Εκτίμηση της επίδρασης των ορυκτοπετρογραφικών χαρακτηριστικών στις φυσικομηχανικές ιδιότητες μαγματικών πετρωμάτων της Κεντρικής Μακεδονίας: αξιολόγηση της συμπεριφοράς τους ως αδρανή υλικά σε κατασκευαστικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές

Abstract

Aggregate materials are considered to be rock blocks which are used either individually or by using an adhesive in constructions. Their term as aggregates encompasses the concept of chemical inertia against any adhesive cement. However, these materials are chemically active determining the behavior of the mass in which they are involved. The present thesis uses natural aggregates and more specifically the igneous rocks derived from Veria-Naousa and Edessa region, as reusable mineral reactive materials by investigating the influence of their mineralogical and petrographic characteristics both on their properties as aggregate materials and on their properties in construction and environmental applications. For this reason, 39 rock samples, of ten different igneous lithotypes, were collected and investigated. The majority of the studied samples are igneous rocks which belong to the Veria-Naousa and Edessa ophiolite complexes, while the rest of them have been collected from their surrounded areas without having any genetic relationship with the first. In more detail, from the aforementioned areas, 14 ultramafic rock samples as well as 10 mafic rock samples were collected, evenly distributed over the wider area of the two investigated ophiolite complexes. Moreover, 6 Pleiocene volcanic rock samples belonging to the subsequent volcanic eruption of Almopia were collected and examined. Finally, 9 granitoid rock samples were also collected in order to investigate their properties. In the total of the already mentioned lithotypes, the interdependence of their properties related to their mineralogical and petrographic characteristics as well as their suitability as concrete aggregates were investigated. Particular emphasis was placed on the study of the effect of secondary phyllosilicate minerals on both the properties of the aggregates and on the final behavior of each technical application wherein contained in order to better understand and predict the potential failures in various construction applications.In addition, in order to investigate the direct supervisory (qualitative and quantitative) influence of the type of the used aggregate on the produced concretes, 64 concrete specimens were prepared from 32 different mixes of igneous rocks for the identification of the influence of the mineralogical and petrographic characteristics of the studied rocks on the final strength as well as on the final quality of the produced concretes. Concrete constitutes a chemically complex mix of cement, water and aggregate materials in various sizes and proportions. The aggregate materials are the basic component of this mixture and therefore possess one of the most important factors in the final quality of the concrete produced. The aggregates contained in concrete, possessing specific proportions of minerals, are active chemical phases where they constantly react with the other components of the concrete to determine its final quality. The most important characteristics of concrete aggregates, which were found to be likely to adversely affect the final mechanical strength of the product, were found to be their surface texture (microroughness), their physical properties, the existence of swelling clay minerals and their uniaxial compressive strength. Moreover, in this thesis, following the principles of cyclic economy and sustainability, the mineral raw materials, evaluated as aggregates and as concrete aggregates, were reused in order to solve a major environmental problem, which focuses on the remediation, in lab scale, of the drainage waste water of Agios Philippos mine (Kirki, 17 km NNW of Aleksandroupoli) which is continuously supplied by meteoric waters that lead to the pit after first having decomposed oxidized mineral ores and particularly sulphides of the open excavation. The oxidation of the sulphide ores of the investigated area occurs through a series of reactions involving direct, indirect and bacterially controlled mechanisms. Some oxidation reactions result in the production of instant acidity, while others cause the dissolution and the removal of heavy metals. During this thesis, for the remediation of the mentioned phenomenon in lab scale, static as well as experimental electrically continuous flow driven forced devices were constructed using multi-mineral line filters. Particularly effective with regard to pH remediation but also to removal or significant reduction of heavy metal concentrations such as Fe, Cu, Pd, Zn has been shown to affect the reuse of magnesite, serpentinite, peat and biochar within the filters of the experimental devices.

Ως αδρανή υλικά θεωρούνται τα τεμάχια πετρώματος τα οποία χρησιμοποιούνται είτε αυτούσια είτε με χρήση κάποιου συγκολλητικού μέσου στα τεχνικά έργα. Η ονομασία τους ως αδρανή υλικά εμπεριέχει την έννοια της χημικής αδράνειας έναντι οποιασδήποτε συγκολλητικής κονίας. Στην πραγματικότητα όμως πρόκειται για υλικά χημικά ενεργά που καθορίζουν τη συμπεριφορά της μάζας στην οποία συμμετέχουν. Η παρούσα διατριβή χειρίζεται τα φυσικά αδρανή υλικά ως ενεργές επαναχρησιμοποιούμενες ορυκτές πρώτες ύλες εξετάζοντας την επίδραση των ορυκτοπετρογραφικών χαρακτηριστικών των μαγματικών πετρωμάτων της Βέροιας-Νάουσας και Έδεσσας τόσο στις ιδιότητες τους ως αδρανή υλικά, όσο και στις ιδιότητες τους εντός κατασκευαστικών και περιβαλλοντικών εφαρμογών. Με αυτό το σκοπό συλλέχθηκαν και εξετάστηκαν 39 δείγματα, δέκα διαφορετικών τύπων μαγματικών πετρωμάτων. Η πλειοψηφία των εξεταζόμενων δειγμάτων αποτελούν μαγματικά πετρώματα τα οποία ανήκουν στα οφιολιθικά συμπλέγματα Βέροιας-Νάουσας και Έδεσσας, ενώ τα υπόλοιπα μαγματικά πετρώματα συλλέχθηκαν από γειτνιάζουσες περιοχές με τα οφιολιθικά συμπλέγματα, χωρίς να φέρουν ταυτόχρονη γενετική σχέση με αυτά. Αναλυτικότερα από τις προαναφερθείσες περιοχές συλλέχθηκαν 14 υπερβασικά δείγματα καθώς και 10 βασικής σύστασης πετρώματα, ομοιόμορφα κατανεμημένα στην ευρύτερη περιοχή των δύο υπο εξέταση οφιολιθικών συμπλεγμάτων. Επίσης, συλλέχθηκαν και εξετάστηκαν 6 Πλειοκαινικά ηφαιστειακά πετρώματα τα οποία ανήκουν στην μετέπειτα ηφαιστειότητα της Αλμωπίας. Τέλος, συλλέχθηκαν 9 γρανιτοειδή δείγματα προς διερεύνηση των ιδιοτήτων τους. Στο σύνολο των προαναφερθέντων λιθοτύπων διερευνήθηκε η αλληλεξάρτηση των ιδιοτήτων τους από τα ορυκτοπετρογραφικά τους χαρακτηριστικά και η τελική καταλληλότητα τους ως αδρανή υλικά σκυροδεμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση αποδόθηκε στην μελέτη της επίδρασης των δευτερογενών φυλλοπυριτικών ορυκτών τόσο στις ιδιότητες των αδρανών υλικών όσο και στην τελική συμπεριφορά εκάστου τεχνικού έργου όπου περιέχονται με απώτερο σκοπό τη διάγνωση και πρόβλεψη αστοχιών σε διάφορες κατασκευαστικές εφαρμογές. Επιπλέον με σκοπό τον άμεσο εποπτικό (ποιοτικό και ποσοτικό) επηρεασμό του είδους του χρησιμοποιούμενου αδρανούς υλικού στα παραγόμενα σκυροδέματα παρασκευάστηκαν 64 συνολικά σκυροδέματα από 32 διαφορετικά μαγματικά πετρώματα ώστε να εντοπιστεί και να τεκμηριωθεί πετρογραφικά η επίδραση των ορυκτοπετρογραφικών χαρακτηριστικών των πετρωμάτων στην τελική αντοχή και ποιότητα των παραγόμενων σκυροδεμάτων. Το σκυρόδεμα αποτελεί ένα σύνθετο χημικά μίγμα τσιμέντου, νερού και αδρανών υλικών σε διάφορες κοκκομετρίες και αναλογίες. Τα αδρανή υλικά αποτελούν το βασικό σκελετικό στέλεχος αυτού του μίγματος και ως εκ τούτο κατέχουν έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες ως προς την τελική ποιότητα του παραγόμενου σκυροδέματος. Τα αδρανή υλικά τα οποία εμπεριέχονται στα σκυροδέματα, κατέχοντας συγκεκριμένες αναλογίες ορυκτολογικών συστατικών, αποτελούν ενεργές χημικές φάσεις όπου αντιδρούν συνεχώς με τα υπόλοιπα συστατικά του σκυροδέματος καθορίζοντας την τελική ποιότητα του. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των αδρανών υλικών σκυροδέματος, τα οποία εντοπίστηκε ότι είναι εφικτό να επηρεάσουν δυσμενώς την τελική μηχανική αντοχή του προϊόντος εντοπίστηκαν να είναι η επιφανειακή υφή τους (μικροανάγλυφο), οι φυσικές τους ιδιότητες, η ύπαρξη αργιλικών διογκούμενων ορυκτών στη δομή τους καθώς και η μηχανική τους αντοχή. Επιπροσθέτως, στα πλαίσια της παρούσας μελέτης ακολουθώντας τις αρχές τις κυκλικής οικονομίας και της αειφορίας επαναχρησιμοποιήθηκαν οι ορυκτές πρώτες ύλες όπου αξιολογήθηκαν ως αδρανή υλικά και σκυροδέματα για την επίλυση ενός μείζονος σημασίας περιβαλλοντικού προβλήματος. Το περιβαλλοντικό πρόβλημα που μελετήθηκε εστιάζεται στην όξινη απορροή του τέλματος στη βάση της ανοικτής εκσκαφής του παλαιού μεταλλείου του Αγίου Φιλλίπου Κίρκης (17 km ΒΒΔ της Αλεξανδρούπολης) το οποίο τροφοδοτείται συνεχώς από μετεωρικά νερά τα οποία οδηγούνται στο τέλμα αφού πρώτα έχουν αποπλύνει οξειδωμένα μεταλλικά ορυκτά και ιδιαίτερα θειούχα της ανοικτής εκσκαφής. Η οξείδωση των θειούχων μεταλλευμάτων της εξεταζόμενης περιοχής λαμβάνει χώρα δια μέσου μιας σειράς αντιδράσεων που περιλαμβάνουν άμεσους και έμμεσους και βακτηριδιακά ελεγχόμενους μηχανισμούς. Μερικές αντιδράσεις οξείδωσης έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή άμεσης οξύτητας, ενώ άλλες προκαλούν διαλυτοποίηση και κινητοποίηση των βαρέων μετάλλων. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης με σκοπό την πειραματική μελέτη εξυγίανσης του αναφερθέντος φαινομένου κατασκευάστηκαν στατικές αλλά και πρότυπες ηλεκτροκίνητες συνεχούς ροής διατάξεις χρησιμοποιώντας πολυορυκτολογικά φίλτρα γραμμής. Ιδιαιτέρως αποδοτικά αναφορικά με την εξυγίανση του pH αλλά και την απομάκρυνση ή σημαντική μείωση συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων όπως Fe, Cu, Pd, Zn παρουσιάστηκε να επέδρασε η επαναχρησιμοποίηση των μαγνησίτη, σερπεντινίτη, ανδεσίτη, καθώς και η χρήση της τύρφης και του βιοεξανθρακώματος εντός των πειραματικών διατάξεων.