ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ-ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΥ ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΩΝΚαθηγητής: Τσακαλάκης Κώστας

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ

ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

Αθήνα, Μάϊος 2010

i

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑΠΡΟΛΟΓΟΣ 1ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ (2007) 2

Παρούσα κατάσταση 2

Οικονομική σημασία της τσιμεντοβιομηχανίας και της βιομηχανίας έτοιμου σκυροδέματος

5

1. Ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή τσιμέντου 52. Ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών (αδρανών) για την παραγωγή

σκυροδέματος6

3. Συνολική ποσότητα ασβεστολιθικών πρώτων υλών για την παραγωγή τσιμέντου και σκυροδέματος

7

4. Αξία παραγόμενων προϊόντων (τσιμέντο, σκυρόδεμα κλπ.) 71. Αξία εξαγόμενου τσιμέντου 72. Αξία παραγόμενου σκυροδέματος 73. Συνολικά έσοδα βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος 7

1. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΩΝ ΤΥΠΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

9

1.1. ΣΤΟΧΟΙ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ 91.2. ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΩΝ ΕΥΡΩΠΑΙΚΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ 10

2. ΤΣΙΜΕΝΤΟ 142.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 14

2.2. Η ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 15

Οι πρώτες ύλες 15

Προσδιορισμός της σύνθεσης του φορτίου, ανάμειξη (ομογενοποίηση) και ελάττωση μεγέθους (θραύση, λειοτρίβηση των πρώτων υλών)

16

2.3. ΟΙ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΕΣ ΚΑΜΙΝΟΙ 18

Οι τύποι των περιστροφικών καμίνων-Μέθοδοι παραγωγής 21

Παρατηρήσεις επί της διεργασίας έψησης 32

Η ψύξη του κλίνκερ 33

2.4. Η ΑΛΕΣΗ ΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ 36

Συσχέτιση της αλεστικότητας του κλίνκερ με τις φυσικομηχανικές ιδιότητές του

45

2.5. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΑΜΙΝΟ 48

ii

Ενεργειακές καταναλώσεις στην παραγωγή του κλίνκερ 48

Είδη καυσίμων της τσιμεντοβιομηχανίας 51

Εναλλακτικά καύσιμα (alternative fuels) 53

Ο μόνιμος άνθρακας 55

Η τέφρα της καύσης – Ενσωμάτωση στο κλίνκερ - Επίδραση στην αναλογία των πρώτων υλών παραγωγής κλίνκερ

57

2.6. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΝΑΓΚΑΙΑΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΑΕΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

58

Εξισώσεις προσδιορισμού ελάχιστης ποσότητας αέρα καύσης 59

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

60

Προσδιορισμός της περίσσειας ή της έλλειψης αέρα στην κάμινο 61

Διοξείδιο του άνθρακα (CO2) στα απαέρια της καμίνου 65

Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) στα απαέρια της καμίνου 67

2.7. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΛΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΙΝΟ 68

3. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ TOY ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 723.1. Τσιμέντο Portland (OPC), Type I 723.2. Ιδιότητες των ενώσεων του κλίνκερ τσιμέντου 74

Γενικές παρατηρήσεις 74

Tricalcium silicate (C3S, Alite) 76

Dicalcium Silicate (C2S, Belite) 76

Tricalcium Aluminate (C3A) 77

Tetracalcium Aluminoferrite (C4AF, Ferrite) 78

Αλκάλια (Na2O + K2O) 79

3.3. Διαμόρφωση εξισώσεων Bogue 821. Γενικά 822. Οι εξισώσεις του Bogue για τα συστατικά του κλίνκερ 82

4. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΟΥ ΜΕΙΓΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

87

Εισαγωγή 874.1. Τύποι τσιμέντων σύμφωνα με το Αμερικανικό πρότυπο ASTM 884.2. Πρώτες ύλες τσιμέντου 924.3. Μέθοδος του συστήματος των γραμμικών εξισώσεων για τον προσδιορισμό

της αναλογίας των πρώτων υλών στην παραγωγή τσιμέντου 97

4.3.1. Ο ρόλος του αλγορίθμου ανάμειξης στο σύστημα ομογενοποίησης πρώτων υλών παραγωγής τσιμέντου

97

iii

4.3.2. Ποιοτικοί περιορισμοί της τροφοδοσίας παραγωγής τσιμέντου 974.4. Άλλες μέθοδοι προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών 100

4.4.1. Η μέθοδος Powell χωρίς περιορισμούς 1014.4.2. Τροποποιημένη μέθοδος Powell με περιορισμούς 1014.4.3. Ελαχιστοποίηση της συνάρτησης σφάλματος 101

5. ΕΝΥΔΑΤΩΣΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ 1035.1. Οι αντιδράσεις ενυδάτωσης 1035.2. Τσιμέντα του Ευρωπαϊκού και Αμερικανικού προτύπου 1105.3 . Ιδιότητες των τσιμέντων 116

5.3.1. Κοκκομετρία ή λεπτότητα (Fineness) 1165.3.2. Υγεία (Soundness) 1185.3.3. Συνεκτικότητα ή Συνάφεια (Consistency) 1195.3.4. Setting time (Χρόνος πήξης) 1195.3.5. Αντοχή σε θλίψη (compressive strength) 1215.3.6. Θερμότητα ενυδάτωσης (Heat of Hydration) 122

6. ΑΔΡΑΝΗ 1246.1. Εισαγωγή 1246.2. Διατάξεις και διαγράμματα ροής παραγωγής αδρανών υλικών 1256.3. Ιδιότητες των αδρανών υλικών 130

1. Ανάλυση των ιδιοτήτων των αδρανών 1302. Ειδικό βάρος αδρανών (bulk specific gravity) 132

1. Ειδικό βάρος χονδρομερών αδρανών και προσδιορισμός του 1322. Ειδικό βάρος λεπτομερών αδρανών και προσδιορισμός του 1333. Περιεχόμενη υγρασία (Moisture content) των αδρανών 1344. Απορρόφηση και επιφανειακή υγρασία 135

6.4. Ταξινόμηση των φυσικών αδρανών 1406.5. Δειγματοληψία 1416.6. Σχήμα και υφή των τεμαχίων 1426.7. Πρότυπα για το σχήμα και την επιφανειακή υφή των τεμαχίων 1436.8. Έλεγχος καταλληλότητας αδρανών σύμφωνα με τα διάφορα πρότυπα 146

7. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΤΟΙΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ 1507.1. Μέθοδοι παραγωγής και διαγράμματα ροής μονάδων παραγωγής

σκυροδέματος150

7.2. Προσδιορισμός της σύνθεσης του σκυροδέματος - Εισαγωγή 154

Μέθοδοι προσδιορισμού της σύνθεσης του σκυροδέματος 154

7.3. Τα υλικά του σκυροδέματος 1577.3.1. Τα αδρανή στην παραγωγή σκυροδέματος 157

Χονδρομερή αδρανή (περιορισμοί επιλογής μεγέθους) 158

iv

Λεπτομερή αδρανή 159

Επίδραση των λεπτομερών αδρανών στη σύνθεση αδρανών σκυροδέματος

160

Μέθοδοι προσδιορισμού των κατάλληλων κοκκομετρικών συνθέσεων αδρανών

162

1. Διάγραμμα «δείκτη χονδρομερούς»/εργασιμότητας 1632. Εξίσωση δύναμης με εκθέτη 0.45 (0.45 Power Curve) 1653. Διάγραμμα παραμένοντος % (Percent Retained Chart) 166

Βέλτιστη σύνθεση αδρανών σκυροδέματος (Optimum Aggregate Blend) 170

1. Βέλτιστη κοκκομετρική σύνθεση αδρανών 1702. Προσδιορισμός της βέλτιστης σύνθεσης αδρανών σκυροδέματος 170

7.3.2. Χημικά πρόσθετα και υποκατάστατα τσιμέντου στην παρασκευή σκυροδέματος

175

7.3.2.1.Χημικά πρόσθετα 1757.3.2.2. Υποκατάστατα (ποζολάνες, βιομηχανικά παραπροϊόντα κλπ.) 179

8. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

181

8.1. Γενικά 1818.2. Τεχνικές απαιτήσεις για τον προσδιορισμό της σύνθεσης του σκυροδέματος 187

8.2.1. Η αντοχή του σκυροδέματος 1878.2.2. Οι συμπληρωματικές απαιτήσεις 187

8.3. Μεθοδολογία προσδιορισμού αναλογίας πρώτων υλών στο σκυρόδεμα 1888.3.1. Προσδιορισμός της % περιεκτικότητας σκυροδέματος σε λεπτομερή

αδρανή (fine aggregate content)189

8.4. Προσαρμογή των αποτελεσμάτων σε περίπτωση περιεχόμενης υγρασίας στα αδρανή

189

8.5. Αριθμητικό παράδειγμα προσδιορισμού σύνθεσης πρώτων υλών σκυροδέματος 1901. Χαρακτηριστικά του έργου (απαιτήσεις) 1902. Προσδιορισμός της αναλογίας πρώτων υλών σκυροδέματος (Μέθοδος

απόλυτων όγκων)191

9. ΓΡΗΓΟΡΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑ ΒΑΡΟΣ (%) ΣΥΣΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

193

10. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΚΑΙ ΤΟ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ 195

11. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΜΕ ΤΣΙΜΕΝΤΟ, ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ ΚΑΙ ΑΔΡΑΝΗ)

202

Α. ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟΥ ΑΕΡΑ 202

v

ΚΑΥΣΗΣ ΒΑΡΕΟΣ ΚΛΑΣΜΑΤΟΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ

Β. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΛΙΝΚΕΡ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ (ΣΥΝΔΕΕΤΑΙ ΜΕ ΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΩΝ)

206

Γ. Η ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΕΛΛΗΝΙΚΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΚΑΙ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΔΙΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥΣ

220

Δ. ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΙΔΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ (BLAINE) ΣΤΗΝ ΑΛΕΣΗ ΚΛΙΝΚΕΡ ΣΕ ΣΦΑΙΡΟΜΥΛΟΥΣ

236

Ε. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΥΜΒΑΤΙΚΗΣ ΛΕΙΟΤΡΙΒΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΛΕΣΗΣ ΚΛΙΝΚΕΡ

241

ΣΤ. ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 246

Ζ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΔΟΝΟΥΜΕΝΩΝ ΚΟΣΚΙΝΩΝ 257Ζ.1. ΘΕΩΡΙΑ 257Ζ.2. ΕΦΑΡΜΟΓΗ 264

Η. ΑΓΓΛΟΕΛΛΗΝΙΚΟ ΛΕΞΙΚΟ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΟΡΩΝ 271

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΒΙΒΛΙΑΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ

278278278

1

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Το βιβλίο αυτό είχε στόχο να καλύψει καταρχήν τις διδακτικές ανάγκες του μαθήματος

«Τεχνολογία παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος» του 8ου εξαμήνου της Σχολής

Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργών Ε.Μ.Π., μάθημα για το οποίο οι σπουδαστές της

Σχολής μέχρι τώρα δείχνουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον.

Όμως, με την πάροδο του χρόνου έγινε προσπάθεια απλουστευμένης, κατά το δυνατόν,

αλληλοσύνδεσης των διαφόρων μεταλλευτικών-μεταλλουργικών διεργασιών (εξόρυξη,

θραύση, λειοτρίβηση, άλεση, πυρομεταλλουργική κατεργασία των πρώτων υλών, χρήση

ορυκτών και άλλων καυσίμων στην παραγωγή θερμότητας μέσα στην κάμινο), ώστε να

γίνει κατανοητή η σημαντικότητά τους στην παραγωγή καλής ποιότητας κλίνκερ-

τσιμέντου. Έχει καταβληθεί επίσης προσπάθεια να διαφανεί η δυνατότητα της

σημαντικής συμβολής των αποφοίτων Μεταλλειολόγων-Μεταλλουργών στις παραπάνω

διεργασίες. Είναι προφανές ότι το βιβλίο αυτό απευθύνεται ως βασικό βοήθημα και στις

άλλες ειδικότητες τεχνικών, που δραστηριοποιούνται στη βιομηχανία τσιμέντου,

αδρανών υλικών και σκυροδέματος, χωρίς βέβαια από μόνο του να επαρκεί στην κάλυψη

όλων των αντικειμένων που πραγματεύεται.

Αν, μέσα από το βοήθημα, γίνει αντιληπτό ότι η τσιμεντοβιομηχανία και κατ’επέκταση

οι μονάδες παραγωγής αδρανών υλικών και σκυροδέματος αποτελούν ένα από τους

ζωτικούς χώρους δραστηριοποίησης και επαγγελματικής απασχόλησης των αποφοίτων

της Σχολής και αν επίσης συμβάλει στην καλύτερη επιμόρφωσή τους στα παραπάνω

αντικείμενα, τότε ένα σημαντικό μέρος του αρχικού στόχου θα έχει επιτευχθεί.

Όμως, εναπόκειται στους ίδιους να πείσουν για τις δυνατότητές τους και να δώσουν το

ιδιαίτερο στίγμα της εκπαίδευσής τους σ’αυτό τον εξαιρετικά δυναμικό κλάδο της

ελληνικής βιομηχανίας, ώστε, μέσα από τις σχετικές με τα αντικείμενα αυτά γνώσεις που

αποκτούν κατά τη διάρκεια των σπουδών τους, να συμβάλουν στην ενίσχυση της θέσης

του κλάδου μεταλλείας – μεταλλουργίας στον τεχνικό κόσμο της χώρας.

Στις διάφορες μέχρι τώρα ετήσιες αναθεωρήσεις, τόσο του περιεχομένου όσο και της

δομής του κειμένου, έχει γίνει προσπάθεια διόρθωσης λαθών ή παραλείψεων που

πάντοτε διαπιστώνονται. Όμως, επισημάνσεις αβλεψιών ή κάθε είδους υποδείξεις από

τους αναγνώστες με στόχο βελτίωση του περιεχομένου και του κειμένου, είναι πάντα

καλοδεχούμενες στο kostsakg@metal.ntua.gr.

Αθήνα, Μάϊος 2010

2

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, Δρέπανο

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.

3

Σχήμα 2. Ετήσια παραγωγική ικανότητα ελληνικής τσιμεντοβιομηχανίας.

Σχήμα 3. Eτήσια (2007) ελληνική παραγωγή τσιμέντου: 15.331.000 τόννους περίπου.

4

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% (5.8 εκατ. τόννοι περίπου) του διατιθέμενου

«χύμα» τσιμέντου στην ελληνική αγορά απορροφάται από τις εταιρείες παραγωγής

έτοιμου σκυροδέματος και κονιαμάτων, το 12-15% από τις κατασκευαστικές εταιρείες

και το 5-8% από τις μονάδες παραγωγής προϊόντων τσιμέντου.

5

Σχήμα 5. Εξέλιξη εξαγωγών ελληνικού τσιμέντου (1998-2007).

Οικονομική σημασία της τσιμεντοβιομηχανίας και της βιομηχανίας έτοιμου σκυροδέματος (Δεδομένα παραγωγής Ένωσης Τσιμεντοβιομηχανιών 2006)

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, δηλαδή

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.

6

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.

7

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.

Σύμφωνα με μέτριους υπολογισμούς, για λόγο αποκάλυψης (στείρα / ασβεστολιθικό

υλικό) = 1:5, 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 και υλικό αποκάλυψης (για ειδ.βάρος ασβεστολίθου 2.65 τόννοι/ m3).

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 τόννους ή 1.8-2.0

x 106 m3 για το τσιμέντο περίπου.

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

1. Αξία εξαγόμενου τσιμέντου

Αν ληφθεί υπόψη ότι η τιμή του εξαγόμενου τσιμέντου είναι περίπου 70 €/τόννο, τότε τα

έσοδα από την πώληση του τσιμέντου ανέρχονται ετήσια σε:

5.77x106 τόννοι x 70 €/τόννο = 404 εκατομμύρια ευρώ ετησίως ή 0.404 δις ευρώ ετησίως

2. Αξία παραγόμενου σκυροδέματος

Η σημερινή μέση τιμή πώλησης του σκυροδέματος στην ελληνική αγορά

(συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς στο έργο και του Φ.Π.Α) είναι 70 €/m3 περίπου.

Άρα, τα άκαθάριστα έσοδα από την πώληση των 31.07x106 m3 σκυροδέματος

ανέρχονται σε:

31.07x106 m3 σκυροδέματος x 70 €/m3 = 2175 x106 € ετησίως (περίπου 2.18 δις ευρώ

ετησίως)

3. Συνολικά έσοδα βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος

8

Οι συνολικές πωλήσεις τσιμέντου και σκυροδέματος αποφέρουν ακαθάριστα έσοδα

(0.404+2.18) ≅ 2.6 δις ευρώ ετησίως περίπου.

Αν ληφθούν δε υπόψη και τα προϊόντα τσιμέντου (προκατασκευασμένα στοιχεία,

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 3.5-4.0 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 αρκετά καλό και για τα επόμενα χρόνια,

δεδομένης της αύξησης της παραγωγικής τους δυναμικότητας με την εξαγορά ομοειδών

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

διανομής των προϊόντων τους και τη γενικότερη κατάσταση της οικοδομικής -

κατασκευαστικής δραστηριότητας της χώρας και της ευρύτερης γεωγραφικής περιοχής

των Βαλκανίων.

9

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 της ποιότητας 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.

10

1.2. ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΩΝ 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

5.1, σελ. 112), 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 1.1).

Πίνακας 1.1. Βασικοί τύποι τσιμέντων ευρωπαϊκού προτύπου

ΤΥΠΟΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗCEM I Κοινό τσιμέντο PortlandCEM II Σύνθετο τσιμέντο PortlandCEM III ΣκωριοτσιμέντοCEM IV Ποζολανικό τσιμέντοCEM 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 1.2).

11

Πίνακας 1.2. 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.

Σχήμα 1.1 . Συμβολισμός των διαφόρων τύπων τσιμέντου του ευρωπαϊκού προτύπου.

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

Τυπική αντοχή (όρια)

Αρχικός χρόνος πήξης

Διόγκωση (Διαστολή)

2 ημέρες 7 ημέρες 28 ημέρες min mm32.5 N - 16.032.5 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

12

Τα κύρια δευτερεύοντα συστατικά, που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή σύνθετων

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

(Πίνακας 5.1), 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).

Οι διαφορές στις κατηγορίες αντοχών του Ελληνικού Κανονισμού (ΠΔ 244/80), που

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

1.3.

Πίνακας 1.3. Διαφορές αντοχών ΠΔ 244/80 και ΕΛΟΤ ΕΝ 197-1

ΠΔ 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 32.5-52.545 35-55 42.5 42.5-62.555 45 52.5 52.5

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

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

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

εκπεμπόμενων ποσοτήτων CO2, αξιοποίηση των βιομηχανικών παραπροϊόντων). 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

13

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).

14

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. Επίσης, επειδή οι πρώτες ύλες

(θραυσμένος ασβεστόλιθος, αργιλικά πετρώματα, χαλαζιακά πετρώματα,

σιδηρομετάλλευμα, βωξίτης) για την παραγωγή του τσιμέντου είναι ακόμη χαμηλότερης

αξίας, για την ελαχιστοποίηση του κόστους μεταφοράς των πρώτων υλών οι μονάδες

παραγωγής τσιμέντου χωροθετούνται πολύ κοντά στις πηγές πρώτων υλών (ιδιαίτερα

κοντά στο λατομείο ασβεστολιθικού πετρώματος). Η μεγαλύτερη ποσότητα του

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

και μονάδες παραγωγής σκυροδέματος σχετικώς κοντά στα εργοστάσια παραγωγής του.

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

15

2.2. Η ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

Οι πρώτες ύλες

Η σημαντικότερη πρώτη ύλη για την παραγωγή του κλίνκερ τσιμέντου είναι τα

ασβεστολιθικά πετρώματα, που εξορύσσονται επιφανειακά κοντά στη μονάδα

παραγωγής του τσιμέντου. Επειδή, ποσοστό περίπου 80% από τους 1.50-1.65 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 κλίνκερ τσιμέντου. Ενδεικτικό ισοζύγιο

πρώτων υλών και οι πρώτες ύλες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή

τσιμέντου, δίνονται στο Σχήμα 2.1 και στον Πίνακα 2.1.

Σχήμα 2.1. Ισοζύγιο πρώτων υλών και προϊόντων στην παραγωγή 1 kg τσιμέντου.

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

χαλαζιακά πετρώματα, σιδηρομετάλλευμα, βωξίτης, κ.α.) αναμειγνύονται σε κατάλληλη

αναλογία και λειοτριβούνται (Σχήμα 2.1). Το λειοτριβημένο μείγμα («φαρίνα»)

υφίσταται πυρομεταλλουργική κατεργασία μέσα σε περιστροφική κάμινο (rotary kiln).

16

Στην περιστροφική κάμινο (Σχήματα 2.2 και 2.3), οι λειοτριβημένες πρώτες ύλες, με

χρήση καυσίμων (φυσικό αέριο, πετρέλαιο, γαιάνθρακες ή και εναλλακτικά καύσιμα),

θερμαίνονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Έτσι, με φυσικοχημικές διεργασίες,

μετατρέπονται σε ένα υλικό γκριζοπράσινου χρώματος μορφής σφαιριδίων διαμέτρου

10-25 mm (Εικόνα 2.2), το οποίο ονομάζεται κλίνκερ τσιμέντου.

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

Προσδιορισμός της σύνθεσης του φορτίου, ανάμειξη (ομογενοποίηση) και

ελάττωση μεγέθους (θραύση, λειοτρίβηση των πρώτων υλών)

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 (φαρίνα) που θα

υποστεί ελάττωση μεγέθους (λειοτρίβηση). Στο Σχήμα 2.2 δίνονται αναλογίες δεδομένων

πρώτων υλών, μέση σύσταση της τροφοδοσίας και προϊόντων παραγωγής κλίνκερ κοινού

τσιμέντου, όπου (S = SiO2, A = Al2O3, F = Fe2O3 και C = CaO). Η καλή ανάμειξη

εξασφαλίζει ομοιόμορφη κατανομή των πρώτων υλών στην τροφοδοσία του κυκλώματος

θραύσης και λειοτρίβησης και οδηγεί στην παραγωγή κλίνκερ ομοιόμορφης ποιότητας.

Οι αναλογίες των πρώτων υλών καθορίζονται με τη βοήθεια τριών δεικτών ποιότητας

κλίνκερ και συγκεκριμένα του δείκτη κορεσμού σε άσβεστο LSF (Lime saturation

factor), του πυριτικού δείκτη SR (Silica ratio) και του αργιλικού δείκτη AR (Alumina

Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό), %

Χημική ένωση

Στόχος, % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων υλών

παραγωγής κλίνκερ

1Ασβεστόλιθος

2Αργιλοπυριτικό

υλικό

3Χαλαζιακή

άμμος

Κατά βάρος % περιεκτικότητα του παραγόμενου κλίνκερ

(χωρίς ενσωμάτωση της τέφρας του καυσίμου)

SiO2 14.35 4.83 65.0 91.58 21.8*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 65.2*Ελεύθερη άσβεστος (CaO)

- - - - 1.0*

Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συμμετοχή πρώτων υλών

85.02 13.61 1.37

*Τιμές για χρήση στις εξισώσεις

Bogue

Αναγωγή % στο υπόλοιπο 65.78% του υλικού μετά

την κλινκεροποίηση

(34.22% CO2

αντιστοιχεί σε 43.55% CaO)

17

ratio). Τα συνήθη όρια μεταβολής των δεικτών είναι 0.92-0.98 για τον LSF, 2.2-2.8 για

τον SR και 1.2-2.0 για τον AR.

Όπου: )(%65.0)(%2.1)(%8.2

)(%7.0)(%0.1

32322

3

OFeOAlSiO

SOCaOLSF

,3232

2

%%

%

OFeOAl

SiOSR

και32

32

%

%

OFe

OAlAR

Σχήμα 2.2. Αναλογίες δύο πρώτων υλών για την παραγωγή κοινού τύπου τσιμέντου [10].

18

Η τέφρα ενσωματώνεται σε ποσοστό περίπου 70-80% στο κλίνκερ και επηρεάζει τις

τιμές των LSF και SR του, οπότε πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στον προσδιορισμό της

αναλογίας των πρώτων υλών της τροφοδοσίας (φαρίνα).

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

2.3. ΟΙ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΕΣ ΚΑΜΙΝΟΙ

Οι περιστροφικές κάμινοι (Σχήμα 2.3) είναι ογκώδεις, κυλινδρικού σχήματος, κεκλιμένες

κατασκευές, διαμέτρου 3.5-4.5 m και μήκους έως 200 m, επενδεδυμένες εσωτερικά με

πυρίμαχη επένδυση (πυρίμαχα τούβλα), μέσα στις οποίες τροφοδοτείται η «φαρίνα». Οι

διάφοροι τύποι περιστροφικών καμίνων βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας. Το

μήκος των περιστροφικών καμίνων εξαρτάται από τη μέθοδο κατεργασίας (ξηρή, υγρή,

ημι-ξηρή, ημι-υγρή κλπ.) των πρώτων υλών (φαρίνα) και τις πρόσφατες τεχνολογικές

εξελίξεις, όσον αφορά στην προθέρμανση της φαρίνας και στις διεργασίες πύρωσης του

ασβεστολίθου. Κυμαίνεται δε κατά περίπτωση από 50-200m και δίνεται στο Σχήμα 2.6,

ανάλογα με τη μέθοδο παραγωγής.

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

περιστροφική κάμινος είναι ελαφρώς κεκλιμμένη προς την έξοδό της (άκρο αποκένωσης

του κλίνκερ), για να ρέει (μετακινείται) το υλικό και να αποκενώνεται από το κατώτερο

άκρο το προϊόν της (κλίνκερ).

19

Σχήμα 2.3. Απλοποιημένη απεικόνιση περιστροφικής καμίνου

Ο χρόνος παραμονής του υλικού μέσα στην κάμινο μπορεί να φτάσει, από περίπου 20

min για καμίνους του τύπου προθέρμανσης-προπύρωσης (preheater-precalciner) της

φαρίνας μέχρι 2 ώρες για καμίνους κατεργασίας «υγρής» φαρίνας (wet kilns). Στις

μεθόδους preheater-precalciner, η φαρίνα παραμένει μέσα στον πύργο προθέρμανσης-

προπύρωσης (Σχήμα 2.8) από 20-90 s (δευτερόλεπτα).

Οι διάφορες φάσεις (στάδια) κατεργασίας για την παραγωγή κλίνκερ στη

διάταξη της καμίνου είναι οι εξής (Σχήμα 2.4):

1. Εξάτμιση του ελεύθερου (μη συνδεμένου) νερού

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

αργιλικά πετρώματα (πρώτες ύλες)

3. Διάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου (CaCO3)

4. Σχηματισμός των φάσεων του κλίνκερ τσιμέντου

ενώσεις πυριτικού ασβεστίου (C2S, 2∙CaO∙SiO2 και C3S, 3∙CaO∙SiO2)

αργιλικού ασβεστίου (C3Α, 3∙CaO∙Al2O3)

αργιλοσιδηρούχου ασβεστίου (C4AF, 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3)

5. Ψύξη του κλίνκερ (clinker)

Στη συνέχεια, για την παραγωγή του κοινού τύπου τσιμέντου (OPC, ordinary Portland

cement), ακολουθούνται οι παρακάτω διεργασίες (Σχήμα 2.5):

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

2. Λεπτομερής λειοτρίβηση (άλεση) παραγωγή τσιμέντου

20

Σχήμα 2.4. Διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στη διάταξη της περιστροφικής καμίνου για την παραγωγή του κλίνκερ.

Σχήμα 2.5. Συμβατικό κύκλωμα λειοτρίβησης (άλεσης) κλίνκερ για την παραγωγή τσιμέντου.

21

Οι τύποι των περιστροφικών καμίνων-Μέθοδοι παραγωγής

Οι διάφορες μέθοδοι και διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν με την πάροδο του χρόνου για

την παραγωγή του κλίνκερ τσιμέντου φαίνονται στο Σχήμα 2.6.

Σήμερα, για λόγους μείωσης της καταναλισκόμενης ενέργειας και του χρόνου παραμονής

του υλικού, η κύρια μέθοδος παραγωγής κλίνκερ τσιμέντου είναι η ξηρή μέθοδος (Σχήμα

2.8) με προθέρμανση της φαρίνας και μερική διάσπαση (πύρωση) του ασβεστολίθου

(Preheater-precalciner). Στα διάφορα στάδια της ξηρής αυτής κατεργασίας γίνονται οι

παρακάτω διεργασίες:

Σχήμα 2.6. Σχέση μεταξύ μεθόδου παραγωγής του κλίνκερ τσιμέντου και του μήκους της περιστροφικής καμίνου και κατανομή των ζωνών κατεργασίας μέσα στην κάμινο [37].

A Προθέρμανση της τροφοδοσίας (φαρίνα) και μερική διάσπαση (πύρωση) του

ασβεστολίθου στον πύργο προθέρμανσης και πύρωσης από τα ανερχόμενα θερμά

αέρια της καμίνου και από τα αέρια ψύξης του κλίνκερ (θερμοκρασίες 900-

1000C)

22

B Σχηματισμός ενδιάμεσων φάσεων από την αντίδραση των πρώτων υλών

μεταξύ τους μέσα στην κάμινο (θερμοκρασίες 1000-1200C)

C Πυροσυσσωμάτωση και σχηματισμός σφαιριδίων κλίνκερ (θερμοκρασίες

1200-1450 C) μέσα στην κάμινο και κατόπιν ψύξη του κλίνκερ

Το αναλυτικό διάγραμμα ροής των διεργασιών παραγωγής τσιμέντου παρουσιάζεται στο

Σχήμα 2.7.

Σχήμα 2.7. Αναλυτικό διάγραμμα ροής διεργασιών παραγωγής τσιμέντου.

23

Στις καμίνους αυτού του τύπου (preheater-precalciner), 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

στον πύργο προθέρμανσης και προ-πύρωσης (preheater/precalciner). 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% της πύρωσης γίνεται εκτός της καμίνου, ενώ στις καμίνους

τύπου precalciner 90-95%, αντιστοίχως. Αυτό τελικά καθορίζει και το μήκος που

καταλαμβάνει η ζώνη πύρωσης και η ζώνη πυροσυσσωμάτωσης εντός της καμίνου, το

οποίο διαμορφώνεται σε 60% και 35%, αντιστοίχως (Peray, 1986). Στις περιπτώσεις

αυτές, είναι απαραίτητο (Σχήμα 2.8), μέρος (50-65%) του απαιτούμενου καυσίμου της

διεργασίας να εισαχθεί στην περιοχή του προασβεστοποιητή του πύργου

προθέρμανσης/πύρωσης της τροφοδοσίας με αντίστοιχη μείωση της ποσότητας του

εισαγόμενου καυσίμου στην έξοδο της καμίνου.

Σχήμα 2.8. Διάταξη ξηρής μεθόδου παραγωγής κλίνκερ με προθέρμανση της τροφοδοσίας και πύρωση του ασβεστολίθου (Preheater/Precalciner).

24

Το καύσιμο, που εισάγεται στον precalciner, καίεται με τη βοήθεια των θερμών αερίων

που προέρχονται από την κάμινο ή από την ψύξη του κλίνκερ σε θερμοκρασίες

χαμηλότερες και η διεργασία της καύσης έχει μεγάλη απόδοση. Το ομογενοποιημένο

υλικό (φαρίνα) κινείται κατ’ άντιρροή με τα ανερχόμενα θερμά αέρια και παραμένει λίγα

μόνο δευτερόλεπτα (20-90 s) στη θερμότερη περιοχή (θερμοκρασία 850-900C) του

precalciner, η δε διάσπαση του ασβεστολίθου ολοκληρώνεται σε ποσοστό 90-95% πρό

της εισαγωγής της φαρίνας στην περιστροφική κάμινο. Η τέφρα από το καύσιμο

ενσωματώνεται ικανοποιητικά στη φαρίνα της τροφοδοσίας και τελικώς στο κλίνκερ.

Στις διατάξεις αυτές διοχετεύεται μικρότερη ποσότητα καυσίμων/θερμότητας στην έξοδο

της καμίνου, οπότε η προ-διάσπαση (precalcination) του ασβεστολίθου στον πύργο

επιτρέπει την ταχύτερη διέλευση του υλικού μέσα από το κυρίως τμήμα της

περιστροφικής καμίνου.

Στο Σχήμα 2.9 δίνεται η κατανομή του χρόνου και η διακύμανση των θερμοκρασιών στις

διάφορες ζώνες εντός της καμίνου.

Σχήμα 2.9. Ξηρή μέθοδος παραγωγής κλίνκερ με προθέρμανση της τροφοδοσίας και πύρωση του ασβεστολίθου (Preheater/Precalciner)-Θερμοκρασιακό προφίλ και χρόνος παραμονής του υλικού

σε κάθε περιοχή.

Έτσι, επιτυγχάνεται μείωση του μήκους και της διαμέτρου της καμίνου όπως επίσης και

του χρόνου παραμονής-κατεργασίας του υλικού, μείωση του κόστους επένδυσης και

προκαλείται επιμήκυνση του χρόνου ζωής της πυρίμαχης επένδυσης (πυρίμαχα τούβλα).

25

Στη διάταξη αυτή, οι επικαθήσεις-εμφράξεις (Σχήμα 2.10), που συμβαίνουν από τη

μεταφορά (μέσω των θερμών αερίων), την υγροποίηση και τη βαθμιαία στερεοποίηση

των πτητικών ενώσεων (κυρίως χλωριούχων ενώσεων αλκαλίων) στις ψυχρότερες

περιοχές, δηλαδή στις εσωτερικές επιφάνειες του preheater και precalciner, μειώνονται

αντιστοίχως.

Επίσης, οι ποσότητες των αερίων NOx, που παράγονται, είναι μικρότερες λόγω της

χαμηλότερης θερμοκρασίας καύσης του καυσίμου, ενώ στη διάταξη precalciner είναι

δυνατή η καύση καυσίμων υποδεέστερης θερμογόνου δύναμης.

Στο Σχήμα 2.11 δίνεται διάγραμμα ξηρής μεθόδου παραγωγής κλίνκερ μόνο με

προθέρμανση (preheating) της φαρίνας. Από το σχήμα διαπιστώνονται εύκολα οι

διαφοροποιήσεις ως προς την προηγούμενη περίπτωση, δηλαδή της κατεργασίας φαρίνας

με ταυτόχρονη προθέρμανση - πύρωση (Preheater/Precalciner) του ασβεστολίθου. Από

τα Σχήματα 2.6 και 2.9 είναι φανερό ότι έχει επιτευχθεί σημαντική μείωση του χρόνου

παραμονής της φαρίνας στην κάμινο από περίπου 40-45 min σε 20 min μόνο.

Σχήμα 2.10. Επικαθήσεις χλωριούχων ενώσεων αλκαλίων στο σύστημα preheater/precalciner.

Τελικώς, η χρησιμοποίηση σύγχρονων διατάξεων προθέρμανσης/πύρωσης έχει συμβάλει

στη μείωση του συνολικού μήκους της όλης διάταξης και ο λόγος μήκος/διάμετρο έχει

γίνει εφικτό να κυμαίνεται σήμερα από 14:1 έως και 11:1 με προφανείς θετικές

επιπτώσεις στο κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας μιας τέτοιας διάταξης.

26

Σχήμα 2.11. Ξηρή μέθοδος παραγωγής κλίνκερ με προθέρμανση της τροφοδοσίας (Preheater)-Θερμοκρασιακό προφίλ και χρόνος κατεργασίας του υλικού.

Άλλη μέθοδος παραγωγής είναι η γερμανική ημι-ξηρή (semi-dry) ή ημι-υγρή (semi-

wet) μέθοδος Lepol (Σχήμα 2.12), όπου εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν πρώτες ύλες

με μεγάλο ποσοστό αρχικής υγρασίας, οι λειοτριβημένες εν υγρώ πρώτες ύλες

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

στερεά της διήθησης (filter cake) εισάγονται στην περιστροφική κάμινο ή σε άλλες

περιπτώσεις υπό μορφή συσφαιρωμάτων (pellets), οπότε η μέθοδος αυτή χαρακτηρίζεται

ως ημι-ξηρή/ημι-υγρή μέθοδος παραγωγής. Τα συσφαιρώματα προθερμαίνονται σε

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

περιστροφικής καμίνου και κατόπιν αυτά εισάγονται στην περιστροφική κάμινο.

27

Σχήμα 2.12. Διάταξη ημι-ξηρής μεθόδου (semi-dry) Lepol παραγωγής τσιμέντου.

Είναι προφανές ότι στην κάμινο τύπου 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 επιτελούνται οι αντιδράσεις μετατροπής των πρώτων υλών σε κλίνκερ. Τα παραπάνω

δεδομένα επηρεάζουν σημαντικά το μήκος της καμίνου που καταλαμβάνει κάθε ζώνη

(Σχήμα 2.6). Στις καμίνους αυτής της αρχής λειτουργίας, η ζώνη πύρωσης καταλαμβάνει

το 55% του μήκους της, ενώ η ζώνη πυροσυσσωμάτωσης το υπόλοιπο 45%.

Οι φυσικοχημικές - ορυκτολογικές διεργασίες και μετατροπές, που λαμβάνουν χώραν

μέσα στην περιστροφική κάμινο κατά τη διαδικασία προθέρμανσης, πύρωσης και

έψησης της φαρίνας, απεικονίζονται στα Σχήματα 2.13 και 2.14 και αναλύονται

παρακάτω. Προφανώς, αυτές αφορούν σε ξηρή μέθοδο κατεργασίας με προθέρμανση και

πύρωση του ασβεστολίθου εντός του πύργου προθέρμανσης (preheater/precalciner).

Α. Θερμοκρασιακή περιοχή 600-900C (Σχηματισμός οξειδίων)

1. Πύρωση ανθρακικών ενώσεων, σύμφωνα με την αντίδραση:

28

Προκειμένου για αργιλικές ενώσεις, η αντίδραση ξεκινά στους 600C

Η θερμοκρασία του υλικού δεν αυξάνει, επειδή η αντίδραση είναι ενδόθερμη

(393kcal/kg = 1632 MJ/t)

2. Οι αντιδράσεις, που λαμβάνουν χώρα μεταξύ των ελεύθερων οξειδίων

και , είναι:

Άλλες αντιδράσεις που γίνονται στους 800C:

Κάποιες από αυτές είναι εξώθερμες, αλλά γίνονται ταυτόχρονα με την πύρωση

των ανθρακικών ενώσεων

3. Παρουσία , το σχηματιζόμενο οδηγεί στην παραγωγή sulfoespurrite

( )

4. Επίσης, μπορεί να σχηματιστεί carboespurrite

Β. Θερμοκρασιακή περιοχή (900-1450C)

1. Περιοχή (900-1160C)

5. Οι αντιδράσεις των περιπτώσεων 2, 3 και 4 της προηγούμενης παραγράφου

συνεχίζονται και επίσης σχηματίζονται , και

6. Στους 1160C, ξεκινά ο μαζικός σχηματισμός

7. Παρουσία φθορίου στις πρώτες ύλες, το αρχίζει να γίνεται σταθερή φάση

2. Περιοχή (1160-1338C)

8. Στους 1200C σχεδόν όλη η ποσότητα του έχει σχηματιστεί, το ελεύθερο

και το έχουν εξαφανιστεί, και αρχίζει να εμφανίζεται υγρή φάση των

και και ο σχηματισμός , που απαιτεί υψηλότερες θερμοκρασίες.

9. Στους 1250C το έχει μετασχηματιστεί σε και το είναι πλέον

σταθερό

10. Στους 1338C, το και έχουν λειώσει πλήρως και έχει επιτευχθεί

ευτηκτική ισορροπία με 54.8% , 22.7% , 16.5% και 6%

11. Η μορφή του (μετασχηματισμός-μετατροπή φάσης)

29

12. Παρουσία της υγρής φάσης, το συνεχίζει να παράγεται ως αποτέλεσμα

αντίδρασης των και .

3. Περιοχή (1338-1450C)

13. Αν και έχει σχηματιστεί όλη η υγρή φάση στους 1450C, αυτή συνεχίζει να

υπάρχει μέχρι την περιοχή της ζώνης σχηματισμού των σφαιριδίων του κλίνκερ,

δηλαδή μέχρι τη θερμοκρασία 1230C (κατά την ψύξη του κλίνκερ). Η κύρια

αντίδραση, που γίνεται γύρω από τη θερμοκρασία αυτή (1450C), είναι:

Γ. Θερμοκρασιακή περιοχή (1450-1170C)

14. Περιοχή Ψύξης

Οι φάσεις, εκτός του , που υπάρχουν στη θερμοκρασιακή περιοχή 1450-

1230C τελικώς είναι:

Υγρή φάση των και , και , αλλά πέραν της

θερμοκρασίας των 1230C (σε συνθήκες ταχείας ψύξης) γίνεται κρυστάλλωση

της υγρής φάσης (τήγμα) που περιέχει τις φάσεις των και , όπου

δεσμεύονται επίσης MgO και CaO.

Σε αναγωγικές συνθήκες παραγωγής κλίνκερ, οι φάσεις, που περιέχουν σίδηρο

και θείο, επηρεάζονται σημαντικά. Ο τρισθενής σίδηρος (Fe+3) ανάγεται αρχικά

σε δισθενή (Fe+2) και σε μερικές περιπτώσεις σε μεταλλικό σίδηρο (Fe), που έχει

ως αποτέλεσμα την εξαφάνιση της φερριτικής φάσης (C4AF) και την αύξηση της

περιεκτικότητας σε αλουμινούχα φάση (C3A) με ανάλογη επίπτωση στις ιδιότητες

του κλίνκερ, ενώ το χρώμα του κλίνκερ μεταβάλλεται από γκρί σε καφέ. Το

οξείδιο του δισθενούς σιδήρου FeO καταλήγει μαζί με το CaO στο στερεό

διάλυμα ή αντικαθιστά το CaO στις διάφορες ενδιάμεσες φάσεις αυξάνοντας τη

βασικότητα του μείγματος.

30

Σχήμα 2.13. Φυσικοχημικές-ορυκτολογικές διεργασίες για την παραγωγή κλίνκερ τσιμέντου[32].

Όμως στην περίπτωση αυτή, επειδή απουσιάζουν τα οξείδια του σιδήρου που

δημιουργούν ευτηκτικό περιβάλλον, το σύστημα γίνεται πιο δύστηκτο και απαιτείται

υψηλότερη θερμοκρασία έψησης (κλινκεροποίηση), η οποία όμως στη συνέχεια οδηγεί

σε αύξηση του μεγέθους των κρυστάλλων του αλίτη και υποβάθμιση της ποιότητας του

παραγόμενου τσιμέντου. Ο αλίτης όμως, που παράγεται σε αναγωγικό περιβάλλον και

περιέχει FeO στη θέση του CaO, αποσυντίθεται πολύ εύκολα σε βελίτη και ελεύθερη

άσβεστο (CaOfree), ιδιαιτέρως όταν το κλίνκερ ψύχεται αργά. Η επανοξείδωση του FeO

σε Fe2O3 (σε θερμοκρασίες κάτω από 1300C κατά την ψύξη του κλίνκερ), προκαλεί

αποβολή του Fe2O3 από το πλέγμα του αλίτη, ένωσή του με CaO του αλίτη και

σχηματισμό μιας σύνθετης φάσης του τύπου (C2F·C2S) στα όρια των κρυσταλλικών

επιπέδων του αλίτη, γεγονός που μεταβάλλει τα ποσοστά των διαφόρων φάσεων στο

κλίνκερ.

31

Σχήμα 2.14. Αναλυτική παρουσίαση των φυσικοχημικών-ορυκτολογικών διεργασιών για την παραγωγή κλίνκερ τσιμέντου, με τη θερμοκρασιακή εξέλιξη των αρχικών Π.Υ. και των

δημιουργούμενων φάσεων [55].

Σχήμα 2.15. Βέλτιστα όρια μεταβολής των τιμών δεικτών ποιότητας κλίνκερ για εξασφάλιση κατάλληλων συνθηκών έψησης του κλίνκερ [55].

32

Σχήμα 2.16. Βέλτιστη θερμοκρασιακή περιοχή έψησης της φαρίνας συναρτήσει της επιθυμητής περιεκτικότητας του παραγόμενου κλίνκερ σε ελεύθερη άσβεστο.

Στο Σχήμα 2.15 δίδονται οι βέλτιστες συνθήκες έψησης του κλίνκερ, που αφορούν στα

όρια μεταβολής των δεικτών LSF, SR και AR, όπως επίσης και οι επιπτώσεις τους στην

προστασία της πυρίμαχης επένδυσης της καμίνου. Οι τιμές των δεικτών αυτών

καθορίζουν τόσο την αναλογία των πρώτων υλών στη φαρίνα όσο και την εψησιμότητά

της. Επίσης, στο Σχήμα 2.16 φαίνεται το ποσοστό % της ελεύθερης ασβέστου CaOfree

που θα έχει το προϊόν (κλίνκερ), ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας της

περιστροφικής καμίνου.

Παρατηρήσεις επί της διεργασίας έψησης

Κατά την έψηση πρέπει να επικρατούν οξειδωτικές συνθήκες μέσα στην

κάμινο

Όσο λεπτότεροι είναι οι κόκκοι της φαρίνας (τροφοδοσία), τόσο ευκολότερα

«ψήνονται» και πυροσυσσωματώνονται (αντιδρούν μεταξύ τους) οι πρώτες

ύλες

Υψηλή τιμή του δείκτη κορεσμού σε άσβεστο (LSF) έχει ως αποτέλεσμα

δύσκολη εψησιμότητα της φαρίνας

33

Υψηλή τιμή στον αργιλικό δείκτη (SR) έχει ως αποτέλεσμα δύσκολη

εψησιμότητα της φαρίνας εξαιτίας της χαμηλής περιεκτικότητας της υγρής

φάσης και μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας στην άλεση

Φαρίνες με τιμή αργιλικού δείκτη (AR) στην περιοχή του 1.4 ψήνονται

ευκολότερα απ’ ό,τι στις περιπτώσεις χαμηλότερων ή υψηλότερων τιμών,

επειδή σε χαμηλές θερμοκρασίες η ποσότητα της υγρής φάσης είναι

μεγαλύτερη, λόγω της παρουσίας του Fe2O3. Η παρουσία MgO στη φαρίνα

μεταβάλλει ελαφρά τη βέλτιστη αυτή τιμή του AR = 1.4

Η ενδογενής δραστικότητα διαφόρων μορφών των πρώτων υλών της φαρίνας,

π.χ. οι διάφορες φάσεις του πυριτικού επηρεάζουν την εψησιμότητα της

φαρίνας.

Η ψύξη του κλίνκερ

Έχει διαπιστωθεί ότι ουσιαστικό ρόλο στην ποιότητα του κλίνκερ και στις ιδιότητες του

παραγόμενου τσιμέντου παίζουν οι διεργασίες ψύξης του εξερχόμενου από την κάμινο

κλίνκερ. Σημαντικό επίσης οικονομικό όφελος προσφέρει η αξιοποίηση ποσοστού 35%

περίπου της απαγόμενης από το κλίνκερ θερμότητας, μέσω του αέρα ψύξης.

Η θερμότητα που ανακτάται αξιοποιείται για την προθέρμανση της τροφοδοσίας των

πρώτων υλών και για την έναυση του καυσίμου στον ασβεστοποιητή, συμβάλλοντας

στην ενεργειακή βελτιστοποίηση της διεργασίας παραγωγής κλίνκερ (Σχήματα 2.8 και

2.11).

Οι κύριοι τύποι ψυκτών κλίνκερ είναι τύπου κινούμενης εσχάρας, περιστροφικού ή

πλανητικού τύπου.

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

κινούμενης διάτρητης εσχάρας, από θάλαμο (Σχήματα 2.17 και 2.18) και ψύχεται με τη

βοήθεια αέρα που εμφυσάται από ανεμιστήρες. Με τη βοήθεια του αέρα ψύξης, μέρος

της θερμότητας που περιέχει απάγεται από το κλίνκερ και θερμαίνει τον αέρα ψύξης, του

οποίου μέρος ανακυκλώνεται και οδηγείται στον πύργο προθέρμανσης για αξιοποίηση

της θερμότητάς του (Σχήμα 2.8).

Όπως προαναφέρθηκε, οι ιδιότητες του παραγόμενου κλίνκερ εξαρτώνται κατά κύριο

λόγο από την ταχύτητα δηλαδή από το ρυθμό ψύξης του κλίνκερ. Και τούτο, διότι ταχεία

34

ψύξη, λίγο πριν την έξοδο της καμίνου, αλλά ιδιαίτερα στους ψύκτες του κλίνκερ έχει

σημαντική επίδραση στο μέγεθος των κρυστάλλων των φάσεων αλίτη και βελίτη που

παράγονται. Το μέγεθος όμως των κρυστάλλων έχει μεγάλη σημασία για τις ιδιότητες

του κλίνκερ και του τσιμέντου που θα παραχθεί από αυτό.

Σχήμα 2.17. Διάταξη ψύξης κλίνκερ στην έξοδο της καμίνου.

Σχήμα 2.18. Τρισδιάστατη απεικόνιση της διάταξης ψύξης κλίνκερ.

35

Έχει διαπιστωθεί ότι ταχεία ψύξη του κλίνκερ παράγει μικρούς κρυστάλλους αλίτη,

επειδή δεν προλαβαίνουν, λόγω της αυξημένης ταχύτητας, να αναπτυχθούν σε μέγεθος.

Επίσης, ο ρυθμός ψύξης έχει σημαντική επίδραση στην κατανομή, στο είδος και την

«υγεία» των φάσεων του κλίνκερ, στα ποσοστά ασβέστου (CaO) και μαγνησίας (MgO),

που δεσμεύονται στην υγρή φάση ή παραμένουν υπό μορφή ελεύθερης ασβέστου

(CaOfree) και περίκλαστου (MgO) στο κλίνκερ και ως εκ τούτου εμφανίζονται αργότερα

μετά την άλεση στο τσιμέντο.

Είναι γνωστό επίσης ότι, σε υψηλές θερμοκρασίες κλινκεροποίησης (>1500˚C), η

μαγνησία (MgO) συγκεντρώνεται στην υγρή φάση μαζί με τις αλουμινούχες (C3A) και

φερριτικές (C4AF) φάσεις. Σε συνθήκες λοιπόν ταχείας ψύξης, το MgO δεν προλαβαίνει

να κρυσταλλωθεί και να αποβληθεί από το διάλυμα της υγρής φάσης και ενσωματώνεται

σε αυτό. Έτσι, μικρή μόνο ποσότητα κρυστάλλων υπό μορφή περίκλαστου (MgO)

εμφανίζεται στο κλίνκερ. Σε αντίθετη περίπτωση, δηλαδή σε συνθήκες αργής ψύξης του

κλίνκερ, λαμβάνει χώρα σχεδόν ολοκληρωτική κρυστάλλωση των φάσεων C3A και

C4AF σε μορφή χονδρών κόκκων, η οποία ακολουθείται από κρυστάλλωση και του MgO

σε μορφή περίκλαστου. Στην περίπτωση αυτή, μόνο περίπου το 1.5% κ.β. της

περιεχόμενης ποσότητας μαγνησίας παραμένει στο στερεοποιημένο διάλυμα, ενώ το

υπόλοιπο κρυσταλλώνεται σε μορφή περίκλαστου στο κλίνκερ και κατά συνέπεια

εμφανίζεται και στο παραγόμενο τσιμέντο, όπου και προκαλεί τα ανεπιθύμητα

φαινόμενα διόγκωσης κατά την ενυδάτωση. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να έχει

καταστροφικές συνέπειες στο σκυρόδεμα, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Αυτό εξηγεί και

την απαίτηση για περιεκτικότητα MgO στη φαρίνα μικρότερη από 6%, επειδή σε

συνήθεις θερμοκρασίες κλινκεροποίησης <1450˚C, η υπάρχουσα μαγνησία στην

τροφοδοσία, λόγω υψηλού σημείου τήξης, δεν οδηγείται στην υγρή φάση, οπότε και

εμφανίζεται υπό μορφή μικρών κρυστάλλων περίκλαστου στο κλίνκερ, ανεξάρτητα από

την ταχύτητα ψύξης του κλίνκερ.

Ανακεφαλαιώνοντας, πρέπει να τονιστεί ότι η ταχεία ψύξη προστατεύει το κλίνκερ

ως εξής:

Από τη δημιουργία ισορροπίας μεταξύ των διαφόρων φάσεων,

δηλαδή παράγει διακεκριμένες φάσεις αλίτη, βελίτη και υαλώδη μορφή των

αργιλικών και φερριτικών φάσεων με δέσμευση σ’ αυτή του μεγαλύτερου ποσοστού

36

της περιεχόμενης μαγνησίας. Δηλαδή η ταχεία ψύξη εμποδίζει την αλληλοδιάχυση

μεταξύ των διαφόρων φάσεων, οπότε η υγρή φάση κρυσταλλώνεται χωρίς να

αλληλεπιδρά με τις στερεές φάσεις (αλίτη, βελίτη). Επίσης, κατ’ αυτό τον τρόπο

ελέγχεται η «δραστικότητα» της αργιλικής φάσης (C3A) που παραμένει στην υαλώδη

φάση, φαινόμενο το οποίο έχει σημαντική επίπτωση στην ταχύτητα ενυδάτωσης και

πήξης (setting) του τσιμέντου

Με την αποτροπή διεξαγωγής της αντιστρεπτής αντίδρασης (alite

resorption)

C3S C2S + CaOfree

η οποία παράγει ελεύθερη άσβεστο και δευτερογενή βελίτη (C2S), μεταβάλλοντας με

αυτό τον τρόπο την αναλογία μεταξύ των φάσεων αλίτη-βελίτη στο κλίνκερ και

εμπλουτίζοντας το κλίνκερ με ανεπιθύμητο CaOfree, άρα επιδρά στη συμπεριφορά του

τσιμέντου κατά την άλεση και την ενυδάτωσή του

Με την αποτροπή διεξαγωγής της αντίδρασης μετατροπής του γC2S σε βC2S,

η οποία είναι μεν μια “σαθρή” φάση με «ευνοϊκά» μηχανικά χαρακτηριστικά για την

άλεση του κλίνκερ, αλλά όμως δεν εμφανίζει καθόλου υδραυλικές ιδιότητες, κατά

την ενυδάτωση του τσιμέντου και αντοχές σε βάθος χρόνου

2.4. Η ΑΛΕΣΗ ΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ

Οι ιδιότητες του τσιμέντου, όσο και η συμπεριφορά 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.

Η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται στην παραγωγή τσιμέντου κυμαίνεται από 100-110

kWh/tonne τσιμέντου (Σχήμα 2.19). Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα, 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.

37

Επίσης είναι γνωστό ότι η καταναλισκόμενη ενέργεια κατά τη λειοτρίβηση και την

άλεση έχει σχέση με το μέγεθος της τροφοδοσίας (διαστάσεις των τεμαχίων κλίνκερ), 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.

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

Αποκάλ

υψη

& εξόρ

υξη

πρώτω

ν υλ

ών

Θρα

ύση-

προομο

γενο

ποίηση

Π.Υ

.

Λειοτρ

ίβησ

η, ξή

ρανση

Ανάμειξ

η, ο

μογε

νοποί

ηση

Π.Υ.

Παραγ

ωγή

κλίνκ

ερ, ψ

ύξη

κλίνκ

ερ

Άλεση

κλίνκ

ερ-π

αραγω

γή τσ

ιμέν

του

Μετ

αφορά, ε

νσάκ

κιση,

φόρ

τωση

κ.α.

Λειοτρ

ίβησ

η άνθ

ρακα

Κα

τανά

λωσ

η Η

.Ε.

σε

kWh

/t τ

σιμ

έντο

υ

0

5

10

15

20

25

30

35

Πο

σο

στι

αία

% κ

ατα

νάλω

ση

Η.Ε

.κατανάλωση Η.Ε. σε kWh Ποσοστιαία κατανάλωση Η.Ε. στην παραγωγή τσιμέντου

Σχήμα 2.19. Κατανάλωση και ποσοστιαία κατανομή κατανάλωσης Η.Ε. στην παραγωγή τσιμέντου.

Έχει διαπιστωθεί ότι η ειδική ενέργεια άλεσης είναι συνάρτηση της σκληρότητας του

κλίνκερ (δείκτης έργου ή δείκτης Bond, Bond work index wi), της λεπτότητας Blaine

(κοκκομετρία) του τσιμέντου που θα παραχθεί και με πολύ καλή προσέγγιση, δίνεται

από:

4714.0035.01074.1 4

10

iBl wFE

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 έχει ενσωματωθεί ο συντελεστής μετατροπής 1 short ton (s.t.)

= 0.907 tonne.

38

Για την άλεση των πρώτων υλών, του κλίνκερ και των πρόσθετων (γύψου, σκωρίας

υψικαμίνων, ποζολάνης, ιπτάμενης τέφρας κλπ.), χρησιμοποιούνται σφαιρόμυλοι

λειοτρίβησης (άλεσης), κατακόρυφοι μύλοι κυλίνδρων μεγάλης απόδοσης ή συνδυασμοί

κυλινδρόπρεσσας και σφαιρόμυλων για τη μείωση του κόστους, την αύξηση της

δυναμικότητας της διάταξης και την αύξηση της λεπτότητας του προϊόντος.

Στο Σχήμα 2.20 δίνεται η σημερινή κατάσταση όσον αφορά στις διεργασίες άλεσης στη

βιομηχανία παραγωγής τσιμέντου [48].

Από το Σχ. 2.20 διαπιστώνεται η ευρύτατη εφαρμογή που έχουν βρεί οι κατακόρυφοι

μύλοι στην αρχική άλεση των πρώτων υλών (παραγωγή φαρίνας) και των σκωριών, ενώ

οι συμβατικοί σφαιρόμυλοι διατηρούν ακόμη κυρίαρχη θέση στην άλεση του κλίνκερ για

παραγωγή τσιμέντου.

Σχήμα 2.20. Μέθοδοι λειοτρίβησης και άλεσης πρώτων υλών στην τσιμεντοβιομηχανία [48].

39

Σχήμα 2.21. Συμβατική διάταξη άλεσης κλίνκερ για παραγωγή τσιμέντου.

Σχήμα 2.22. Σφαιρόμυλος άλεσης κλίνκερ για παραγωγή τσιμέντου.

Το συμβατικό κύκλωμα άλεσης κλίνκερ και πρόσθετων (γύψου, σκωρίας υψικαμίνων ή

και ποζολάνης), στην περίπτωση παραγωγής σύνθετων τσιμέντων, δίνεται στα Σχήματα

2.21 και 2.22.

40

Το κύκλωμα αυτό αποτελείται από το μύλο άλεσης, που είναι σφαιρόμυλος 2 ή

περισσότερων διαμερισμάτων στον οποίο διεξάγεται η άλεση. Κάθε διαμέρισμα έχει

σφαίρες διαφορετικών διαμέτρων, οι οποίες εξαρτώνται από το μέγεθος των

συσφαιρωμάτων κλίνκερ με τα οποία τροφοδοτείται ο μύλος. Οι σφαίρες του πρώτου

διαμερίσματος έχουν διαμέτρους που κυμαίνονται από 60-90 mm, ενώ του δεύτερου από

15-40 mm. Στο δεύτερο διαμέρισμα, ανάλογα με το επιθυμητό μέγεθος προϊόντος

(λεπτότητα Blaine), μπορεί να προστεθούν και σφαίρες διαμέτρου μέχρι 5 mm, όταν

απαιτείται μεγάλη λεπτότητα προϊόντος. Η διάταξη συμπληρώνεται με στατικούς

διαχωριστές και αεροδιαχωριστές για ταξινόμηση και έλεγχο του μεγέθους του προϊόντος

και με σακκόφιλτρα ή ηλεκτροστατικούς διαχωριστές για τον περιορισμό των στερεών

εκπομπών (λεπτομερών τεμαχιδίων) στην ατμόσφαιρα. Στο μύλο διοχετεύεται ρεύμα

αέρα που απάγει την υγρασία για αποφυγή της συσσωμάτωσης και της πρώϊμης

ενυδάτωσης του λεπτομερούς υλικού (τσιμέντο).

Όπως προαναφέρθηκε, με στόχο τη μείωση του κόστους άλεσης (που επηρεάζει

σημαντικά το κόστος παραγωγής του τσιμέντου), την αύξηση της δυναμικότητας και τον

καλύτερο έλεγχο του προϊόντος από πλευράς κατανομής μεγεθών τεμαχίων,

χρησιμοποιούνται σήμερα, συνδυασμοί διαφορετικών μηχανημάτων ελάττωσης μεγέθους

και άλεσης του κλίνκερ για παραγωγή τσιμέντου. Τα εναλλακτικά μηχανήματα που

χρησιμοποιούνται είναι κυλινδρόπρεσσες για την αρχική ελάττωση μεγέθους (1ο στάδιο

ελάττωσης) σε συνδυασμό με σφαιρόμυλους για την τελική άλεση ή αποκλειστικά

κατακόρυφοι μύλοι άλεσης (Vertical roller mills).

Στη διάταξη προκαταρκτικής άλεσης (pregrinding) του κλίνκερ με κυλινδρόπρεσσα

(Roller press), η αρχική τροφοδοσία (κλίνκερ και πρόσθετα) υφίστανται χονδρομερή

άλεση στην κυλινδρόπρεσσα και η τελική άλεση προς παραγωγή τσιμέντου γίνεται σε

συμβατικό κλειστό κύκλωμα σφαιρόμυλου-ταξινομητή (Σχήμα 2.23).

Στη διάταξη ημιτελικής άλεσης (semi-finish grinding), η κυλινδρόπρεσσα λειτουργεί σε

κλειστό κύκλωμα με σύστημα ταξινόμησης και «απο-συσσωμάτωσης» τεμαχιδίων. Τα

χονδρομερή τεμαχίδια από το διαχωρισμό οδηγούνται για τελική άλεση, στην επιθυμητή

λεπτότητα, σε σφαιρόμυλο μονού διαμερίσματος, ο οποίος τελικώς λειτουργεί σε κλειστό

κύκλωμα με διαχωριστή μεγάλης απόδοσης δύο σταδίων (Σχήμα 2.24).

41

Σχήμα 2.23. Διάταξη προκαταρκτικής άλεσης (pregrinding) του κλίνκερ με κυλινδρόπρεσσα (Roller press) και τελική άλεση σε σφαιρόμυλο (κατά FLSmidth).

Στον Πίνακα 2.2 γίνεται σύγκριση της ειδικής κατανάλωσης ενέργειας (kWh/t) μεταξύ

τριών διαφορετικών διαδικασιών άλεσης του κλίνκερ. Συγκεκριμένα, συγκρίνονται η

συμβατική μέθοδος άλεσης με σφαιρόμυλο σε κλειστό κύκλωμα με αεροδιαχωριστή, η

διαδικασία χονδρομερούς προκαταρκτικής άλεσης του κλίνκερ σε κυλινδρόπρεσσα και

τελική άλεση σε σφαιρόμυλο και η διαδικασία «ημιτελικής» άλεσης σε κυλινδρόπρεσσα

και τελική άλεση σε κλειστό κύκλωμα σφαιρόμυλου-διαχωριστή (ταξινομητή).

42

Σχήμα 2.24. Διάταξη ημιτελικής άλεσης (semi-finish grinding) του κλίνκερ με κυλινδρόπρεσσα(Roller press) και τελική άλεση σε σφαιρόμυλο (κατά FLSmidth).

Από τον πίνακα διαπιστώνεται η σημαντική μείωση της ειδικής κατανάλωσης ενέργειας

δηλαδή της ηλεκτρικής ενέργειας, όταν η άλεση του κλίνκερ υποβοηθάται από τη χρήση

κυλινδρόπρεσσας στα αρχικά στάδια. Η μείωση (κατά 10 και 20% έναντι της συμβατικής

διαδικασίας, αντιστοίχως) είναι πολύ σημαντική για τον έλεγχο του κόστους παραγωγής

του τσιμέντου. Και τούτο, επειδή τα οικονομικά περιθώρια (σχέση κόστους παραγωγής-

τιμής πώλησης ανά τόννο) είναι πολύ στενά στη διαδικασία παραγωγής του τσιμέντου.

Πίνακας 2.2. Σύγκριση ειδικής κατανάλωσης ενέργειας άλεσης

43

Σχήμα 2.25. Κατακόρυφος μύλος (κατά FLSmidth).

Σχήμα 2.26. Διάταξη άλεσης κλίνκερ με κατακόρυφο μύλο (κατά FLSmidth).

44

Μια εναλλακτική μεθοδολογία που αποτελεί μια σύγχρονη μέθοδο άλεσης, η οποία

εφαρμόζεται σε πολλές τσιμεντοβιομηχανίες σήμερα, χρησιμοποιεί κατακόρυφους

μύλους άλεσης (Σχήμα 2.25). Στην περίπτωση αυτή, το ολοκληρωμένο κύκλωμα άλεσης

-μαζί με το σύστημα αποκονίωσης - για την παραλαβή τελικού προϊόντος (αλεσμένη

φαρίνα, τσιμέντο ή αλεσμένη σκωρία υψικαμίνων), δίνεται στο Σχήμα 2.26. Επίσης, στο

Σχήμα 2.27 συσχετίζεται το κόστος του κύριου μηχανολογικού εξοπλισμού άλεσης,

συναρτήσει της δυναμικότητας άλεσης κλίνκερ (t/ημέρα), για διάφορες εναλλακτικές

περιπτώσεις διατάξεων άλεσης.

Στο κόστος δεν περιλαμβάνονται οι ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις, το κόστος

εγκατάστασης του μηχανολογικού εξοπλισμού, η μελέτη και κατασκευή των δομικών

έργων, οι διάφορες προμήθειες και η αρχική αξιολόγηση όλης της εγκατάστασης. Από το

διάγραμμα διαπιστώνεται ότι ο συμβατικός μύλος (σφαιρόμυλος) άλεσης παραμένει σε

κάθε περίπτωση η πιο συμφέρουσα διάταξη άλεσης για την παραγωγή του τσιμέντου.

Σχήμα 2.27. Συσχέτιση κόστους του κύριου εξοπλισμού άλεσης, συναρτήσει της δυναμικότητας άλεσης κλίνκερ (t/ημέρα) [48].

45

Συσχέτιση της αλεστικότητας του κλίνκερ με τις φυσικομηχανικές ιδιότητές του [50]

Η συμπεριφορά όμως του κλίνκερ κατά την άλεση εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από τη

χημική, την ορυκτολογική, την κοκκομετρική ανάλυση (λεπτότητα) των συστατικών της

φαρίνας (τροφοδοσία), την ποιότητα ομογενοποίησης των πρώτων υλών, τις συνθήκες

πυροσυσσωμάτωσης (χρόνος παραμονής, θερμοκρασία) εντός της καμίνου και από την

ταχύτητα ψύξης του κλίνκερ.

Προφανώς όλα τα παραπάνω επιδρούν σημαντικά, τόσο στη συμπεριφορά του κλίνκερ

κατά την άλεση (κατανάλωση ενέργειας, λεπτότητα δηλ. κοκκομετρική ανάλυση του

παραγόμενου τσιμέντου), αλλά και στη συμπεριφορά του τσιμέντου κατά την ενυδάτωσή

του, αφού είναι γνωστό ότι λεπτότερο τσιμέντο ενυδατώνεται πολύ γρήγορα, εκλύει

μεγάλη ποσότητα θερμότητας και επιδρά σημαντικά στην πρώϊμη ανάπτυξη αντοχών.

Επίσης, μεγάλα ποσοστά ελεύθερης ασβέστου αλλά και περίκλαστου, κατά την

ενυδάτωση μετατρέπονται σε υδροξείδια [Ca(OH)2] και Mg(OH)2 (μπρουσίτης, brucite),

τα οποία ευθύνονται για τις καταστροφικές για το σκυρόδεμα διογκώσεις και διαρρήξεις

μετά την πήξη του, δηλαδή προκαλούν προβλήματα σταθερότητας όγκου.

Οι κρύσταλλοι του αλίτη (C3S) συνήθως είναι γωνιώδεις και συμπεριφέρονται ψαθυρά

(θραύονται χωρίς σημαντική παραμόρφωση). Επίσης, λόγω των μικρορωγματώσεων

(cracks) που περιέχουν ως αποτέλεσμα της ταχείας ψύξης του κλίνκερ, λειοτριβούνται

(αλέθονται) σχετικώς εύκολα. Οι κρύσταλλοι του βελίτη (C2S) είναι αποστρογγυλεμένοι,

συμπεριφέρονται πλαστικά και παραμορφώνονται σημαντικά πριν από τη θραύση τους,

άρα είναι πιο ανθεκτικοί στη θραύση.

Τα παραπάνω δίνουν ενδείξεις για την κατανάλωση ενέργειας κατά την άλεση του

κλίνκερ τσιμέντου όπως και για την αναμενόμενη κοκκομετρική ανάλυση του τσιμέντου

που θα παραχθεί, σε σχέση με την ποσοστιαία αναλογία των δύο φάσεων αλίτη - βελίτη

στο κλίνκερ, όπως επίσης και με το μέγεθος των κρυστάλλων των φάσεων αυτών στο

κλίνκερ που σχετίζεται με το ρυθμό ψύξης.

Στα Σχήματα 2.28 και 2.29 απεικονίζονται ενδεικτικά δύο μερικές περιπτώσεις

εμφάνισης κλίνκερ (Α και Β), σε σχέση με την περιεκτικότητά τους στις κύριες φάσεις

C3S και C2S και με το μέγεθος των σχηματιζόμενων κρυστάλλων κατά την ψύξη.

46

Σχήμα 2.28. Κατάταξη μορφών κλίνκερ ως προς την αλεστικότητά τους, συναρτήσει της περιεκτικότητάς του σε αλίτη και βελίτη [50].

Σχήμα 2.29. Κατάταξη μορφών κλίνκερ ως προς την αλεστικότητά τους, συναρτήσει της περιεκτικότητάς του σε αλίτη και βελίτη [50].

Στα ίδια σχήματα κατατάσσονται οι διάφορες μορφές κλίνκερ, ανάλογα με τη δυσκολία

που εμφανίζουν κατά την άλεση, ενώ στο Σχήμα 2.30 συσχετίζονται οι δύο περιπτώσεις

κλίνκερ Α και Β μεταξύ τους. Από το σχήμα διαπιστώνεται ότι χονδρομερείς (συνήθως

λόγω αργής ψύξης) κρύσταλλοι C3S και C2S και μεγάλη περιεκτικότητα σε C2S

εμφανίζει τη μεγαλύτερη δυσκολία (αυξημένη κατανάλωση ενέργειας) κατά την άλεση.

47

Σχήμα 2.30. Συσχέτιση δύο διαφορετικών κλίνκερ (Α, Β) με το μέγεθος των παραγόμενων κρυστάλλων αλίτη-βελίτη και με την αντοχή τους κατά την άλεση [50].

48

2.5. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΑΜΙΝΟ

Ενεργειακές καταναλώσεις στην παραγωγή του κλίνκερ

Είναι γνωστό ότι η διαδικασία πύρωσης του ασβεστολίθου, ως ιδιαιτέρως ενδόθερμη

αντίδραση, είναι η κύρια διεργασία κατανάλωσης ενέργειας, ενώ οι αντιδράσεις

συσσωμάτωσης που ακολουθούν είναι κατά κύριο λόγο εξώθερμες αντιδράσεις. Η

κατανάλωση ενέργειας (ποσότητα καυσίμου), που είναι απαραίτητη στην παραγωγή του

κλίνκερ, εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τη μέθοδο κατεργασίας της φαρίνας, αλλά και

από τις αντίστοιχες διατάξεις. Οι καταναλώσεις αυτές, είναι:

1. 3000-3800 MJ/ t κλίνκερ για ξηρή μέθοδο παραγωγής με 3-6 στάδια

προθέρμανσης/πύρωσης ασβεστολίθου (dry process preheater/precalciner)

2. 3100-4200 MJ/ t κλίνκερ για ξηρή μέθοδο παραγωγής με διάφορα στάδια

προθέρμανσης (dry process preheater)

3. 3300-4500 MJ/ t κλίνκερ ημι-ξηρή/ημι-υγρή μέθοδο παραγωγής (Lepol-kiln)

4. Έως 5000 MJ/ t κλίνκερ για ξηρή μέθοδο παραγωγής σε μεγάλου μήκους

καμίνους (dry process long kilns)

5. 5000-6000 MJ/ t κλίνκερ για υγρή μέθοδο παραγωγής σε μεγάλου μήκους

καμίνους (wet process long kilns) and

6. 3100-4200 MJ/ t κλίνκερ για κατακόρυφες φρεατώδεις καμίνους.

Στον Πίνακα 2.3 συγκρίνονται αναλυτικά οι θερμικές καταναλώσεις σε διατάξεις ξηρής

μεθόδου (preheater/precalciner) και υγρής μεθόδου παραγωγής κλίνκερ. Οι επιπλέον

ενεργειακές καταναλώσεις στην παραγωγή του κλίνκερ τσιμέντου αφορούν στις

τεχνολογικά αναπόφευκτες ενεργειακές απώλειες της διεργασίας, οι οποίες

καταγράφονται στον πίνακα.

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.

49

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

αντιδράσεων πυροσυσσωμάτωσης (κλινκεροποίηση) προκύπτει από την καύση των

χρησιμοποιούμενων καυσίμων.

Πίνακας 2.3. Ενεργειακές απαιτήσεις στην παραγωγή του κλίνκερ (επεξεργασία δεδομένων [8], Taylor, 1997, p.61)

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

Οι παραπάνω αντιδράσεις καύσης αφορούν σε 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 και υποδηλώνει άνθρακα ο οποίος δεν έχει «καεί»

για να παράξει θερμότητα.

Μέθοδος παραγωγήςΚατανάλωση ενέργειας στην παραγωγή του κλίνκερ(MJ/t κλίνκερ) Ξηρή Υγρή

Θεωρητική απαίτηση θερμότητας στις χημικές αντιδράσεις παραγωγής κλίνκερ

1807 1741

Εξάτμιση υγρασίας πρώτων υλών 13 2364Απώλεια θερμότητας στα απαέρια και στη σκόνη 623 753Θερμικές απώλειες στο κλίνκερ 88 59Απώλεια θερμότητας στον αέρα ψύξης του κλίνκερ 427 100Απώλειες θερμότητας με ακτινοβολία και μεταφορά 348 682ΣΥΝΟΛΟ 3306 5699Κατανάλωση άνθρακα (t / t κλίνκερ) (Θερμογόνος δύναμη χρησιμοποιούμενου άνθρακα 25.3 GJ/ t)

0.13 0.23

Κατανάλωση άνθρακα τ. Ινδίας (t / t κλίνκερ) (Θερμογόνος δύναμη χρησιμοποιούμενου άνθρακα 16.74 GJ/ t)

0.20 0.34

50

Για να λάβουν χώρα οι αντιδράσεις πλήρους καύσης πρέπει να ικανοποιούνται δύο

προϋποθέσεις:

Πρέπει να υπάρχει επαρκής ποσότητα οξυγόνου (από τον αέρα) 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 78.1%

κ.ο. (75.5% κ.β.) άζωτο και 20.9% κ.ο. (23% κ.β.) οξυγόνο, οπότε για να επιτευχθεί

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

απαιτείται για την πλήρη καύση.

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 της αναγκαίας θερμότητας διεξαγωγής των

αντιδράσεων πυροσυσσωμάτωσης, λόγω ατελούς καύσης. Επίσης, η υπερβολική

περίσσεια αέρα έχει οικονομικές επιπτώσεις στη διεργασία. Αυτό συμβαίνει, επειδή

ποσοστό της παραγόμενης θερμότητας καταναλώνεται για την ανύψωση της

θερμοκρασίας της περίσσειας του αέρα (άζωτο και υπολειπόμενο οξυγόνο από το

απαιτούμενο στις αντιδράσεις καύσης) και κατόπιν απάγεται ως λανθάνουσα 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 πυρκαϊάς, 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 απώλειες

θερμότητας στο περιβάλλον, φαινόμενο που έχει οικονομικές επιπτώσεις στο κόστος της

διεργασίας. Οι υποδείξεις των κατασκευαστών καυστήρων προτείνουν, ανάλογα με τον

τύπο του καυσίμου, τα παρακάτω ποσοστά % περίσσειας αέρα:

Φυσικό αέριο 10-20%

51

Πετρέλαιο 10-20%

Λειοτριβημένος άνθρακας 20-25%

Όπως μνημονεύθηκε προηγουμένως, σημαντικό ρόλο στην καύση παίζει και η

θερμοκρασία έναυσης του καυσίμου, η οποία για τους διάφορους τύπους καυσίμων

δίνεται στον Πίνακα 2.4.

Από τον Πίνακα 2.4 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.

Πίνακας 2.4. 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

Είδη καυσίμων της τσιμεντοβιομηχανίας

Τα ορυκτά καύσιμα που χρησιμοποιούνται στις διατάξεις των περιστροφικών καμίνων

είναι τριών ειδών (Πίνακας 2.5):

Αέρια, υγρά, στερεά και εναλλακτικά ή συνδυασμός τουλάχιστον δύο ειδών από τα

παραπάνω.

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

τα υπόλοιπα 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:

Δεν χρειάζεται καμιά προετοιμασία ξήρανση, λειοτρίβηση ή προθέρμανση, όπως τα στερεά ή τα υγρά, αντιστοίχως

52

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

Χρησιμοποιούνται απλά συστήματα καύσης χωρίς ουσιαστική ανάγκη συντήρησης

Παρουσιάζουν 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, που επικρατεί στη ζώνη έναυσης της καμίνου, είναι υψηλότερη

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

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, για λόγους

χαμηλού κόστους, αποκλειστικά βαρέα κλάσματα της απόσταξης αργού πετρελαίου, τα

οποία εμφανίζουν μεγάλο ιξώδες (είναι παχύρρευστα) και απαιτούν ιδιαίτερη

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

ικανοποιητική τους «εκνέφωση», ώστε να προκληθεί ή έναυσή τους. Ουσιαστικής

σημασίας παράγοντας για την καλή λειτουργία της καμίνου είναι η πρόκληση καλής

εκνέφωσης (μικρό μέγεθος σταγονιδίων) των υγρών καυσίμων. Για να προκληθεί

εκνέφωση, απαιτείται επαρκής συμπίεση και κατάλληλο ακροφύσιο. Η ατελής εκνέφωση

(μεγάλο μέγεθος σταγονιδίων καυσίμου) έχει ως αποτέλεσμα ατελή καύση και

δημιουργεί επικάθιση μέρους του «μη καμένου» πετρελαίου στα τοιχώματα της

περιστροφικής καμίνου και ανεπιθύμητη ανάμειξη με την κατεργαζόμενη τροφοδοσία.

Ως στερεά καύσιμα θεωρούνται οι παντός είδους ορυκτοί άνθρακες, ξύλα και επίσης

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

53

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

• 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)

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

«μειονέκτημα» των ανθράκων, επειδή αντικαθιστά μέρος της καύσιμης ύλης 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 οξείδια

αζώτου. Είναι φανερό ότι μεγάλη περιεκτικότητα σε πτητικά συμβάλει στην εύκολη

ανάφλεξη των ανθράκων.

Εναλλακτικά καύσιμα (alternative fuels)

Τα τελευταία χρόνια, για προφανείς περιβαλλοντικούς (ανεξέλεγκτη απόθεση

απορριμμάτων, εξοικονόμηση ορυκτών καυσίμων, μείωση εκπομπών CO2 κλπ.) αλλά και

οικονομικούς λόγους, γίνεται ευρεία χρήση εναλλακτικών (μη συμβατικών) καυσίμων

στην τσιμεντοβιομηχανία για την παραγωγή μέρους της απαιτούμενης ποσότητας

θερμότητας. Τα καύσιμα αυτά παρουσιάζουν πολλές φορές υπέρτερες ιδιότητες έναντι

των συμβατικών καυσίμων όσον αφορά στη θερμογόνο δύναμή τους (Πίνακας 2.5).

Το είδος των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στην τσιμεντοβιομηχανία κατανέμονται

ποσοστιαία κατ’ είδος, σύμφωνα με την ευρωπαϊκή ένωση τσιμεντοβιομηχανιών

(CEMBUREAU), όπως στον Πίνακα 2.6, ενώ η χρήση τους σε διάφορες ευρωπαϊκές

χώρες φαίνεται στο Σχήμα 2.31.

54

Πίνακας 2.5. Είδος και θερμογόνος δύναμη καυσίμων τσιμεντοβιομηχανίας

Πίνακας 2.6. Το είδος των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στην τσιμεντοβιομηχανία

Συμβατικά και εναλλακτικά καύσιμα τσιμεντοβιομηχανίας

Θερμογόνος δύναμη,GJ/tonne

A. Συμβατικά καύσιμα τσιμεντοβιομηχανίας Άνθρακας (6000 kcal/kg) Petcoke Μείγμα άνθρακα-Petcoke

25.333.729.0

B. Εναλλακτικά καύσιμα (alternative fuels)1. Άχρηστα ελαστικά οχημάτων 27-312. Άχρηστα λιπαντικά 333. Βιομηχανικά και άλλα απορρίμματα

Χαρτοπολτός, χαρτί, χαρτόνια Πλαστικά Υλικά συσκευασίας Απορρίμματα υφαντουργίας Άλλα

1721222121

4. Μείγμα οικιακών απορριμμάτων 155. Άλευρα οστών ζώων και ζωϊκά λίπη 196. Ρινίσματα βιομηχανίας ξύλου 137. Διαλύτες (οργανικοί) 248. ΄Αλλα, όπως:

Ιλύς διυλιστηρίων Οργανικά κατάλοιπα διυλιστηρίων Ιλύς βιολογικών καθαρισμών (ξηρή)

13

13-16

Είδος καυσίμου Ποσοστό, %

Petcoke 50.5Άνθρακες 24Πετρέλαιο και βαρέα κλάσματα 5Λιγνίτες και άλλα είδη στερεών καυσίμων 5.5Φυσικό αέριο 1.0Εναλλακτικά καύσιμα 14

55

Σχήμα 2.31. Ποσοστιαία % και απόλυτη κατανάλωση (106 tonnes) εναλλακτικών καυσίμων στην ευρωπαϊκή τσιμεντοβιομηχανία.

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)

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 (segregation) των λεπτομερών τεμαχίων από τα χονδρομερή στους σωρούς

αποθήκευσης, επιβάλλεται διαβροχή των λεπτομερών και ανάμειξη των

56

συσσωματωμάτων με χονδρομερή τεμάχια. Η παραπάνω πρακτική μειώνει το ποσοστό

του άνθρακα που δεν καίεται και επίσης την απαιτούμενη % περίσσεια αέρα.

Στον Πίνακα 2.7 δίνονται ενδεικτικά χαρακτηριστικές φυσικές και χημικές ιδιότητες

ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται στην τσιμεντοβιομηχανία.

Πίνακας 2.7. Χαρακτηριστικές ιδιότητες ορυκτών καυσίμων τσιμεντοβιομηχανίας

Στοιχείο, % περιεκτικότητα

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 (Grosscalorific value),

10500-10700 kcal/kg

ή43.9-44.8 GJ/t

4000 kcal/kg =16.74 GJ/t

Κυμαίνεται μεταξύ4000-6000 kcal/kg(16.74-25.3 GJ/t),Εξαρτάται από τη

γεωλογική του ηλικία

9350 kcal/Nm3

(Συνήθως κυμαίνεται από

9000-11000 kcal/Nm3)

57

Η τέφρα της καύσης – Ενσωμάτωση στο κλίνκερ - Επίδραση στην αναλογία των πρώτων υλών παραγωγής κλίνκερ

Η τέφρα αποτελεί την ανόργανη ύλη των ανθράκων (καύσιμα), η οποία

κυμαίνεται μεταξύ 5-40% στους άνθρακες και αποτελεί το κατάλοιπο της καύσης

Η περιεκτικότητα του καυσίμου σε ανόργανες ύλες άρα και του προϊόντος της

καύσης σε τέφρα επηρεάζει την απόδοση της καύσης. Επίσης, έχει επίδραση στο

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

συγγένειάς της με τα οξείδια της φαρίνας, ενσωματώνεται σε κάποιο ποσοστό

(70-80%) στις παραγόμενες φάσεις του κλίνκερ μεταβάλλοντας την αναλογία

των διαφόρων οξειδίων στο κλίνκερ, οπότε επηρεάζει τις τιμές των δεικτών

στόχων (LSF, SR) και ως εκ τούτου πρέπει να λαμβάνεται πάντοτε υπόψη

(Πίνακας 2.8). Επίσης, έχει σημαντική επίδραση στον εξοπλισμό ελέγχου της

αέριας ρύπανσης και απαιτεί ειδικό εξοπλισμό διαχείρισης των στερεών

καταλοίπων της διεργασίας αλλά και του SO2, που παράγεται λόγω του

περιεχόμενου θείου του καυσίμου. Παρακάτω αναλύεται η επίδραση της

ενσωμάτωσης της τέφρας του καυσίμου στο κλίνκερ.

Πίνακας 2.8. Επίπτωση ενσωμάτωση τέφρας του καυσίμου στο παραγόμενο κλίνκερ [10]

1 2 3 4

Συμβολισμοί

Μείγμα πρώτων υλών (φαρίνα),

% περιεκτικότητα οξειδίων,

επιθυμητές τιμές δεικτών κλίνκερ

% περιεκτικότητα

οξειδίων τέφρας

καυσίμου

Κλίνκερ% περιεκτικότητα

οξειδίων στο κλίνκερ, δείκτες

κλίνκερ, κλπ.

Προκύπτον κλίνκερ(ενσωμάτωση 80% τέφρας στο κλίνκερ

και κατανάλωση καυσίμου 0.15t/t

κλίνκερ)C = % CaO 43.74 8 68.45 67.72S = % SiO2 14.53 48 22.73 23.03

A = % Al2O3 3.41 29 5.36 5.64F = % Fe2O3 1.44

63.12

10 2.25

63.12/0.639= 98.78

2.34Υπόλοιπο, R

CO2, H2O κλπ.100-63.12 36.88 5 1.22 100-98.78 1.27

LSF, % 96 - 96 93.2

SR 3.0 - 3.0 2.89

Από τον προσδιορισμό της αναλογίας ανάμειξης τριών (-3-) δεδομένων πρώτων

υλών για την παραγωγή κλίνκερ (με δείκτες στόχους LSF 96% και SR 3.0),

προέκυψε μια μέση χημική ανάλυση φαρίνας η οποία δίνεται στη στήλη 1 του

Πίνακα 2.8. Το κλίνκερ που θα παραχθεί θα έχει τη χημική ανάλυση της στήλης 3

58

του Πίνακα 2.8. Έχει γίνει η υπόθεση ότι κατά την κλινκεροποίηση θα

απομακρυνθεί, ως CO2 (34.37%) και H2O, μόνο το 36.1% (από το 36.88%, Στήλη

1, Πίνακας 2.8) του υπολοίπου των πρώτων υλών. Οπότε η αναγωγή των

περιεκτικοτήτων της στήλης 1 ως προς το υπόλοιπο 63.9% = (100-36.1)%, δίνει τη

σύσταση της στήλης 3.

Όμως, αν στη διεργασία παραγωγής κλίνκερ χρησιμοποιηθεί καύσιμο με

κατανάλωση 0.15t καυσίμου/t κλίνκερ και τέφρα 10% με χημική ανάλυση της

στήλης 2, και αν υποτεθεί ότι το 80% της τέφρας αυτής ενσωματωθεί στο κλίνκερ,

τότε η ποσότητα της τέφρας που θα καταλήξει στο κλίνκερ θα είναι 0.8x0.15x0.10 =

0.012 t τέφρας/t κλίνκερ. Οπότε, η τελική σύνθεση του προκύπτοντος τελικού

κλίνκερ (100%) θα συνίσταται από 98.8% κλίνκερ της στήλης 3 και 1.2% τέφρα της

στήλης 2. Άρα, το τελικό κλίνκερ θα έχει σύσταση όπως αυτή που δίνεται στη στήλη

4 του Πίνακα. Όμως, λόγω της ενσωμάτωσης της τέφρας στο κλίνκερ,

μεταβάλλονται οι τιμές των δεικτών στόχων και παίρνουν τις τιμές LSF = 93.2%

αντί 96% και SR = 2.89 αντί της τιμής 3.0. Οι παραπάνω διαφοροποιήσεις πρέπει να

λαμβάνονται οπωσδήποτε υπόψη κατά τον προσδιορισμό της αναλογίας των πρώτων

υλών της φαρίνας με μικρή αύξηση των τιμών των δεικτών στόχων (π.χ. LSF και

SR), ώστε οι τιμές των δεικτών τελικώς να προσεγγίζονται ικανοποιητικά μετά την

ενσωμάτωση της τέφρας στο κλίνκερ.

2.6. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΝΑΓΚΑΙΑΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΑΕΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

Ως γενικός κανόνας για την καύση ισχύει ότι, η πιο αποδοτική και συμφέρουσα χρήση

του καυσίμου γίνεται όταν η συγκέντρωση του CO2, που προέρχεται απ΄την καύση, στα

απαέρια είναι μέγιστη. Θεωρητικά αυτό συμβαίνει όταν η παροχή του αέρα είναι τέτοια

ώστε να περιέχει την απαιτούμενη ποσότητα O2 που χρειάζεται ο άνθρακας του

καυσίμου για την καύση του και αναφέρεται ως θεωρητικά απαιτούμενη ποσότητα

αέρα. Η ποσότητα του εισαγόμενου αέρα εξαρτάται από τη χημική σύσταση του

καυσίμου και από την παροχή (ρυθμός τροφοδοσίας) του στον καυστήρα (kg/h, m3/min

κλπ). Επίσης, ο σχεδιασμός αλλά και η κατάσταση του καυστήρα παίζει σημαντικό ρόλο

στην ποιότητα καύσης, δηλαδή στην ποσότητα του απαιτούμενου αέρα καύσης. Είναι

59

προφανές ότι η θεωρητικά απαιτούμενη ποσότητα αέρα δεν είναι ποτέ αρκετή για πλήρη

καύση.

Η απαιτούμενη ποσότητα αέρα για την καύση συγκεκριμένου καυσίμου (θερμογόνος

δύναμη και περιεκτικότητα σε υγρασία) επιβάλει τον καταρχήν υπολογισμό της

θεωρητικά απαιτούμενης ποσότητας αέρα, που είναι συνάρτηση των φυσικοχημικών

ιδιοτήτων του καυσίμου. Η ποσότητα αυτή του αέρα προκύπτει από τη στοιχειομετρική

επεξεργασία των εξώθερμων αντιδράσεων καύσης που θα λάβουν χώρα μέσα στην

κάμινο.

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

ποσότητα του αέρα που θα εισαχθεί στην κάμινο να είναι μεγαλύτερη από αυτή που

προέκυψε από το στοιχειομετρικό υπολογισμό (θεωρητικά απαιτούμενη). Η διαφορά των

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

την % περίσσεια αέρα, δηλαδή

x100Θεωρητική

ΘεωρητικήΠραγματικήαέραΠερίσσεια%

Όπως προαναφέρθηκε, ο προσδιορισμός της θεωρητικά απαιτούμενης ποσότητας αέρα

μπορεί να προκύψει από τη στοιχειακή ανάλυση του καυσίμου με εφαρμογή των

αντιδράσεων πλήρους καύσης του άνθρακα, υδρογόνου και του θείου, τα οποία

αντιδρούν με το οξυγόνο του αέρα προς σχηματισμό CO2, H2O και SO2, αντιστοίχως

(ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ A). Μετά τον προσδιορισμό της ποσότητας (μάζα) του O2,

προσδιορίζεται η θεωρητική ποσότητα του αέρα από την εξίσωση:

23.0

OΜάζααέραΜάζα

2

επειδή είναι γνωστό ότι, η κατά βάρος συμμετοχή του O2 στον αέρα είναι 23% και του

N2 75.5%, ενώ οι κατ΄όγκο περιεκτικότητες 20.95% και 78.1% περίπου.

Εξισώσεις προσδιορισμού ελάχιστης ποσότητας αέρα καύσης

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

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

60

Παροχή αέρα (kg αέρα/kg άνθρακα) = 10.478SCF ,

όπου SCF (standard coal factor) που 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 της θεωρητικά

απαιτούμενης ποσότητας αέρα καύσης.

Μια άλλη εξίσωση από την οποία υπολογίζεται η ελάχιστη παροχή αέρα (σε kg αέρα/kg

καυσίμου), συναρτήσει της στοιχειακής ανάλυσης του καυσίμου (για στερεά και υγρά

καύσιμα), είναι:

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

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

Εφαρμόζοντας τις παραπάνω εξισώσεις για καύσιμο άνθρακα (προέλευσης Ινδίας,

Πίνακας 2.7) 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

(περίπου 1%). Παίρνοντας υπόψη τις τιμές της πυκνότητας του αέρα συναρτήσει της

61

θερμοκρασίας του (Πίνακας 2.9), 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 2.9. Πυκνότητα ξηρού αέρα συναρτήσει της θερμοκρασίας σε πίεση 760 mm Hg

Προσδιορισμός της περίσσειας ή της έλλειψης αέρα στην κάμινο

Ένας από τους κύριους λόγους θερμικών απωλειών στην περοστροφική κάμινο είναι η %

περίσσεια αέρα κατά την καύση.

Η γενική σχέση μεταξύ του παρεχόμενου O2 (στον αέρα) και των CO2 και CO στα

απαέρια δίνεται στο Σχήμα 2.32, από το οποίο διαπιστώνεται ότι, όσο η παρεχόμενη

ποσότητα προσεγγίζει τη θεωρητικά απαιτούμενη, η συγκέντρωση του CO στα απαέρια

μειώνεται γρήγορα. Αυτό συμβαίνει, επειδή άτομα οξυγόνου ενώνονται με το CO και

σχηματίζουν CO2. Η επιπλέον παροχή αέρα συμβάλει στη σταδιακή αύξηση της

συγκέντρωσης του CO2 στα απαέρια.. Όμως, παραπέρα αύξηση (περίσσεια) του

παρεχόμενου αέρα (O2 και N2) προκαλεί αραίωση των απαερίων, με αποτέλεσμα να

μειώνεται η συγκέντρωση του CO2 (Πίνακας 2.11), αλλά και να αυξάνουν οι θερμικές

απώλειες της διεργασίας. Η μέγιστη δυνατή περιεκτικότητα απαερίων CO2 (max)

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

62

αντιστοιχεί σε πλήρη καύση του καυσίμου και είναι συγκεκριμένη για κάθε τύπο

καυσίμου (άνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο κλπ.) (Πίνακας 2.10), δηλαδή κατά κύριο

λόγο εξαρτάται από την περιεκτικότητά σε μόνιμο άνθρακα και είναι 17-20.0% περίπου

για τους διαφόρους τύπους ανθράκων και 15.5-16.5%, 11.8% περίπου στις περιπτώσεις

καύσης πετρελαίου και φυσικού αερίου, αντιστοίχως. Τα παραπάνω ποσοστά

αναφέρονται στη «σπάνια» περίπτωση της στοιχειομετρικής πλήρους καύσης των

καυσίμων.

Σχήμα 2.32. Διακύμανση περιεκτικοτήτων CO, CO2 και O2 στα απαέρια συναρτήσει της περίσσειας αέρα (τύπος καύσης).

Πίνακας 2.10. Μέγιστη περιεκτικότητα απαερίων σε CO2 συναρτήσει των χαρακτηριστικών των καυσίμων

Ιδιότητες καυσίμου Άνθρακας Πετρέλαιο #2

Πετρέλαιο #6

Προπάνιο Φυσικόαέριο

Κώκ

% Άνθρακας, C 94.5 85.84 87.49 81.82 70.93 98.2% Υδρογόνο, H2 5.2 12.46 9.92 18.18 23.47 1.5kcal/kg HHV 7438 10840 10167 12038 12148 9184kcal/kg LHV 7168 10198 9560 11075 10910 9107CO2 max 17 15.6 16.5 13.8 11.8 20.1% Θείο, S 0.034 1.6 1.4 0 0 0% Υγρασία 0.12 0 0 0 0 0.5

63

Πίνακας 2.11. Περιεκτικότητες CO2 και O2 στα απαέρια συναρτήσει της % περίσσειας αέρα

Η περίσσεια του αέρα καύσης δεν μπορεί να προσδιοριστεί παρά μόνο από τη

συγκέντρωση (περιεκτικότητα %) είτε του οξυγόνου, είτε του διοξειδίου του άνθρακα

που προέρχεται από την καύση, στα απαέρια.

Στην πράξη είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται η μέθοδος μέσω της συγκέντρωσης

οξυγόνου για δύο λόγους:

1. Η % περιεκτικότητα σε οξυγόνο μετράται ευκολότερα με τη βοήθεια ενός

ηλεκτροχημικού αισθητήρα, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα μετράται με τη

βοήθεια ενός αισθητήρα υπερύθρων με σχετικό όμως βαθμό ακρίβειας και επίσης

περιλαμβάνει και αυτό που προκύπτει από την πύρωση του ασβαστολίθου

2. Η μέθοδος με την % περιεκτικότητα οξυγόνου δίνει μια μονοσήμαντη τιμή

προσδιορισμού της περίσσειας αέρα, ενώ μια συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε

διοξείδιο του άνθρακα αντιστοιχεί σε δύο σημεία, ένα αριστερά της

στοιχειομετρικής περιοχής καύσης (ατελής καύση) και ένα δεξιά της

στοιχειομετρικής περιοχής καύσης (καύση σε περίσσεια αέρα).

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

CO2 – στα απαέρια (% κατ’ όγκο)% Περίσσεια αέρα καύσης Φυσικό

αέριοΠετρέλαιο

Βιτουμενιούχοι άνθρακες

με 45-86% C

Ανθρακίτηςμε 86-97% C

O2 στα απαέρια

(% κατ’ όγκο)

0 12 15.5 18 20 0

20 10.5 13.5 15.5 16.5 3

40 9 12 13.5 14 5

60 8 10 12 12.5 7.5

80 7 9 11 11.5 9

100 6 8 9.5 10 10

64

συνθήκες ατελούς καύσης μέσα στην κάμινο, λόγω έλλειψης οξυγόνου ή ελλειπούς

ανάμειξης καυσίμου-αέρα, και επιβάλει άμεσο «συναγερμό» στην εγκατάσταση.

Η εξίσωση, από την οποία προσδιορίζεται με σχετική ακρίβεια η % περίσσεια αέρα,

είναι:

x100)μετρούμενη%-20.9

)μετρούμενη%αέραΠερίσσεια%

2

2

O

O

Επίσης, υπάρχουν διαγράμματα που δίνουν την % περίσσεια του τροφοδοτούμενου αέρα

συναρτήσει του ποσοστού % του Ο2 που ανιχνεύεται στα απαέρια, η οποία εξαρτάται,

όπως φαίνεται από το Σχήμα 2.33, από τον τύπο του καυσίμου που χρησιμοποιείται.

Οι σύγχρονες ενεργειοβόρες βιομηχανικές εγκαταστάσεις, όπως είναι οι περιστροφικές

κάμινοι, έχουν συστήματα συνεχούς ανάλυσης και αυτόματης καταγραφής των αερίων

συγκεντρώσεων (Ο2, CO και CO2) μέσα στην κάμινο όσο και στις καπνοδόχους των

απαερίων, για λόγους προστασίας των εγκαταστάσεων και των εργαζομένων από τις

επικίνδυνες εκπομπές αερίων (π.χ CO), αλλά και για λόγους ελέγχου των θερμικών

απωλειών (π.χ. υπερβολική αραίωση CO2 στα απαέρια).

Σχήμα 2.33. Προσδιορισμός της % περίσσειας αέρα συναρτήσει του ποσοστού % Ο2 στα απαέρια.

65

Διοξείδιο του άνθρακα (CO2) στα απαέρια της καμίνου

Όπως έχει τονιστεί επανειλημμένα, το ποσοστό του οξυγόνου (Ο2) στα απαέρια της

καμίνου προέρχεται αποκλειστικά από τον εισαγόμενο αέρα καύσης και είναι συνάρτηση

της ποσότητας του εισαγόμενου αέρα αλλά και του είδους του καυσίμου.

Για τον προσδιορισμό της % περιεκτικότητας των απαερίων σε CO2 που οφείλονται στην

καύση του καυσίμου είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται ο έμμεσος τρόπος

προσδιορισμού, μέσω της % περιεκτικότητας των απαερίων σε O2 και της μέγιστης

δυνατής περιεκτικότητας απαερίων σε CO2 (max) του χρησιμοποιούμενου καυσίμου. Και

τούτο, επειδή μέρος του CO2 που ανιχνεύεται στα απαέρια προέρχεται από την πύρωση

του ασβεστολίθου των πρώτων υλών. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται η παρακάτω

σχέση:

9.20

)απαέριασταμέτρηση(%9.20(max))όγκοκατ΄(% 2

22

OCOCO

Ο έμμεσος προσδιορισμός του CO2 από την παραπάνω σχέση δικαιολογείται από το

Σχήμα 2.32, απ’ όπου διαπιστώνεται ότι ίδια % περιεκτικότητα σε CO2 στα απαέρια

αντιστοιχεί σε δύο διαφορετικές καταστάσεις καύσης (πρβλ. σημεία 1 και 2), δηλαδή σε

συνθήκες είτε ατελούς είτε πλήρους καύσης. Οπότε, η ανίχνευση O2 στα απαέρια

εξασφαλίζει ότι επικρατούν συνθήκες πλήρους καύσης.

Όμως όπως προαναφέρθηκε, 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 καύσης λειοτριβημένου άνθρακα (στοιχειομετρική πλήρης καύση του

άνθρακα και απουσία περίσσειας αέρα στα απαέρια), το μέγιστο δυνατό ποσοστό CO2

(CO2,max) στα απαέρια κυμαίνεται, όπως προαναφέρθηκε, από 11.8-20.0%, ανάλογα με

τον τύπο του καυσίμου (πρβλ. και Σχήμα 2.34 για μηδενική περίσσεια αέρα). Είναι

προφανές ότι οποιαδήποτε περίσσεια αέρα καύσης θα προκαλέσει μείωση αυτού του

ποσοστού, λόγω της αραίωσης του CO2 στα απαέρια (υπολειπόμενο οξυγόνο και άζωτο

του αέρα). Επειδή όμως το ποσοστό του CO2 στα απαέρια κυμαίνεται συνήθως από 22-

28%, είναι προφανές ότι μέρος αυτού (η διαφορά από την παραπάνω προσδιορισμένη

τιμή) οφείλεται στη διεργασία πύρωσης του ασβεστολίθου.

66

Υποθέτοντας 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. Μεγάλη περίσσεια αέρα προκαλεί μείωση της απόδοσης καύσης

του καυσίμου, λόγω απαγωγής στο περιβάλλον ποσότητας της παραγόμενης θερμότητας,

οπότε, η κατανάλωση καυσίμου ανά τόνο παραγόμενου κλίνκερ είναι μεγαλύτερη. Από

τα παραπάνω είναι προφανές ότι το % ποσοστό του CO2 στα απαέρια πρέπει να

διατηρείται στη μέγιστη δυνατή τιμή κατά τη λειτουργία της καμίνου, για λόγους

περιορισμού των θερμικών απωλειών και χρησιμοποίησης της μέγιστης δυνατής

ποσότητας της εκλυόμενης θερμότητας του καυσίμου στις διεργασίες κλινκεροποίησης

(πυροσυσσωμάτωση).

Σχήμα 2.34. Μεταβολή περιεκτικοτήτων CO2 και O2 στα απαέρια συναρτήσει της % περίσσειας αέρα και του τύπου του καυσίμου.

Οι αναλυτές CO2 συνεχούς λειτουργίας μέσα στην κάμινο είναι συμπληρωματικές

διατάξεις που δίνουν ενδείξεις για τη σωστή λειτουργία της καμίνου, ιδιαιτέρως στη

ζώνη πύρωσης. Χρησιμεύουν για την έγκαιρη διαπίστωση «διαταραχών» στην περιοχή

67

αυτή, οι οποίες επηρεάζουν ταχύτατα τις διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης που

ακολουθούν.

Από διάγραμμα (Σχήμα 2.35) μπορεί να προσδιοριστεί με καλή προσέγγιση η %

περίσσεια του τροφοδοτούμενου αέρα για καύση πετρελαίου, συναρτήσει του ποσοστού

% του CO2 που ανιχνεύεται στα απαέρια. Από το παραπάνω διάγραμμα και για αποδεκτή

ποιότητα καύσης πετρελαίου (με περιεκτικότητα καυσαερίων 9-13% σε CO2 στα

καυσαέρια), η περίσσεια αέρα που απαιτείται κυμαίνεται μεταξύ 20-70%.

Σχήμα 2.35. Προσδιορισμός της % περίσσειας αέρα συναρτήσει του ποσοστού % CO2 στα απαέρια, κατά την καύση πετρελαίου.

Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) στα απαέρια της καμίνου

Ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις, το CO είναι εκρηκτικό αέριο και είναι ιδιαίτερα

επικίνδυνο για πρόκληση εκρήξεων. Για την ασφαλή λειτουργία των εγκαταστάσεων

παραγωγής κλίνκερ, είναι απαραίτητο να ελέγχονται προσεκτικά με συνεχείς μετρήσεις

οι περιεκτικότητες σε CO και NOx (οξείδια του αζώτου) στα απαέρια, ώστε να

εξασφαλίζεται πάντοτε περίσσεια αέρα καύσης που είναι απαραίτητη για την επίτευξη

πλήρους καύσης του άνθρακα σε CO2. Οι περιστροφικές κάμινοι συνήθως λειτουργούν

με τέτοια περίσσεια αέρα ώστε να διαπιστώνεται περιεκτικότητα O2 τουλάχιστον 1.5-

2.5% στα απαέρια, γεγονός που εξασφαλίζει την επίτευξη συνθηκών πλήρους καύσης.

Ως συμπληρωματικό μέτρο ασφάλειας χρησιμοποιείται η συνεχής μέτρηση της

συγκέντρωσης του CO, η οποία σε περίπτωση έλλειψης περίσσειας αέρα αυξάνει.

68

Επίσης, πιθανή παρουσία μονοξείδιου του άνθρακα (CO) στην περιοχή του πύργου

προθέρμανσης οφείλεται τόσο στην έλλειψη περίσσειας αέρα καύσης όσο και στη

θερμοκρασία. Άλλη περίπτωση κινδύνου αύξησης της συγκέντρωσης και διαπίστωσης

παρουσίας CO στην ίδια περιοχή οφείλεται στη δέσμευση (άρα έλλειψη για την καύση)

ποσότητας O2 για το σχηματισμό των θειϊκών και χλωριούχων ενώσεων των αλκαλίων,

λόγω συμπύκνωσης των πτητικών ενώσεων στα τοιχώματα του συστήματος

προθέρμανσης/ασβεστοποίησης.

Σε περιπτώσεις ανίχνευσης CO, για την αποφυγή πιθανών εκρήξεων, διακόπτεται

αμέσως η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους ηλεκτροστατικούς διαχωριστές δέσμευσης

της λεπτομερούς σκόνης των απαερίων για χρονικό διάστημα 2-3 min. Το γεγονός αυτό

γίνεται εμφανές από τη διαφυγή, υπό μορφή μαύρου καπνού, λεπτομερών εκπομπών

στην ατμόσφαιρα.

Η σχέση μεταξύ συγκέντρωσης CO, ποσοστού (%) Ο2 στα απαέρια και %

περίσσειας αέρα δίνεται στο διάγραμμα (Σχήμα 2.36), στο οποίο σημειώνεται η

ευνοϊκή περιοχή λειτουργίας της περιστροφικής καμίνου.

Σχήμα 2.36. Σχέση μεταξύ συγκέντρωσης CO και περιεκτικότητας (%) O2 στα απαέρια.

2.7. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΛΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΚΑΜΙΝΟ

69

1. Τα απαέρια της καμίνου πρέπει υπό κανονικές συνθήκες να περιέχουν 0.7-3.5%

O2 (με προτιμότερες τιμές μεταξύ 1.5-2.5%) για να μην υπάρχουν υπερβολικές

θερμικές απώλειες στη διεργασία (Σχήμα 2.36)

2. Τα απαέρια πρέπει επίσης να περιέχουν το μεγαλύτερο δυνατό ποσοστό % CO2,

γεγονός που εξασφαλίζει καλή ποιότητα καύσης (μεγάλη απόδοση, Eff, max) με τη

μικρότερη δυνατή περίσσεια αέρα. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχουν μεγάλες

απώλειες θερμότητας στα απαέρια, δηλαδή δεν θερμαίνεται άσκοπα υπερβολική

ποσότητα αέρα (Σχήμα 2.37)

3. Τα απαέρια σε καμμία περίπτωση δεν πρέπει να περιέχουν μονοξείδιο του

άνθρακα (CO). Το όριο άμεσου συναγερμού είναι 100 ppm (0.01% CO).

Οι σχέσεις μεταξύ απόδοσης καύσης - % περίσσειας αέρα, απόδοσης καύσης -

θερμοκρασίας απαερίων και % απωλειών θερμότητας στα απαέρια-διαφοράς

θερμοκρασιών εισαγόμενου αέρα & απαερίων (συναρτήσει της % περιεκτικότητας CO2

στα απαέρια) δίνονται στα Σχήματα 2.38, 2.39 και 2.40, που ακολουθούν.

Σχήμα 2.37. Γενική απεικόνιση διεργασιών καύσης και συγκεντρώσεων αερίων στα απαέρια

70

Σχήμα 2.38. Σχέση μεταξύ % απόδοσης καύσης και % περίσσειας αέρα στα απαέρια.

Σχήμα 2.39. Σχέση μεταξύ % απόδοσης καύσης πετρελαίου και θερμοκρασίας απαερίων.

71

Σχήμα 2.40. Σχέση μεταξύ % απωλειών θερμότητας – θερμοκρασιακής διαφοράς εισαγόμενου αέρα και απαερίων (για διάφορες τιμές % περιεκτικότητας CO2).

72

3. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 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 5-6 % δηλ.

3.1. Τσιμέντο Portland (OPC), Type I

(C3S+C2S) 67%

CaO/SiO2 2

MgO 5-6 %

Τα άλλα πρόσθετα (Πίνακας τύπων τσιμέντου Ευρωπαϊκού Προτύπου, Πίνακες 5.1

έως 5.6-Κεφάλαιο 5) 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, βελτιώνουν τις ιδιότητές του στην παραγωγή σκυροδέματος

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

μειώνουν το κόστος παραγωγής του.

Επειδή το ευρωπαϊκό πρότυπο δεν περιλαμβάνει λεπτομερώς τις περιεκτικότητες των

διάφόρων οξειδίων στο κλίνκερ, χρησιμοποιείται ένας δείκτης ο οποίος ονομάζεται

«δείκτης κορεσμού σε άσβεστο" (LSF, Lime Saturation Factor). Ο δείκτης αυτός για τους

διάφορους τύπους τσιμέντου μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 0.66 και 1.02 και δίνεται από:

73

)(%65.0)(%18.1)(%8.2

)(%7.0)(%0.1

32322

3

OFeOAlSiO

SOCaOLSF

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

τσιμέντο. Η τιμή του LSF καθορίζει την αναλογία αλίτη (C3S) προς βελίτη (C2S) στο

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

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

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

διεργασία ενυδάτωσης του τσιμέντου. Η θεωρητική τιμή του LSF, που εξασφαλίζει την

κατανάλωση όλου του CaO της φαρίνας στις φάσεις του κλίνκερ, είναι 1.0. Όμως, λόγω

της αδυναμίας πλήρους ομογενοποίησης της φαρίνας υπάρχουν περιοχές με περίσσεια

και έλλειψη CaO, όπότε για το λόγο αυτό τίθεται άνω όριο μεγαλύτερο του 1.0. Τιμή του

LSF μικρότερη από 0.66, προκαλεί προβλήματα κατά την πυροσυσσωμάτωση με

αποτέλεσμα το ποσοστό % του πυριτικού τριασβέστιου (C3S, 3CaOSiO2) στο

παραγόμενο κλίνκερ να είναι χαμηλό. Έτσι, το σκυρόδεμα δεν μπορεί να αποκτήσει την

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

οφείλεται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό στο C3S. Στα παραγόμενα σήμερα κλίνκερ οι

τυπικές τιμές του LSF κυμαίνονται μεταξύ 0.92-0.98.

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

3232

2

%%

%

OFeOAl

SiOSR

Ο πυριτικός δείκτης δίνει τη σχετική τιμή των συνολικών ασβεστοπυριτικών ενώσεων

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

μεταξύ 1.9-3.2 με επιθυμητές αυτές μεταξύ 2.2 και 2.8. Αύξηση της τιμής του λόγου SR

έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των περιεχόμενων πυριτικών ενώσεων εις βάρος των

φάσεων C3Α και C4ΑF, οι οποίες καθορίζουν την ποσότητα της υγρής φάσης κατά την

τήξη των πρώτων υλών, δηλαδή επηρεάζουν την εψησιμότητά τους.

O λόγος ΑR (Alumina Ratio ή Alumina modulus), 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 2.5, ενώ η

74

επιθυμητή τιμή είναι κοντά στο 1.4 (Σχήμα 3.1), περιοχή στην οποία εξασφαλίζεται η

μεγαλύτερη ποσότητα υγρής φάσης (άρα ευκολία στην έψηση) σε σχετικά χαμηλές

θερμοκρασίες.

32

32

%

%

OFe

OAlAR

Σχήμα 3.1.. Βέλτιστα όρια μεταβολής των τιμών δεικτών ποιότητας κλίνκερ για εξασφάλιση κατάλληλων συνθηκών έψησης του κλίνκερ [55].

Στον Πίνακα 3.2, καταγράφονται και αναλύονται οι παράγοντες ελέγχου της διεργασίας

έψησης και επίπτωση στις ιδιότητες του κλίνκερ και του τσιμέντου

3.2. 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

75

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.

Σχήμα 3.2.Ταχύτητα ενυδάτωσης των διαφόρων φάσεων του τσιμέντου και προϊόντα ενυδάτωσής τους.

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

(workability) της τσιμεντοκονίας και για την αρχική θερμότητα ενυδάτωσης και πήξης

του τσιμέντου, 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 (τα λευκά τσιμέντα έχουν %Fe2O3 ≤ 0.6). Όσο μεγαλύτερο ποσοστό C4AF

υπάρχει στο κλίνκερ, τόσο πιο σκούρο είναι ένα τσιμέντο και επίσης, επειδή ο σίδηρος

δρα ως ρευστοποιητής (μειώνει τη θερμοκρασία τήξης) κατά τη διεργασία παραγωγής

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

όταν υπάρχει Fe2O3 στις πρώτες ύλες.

76

Tricalcium silicate (C3S, Alite)

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

πήξη και την αρχική αντοχή. Γενικώς, η ανάπτυξη πρώϊμης (αρχικής) αντοχής του

σκυροδέματος είναι μεγαλύτερη, όσο αυξημένη είναι η περιεκτικότητα του τσιμέντου σε

C3S. Τα κύρια χαρακτηριστικά της παρουσίας του C3S στο τσιμέντο είναι:

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 σχετική 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 = 4.071CaO(%) – (7.6SiO2 + 6.718Al2O3 + 1.43Fe2O3 + 2.852SO3)(%)

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

77

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

ενυδάτωσης του C2S

Αναπτυσσόμενη θερμότητα: 260 kJ/kg σε βάθος χρόνου ετών (≈200 kJ/kg για

χρονικό διάστημα μεγαλύτερο των 90 ημερών)

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 πήξης του τσιμέντου και έτσι συμβάλλει σημαντικά στην αντοχή του

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

C2S = 2.87SiO2 (%) – 0.7544C3S (%)

Tricalcium Aluminate (C3A)

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 αρχικής αντοχής (early strength)

Χαμηλή συμβολή στην τελική αντοχή

Δεν 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 ακόμη και σε χρονικό

διάστημα 3 ημερών: 900 kJ/kg

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

διαφορετικά ένυδρα προϊόντα σύμφωνα με την αντίδραση:

2C3Α + 21Η = C4AH13 + C2AH8

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

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

78

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

ταχείας πήξης του τσιμέντου προστίθεται γύψος στο τσιμέντο και σχηματίζεται το

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

C3Α + 3CaSO42H2O + (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 (C4AF, 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 (σε βάθος χρόνου)

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

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

C4ΑF = 3.04Fe2O3

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 3.1. Θερμότητα εκλυόμενη κατά την ενυδάτωση των ενώσεων του τσιμέντου

Θερμότητα ενυδάτωσης, (kJ/kg)Συστατικό

Αρχικά στάδια Κατά Taylor (πλήρης)

C3S 243 (3 ημερών) 517 (1 έτος)

C2S 105 (ελάχιστη 28 ημερών) 262 (> 1 έτος)

C3A 867 (3 ημερών) 1144 (> 1 έτος)

C4AF 289 (3 ημερών) 418

79

Αλκάλια (Na2O + K2O)

Στην παραγωγή σκυροδέματος πρέπει να χρησιμοποιούνται τσιμέντα με χαμηλή

περιεκτικότητα σε αλκάλια, όταν χρησιμοποιούνται αδρανή που περιέχουν

διοξείδιο του πυριτίου (SiO2). Τα αλκάλια προωθούν (διευκολύνουν) τις

αντιδράσεις με το άμορφο πυριτικό. Τα περιεχόμενα αλκάλια συμβάλλουν στην

επιτάχυνση απόκτησης της πρώιμης 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

με υγρή μέθοδο περιέχει μικρότερο ποσοστό αλκαλίων συγκρινόμενο με εκείνο

της ξηρής μεθόδου

Η περιεκτικότητα σε αλκάλια λαμβάνεται υπόψη στη μεθοδολογία του Bogue

σύμφωνα με την εξίσωση:

%Na2O (συνολικό)= %Na2O + 0.658(%K2O)

80

Πίνακας 3.2. Παράγοντες ελέγχου της διεργασίας έψησης και επίπτωση στις ιδιότητες του κλίνκερ και του τσιμέντου

ΕπιπτώσειςΔείκτης Εξισώσεις Περιορισμοί Τιμές μεγαλύτερες από τις συνήθεις

(LSF) – LimeSaturation

Factor

Όριαδιακύμανσης

0.66-1.02

Συνήθεις τιμές0.92 – 0.98

100 C / (2.8S +1.65A +0.35F)

100C / ( 2.8 S + 1.1 A + 0.7 F )

100 (C+0.75 M) / 2.8S + 1.18 A +0.65 F 100

( C + 1.5M) / 2.8 S + 1.8 A+0.65 F

Όταν:

AM >0.64

AM < 0.64

M < 2.0 %

M > 2.0 %

1. Δυσκολεύει την εψησιμότητα της φαρίνας2. Οδηγεί στην παραγωγή κακής ποιότητας τσιμέντου (με μεγάλη περιεκτικότητα σε ελεύθερη άσβεστο CaOfree)3. Αυξάνει την ποσότητα του παραγόμενου C3S εις βάρος της περιεκτικότητας σε C2S4. Έχει ως αποτέλεσμα την αργή πήξη, αλλά με μεγάλη ανάπτυξη αρχικής αντοχής

SR ή SMSilica Ratio,

Silica Modulus

Όρια διακύμανσης

1.9 – 3.2

S / (A+F)

SR ή SM

Επιθυμητές τιμές

2.3 – 2.8

1. Δυσκολεύει την εψησιμότητα της φαρίνας και αυξάνει την κατανάλωση καυσίμων2. Οδηγεί στην παραγωγή κακής ποιότητας τσιμέντου λόγω μεγάλης περιεκτικότητα σε ελεύθερη άσβεστο CaOfree

3. Δυσκολεύει το σχηματισμό δακτυλιοειδούς επένδυσης εσωτερικά (θωράκισης) της καμίνου με αποτέλεσμα την απώλεια μεγάλης ποσότητας θερμότητας λόγω ακτινοβολιών4. Μειώνει τη διάρκεια ζωής των πυρίμαχων τούβλων της καμίνου5. Έχει ως αποτέλεσμα την αργή πήξη και σκλήρυνση του τσιμέντου

AR ή AMAlumina Ratio ή

Alumina Modulus

Όρια διακύμανσης

1.0 – 2.5

A / F

AR ή AM

Επιθυμητή τιμή 1.4

1. Δυσκολεύει την εψησιμότητα της φαρίνας και αυξάνει την κατανάλωση καυσίμων2. Αυξάνει το ποσοστό του C3A και μειώνει το ποσοστό του C4AF3. Αυξάνει τα ποσοστά των C3S και C2S4. Μειώνει την ποσότητα της υγρής φάσης και της δυναμικότητας της καμίνου5. Προσδίδει ιδιότητες ταχείας αρχικής πήξης και ανάπτυξης αρχικής αντοχής στο τσιμέντο6. Αυξάνει το ιξώδες της υγρής φάσης υπό σταθερή θερμοκρασία

81

ΕλεύθεροSiO2 free

Όρια διακύμανσης

0 – 3 %

Όσο το δυνατόν μικρότερη

περιεκτικότητα

1. Αυξάνει τις ενεργειακές καταναλώσεις2. Δυσκολεύει το σχηματισμό δακτυλιοειδούς

θωράκισης3. Επιδρά δυσμενώς στη πυρίμαχη επένδυση της

καμίνου4. Αυξάνει τις απώλειες θερμότητας μέσω

ακτινοβολιών5. Αυξάνει τη θερμοκρασία εξόδου των απαερίων

(απώλειες θερμότητας)

Οξείδιο του μαγνησίου(MgO), M

Όρια διακύμανσης

0 – 6 %

Επιθυμητές τιμές

(MgO), M0 – 2 %

1. Μειώνει το ιξώδες και την επιφανειακή τάση της υγρής φάσης και αυξάνει την ιοντική κινητικότητα

2. Ευνοεί τη διάλυση του C2S και του CaOfree σε υψηλότερες θερμοκρασίες και οδηγεί σε ταχύτερο σχηματισμό C3S

3. Οδηγεί σε σφαιροποίηση του υλικού στη ζώνη κλινκεροποίησης, και επιδρά σημαντικά στη λειτουργία της καμίνου

4. Οδηγεί στην παραγωγή κακής ποιότητας τσιμέντου (προβλήματα σταθερότητας όγκου), λόγω μεγάλης περιεκτικότητας σε περίκλαστο όταν 2.0% < M (MgO) < 6 %

5. Αυξάνει τα ποσοστά του C3S και του τήγματος, χωρίς όμως καμμιά επίδραση στο C2S ( για M < 2 %)

Όπου: C = CaO %, S = SiO2 %, A = Al2O3 %, F = Fe2O3 % και Μ = MgO %

82

3.3. Διαμόρφωση 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. Διαφοροποιήσεις

στη θερμοκρασία παραγωγής και στο ρυθμό ψύξης μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές

αλλαγές στην πραγματική σύνθεση του προϊόντος.

Οι ποσοτικές προσδιορισμός των φάσεων του 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 + %Mn2O3 (1)

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

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.

83

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)

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:

84

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:

Al2O3 = (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 Al2O3 ενώνεται με το CaO και δίνει C3A. Η ποσότητα του CaO, που

χρειάζεται είναι:

85

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 (%Al2O3) – 0.64 x (%Fe2O3)] ή

Τελικά % (C3A) = 2.65 x (%Al2O3) – 1.696 x (%Fe2O3),

η οποία 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:

Α. 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)

C3S = 4.071 (% CaO) - 7.6 (% SiO2) - 6.718 (% Al2O3) – 1.43 (% Fe2O3) -

2.852 (% SO3)

B. Περίπτωση II: A/F < 0.64 (αναλογία μοριακών βαρών Al2O3 και Fe2O3)

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

C3A = 0 (δεν απομένει ελεύθερο Al2O3, μετά το σχηματισμό του C4AF)

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

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

2.852 (% SO3)

86

Παράδειγμα:

Δεδομένα: Περιεκτικότητα % κ.β. των πρώτων υλών σε οξείδια (Raw material oxide composition)

CaO = 63 (% κ.β.)

SiO2 = 20

Al2O3 = 6

Fe2O3 = 3

MgO = 1.5

SO3 = 2

Αλκάλια (Κ2Ο, Νa2O) = 1

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

Περίπτωση Ι: "Πιθανή" % αναλογία κλίνκερ στις διάφορες φάσεις

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)

87

4. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΟΥ ΜΕΙΓΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ

ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΚΛΙΝΚΕΡ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

Στο παρόν κεφάλαιο εξετάζεται η μαθηματική 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 στα διάφορα οξείδια 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, κατάλληλη περιεκτικότητα

και αναλογία των διαφόρων φάσεων μεταξύ τους κλπ.).

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

αναλογία τους στο μείγμα, από την πυρομεταλλουργική κατεργασία στην οποία υποβάλλονται

και από την ταχύτητα ψύξης του.

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 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 συμπεριφορά του τσιμέντου που θα παραχθεί και καθορίζει τα πεδία

εφαρμογής του (καταλληλότητα) για ορισμένες χρήσεις.

Παρακάτω αναπτύσσεται η μεθοδολογία και ο τρόπος προσδιορισμού της αναλογίας των

πρώτων υλών υπό «στατικές» συνθήκες (steady state conditions) με στόχο την παραγωγή του

88

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.

4.1. 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 [2]. 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» ή τσιμέντα γενικής χρήσης

(OPC, ordinary Portland cement). Η τυπική σύσταση των τσιμέντων αυτού του τύπου είναι:

55% (C3S), 19% (C2S), 10% (C3A), 7% (C4AF), 2.8% MgO, 2.9% (SO3), 1.0% απώλεια

πύρωσης και 1.0% ελεύθερη άσβεστο (CaOfree).

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%.

Έχουν ευρύτατη χρήση σήμερα, επειδή έχουν ίδια συμπεριφορά με αυτά του τύπου I. Η τυπική

τους σύσταση είναι:

51% (C3S), 24% (C2S), 6% (C3A), 11% (C4AF), 2.9% MgO, 2.5% (SO3), 0.8% απώλεια

πύρωσης και 1.0% ελεύθερη άσβεστο (CaOfree).

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 λίγο

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, αλλά ελάχιστα μικρότερη αντοχή σε βάθος

χρόνου. Η τυπική τους σύσταση είναι:

57% (C3S), 19% (C2S), 10% (C3A), 7% (C4AF), 3.0% MgO, 3.1% (SO3), 0.9% απώλεια

πύρωσης, και 1.3% ελεύθερη άσβεστο (CaOfree). Τσιμέντα αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται σε

προκατασκευασμένα στοιχεία σκυροδέματος, σε επισκευαστικά κονιάματα, σε βάσεις έδρασης

μηχανών κλπ.

89

Τα τσιμέντα τύπου IV κατά ASTM χαρακτηρίζονται ως τσιμέντα χαμηλής αρχικής θερμότητας

ενυδάτωσης (μικρό ή ενδιάμεσο ποσοστό % C3S) και μικρό ποσοστό C3A.

Το ποσοστό σε C3A δεν μπορεί να υπερβαίνει το 7% και το 35% σε C3S, αντιστοίχως. Τα

χαρακτηριστικά αυτά τα κάνουν κατάλληλα για ογκώδεις κατασκευές (φράγματα κλπ.) με

μεγάλο λόγο όγκου προς εξωτερική επιφάνεια, όπου η απότομη αύξηση της εκλυόμενης

θερμότητας ενυδάτωσης πρέπει να αποφεύγεται για λόγους προστασίας των έργων από

ρωγματώσεις. Έχουν το χαρακτηριστικό ότι μετά την πάροδο δύο ετών η αντοχή των

κατασκευών είναι μεγαλύτερη, εφόσον βέβαια έχουν συντηρηθεί σωστά.

Η τυπική τους σύσταση είναι:

28% (C3S), 49% (C2S), 4% (C3A), 12% (C4AF), 1.8% MgO, 1.9% (SO3), 0.9% απώλεια

πύρωσης, και 0.8% ελεύθερη άσβεστο (CaOfree).

Τσιμέντα ASTM Type IV δεν παρασκευάζονται τα τελευταία χρόνια, επειδή έχουν

αντικατασταθεί από σύνθετα τσιμέντα με ποζολάνη και αλεσμένη σκωρία (σκωριοτσιμέντα), τα

οποία είναι φθηνότερα και αποτελούν μια πολύ καλή εναλλακτική λύση.

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

πρέπει να ικανοποιούν τον περιορισμό (C4AF%)+(2·C3A%)≤20%. Είναι ανθεκτικά σε θειϊκές

ενώσεις (π.χ. κατάλληλα για έργα σκυροδέματος σε θαλάσσιο περιβάλλον) και η τυπική τους

σύσταση είναι:

38% (C3S), 43% (C2S), 4% (C3A), 9% (C4AF), 1.9% MgO, 1.8% (SO3), 0.9% απώλεια πύρωσης,

και 0.8% ελεύθερη άσβεστο (CaOfree).

Τα τσιμέντα αυτού του τύπου, όπως και αυτά τύπου ASTM Type IV, δεν παρασκευάζονται

συχνά σήμερα και τείνουν να αντικατασταθούν από διμερή σύνθετα τσιμέντα (κοινό+αλεσμένη

σκωρίας υψικαμίνων, OPC+GGBFS) ή από τριμερή με σύσταση: (κοινό τσιμέντο+αλεσμένη

σκωρία+ιπτάμενη τέφρα, OPC+slag+fly ash).

Στον Πίνακα 4.1 δίνεται η σύσταση των διαφόρων τύπων τσιμέντων σύμφωνα με το αμερικανικό

πρότυπο ASTM.

Επίσης, στον Πίνακα 4.2 δίνονται οι τυπικές τιμές των δεικτών SR (πυριτικός δείκτης), AR

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

τσιμέντων του αμερικανικού πρότυπου του Πίνακα 4.1.

90

Είναι γνωστό ότι οι LSF, SR, AR και Leq χαρακτηρίζονται ως δείκτες ποιότητας του κλίνκερ και

κατ’ επέκταση και του τσιμέντου, που θα παραχθεί με συνάλεση του κλίνκερ με διάφορες άλλες

ανόργανες προσθήκες. Οι τιμές των δεικτών εκφράζονται από τις εξισώσεις (1), (2), (3) και (4).

Πίνακας 4.1. Σύσταση διαφόρων τύπων αμερικανικών τσιμέντων Portland, [2]

Χημική σύσταση κλίνκερ % Φάσεις κλίνκερ, %Τύπος τσιμέντου

κατά ASTM CaO Al2O3 Fe2O3 SiO2 SO3Free CaO

C3S C2S C3A C4AF

I1 63.8 5.6 2.4 20.7 1.6 0.4 55 18 11 7Ι2 63.1 4.7 3.0 22.1 1.7 0.2 47 28 7 9I3 65.8 4.7 2.1 22.2 1.6 1.6 54 23 9 6

I

I4 62.8 6.7 2.5 21.1 1.8 2.0 33 35 14 8II1 61.4 4.8 4.8 20.8 1.8 0.9 44 26 5 15

IIII2 64.9 4.0 2.1 24.0 1.7 1.5 41 38 7 6III1 65.6 5.2 2.5 20.0 2.3 1.8 63 10 10 8

IIIIII2 63.3 5.1 2.0 20.3 2.5 1.9 51 19 10 6IV1 59.6 4.6 5.0 22.9 1.3 0.4 25 47 4 15

IVIV2 63.6 3.7 3.1 25.2 1.9 0.4 31 49 5 9V1 64.3 3.1 3.3 24.4 1.4 0.5 45 36 3 10

VV2 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∙Al2O3, C4AF = 4CaO Al2O3 Fe2O3 είναι οι κυριότερες φάσεις του κλίνκερ, των οποίων η % ποσοστιαία συμμετοχή προσδιορίζεται με διάφορες μεθόδους (Bogue, Rietveld, XRD, οπτική μικροσκοπία κλπ.).

)%(

%

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)

Από τις σχέσεις (1), (2), (3) και (4), με κατάλληλη επεξεργασία, προέκυψε ότι η σχέση, που

συνδέει τους δείκτες ποιότητας κλίνκερ μεταξύ τους, είναι:

91

65.018.1)1(8.2

)1()1(100

ARARSR

SRARLeqLSF (5)

Πίνακας 4.2. Τυπικές τιμές των δεικτών SR, AR, Leq και του LSF για την ανάμειξη των πρώτων υλών προς παραγωγή τσιμέντων του αμερικανικού πρότυπου (ASTM) του Πίνακα 4.1. [2]

Με τη βοήθεια της εξίσωσης (5) συμπληρώθηκε ο Πίνακας 4.2, που αναφέρεται στα τσιμέντα

του αμερικανικού προτύπου του Πίνακα 4.1, 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 I1, I3, III1 και III2

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

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

Ο δείκτης LSF είναι ο σπουδαιότερος δείκτης για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας του τσιμέντου

και οι τιμές του μπορούν να κυμαίνονται μεταξύ 0.66-1.02.

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

κλίνκερ, δεν παραμένει ελεύθερο οξείδιο του ασβεστίου (CaOfree), 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 σοβαρά προβλήματα κατά την πυροσυσσωμάτωση (έψηση)

και έχει ως αποτέλεσμα χαμηλό ποσοστό C3S στο παραγόμενο κλίνκερ. Έτσι, το σκυρόδεμα δεν

Τύπος τσιμέντου

κατάASTM

SR(πυριτικός δείκτης)

AR(αργιλικός δείκτης)

Leq , (υδραυλικός

δείκτης)

LSF,(βαθμός

κορεσμού σε άσβεστο), %*

I1 2.6 2.3 2.2 95.43Ι2 2.9 1.6 2.1 90.04I3 3.3 2.2 2.3 96.45

I

I4 2.3 2.7 2.1 92.69II1 2.2 1.0 2.0 90.46

IIII2 3.9 1.9 2.2 90.46III1 2.6 2.1 2.4 102.81

IIIIII2 2.9 2.6 2.3 98.00IV1 2.4 0.9 1.8 80.30

IVIV2 3.7 1.2 2.0 83.19V1 3.8 0.9 2.1 87.34

VV2 2.9 0.7 2.0 86.78

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

92

μπορεί να αποκτήσει σημαντική πρώϊμη αντοχή, που οφείλεται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό

στην ενυδάτωση τυο πυριτικού τριασβέστιου (C3S, 3CaOSiO2 ).

Ο πυριτικός δείκτης SR δίνει τη σχετική τιμή του συνόλου πυριτικών φάσεων (C3S+C2S) % προς

τις φάσεις C3Α και C4ΑF που υπάρχουν στο κλίνκερ. Οι τιμές του συνήθως κυμαίνονται μεταξύ

1.9-3.2 με επιθυμητές αυτές μεταξύ 2.2 και 2.8. Αύξηση της τιμής του λόγου SR έχει ως

αποτέλεσμα την αύξηση των περιεχόμενων πυριτικών φάσεων 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 2.5.

Η συνολική % περιεκτικότητα του κλίνκερ του τσιμέντου στις πυριτικές φάσεις C3S και C2S

κυμαίνεται μεταξύ 70-82%, 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 (CaOfree)

4.2. Πρώτες ύλες τσιμέντου

Στους Πίνακες 4.3, 4.4 και 4.5, 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) πρώτων υλών για την

παραγωγή τσιμέντων κοινού τύπου (OPC) και επίσης φαίνεται η μέση περιεκτικότητα της

τροφοδοσίας (φαρίνα) 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 περισσότερων 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-

93

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 πυροσυσσωμάτωσης.

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 (Σχήμα 4.1), γεγονός που επηρεάζει

σημαντικά τη διεργασία παραγωγής του τσιμέντου.

Στη διαδικασία παραγωγής της κατάλληλης τροφοδοσίας σημαντικότατο ρόλο επίσης παίζουν,

όχι μόνο η χημική σύσταση, αλλά και οι φυσικομηχανικές ιδιότητες (σκληρότητα, αντοχή,

κοκκομετρία 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 επίσης και στη μέση τροφοδοσία στα

διάφορα οξείδια (CaO, SiO2, Al2O3 και Fe2O3) στη φαρίνα. Το πρόβλημα αυτό επιβάλλει την

ύπαρξη διαφορετικών θερμοκρασιών (διαφορές μέχρι και 150οC) για την τήξη και την έψηση

των διαφόρων κοκκομετρικών κλασμάτων και την επίτευξη ομοιομορφίας ως προς το ιξώδες

(ρευστότητα) της υγρής φάσης. Τα παραπάνω έχουν σημαντικές επιπτώσεις τόσο στην

κατανάλωση καυσίμων (κόστος λειτουργίας της μεθόδου), στην προστασία των πυρίμαχων

επενδύσεων της περιστροφικής καμίνου, όσο και στην παραγόμενη ποσότητα της ελεύθερης

ασβέστου που προκύπτει.

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).

94

Πίνακας 4.3. Τυπική ανάλυση τροφοδοσίας πρώτων υλών για την παραγωγή κοινού τύπου τσιμέντου (OPC, Ordinary Portland Cement) κατά ASTM [9]

Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό), %Στόχος % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων

υλών παραγωγής κλίνκερ

1Ασβεστόλιθος

2Αργιλοπυρι-τικό υλικό

3Χαλαζιακή

άμμος

4Σιδηρο-

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*

Αναγωγή % στο υπόλοιπο 66.45% του υλικού μετά την κλινκεροποίηση (33.55% CO2

αντιστοιχεί σε 42.7% CaO)

Ελεύθερηάσβεστος(CaO)

- - - - - 1.0*

CaCO3 77.8 95.9 27.5 1.8 4.8 -C3S (Bogue) - - - - - 57.52C2S (Bogue) - - - - - 14.81C3A (Bogue) - - - - - 12.4C4AF (Bogue) - - - - - 7.3Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συμμετοχή πρώτων υλών στην τροφοδοσία

- 73 22.5 4.2 0.3*Τιμές για χρήση στις εξισώσεις Bogue

95

Πίνακας 4.4. Σύνθεση (χημική σύσταση %) τριών πρώτων υλών (1, 2 και 3) για την παραγωγή τσιμέντου, [1]

Πίνακας 4.5. Σύνθεση (χημική σύσταση %) δύο πρώτων υλών (1 και 2) για την παραγωγή τσιμέντου, [2]

Όπως αναφέρθηκε και αναλύθηκε προηγουμένως, τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται στην

παραγωγή τσιμέντου, ιδιαιτέρως δε οι ορυκτοί άνθρακες (γαιάνθρακες, λιγνίτες) που

αφήνουν σημαντικό ποσοστό ανόργανου υπολείμματος 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

Πρώτες ύλες (ξηρό υλικό), %

Χημική ένωση

Στόχος, % κ.β. σύνθεση ξηρών πρώτων υλών

παραγωγής κλίνκερ 1

Ασβεστόλιθος2

Αργιλοπυριτικό υλικό

3Χαλαζιακή

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) - - - - 55.4C2S (Bogue) - - - - 19.9C3A (Bogue) - - - - 13.8C4AF (Bogue) - - - - 4.3

Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συμμετοχή πρώτων υλών

85.02 13.61 1.37 *Τιμές για χρήση στις εξισώσεις Bogue

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 43.55 49.0 41.7 65.5*Ελεύθερη άσβεστος (CaO) - - - 1.0*

CaCO3 77.8 87.5 74.5 -C3S (Bogue) - - - 63C2S (Bogue) - - - 11.0C3A (Bogue) - - - 11.8C4AF (Bogue) - - - 7.3Ποσοστιαία (κατά βάρος) % συμμετοχή πρώτων υλών

- 25 75

*Τιμές για χρήση στις εξισώσεις

Bogue

Αναγωγή % στο υπόλοιπο 65.78% του υλικού μετά την κλινκεροποίηση (34.22% CO2 αντιστοιχεί σε 43.55% CaO)

96

κλίνκερ και συνεπώς και του τσιμέντου. Η έψηση παρουσιάζει μεγάλη ευαισθησία σε μικρές

μεταβολές της περιεκτικότητας της τροφοδοσίας σε CaO και SiO2, γεγονός που έχει ως

αποτέλεσμα τη σημαντική διαφοροποίηση και στις τελικές περιεκτικότητες σε C3S και C2S

του κλίνκερ. Πολύ 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 κλίνκερκατά την ψύξη του,

δημιουργεί προβλήματα κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου, επειδή ενυδατώνεται με πολύ

αργότερο ρυθμό από τις υπόλοιπες φάσεις του κλίνκερ με αποτέλεσμα, σε βάθος χρόνου, το

προϊόν της ενυδάτωσής του ο μπρουσίτης [Mg(OH)2] να προκαλεί διαρρήξεις στο σκυρόδεμα

και τις κονίες, λόγω διόγκωσης.

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

σημαντική επίπτωση στο ιξώδες της ευτηκτικής φάσης, επιδρά στις ποσότητες των πυριτικών

ενώσεων που παράγονται και τελικώς στην υδραυλική συμπεριφορά του παραγόμενου

τσιμέντου. Επίσης, παρουσία χλωριούχων ενώσεων, σχηματίζονται χλωριούχα αλκάλια που

στην αρχή εξατμίζονται μέσα στην κάμινο, κατόπιν συμπυκνώνονται στην έξοδο των

καμίνων και προκαλούν εμφράξεις.

Η παρουσία αλκαλίων σε υψηλή περιεκτικότητα στο τσιμέντο έχει παρατηρηθεί ότι

σχηματίζει, κατά την ενυδάτωσή του 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 αλκαλοπυριτική αντίδραση (Alkali Silica Reaction, ASR).

Επίσης, πολλές φορές τα οξείδια των αλκαλίων (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.

Η παρουσία ιόντων χλωρίου στο τσιμέντο έχει σημαντική επίδραση στη διάβρωση του

οπλισμού του σκυροδέματος.

97

4.3. Μέθοδος του συστήματος των γραμμικών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της

αναλογίας των πρώτων υλών στην παραγωγή τσιμέντου [1]

4.3.1. 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.

4.3.2. 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.

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

98

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

δίνονται 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)

και

f

ahARl 44 (10)

99

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:

CBxb (13)

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

αναμειγνυόμενων πρώτων υλών.

x =

100

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)

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.

4.4. Άλλες μέθοδοι προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών

x =

101

4.4.1. Η μέθοδος Powell χωρίς περιορισμούς

Η μέθοδος Powell [1] 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.

4.4.2. 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, 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 με χρήση της συνάρτησης

nn Ylhlx 2111 sin (16)

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.

4.4.3. 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

102

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, οι οποίοι δεν μπορούν να ληφθούν υπόψη στη μέθοδο του γραμμικού

συστήματος εξισώσεων.

103

5. ΕΝΥΔΑΤΩΣΗ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

5.1. Οι αντιδράσεις ενυδάτωσης

Στα «κοινά» τσιμέντα, οι ενώσεις (φάσεις) του κλίνκερ τσιμέντου είναι κατά προσέγγιση:

Σύντμηση Ποσοστό (περίπου), %

Πυριτικό τριασβέστιο 3 CaO SiO2 C3S 50

Πυριτικό διασβέστιο 2 CaO SiO2 C2S 25

Αργιλικό τριασβέστιο 3 CaO Al2O3 C3A 10

Αργιλοσιδηρούχο τετρασβέστιο 4 CaOAl2O3Fe2O3 C4AF 10

Γύψος CaSO4 5

Σχήμα 5.1. Κόκκος τσιμέντου στον οποίο εμφανίζονται οι διάφορες φάσεις του κλίνκερ που ενυδατώνονται [51].

Όταν προστεθεί νερό στο τσιμέντο (Σχήμα 5.1) αρχίζουν οι αντιδράσεις της ενυδάτωσης, της

οποίας αποτέλεσμα είναι η πήξη και σκλήρυνση του σκυροδέματος με ταυτόχρονη έκλυση

θερμότητας.

Είναι γνωστό ότι μόνο οι ασβεστοπυριτικές ενώσεις (C3S, C2S) ευθύνονται, δηλαδή

συμμετέχουν στην αύξηση αντοχής (πρώϊμης και σε βάθος χρόνου) του σκυροδέματος. Και οι

104

φάσεις C3Α και C4AF ενυδατώνονται, αλλά δεν συμβάλλουν σημαντικά στην αντοχή του

σκυροδέματος.

Οι ταχύτητες ενυδάτωσης των ενώσεων (φάσεων) του τσιμέντου κατατάσσονται ως εξής:

C3Α C3S C4AF C2S

Η θερμότητα που εκλύεται κατά την ενυδάτωση οφείλεται στη δημιουργία και καταστροφή

χημικών δεσμών που λαμβάνουν χώραν με την επίδραση του νερού.

To αργιλικό τριασβέστιο (C3A) και οι θειϊκές φάσεις (π.χ. γύψος), μετά την προσθήκη νερού,

διίστανται και αντιδρούν πολύ γρήγορα μεταξύ τους και με μεγάλη έκλυση θερμότητας

σχηματίζοντας ενώσεις τύπου γέλης-gel ) - Σχήμα 5.2, που είναι οι πρόδρομες

ενώσεις σχηματισμού στερεής φάσης βελονοειδούς μορφής (εττρινγκίτης).

Σχήμα 5.2. Ενώσεις τύπου γέλης-gel ) από την υδρόλυση τουC3A και της γύψου[51].

Οι ενώσεις αυτής της μορφής παρεμποδίζουν την πρόσβαση του νερού στις αργιλικές φάσεις,

οπότε οι αντιδράσεις σχηματισμού τους επιβραδύνονται και η έκλυση θερμότητας μειώνεται,

λόγω και του μικρού % ποσοστού της αργιλικής φάσης στο τσιμέντο. Όπως προαναφέρθηκε,

οι θειϊκές ενώσεις προστίθενται στο τσιμέντο με στόχο τον έλεγχο της ταχύτητας ενυδάτωσης

των αργιλικών φάσεων. Όταν η περιεκτικότητα σε θειϊκές ενώσεις στο τσιμέντο είναι

χαμηλή, αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ταχεία (σχεδόν ακαριαία) πήξη (flash set) της

τσιμεντοκονίας, ενώ μεγάλη περιεκτικότητά τους προκαλεί την παραγωγή ιζήματος ή κακή

105

πήξη (false set), η οποία διορθώνεται με επιπλέον αναμόχλευση του μείγματος. Οι ενώσεις

τύπου γέλης ) μετατρέπονται σε εττρινγκίτη (στερεή φάση βελονοειδούς μορφής)

και συμβάλλουν ελάχιστα στην πρώϊμη αντοχή.

Κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων ενυδάτωσης των αργιλικών φάσεων και τη δημιουργία

των ενώσεων γέλης, λόγω και της σχετικώς μικρής διάρκειας του φαινομένου (2-4 ώρες

περίοδος ωρίμανσης), το σκυρόδεμα έχει χαμηλή θερμοκρασία, είναι πλαστικό και έχει

χαμηλό ιξώδες (είναι ακόμη εργάσιμο).

Σχεδόν αμέσως μετά τη λήξη της περιόδου ωρίμανσης, το C3S αντιδρά πολύ γρήγορα με το

νερό, απελευθερώνοντας ιόντα Ca+ και (OH)-, σύμφωνα με την αντίδραση υδρόλυσης. Η

απελευθέρωση ιόντων Ca+ και (OH)- από το πυριτικό τριασβέστιο επιταχύνει την αντίδραση

της υδρόλυσης, σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier, με ταυτόχρονη πολύ μεγάλη

απελευθέρωση θερμότητας.

Το pH του περιβάλλοντος γίνεται, λόγω της παρουσίας των ιόντων (OH)- περίπου 12. Όμως,

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, δηλαδή αφού το

διάλυμα γίνει υπέρκορο σε ιόντα ασβεστίου και οδηγείται στην παραγωγή νέων φάσεων,

όπως:

Κρυστάλλων υδροξειδίου του ασβεστίου και

Ένυδρων ασβεστοπυριτικών φάσεων ινώδους μορφής, οι οποίες προσκολλώνται πάνω

στα αδρανή και προσδίδουν αντοχή στο σκυρόδεμα, σύμφωνα με τις παρακάτω

αντιδράσεις ενυδάτωσης των πυριτικών φάσεων (C3S, C2S):

2 C3S + 7 Η2Ο Ένυδρο πυριτικό ασβέστιο + Υδροξείδιο του ασβεστίου + (θερμότητα)

Δηλ. 2 [3CaO SiO2] + 7Η2Ο 3CaO 2SiO2 4Η2Ο + 3Ca(OH)2 + 173 kJ και

2 [2CaOSiO2 ] + 5 Η2Ο 3CaO2SiO2∙4Η2Ο + Ca(OH)2 + 58.6 kJ για το C2S.

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

106

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 (Διαγράμματα a,b,c και d Σχήματος 5.3).

Ο σχηματισμός των φάσεων αυτών παράγει θερμότητα και μικρή διόγκωση, ενώ η έναρξη

συνένωσης των παραπάνω ενώσεων προσδίδει αρχικά στο μίγμα μικρή συνοχή και η φάση

αντιστοιχεί στο σημείο έναρξης πήξης (initial set), Σχήμα 5.4. Όσο συνεχίζεται η συνένωση

αυτών των φάσεων, το σκυρόδεμα αποκτά σημαντική αντοχή ώστε κάποια χρονική στιγμή

γίνεται «βατό». Αυτό χαρακτηρίζεται ως σημείο τελικής πήξης (final set).

Τα παραπάνω αναλύονται και στο κεφάλαιο «Ιδιότητες του τσιμέντου» και ιδιαιτέρως στην

ιδιότητα «Χρόνος πήξης» (Setting time).

Σχήμα 5.3. Σχηματική αναπαράσταση του πορώδους της τσιμεντόπαστας κατά την ενυδάτωση κόκκων 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 απλώς γεμίζουν με νερό. Το

τμήμα (b) απεικονίζει την έναρξη της ενυδάτωσης. Στο τμήμα (c) συνεχίζεται η ενυδάτωση,

ενώ στο (d) απεικονίζεται η μη πλήρως 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, τα οποία όμως μπορούν να

έρθουν σε επαφή με το νερό.

Τελικώς, 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)

107

4. Τα Ca(OH)2 και (Ca3Si2O7·4H2O) αποτελούν τους «πυρήνες» ανάπτυξης, που

αρχίζουν να καλύπτονται από στρώματα Ca3Si2O7·4Η2O

5. Οι κρύσταλλοι (διαδοχικές στρώσεις) του Ca3Si2O74H2O 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

Ca3Si2O74H2O. Επειδή λοιπόν ο χώρος αυτός μικραίνει, μειώνεται και η ταχύτητα

ενυδάτωσης των μη ενυδατωμένων τεμαχίων C3S.

Το C3S ευθύνεται για την αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος 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.

Σχήμα 5.4. Ρυθμός έκλυσης θερμότητας κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου Portland [51].

Στο Σχήμα 5.4 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 της φάσης C3A του τσιμέντου [απελευθέρωση

ιόντων Ca+ και (OH)-], που συνοδεύεται από υψηλό ρυθμό έκλυσης θερμότητας και αύξηση

της θερμοκρασίας του διαλύματος κατά πολλούς βαθμούς. Το στάδιο 2 είναι γνωστό ως

στάδιο ωρίμανσης (dormancy period), έχει χρονική διάρκεια 2-4 ώρες και είναι το χρονικό

διάστημα κατά το οποίο το σκυρόδεμα διατηρεί πλαστικές ιδιότητες δηλ. μπορεί να

108

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 των πυριτικών

φάσεων, 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 πυριτικών ενώσεων, εφόσον

βέβαια συνεχίζουν να υπάρχουν μη ενυδατωμένες πυριτικές ενώσεις, παρουσία νερού και

πρόσβαση του νερού σε αυτές.

Σχήμα 5.5. Υδρόλυση των φάσεων του τσιμέντου και παραγωγή ιόντων Ca+ και (ΟΗ)- [51].

Σχήμα 5.6. Έναρξη σχηματισμού ενώσεων ένυδρου πυριτικού ασβεστίου (C-S-H) και κρυστάλλωσης υδροξειδίου του ασβεστίου [Ca(OH)2, CH] [51].

109

Σχήμα 5.7. Συνέχιση σχηματισμού ενώσεων ένυδρου πυριτικού ασβεστίου (C-S-H) και κρυστάλλωσης υδροξειδίου του ασβεστίου [Ca(OH)2, CH] [51].

Σχήμα 5.8 Εξάπλωση των ενώσεων ένυδρου πυριτικού ασβεστίου (C-S-H) με τη διεργασία της «πυρηνοποίησης» [51].

Στο Σχήμα 5.9 φαίνεται η επίδραση της ποσότητας του χρησιμοποιούμενου νερού στην

ενυδάτωση του τσιμέντου, στις ιδιότητες της τσιμεντόπαστας και κατ’ επέκταση στις

ιδιότητες του σκυροδέματος που θα παραχθεί (λόγος W/C, Νερό:Τσιμέντο).

110

Σχήμα 5.9. Επίδραση της ποσότητας του νερού (λόγος W/C) στην ενυδάτωση του τσιμέντου και στις

ιδιότητες της τσιμεντόπαστας και κατ’ επέκταση και του σκυροδέματος.

5.2. 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 (5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5 και

5.6), 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 5.7 και 5.8 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 και χρήση του τσιμέντου. Η συμβατότητα αυτών των

υλικών με το τσιμέντο φαίνεται από τη θέση τους στο τριμερές διάγραμμα CaO-SiO2 -Al2O3

(Σχήμα 5.10).

Διάχυτα τεμαχίδια 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

111

Πίνακας 5.1. Τσιμέντα Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

112

Πίνακας 5.2. Χαρακτηριστικά τσιμέντων του Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

Σχήμα 5.10. Συνήθη υλικά με ποζολανικές ιδιότητες.

113

Πίνακας 5.3. Ιδιότητες τσιμέντων Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

Πίνακας 5.4. Ιδιότητες τσιμέντων Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

114

Πίνακας 5.5. Ιδιότητες τσιμέντων Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

115

Πίνακας 5.6. Ιδιότητες τσιμέντων Ευρωπαϊκού Προτύπου (prEN 197-1)

Πίνακας 5.7. Τύποι τσιμέντων κατά τα Αμερικανικά πρότυπα (ASTM)

Τύποι τσιμέντων ΧρήσηΙ1 Γενικής χρήσηςΙΙ2 Μέτριας αντίστασης σε θειϊκές ενώσειςΙΙΙ Υψηλής αρχικής αντοχής

IV3 Χαμηλής θερμότητας ενυδάτωσης για ογκώδεις κατασκευές

V4 Υψηλής αντίστασης σε θειϊκές ενώσειςIA4 Τσιμέντο τύπου Ι με αερακτικόIIA4 Τσιμέντο τύπου ΙΙ με αερακτικόIIIA4 Τσιμέντο τύπου ΙΙΙ με αερακτικό

1. Επίσης, παράγονται τσιμέντα με προδιαγραφές μεταξύ των τύπων Ι και ΙΙ.

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.

116

Πίνακας 5.8. Σύσταση διαφόρων τύπων τσιμέντων κατά το Αμερικανικό Πρότυπο ASTM C 150

* Αφορά στη μέγιστη περιεκτικότητα που επιτρέπεται από το Αμερικάνικο Πρότυπο ASTM C 150.

5.3. Ιδιότητες των τσιμέντων

Οι βασικές ιδιότητες των τσιμέντων που επηρεάζουν τη συμπεριφορά τους στις διάφορες

χρήσεις (π.χ. παρασκευή σκυροδέματος, κονιαμάτων κλπ.), όπως επίσης και τα διάφορα

πρότυπα που έχουν καθιερωθεί και εφαρμόζονται για τον έλεγχό τους, περιγράφονται

παρακάτω.

5.3.1. Κοκκομετρία ή λεπτότητα (Fineness)

Η λεπτότητα του τσιμέντου επιδρά στη θερμότητα που απελευθερώνεται όπως επίσης και

στο ρυθμό (ταχύτητα) ενυδάτωσης. Σήμερα η λεπτότητα του τσιμέντου εκφράζεται από την

κοκκομετρική του ανάλυση (Σχήματα 5.11 και 5.12) και από τον αριθμό Blaine (ειδική

επιφάνεια) σε μονάδες m2/kg ή cm2/g (1 m2/kg = 10 cm2/g) και αντιπροσωπεύει τη συνολική

εξωτερική επιφάνεια των τεμαχιδίων που περιέχονται σε μάζα 1 kg ή 1 g τσιμέντου (Σχήμα

5.12). 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.

Η λεπτότητα του τσιμέντου προσδιορίζεται με τις παρακάτω μεθόδους:

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

117

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 5.11. Κοκκομετρική σύσταση τσιμέντων του Ευρωπαϊκού προτύπου.

118

Σχήμα 5.12. Καμπύλες κοκκομετρικών αναλύσεων τσιμέντου ως συνάρτηση της λεπτότητας και αντιστοιχία τους σε μονάδες Blaine (cm2/g).

5.3.2. 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) Δοκιμή διόγκωσης σε αυτόκλειστο (ASTM C 151)

119

5.3.3. Συνεκτικότητα ή Συνάφεια (Consistency)

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.

5.3.4. 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.

Η πήξη του τσιμέντου προκαλείται από την ανάπτυξη αλληλοεμπλεκόμενων δομών των

προϊόντων ενυδάτωσης του τσιμέντου μετά την περίοδο ωρίμανσης.

Οι παράγοντες που επηρεάζουν το χρόνο πήξης κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου είναι: η

λεπτότητα του τσιμέντου, το % ποσοστό του αργιλικού τριασβεστίου (C3A) το ποσοστό της

ελεύθερης ασβέστου (% CaOfree) και οι μορφές του CaSO4 που υπάρχουν στο τσιμέντο, η δε

επίδραση των θειϊκών ενώσεων και του περιεχόμενου C3A στην ποιότητα πήξης φαίνεται στα

Σχήματα 5.13 και 5.14, αντιστοίχως.

Σχήμα 5.13. Επίδραση του τύπου της γύψου στην πήξη του τσιμέντου

120

Σχήμα 5.14. Σχέση μεταξύ % περιεκτικότητας σε C3A και % περιεκτικότητας σε SO3 στην πήξη του τσιμέντου.

Πίνακας 5.9. Σχέση μεταξύ % περιεκτικότητας σε C3A και % περιεκτικότητας σε SO3 (θειϊκές ενώσεις) στην πήξη του τσιμέντου

Χρόνος από την έναρξη ενυδάτωσης

10 min 1 ώρα 3 ώρες

Ενεργότητα του κλίνκερ,

(Περιεκτικότητα σε % C3A)

Περιεκτικότητα % στο

διάλυμαΑνακρυστάλλωση του ettringite

ΠοιότηταΔιεργασίας

πήξης

Μικρή Μικρή Εργάσιμο Εργάσιμο Πήξη ΚανονικήΜεγάλη Μεγάλη Εργάσιμο Πήξη Πήξη ΤαχείαΜεγάλη Μικρή Πήξη Πήξη Πήξη ΑκαριαίαΜικρή Μεγάλη Πήξη Πήξη Πήξη Κακή

Σύμφωνα με εμπειρική εξίσωση που έχει προταθεί, ο αρχικός χρόνος πήξης (Vicat Initial

Setting Time, VIST) μπορεί να προσδιοριστεί κατά προσέγγιση από:

121

Για CaOfree = 2%, Blaine = 360 m2/kg, και 7% C3A, ο αρχικός χρόνος πήξης αναμένεται να

είναι:

Από την παραπάνω εμπειρική εξίσωση είναι φανερό, ότι ο αρχικός χρόνος πήξης (Vicat)

εξαρτάται σημαντικά από την περιεκτικότητα του τσιμέντου σε % CaOfree, ενώ δεν επηρεάζεται

σημαντικά από τη λεπτότητα Blaine (κοκκομετρία) του τσιμέντου και από την %

περιεκτικότητά του στη φάση C3A.

Για τον παραπάνω λόγο, η ρύθμιση του χρόνου πήξης του τσιμέντου ελέγχεται με προσθήκη

γύψου κατά την άλεση του κλίνκερ (έλεγχος της ταχύτατης αντίδρασης ενυδάτωσης της φάσης

C3A του τσιμέντου). Ο χρόνος πήξης επίσης επηρεάζεται από το λόγο W/C (νερό/τσιμέντο) και

ελέγχεται επίσης με χρήση χημικών πρόσθετων (admixtures).

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.

5.3.5. 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 άμμο συγκεκριμένου τύπου 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).

Γενικώς, οι αντοχές του τσιμέντου που υπολογίζονται σε κύβους τσιμεντοκονίας δεν

αντιστοιχούν στις αντοχές του σκυροδέματος, εξαιτίας των διαφορών στα χαρακτηριστικά των

122

αδρανών του σκυροδέματος, της σύνθεσης του σκυροδέματος και των διαδικασιών παρασκευής

των δοκιμίων.

Σχήμα 5.15. Ρυθμός απόκτησης της θλιπτικής αντοχής 28 ημερών ως συνάρτηση των διαφόρων τύπων χρησιμοποιούμενων τσιμέντων του Αμερικανικού προτύπου κατά PCA (Portland Cement Association).

Στο Σχήμα 5.15 δίνεται ο ρυθμός (ταχύτητα) απόκτησης της θλιπτικής αντοχής 28 ημερών

ανάλογα με τον τύπο των χρησιμοποιούμενων τσιμέντων του Αμερικανικού προτύπου.

5.3.6. 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 του τσιμέντου 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

γρήγορα, προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας της μάζας του σκυροδέματος. Επίσης, ο μη

ελεγχόμενος ρυθμός μείωσης της θερμοκρασίας του σκληρυμένου σκυροδέματος στη

123

θερμοκρασία περιβάλλοντος δημιουργεί ανεπιθύμητες εσωτερικές τάσεις στη μάζα του

σκυροδέματος και τελικώς ρωγματώσεις, 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 σύμφωνα με 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%

124

6. ΑΔΡΑΝΗ

6.1. Εισαγωγή

Τα αδρανή στην Ελλάδα είναι χημικώς αδρανή τεμάχια ασβεστολιθικών κυρίως πετρωμάτων τα

οποία χρησιμοποιούνται στην παραγωγή σκυροδέματος και ως υλικά οδοστρωσίας, ενώ τα

μεγάλου μεγέθους τεμαχίων ως σκύρα σιδηροδρομικών γραμμών.

Η ολοκληρωμένη διαδοχή φάσεων παραγωγής αδρανών υλικών δίνεται στο Σχήμα 6.1.

Σχήμα 6.1. 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 διατήρησης ικανοποιητικής της

αντοχής του.

125

Το 70-80% κατά βάρος του σκυροδέματος αποτελείται από αδρανή, γεγονός που συμβάλλει στο

να διατηρείται χαμηλό το κόστος του σκυροδέματος, επειδή τα αδρανή είναι σχετικώς φθηνά

υλικά, τόσο ως πρώτη ύλη όσο και ως διαδικασία παραγωγής. Δρουν δηλαδή ως «πληρωτικά»

στο 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.

6.2. Διατάξεις και διαγράμματα ροής παραγωγής αδρανών υλικών

Τα αδρανή παράγονται με τις γνωστές μεθόδους Μηχανικής Προπαρασκευής Πετρωμάτων,

δηλαδή πρωτογενή, δευτερογενή, τριτογενή θραύση και ταξινόμηση των προϊόντων κάθε φάσης

θραύσης σε δονούμενα κόσκινα για την παραγωγή των διαφόρων κοκκομετρικών κλασμάτων

(πρβλ. και ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΣΤ).

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

126

Μηχανική Προπαρασκευή Μεταλλευμάτων, Βιομηχανικών Ορυκτών και Πετρωμάτων του

Αναπλ. Καθηγητή Γ.Α.Σταμπολτζή.

Διατάξεις θραύσης-ταξινόμησης και διαγράμματα ροής παραγωγής αδρανών υλικών δίνονται

στα Σχήματα 6.2, 6.3, 6.4 και 6.5, που ακολουθούν, όπως και στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΣΤ.

Σχήμα 6.2. Κινητή μονάδα πρωτογενούς θραύσης (κατά Svedala Arbra)

127

Σχήμα 6.3. Διατάξεις θραύσης-ταξινόμησης για την παραγωγή αδρανών σκυροδέματος (σε πλάγια όψη και κάτοψη κατά BROWN LENOX Ltd).

128

ΥΠΟΜΝΗΜΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΡΟΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Α/Α ΜΗΧΑΝΗΜΑ1 Τροφοδότης2 Θραυστήρας σιαγόνων απλής ενέργειας3 Κόσκινο (scalp screen)4 Γυροσκοπικός θραυστήρας5 Κόσκινο διπλού καταστρώματος (32 mm και 16 mm)6 Κόσκινο διπλού καταστρώματος (8 mm και 4 mm)7 Αποθήκες προϊόντων (silos)8 Αναβατόριο9 Κωνικός θραυστήρας1011

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 6.4. Διάγραμμα ροής μονάδας παραγωγής αδρανών σκυροδέματος (κατά Svedala Arbra).

129

Σχήμα 6.5. Απλοποιημένο διάγραμμα ροής μονάδας παραγωγής αδρανών σκυροδέματος

130

6.3. Ιδιότητες των αδρανών υλικών

3. Ανάλυση των ιδιοτήτων των αδρανών

Όλα τα αδρανή είναι προϊόντα ελάττωσης μεγέθους από μεγαλύτερα τεμάχια μητρικού

πετρώματος μέσω διαφόρων φυσικών (π.χ. αποσάθρωση, απόξεση, απολέπιση) ή τεχνητών

μεθόδων (π.χ. θραύση ή κατάτμηση πετρωμάτων και ταξινόμηση κατά μέγεθος).

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, που εκφράζεται με την πετρογραφική περιγραφή του

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, η ποσοστιαία % κατά βάρος κατανομή μεγέθους των τεμαχίων αναφέρεται ως

“διαβάθμιση” (grading) και περιλαμβάνει επίσης ιδιότητες που δεν έχουν άμεση σχέση με το

μητρικό πέτρωμα όπως (Σχήματα 6.6, 6.7. και 6.8.):

1. Μέγεθος και σχήμα τεμαχίων

2. Επιφανειακή δομή (υφή)

3. Απορροφητικότητα (πορώδες αδρανών)

4. Κατάσταση κορεσμού των τεμαχίων

131

Σχήμα.6.6. Επιφανειακή δομή και πορώδες αδρανών.

Σχήμα 6.7. Τεμάχια αδρανών μερικώς (3) και πλήρως (4) κορεσμένα με νερό αλλά επιφανειακά ξηρά.

132

Σχήμα.6.8. 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. Ειδικό βάρος χονδρομερών αδρανών και προσδιορισμός του

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 6.6, τεμάχιο 1),

133

Β είναι η μάζα των ίδιων (όπως παραπάνω) τεμαχίων κορεσμένων με νερό (Σχήμα 6.7,

τεμάχιο 4), αλλά επιφανειακά ξηρών (χωρίς επιφανειακή υγρασία) και

C είναι η μάζα των ίδιων (όπως παραπάνω) τεμαχίων κορεσμένων με νερό (Σχήμα 6.7,

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 (αρχή του Αρχιμήδους).

Παράδειγμα:

Δεδομένα:

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. Ειδικό βάρος λεπτομερών αδρανών και προσδιορισμός του

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 6.6., τεμάχιο 1)

Β είναι η μάζα των ίδιων (όπως παραπάνω) τεμαχίων κορεσμένων με νερό (Σχήμα 6.7,

τεμάχιο 4), αλλά επιφανειακά ξηρών (χωρίς επιφανειακή υγρασία)

134

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:

Δεδομένα:

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 απορρόφησης νερού από τα ξηρά αδρανή, γεγονός που έχει

ως αποτέλεσμα να μειώνεται 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

135

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

6.7), 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 προσβάσιμοι 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)

Απορροφητική ικανότητα (AC) = %18.21007.490

7.4904.501

Η συνολική περιεχόμενη υγρασία (%) προσδιορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C 566

εφαρμόζοντας τη σχέση:

136

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

Εφικτή 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%.

Δίνεται 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 ποσοστιαία 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

Ο παραπάνω συντελεστής χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της επιπλέον ποσότητας

υγρασίας (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:

137

(%)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 υπαίθριους σωρούς 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 απορροφητική 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

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

138

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.

Σχήμα. 6.9. 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.

139

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.

140

6.4. Ταξινόμηση των φυσικών αδρανών

Σχήμα 6.10. Ταξινόμηση φυσικών αδρανών σκυροδέματος κατά τα BS και ASTM.

Τα πετρώματα, από τα οποία προκύπτουν τα αδρανή ταξινομούνται στα Βρετανικά πρότυπα

(British Standards, B.S.) από πετρολογική άποψη, αλλά η ταξινόμηση αυτή δεν συνεπάγεται

οπωσδήποτε και καταλληλότητα για την παρασκευή σκυροδέματος.

Η ταξινόμηση κατά ASTM (American Standards Testing of Materials) περιγράφει τα πιο κοινά

ή τα σπουδαιότερα ορυκτά, που συναντώνται στα αδρανή. Τα Αμερικανικά Πρότυπα (ASTM)

βοηθούν στην πρόβλεψη των ιδιοτήτων των αδρανών που τα περιέχουν αυτά τα ορυκτά, 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 αναγνωρίζονται και να επισμαίνονται 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).

ΑΔΡΑΝΗ

Φυσικά αδρανή από πετρώματαBS 812: Part 1:1975ASTM C 294-69

Τεχνητά αδρανή από βιομηχανικά παραπροϊόντα(π.χ. σκωρίες)

Προϊόντα θραύσηςπετρωμάτων

Προϊόντα φυσικών διεργασιών(αποσάθρωση, απολέπιση κ.α)

141

6.5. Δειγματοληψία

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 6.1.

Πίνακας 6.1. 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 παράλληλα να διατηρείται 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 ελάττωσης της αρχικής μάζας και λήψης του τελικού δείγματος (για τον έλεγχο των

ιδιοτήτων) γίνεται συνήθως με μία από τις δύο μεθόδους, οι οποίες είναι:

1. η μέθοδος της τεταρτοτόμησης ή τετραμερισμού (quartering), και

2. η μέθοδος του μηχανικού δειγματολήπτη (riffling)

142

Στη μέθοδο του «μηχανικού δειγματολήπτη» πρέπει να χρησιμοποιούνται δειγματολήπτες

ρυθμιζόμενου ανοίγματος χωρισμάτων, ώστε να εξασφαλίζεται, ανάλογα με το μέγεθος του

μέγιστου τεμαχίου, η ανεμπόδιστη διέλευση του τροφοδοτούμενου υλικού και η λήψη του

στους υποδοχείς.

6.6. 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 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 και 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

143

Οι συνήθεις παράμετροι που εξετάζονται για το χαρακτηρισμό του σχήματος των τεμαχίων

είναι η σφαιρικότητα (sphericity) και η κυκλικότητα (roundness).

6.7. Πρότυπα για το σχήμα και την επιφανειακή υφή των τεμαχίων

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 τεχνικές παραγωγής σκυροδέματος,

ουσιαστικός έλεγχος πρέπει να γίνεται μόνο για το “πεπλατυσμένο” των τεμαχίων. Και τούτο,

επειδή είναι πιθανή η δέσμευση νερού κάτω από τα αδρανή, που έχει ως αποτέλεσμα επιφάνειες

«αδυναμίας» ή μεγαλύτερη κατανάλωση νερού και τελικά παραγωγή σκυροδέματος μικρότερης

αντοχής.

Το πρότυπο BS 882: 1992 περιορίζει, σε σχέση με το BS 882 : S 105.1Q 1989, την 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 σκυροδέματα

οδοστρωσίας ή ασφαλτοτάπητες.

Επειδή ο βαθμός “συμπύκνωσης” (packing) μιας μόνο κοκκομετρικής ομάδας, εξαρτάται από

τη μορφή και το σχήμα των τεμαχίων, 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 (κενά μεταξύ τους),

πρέπει να είναι στενές και θα πρέπει (κατά προτίμηση) να είναι οι: -20 + 14 mm, -14 + 10 mm,

-10 + 6.3 mm και -6.3 + 5.0 mm.

144

Άλλος τρόπος περιγραφής του σχήματος των τεμαχίων είναι η “σφαιρικότητά τους”, που είναι

συνάρτηση του λόγου της επιφάνειας του τεμαχίου προς τον όγκο του.

Δηλαδή η μεγάλη τιμή του λόγου επιφάνεια/όγκο τεμαχίου έχει μεγάλη σημασία, γιατί μειώνει

την εργασιμότητα του μείγματος τσιμεντόπαστας - 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 (οριζόντια) δεσμεύοντας νερό

και αέρα κάτω από αυτά.

Η παρουσία πεπλατυσμένων 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 ελέγχονται

και ως προς τις δύο 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, τα

χαρακτηριστικά των πόρων του μητρικού πετρώματος και επίσης από τον τρόπο επιβολής των

δυνάμεων κατά τη διαδικασία θραύσης (θλίψη, συμπίεση, κρούση κλπ.).

Σκληρά, συμπαγή, μεγάλης πυκνότητας και μικροκρυσταλλικά πετρώματα παρουσιάζουν,

γενικώς, ομαλές επιφάνειες θραύσης. Φαίνεται ότι η μορφή και η επιφανειακή δομή των

τεμαχίων επηρεάζουν διαφορετικά την αντοχή του σκυροδέματος, ως προς την ελεγχόμενη

ιδιότητα, (π.χ. η αντοχή σε κάμψη επηρεάζεται περισσότερο από την αντοχή σε θλίψη).

Στον Πίνακα 6.2. δίνεται η επίδραση του σχήματος και της επιφανειακής δομής των αδρανών

στην αντοχή του σκυροδέματος.

145

Πίνακας 6.2. Επίδραση του σχήματος και της επιφανειακής δομής των αδρανών στηναντοχή 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 τσιμεντόπαστας. Ομοίως, όσο μεγαλύτερη είναι η ειδική επιφάνεια (cm2/g ή

m2/kg) γωνιωδών αδρανών, τόσο μεγαλύτερη είναι η «δύναμη» συγκόλλησης με την

τσιμεντόπαστα.

Από τα παραπάνω προκύπτει ότι 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.

Σχήμα 6.11. Επίδραση της κοκκομετρικής σύνθεσης των αδρανών στον όγκο των κενών.

146

Στο Σχήμα 6.11 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

χονδρομερών και Β λεπτομερών) αδρανών. Όταν όμως αναμειγνύονται διαφορετικά μεγέθη

τεμαχίων (κοκκομετρίες αδρανών), τότε ο όγκος των κενών μειώνεται (περίπτωση C), επειδή τα

λεπτομερή εισέρχονται και γεμίζουν τα κενά των χονδρομερών αδρανών.

6.8. 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

6. ASTM C 117 για τον υπολογισμό του κλάσματος – 200 mesh (-75 μm) (υπολογισμός

του % ποσοστού 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 συμπεριφοράς τους σε αντίδραση 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).

147

Παρεμφερείς προδιαγραφές υπάρχουν και στα Βρετανικά (BS 812) και Ευρωπαϊκά (CEN/TC

154) πρότυπα, τα οποία καταγράφονται στους Πίνακες 6.3 και 6.4, αντιστοίχως.

Πίνακας 6.3. Βρετανικά (BS) και Αμερικανικά Πρότυπα (ASTM) για τον έλεγχο καταλληλότητας αδρανών υλικών (παράθεση σχετικών προτύπων)

Tests / Services Standard Methods / Techniques (Πρότυπα)

Sampling Δειγματοληψία

BS 821 : Pt 102 : 1989SS 73 : 1974

Clay, silt & dust content (field settling)Περιεκτικότητα σε αργιλικό υλικό

BS 812: Pt 1 : 1975SS 73 : 1974

Clay, silt & dust content (decantation)Περιεκτικότητα σε αργιλικό υλικό

BS 812 : Pt 1 : 1975SS 73 : 1974

Materials finer then 75 µmΛεπτομερές υλικό < 75 µm

ASTM C 117-90

Particle size distribution by sievingΚατανομή μεγέθους τεμαχίων (κοσκίνιση)

BS 812: Sect 103.1 : 1985 ASTM C 136-84a & SS 73 : 1974

Moisture contentΠεριεκτικότητα σε υγρασία

BS 812 : Pt 109 : 1990 ASTM C 566-89 & SS 73 : 1974

Organic impurities (colour test)Οργανικές προσμείξεις (χρωματική δοκιμή)

SS 73 : 1974ASTM C 40-84

Bulk density, voids & bulkingΦαινόμενη πυκνότητα και πορώδες κλίνης

BS 812 : Pt 2 : 1975SS 73 : 1974

Relative densities & water absorptionΣχετικές πυκνότητες και απορρόφηση νερού

BS 812 : Pt 2 : 1975 & SS 73 : 1974

Aggregate crushing value (ACV)Δείκτης 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 numberΔείκτης γωνιωδών τεμαχίων

BS 812 : Pt 1 : 1975 & SS 73 : 1974

Flakiness indexΔείκτης πεπλατυσμένων τεμαχίων

BS 812 : Pt 105.1 : 1989 & SS 73 : 1974

Elongation indexΔείκτης επιμήκων τεμαχίων

BS 812 : Pt 105.2 : 1990SS 73 : 1974

148

Soundness Υγεία

BS 812 : Pt 121 : 1989SS 73 : 1974

Impact valueΑντοχή σε κρούση

BS 812 : Pt 121 : 1990SS 73 : 1974

Los Angeles AbrasionΔείκτης Los Angeles

ASTM C 131-89ASTM C 535-89 & SS 73 : 1974

Chloride contentΠεριεκτικότητα σε χλωριόντα

BS 812: Pt 117 : 1988SS 73 : Pt 17 : 1992

Sulphate contentΠεριεκτικότητα σε θειϊκά

BS 812 : Pt 118 : 1988SS 73 : Pt 18 : 1992

Πίνακας 6.4. Ευρωπαϊκά Πρότυπα (CEN/TC 154) για έλεγχο ιδιοτήτων των αδρανών (Είχαν υιοθετηθεί μέχρι 31 January 2002 και χρησιμοποιούνται από τότε)

EN 932-1: 1996 Tests for general properties of aggregates - Part 1: Methods for sampling

EN 932-2: 1999Tests for general properties of aggregates - Part 2: Methods for reducing laboratory samples

EN 932-3: 1996Tests for general properties of aggregates - Part 3: Procedure and terminology for simplified petrographic description

EN 932-5: 1999Tests for general properties of aggregates - Part 5: Common equipment and calibration

EN 932-6: 1999Tests for general properties of aggregates - Part 6: Definitions of repeatability and reproducibility

EN 933-1: 1997Tests for geometrical properties of aggregates - Part 1: Determination of particle size distribution - Sieving method

EN 933-2: 1995Tests for geometrical properties of aggregates - Part 2: Determination of particle size distribution - Test sieves, nominal size of apterures

EN 933-3: 1997Tests for geometrical properties of aggregates - Part 3: Determination of particle shape - Flakiness index

EN 933-4: 1999Tests for geometrical properties of aggregates - Part 4: Determination of particle shape - Shape index

EN 933-5: 1998Tests for geometrical properties of aggregates - Part 5: Determination of percentage of crushed and broken surfaces in coarse aggregate particles

EN 933-6: 2001Tests for geometrical properties of aggregates - Part 6: Assessment of surface characteristics - Flow coefficient of aggregates

EN 933-7: 1999Tests for geometrical properties of aggregates - Part 7: Determination of shell content - Percentage of shells in coarse aggregates

EN 933-8: 1999Test for geometrical properties of aggregates - Part 8: Assessment of fines - Sand equivalent test

EN 933-9: 1998Tests 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 -

149

Grading of fillers (air jet sieving)

EN 1097-1: 1996Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 1: Determination of the resistance to water (micro-Deval)

EN 1097-2: 1998Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 2: Methods for the determination of resistance to fragmentation

EN 1097-3: 1998Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 3: Determination of loose bulk density and voids

EN 1097- 4: 1999Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 4: Determination of the voids of dry compacted filler

EN 1097- 5: 1999Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 5: Determination of the water content by drying in a ventilated oven

EN 1097-6: 2000Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 6: Determination of particle density and water absorption

EN 1097-7: 1999Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 7: Determination of the particle density of filler - Pyknometer method

EN 1097-8: 1999Tests for mechanical and physical properties of aggregates - Part 8: Determination of the polished stone value

EN 1097-9: 1998Tests 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: 1999Tests for thermal and weathering properties of aggregates - Part 1: Determination of resistance to freezing and thawing

EN 1367-2: 1998Tests for thermal and weathering properties of aggregates - Part 2: Magnesium sulfate test

EN 1367-3: 2001Tests for thermal and weathering properties of aggregates - Part 3: Boiling test for "Sonnenbrand basalt"

EN 1367-4: 1998Tests 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: 2000Tests 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

150

7. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΤΟΙΜΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

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 7.1.

Σχήμα 7.1. Κατά προσέγγιση συμμετοχή των πρώτων υλών στο σκυρόδεμα.

7.1. 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 7.2 και 7.3).

Το προϊόν της διεργασίας ανάμιξης, που είναι το έτοιμο σκυρόδεμα (ready mixed concrete)

μεταφέρεται κατόπιν με ειδικά φορτηγά (συνεχώς αναδευόμενο ως ρευστό μεγάλου ιξώδους)

151

στη θέση (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 στερεών πρώτων

υλών τροφοδοτούνται μαζί με την αναγκαία (λόγος W/C) ποσότητα νερoύ στο περιστρεφόμενο

τύμπανο του οχήματος (π.χ. φορτηγού) παρασκευής-μεταφοράς. Ταυτόχρονα επίσης,

προστίθενται στο τύμπανο οι αναγκαίες ποσότητες χημικών πρόσθετων και η ανάμιξη όλων των

συστατικών γίνεται εντός του περιστρεφόμενου κάδου, κατά τη μετακίνηση του οχήματος και

τη μεταφορά του σκυροδέματος στο κατασκευαζόμενο έργο (Σχήμα 7.3).

Σχήμα 7.2. Διάταξη μηχανημάτων και αποθηκών πρώτων υλών κατά την υγρή μέθοδο παρασκευής έτοιμου σκυροδέματος.

Στό Σχήμα 7.4. 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.

152

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 σχετική εργασία που

παρατίθεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ.

Σχήμα 7.3. Αυτοτελείς διεργασίες (υγρή-ξηρή) παρασκευής σκυροδέματος.

153

Σχήμα 7.4. Διάγραμμα ροής διεργασιών σε μονάδα παραγωγής έτοιμου σκυροδέματος.

154

7.3. 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-περιβαλλοντικές συνθήκες, που

αναμένεται να επικρατούν κατά την εποχή της διάστρωσης όπως επίσης και καθ’όλη τη

διάρκεια ζωής της κατασκευής από σκυρόδεμα.

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 (διάστρωση). Η χρήση 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

155

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 7.1.), 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 (Εικόνα 7.1, σελ. 165) και απορροή της τσιμεντόπαστας από τα διάκενα του

ξυλότυπου ή «εξίδρωση» (bleeding) στην ελεύθερη επιφάνεια του σκυροδέματος. Τελικώς,

αυτό έχει ως αποτέλεσμα την έλλειψη συνδετικής ύλης μεταξύ των αδρανών, δηλαδή την

παραγωγή σκυροδέματος ανομοιόμορφης δομής και χαμηλής αντοχής.

156

Πίνακας 7.1. Λόγος νερού προς τσιμέντο (W/C) ως συνάρτηση του είδους του σκυροδέματος

Συνθήκες έκθεσης σκυροδέματοςΚανονικό σκυρόδεμα(Απόλυτος λόγος νερού προς τσιμέντο W/C κατά βάρος)

Σκυρόδεμα προστατευμένο από συνθήκες παγώματος και τήξης του πάγου (freezingand 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

0.500.45

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

0.50Σκυρόδεμα εκτεθειμένο σε θειϊκές ενώσεις*

Μέτρια έκθεση Έντονη έκθεση

0.500.45

Σκυρόδεμα μέσα σε νερόΠοσότητα 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 8.1)

* 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

157

7.3. Τα υλικά του σκυροδέματος

7.3.3. 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 7.5. Διάγραμμα ταξινόμησης αδρανών σκυροδέματος κατά μέγεθος.

158

Οι ομάδες μεγεθών (2) και (3), που αφορούν στα ενδιάμεσου μεγέθους και λεπτομερή αδρανή,

περιγράφονται στο Σχήμα 7.5 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 7.6.

Σχήμα 7.6. 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» (πέτρωμα) των αδρανών, που επηρεάζει, μέσω και της μεθόδου

παραγωγής του, τόσο το σχήμα όσο και τη διαβάθμισή του.

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. Επίσης, για οδοστρώματα και πλάκες

159

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 7.2.

Πίνακας 7.2. Προσδιορισμός του δείκτη λεπτότητας λεπτομερών αδρανών

Κόσκινο

No mm

Βάρος παραμένοντος,

g

Παραμένον, %

Αθροιστικό Παραμένον,

%4 4.75 18.4 1.85 1.858 2.36 135.2 13.59 15.44

16 1.18 202.4 20.35 35.79

Δείκτης λεπτότητας (Fineness modulus)

30 0.60 204.4 20.55 56.3450 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+56.34+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 7.3.

Πίνακας 7.3. Χαρακτηρισμός λεπτομερών αδρανών ως συνάρτηση του συντελεστή λεπτότητάς τους

Συντελεστής λεπτότητας λεπτομερών αδρανών (Fineness modulus)

Χαρακτηρισμός αδρανών

2.3 to 2.59Λεπτομερής άμμος

Fine Sand

2.6 to 2.89Ενδιάμεση άμμος

Medium Sand

2.9 to 3.10Χονδρομερής άμμος

Coarse Sand

160

Επίδραση των 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 7.7 και 7.8).

Σχήμα 7.7. Ικανοποιητική διαβάθμιση από πλευράς μεγέθους (grading) σύνθεσης αδρανών υλικών μέγιστου μεγέθους 12.7 mm (1/2-inch).

Σχήμα 7.8. 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 7.7), από τεμάχια διαμέτρου 19 έως 25.4

mm (Σχήμα 7.8), μειώνονται τόσο η ειδική επιφάνεια όσο και το πορώδες της σύνθεσης

τεμαχίων, με άμεσο θετικό αντίκτυπο στην κατανάλωση τσιμεντόπαστας.

161

Η ποσοτική επίδραση της προσθήκης λεπτομερών αδρανών σε χονδρομερή αδρανή δίνεται στο

Σχήμα 7.9, στο οποίο φαίνεται η ποσοστιαία % μείωση όγκου των κενών, η οποία επηρεάζει

σημαντικά την κατανάλωση τσιμεντόπαστας στο σκυρόδεμα.

Σχήμα 7.9. Μεταβολή του όγκου των κενών αδρανών ως συνάρτηση της ποσοστιαίας προσθήκης λεπτομερούς άμμου.

Η ελάχιστη κατανάλωση τσιμέντου (kg/m3 σκυροδέματος) αντιστοιχεί σε ποσοστό λεπτομερών

αδρανών περίπου 32% στο σκυρόδεμα (Σχήμα 7.10). 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 7.10).

162

Σχήμα 7.10. Κατανάλωση τσιμέντου συναρτήσει του ποσοστού λεπτομερών αδρανών στο

σκυρόδεμα.

Μέθοδοι προσδιορισμού των 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

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

163

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 7.11), 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. Διάγραμμα «δείκτη χονδρομερούς»/εργασιμότητας

Ο «Δείκτης Χονδρομερούς» αδρανών (coarseness factor) υπολογίζεται από την εξίσωση:

Δείκτης χονδρομερούς = 100)8(3%

)8/3(%

meshmmoA

inmmoA

, όπου

Το % Αθροιστικό διερχόμενο από κόσκινο 2.36 mm χαρακτηρίζεται ως «Δείκτης

εργασιμότητας» του σκυροδέματος. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι:

Δείκτης χονδρομερούς = 100100

)8/3(%

οςσκυροδέματτουταςεργασιμότηΔείκτης

κόσκινοσεπαραμένονAθροιστικό inmm, επειδή

100-% Αθροιστικό διερχόμενο από κόσκινο 2.36 mm = % Αθροιστικό παραμένον σε κόσκινο 2.36

mm.

164

Σχήμα 7.11. Σχέση μεταξύ «Δείκτη χονδρομερούς» αδρανών και «Δείκτη εργασιμότητας» του σκυροδέματος.

Ο Shilstone [13] συνιστά να επιδιώκεται «στόχος» 60 για το «Δείκτη χονδρομερούς» και 35 για

το Δείκτη εργασιμότητας (Περιοχή ΙΙ). ΄Ομως, όταν το μέγιστο μέγεθος τεμαχίων αδρανών

κυμαίνεται από 25 mm – 37.5 mm, τότε ο Δείκτης χονδρομερούς πρέπει να είναι περίπου 52 και

ο Δείκτης εργασιμότητας να κυμαίνεται από 34 έως 38, ενώ όταν ο Δείκτης χονδρομερούς είναι

68 τότε ο Δείκτης εργασιμότητας πρέπει να παίρνει τιμές από 32 έως 36. Από τα παραπάνω

προκύπτει ότι αποδεκτή περιοχή για σύνθεση αδρανών σκυροδέματος είναι η II (Σχήμα 7.11).

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

165

τους, μεγάλη ποσότητα νερού που οδηγεί πιθανώς σε «απόμειξη»* (segregation) των αδρανών

και παραγωγή τελικώς ασθενούς σκυροδέματος. Συνθέσεις αδρανών, που ανήκουν στην

περιοχή Ι (Δείκτης 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 7.1).

Εικόνα 7.1. 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 7.12 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

xP

όπου P είναι το αθροιστικό % διερχόμενο από κόσκινο ανοίγματος (βροχίδας) x.

166

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 7.12 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 7.12). 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 7.13).

3. Διάγραμμα παραμένοντος % (Percent Retained Chart)

Το διάγραμμα αυτό απεικονίζει τα ποσοστά του % παραμένοντος της σύνθεσης των αδρανών

σκυροδέματος σε κάθε άνοιγμα κοσκίνου (Σχήμα 7.14). 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 7.14.

Στο Σχήμα 7.15 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).

167

Σχήμα 7.12. Αποδεκτή καμπύλη (τύπου 0.45) κοκκομετρικής σύνθεσης αδρανών μέγιστου τεμαχίου 25 mm.

168

Σχήμα 7.13. Μη αποδεκτή καμπύλη (τύπου 0.45) κοκκομετρικής σύνθεσης αδρανών μέγιστου τεμαχίου 25 mm.

169

Σχήμα 7.14. Ομαλή και συνεχής κοκκομετρική διαβάθμιση αδρανών σκυροδέματος.

Σχήμα 7.15. Μη αποδεκτή κοκκομετρική διαβάθμιση αδρανών σκυροδέματος.

170

Βέλτιστη σύνθεση αδρανών σκυροδέματος (Optimum Aggregate Blend)

1. 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 σύνθεση με τη μεγαλύτερη «πυκνότητα» (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 αποτελέσουν την τροφοδοσία των αδρανών.

Για το σκοπό αυτό, κατά κύριο λόγο, εφαρμόζεται η μεθοδολογία που

προβλέπει το Αμερικανικό πρότυπο ASTM C33, η οποία όμως 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.

2. 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 «Δείκτη 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 Διάγραμμα

171

παραμένοντος %) είναι οι δευτερεύουσες μέθοδοι που επιβεβαιώνουν την

ορθότητα των υπολογισμών του διαγράμματος «Δείκτη χονδρομερούς

/εργασιμότητας» και προσδιορίζουν τις περιοχές απόκλισης της σύνθεσης

από την ομαλή κοκκομετρική διαβάθμιση αδρανών.

Στο Σχήμα 7.16, 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 αυτών που ελλείπουν

να αποκαταστήσουν αυτή την ασυνέχεια στη διαβάθμιση, πράγμα που είναι εντελώς

αδύνατο να συμβεί σε περίπτωση έλλειψης τριών διαδοχικών κλασμάτων.

Σχήμα 7.16. Καμπύλες % παραμένοντος σύνθεσης αδρανών υλικών σκυροδέματος (Διάγραμμα

προσδιορισμού της κλασματικής βέλτιστης ποσοστιαίας % κοκκομετρικής σύνθεσης αδρανών

για την παραγωγή σκυροδέματος).

172

Οι κοκκομετρικές ομάδες τεμαχίων που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή

σκυροδέματος, σύμφωνα με τον Ελληνικό Κανονισμό Τεχνολογίας Σκυροδέματος (ΚΤΣ-

97), δίνονται στα Σχήματα 7.17, 7.18, 7.19, και 7.20 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 7.17. Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου τεμαχίου8 mm (Γερμανικά κόσκινα) ή 9.5 mm (3/8) κατά τα Αμερικανικά κόσκινα.

ΑμερικανικάΚόσκινα

ΓερμανικάΚόσκινα, mm

0.25 0.5 1 2 4 8 16

173

Σχήμα 7.18. Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου τεμαχίου16 mm (Γερμανικά κόσκινα) ή 12.5 mm (1/2) κατά τα Αμερικανικά κόσκινα.

Σχήμα 7.19. Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου τεμαχίου31.5 mm (Γερμανικά κόσκινα) ή 25.4 mm (1) κατά τα Αμερικανικά κόσκινα.

174

Σχήμα 7.20. Όρια κοκκομετρικής διαβάθμισης μίγματος αδρανών μέγιστου τεμαχίου37.5 mm (1 ½) κατά τα Αμερικανικά κόσκινα.

175

7.3.2. Χημικά πρόσθετα και 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:

7.3.2.1. 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 7.21), 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).

176

Σχήμα 7.21. Δράση της διάβρωσης του σιδηροπλισμού επί του οπλισμένου σκυροδέματος.

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

177

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).

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 7.22 και Εικόνα 7.2).

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

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).

178

Σχήμα 7.22. Δράση των φυσαλίδων αέρα μέσα στο σκυρόδεμα.

Εικόνα 7.2. Μεγέθυνση τομής σκυροδέματος στην οποία φαίνονται οι φυσαλίδες αέρα στο εσωτερικό του.

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

179

(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)

7.3.2.2. Υποκατάστατα (ποζολάνες, βιομηχανικά παραπροϊόντα κλπ.)

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:

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

180

4. Έχουν χαμηλότερο κόστος (κυμαινόμενο μεταξύ 25-50%) από το

τσιμέντο που αντικαθιστούν, μειώνοντας έτσι το συνολικό κόστος του

σκυροδέματος και κατά συνέπεια της κατασκευής.

181

8. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΟΥ

ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

8.1. 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 και επιβάλλονται, είτε προσδιορίζονται εύκολα στο εργαστήριο:

1. Η «κάθιση» ή εξάπλωση του σκυροδέματος (Σχήμα 8.1), 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 Διαγραμμάτων.

182

Πίνακας 8.1. 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

183

Σχήμα 8.1. Κάθιση (slump) ή εξάπλωση του σκυροδέματος.

Πίνακας 8.2. 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 αερακτικόΣκυρόδεμα 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 στον Πίνακα 8.2 και

στα Σχήματα 8.2 και 8.3, από τα οποία διαπιστώνεται η σημαντική επίδραση της σχέσης μαζών

νερού και τσιμέντου στην αντοχή του παραγόμενου σκυροδέματος.

Στον Πίνακα 8.3 δίνεται το κλάσμα όγκου χονδρομερών αδρανών στη μονάδα όγκου

σκυροδέματος ως συνάρτηση του συντελεστή ή δείκτη λεπτότητας των λεπτομερών αδρανών,

σύμφωνα με το ACI (American Concrete Institute, προδιαγραφή ACI 211-1-91).

184

Σχήμα 8.2. Λόγος νερού/υλικό με υδραυλικές ή ποζολανικές ιδιότητες (W/cm) συναρτήσει

της επιζητούμενης αντοχής σε θλίψη 28 ημερών (κατά American Concrete Institute, ACI).

Σχήμα 8.3. Όρια μεταβολής θλιπτικής αντοχής 28 ημερών καλά συντηρημένων κυλινδρικών

δοκιμίων σκυροδέματος (κατά Cement Association of Canada, 2006).

185

Πίνακας 8.3. Κλάσμα όγκου χονδρομερών αδρανών στη μονάδα όγκου σκυροδέματος ως συνάρτηση του συντελεστή ή δείκτη λεπτότητας των λεπτομερών αδρανών, (Πηγή: American Concrete Institute,

προδιαγραφή ACI 211-1-91).

Δείκτης λεπτότητας λεπτομερών αδρανών (Fineness modulus)

2.40 2.60 2.80 3.00Ονομαστικό

μέγιστο μέγεθος

αδρανών, mmΚλάσμα όγκου χονδρομερών αδρανών στη μονάδα όγκου

σκυροδέματος9.5 0.50 0.48 0.46 0.44

12.5 0.59 0.57 0.55 0.5319.0 0.66 0.64 0.62 0.6025.0 0.71 0.69 0.67 0.6537.5 0.75 0.73 0.71 0.6950.0 0.78 0.76 0.74 0.7275.0 0.82 0.80 0.78 0.76150.0 0.87 0.85 0.83 0.81

Ο Πίνακας 8.4 και το Σχήμα 8.4 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 επιζητούμενης αντοχής σε θλίψη

του σκυροδέματος.

Πίνακας 8.4. 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

186

Σχήμα 8.4. Ισοδύναμη (ελάχιστη) περιεκτικότητα τσιμέντου στο σκυρόδεμα (kg/m3) ως συνάρτηση της αντοχής σε θλίψη σε MPa.

187

8.2. Τεχνικές απαιτήσεις για τον προσδιορισμό της σύνθεσης του σκυροδέματος

8.2.1. 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 μαθηματικές σχέσεις:

, 1.4ff crc όταν η αντοχή σε θλίψη fc του παραγόμενου σκυροδέματος έχει τυπική απόκλιση

σ (από προηγούμενη εργοταξιακή εμπειρία) μέχρι 3.5 MPa

3.5 2.4ff 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:

8.2.2. 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

188

(Fineness modulus), η % απορροφητικότητα των τεμαχίων της σε νερό (πόροι 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) χονδρομερών αδρανών (Εικόνα 8.1)

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.

8.3. Μεθοδολογία προσδιορισμού αναλογίας πρώτων υλών στο σκυρόδεμα

1. Προσδιορισμός (από σχετικό Πίνακα 8.1) της απαιτούμενης ποσότητας προσθήκης νερού

(kg ή λίτρα νερού L / 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

8.2.) ή Πίνακα 8.2, 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 8.3) 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 και κατόπιν με την

189

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.

8.3.1. 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.

8.4. 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 ποσότητα

190

του απαιτούμενου νερού ανάμιξης. Εξαιτίας του πορώδους τους ή της υγρασίας αυτής, τα αδρανή,

είτε απορροφούν είτε συνεισφέρουν νερό στη διεργασία.

8.5. Αριθμητικό παράδειγμα προσδιορισμού σύνθεσης πρώτων υλών σκυροδέματος

1. Χαρακτηριστικά του έργου (απαιτήσεις)

Δεδομένα:

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 8.5. Χαρακτηριστικά πρώτων υλών σύνθεσης σκυροδέματος

ΥλικόΙδιότηταΤσιμέντο Χονδρομερή αδρανή Λεπτομερή αδρανή

Ειδικό βάρος 3.15 2.60 2.70

Πυκνότητα (δονημένων)

χονδρομερών αδρανών,

kg/m3 (με κενά)

- 1602 -

Δείκτης λεπτότητας,

Fineness modulus- - 2.80

Απόκλιση υγρασίας από

την πλήρως κορεσμένη

κατάσταση, (%)

- +2.5 +0.5

191

Εικόνα 8.1. 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 8.1 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 8.2) ή τον Πίνακα 8.2 (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 8.3, 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: 0.711602 = 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

3. Ο όγκος του εγκλωβιζόμενου αέρα είναι: 0.01 m3 αέρα/ m3 σκυροδέματος

192

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: 0.27252700 = 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.

193

9. ΓΡΗΓΟΡΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑ ΒΑΡΟΣ (%) ΣΥΣΤΑΣΗΣ

ΤΟΥ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

Πίνακας 9.1. Κατά βάρος σύσταση πρώτων υλών σκυροδέματος συναρτήσει του λόγου (W/C).

1. 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 9.1) αφορά σε διάφορους τύπους σκυροδεμάτων

συναρτήσει του λόγου W/C.

11000100010001000 2

2

1

1

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, %W/C 0.5 0.4 0.45Τσιμέντο Πόρτλαντ

12 12 13

Άμμος 34 34.56 33.85Χονδρομερή αδρανή

48 48.60 47.3

Νερό 6 4.84 5.85Αέρας - - -

Σύνολο 100 100 100

194

ρ2 = η πυκνότητα των χονδρομερών αδρανών 2.69 t/m3.

Επίσης, η πυκνότητα του σκυροδέματος είναι 2.4783 t/m3

Οπότε, εκτός της εξίσωσης (1) ισχύει και η εξίσωση (2)

kg2478.3BBWC 21 (2)

Συνεπώς, για λόγους W/C = 0.5 και Β1/(Β1 + Β2) = 0.416 και πυκνότητα (ή μάζα 1 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 αποτελέσματα 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 (για 4.5% αέρα η πυκνότητα είναι 2.37 t/m3 περίπου).

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 BBCW

c

m3 σκυροδέματος (3)

195

10. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΚΑΙ ΤΟ

ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ

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

(τσιμέντο, λεπτομερή και χονδρομερή αδρανή) 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 10.1

Πίνακας 10.1. Κατά βάρος σύσταση πρώτων υλών σκυροδέματος συναρτήσει του λόγου (W/C).

Συστατικό Βάρος, % Βάρος, % Βάρος, %W/C (νερό/τσιμέντο) 0.5 0.4 0.45Τσιμέντο Πόρτλαντ 12 12 13Άμμος (Λεπτομερή αδρανή) 34 34.56 33.85Χονδρομερή αδρανή 48 48.60 47.3Νερό 6 4.84 5.85Αέρας - - -

Σύνολο 100 100 100

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

196

οικονομικότητα του σκυροδέματος επειδή είναι πολυ φθηνά ως υλικά δηλαδή δρούν ως

«πληρωτικά».

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

197

αντιδράσεις της ενυδάτωσης επιταχύνονται πάρα πολύ και αρχίζει η πήξη και η

σκλήρυνσή του.

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

198

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 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).

199

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

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

200

δηλ. ικανοποιητικού ιξώδους για την εξασφάλιση ροής στα καλούπια), τόσο μεγαλύτερη αντοχή

αναμένεται να αποκτήσει το σκυρόδεμα.

13. Εξηγήστε 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 η μάζα γνωστού όγκου σκυροδέματος.

201

Με τη δοκιμή προσδιορισμού της θλιπτικής αντοχής ελέγχονται οι αντοχές (τάσεις) θραύσης

κυλινδρικών ή κυβικών δοκιμίων σκυροδέματος με την πρόοδο της πήξης και σκλήρυνσής τους

(δηλ. σε προκαθορισμένους χρόνους). Εάν η τάση θραύσης μιας δοκιμής δεν είναι μικρότερη

κατά 3.5 MPa ≈ 500 psi ή περισσότερο 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.

202

11. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΜΕ ΤΣΙΜΕΝΤΟ, ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΚΑΙ ΑΔΡΑΝΗ)

Α. Στοιχειομετρικός προσδιορισμός του απαιτούμενου αέρα καύσης βαρέος

κλάσματος πετρελαίου

Για τον παραπάνω προσδιορισμό, απαραίτητο δεδομένο είναι η στοιχειακή ανάλυση του πετρελαίου

(βαρύ κλάσμα), η οποία δίνεται στον Πίνακα 1.

Πίνακας 1. Στοιχειακή σύσταση βαρέος κλάσματος πετρελαίου

Συστατικό % περιεκτικότητακατά βάρος

Άνθρακας, C 85.9

Υδρογόνο, H 12

Οξυγόνο, O 0.7

Άζωτο, N 0.5

Θείο, S 0.5

Υγρασία 0.35

Τέφρα (ash) 0.05

Θερμογόνος δύναμη,G.C.V. ή H.H.V.

10880 kcal/kg

Με δεδομένη την παραπάνω ανάλυση και υποθέτοντας ότι έχουμε ένα βαρύ κλάσμα πετρελαίου

μάζας 100 kg, υπολογίζονται οι ποσότητες O2 που είναι απαραίτητες για την πλήρη καύση του

άνθρακα, του υδρογόνου και του θείου, σύμφωνα με τις αντιδράσεις:

1. C + O2 CO2 (12 kg C απαιτούν 32 kg O2 για παραγωγή 44 kg CO2)

2. H2 + 1/2·O2 H2O (2 kg H2 απαιτούν 32/2 = 16 kg O2 για παραγωγή 18 kg H2O)

3. S + O2 SO2 (32 kg S απαιτούν 32 kg O2 για παραγωγή 64 kg SO2),

όπου: C = 12, O =16, H = 1, S = 32 και N = 14 τα ατομικά βάρη των στοιχείων και επίσης CO2 =

44, H2O = 18, SO2 = 64 τα μοριακά βάρη των ενώσεων.

203

Παίρνοντας υπόψη την επί τοις % στοιχειακή ανάλυση του πετρελαίου (Πίνακας 1) προκύπτουν:

(85.9) C + (85.9 x 32/12) O2 314.97 CO2, όπου 32/12 η αναλογία O / C στο CO2

(12) H2 + (12 x 16/2) O2 (12 x 9 ) H2O, όπου 16/2 η αναλογία O / H στο H2O και

(0.5) S + (0.5 x 32/32) O2 1.0 SO2, όπου 32/32 η αναλογία O / S στο SO2

Από τα παραπάνω υπολογίζεται η συνολική ποσότητα του απαιτούμενου O2 για τις αντιδράσεις

πλήρους καύσης 100 kg του πετρελαίου, που είναι:

85.9 x 32/12 + 12 x 16/2 + 0.5 = 325.57 kg O2

Επειδή όμως στα 100 kg καυσίμου περιέχεται ποσότητα 0.7 kg O2, προκύπτει ότι η

συμπληρωματική ποσότητα O2 που απαιτείται είναι: 325.57 - 0.7 = 324.87 kg O2 / 100 kg

καυσίμου.

Δεδομένης της κατά βάρος σύστασης του αέρα (23.2% O2 και 75.47% N2), η απαιτούμενη

ποσότητα αέρα για τη στοιχειομετρική καύση του πετρελαίου ανέρχεται σε:

324.87 kg O2 / 0.232 = 1400.30 kg αέρα / 100 kg πετρελαίου ή

14.003 kg αέρα / kg πετρελαίου

Προσδιορισμός της θεωρητικής μέγιστης περιεκτικότητας των απαερίων σε CO2

Τα αέρια που εμφανίζονται, κατά την πλήρη στοιχειομετρική καύση όλων των καυσίμων, στα

απαέρια είναι CO2, N2 και SO2, επειδή το νερό στη θερμοκρασία των απαερίων έχει ήδη εξατμιστεί.

Επίσης, από τα παραπάνω αποτελέσματα προκύπτει ότι το άζωτο (N2) του τροφοδοτούμενου αέρα

για την καύση 100 kg πετρελαίου, ανέρχεται σε:

N2 = 1400.30 kg αέρα– 324.87 kg O2 = 1075.43 kg Οπότε:

Moles CO2 στα απαέρια = (314.97 kg) / 44·10-3 kg/mole = 7.158·103 moles

Moles N2 στα απαέρια = (1075.43 kg) / 28·10-3 kg/mole = 38.41·103 moles

Moles SO2 στα απαέρια = 1 kg/ 64·10-3 kg/mole = 15.625 moles

Οπότε, η % κατ’ όγκο θεωρητική περιεκτικότητα CO2 (CO2 max) στα απαέρια =

(moles CO2 x 100) / συνολικά moles αερίων (ξηρό)

204

= (7158 x 100) / (7158 + 38410 + 15.625) = 15.70% CO2

Είναι προφανές ότι η τιμή αυτή αντιστοιχεί στη μέγιστη δυνατή περιεκτικότητα (% κ.ο) CO2,max

των απαερίων για τη στοιχειομετρική πλήρη καύση βαρέος κλάσματος πετρελαίου.

Προσδιορισμός της σύστασης των απαερίων στην περίπτωση περίσσειας αέρα

Είναι γνωστό ότι δεδομένη ποσότητα περίσσειας αέρα είναι απαραίτητη για την πλήρη καύση όλων

των καυσίμων και το ποσοστό της περίσσειας εξαρτάται από τον τύπο του καυσίμου.

Για τον προσδιορισμό της % περίσσειας του τροφοδοτούμενου αέρα καύσης είναι απαραίτητος ο

προηγούμενος προσδιορισμός (μέτρηση) της % περιεκτικότητας των απαερίων σε O2.

Εάν μετρηθεί στα απαέρια συγκέντρωση π.χ. 2.8% σε O2 (σίγουρα πλήρης καύση του καυσίμου),

τότε είναι εύκολος ο υπολογισμός της % περίσσειας αέρα (κ.ο.) από τη γνωστή σχέση:

100)μετρούμενη%920

)μετρούμενη%αέραΠερίσσεια%

2

2

O-.

O

Από τα παραπάνω δεδομένα προκύπτει:

%.47151008.29.20

8.2αέραΠερίσσεια%

Η θεωρητική ποσότητα αέρα για την καύση 100 kg πετρελαίου = 1400.30 kg

Συνολική ποσότητα αέρα με 15.47% περίσσεια αέρα: 1400.30 x 1.1547 = 1616.93 kg

Μάζα περίσσειας αέρα = (1616.93 – 1400.30) kg = 216.63 kg

Μάζα οξυγόνου O2 (23.2%) στην περίσσεια αέρα = 216.63 x 0.232 = 50.26 kg

Μάζα αζώτου N2 + κ.α. αερίων (76.8%) στην περίσσεια αέρα = (216.63 – 50.26) kg = 166.37 kg

Οπότε, η τελική σύσταση των απαερίων από την καύση 100 kg βαρέος κλάσματος πετρελαίου με

15.47% περίσσεια αέρα είναι:

1. CO2 = 314.97 kg

2. H2O = 108 kg (το οποίο εξατμίζεται στις υψηλές θερμοκρασίες απαερίων)

3. SO2 = 1 kg

4. O2 = 50.26 kg

5. N2 = 1241.8 kg ( = 1075.43 στη θεωρητική ποσότητα αέρα + 166.37 στην περίσσεια αέρα)

205

Προσδιορισμός της % πραγματικής περιεκτικότητας των απαερίων σε CO2 (για περίσσεια αέρα 15.47%)

Η κατ’ όγκο περιεκτικότητα των απαερίων, που προσδιορίστηκε παραπάνω, ανάγεται σε moles:

Moles CO2 στα απαέρια = 314.97 / 44·10-3 kg/mole = 7.158·103 moles

Moles SO2 στα απαέρια = 1/ 64·10-3 kg/mole = 15.625 moles

Moles ελεύθερου O2 στα απαέρια = 50.26 / 32·10-3 kg/mole = 1.57063·103 moles

Moles N2 στα απαέρια = 1241.8 / 28·10-3 kg/mole = 44.35·103moles

Συνολική ποσότητα απαερίων = 53094.26 moles

Πραγματική % περιεκτικότητα απαερίων σε CO2 % (κατ’ όγκο) = (7158 x 100) / 53094.26

= 13.48% CO2

Σύγκριση της παραπάνω θεωρητικής τιμής με την υπολογιζόμενη από την εξίσωση

Επειδή είχε υπολογιστεί η θεωρητική μέγιστη περιεκτικότητα των απαερίων σε CO2,max (15.70%)

και μετρήθηκε % περιεκτικότητα των απαερίων 2.8% σε O2, από τη γνωστή σχέση έμμεσου

υπολογισμού της περιεκτικότητας απαερίων σε CO2, προσδιορίζεται:

9.20

)(%9.20)(% 2

max,22

απαέριαστα μέτρησηόγκοκατ΄

OCOCO

22 %60.139.20

8.29.207.15)(% COCO

όγκοκατ΄

Η τιμή αυτή διαφέρει περίπου 0.9% από την παραπάνω υπολογισμένη.

Οι παραπάνω τιμές (13.48 και 13.60%) συγκρίνονται με τη θεωρητική μέγιστη περιεκτικότητα των

απαερίων σε CO2,max (15.7%). Όμως, όσο μικρότερη, από την CO2,max, είναι η % περιεκτικότητα σε

CO2 των απαερίων, πράγμα που σημαίνει μεγάλη αραίωση της συγκέντρωσής του στα απαέρια

(λόγω μεγάλης % περίσσειας αέρα), τόσο μεγαλύτερες είναι και οι θερμικές απώλειες στα απαέρια.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν δυσμενείς οικονομικές επιπτώσεις στη διεργασία καύσης

και παραγωγής θερμότητας.

206

Β. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ [1] ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΛΙΝΚΕΡ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ (ΣΥΝΔΕΕΤΑΙ ΜΕ ΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΩΝ)

Πρώτες ύλες για τον προσδιορισμό της σύνθεσης της μέσης τροφοδοσίας

Για τον προσδιορισμό της ποσοστιαίας % αναλογίας των πρώτων υλών στη διαμόρφωση της μέσης

τροφοδοσίας παραγωγής των τσιμέντων αμερικανικού τύπου του Πίνακα 4.1 (σελ. 90) θα

διερευνηθεί η χρήση διαφόρων συνθέσεων πρώτων υλών. Η χημική σύσταση των πρώτων υλών,

που χρησιμοποιούνται, φαίνεται στους πίνακες 4.6, 4.7, 4.8 και 4.9, 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 στόχων λαμβάνονται από τον Πίνακα 4.2 και αφορούν

στους διάφορους τύπους τσιμέντων του αμερικανικού προτύπου ASTM του Πίνακα 4.1 ( σελ. 90).

Πίνακας 4.2. Τυπικές τιμές των δεικτών SR, AR ,Leq και του LSF για την ανάμειξη των πρώτων υλών προς παραγωγή τσιμέντων του αμερικανικού πρότυπου (ASTM) του Πίνακα 4.1. [2].

Τύπος τσιμέντου

κατάASTM

SR(πυριτικός δείκτης)

AR(αργιλικός δείκτης)

Leq , (υδραυλικός

δείκτης)

LSF,(βαθμός

κορεσμού σε άσβεστο), %*

I1 2.6 2.3 2.2 95.43Ι2 2.9 1.6 2.1 90.04I3 3.3 2.2 2.3 96.45

I

I4 2.3 2.7 2.1 92.69II1 2.2 1.0 2.0 90.46

IIII2 3.9 1.9 2.2 90.46III1 2.6 2.1 2.4 102.81

IIIIII2 2.9 2.6 2.3 98.00IV1 2.4 0.9 1.8 80.30

IVIV2 3.7 1.2 2.0 83.19V1 3.8 0.9 2.1 87.34

VV2 2.9 0.7 2.0 86.78

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

207

Πίνακας 4.6. Χημική σύσταση πρώτων υλών τσιμέντου

Πίνακας 4.7. Χημική σύσταση πρώτων υλών τσιμέντου

Πίνακας 4.8. Χημική σύσταση πρώτων υλών τσιμέντου

Α΄ σύνθεση Πρώτων υλών (ξηρό υλικό), %

Χημική ένωση 1Ασβεστόλιθος

2Σιδηρο-

μετάλλευμα

3Χαλαζιακή

άμμος

4Αργιλοπυ-

ριτικό υλικόCaO 50.5 2.7 1.0 4.0SiO2 4.83 2.7 95.0 65.0Al2O3 1.85 6.6 1.4 24.0Fe2O3 0.64 84.0 1.3 2.5CaCO3 90.2 4.8 1.8 7.14Ελεύθερη άσβεστος CaO, SO3

Όσο προβλέπεται στον Πίνακα 4.1 (κατά ASTM) για κάθε τύπο τσιμέντου

Β΄ σύνθεση Πρώτων υλών (ξηρό υλικό), %

Χημική ένωση 1Ασβεστόλιθος

2Σιδηρο-

μετάλλευμα

3Χαλαζιακή

άμμος

4Αργιλοπυ-

ριτικό υλικό

CaO 50.5 2.7 1.0 15.4SiO2 4.83 2.7 95.0 37.9Al2O3 1.85 6.6 1.4 16.5Fe2O3 0.64 84.0 1.3 5.1CaCO3 90.2 4.8 1.8 27.5Ελεύθερηάσβεστος CaO, SO3

Όσο προβλέπεται στον Πίνακα 4.1 (κατά ASTM) για κάθε τύπο τσιμέντου

Γ΄ σύνθεση Πρώτων υλών (ξηρό υλικό), %

Χημική ένωση 1Ασβεστόλιθος

2Αργιλοπυριτι-

κό υλικό

3Χαλαζιακή

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

Όσο προβλέπεται στον Πίνακα 4.1 (κατά ASTM) για κάθε τύπο τσιμέντου

208

Πίνακας 4.9. Χημική σύσταση πρώτων υλών τσιμέντου

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 4.2, 4.6, 4.7, 4.8 και 4.9 και εφαρμόζοντας

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

Mathcad και Excel, διαμορφώνονται οι Πίνακες 4.10, 4.11, 4.12, 4.13, 4.14, 4.15, 4.16 και 4.17.

Οι Πίνακες 4.10 και 4.11 αφορούν στην παραγωγή τσιμέντων «κοινού τύπου» του αμερικανικού

προτύπου (I1, I3, III1 και III2 του Πίνακα 4.1) που αναμένεται να προκύψουν με χρήση των

τεσσάρων (-4-) διαφορετικών πρώτων υλών των Πινάκων 4.6 και 4.7 με δεδομένα τις τιμές των

LSF, SR και AR (Πίνακας 4.2).

Ο Πίνακας 4.12 αναφέρεται στην παραγωγή τσιμέντων «κοινού τύπου» του αμερικανικού προτύπου

(I1, I3, III1 και III2 του Πίνακα 4.1) που αναμένεται να προκύψουν με χρήση τριων (-3-)

διαφορετικών πρώτων υλών του Πίνακα 4.8 με δεδομένα τις τιμές των LSF, SR από τον Πίνακα 4.2.

Στον Πίνακα 4.13 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 4.6 με δεδομένα (LSF, AR) για τα βελιτικά τσιμέντα I2, I4,

II1, II2, IV1, IV2, V1 και V2 του Πίνακα 4.2.

Στον Πίνακα 4.14 καταγράφονται οι δοκιμές βελτίωσης του βελιτικού τσιμέντου από 4 πρώτες ύλες

(τροφοδοσίες Πίνακα 4.6) με μεταβολή των τιμών για τον δείκτη LSF.

Στους Πίνακες 4.15 και 4.16 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα διαμόρφωσης του μείγματος τριών

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

τροφοδοσίες των Πινάκων 4.8 και 4.9, ενώ στον Πίνακα 4.17 δίνεται το αποτέλεσμα «διόρθωσης»

Δ΄ σύνθεση Πρώτων υλών (ξηρό υλικό), %

Χημική ένωση 1Ασβεστόλιθος

2Σιδηρο-

μετάλλευμα

3Χαλαζιακή

άμμος

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

Όσο προβλέπεται στον Πίνακα 4.1 (κατά ASTM) για κάθε τύπο τσιμέντου

209

της αρνητικής τιμής τροφοδοσίας του Πίνακα 4.16 με επιβολή, κατά τη μαθηματική επεξεργασία.,

μηδενικής τιμής (W2 = 0) στη δεύτερη τροφοδοσία του Πίνακα 4.9 (σιδηρομετάλλευμα).

210

Πίνακας 4.10. Παραγωγή κοινών τσιμέντων από 4 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 4.6)

Δείκτες μέσης τροφοδοσίας

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

όπως Πίνακας 4.1Τύπος

τσιμέντουLSF SR AR 1 2 3 4

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις(Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 42.953SiO2 14.1Al2O3 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 7.50OPC

ASTM Type I

CaO 43.593SiO2 14.545Al2O3 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 6.29OPC

ASTM Type I

CaO 43.426SiO2 14.04Al2O3 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 6.14OPC

ASTMType I ή III

CaO 43.679SiO2 13.326Al2O3 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

211

Πίνακας 4.11. Παραγωγή κοινών τσιμέντων από 4 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 4.7)

Δείκτες μέσης τροφοδοσίας(Δεδομένα)

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

όπως Πίνακας 4.1Τύπος

τσιμέντουLSF SR AR 1 2 3 4

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις(Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 43.61SiO2 14.316Al2O3 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 7.62OPC

ASTM Type I

CaO 44.004SiO2 14.682Al2O3 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 6.34OPC

ASTM Type I

CaO 43.997SiO2 14.225Al2O3 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 6.22OPC

ASTMType I ή III

CaO 44.237SiO2 13.497Al2O3 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

212

Πίνακας 4.12. Παραγωγή κοινών τσιμέντων από 3 πρώτες ύλες του Πίνακα 4.8 (Δεδομένα LSF, SR)

Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως

Πίνακας 4.1

Δείκτες μέσης τροφοδοσίας

Δεδομένα ( LSF, SR)

% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h

Τύπος τσιμέντου

LSF SR AR(Υπολογ.)

1 2 3

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

CaO 42.882SiO2 14.029Al2O3 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 43.531SiO2 14.483Al2O3 3.262Ι3

0.9645 3.30 2.897 83.053 9.858 7.09

Fe2O3 1.126

54.35 21.28 10.11 5.14

CaO 43.395SiO2 14.01Al2O3 3.61ΙΙΙ2

0.98 2.90 2.96 82.102 12.187 5.711

Fe2O3 5.711

51.42 21.46 11.25 5.57

CaO 43.587SiO2 13.237Al2O3 3.817ΙΙΙ1

1.0281 2.60 2.996 82.088 13.563 4.349

Fe2O3 1.274

60.18 11.53 11.94 5.82

213

Πίνακας 4.13. Παραγωγή βελιτικών τσιμέντων από 4 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 4.6)

Δείκτες μέσης τροφοδοσίας % Παροχή τροφοδοσίας ή t/hΠιθανή σύνθεση BOGUE % για

ελεύθερη άσβεστο CaO όπως Πίνακας 4.1

Τύπος τσιμέντου

LSF SR AR 1 2 3 4

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις(Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 42.602SiO2 15.085Al2O3 3.201I2 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 42.311SiO2 14.042Al2O3 4.455

I4 0.9269 2.30 2.70 78.26 0.229 3.686 17.822

Fe2O3 1.65

36.84 32.60 13.53 7.51Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 42.154SiO2 14.49Al2O3 3.293II1 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 IVCaO 43.198SiO2 15.628Al2O3 2.625II2 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 41.208SiO2 16.161Al2O3 3.19IV1 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 IVCaO 42.42SiO2 16.698Al2O3 2.462IV2 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 IVCaO 43.027SiO2 16.198Al2O3 2.019V1 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 VCaO 42.511SiO2 15.805Al2O3 2.244V2 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

214

Πίνακας 4.14. Δοκιμές βελτίωσης βελιτικού τσιμέντου από 4 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 4.6)

Δείκτες μέσης τροφοδοσίαςΔεδομένα (LSF, SR, AR)

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

Πίνακας 4.1Τύπος

τσιμέντουLSF SR AR 1 2 3 4

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις(Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 40.63SiO2 16.836Al2O3 3.323

Δοκιμή 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 40.905SiO2 16.515Al2O3 3.26

Δοκιμή 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 41.208SiO2 16.161Al2O3 3.19

IV1 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 41.424SiO2 15.909Al2O3 3.14

Δοκιμή 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 41.67SiO2 15.622Al2O3 3.083

Δοκιμή 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

215

Πίνακας 4.15. Παραγωγή βελιτικών τσιμέντων από 3 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 4.8)

Δείκτες μέσης τροφοδοσίας Δεδομένα (LSF, SR)

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

Πίνακας 4.1Τύπος

τσιμέντουLSF SR AR

(Υπολογ.)1 2 3

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις(Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 42.582SiO2 14.962Al2O3 3.859

I2 0.9004 2.90 2.968 79.961 13.901 6.138

Fe2O3 1.30

42.12 32.57 12.04 5.93Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 42.276SiO2 14.007Al2O3 4.59

I4 0.9269 2.30 3.06 77.916 18.802 3.282

Fe2O3 1.50

35.73 33.28 14.44 6.85Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 41.907SiO2 14.136Al2O3 4.85

II1 0.9046 2.20 3.079 76.659 20.562 2.779

Fe2O3 1.575

45.65 32.64 9.07 4.78Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 43.269SiO2 15.596Al2O3 2.951

II2 0.9046 3.9 2.816 83.123 7.796 9.08

Fe2O3 1.048

31.55 36.99 15.28 7.19Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 40.913SiO2 15.739Al2O3 4.942

IV1 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 42.35SiO2 16.519Al2O3 3.307

IV2 0.8319 3.70 2.858 80.558 10.231 9.211

Fe2O3 1.157

27.44 50.34 10.21 5.28Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 42.882SiO2 15.971Al2O3 3.108

V1 0.8734 3.80 2.838 82.032 8.863 9.105

Fe2O3 1.095

40.09 38.44 9.58 5.00Βελιτικό

ASTM Type I

CaO 42.216SiO2 15.391Al2O3 3.971

V2 0.8678 2.90 2.972 78.997 14.672 6.331

Fe2O3 1.336

34.60 40.08 12.39 6.10Βελιτικό

ASTM Type I

216

Πίνακας 4.16. Δοκιμή παραγωγής βελιτικών τσιμέντων από 3 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 4.9)Δείκτες μέσης τροφοδοσίας

Δεδομένα (LSF, AR)% Παροχή τροφοδοσίας ή t/h

Πιθανή σύνθεση BOGUE % για ελεύθερη άσβεστο CaO όπως Πίνακας 4.1Τύπος

τσιμέντουLSF

SR(Υπολογ.)

AR 1 2 3

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις(Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 43.913SiO2 16.39Al2O3 1.816

I2 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 VCaO 44.312SiO2 16.166Al2O3 1.79

I4 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 43.683SiO2 16.032Al2O3 1.859

II1 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 VCaO 44.018SiO2 16.397Al2O3 1.805

II2 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 VCaO 42.649SiO2 17.704Al2O3 1.862

IV1 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 VCaO 43.137SiO2 17.392Al2O3 1.833

IV2 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 VCaO 43.328SiO2 16.448Al2O3 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 VCaO 43.041SiO2 16.278Al2O3 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

217

Πίνακας 4.17. Διόρθωση της αρνητικής τιμής της τροφοδοσίας κατά την παραγωγή βελιτικού τσιμέντου από 3 πρώτες ύλες (τροφοδοσίες Πίνακα 4.9)

Δείκτες μέσης τροφοδοσίας Δεδομένα (LSF, AR)

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

Πίνακας 4.1Τύπος

τσιμέντουLSF SR

(Υπολογ.)AR 1 2 3

Μέση σύσταση τροφοδοσίας, %

C3S C2S C3A C4AF

Παρατηρήσεις(Χ)

Μη αποδεκτό

CaO 44.312SiO2 16.166Al2O3 1.79

I2 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 44.713Υπολογιζόμενα

SiO2 15.371Al2O3 1.797I2Δ 0.9269

6.11 2.5188.31 0 11.69

Fe2O3 0.717

65.13 16.97 5.32 3.27

Υψηλής αρχικής αντοχής,

ανθεκτικό σε θειϊκά άλατα,

ASTM Type III

218

Παρατηρήσεις-Συμπεράσματα

Από τους Πίνακες 4.10 και 4.11, που αφορούν στην παραγωγή κλίνκερ από

τις πρώτες ύλες των Πινάκων 4.6 και 4.7 αντιστοίχως και με δεδομένα τα LSF, SR

και AR (Πίνακας 4.2), 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 4.13 διαπιστώνεται ότι, με χρήση των τεσσάρων (-4-)

τροφοδοσιών του Πίνακα 4.6 παράγονται «βελιτικά» τσιμέντα τύπων ASTM Ι, ΙΙ, IV

και V για τους διάφορους συνδυασμούς δεικτών (LSF, SR και AR). Από τα

αποτελέσματα του Πίνακα 4.14 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 4.14.

Η χρήση τριών (-3-) τροφοδοσιών, όπως αυτές των Πινάκων 4.8 και 4.9,

παράγει τσιμέντα τόσο «κοινού» όσο και ειδικού τύπου (Πίνακες 4.15 και 4.16). 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.

Δηλαδή, 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 4.17).

219

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 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.

220

Γ. «Η ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΕΛΛΗΝΙΚΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ ΚΑΙ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΔΙΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 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 ουσιαστικής σημασίας παράγοντες στην ποιότητα και την

αντοχή των κατασκευών.

Στην Ελλάδα σήμερα εξορύσσονται εκατομμύρια κυβικά μέτρα πετρωμάτων και

μεταλλευμάτων 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 εκπαίδευσης 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 καταναλώσεις στις διαδικασίες παραγωγής του. Διατυπώνονται 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),

221

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 ΠόρτλαντΆμμος (λεπτομερή αδρανή)Χονδρομερή αδρανήΝερόΑέρας

1234486

Σύνολο 100

Στην Ελλάδα, η τσιμεντοβιομηχανία απορροφά επίσης ικανές ποσότητες

πυριτικών πετρωμάτων (ποζολάνη), και απορροφούσε μέχρι πριν από μερικά χρόνια

σκωρίες ηλεκτροκαμίνων από την παραγωγή σιδηρονικελίου (περίπου 250.000 t

ετησίως από τη ΛΑΡΚΟ ΑΕ), σκουριά από σιδηροπυρίτη από τις βιομηχανίες

λιπασμάτων και 150.000 t περίπου φωσφογύψο [35]. Η χρησιμοποίηση των

μεταλλουργικών σκωριών στην τσιμεντοβιομηχανία είναι εφικτή λόγω των ευνοϊκών

ορυκτολογικών χαρακτηριστικών τους (περιεχόμενα οξείδια συμβατά με το τσιμέντο)

[3], ταυτόχρονα όμως συνέβαλε θετικά στο πρόβλημα που δημιουργούνταν από την

απόθεση της σκωρίας στη θάλασσα.

Το διάγραμμα ροής της παραγωγής τσιμέντου φαίνεται στο Σχήμα 1. Από αυτό το

διάγραμμα 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

περιλαμβάνει:

1. την καθαυτό μεταλλουργική διεργασία παραγωγής του κλίνκερ τσιμέντου, και

2. την άλεσή του (λεπτομερής λειοτρίβηση του κλίνκερ) για την παραγωγή

τσιμέντου.

222

Την παραγωγή τσιμέντου ακολουθεί η παραγωγή του σκυροδέματος που απαιτεί,

εκτός από τη χρήση τσιμέντου και νερού, αδρανών υλικών με κατάλληλα

φυσικοχημικά 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.

Λατομείο

Πρωτογενής θραύση

Δευτερογενής θραύσηΑποθήκευση πρώτων υλών

Σχιστόλιθος

Χαλαζιακή άμμος

Προς κύκλωμα λειοτρίβησης

Ασβεστόλιθος

Ρύθμιση βαρών πρώτων υλών

Μύλος

Κονιοσυλλ

Ασ

βεσ

τόλι

θος

ΣχιστόλιθοςΣιδηρο-

μετάλλευμα

Σιλό ανάμειξης και αποθήκευσης

Χ

αλα

ζια

κή

άμ

μος

Για προθέρμανση ή Π/Κ

Αντλία πρώτωνυλών

Ψύξη Κλίνκερ

Αντλία τσιμέντου

Μύλος άλεσης

Κλίνκερ

Διατάξεις φόρτωσης

Κονιοσυλλέκτης

Σιλό αποθήκευσης

ΔιάταξηΕνσάκκισης

Σιδηρομετάλλευμα

Διάταξη ενσάκκισης

Π/Κ

Γύψος, Κλίνκερ

Κονιοσυλλέκτης

Σχήμα 1. Διάγραμμα ροής διαδικασιών παραγωγής τσιμέντου [1].Figure 1. Flowsheet for the cement production [1].

223

3. Η ΜΕΤΑΛΛΕΥΤΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΚΑΙ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

Σε δημοσίευση (1998) του Ινστιτούτου Οικονομικών και Βιομηχανικών Ερευνών

(ΙΟΒΕ) αναφερόταν ότι, η ετήσια παραγωγή της ελληνικής τσιμεντοβιομηχανίας το

1997 ήταν 14.8 εκατ. τόνοι τσιμέντου [6]. Το 52% της παραγωγής (7.7 εκατ. τόνοι)

εξάγονταν σε χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης και τις ΗΠΑ και το 48% (7.1 εκατ.

τόνοι) διετίθετο στην ελληνική αγορά. Από το διατιθέμενο τσιμέντο στην ελληνική

αγορά, ποσοστό 68% ήταν χύμα και 32% ενσακκισμένο. Το 80% του διατιθέμενου

στην ελληνική αγορά «χύμα» τσιμέντου το απορροφούσαν οι εταιρείες παραγωγής

έτοιμου σκυροδέματος, το 12-15% οι κατασκευαστικές εταιρείες και το 5-8% οι

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, ήταν ασβεστολιθικά πετρώματα που χρησιμοποιούνταν

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 σκυρο-

δέματος, 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

224

Οι συνολικοί τόνοι ασβεστολιθικού υλικού για τσιμέντο και σκυρόδεμα ετησίως

είναι: (17.8 + 47.4)106 = 65.2 εκατ. τόνοι. Με λόγο αποκάλυψης (υπερκείμενα :

ασβεστολιθικό υλικό) 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, ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ)

3.1. Αξία εξαγόμενου τσιμέντου

Αν ληφθεί υπόψη ότι η τιμή του εξαγόμενου τσιμέντου ήταν περίπου 70$/τόνο

δηλ. περίπου 28.000 δρχ./τόνο, τότε τα έσοδα από την πώληση του τσιμέντου

ανέρχονταν 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 μέση τιμή του σκυροδέματος στην ελληνική αγορά (συμπεριλαμβανομένου και

του ΦΠΑ) ήταν 17.000 δρχ./m3. Άρα τα ακαθάριστα έσοδα από την πώληση των 17.8

106 m3 σκυροδέματος ανέρχονταν 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 απέφεραν ακαθάριστα έσοδα

περίπου 518 δισ. δρχ. ή 1.52 δισ. ευρώ ετησίως. Αν ληφθούν δε υπόψη και τα

προϊόντα τσιμέντου που παράγονταν, δεν απέχει πολύ από την πραγματικότητα η

υπόθεση ότι ο ετήσιος κύκλος εργασιών των βιομηχανιών τσιμέντου και

σκυροδέματος ήταν 600 δισ. δρχ. ή 1.8-2.0 δισ. 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 ΑΕΠ. Το μέλλον τους προβλέπεται ευοίωνο για τα

επόμενα χρόνια, δεδομένης της αύξησης της παραγωγικής τους δυναμικότητας με την

225

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 2030% 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.ΆνθρακαςPetcokeΛιγνίτηςΠετρέλαιοΦυσικό αέριοΕναλλακτικά καύσιμα

363967210

Σύνολο 100

Καταναλώνεται επίσης και ηλεκτρική ενέργεια περίπου 100 kWh/t τσιμέντου (πο-

σοστό 58% 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 (1975) τιμή 1.8 MWh/t τσιμέντου για

ξηρή μέθοδο παραγωγής τσιμέντου (dry process).

226

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. Διαπιστώνεται 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

Το 2000 στις ΗΠΑ, το 5% περίπου της απαιτούμενης ενέργειας στην παραγωγή

τσιμέντου προερχόταν 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,

227

7. διαλύτες ανακύκλωσης χαρτιού, και

8. απόβλητα γεωργικών βιομηχανιών (τσόφλια ξηρών καρπών, κουκούτσια ροδά-

κινων κ.λπ.).

Πίνακας 3. Είδος καυσίμου και θερμική ενέργεια για την παραγωγή ενός τόνου τσιμέντου κατά την Portland Cement Association (PCA) [1].

Ενέργεια/t τσιμέντουΕίδος καύσιμου BTU 103 kWh

Ποσοστό ενέργειας (%)

Προϊόντα πετρελαίου(diesel, βενζίνη κ.λπ.) 69.5 20.4 1.2

Φυσικό αέριο 524.8 153.8 9.0

Άνθρακας και κωκ 3885.3 1138.4 66.5

Καύσιμο από απόβλητα1 315.3 92.4 5.4

Ηλεκτρική ενέργεια2 1050.3 307.8 17.9Σύνολο 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 λαμβάνεται το θερμικό δυναμικό (θερμογόνος δύναμη) της πρώτης ύλης που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Θεωρείται ότι είναι περίπου 2.5 φορές του πραγματικού αποδιδόμενου (μέσω της ηλεκτρικής ενέργειας) δηλαδή (2.5 420.1 103 BTU = 2.5 123.1 kWh, με απόδοση 40%).

Πίνακας 4. Ενέργεια στη διαδικασία παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος.

kWh/t πρώτης ύληςΥλικό

Βάρος

(%)Παραγωγή Μεταφορά

kWh/m3

σκυροδέ-ματος

Μάζα πρώτων υλών

(t/m3 σκυροδέμα-τος)

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,

228

όταν 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 (> 1870C)

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.

229

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.

Δεδομένου 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 (1997) παράγονταν 14.8 εκατ. t

τσιμέντου ετησίως και η μέση κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου 100

kWh/t τσιμέντου. Η απαιτούμενη συνολική ηλεκτρική ενέργεια ανερχόταν 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 ΣΚΥΡΟΔΕΜΑΤΟΣ

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].

Δεν 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

230

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 5.3C. 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 5% περίπου των συνολικών εκπομπών CO2 από όλες τις ανθρώπινες

δραστηριότητες. Είναι λοιπόν υπεύθυνη για μεγάλες ποσότητες εκπομπών CO2 στην

ατμόσφαιρα. Οι ανεπτυγμένες χώρες της Δύσης 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

231

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 (εξαιρούνται οι περίιπτώσεις 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

232

(φυσικό αέριο, τσόφλια καρπών ροδάκινων, κ.λπ.) που παράγουν μικρότερες

ποσότητες CO2, και η χρησιμοποίηση για καύση απορριμμάτων (εναλλακτικά

καύσιμα) με θερμικό δυναμικό.

Πίνακας 5. Παραγωγή CO2 στις διεργασίες παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος (συμπεριλαμβανομένης και της ηλεκτρικής ενέργειας).

Πηγές εκπομπών CO2 στηβιομηχανία τσιμέντου

kg CO2/ tτσιμέντου

kg CO2/ m3

σκυροδέματος

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 ηλεκτρικήςενέργειας

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.), συμβάλλει 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 1535% 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

1 0.2974 (15/100) 1651 kWh/t = 73.65 kWh/t μείωση κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας

233

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 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, 15].

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.

[2,1214]. 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 τη δημιουργία

επικίνδυνων αδιάλυτων αλάτων.

Μικρότερης αλλά όχι αμελητέας σπουδαιότητας είναι και οι εκπομπές άλλων

ατμοσφαιρικών ρυπαντών (διοξείδιο του θείου, οξείδια του αζώτου, τριοξείδιο του

θείου κ.λπ.). Η αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος γίνεται συνήθως με χρήση ως

234

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

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

αλκαλικότητά 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 επαναχρησιμοποίηση. Πολλές φορές επίσης υπάρχουν ειδικές

εγκαταστάσεις απόρριψης του πλεονάζοντος σε μια κατασκευή σκυροδέματος για

έκπλυση και ανάκτηση των αδρανών τα οποία 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 ενεργειοβόρος 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,

235

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 της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών Ε.Μ.Π. και προς

τα αντικείμενα αυτά (τσιμέντο, σκυρόδεμα).

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Portland Cement Association (2000), The Cement Industry, January.2. ENV (1993), Cement and Concrete: Environmental Considerations, vol. 2, no. 2,

March/April.3. Ζευγώλης, Μ. Ν., Γαϊτάνος, Γ. Φ., και Κοντός, Γ. Λ. (1999), «Η Διαχείριση των

Μεταλλουργικών Σκωριών στη Γ.Μ. & Μ. Α.Ε. ΛΑΡΚΟ», Πυρφόρος, νο. 2.4. Ισαακίδης, Α. (1997), «Υπάρχουσα κατάσταση σε σχέση με τα επικίνδυνα απόβλητα

στην Ελλάδα». Δημοσίευση στην ημερίδα «Η διαχείριση των επικίνδυνων αποβλήτων», Τεχνικά Χρονικά, ΤΕΕ, Αθήνα.

5. Νισκόπουλος, Κ. (1997), «Τσιμεντοβιομηχανία: μια αξιόπιστη λύση διαχείρισης αποβλήτων», Δημοσίευση στην ημερίδα «Η διαχείριση των επικίνδυνων αποβλήτων», Τεχνικά Χρονικά, ΤΕΕ, Αθήνα.

6. ΙΟΒΕ (1997), Executive Summary of the Greek Cement Industry, June.7. Όμιλος ΑΕ Τσιμέντων «Τιτάν», Ενοποιημένη Συνοπτική Λογιστική Κατάσταση της

30.6.2000, Αθήνα.8. CEMBUREAU, The European Cement Association, “Best available techniques for the

cement industry”, Brussels, December 1999.9. UNIDO & Sustainable Industrial Development (1998), “Energy conservation in the

cement industry”, August.10. Weiss, N. L., editor (1985), Mineral Processing Handbook, Society of Mining Engineers,

NY, USA.11. Neville, A. M. (1981), Properties of Cement and Concrete, 3rd Edition, Pitman.12. Cadence Environmental Energy Inc. (2000), “Using Whole Scrap Tires as Fuel in a

Cement Kiln”.13. Hewlett, P. C., editor (1998), Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 4th edition,

Arnold.14. IEA GREENHOUSE R&D PROGRAMME (2000), “Emission Reduction of Greenhouse

Gases from the Cement Industry”.15. Μουτσάτσου, Α. και Τσίμας, Σ. (1999), Η ιπτάμενη τέφρα ως μέσο προστασίας του

περιβάλλοντος, Ε.Μ.Π., Περιοδικό Πυρφόρος, νο. 2.16. Kosmatka, S. H. and Panarese, W. C. (1994), Design and Control of Concrete Mixtures,

13th Edn., PCA, Illinois.

236

Δ. ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΙΔΙΚΗΣ 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

237

προορίζεται.

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:

(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 70

€/tonne τσιμέντου.

238

Σχήμα 1. Κατανομή κατανάλωσης Η.Ε. στην παραγωγή τσιμέντου.

Δεδομένου 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%

Ποσ

οστι

αία

% κ

αταν

άλω

ση Η

.Ε.

στις

διε

ργασ

ίες

παρα

γωγή

ς τσ

ιμέν

του

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.

Διε

ργα

σίε

ς θρ

αύσ

ης,

λειο

τρίβ

ησης

Π

.Υ.

και

άλε

σης

κλί

νκερ

63.

7%

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

Αποκάλ

υψη

& εξόρ

υξη

πρώτω

ν υλ

ών

Θρα

ύση-

προομο

γενο

ποίηση

Π.Υ

.

Λειοτρ

ίβησ

η, ξή

ρανση

Ανάμειξ

η, ο

μογε

νοποί

ηση

Π.Υ.

Παραγ

ωγή

κλίνκ

ερ, ψ

ύξη

κλίνκ

ερ

Άλεση

κλίνκ

ερ-π

αραγω

γή τσ

ιμέν

του

Μετ

αφορά, ε

νσάκ

κιση,

φόρ

τωση

κ.α.

Λειοτρ

ίβησ

η άνθ

ρακα

Κα

τανά

λωσ

η Η

.Ε.

σε

kWh

0

5

10

15

20

25

30

35

Πο

σο

στι

αία

% κ

ατα

νάλω

ση

Η.Ε

.

κατανάλωση Η.Ε. σε kWh Ποσοστιαία κατανάλωση Η.Ε. στην παραγωγή τσιμέντου

239

3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΕΜΠΕΙΡΙΚΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ

Για τους υπολογισμούς κατανάλωσης ενέργειας και κόστους παραγωγής είναι

απαραίτητη [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,

συναρτήσει του δείκτη έργου του κλίνκερ και της λεπτότητας του τσιμέντου που

παράγεται.

240

30 40 50 60 7030

40

50

60

70Δείκτης έργου Wi =12 kWh/s.t.Δείκτης έργου Wi =14 kWh/s.tΔείκτης έργου Wi = 16 kwh/s.t. Γραμμή σύγκρισης

Σχήμα 3. Σύγκριση πειραματικών και υπολογιζόμενων από την εξίσωση (1) τιμών ενέργειας άλεσης.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

[1] COMPETITIVENESS OF THE EUROPEAN CEMENT INDUSTRY, The European Cement

Association, CEMBUREAU, www.cembureau.be.

[2] 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.

[3] 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.

[4] Stoiber W., 2002, Comminution Technology and Energy Management, LAFARGE Cement

Division in Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) Kongress, September 2002.

[5] ENERGY AND TRANSPORT IN FIGURES 2004, European Commission Directorate-General for

Energy and Transport in Cooperation with Eurostat, European Union, November 2004.

[6] 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.

[7] 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.

[8] Fuller Traylor Grinding Mill Systems, GATX-FULLER, Bulletin M-2 5M 6/76,

PENNSYLVANIA, U.S.A.

[9] MARCY, Ball and Rod Mills, MINE AND SMELTER SUPPLY Co., CATALOG 101-B.

Πειραματικές τιμές ενέργειας άλεσης σε kWh/tonne(Fuller Traylor Grinding Mill Systems)

Υπο

λογι

ζόμε

μνες

τιμ

ές ε

νέργ

ειας

άλε

σης

σε

kWh/

tonn

e

241

Ε. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ

ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΥΜΒΑΤΙΚΗΣ ΛΕΙΟΤΡΙΒΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΛΕΣΗΣ ΚΛΙΝΚΕΡ

Τσακαλάκης ΚωνσταντίνοςΣχολή 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 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ) 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 σκυροδέματος, εξαρτώνται, εκτός των άλλων σημαντικά, και από τη

242

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 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.

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

243

απαραίτητη 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) ή Bond (wi) του κλίνκερ. Σε προηγούμενες εργασίες

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,

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:

962.080

193.07.23 dDwE fi (3)

‘Ομως, οι συμβατικοί μύλοι λειοτρίβησης, που χρησιμοποιούνται στη λειοτρίβηση

(άλεση) του κλίνκερ για παραγωγή τσιμέντου, είναι χωρισμένοι με διάτρητο

244

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 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: 962.080

193.07.2387.02 d

ind

iwE (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). Δηλαδή:

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

Διάφραγμα

1ο διαμέρισμα, R1 2ο διαμέρισμα, R2

Αποκένωση

Τροφή

245

τιμές που προκύπτουν από το Σχήμα 3 με αυτές που προσδιορίζονται από τη

μαθηματική επεξεργασία.

Σχήμα 3. Κοκκομετρικές αναλύσεις τσιμέντων διαφορετικής λεπτότητας (Blaine).

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.

Δεδομένα από Σχήμα 3Σταθερός λόγος κατάτμησης = R0.5=√R

(Υπόθεση)(Yπόθεση), Αυθαίρετη τιμή αρχικού

λόγου κατάτμησης R1

ΛεπτότηταBlaine FBl,

cm2/g

d80, μm(από

παρατήρηση)

Συνολικός λόγος R,

υπολογισμένος

ΑρχικόςR1 = R0.5

d80, μmυπολογισμέ-

νο

Συνολικός λόγος R,

υπολογισμέ-νος

d80, μmυπολογισμέ-

νο

Συνολικός λόγος R,

υπολογισμέ-νος

2500 55 290.9 17.06 57.15 280 57.70 277.303000 41 390.24 19.75 44.70 357.94 45.84 349.044000 30 533.33 23.06 27.76 576.37 29.28 546.455000 23 695.7 26.38 17.41 919.01

ΑρχικόςR1 = 15

18.91 846.11

Μέγεθος τεμαχίων x, μm

Αθρ

οιστ

ικό

διερ

χόμε

νο, %

246

ΣΤ. ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΔΡΑΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Κωνσταντίνος Γ. ΤσακαλάκηςΚαθηγητής 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, στo

Σχήμα 1 φαίνεται η ποσοστιαία % διαμόρφωση του κόστους παραγωγής αδρανών

υλικών.

247

Πίνακας 1. Μηχανήματα θραύσης κατά στάδιο θραύσης και μέγεθος τεμαχίων τροφοδοσίας και προϊόντος. Πηγή: www.goodquarry.com (2007) & Σταμπολτζής (1994)

ΣΤΑΔΙΑ ΘΡΑΥΣΗΣ

Μηχάνημα θραύσηςΜέγιστο μέγεθος

τεμαχίου τροφοδοσίας, mm

Μέγιστο μέγεθος τεμαχίου προϊόντος,

mm

Πρωτογενής, Primary

Jaw crusher (Σιαγονωτός)Gyratory crusher (Γυροσκοπικός)

700-1000 100-300

Δευτερογενής, 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

248

Σχήμα 1. Διαμόρφωση του κατά προσέγγιση κόστους παραγωγής αδρανών υλικών (MetsoMinerals, 2007)

2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΔΡΑΝΩΝ 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

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%

Διάτρηση, 11%

Ανατίναξη, 13%

Θραύση με υδραυλικό σφυρί(δευτερογενής), 0.2%Φόρτωση, 14%

Μεταφορά, 27.8%

249

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 στο Σχήμα 2. Στην ίδια εικόνα δίνονται οι

πολυωνυμικές εξισώσεις που περιγράφουν τις κοκκομετρικές αναλύσεις. Στα

Σχήματα 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).

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)

ΣΤΑΔΙΑ ΘΡΑΥΣΗΣ

Τύπος πετρώματοςΠοσοστό 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)

Δευτερογενής, 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)

Τριτογενήςκ.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)

250

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

% Α

θρο

ιστι

κό δ

ιερ

χόμ

ενο

3

2

1

Σχήμα 2. Ενδεικτικές κοκκομετρικές αναλύσεις προϊόντων θραύσης (1-Θρ. Σιαγόνων, 2-Θρ. Κωνικός, 3-Θρ. Κρουστικός)

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 α

νοίγ

ματο

ς απ

οκέν

ωσ

ης

του θ

ραυσ

τήρα, m

m

% 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

Σχήμα 3. Κοκκομετρικές αναλύσεις προϊόντος κωνικού θραυστήρα συναρτήσει του κλειστού ανοίγματος αποκένωσης.

251

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

Ρύθ

μισ

η α

νοίγ

μα

τος

απ

οκέ

νωσ

ης

θρα

υστή

ρα

% 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

Σχήμα 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 ανοίγματα αποκένωσης, οι παροχές (t/h) διακίνησης υλικών σε κάθε

φάση, όπως επίσης και τα παραγόμενα προϊόντα (Σχήματα 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.

252

Σχήμα 5. Διάγραμμα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασμός θραυστήρα σιαγόνων-κωνικού ανοίγματος αποκένωσης 22 mm).

Σχήμα 6. Διάγραμμα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασμός θραυστήρα σιαγόνων-κωνικού ανοίγματος αποκένωσης 25 mm).

253

Σχήμα 7. Διάγραμμα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασμός θραυστήρα σιαγόνων-κωνικού ανοίγματος αποκένωσης 38 mm).

Σχήμα 8. Διάγραμμα ροής παραγωγής αδρανών υλικών (Συνδυασμός θραυστήρων σιαγόνων και κρουστικού ανοίγματος αποκένωσης 50 mm).

254

Σχήμα 9. Διάγραμμα 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

Διαπιστώνεται 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

ΔΥΝΑΜΙΚΟΤΗΤΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ

440 t/h

ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΘΡΑΥΣΤΗΡΑΣ ΣΙΑΓΟΝΩΤΟΣ(Άνοιγμα αποκένωσης 175 mm)

Α. ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΘΡΑΥΣΤΗΡΑΣ (Κωνικός)

c.s.s.: 22, 25 και 38 mm

Β. ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΘΡΑΥΣΤΗΡΑΣ (Κρουστικός)

c.s.s.: 50 και 60 mm

Παραγόμενα κοκκομετρικά κλάσματα,Ποσοστό % κατά βάρος

Άνοιγμα22 mm

Άνοιγμα25 mm

Άνοιγμα 38 mm

Άνοιγμα50 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 24.0ΣΥΝΟΛΟ 100 100 100 100 100

c.s.s. (close side setting): κλειστό άνοιγμα αποκένωσης θραυστήρα

255

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.comΣταμπολτζής, 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

256

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., «Διερεύνηση 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).

257

Ζ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΔΟΝΟΥΜΕΝΩΝ ΚΟΣΚΙΝΩΝ

Ζ.1. ΘΕΩΡΙΑ

Εισαγωγή

Ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον και χρήσιμο αντικείμενο της διεργασίας της

κοσκίνισης είναι ο προσδιορισμός της αναγκαίας επιφάνειας (σε m2) πλέγματος

(κοσκίνου) για την ταξινόμηση κατά μέγεθος των τεμαχίων θραυσμένων

μεταλλευμάτων, βιομηχανικών ορυκτών ή πετρωμάτων. Ο ορθός υπολογισμός

επηρεάζει σημαντικά το σχεδιασμό των εγκαταστάσεων θραύσης-ταξινόμησης και τις

διεργασίες που ακολουθούν την κοσκίνιση.

Ο υπολογισμός αυτός εξαρτάται από την παροχή του υλικού τροφοδοσίας

(t/h), από τα χαρακτηριστικά του προς κοσκίνιση υλικού (κοκκομετρική ανάλυση,

σχήμα τεμαχίων, υγρασία κλπ.), από τις απαιτήσεις που τίθενται όσον αφορά στον

αριθμό των προϊόντων που θα προκύψουν (αριθμός διαφορετικών πλεγμάτων), στην

επιδιωκόμενη απόδοση % των υπολογιζόμενων κοσκίνων ανά κοκκομετρικό κλάσμα

(προϊόν) κλπ. Η μεθοδολογία που εφαρμόζεται περιγράφεται παρακάτω.

Για τον προσδιορισμό της επιφάνειας κοσκίνισης, όταν η τροφοδοσία του

κοσκίνου είναι Τ (t/h) και περιέχει Ο (t/h) υπερμέγεθος, χρησιμοποιείται η παρακάτω

εξίσωση, που περιλαμβάνει στον παρονομαστή διορθωτικούς συντελεστές

(παράγοντες) στην περίπτωση «εκτροπής» από δεδομένες συνθήκες κοσκίνισης.

Επίσης, στην περίπτωση κοσκίνων πολλαπλού καταστρώματος) είναι απαραίτητος ο

ίδιος υπολογισμός για κάθε πλέγμα χωριστά και η επιλογή της μεγαλύτερης

επιφάνειας που προκύπτει από τους υπολογισμούς.

(Τ - Ο : είναι το υπομέγεθος στην τροφοδοσία κάθε πλέγματος)

Δεδομένες συνθήκες κοσκίνισης:

Τροφοδοσία με 25% υπερμέγεθος, 40% υπομέγεθος ½ ανοίγματος, φαινόμενο ειδικό

βάρος υλικού 1.6 t/m3 και απόδοση κοσκίνισης 95%.

)( 2mWMJHFDCBA

T-OS)κοσκίνου (Επιφάνεια

1. Ο παράγοντας Α αναφέρεται στη βασική δυναμικότητα (σε t / m2& h) του

δεδομένου ανοίγματος (βροχίδας) κοσκίνου, όταν η τροφοδοσία του κοσκίνου

περιέχει 25% υπερμέγεθος (παράγοντας Β) και 40% υπομέγεθος μισού (1/2)

258

ανοίγματος (παράγοντας C), υλικού φαινόμενου ειδικού βάρους 1.6 t / m3. Η

τιμή της βασικής δυναμικότητας Α για το συγκεκριμένο άνοιγμα (βροχίδα)

κοσκίνου σε mm προσδιορίζεται γραφικά από το Διάγραμμα 1 ή με τη

βοήθεια των εξισώσεων, οι οποίες, όπως φαίνεται προσεγγίζουν πολύ

ικανοποιητικά τα δεδομένα.

(2) y = 0,8559x + 27,375

R2 = 0,9966

(1) y = -0,058x2 + 3,3564x + 4,4034

R2 = 0,9955

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 10 100 1000

Μέγεθος διαχωρισμού (άνοιγμα κοσκίνου), mm

Βα

σικ

ή δ

υνα

μικ

ότη

τα A

, t

/ m

2 & h

Μέγεθος διαχωρισμού ≤ 25 mm (1) Μέγεθος διαχωρισμού > 25 mm (2)

Διάγραμμα 1. Προσδιορισμός της βασικής δυναμικότητας Α (t/m2∙h) κοσκίνων συναρτήσει του μεγέθους διαχωρισμού (άνοιγμα κοσκίνου), mm.

2. Ο παράγοντας Β λαμβάνει υπόψη το % ποσοστό υπερμεγέθους στην

τροφοδοσία (% ποσοστό τροφοδοσίας μεγαλύτερο από το άνοιγμα του

κοσκίνου) σε σχέση με το ποσοστό υπερμεγέθους 25% που αναφέρεται στη

βασική δυναμικότητα Α.

Η τιμή του παράγοντα Β για το συγκεκριμένο % ποσοστό υπερμεγέθους στην

τροφοδοσία προσδιορίζεται γραφικά από το Διάγραμμα 2 ή με τη βοήθεια της

γραμμικής εξίσωσης που προσεγγίζει ικανοποιητικά τα δεδομένα.

Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό υπερμεγέθους στην τροφοδοσία, τόσο μεγαλύτερο

είναι το πάχος του στρώματος των τεμαχίων που δεν μπορούν να περάσουν από τα

ανοίγματα του πλέγματος. Το γεγονός αυτό κάνει δυσκολότερο το πέρασμα των

λεπτομερών ανάμεσά τους και τη διαστρωμάτωση (stratification) κατά μέγεθος του

υλικού. Δηλαδή, η ύπαρξη μεγάλου ποσοστού υπερμεγέθους στην τροφοδοσία

δυσκολεύει τη διέλευση των τεμαχίων υπομεγέθους ανάμεσά τους και την εμφάνισή

259

τους στην επιφάνεια του πλέγματος για να προσπαθήσουν να περάσουν από τα

ανοίγματα. Άρα απαιτείται μεγαλύτερη επιφάνεια πλέγματος κοσκίνου (μείωση της

τιμής του παράγοντα Β ο οποίος εμφανίζεται στον παρονομαστή).

y = -0,0088x + 1,2254R2 = 0,9934

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

11,11,21,3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ποσοστό υπερμεγέθους στην τροφοδοσία του πλέγματος του κοσκίνου, %

Τιμ

ή το

υ π

αρά

γοντ

α B

Διάγραμμα 2. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα B συναρτήσει του ποσοστού % υπερμεγέθους στην τροφοδοσία του κοσκίνου.

3. Ο παράγοντας C λαμβάνει υπόψη το % ποσοστό υπoμεγέθους μισού (1/2)

ανοίγματος στην τροφοδοσία του πλέγματος του κοσκίνου (% ποσοστό

τροφοδοσίας μικρότερο από το μισό άνοιγμα του πλέγματος του κοσκίνου) σε

σχέση με το ποσοστό (40%) υπομεγέθους μισού (1/2) ανοίγματος που

αναφέρεται στη βασική δυναμικότητα Α.

Η τιμή του παράγοντα C, για το συγκεκριμένο % ποσοστό υπομεγέθους μισού

(1/2) ανοίγματος στην τροφοδοσία του πλέγματος του κοσκίνου,

προσδιορίζεται γραφικά από το Διάγραμμα 3 ή με τη βοήθεια της

δευτεροβάθμιας εξίσωσης, η οποία προσεγγίζει πολύ ικανοποιητικά τα

δεδομένα.

260

Διάγραμμα 3. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα C συναρτήσει του ποσοστού % υπομεγέθους ½ ανοίγματος στην τροφοδοσία του κοσκίνου.

4. Ο παράγοντας D εφαρμόζεται σε κόσκινα πολλαπλών καταστρωμάτων

(πολλές επιφάνειες κοσκίνισης). Στο 1ο πλέγμα του κοσκίνου, το οποίο

δέχεται τη συνολική τροφοδοσία στο άκρο τροφοδοσίας, είναι διαθέσιμη η

συνολική επιφάνεια του κοσκίνου, ενώ στα επόμενα πλέγματα είναι διαθέσιμη

μικρότερη επιφάνεια κοσκίνισης λόγω της καθυστέρησης περάσματος του

υλικού από το 1ο πλέγμα. Για το λόγο αυτό, στα επόμενα πλέγματα, εκτός του

1ου πλέγματα, χρειαζόμαστε μεγαλύτερη επιφάνεια (βλ. αυξημένο μήκος) από

αυτήν που αντιστοιχεί στην παροχή τροφοδοσίας τους (διερχόμενο από το

υπερκείμενο πλέγμα). Οι αντίστοιχες τιμές του παράγοντα D για τη

«διόρθωση» του παραπάνω προβλήματος λαμβάνονται από τον Πίνακα 1.

Πίνακας 1. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα D

Κατάστρωμα-Τροφοδοσία Τιμή του παράγοντα D1ο (συνολική τροφοδοσία) 1.02ο (διερχόμενο 1ου πλέγματος) 0.93ο(διερχόμενο 2ου πλέγματος) 0.8

y = 1,5215x2 + 0,8061x + 0,4045R2 = 0,9989

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Ποσοστό υπομεγέθους μισού ανοίγματος στην τροφοδοσία του πλέγματος του κοσκίνου

Τιμ

ή το

υ π

αρά

γοντα

C

**Προσοχή!!! Το x τίθεται στην εξίσωση υπό μορφή κλάσματος (π.χ. το 45.3% ως 0.453)

261

5. Η χρήση του παράγοντα F εφαρμόζεται για κοσκίνιση υλικών φαινόμενου

ειδικού βάρους διαφορετικού από 1.6 t / m3 (100 Lbs./ ft3), σύμφωνα με τις

τιμές που δίνονται στον Πίνακα 2.

Πίνακας 2. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα F.

Φαινόμενο ειδ. βάρος

t / m3 Lbs./cu. ft.Παράγοντας F

2.4 150 1.502 125 1.25

1.6 100 1.001.44 90 0.901.28 80 0.801.2 75 0.751.12 70 0.700.96 60 0.600.8 50 0.500.64 40 0.400.48 30 0.30

Η εξίσωση που μπορεί να εφαρμοστεί είναι:

άF ..625.0

6. Η χρήση του παράγοντα Η επιβάλλεται όταν το άνοιγμα (βροχίδα) του

πλέγματος του κοσκίνου έχει διαφορετικό σχήμα από τετραγωνική βροχίδα.

Τα επιμήκη ανοίγματα παρέχουν μεγαλύτερη ευχέρεια διέλευσης στο υλικό

που κοσκινίζεται, οπότε η απαιτούμενη επιφάνεια κοσκίνισης είναι μικρότερη.

Οι τιμές του παράγοντα Η λαμβάνονται από τον Πίνακα 3.

Πίνακας 3. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα Η.

Σχήμα ανοίγματος (βροχίδα) πλέγματος Παράγοντας H

Τετραγωνική 1.00

Επίμηκες (3 έως 4 φορές x πλάτος) 1.15

Επίμηκες (μεγαλύτερο από 4 φορές x πλάτος) 1.20

7. Η χρήση του παράγοντα J (Πίνακας 4) επιβάλλεται όταν η απόδοση

κοσκίνισης που επιδιώκεται είναι διαφορετική (μικρότερη) από αυτή (95 %),

η οποία αναφέρεται στη βασική δυναμικότητα Α.

262

Πίνακας 4. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα J.

Επιδιωκόμενη απόδοση κοσκίνισης Ε

Παράγοντας J

95% 1.0090% 1.1585% 1.3580% 1.5075% 1.7070% 1.90

8. Σημαντική επίδραση στη διεργασία της κοσκίνισης έχει και η περιεχόμενη

υγρασία στην τροφοδοσία, η οποία, όταν είναι σε μεγάλο ποσοστό

δυσχεραίνει την διαδικασία περάσματος των τεμαχίων. Η χρήση του

διορθωτικού παράγοντα Μ (moisture) επιβάλλεται όταν το ποσοστό υγρασίας

είναι μεγαλύτερο από 0-1%, επειδή για να επιτευχθεί αποδοτική κοσκίνιση

απαιτείται μεγαλύτερη επιφάνεια πλέγματος. Οι τιμές του παράγοντα Μ

δίνονται στον Πίνακα 5.

Πίνακας 5. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα Μ.

9. Η χρήση του παράγοντα W (Πίνακας 6) επιβάλλεται όταν γίνεται υγρή

κοσκίνιση. Η προσθήκη νερού κατά την υγρή κοσκίνιση κυμαίνεται από

ελάχιστη 11.4 λίτρα/λεπτό (3 GPM, γαλλόνια/λεπτό) έως 19 λίτρα/λεπτό (5

GPM).

Πίνακας 6. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα W

Ποσοστό % περιεχόμενης υγρασίας στην τροφοδοσία

Παράγοντας Μ

0-1 1.01-4 0.955 0.906 0.887 0.858 0.809 0.7810 0.7515 0.50

Άνοιγμα κοσκίνου (βροχίδα), mm

1-6 6-12 12-25 26-40 41-50 51-75 +75

Τιμή του παράγονταW

1.4 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1

263

Όμως, άλλοι κατασκευαστές κοσκίνων προτείνουν για την τιμή του παράγοντα W

(Πίνακας 7).

Πίνακας 7. Προσδιορισμός της τιμής του παράγοντα W

Τιμή του παράγοντα W

Μέγεθος ανοίγματος (βροχίδα) Τιμή του παράγοντα W

-0.85 mm -20 mesh 1.25

-2 + 0.85 mm -10+20 mesh 2.0 - 3.0

-12.7 + 5 mm ½ in. + 4 mesh 3.0 - 3.5

-25.4 + 12.7 mm -1 in. + ½ in. 1.5 - 2.0

+25.4 mm +1 in. 1.25

264

Ζ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΔΟΝΟΥΜΕΝΩΝ ΚΟΣΚΙΝΩΝ

Ζ.2. ΕΦΑΡΜΟΓΗ

Πρόβλημα: Υπολογισμός της επιφάνειας δονούμενου κοσκίνου τριών (-3) καταστρωμάτων

Να προσδιοριστεί η επιφάνεια S (surface) κοσκίνου τριών (-3-) καταστρωμάτων

συνολικής παροχής τροφοδοσίας 499 t/h. Η τροφοδοσία του κοσκίνου είναι προϊόν

θραύσης κωνικού θραυστήρα κλειστού ανοίγματος αποκένωσης 25 mm (c.s.s. = 25

mm). Οι βροχίδες (ανοίγματα) των τριών πλεγμάτων είναι 32 mm, 20 mm και 10 mm,

αντίστοιχα. Η κοσκίνιση είναι ξηρή, το φαινόμενο ειδικό βάρος της τροφοδοσίας

είναι 1.8 t/m3, η επιδιωκόμενη απόδοση κοσκίνισης είναι 90% (και για τα τρία

καταστρώματα) και το υλικό τροφοδοσίας έχει 5% υγρασία. Οι βροχίδες θεωρούνται

τετραγωνικού σχήματος.

Η κοκκομετρική ανάλυση της τροφοδοσίας δίνεται στο Σχήμα 1 (επεξεργασία

δεδομένων της Metso Minerals για προϊόν κωνικών θραυστήρων).

y = -0,0011x3 + 0,0476x2 + 2,2109x + 2,8477R2 = 0,9986

010

2030

405060

7080

90100

1 10 100

Μέγεθος τεμαχίων, mm

Αθρ

οισ

τικό

διε

ρχό

μεν

ο, %

Kοκκομετρική ανάλυση προϊόντος κωνικού θραυστήρα για c.c.s. = 25 mm

Σχήμα 1. Κοκκομετρική ανάλυση υλικού τροφοδοσίας κοσκίνισης (προϊόν κωνικού θραυστήρα). Πηγή: Metso Minerals

Λύση

Α. ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΟΣΚΙΝΙΣΗΣ

Από την εξίσωση του Σχήματος 1, για τα τρία ανοίγματα πλέγματος του κοσκίνου, προκύπτει η κοκκομετρική ανάλυση που δίνεται στον Πίνακα 1.

265

Πίνακας 1. Κοκκομετρική ανάλυση αρχικής τροφοδοσίας

Από τα παραπάνω, με τη βοήθεια της θεωρίας, των εξισώσεων και Πινάκων,

διαμορφώνονται οι Πίνακες 2, 3 και 4.

Πίνακας 2. Προσδιορισμός της βασικής δυναμικότητας Α για τα τρία πλέγματα

Άνοιγμα κοσκίνου (βροχίδα), mm

Βασική δυναμικότητα Α

(t / m2∙h)

32 54.7620 48.3310 32.175 19.74

Πίνακας 3. Τιμές των διορθωτικών συντελεστών (παραμέτρων) B, C, D για τις πραγματικές συνθήκες κοσκίνισης από εξισώσεις και Πίνακα.

Άνοιγμα κοσκίνου (βροχίδα)32 mm 20 mm 10 mm

% υπερμέγεθος

αρχικού

% υπομέγεθος ½ ανοίγματος

αρχικού(16 mm)

% υπερμέγεθος τροφοδοσίας πλέγματος

% υπομέγεθος ½ ανοίγματος

τροφοδ. πλέγματος (10 mm)

% υπερμέγεθος τροφοδοσίας πλέγματος

% υπομέγεθος ½ ανοίγματος

τροφοδ. πλέγματος(5 mm)

Διορθωτικοί συντελεστές (παράμετροι)

13.7 45.90 26.2 36.8 44.5 29.10

Β 1.105 0.9948 0.834

C 1.095 0.9072 0.768

D 1.0 (1ο κατάστρωμα) 0.9 (2ο κατάστρωμα) 0.8 (3ο κατάστρωμα)

Πίνακας 4. Τιμές διορθωτικών συντελεστών (παραμέτρων) F, J, M από εξίσωση και Πίνακες.

Διορθωτικοί συντελεστές (παράμετροι)

Φαινόμενο ειδικό βάρος υλικού

1.8 t/m3

Επιδιωκόμενη απόδοση κοσκίνισης

90 %

Υγρασία τροφοδοσίας 5 %

F 1.125J 1.15M 0.9

Μέγεθος τεμαχίων, mm Αθροιστικό διερχόμενο, %

32 86.320 57.3016 45.9010 28.615 15

2.5 8.7

266

Στην περίπτωση πραγματικών συνθηκών κοσκίνισης (απόδοση Ε = 90% για κάθε πλέγμα) και με τη βοήθεια του Πίνακα 1, προκύπτει το Σχήμα 2.

Σχήμα 2. Διαμόρφωση ισοζυγίου παροχών τροφοδοσίας και τελικών προϊόντων (σε t/h και %) στην περίπτωση των πραγματικών συνθηκών κοσκίνισης.(E = 90%).

a1 = 32 mm

a2 = 20 mm

a3 = 10 mm

111.4 t/h, (22.3%)

257.4 t/h

130.2 t/h, (26.1%)

T = OT + UT = 68.4 + 430.6 = 499 t/h t/h

387.6 t/h

128.8 t/h, (25.8%)

100 %

128.6 t/h (25.8%)

499 t/h

ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΟΣΚΙΝΙΣΗΣ

1ο Πλέγμα (32 mm)1. Τροφοδοσία: 100% (499 t/h)2. Υπερμέγεθος: 13.7%3. Υπομέγεθος (86.3 %): 0.863499 = 430.6 t/h4. Υπομέγεθος ½ ανοίγματος: 45.9%5. Διερχόμενο: 0.90.863499 = 387.6 t/h

2ο Πλέγμα (20 mm)1. Τροφοδοσία: 0.90.863499 = 387.6 t/h2. Υπομέγεθος (57.3%): 0.573499 = 285.9 t/h

Ποσοστό υπομεγέθους: (285.9/387.6)100 = 73.8%3. Υπερμέγεθος: 100-73.8 = 26.2 %4. Υπομέγεθος ½ ανοίγματος: 0.2861499 = 142.8 t/hΠοσοστό υπομεγέθους ½ ανοίγματος:(142.8/387.6)100 = 36.8%Διερχόμενο: 0.90.738387.6 = 257.4 t/h

3ο Πλέγμα (10 mm)1. Τροφοδοσία: 0.90.738387.6 = 257.4 t/h2. Υπομέγεθος (28.61%): 0.2861499 = 142.8 t/h

Ποσοστό υπομεγέθους: (142.8/257.4)100 =55.5 %3. Υπερμέγεθος: 100-55.5 = 44.5 %4. Υπομέγεθος ½ ανοίγματος (15%):

0.15499 = 74.9 t/hΠοσοστό υπομεγέθους ½ ανοίγματος: (74.9/257.4)100= 29.1 %.

267

Από τη γνωστή εξίσωση, χρησιμοποιώντας τις τιμές των διορθωτικών συντελεστών

(παραμέτρων), που υπολογίστηκαν παραπάνω, προσδιορίζονται οι επιφάνειες των τριών

πλεγμάτων, όπως φαίνεται παρακάτω:

5.58430.6

S )( 2m

9.015.1125.10.1095.1105.176.54

)32( mm

6.25 285.9

S )( 2m

9.015.1125.19.09072.09948.033.48

)20( mm

7.44 142.8

S )( 2m

9.015.1125.18.0768.0834.017.32

)10( mm

Έλεγχος πάχους στρώματος παραμένοντος υλικού στο άκρο αποκένωσης του πλέγματος

1. Διαστάσεις κοσκίνου

Ως επιφάνεια του κοσκίνου θεωρείται η μεγαλύτερη από αυτές που υπολογίστηκαν

παραπάνω, η οποία όμως πρέπει να προσαυξηθεί κατά 10-12% περίπου, επειδή μέρος της

υπολογισμένης επιφάνειας του κοσκίνου καλύπτεται από τα περιμετρικά ελάσματα στήριξης

του πλέγματος τα οποία μειώνουν την «ενεργή» επιφάνεια.

Στην περίπτωση του πλέγματος των 10 mm, προκύπτει τελικά:

Sκοσκίνου = (7.44/0.9) = 8.27 m2

Όμως, οι λόγοι μήκος (L) /πλάτος (Wid) των βιομηχανικών κοσκίνων κυμαίνονται από 2.3:1

έως 3:1, περίπου.

Οπότε, για διαστάσεις κοσκίνου μήκος / πλάτος (L / Wid = 2.5:1) ή (L / Wid = 2.9:1), οι

διαστάσεις του συγκεκριμένου (8.27 m2) πλέγματος κοσκίνου είναι (L = 4.55 m, Wid =1.82

m) και (L = 4.90 m, Wid =1.69 m), αντίστοιχα

Ως γενική αρχή ισχύει ότι, το μέγιστο επιτρεπόμενο πάχος στρώματος παραμένοντος υλικού

στο άκρο αποκένωσης του πλέγματος του κοσκίνου είναι 4πλάσιο του ανοίγματος πλέγματος

(βροχίδα). Δηλαδή, για μέγεθος διαχωρισμού (βροχίδα) a = 10 mm το μέγιστο πάχος

στρώματος στην αποκένωση είναι 410 mm = 40 mm, ενώ για a = 15 mm αυτό μπορεί να

φθάσει μέχρι 60 mm.

Το πάχος στρώματος στην έξοδο του κοσκίνου εξαρτάται από:

268

1. την παροχή τροφοδοσίας (t/h ή m3/h) του παραμένοντος, 2. το φαινόμενο ειδικό βάρος της

τροφοδοσίας, 3. την ταχύτητα του υλικού πάνω στο πλέγμα και 4. το πλάτος του κοσκίνου.

Η εξίσωση που ισχύει, για το πάχος στρώματος Dσ υλικού στο άκρο αποκένωσης, είναι:

id

P

WV

TD

1000/

(mm),

Όπου:

1. ΤP είναι το παραμένον επί του πλέγματος σε t/h,

2. Φ είναι το φαινόμενο ειδικό βάρος του υλικού σε t / m3,

3. V είναι η ταχύτητα* του υλικού επί του πλέγματος (σε m/h), που κυμαίνεται μεταξύ

1080-2160 m/h.

4. Wid το πλάτος του κοσκίνου σε m

*Η ταχύτητα V του υλικού πάνω στο πλέγμα εξαρτάται: από το υλικό (φαινόμενο ειδικό

βάρος, μέγεθος τεμαχίων, υγρασία), από το μηχανισμό δόνησης και από την κλίση του

κοσκίνου [τα όρια μεταβολής της ταχύτητας είναι (18-36 m/min) ή σε άλλες μονάδες (0.30-

0.60 m/s].

Για το πλέγμα των 10 mm, αν το Wid = 1.82 m ή 1.69 m (υπολογισμός παραπάνω),

προκύπτει:

Για ΤP = 128.8 t/h (Σχήμα 2), Φ = 1.8 t /m3 (αρχικό δεδομένο), V = 1500 m/h (υπόθεση),

το Dσ υπολογίζεται από την παραπάνω εξίσωση:

α. Dσ = 26.2 mm 40 mm (Εντός των ορίων της γενικής αρχής) και

β. Dσ = 28.2 mm 40 mm (Εντός των ορίων της γενικής αρχής).

Β. ΙΔΑΝΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΟΣΚΙΝΙΣΗΣ (Σύγκριση)

Για τέλεια κοσκίνιση (απόδοση Ε = 95-100%, σε κάθε πλέγμα), με τη βοήθεια του Πίνακα 1,

διαμορφώνεται το Σχήμα 3 και ο Πίνακας 5.

269

Σχήμα 3. Γραφική παράσταση κατανομής προϊόντων υπό την προϋπόθεση τέλειας κοσκίνισης

(απόδοση Ε = 95-100%).

Πίνακας 5. Προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της τροφοδοσίας κάθε πλέγματος

Τα δεδομένα του Πίνακα 5 επιτρέπουν τη διαμόρφωση του Πίνακα 6.

Πίνακας 6. Τιμές των διορθωτικών συντελεστών (παραμέτρων) B, C, D από εξισώσεις και Πίνακα 5.

Πλέγμα, mm 32 20 10

Τροφοδοσίαπλέγματος, %

100 86.3 57.3

Υπομέγεθος, % 86.3 57.3 28.61

Υπερμέγεθος, %ως προς την τροφοδοσία του πλέγματος

Ποσοστό %

100-86.3=13.7 %

86.3-57.3 = 29

Ποσοστό % (29/86.3)100

= 33.6 %

57.3-28.61 = 28.69

Ποσοστό %

(28.61/57.3)100 = 50.07 %

Υπομέγεθος ½ ανοίγματος, %ως προς την τροφοδοσία του πλέγματος

(16 mm)

Ποσοστό %

45.9 %

(10 mm)

Ποσοστό %

(28.61/86.3)100 = 33.2 %

(5 mm)

Ποσοστό %

(15/57.3)100 = 26.2 %

Άνοιγμα κοσκίνου (βροχίδα)32 mm 20 mm 10 mm

% υπερμέγεθος

αρχικού

% υπομέγεθος ½ ανοίγματος

αρχικού(16 mm)

% υπερμέγεθος τροφοδοσίας πλέγματος

% υπομέγεθος ½ ανοίγματος

τροφοδ. πλέγματος (10 mm)

% υπερμέγεθος τροφοδοσίας πλέγματος

% υπομέγεθος ½ ανοίγματος

τροφοδ. πλέγματος(5 mm)

Διορθωτικοί συντελεστές (παράμετροι)

13.7 45.90 33.6 33.2 50.07 26.20Β 1.105 0.93 0.785C 1.095 0.84 0.72D 1.0 (1ο κατάστρωμα) 0.9 (2ο κατάστρωμα) 0.8 (3ο κατάστρωμα)

a1 = 32 mm

a2 = 20 mm

a3 = 10 mm

13.7 % (68.4 t/h)

57.3 %

29.0 % (144.7 t/h)

T = OT + UT = 68.4 + 430.6 = 499 t/h

86.3 %

28.69 % (143.2 t/h)

100 %

28.61 % (142.8 t/h)

499 t/h

270

Οι διορθωτικοί συντελεστές F και M παραμένουν οι ίδιοι, όπως στον Πίνακα 4, ενώ ο συντελεστής J παίρνει την τιμή 1.0.

Οι επιφάνειες κοσκίνισης που προκύπτουν (για τέλεια Ε = 95-100% απόδοση κοσκίνων) είναι οι παρακάτω:

430.6

S )( 2m6.42

9.0125.10.1095.1105.176.54

)32( mm

9.0125.19.084.093.033.48

285.9)20(S )( 2m8.31

mm

142.8S )( 2m9.69

9.0125.18.072.0785.017.32)10( mm

Αυτές οι διαφορές είναι λογικές, εφόσον για να επιτευχθεί μεγαλύτερη απόδοση κοσκίνισης

(95-100 %) απαιτούνται μεγαλύτερες επιφάνειες κοσκίνισης. Επίσης, οι αυξήσεις στις

υπολογιζόμενες τιμές επιφανειών οφείλονται στα διαφορετικά χαρακτηριστικά (%

υπερμέγεθος και % υπομέγεθος 1/2 ανοίγματος) της τροφοδοσίας κάθε πλέγματος (Πίνακας

5). Τα διαφορετικά χαρακτηριστικά της τροφοδοσίας, μαζί με την τιμή του συντελεστή

απόδοσης κοσκίνισης (J = 1.0) αντί του J = 1.15 (στις πραγματικές συνθήκες), επηρεάζουν

σημαντικά τις τιμές των διορθωτικών συντελεστών Β και C και τελικώς τις υπολογιζόμενες

επιφάνειες (m2) και παροχές (% και t/h) των τελικών προϊόντων (Σχήμα 3) και συγκριτικός

Πίνακας 7.

Πίνακας 7. Ποσοστιαία (%) κατανομή προϊόντων κοσκίνισης-σύγκριση πραγματικών και ιδανικών συνθηκών κοσκίνισης.

Ποσοστιαία κατανομή προϊόντων κοσκίνισης, %

ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΟΣΚΙΝΙΣΗΣΚοκκομετρικό

κλάσμα, mm ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ

(90 % απόδοση)

ΙΔΑΝΙΚΕΣ

(95-100% απόδοση)

+32 22.3 13.7

-32+20 26.1 29.0

-20+10 25.8 28.69

-10 25.8 28.61

ΣΥΝΟΛΟ 100 100

271

Η. ΑΓΓΛΟΕΛΛΗΝΙΚΟ ΛΕΞΙΚΟ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΟΡΩΝ

Absorption απορρόφηση

Acid-soluble sulfate content, ASΠεριεκτικότητα ιόντων (-SO3) σε ευδιάλυτο με οξύ θειικό άλας

Additive πρόσθετοAdmixture πρόσμικτοAggregate Αδρανές υλικό (για σκυρόδεμα, κονίαμα κλπ.)Aggregates Abrasion Value, AAV Τιμή αντοχής σε απότριψηAggregates for bituminous mixtures Αδρανή για παρασκευή ασφαλτομιγμάτωνAggregates for concrete Αδρανή σκυροδέματοςAggregates for mortar Αδρανή κονιαμάτωνAggregates for railway track ballast Αδρανή για έρμα σιδηροδρομικής γραμμής Aggregates for unbound and hydraulically bound materials for use civil engineering work and road construction

Αδρανή υλικά για βάσεις και υποβάσεις σταθεροποιημένες ή όχι για χρήση σε οδοστρώματα και δομικά έργα

air content περιεχόμενος αέραςAir-entrained concrete Σκυρόδεμα με αερακτικόair lime αερική άσβεστοςair-cooled blastfurnace slag Σκωρία υψικαμίνου με ψύξη στον αέραall-in aggregates Μίγμα αδρανών (συνεχής κατανομή αδρανών)Alternative fuels Εναλλακτικά καύσιμα τσιμεντοβιομηχανίαςAlite, C3S Πυριτικό τριασβέστιο (αλίτης)Aluminate cement Αλουμινούχο τσιμέντοAsh ΤέφραArmourstone Αδρανή για βράχους θωράκισης-ογκολίθουςbackground υπόστρωμαBall mill σφαιρόμυλοςBatch παρτίδαBelite, C2S Πυριτικό διασβέστιο (βελίτης)Bending tensile strength αντοχή σε εφελκυσμό με κάμψηBinder συνδετικό υλικόBlaine fineness of cement Λεπτότητα τσιμέντου Blaine Blast furnace slag Σκωρία υψικαμίνωνBleeding Εξίδρωση σκυροδέματος Bond strength αντοχή πρόσφυσηςBond work index, Wi Δείκτης έργου Bond (δείκτης αντοχής ελάττωσης

μεγέθους)

Bottom ashΤέφρα χονδρομερών τεμαχιδίων από την καύση ανθράκων

Building elements οικοδομικά (δομικά) στοιχείαBuilding lime δομική άσβεστοςBuilding materials δομικά υλικάBulk density φαινόμενη πυκνότητα (συμπεριλαμβανόμενου του

272

όγκου των κενών μεταξύ των τεμαχίων)Burnability εψησιμότηταCACs (calcium aluminate cements) Αλουμινούχα τσιμένταCalcareous fly ash Ασβεστιτική ιπτάμενη τέφραCalcination Διάσπαση με πύρωση του ασβεστολίθουCalorific value (fuels) Θερμογόνος δύναμη (καυσίμων)Capillary action τριχοειδής συμπεριφοράCapillary water absorption απορρόφηση νερού μέσω τριχοειδώνCarbonate Content Περιεκτικότητα σε ανθρακικά

Cellular concreteΚυψελωτό σκυρόδεμα (χαμηλής πυκνότητας σκυρόδεμα, λόγω περιεχόμενου αέρα ή κενών)

Cement τσιμέντοCement fineness Λεπτότητα τσιμέντουCement PSD (particle size distribution)

Κοκκομετρική κατανομή (ανάλυση) τσιμέντου

Cement paste τσιμεντοκονίαCement plant Εργοστάσιο παραγωγής τσιμέντουCement mortar τσιμεντοκονίαμαCement clinker Σφαιρίδια κλίνκερ για παραγωγή τσιμέντουClinker Σφαιρίδια κλίνκερ για παραγωγή τσιμέντουChloride content, C Περιεκτικότητα σε χλωριόντα

clay masonry units, clay bricksστοιχεία τοιχοποιίας από άργιλο, αργιλικά λιθοσώματα, οπτόπλινθοι, τούβλα

Coarse aggregates Χονδρόκοκκα (χονδρομερή) αδρανήCoat επίστρωση, επικάλυψηcoloured rendering mortar έγχρωμο εξωτερικό επίχρισμαcombustibility Αναφλεξιμότητα (υλικών, καυσίμων κλπ.)Composition ΣύνθεσηComposite cements Σύνθετα τσιμένταCompressive strength αντοχή σε θλίψη ή θλιπτική αντοχήConcrete (Beton)

- Air-entrained- Self compacting- Self- levelling

Σκυρόδεμα (μπετόν)- Με αερακτικό- Αυτo-συμπυκνούμενο- Αυτo-επιπεδούμενο

concrete masonry units λιθοσώματα από σκυρόδεμαConformity Συμμόρφωσηconformity criteria κριτήριο συμμόρφωσηςConsistence, consistency συνεκτικότητα, συνάφεια

content of coarse Lightweight organic Contaminants, LPC

Περιεκτικότητα χονδρόκοκκων (με μέγεθος > 2 mm) σε ελαφροβαρείς (ανεπιθύμητες) οργανικές προσμίξεις

Conventional (fossil) fuels Συμβατικά (ορυκτά) καύσιμα

Conveyor belts Μεταφορικές ταινίες (ταινιόδρομοι)

Cooler Ψύκτης

crushed or broken and totally rounded Ποσοστό θραυσμένων ή σπασμένων τεμαχίων και

273

particles percentage των ολικώς αποστρογγυλεμένων τεμαχίων αδρανών

Crusher- Cone- Gyratory- Jaw- Impact- Roll

Θραυστήρας (σπαστήρας)- Κωνικός- Γυροσκοπικός- Σιαγονωτός- Κρουστικός περιστροφικός- Κυλίνδρων

Curing (concrete) Συντήρηση (σκυροδέματος)Dense aggregate concrete masonry units τσιμεντόλιθοι με συμπαγή αδρανήdesigned mortar σχεδιασμένο κονίαμαDicalcium silicate C2S, Πυριτικό διασβέστιο (βελίτης)

dimension, DΗ διάσταση του μεγαλύτερου κόκκου ενός κοκκομετρικού κλάσματος αδρανούς

dimension, dΗ διάσταση του μικρότερου κόκκου ενός κοκκομετρικού κλάσματος αδρανούς

Dormancy (dormant) period Περίοδος ωρίμανσης

Dry mortar Ξηρά έτοιμα κονιάματα (κονιάματα στις κατάλληλες αναλογίες για επιχρίσματα, κονιάματα τοιχοποίας κλπ.)

Drying shrinkage συρρίκνωση λόγω ξήρανσηςDurability Ανθεκτικότητα στη διάρκεια του χρόνουElectric arc furnace slag, EAF slag Σκωρία καμίνων ηλεκτρικού τόξουElongated particles Επιμήκη τεμάχιαElongation index Δείκτης επιμήκους (τεμαχίων)Energy consumption Κατανάλωση ενέργειας

Entrained airΦυσαλίδες αέρα σκυροδέματος για την αντιμετώπιση προβλημάτων εργασιμότητας ή ψύξης απόψυξης

Entrapped air Εγκλωβισμένος αέραςExcess air Περίσσεια αέραExpansive cement Διογκούμενο τσιμέντοFactory made mortar κονίαμα εργοστασιακής παραγωγής

Filler aggregate

αδρανές filler, το οποίο είναι το διαβαθμισμένο λεπτομερές αδρανές υλικό με μέγιστο κόκκο 2 mm και διερχόμενο ποσοστό 70-100% από το κόσκινο 0.063 mm

Final coat τελική στρώση (επικάλυψη)Fine aggregates Λεπτόκοκκα (λεπτομερή) αδρανήFineness Modulus, FΜ μέτρο ή δείκτης λεπτότητας

Fines, fΠαιπάλη (το κλάσμα του αδρανούς που διέρχεται από κόσκινο με άνοιγμα βροχίδας 0.063mm ή 0.075mm)

Flakiness Index, FI Δείκτης πλακοειδούς (σχήμα αδρανών)Flexural strength αντοχή σε κάμψη ή καμπτική αντοχήFlow coefficient, FCS Συντελεστής ροήςFlow table τράπεζα εξαπλώσεως (για ιξώδες σκυροδέματος)

274

Flue gas Απαέρια (π.χ. καύσης)Fly ash ιπτάμενη τέφραForms Καλούπια

Fossil fuelsΟρυκτά καύσιμα (άνθρακες, φυσικό αέριο, πετρέλαιο)

Free lime Ελεύθερη άσβεστοςFreeze-thaw resistance, F Ανθεκτικότητα σε ψύξη-απόψυξηfresh mortar νωπό κονίαμαFrost resistant Ανθεκτικό σε παγετόFuel ΚαύσιμοFuel consumption Κατανάλωση καυσίμωνgeneral purpose mortar κονίαμα γενικής χρήσηςGrading, G Κοκκομετρική διαβάθμισηGrinding

- autogenous- Clinker- media

Άλεση, λειοτρίβηση- Αυτογενής (χωρίς σφαίρες, ράβδους κλπ.)- Άλεση κλίνκερ- Μέσα άλεσης

Grout ΈνεμαGGBS (Ground granulated blastfurnace slag)

Αλεσμένη (κοκκοποιημένη) σκωρία υψικαμίνων

Heat of hydration Θερμότητα εκλυόμενη κατά την ενυδάτωσηHeat released Εκλυόμενη θερμότηταHeavy Mass grading, HM Διαβάθμιση ογκολίθων μεγάλης πυκνότηταςHigh early strength cement Τσιμέντο υψηλής αρχικής (πρώϊμης) αντοχήςHydraulic lime υδραυλική άσβεστοςHydration ΕνυδάτωσηImpact value, SZ (Schlagversuch) Τιμή Κρούσης στη μέθοδο SchlagversuchImpact crusher Κρουστικός περιστροφικός θραυστήραςinorganic binder ανόργανο συνδετικό υλικόinternal plaster εσωτερικό επίχρισμαKiln ΚάμινοςLength-to-Thickness ratio > 3, L:T Λόγος Μήκος/ Πλάτος >3Light Mass grading Διαβάθμιση μείγματος ελαφροβαρών αδρανώνlightweight aggregate-concrete with open structure

σκυρόδεμα ελαφροβαρών αδρανών ανοικτής δομής

Lightweight mortar Ελαφροβαρές κονίαμαLime Άσβεστος (οξείδιο του ασβεστίου, CaO)Limestone ΑσβεστόλιθοςLos Angeles coefficient, LA Συντελεστής Los Angeles (δοκιμή απότριψης)Loss on ignition (L.O.I.) Απώλεια πύρωσηςMagnesium sulfate value, MS Τιμή Θειικού Μαγνησίου (δοκιμή υγείας)

Manufactured aggregate

τεχνητά αδρανή, τα οποία έχουν προκύψει ως προϊόντα ή παραπροϊόντα βιομηχανικής διεργασίας από χημική ή θερμική επεξεργασία πρώτων υλών ορυκτής ή άλλης προέλευσης

275

Masonry units στοιχεία τοιχοποιίας, λιθοσώματαMethylene Blue value Τιμή Μπλε του Μεθυλενίουmicro-Deval coefficient, MDE Συντελεστής micro-Deval (δοκιμή απότριψης)Modulus of rupture μέτρο θραύσης (σε κάμψη)Mohs

- Hardness- Scale

- Σκληρότητα Mohs- Κλίμακα Mohs

Moisture ΥγρασίαMortar Κονίαμα

Natural aggregates

φυσικά αδρανή, τα οποία έχουν προκύψει από πετρώματα με διεργασίες θραύσης, κοσκίνισης ή και έκπλυσης ή φυσικές διεργασίες (εκτριβή, αποσάθρωση, απολέπιση κλπ.)

Natural graded aggregates Φυσικώς διαβαθμισμένα αδρανή

Nordic Abrasion value, ANΤιμή Αντοχής σε Απότριψη Σκανδιναβικής Μεθόδου (απότριψη από λάστιχα με καρφιά)

OPC (ordinary portland cement) Κοινό τσιμέντοoverall limits and tolerances of a grading

Όρια και ανοχές κοκκομετρικής διαβάθμισης

Particle density, ρcm, ρ Πυκνότητα κόκκωνPassing percentage, P Διερχόμενο ποσοστό

PelletizingΣφαιροποίηση (συσσωμάτωση λεπτομερούς υλικού)

Permeability ΔιαπερατότηταPFA (pulverized fly ash) Αλεσμένη ιπτάμενη τέφρα

Pitting και popping«Πεταλίδες» (επιφανειακή απολέπιση σκυροδέματος ή κονιαμάτων)

Plasticity Index Δείκτης πλαστικότηταςplunger penetration διείσδυση βελόνας

Polished Stone Value, PSVΤιμή Αντοχής σε Στίλβωση (αντίσταση αδρανών σε στίλβωση)

PozzolanaΠοζολάνη (αργιλοπυριτκό ηφαιστειακό πέτρωμα, υποκατάστατο τσιμέντου, παρουσία υγρασίας και υδροξειδίου του ασβεστίου)

Pre-batched mortar προετοιμασμένο κονίαμα

Pre-calcination Προπύρωση ή προασβεστοποίηση του ασβεστολίθου (διάσπαση εκτός της καμίνου)

Precast concrete προκατασκευασμένα στοιχεία σκυροδέματοςPreheating ΠροθέρμανσηPremixed lime-sand-mortar προαναμιγμένο ασβεστοκονίαμαPrescribed mortar κονίαμα με συγκεκριμένη σύνθεσηPSD (particle size distribution) Κοκκομετρική κατανομή (ανάλυση) τσιμέντου

Pumice concrete unitsΚισσηρόλιθοι, ελαφροβαρές σκυρόδεμα με αδρανή από ελαφρόπετρα

Pyrometric cone πυρομετρικός κώνοςQuarry Λατομείο (επιφανειακό ορυχείο)

276

Quarrying λατόμευση (εξόρυξη πετρωμάτων)Rapid setting (hardening) cement Τσιμέντο ταχείας πήξης

Raw feed/meal/mixΜείγμα πρώτων υλών για παραγωγή κλίνκερ (φαρίνα)

Raw feed/meal/mix proportioning Προσδιορισμός αναλογίας πρώτων υλών κλίνκερ Ready-mixed concrete Έτοιμο σκυρόδεμα

Recycled aggregatesανακυκλωμένα αδρανή, τα οποία προκύπτουν από την επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση δομικών υλικών από υφιστάμενες κατασκευές

Refractory bricks Πυρότουβλα

Refuse-derived fuel (RDF)Καύσιμο που προέρχεται από επεξεργασία στερεών αστικών απορριμμάτων

Reinforced concrete Οπλισμένο σκυρόδεμαReinforced masonry οπλισμένη τοιχοποιίαRenovation mortar Επισκευαστικό κονίαμαReproducibility Επαναληψιμότητα (δοκιμής, πειράματος κλπ.)Residue ΥπόλειμμαResistance to fragmentation Αντοχή σε θρυμματισμόResistance to wear/ attrition Αντοχή σε φθορά/τριβήRod mill ΡαβδόμυλοςRoller mill (vertical, VRM) Κατακόρυφος μύλος με κυλίνδρουςRollerpress Κυλινδρόπρεσσα (τύπος θραυστήρα)Rotary kiln Περιστροφική κάμινοςSand Equivalent value, SE Τιμή Ισοδυνάμου ΆμμουScreen

- Aperture- Cloth

Κόσκινο- Άνοιγμα (βροχίδα)- Επιφάνεια (πλέγμα) κοσκίνισης

Screening- Area- Efficiency- Surface

- Επιφάνεια (διαστάσεις) κοσκίνου- Απόδοση κοσκίνισης- Επιφάνεια πλέγματος κοσκίνου

Segregation

Απόμειξη (διαχωρισμός) των συστατικών κατά μέγεθος (κατανομή αδρανών κατά μέγεθος τεμαχίων, π.χ. μεγάλα κάτω, μικρά επάνω με αποτέλεσμα την ανομοιομορφία στη δομή του σκυροδέματος)

Semi-finished factory made mortarκονίαμα εργοστασιακής παραγωγής σε ημιτελή μορφή

Setting Πήξη και σκλήρυνση (σκυροδέματος, κονιάματος)Setting retarder Αντιδραστήριο επιβραδυντικό πήξηςShape Index, SI Δείκτης ΣχήματοςShotcrete Εκτοξευόμενο σκυρόδεμαSieve size μέγεθος (άνοιγμα) πλέγματος κοσκίνουSilica fume Ατμοί πυριτίαςSiliceous fly ash Πυριτική ιπτάμενη τέφραSite-made mortar εργοταξιακό κονίαμα

277

Slag Σκωρία

Slump testΔοκιμή εξάπλωσης (μέθοδος ελέγχου της «εργασιμότητας» ή ιξώδους του σκυροδέματος)

Solid waste management Διαχείριση στερεών αποβλήτωνSoundness Υγεία (ιδιότητα τσιμέντων, αδρανών)Specifications ΠροδιαγραφέςStockpile Σωρός (αδρανών)Substitute Υποκατάστατο (κλίνκερ, τσιμέντου κλπ.)

Sulfate attackΧημική δράση θειϊκών ενώσεων του εδάφους ή των υπογείων νερών που προκαλεί διόγκωση και αποσύνθεση του σκυροδέματος

Strength- Compressive- Fatigue- Flexural- Tensile

Αντοχή- σε θλίψη- σε κόπωση- σε κάμψη- σε εφελκυσμό

Sulfate resistant (cement)Ανθεκτικό σε θειϊκές ενώσεις (τσιμέντο με χαμηλή περιεκτικότητα σε C3A)

Surface area Ειδική επιφάνειαthermal conductivity index Συντελεστής (δείκτης) θερμικής αγωγιμότητας thermal conductivity θερμική αγωγιμότηταthermal insulating mortar θερμομονωτικό κονίαμαthermal insulation Θερμομόνωσηthermal resistance θερμική αντίστασηthermal shock θερμικό «πλήγμα» (θερμική καταπόνηση)Thickness, E (Τ) Ελάχιστη διάσταση / ΠάχοςTotal sulfur, S Ολικό Θείο Tetracalcium aluminoferrite C4AF, αργιλοσιδηρούχο τετρασβέστιοTricalcium aluminate C3A, Αργιλικό τριασβέστιοTricalcium silicate C3S, Πυριτικό τριασβέστιο (αλίτης)Undercoat Αστάρωμα (υπόστρωμα χρώματος)Viscosity Ιξώδες

Voids, vΚενά μεταξύ κόκκων αδρανούς σε συγκεκριμένο χώρο/ δοχείο,

Volume stability of steel slag Σταθερότητα όγκου σκωρίας χαλυβουργείουwater absorption ΥδαταπορρόφησηWater absorption, WA (Wcm) ΥδαταπορροφητικότηταWater density, ρw Πυκνότητα σώματος εμβαπτισμένου σε νερό

Water reducerΠρόσθετο σκυροδέματος που επιδρά στην ποσότητα του προστιθέμενου (νερού ή τσιμέντου) και μεταβάλλει την εργασιμότητά του

Water Solubility Υδατοδιαλυτότηταwater vapour permeability διαπερατότητα σε υδρατμούςWorkability Εργασιμότητα (σκυροδέματος, κονιάματος)СЄ, Conformity Marking СЄ, Σήμα Συμμόρφωσης

278

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

ΒΙΒΛΙΑ

1. Schofield G. C., 1980, Homogenisation/Blending Systems Design and Control for Mineral Processing, Series on Bulk Materials Handling Vol. 2, Trans Tech Publications.

2. SME, 1985, Mineral Processing Handbook, Edited by N.L. Weiss, S.W. MUDD SERIES, New York.

3. Peray E. K., 1986, The Rotary Cement Kiln, Chemical Publishing Co.,Inc., N.Y.4. Ghosh N. S., 1991, Cement and Concrete Science and Technology, Volume I, Part I,

ABI Books Ltd., India.5. Popovics Sandor, 1992, CONCRETE MATERIALS, Properties, Specifications and

Testing, 2nd Edition, NOYES PUBLICATIONS, New Jersey.6. Οικονόμου Χ. Μ., 1993, Τεχνολογία του Σκυροδέματος, 2η Έκδοση, Εκδόσεις ART

OF TEXT, Θεσσαλονίκη.7. Kosmatka, S. H. and Panarese, W. C.,1994, Design and Control of Concrete Mixtures,

13th Edition, PCA, Illinois.8. Taylor H. F. W., 1997, Cement Chemistry, 2nd Edition, Thomas Telford, London.9. Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 1998, 4th Edition, Edited by P.C. Hewlett,

Arnold, London.10. Bye C. G., 1999, Portland Cement, 2nd Edition, Thomas Telford.11. Neville, A. M., 2000, Properties of Concrete, 4th Edition, Prentice Hall.12. Τσίμας. Σ. & Τσιβιλής Σ., 2000, Επιστήμη και Τεχνολογία Τσιμέντου, Τμήμα

Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα.

ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ

13. Shilstone, Sr., J.M., 1990, Concrete Mixture Optimization, ACI Concrete International 12.6.:3339.

14. Τσακαλάκης Κ.Γ., 1990, Κατανομές μεγέθους τεμαχίων προιόντος θραύσης Γυροσκοπικού θραυστήρα βιομηχανικού μεγέθους, Μεταλλειολογικά-Μεταλλουργικά Χρονικά, Τεύχος 75, Μάϊος-Αύγουστος 1990, σελ. 41-48.

15. ENV (1993), Cement and Concrete: Environmental Considerations, vol. 2, no. 2, March/April.

16. Σταμπολτζής Γ.Α., Τσακαλάκης Κ.Γ., 1993, Υπολογισμός ισχύος μύλων κυλιόμενου φορτίου, Μεταλλειολογικά - Μεταλλουργικά Χρονικά, Τόμος 3, Τεύχος 1, Ιανουάριος-Μάρτιος 1993, σελ. 17-26.

17. Ισαακίδης, Α., 1997, «Υπάρχουσα κατάσταση σε σχέση με τα επικίνδυνα απόβλητα στην Ελλάδα». Δημοσίευση στην ημερίδα «Η διαχείριση των επικίνδυνων αποβλήτων», Τεχνικά Χρονικά, ΤΕΕ, Αθήνα.

279

18. Νισκόπουλος, Κ., 1997, «Τσιμεντοβιομηχανία: μια αξιόπιστη λύση διαχείρισης αποβλήτων», Δημοσίευση στην ημερίδα «Η διαχείριση των επικίνδυνων αποβλήτων», Τεχνικά Χρονικά, ΤΕΕ, Αθήνα.

19. ΙΟΒΕ (1997), Executive Summary of the Greek Cement Industry, June.20. UNIDO & Sustainable Industrial Development (1998), “Energy conservation in the

cement industry”.21. Ζευγώλης, Μ. Ν., Γαϊτάνος, Γ. Φ. και Κοντός, Γ. Λ. (1999), «Η Διαχείριση των

Μεταλλουργικών Σκωριών στη Γ.Μ. & Μ. Α.Ε. ΛΑΡΚΟ», Ε.Μ.Π., Περιοδικό Πυρφόρος, Νο. 2.

22. Μουτσάτσου, Α. και Τσίμας, Σ.,1999, Η ιπτάμενη τέφρα ως μέσο προστασίας του περιβάλλοντος, Ε.Μ.Π., Περιοδικό Πυρφόρος, Νο. 2.

23. Όμιλος ΑΕ Τσιμέντων «ΤΙΤΑΝ», Ενοποιημένη Συνοπτική Λογιστική Κατάσταση της 30.6.2000, Αθήνα.

24. CEMBUREAU, The European Cement Association, “Best available techniques for the cement industry”, Brussels, December 1999.

25. Portland Cement Association-PCA, 2000, The Cement Industry, January.26. Cadence Environmental Energy Inc. (2000), “Using Whole Scrap Tires as Fuel in a

Cement Kiln”.27. IEA GREENHOUSE R&D PROGRAMME (2000), “Emission Reduction of

Greenhouse Gases from the Cement Industry”.28. 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.

29. European Commission, 2001, Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC), Reference Document on Best Available Techniques in the Cement and Lime Manufacturing Industries, December 2001.

30. COMPETITIVENESS OF THE EUROPEAN CEMENT INDUSTRY, The European Cement Association, CEMBUREAU, www.cembureau.be.

31. Stoiber W., 2002, Comminution Technology and Energy Management, LAFARGE Cement Division in Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) Kongress, September.

32. Modigell M., 2002, Thermochemical process modeling of clinker burning, GTT Workshop 2002.

33. Tsakalakis, K.G., 2003, The Greek cement industry sector and its potential towards sustainable development, Sustainable Development Indicators in the Mineral Industry (SDIMI 2003), 21-23 May, Milos, Greece.

34. ENERGY AND TRANSPORT IN FIGURES 2004, European Commission Directorate-General for Energy and Transport in Cooperation with Eurostat, European Union, November 2004.

35. 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.

280

36. 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.

37. Forschungsinstitut der Zementindustrie, 2004, Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen; AIF-Forschungsvorhaben 13198N,http://www.vdz-online.de/downloads/aif13198n/13198n.pdf

38. Van Oss G.H., 2005, Background Facts and Issues Concerning Cement and Cement Data, U.S. Geological Survey, Open-File Report 2005-1152.

39. Τσακαλάκης, Κ.Γ., 2005, Σχέση μεταξύ καταναλισκόμενης ενέργειας και ειδικής επιφάνειας (Blaine) στην άλεση κλίνκερ σε σφαιρόμυλους, 5ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής, Θεσσαλονίκη, σελ. 445-448.

40. Τσακαλάκης Κ.Γ., Ιωακείμ Ι. Ε., 2005, Παραγωγή ενέργειας από συμβατικά ορυκτά καύσιμα, Μεταλλειολογικά-Μεταλλουργικά Χρονικά (ΜΜΧ 1/2005), σελ. 15-44.

41. Tsakalakis, K.G., 2006, Conventional Clinker Grinding-A new Approach to the Prediction of Power Consumption, Ultrafine Grinding 06 (UFG 06), June 12-13, Minerals Engineering International (MEI), Falmouth-Cornwall, U.K.

42. Τσακαλάκης Κ.Γ., 2006, Ο ρόλος των δεικτών ποιότητας LSF, SR και AR στη ρύθμιση της τροφοδοσίας για παραγωγή τσιμέντων συγκεκριμένου τύπου, 15ο

Συνέδριο Σκυροδέματος, 25-27 Οκτωβρίου, Αλεξανδρούπολη, σελ. 648-665.43. Τσακαλάκης Κ.Γ., 2006, Προσδιορισμός της σύνθεσης του μείγματος των πρώτων

υλών στην παραγωγή του κλίνκερ τσιμέντου, Περιοδικό Ορυκτός Πλούτος, No140/2006, σελ. 7-26.

44. Tsakalakis K.G., 2006, Modelling the crushing-sizing procedure of industrial gyratory crushers, 11th European Symposium on Comminution, 9-12 October, Budapest, Hungary.

45. Schnatz, R., 2006, Selection of Finish Grinding Systems according to Technical and Economical Points of View, Cement International, 4/2006, pp. 60–69.

46. Tsakalakis K.G., 2007, Scrap Tyres Management in the EU Cement Industry - an economic/environmental Approach, ZKG (Zement Kalk und Gips), No 4, pp. 43-55.

47. Τσακαλάκης, Κ.Γ., 2007, Προσδιορισμός της καταναλισκόμενης ενέργειας σεδιεργασίες συμβατικής λειοτρίβησης και άλεσης κλίνκερ, 6ο ΠανελλήνιοΕπιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής, Αθήνα, σελ. 701-704.

48. Joachim Harder, 2007, Developments in the grinding of raw materials, clinker and slag, ZKG INTERNATIONAL No. 3-2007 (Volume 60), pp. 33-45.

49. Metso Minerals, “Crushing and Screening Handbook”, Brochure No. 2051-04-07-CBL/ Tampere (2007).

50. Hills M.Linda, 2007, Clinker Microstructure and Grindability: Updated Literature Review, Portland Cement Association, www.cement.org.

51. IMCP Manual, 2007, Cement Hydration: The Basics, Centre for Transportation Research and Education (CTRE), Iowa State University.

52. Τσακαλάκης, Κ.Γ., 2008, Βελτιστοποίηση διεργασιών παραγωγής αδρανών υλικών, 1ο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, Τ.Ε.Ε., 21-23 Μαϊου, Αθήνα.

281

53. Tsakalakis K.G., Stamboltzis G.A, 2008, Correlation of the Blaine value and the d80

size of the cement particle size distribution, ZKG INTERNATIONAL No. 3-2008 (Volume 61), pp. 60-67.

54. Tsakalakis K.G., 2009, The approximate cement production cost and the viability and competitiveness of the Greek cement industry, 3rd AMIREG International Conference (2009): Assessing the Footprint of Resource Utilization and Hazardous Waste Management, 7-9 September, Athens, Greece.

55. Τσακαλάκης Κ.Γ., 2009, Τεχνικοοικονομική διερεύνηση διεργασιών παραγωγής αδρανών υλικών, 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, Τ.Ε.Ε. & Ε.Τ.Ε.Κ., 21-23 Οκτωβρίου, Πάφος, Κύπρος.

56. Fuller Traylor Grinding Mill Systems, GATX-FULLER, Bulletin M-2 5M 6/76, PENNSYLVANIA, U.S.A.

57. MARCY, Ball and Rod Mills, MINE AND SMELTER SUPPLY Co., CATALOG 101-B.

58. The Alite Group, mike.singleton@alitegroup.com.