H συμβολή και η εξέλιξη του τσιμέντου από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα

Ρωμαίοι, Έλληνες, Αιγύπτιοι κατασκεύασαν θέατρα, δεξαμενές, σωλήνες πόλεων με χρήση τσιμέντου σε επεξεργασμένη μορφή τσιμεντόπαστας/κονιάματος τα οποία άντεξαν και διατηρούνται στον χρόνο από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα. Το Κολοσσαίο από το 82 π.Χ. για 65.000 θεατές στην αρχαία Ρώμη της Ιταλίας, τα τοιχώματα της τσιμεντένιας δεξαμενής χωρητικότητας 600 κυβικών μέτρων νερού από τον 6ο αιώνα π.Χ. στην Κάμειρο της Ρόδου, αρχαιολογικά οικοδομήματα με δάπεδο από πρωτόγονο μπετόν στο βόρειο τμήμα του Ισραήλ από το 7000 π.Χ., και άλλες κατασκευές που έχουν ανασκαφεί, διατηρούνται μέχρι σήμερα. Ειδικοί κατασκευής και κατεργασίας τσιμέντου δεν κατάφεραν να φτιάξουν ανάλογο συνδετικό υλικό τσιμέντου που να αντέχει τόσο πολύ στο πέρασμα των αιώνων, καθώς έρευνες έδειξαν ότι το τσιμέντο που χρησιμοποιείτο ως επί το πλείστον στην αρχαία Ρώμη ήταν φτιαγμένο από ηφαιστειακά υλικά. Πρόκειται για ένα συνδετικό υλικό διαφόρων μορφών και τύπων με διαφορετικά προσθετικά υλικά στην αγορά.

Σήμερα, στην κατασκευαστική βιομηχανία παρατηρούνται διαφορετικές ιδιότητες του τσιμέντου ανάλογα με τις διεργασίες στις οποίες υποβάλλεται, δηλαδή κατά την άντληση, χύτευση και ανάμειξή του με άλλα υλικά όπως νερό, άμμο, και χαλίκι. Η διερεύνηση του τσιμέντου σε συνδυασμό με πρόσθετα υλικά και η ρεολογική απόκρισή του σε μικρούς και μεγάλους χρόνους έχει ιδιαίτερη σημασία τόσο για την ανθεκτικότητα και την απόδοσή του σε κατασκευαστικές εφαρμογές, όπως υποδομές, όσο και για τη βιωσιμότητα των πόλεων, γεγονός που συμβάλλει στη βιώσιμη ανάπτυξη. Το τσιμέντο, μπορούμε να ισχυριστούμε, είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με τους στόχους 9 (Βιομηχανία, Καινοτομία Και Υποδομές) και 11 (Βιώσιμες Πόλεις και Κοινότητες) της Βιώσιμης Ανάπτυξης του Οργανισμού Ηνωμένων Εθνών.

Για την κατανόηση του τσιμέντου ως υλικού, χρειάζεται μια μακροσκοπική και ενδοσκοπική ανάλυση ως προς την κατηγορία ρευστού και το δίκτυο δεσμών που μπορεί να αναπτυχθεί μεταξύ των τσιμεντένιων σωματιδίων. Τα ρευστά παράγωγα του τσιμέντου (αφότου διαλυθεί σε νερό) κατατάσσονται στα Μη Νευτώνεια Ρευστά και συγκεκριμένα στα σύνθετα (πολύ παχύρευστα) ρευστά καθώς τέτοια ρευστά έχουν σύνθετη δομή και αποτελούνται από ένα δίκτυο δεσμών και σωματιδίων το οποίο συγκρατεί σταθερή τη δομή τους. Ανάλογα με την εφαρμογή και την τάση (εφαρμογή δύναμης) η οποία ασκείται στο υλικό, το δίκτυο των δεσμών μεταβάλλεται οδηγώντας στη δημιουργία μιας νέας δομής. Εκτός από τα ρευστά παράγωγα του τσιμέντου (όπως είναι η τσιμεντόπαστα, και το σκυρόδεμα), σύνθετα υλικά αποτελούν τα πλαστικά πολυμερή, η κέτσαπ και η οδοντόκρεμα. Ωστόσο, υπάρχουν τα φυσικά Μη Νευτώνεια Ρευστά όπως οι πρωτεΐνες, η κυτταρίνη και το υγρό Oobleck (υδατικό διάλυμα αμύλου του καλαμποκιού).

Για την κατανόηση των Μη Νευτώνειων Ρευστών όπως της τσιμεντόπαστας, μελετάται η ρεολογία αυτών των υλικών και συγκεκριμένα τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες ροής τους όπως το ιξώδες. Η ρεολογία εξηγεί την παραμόρφωση της δομής υλικού κατά τη ροή του. Για παράδειγμα, για τη ροή της κέτσαπ απαιτείται μια εφαρμογή ελάχιστης τάσης (δύναμης) στο δοχείο (την ούτω καλούμενη τάση διαρροής), ενώ για την εφαρμογή μπογιάς στον τοίχο χρειάζεται μια απαιτούμενη τάση για την εφαρμογή της σε αυτό· και στις δύο περιπτώσεις το ιξώδες των ρευστών αυτών παίζει καθοριστικό ρόλο στο πώς θα τα διαχειριστούμε. Αντίστοιχα, η ρεολογία της τσιμεντόπαστας βασίζεται στο ιξώδες του μείγματος τσιμέντου και νερού πριν και μετά την ανάμειξή τους, καθώς λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις υδρόλυσης. Το τσιμέντο πριν την επεξεργασία του βρίσκεται σε μορφή σκόνης. Με την προσθήκη νερού ξεκινά ο σχηματισμός της τσιμεντόπαστας όπου το ιξώδες του υπό την εφαρμογή παραμόρφωσης μειώνεται αρχικά, καθώς σπάνε οι φυσικοί (αντιστρεπτοί) δεσμοί μεταξύ των σωματιδίων τσιμέντου. Καθώς εξελίσσεται η διαδικασία ανάμειξης νερού και τσιμεντόπαστας, οι αντιδράσεις υδρόλυσης μεταξύ των σωματιδίων τσιμέντου και μορίων νερού επικρατούν, καθώς δημιουργούνται πλέον χημικοί (αναντίστρεπτοι) δεσμοί μεταξύ τους, οδηγώντας τελικά σε μια νέα μη αναστρέψιμη δομή όπου η τσιμεντόπαστα στερεοποιείται και το ιξώδες της γίνεται πολύ μεγάλο. Λόγω των αντιδράσεων υδρόλυσης δημιουργείται μια επιφάνεια ένυδρων σωματιδίων πυριτικού ασβεστίου στο τελικό προϊόν.

Για τη διερεύνηση των διαφορετικών αναλογιών νερού-τσιμέντου, της προσθήκης χαλικιού, και διαφόρων χημικών προσμείξεων, και την κατανόηση παραμέτρων όπως η θερμοκρασία και η μελέτη της αναστρέψιμης και μη αναστρέψιμης δομής του μείγματος τσιμέντου και νερού, είναι αναγκαία η χρήση ενός καταστατικού ρεολογικού μοντέλου το οποίο θα δύναται να περιγράψει τη ρεολογική συμπεριφορά των παραγώγων της τσιμεντόπαστας συγκρίνοντάς το με διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. Για τη βελτιστοποίηση του τσιμέντου και των επιθυμητών ιδιοτήτων του ανάλογα με την απαιτούμενη εφαρμογή, απαιτείται η χρήση της υπολογιστικής μηχανικής, όπου εξετάζονται καταστατικά μοντέλα και βελτιώσεις/τροποποιήσεις τους σε υπολογιστικές προσομοιώσεις ρευστομηχανικής. Στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Κύπρου έχουμε προτείνει ένα τέτοιο απλό καταστατικό μοντέλο ικανό να παρουσιάζει ικανοποιητική συμφωνία με διαθέσιμα ρεολογικά πειραματικά δεδομένα τσιμεντόπαστας, ειδικά σε μεγάλους χρόνους. Η δε χρήση του σε υπολογιστικές προσομοιώσεις ρευστομηχανικής θα μας παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τον βέλτιστο μελλοντικό σχεδιασμό του τσιμέντου, και πώς τα διάφορα άλλα πρόσθετα επηρεάζουν τις ρεολογικές ιδιότητες της τσιμεντόπαστας ώστε να πληρούν τις προδιαγραφές της εκάστοτε εφαρμογής. Μια τέτοια βελτιστοποίηση είναι επιτακτική καθώς συνδέεται άρρηκτα με τη βιωσιμότητα πόλεων, κατασκευών και υποδομών όπως απαιτούν οι στόχοι 9 και 11 της Βιώσιμης Ανάπτυξης του Οργανισμού Ηνωμένων Εθνών.

Αμαλία Ιωάννου

Χημικός μηχανικός

Μεταπτυχιακή φοιτήτρια Υπολογιστικής Μηχανικής, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο