Ημερολόγιο Εκδηλώσεων

Τίτλος εργασίας: «Αξιολόγηση αργίλων από τη Νεογενή λεκάνη του Ηρακλείου για την παραγωγή δομικών κεραμικών»
Τίτλος εργασίας στα αγγλικά: Evaluation of Clays from the Neogene Heraklion Basin for the Production of Structural Ceramics.

Τριμελής Εξεταστική επιτροπή:
1. Γεώργιος Χρηστίδης, Καθηγητής σχολής ΜΗΧΟΠ (επιβλέπων)
2. Πλάτων Γκαμαλέτσος, Αναπληρωτής Καθηγητής σχολής ΜΗΧΟΠ
3. Δρ. Γεώργιος Τριανταφύλλου, μέλος ΕΔΙΠ σχολής ΜΗΧΟΠ

Περίληψη

Η παρούσα διπλωματική εργασία η οποία εκπονήθηκε στη Σχολή Μηχανικών Ορυκτών Πόρων του Πολυτεχνείου Κρήτης υπό την επίβλεψη του καθηγητή Γεώργιου Χρηστίδη, έχει ως αντικείμενο την εργαστηριακή και τεχνολογική αξιολόγηση δειγμάτων φυσικής αργίλου από δύο επιλεγμένα λατομεία της Νεογενούς λεκάνης του Ηρακλείου Κρήτης: του Αγίου Σύλλα και της Μονής Επανωσήφη. Σκοπός της μελέτης ήταν η διερεύνηση της καταλληλότητάς τους ως πρώτες ύλες για τη βιομηχανική παραγωγή δομικών κεραμικών προϊόντων, και ειδικότερα οπτοπλίνθων (τούβλων), για λογαριασμό της εταιρείας Α.Κ.Ε.Κ. Α.Ε..

Για τον ολοκληρωμένο χαρακτηρισμό των αργιλοχωμάτων εφαρμόστηκε μια εκτεταμένη σειρά εργαστηριακών αναλύσεων, η οποία περιλάμβανε κοκκομετρικό έλεγχο μέσω πρότυπων κοσκίνων και κοκκομετρικού αναλυτή σκέδασης ακτίνων laser στο λεπτομερές κλάσμα κάτω των 90 μm, προσδιορισμό της ειδικής επιφάνειας με τη μέθοδο BET, καθώς και εκτίμηση της πλαστικότητας μέσω των ορίων Atterberg. Παράλληλα, η χημική και η ορυκτολογική σύσταση των δειγμάτων προσδιορίστηκαν με φασματομετρία φθορισμού ακτίνων-Χ (XRF) και περιθλασιμετρία κόνεως ακτίνων-Χ (XRD) αντίστοιχα, τόσο στις αρχικές πρώτες ύλες όσο και σε δείγματα που υποβλήθηκαν σε διάφορες θερμοκρασίες πύρωσης. Επιπλέον, για τη μελέτη των τεχνολογικών και μηχανικών ιδιοτήτων, παρασκευάστηκαν εργαστηριακά μορφοποιημένα δοκίμια με μονοαξονική συμπίεση από το αργιλόχωμα του Επανωσήφη, τα οποία εψήθησαν σε ένα θερμοκρασιακό εύρος από 750°C έως 1000°C με σκοπό τον προσδιορισμό της γραμμικής συρρίκνωσης και της αντοχής τους σε κάμψη τριών σημείων.

Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν αξιοσημείωτες διαφοροποιήσεις μεταξύ των δύο πρώτων υλών. Κοκκομετρικά, το αργιλόχωμα της Μονής Επανωσήφη αποδείχθηκε σαφώς πιο λεπτόκοκκο και ομοιογενές από τη φύση του (με d₉₀ = 32,97 μm στο κλάσμα <90 μm), καταγράφοντας σημαντικά υψηλότερη τιμή ειδικής επιφάνειας κατά BET (18,53 m²/g) σε σύγκριση με το δείγμα του Αγίου Σύλλα (12,93 m²/g), το οποίο εμφάνισε πιο αδρόκοκκο χαρακτήρα (d₉₀ = 57,74 μm) και μεγαλύτερη παρουσία φυσικών συσσωματωμάτων. Όσον αφορά την πλαστικότητα, και τα δύο υλικά ταξινομήθηκαν στο διάγραμμα Casagrande ως ισχνοί άργιλοι (CL), με δείκτες πλαστικότητας (PI = 12,45% για τον Επανωσήφη και 15,06% για τον Άγιο Σύλλα) που εμπίπτουν στο ιδανικό τεχνολογικό εύρος για ασφαλή μορφοποίηση. Ωστόσο, οι τιμές του Επανωσήφη συνδέονται με μικρότερο κίνδυνο εμφάνισης παραμορφώσεων ή ρωγμών κατά το κρίσιμο στάδιο της ξήρανσης.

Σε ορυκτολογικό και χημικό επίπεδο, αν και στα δύο δείγματα κυριαρχούν ο χαλαζίας και ο ασβεστίτης μαζί με άστριους, δολομίτη και αργιλικά ορυκτά (κλινόχλωρος, καολινίτης, ιλλίτης/μοσχοβίτης, σερπεντίνης και σμεκτίτης), η πρώτη ύλη του Επανωσήφη υπερέχει καθώς είναι σημαντικά πλουσιότερη σε αργιλικά ορυκτά (43,3% έναντι 29,9% του Σύλλα). Επιπρόσθετα, περιέχει υψηλότερα ποσοστά σε οξείδια του σιδήρου (Fe₂O₃ = 7,59%), τα οποία δρουν ως ισχυρό ευτηκτικό και προσδίδουν το επιθυμητό βαθύ κόκκινο χρώμα στο ψημένο κεραμικό, ενώ η παρουσία ασβεστίτη (CaO = 9,61%) ευνοεί τη σύνθεση εύτηκτων πυριτικών ενώσεων. Η προβολή της χημικής σύστασης σε τριγωνικά διαγράμματα επιβεβαίωσε ότι το δείγμα του Επανωσήφη αποτελεί μια απόλυτα ισορροπημένη πρώτη ύλη για την παραγωγή οπτοπλίνθων και κεραμικών τύπου «μαγιόλικα», εν αντιθέσει με το δείγμα του Αγίου Σύλλα που τοποθετείται οριακά στα σχετικά πεδία.

Η παρακολούθηση της θερμικής συμπεριφοράς των δοκιμίων του Επανωσήφη ανέδειξε σταδιακή αποδόμηση των αρχικών ορυκτών και σχηματισμό νέων κρυσταλλικών φάσεων υψηλής θερμοκρασίας πάνω από τους 800°C–850°C, όπως ο αιματίτης, ο μαγκεμίτης, ο γκελενίτης, ο ανορθίτης και κυρίως ο διοψίδιος. Η κρυστάλλωση του διοψιδίου σε συνδυασμό με την πυροσυσσωμάτωση (sintering) ισχυροποίησε σημαντικά τη δομική συνοχή των δοκιμίων. Αυτό αποτυπώθηκε άμεσα στη ραγδαία αύξηση της μηχανικής αντοχής σε κάμψη, η οποία από τα 5,68 MPa στους 750°C σχεδόν διπλασιάστηκε στους 900°C φτάνοντας τα 10,12 MPa, για να ανέλθει στα 12,74 MPa στους 1000°C. Παράλληλα, η γραμμική συρρίκνωση κατά την έψηση διατηρήθηκε σε εξαιρετικά ελεγχόμενα επίπεδα (κάτω από 4%), χάρη στη συγκράτηση που προσφέρουν ο περιεχόμενος χαλαζίας και τα ανθρακικά ορυκτά, εξασφαλίζοντας τη σταθερότητα του σχήματος των τελικών προϊόντων.

Συμπερασματικά, η εργασία καταλήγει ότι το αργιλόχωμα της Μονής Επανωσήφη αποτελεί την πλέον κατάλληλη και ποιοτική πρώτη ύλη, έτοιμη προς άμεση αξιοποίηση για τη βιομηχανική παραγωγή τούβλων υψηλής αντοχής, με τη θερμοκρασία των 900°C να αναδεικνύεται ως η βέλτιστη θερμοκρασία έψησης. Από την άλλη πλευρά, το δείγμα του Αγίου Σύλλα κρίνεται επίσης αξιοποιήσιμο για την πλινθοποιία, απαιτεί ωστόσο προηγούμενη προ-άλεση ή ανάμιξη για την εξομάλυνση των αδρών συσσωματωμάτων του.

Λέξεις-κλειδιά: Άργιλοι, Νεογενή ιζήματα, δομικά κεραμικά, οπτόπλινθοι, ορυκτολογική ανάλυση

Abstract: The present diploma thesis conducted at the School of Mineral Resources Engineering of the Technical University of Crete under the supervision of Professor George Christidis, focuses on the laboratory and technological evaluation of natural clay samples from two selected quarry sites in the Neogene basin of Heraklion, Crete: Agios Syllas and Epanosifi Monastery. The aim of the study was to investigate their suitability as raw materials for the industrial production of structural ceramic products, specifically fired bricks, on behalf of the company A.K.E.K. S.A..

For the comprehensive characterization of the clayey earths, an extensive series of laboratory analyses was carried out, which included grain size distribution analysis using standard sieves and a laser diffraction particle size analyzer on the fine fraction below 90 μm, determination of specific surface area using the BET method, as well as the assessment of plasticity via Atterberg limits. Simultaneously, the chemical and mineralogical composition of the samples was determined using X-ray fluorescence spectrometry (XRF) and X-ray powder diffraction (XRD), both on the raw materials and on samples subjected to various firing temperatures. Furthermore, to evaluate technological and mechanical properties, test specimens were prepared by uniaxial pressing using the clay from Epanosifi and fired over a temperature range from 750°C to 1000°C to measure linear shrinkage and three-point flexural (bending) strength.

The experimental results revealed notable differences between the two raw materials. In terms of granulometry, the clayey soil from the Epanosifi Monastery proved to be naturally finer-grained and more homogeneous (with d₉₀ = 32.97 μm in the <90 μm fraction), exhibiting a significantly higher BET specific surface area (18.53 m²/g) compared to the Agios Syllas sample (12.93 m²/g), which showed a coarser nature (d₉₀ = 57.74 μm) and a greater presence of natural aggregates. Regarding plasticity, both materials were classified as low-plasticity clays (CL) on the Casagrande plasticity chart, displaying plasticity index values (PI = 12.45% for Epanosifi and 15.06% for Agios Syllas) well within the optimal technological range for reliable shaping. However, the values for the Epanosifi material are associated with a reduced risk of warping or cracking during the critical drying stage.

At the mineralogical and chemical levels, quartz and calcite predominate in both samples alongside feldspars, dolomite, and clay minerals (clinochlore, kaolinite, illite/muscovite, serpentine, and smectite); nonetheless, the Epanosifi raw material is superior as it is considerably richer in clay minerals (43.3% versus 29.9% for Agios Syllas). Additionally, it contains a higher proportion of iron oxides (Fe₂O₃ = 7.59%), which act as an effective flux and impart the desired deep reddish ceramic coloration to the fired body, while the presence of calcite (CaO = 9.61%) promotes the formation of low-melting silicate phases. The projection of the chemical compositions onto ternary diagrams confirmed that the Epanosifi clay is fully balanced for the production of fired bricks and majolica-type ceramics, whereas the Agios Syllas sample lies marginally within these fields.

Thermal monitoring of the molded Epanosifi specimens revealed the progressive breakdown of the initial minerals and the formation of new high-temperature crystalline phases above 800°C–850°C, such as hematite, maghemite, gehlenite, anorthite, and particularly diopside. The crystallization of diopside, together with the sintering process, markedly enhanced the structural cohesion of the ceramic body. This was directly reflected in the sharp increase in flexural strength, which nearly doubled from 5.68 MPa at 750°C to 10.12 MPa at 900°C, eventually reaching 12.74 MPa at 1000°C. Concurrently, firing shrinkage remained within strictly controlled limits (under 4%), as the presence of quartz and carbonates restrained excessive contraction, thereby securing the dimensional stability of the final products.

In conclusion, the study demonstrates that the clay from the Epanosifi Monastery constitutes the most suitable, high-quality, and ready-to-use raw material for the industrial manufacturing of high-strength structural bricks, with 900°C established as the optimal firing temperature. On the other hand, the material from Agios Syllas is also viable for brickmaking, though it would benefit from prior pre-milling or proper blending to reduce its coarse aggregates.

Keywords: Clays, Neogene sediments, structural ceramics, fired bricks, mineralogical analysis