209

29. Schnatz, R., 2004, Optimization of continuous ball mills used for finish-grinding of

cement by varying the L/D ratio, ball charge filling ratio, ball size and residence time,

Int. J. Miner. Process. 74S, pp. S55-S63.

30. Fuller Traylor Grinding Mill Systems, GATX-FULLER, Bulletin M-2 5M 6/76,

PENNSYLVANIA, U.S.A.

31. MARCY, Ball and Rod Mills, MINE AND SMELTER SUPPLY Co., CATALOG

101-B.

32. Popovics Sandor, 1992, CONCRETE MATERIALS, Properties, Specifications and

Testing, 2nd Edition, NOYES PUBLICATIONS, New Jersey.

33. Τσακαλάκης, Κ.Γ., Σχέση µεταξύ καταναλισκόµενης ενέργειας και ειδικής επιφάνειας

(Blaine) στην άλεση κλίνκερ σε σφαιρόµυλους, 5ο Πανελλήνιο Επιστηµονικό

Συνέδριο Χηµικής Μηχανικής, (2005), σελ. 445-448.

34. Tsakalakis, K.G. and Stamboltzis G.A., Modelling the specific grinding energy and

ball-mill scale up, 11th IFAC Symposium on Automation in Mining, Mineral and

Metal Processing, (2004), Nancy.

35. Tsakalakis, K.G., Conventional Clinker Grinding-A new Approach to the Prediction

of Power Consumption, Ultrafine Grinding 06 (UFG 06), (2006), June 12-13,

Minerals Engineering International (MEI), Falmouth-Cornwall, U.K.

36. Shilstone, Sr., J.M., 1990, Concrete Mixture Optimization, ACI Concrete International

12.6.:3339.

37. Forschungsinstitut der Zementindustrie, Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen;

AIF-Forschungsvorhaben 13198N, (2004),

http://www.vdz-online.de/downloads/aif13198n/13198n.pdf

38. Τσακαλάκης, Κ.Γ., 2007, Προσδιορισµός της καταναλισκόµενης ενέργειας σε

διεργασίες συµβατικής λειοτρίβησης και άλεσης κλίνκερ, 6ο Πανελλήνιο

Επιστηµονικό Συνέδριο Χηµικής Μηχανικής, Αθήνα.

39. Τσακαλάκης, Κ.Γ., 2008, Βελτιστοποίηση διεργασιών παραγωγής αδρανών υλικών,

1ο Συνέδριο ∆οµικών Υλικών και Στοιχείων, Τ.Ε.Ε., 21-23 Μαϊου, Αθήνα.