Mechaniczne i mikrostrukturalne właściwości betonu wysokowartościowego z dodatkiem żużla paleniskowego

Główne zalety stosowania betonu wysokowartościowego to oszczędność materiałów wynikająca z mniejszych i bardziej smukłych elementów konstrukcyjnych w porównaniu z elementami wykonanymi z betonu zwykłego oraz możliwość wydłużenia trwałości obiektu budowlanego.

Jednym ze składników wpływających na jakość i trwałość betonu jest kruszywo, które powinno charakteryzować się jednorodnością cech fizycznych i uziarnienia oraz nie powinno zawierać składników szkodliwych [1].

W zależności od wymaganych własności betony produkowane z wykorzystaniem odpadów mogą mieć wiele zalet technicznych, ekonomicznych i ekologicznych.

Badania naukowe, zawarte w pracy A. Salesa, F.R. De Souza [2] wykazały, że wytrzymałość na ściskanie, absorpcja wody, moduł sprężystości betonów z recyklingu w porównaniu z konwencjonalnym betonem są na porównywalnym poziomie, a w niektórych przypadkach nawet wyższe.

Uboczne produkty spalania

Zgodnie z polityką ekologiczną i założeniami Krajowego Planu Gospodarki Odpadami [3] ilość odpadów przemysłowych w Polsce regularnie wzrasta. Polska jako jeden z krajów członkowskich UE stanęła przed koniecznością zastosowania rozwiązań ukierunkowanych na oszczędzanie energii, ochronę środowiska i wykorzystanie odpadów [4], przede wszystkim przez zaostrzające się dyrektywy unijne.

W dziedzinie gospodarki odpadami Unia Europejska wydała dziewięć dyrektyw. Priorytetem stało się tworzenie i wykorzystywanie nowoczesnych rozwiązań w budownictwie, jak i innych gałęziach gospodarki, np. ochrony środowiska i utylizacji odpadów.

Ze względu na zaostrzające się przepisy prawne oraz standaryzację wymagań UE w dziedzinie ochrony środowiska zaistniała konieczność zagospodarowywania odpadów przemysłowych pochodzących ze spalania węgla.

Polska jest jednym z czołowych europejskich producentów Ubocznych Produktów Spalania (UPS). Są to substancje mineralne powstające w wyniku spalania węgla kamiennego i brunatnego w kotłach energetycznych. Termin ten, obejmujący popioły, żużle, produkty spalania fluidalnego, mieszaniny popiołowo-żużlowe, wprowadzono w latach 90. ubiegłego roku przez krajowych producentów energii w celu zmiany wizerunku tych materiałów.

UPS mogą stanowić cenny surowiec i być jednocześnie alternatywą dla kruszyw. Wykorzystanie tych materiałów jest istotne nie tylko ze względu na oszczędności finansowe płynące z ich zagospodarowania, ale i z uwagi na kurczące się zasoby kruszyw naturalnych, które mogą być przez nie zastąpione, a także na zyski ekologiczne wynikające z likwidacji składowisk i ochrony zasobów.

W Polsce rocznie powstaje około 15 mln ton popiołów i żużli energetycznych, z których blisko 70% znajduje zastosowanie w gospodarce. Obecnie w budownictwie wykorzystuje się 95% produkowanych popiołów lotnych z węgla oraz 100% mieszanek popiołów lotnych i odpadów stałych z wapniowych metod odsiarczania [5].

Do podstawowych kierunków wykorzystania tych produktów w przemyśle materiałów budowlanych zalicza się produkcję cementów portlandzkich, betonów komórkowych, ceramiki budowlanej i kruszyw lekkich.

Budowa dróg i autostrad stworzyła kolejne możliwości zastosowania produktów spalania pod warunkiem spełnienia przez nie szeregu kryteriów, tj. posiadania odpowiedniego uziarnienia, gęstości nasypowej, wilgotności i składu chemicznego, w tym niskiego udziału wolnego tlenku wapnia.

UPS są również stosowane w górnictwie podziemnym. Do zasadniczych kierunków ich wykorzystania należy doszczelnianie zrobów zawałowych, likwidacja i wypełnianie zbędnych wyrobisk korytarzowych i wykonywanie podsadzek samozestalających [6].

Jednym z odpadów elektrociepłowni powstających w procesach energetycznego spalania miału z węgla kamiennego jest żużel paleniskowy.

Po oziębieniu żużel różni się właściwościami w zależności od szybkości chłodzenia, ma szklistą strukturę, a jako materiał jest obojętny na ługowanie. Skład chemiczny żużla paleniskowego stanowi ok. 50% krzemionki SiO₂ i znaczna ilość tlenku glinu Al₂O₃. Wyróżnia się jego dwie zasadnicze odmiany:

• żużel nieprzepalony mający ciemnoszare zabarwienie i strukturę o porach otwartych.
  W kruszywie występują kawałki węgla wypalonego w różnym stopniu, a ziarna są w dużej mierze zeszkliwione.
• żużel przepalony mający zabarwienie ceglastoczerwone.

W wyniku spalenia węgla powstają duże ilości kruszywa o drobnych frakcjach i twarde spieki. Nieliczne badania składu mineralogicznego żużla wykazały, że oprócz szkliwa występują w nim kryształy mulitu, obtopionego kwarcu, anortytu, melilitu, wypalonej skały gliniastej i gliniastożelazistej, magnetytu oraz wytrącenia gipsu [7, 8]. Skład żużla nie ma praktycznego wpływu na możliwość jego zastosowania.

Ciężar nasypowy żużli paleniskowych waha się w granicach od 700 kg/cm³ do 1100 kg/cm³, ciężar objętościowy ziaren wynosi od 1200 kg/cm³do 1800 kg/cm³, ciężar właściwy 2500–2700 kg/m³, porowatość ziaren wynosi 30-60%, a nasiąkliwość do 20%.

W przeciwieństwie do innych kruszyw, żużlom paleniskowym nie stawia się warunku wytrzymałości. Powodem jest niska jakość kruszywa i ograniczony zakres jego stosowania. Dobre wyniki uszlachetniania żużla daje zastosowanie metod odsiewu, nawilżania lub spiekania (aglomeracji).

Do celów budowlanych ze względu na jednorodność i wielkość produkcji, praktyczne zastosowanie mają jedynie żużle produkowane przez duże zakłady energetyczne. Szczegółową klasyfikację i terminologię żużli i popiołów lotnych różnych odmian i granulacji, uwzględniającą rodzaj stosowanego węgla i warunki jego spalania, precyzuje stara norma branżowa BN-79/6722-09 [5, 9].

Żużel paleniskowy powinien zawierać jak najmniejsze ilości niespalonego węgla oraz siarczanów, które mogą powodować pęcznienie betonu. O zagrożeniu żużla dla środowiska decyduje możliwość wymywania szkodliwych substancji, które mogą przenikać do wód powierzchniowych i powodować ich zanieczyszczenie.

Zawartość żelaza lub pirytu w żużlu może być przyczyną powstawania plam na powierzchni betonu. Kruszywo z żużla paleniskowego może być po obróbce zastosowane w budownictwie.

Cechy fizyczne i chemiczne kruszywa powinny odpowiadać wymaganiom podanym w normie PN-EN 12620:2004 [10].

• Cechy pożądane to zawartość ziaren poniżej 0,125 mm - do 10% w stosunku wagowym, obcych zanieczyszczeń do 1% w stosunku wagowym i związków siarki SO₃ do 2%. Ponadto straty po prażeniu nie mogą przekraczać 6%, jeżeli żużel stosowany jest jako jedyne kruszywo do betonów, 12% - gdy żużel mieszany jest z innym kruszywem i 20% - gdy żużel stosowany jest do produkcji drobnowymiarowych elementów ściennych, pod warunkiem, że pęcznienie betonu nie przekracza 0,04%.
• Ujemną cechą żużlobetonu jest jego dość duża gęstość objętościowa przy niskiej wytrzymałości na ściskanie. Zastosowanie tego kruszywa nie jest zalecane do betonów zbrojonych.

Żużel paleniskowy najczęściej stosowany jest w budownictwie drogowym do umacniania i formowania nasypów. Okresowo należy przeprowadzać badania promieniotwórczości naturalnej żużli paleniskowych z określeniem zgodnie z Instrukcją ITB 234/2003 [11] wartości wskaźników aktywności promieniotwórczej f₁ i f₂.

Zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 2 stycznia 2007 roku w sprawie wymagań dotyczących zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych potasu K-40, radu Ra-226, i toru Th-228 w surowcach i materiałach (…) [12] nie mogą one przekraczać o więcej niż 20% wartości granicznych f₁ = 1 Bq/kg i f₂ = 200 Bq/kg.

W ostatnich latach obserwuje się coraz większe zainteresowanie strategią zagospodarowania odpadów pochodzących ze spalania węgla. W wyniku przeprowadzonych studiów literaturowych napotkano na opracowania dotyczące możliwości wykorzystania żużli paleniskowych w betonie i produktach pokrewnych.

Neville [13] stwierdza, że sposoby wykorzystania żużli nieżelaznych do produkcji betonu nie zostały dotychczas opracowane. W badaniach Nataraja i innych zaobserwowano, że próbki betonowe z żużlem paleniskowym przeważnie ulegały zniszczeniu poprzez miażdżenie żużla zastosowanego jako substytut kruszywa grubego [14]. Wytrzymałość betonu z żużlem węglowym paleniskowym wynosiła 27,6 MPa po 7 dniach dojrzewania, natomiast po 28 dniach wzrosła do 38,5 MPa.

Wyniki przedstawione przez Thomasa i innych [15] wskazały, że wytrzymałość na ściskanie betonu trójskładnikowego zawierającego 20-25% żużla i 3-5% pyłu krzemionkowego po 7 dniach jest prawie równa wytrzymałości na ściskanie mieszanki kontrolnej, a po 28 dniach ją przekracza.

Podobną tendencję zaobserwowano w badaniach lekkich betonów z żużlem paleniskowym z dodatkiem popiołów lotnych [16]. Stwierdzono, że wytrzymałość po 90 dniach wzrasta w stosunku do wytrzymałości 28-dniowej o ponad 40%.

Betony, w których zastąpiono kruszywo grube lekkim kruszywem porowatym, charakteryzują się większą porowatością, co przekłada się na ich mniejszą przewodność cieplną [17]. Z drugiej strony betony te posiadają większą nasiąkliwość związaną z porowatością kruszywa.

Steiger i Hurd [18] zauważyli, że wzrost wagi jednostkowej betonu o 1% spowodowany absorpcją wody powoduje wzrost przewodności cieplnej betonu o 5%. Jednakże w przypadku konstrukcji inżynierskich wykonywanych z betonów wysokowartościowych najbardziej pożądaną cechą nie jest niska przewodność cieplna betonu, a wysoka wytrzymałość i trwałość.

W artykule podjęto próbę wykorzystania odpadu pochodzącego ze spalania węgla w elektrociepłowni do produkcji betonu. Celem tych badań jest określenie wpływu dodatku żużla paleniskowego stosowanego jako zamiennik kruszywa grubego w ilości 0%, 10%, 20% i 30% na właściwości mechaniczne i strukturalne betonu wysokowartościowego.

Program badań

Badania kontrolne stężeń naturalnych izotopów promieniotwórczych żużla pochodzącego ze spalania miału węgla kamiennego wykonywano w zewnętrznym laboratorium metodą spektometrii gamma za pomocą analizatora naturalnych zanieczyszczeń promieniotwórczych.

W badanych próbkach żużla stwierdzono, że wartości wskaźników aktywności promieniotwórczej nie przekraczają dopuszczalnych wartości granicznych o więcej niż 20%.

Żużel paleniskowy z punktu widzenia ochrony radiologicznej może więc być wykorzystywany w surowcach i materiałach stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi i inwentarza żywego.

Skład mineralny żużla paleniskowego o strukturze gęstej i pęcherzykowatej analizowano za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) metodą proszkową. Zastosowano dyfraktometr rentgenowski z goniometrem i lampą Cu oraz monochromatorem grafitowym.

Morfologię, mikrotopografię i jakościową analizę składu chemicznego w obszarze głównych składników mineralnych badanego materiału odpadowego oznaczono za pomocą mikroskopu skaningowego (SEM) wyposażonego w system analizy składu chemicznego oparty na dyspersji promieniowania rentgenowskiego (EDS). Próbki żużla przygotowano w formie cienkowarstwowych płytek.

Na podstawie dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) stwierdzono, że dominującym składnikiem żużla paleniskowego ciemnego jest krzemionka SiO2 w postaci wykrystalizowanego kwarcu w ilości ok. 79%, węgiel C w formie grafitu w ilości 11% i tlenki żelaza: Fe3O4 (magnetyt) oraz Fe2O3 w ilości odpowiednio 3% i 7%.

W próbce żużla paleniskowego jasnego zidentyfikowano fazy glinokrzemianowe Al6Si2O13 (mulitu) i Al2SiO5 o zawartości odpowiednio 72% i 24% oraz fazę ilmenitu FeTiO3 w ilości 4%.

Na RYS. 1, RYS. 2, RYS. 3 i RYS. 4 zilustrowano odpowiednio porowatą budowę, widma żużla paleniskowego drobnego o ciemnej barwie i grubego o jasnej barwie, wykonane metodą dyspersji promieniowania rentgenowskiego (EDS).

W TAB. 1 zamieszczono składy pierwiastkowe.

Przed wykonaniem mieszanki betonowej przeprowadzono badanie strat prażenia żużla paleniskowego zgodnie z normą PN-EN 196­‑2:2005 [19]. W tym celu rozdrobniono go w moździerzu, a następnie wyprażono tygiel i zważono w nim próbki żużla z dokładnością do 0,0005 g.

Zamknięty tygiel umieszczono na 30 min w piecu muflowym nagrzanym do temp. 950 ± 25°C.

Po wyprażeniu próbki schłodzono w eksykatorze do temperatury pokojowej (FOT.), zważono je i ustalono masę. Straty prażenia wyniosły 11,7%, a więc badaną próbkę żużla zakwalifikowano do gatunku C.

W TAB. 2. podano skład chemiczny żużla paleniskowego. W wykonanych mieszankach betonowych zastosowano żużel o jasnej barwie po uprzednim pokruszeniu w młynie kulowym i przesianiu na zestawie sit normowych w celu otrzymania frakcji 2-16 mm.

Badania cementu portlandzkiego CEM I 42,5R przeprowadzono według norm polskich PN-EN 197-1:2002 [20] oraz PN­‑B­‑19707:2003 [21]. Wykonano analizę chemiczną, określono skład i parametry techniczne cementu, a uzyskane wyniki przedstawiono odpowiednio w TAB. 3. i TAB. 4.

W mieszankach zastosowano piasek kwarcowy o maksymalnej wielkości ziarna 2 mm jako kruszywo drobne oraz kruszywo żwirowe o maksymalnej wielkości ziarna 16 mm jako kruszywo grube.

Oznaczenie składu ziarnowego kruszywa grubego i piasku wykonano na podstawie normy EN 933­‑1:1997 [22].

W celu osiągnięcia tej samej urabialności we wszystkich mieszankach zastosowano superplastyfikator na bazie eterów polikarbo­ksylowych. Jego gęstość wynosiła 1065 kg/m³, a dawka w stosunku do wagi cementu i mikrokrzemionki - 1,5%.

Domieszka odpowiada wymaganiom dla superplastyfikatorów określonym w normie PN-EN 934-2+A1:2012 [23].

Stałymi składnikami mieszanek betonowych były: cement portlandzki CEM I 42,5R, piasek kwarcowy 0–2 mm, kruszywo żwirowe 2-16 mm, woda wodociągowa, mikrokrzemionka zagęszczona i superplastyfikator.

Kruszywo żwirowe zastępowano żużlem paleniskowym o frakcji 2-16 mm, odpowiednio w ilości 10%, 20%, 30% masy kruszywa żwirowego. Szczegółowe receptury mieszanek przedstawiono w TAB. 5.

Z każdej mieszanki formowano po 6 kostek o boku 100 mm do badania wytrzymałości betonu na ściskanie, 6 kostek o boku 100 mm do badania wytrzymałości betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu, 6 beleczek o wymiarach 50×50×250 mm do badania wytrzymałości betonu na rozciąganie przez zginanie i 6 walców o wymiarach 150×300 mm do określenia modułu sprężystości.

Wszystkie próbki zabezpieczono przed stratami wilgoci i do czasu rozformowania przechowywano przez 24 godziny w temperaturze ok. 23°C.

Następnie umieszczono je na 14 dni w zbiorniku z wodą. Do czasu badania po 28 i 56 dniach próbki dojrzewały w stałych warunkach laboratoryjnych.

Właściwości fizyczne

Badanie porowatości otwartej i gęstości objętościowej wykonano zgodnie z normą PN-EN 12390-7:2001 [24].

Do badania użyto po trzy próbki sześcienne z każdej serii, o wymiarach 100×100×100 mm. Zważono i odnotowano masę próbek w stanie suchym, rzeczywistym, po czym włożono je do wanny z wodą o temperaturze 20°C i o gęstości 998 kg/m³.

Po całkowitym zanurzeniu, pozostawiono próbki w wodzie do czasu, aż zmiany masy w czasie 24 godzin były mniejsze niż 0,2%. Po tym czasie każdą próbkę ważono w wodzie i odnotowano masę, a po wyciagnięciu wytarto wilgotną ściereczką i oznaczono masę próbki nasyconej wodą.

Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono gęstość objętościową i porowatość otwartą. Badanie nasiąkliwości przeprowadzono według normy PN-88/B-06250 [25] na trzech próbkach sześciennych o wymiarach 100×100×100 mm z każdej serii. Na podstawie otrzymanych wyników wyznaczono nasiąkliwość betonu. W TAB. 6 przedstawiono uzyskane średnie wyniki właściwości fizycznych betonów.

Wyniki pokazują, że zawartość żużla paleniskowego wpływa na wzrost porowatości i nasiąkliwości oraz na spadek gęstości betonu.

Spadek gęstości jest nieznaczny i wynosi 8% dla próbek z dodatkiem żużla w ilości 30% masy kruszywa w porównaniu z próbkami bez dodatku.

Z przeprowadzonych badań wynika, że wytworzony beton ma gęstość 2100-2300 kg/m³, co klasyfikuje go do grupy betonów zwykłych.

Porowatość otwarta betonu mieści się w zakresie 11-15% i nieznacznie przekracza typowe wartości. Nasiąkliwość próbek waha się od 6,21% do 6,87%.

Dodatek 10% żużla powoduje spadek nasiąkliwości o 4%, a dodatek 30% o 11% w stosunku do próbek bez dodatku. Stwierdzono, że wykonane serie spełniają wymagania normowe dotyczące nasiąkliwości w przypadku betonów osłoniętych przed bezpośrednim działaniem czynników atmosferycznych.

Wytrzymałość na ściskanie

Wszystkie badania wytrzymałościowe przeprowadzono w prasie Walter-Baj AG po 28 i 56 dniach. Badanie wytrzymałości na ściskanie wykonano zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 12390-3:2002 [26].

Na RYS. 5 przedstawiono średnie wartości wytrzymałości betonu na ściskanie określone po 28 i 56 dniach.

Z otrzymanych wyników można zauważyć korzystny wpływ dodatku żużla paleniskowego na wytrzymałość betonu na ściskanie. Dodatki żużla w ilości 10%, 20%, 30% masy kruszywa żwirowego spowodowały odpowiednio przyrost wytrzymałości o 13%, 17% i 23% w stosunku do wytrzymałości betonu bez żużla po 28 dniach oraz o 10%, 15% i 20% po 56 dniach.

Przyrost wytrzymałości po 56 dniach wynosił od 13% do 17% w stosunku do wytrzymałości po 28 dniach. Stwierdzono, że większa wytrzymałość betonów żużlowych jest spowodowana większą wytrzymałością na miażdżenie żużla i znakomitą przyczepnością chropowatego kruszywa żużlowego do matrycy cementowej z dodatkiem mikrokrzemionki.

Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu

Wytrzymałość betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu określono po 28 i 56 dniach na podstawie normy PN-EN 12390-6:2011 [27], a wyniki przedstawiono na RYS. 6.

Zróżnicowanie wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu z dodatkiem żużla paleniskowego było nieco inne niż obserwowane w przypadku wytrzymałości na ściskanie. Wytrzymałość betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu wzrastała co prawda wraz z dodatkiem żużla w porównaniu z betonem wzorcowym, ale największy przyrost wytrzymałości po 28 i 56 dniach zaobserwowano przy dodatku 10% żużla.

Po 28 dniach wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu miała przyrosty 9%, 9% i 8% w porównaniu z wytrzymałością betonu kontrolnego M-1, a po 56 dniach odpowiednio rosła o 4,5%, 4% i 3,5%.

Stwierdzono, że wytrzymałość betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu zwiększa się wraz z wiekiem. Po 56 dniach wartości M-1 (0% żużla), M-2 (10%), M-3 (20%) i M-4 (30%) osiągnęły wytrzymałość odpowiednio o 15%, 12%, 12% i 12% wyższą w porównaniu z wytrzymałością 28-dniową.

Wytrzymałość na rozciąganie przez zginanie

Wytrzymałość betonu na rozciąganie przez zginanie określono po 28 i 56 dniach na podstawie normy PN-EN 12390-5:2011[28]. Wałki podpierające rozstawiono na odległość 150 mm. Obciążenie przyłożono centrycznie z prędkością 0,05 MPa/s. Wyniki zilustrowano na RYS. 7.

Analogicznie jak dla wytrzymałości betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu, wytrzymałość na rozciąganie przez zginanie wzrastała wraz z dodatkiem żużla, a największy przyrost wytrzymałości po 28 i 56 dniach zaobserwowano ponownie przy 10% dodatku żużla.

Po 28 dniach wytrzymałość na zginanie mieszanki kontrolnej M-1 była niższa niż mieszanek M-2, M-3 i M-4 odpowiednio o 18%, 5% i 3%. Po 56 dniach odnotowano również wzrost wytrzymałości betonów z żużlem w kolejności o 10%, 7% i 5% w porównaniu z betonem wzorcowym.

Wytrzymałość na rozciąganie przez zginanie również wzrastała z wiekiem betonu. Między 28 a 56 dniem beton kontrolny M-1 charakteryzował wzrost o 18%, natomiast beton M-2 o 10%, M-3 o 20%, a M-4 o 21%.

Moduł sprężystości podłużnej

Badanie modułu sprężystości wykonano za pomocą prasy Walter-Baj AG z zastosowaniem modułomierza z ekstensometrem według zaleceń ASTM C 469-02:2004 [29]. Moduł sprężystości obliczano dla 33% maksymalnego obciążenia po 28 i 56 dniach. Na RYS. 8 przedstawiono wyniki.

Stwierdzono, że zastąpienie kruszywa żwirowego przez żużel paleniskowy znacznie zmniejsza wartości modułu sprężystości betonu. Po 28 dniach moduł betonu wzorcowego M-1 był wyższy od mieszanek M-2, M-3 i M-4 odpowiednio o 21%, 25% i 26%, a po 56 dniach odnotowano również spadki modułów betonów z żużlem w kolejności o 25%, 32% i 33%. Moduł sprężystości zawsze wzrastał z wiekiem betonu. Między 28 a 56 dniem beton kontrolny M-1 charakteryzował wzrost modułu o 6%, natomiast beton M-2 o 3%, M-3 o 0,3%, a M-4 o 0,2%.

Właściwości mikrostrukturalne

W analizach mikrostruktury betonu wykorzystano próbki pobrane z nieuszkodzonych fragmentów rozłupanych kostek z badania wytrzymałości na rozciąganie. Wykonano zdjęcia skaningowe i analizy rentgenowskie w trybie miejscowym i trybie pola.

Na RYS. 9., RYS. 10., RYS. 11. i RYS. 12. zilustrowano strefy kontaktowe żwiru oraz żużla z zaczynem cementowym stwardniałych betonów M-3 z 20% i M-4 z 30% dodatkiem żużla paleniskowego.

Żużel paleniskowy jest kruszywem porowatym, wysuszonym, które intensywnie odciąga wodę z zaczynu. Istnieją przypuszczenia, że budowa strefy przejściowej w takich betonach będzie inna niż w betonie tradycyjnym [30].

Na podstawie fotografii SEM stwierdzono, że dobre wiązanie zaczynu z kruszywem żużlowym (M-3, M-4) decyduje o wyższej wytrzymałości betonu na rozciąganie w porównaniu z betonem wzorcowym wykonanym na kruszywie żwirowym.

Wiązania między żwirem a zaczynem są słabsze niż w przypadku żużla. Potwierdziły to obserwacje mikroskopowe, które wykazały rysy rzędu 2-4 μm przechodzące przez żwir oraz między zaczynem i kruszywem. Powierzchnia żużla jest szorstka i nieregularna, co skutkuje jego większą adhezją do zaczynu cementowego w porównaniu z kruszywem żwirowym.

Obserwowany spadek wytrzymałości na rozciąganie można wytłumaczyć większą grubością słabej strefy przejściowej w betonach o większym dodatku żużla.

Podsumowanie

Z przeprowadzonych badań można wyciągnąć następujące wnioski:

• ilość żużla paleniskowego wpływa na wzrost porowatości otwartej i nasiąkliwości oraz spadek gęstości betonu. Wzrost porowatości otwartej zawierał się w przedziale 4-19%, a nasiąkliwości w przedziale 4-11% w stosunku do betonu bez dodatku żużla. Spadek gęstości wynosił od 2% do 8%;
• wytrzymałość betonu na ściskanie rosła wraz z zawartością żużla i powodowała przyrost wytrzymałości od 10% do 23%. O poprawie tej cechy decydowała większa wytrzymałość na miażdżenie kruszywa żużlowego;
• wytrzymałość betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu i przez zginanie wzrastała wraz z dodatkiem żużla w porównaniu z betonem wzorcowym, ale największy jej przyrost zaobserwowano przy 10% dodatku żużla. Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu miała przyrosty od 3,5% do 9%, a wytrzymałość na rozciąganie przez zginanie od 3% do 18%;
• moduły sprężystości betonów z żużlem paleniskowym były znacznie mniejsze od modułu sprężystości betonu wzorcowego. Spadki modułów zawierały się w przedziale od 21% do 33%;
• wszystkie badane parametry mechaniczne między 28 a 56 dniem charakteryzowały przyrosty wartości;
• silne wiązanie zaczynu z szorstkim kruszywem żużlowym decydowało o wyższej wytrzymałości na rozciąganie tych betonów w porównaniu z betonem wzorcowym.

Wyniki badań sugerują, że żużel paleniskowy można stosować do produkcji dobrej jakości betonu. Podstawowymi warunkami ich wykorzystania w przemyśle budowlanym są kruszenie i eliminacja części metalicznych oraz wykonywanie okresowych badań laboratoryjnych cech fizycznych i chemicznych kruszywa obejmujących oznaczenie strat przy prażeniu i zawartości związków siarki.

Żużel stosowany jako substytut kruszywa grubego w betonie wpływa pozytywnie na cechy użytkowe betonów.

Duże znaczenie ma również aspekt ekonomiczny, gdyż zastąpienie części kruszywa obniża koszt wykonania betonu, co związane jest z obniżeniem kosztów wydobycia surowców naturalnych do produkcji.

Należy pamiętać, że nie jest to surowiec standaryzowany, o ściśle sprecyzowanych parametrach jakościowych. W związku z tym praktyczne zastosowanie będą miały wyłącznie żużle produkowane przez duże zakłady energetyczne, które są w stanie zagwarantować ciągłość dostaw i stabilność składu chemicznego i ziarnowego, co stanowi podstawowy warunek wzrostu zastosowań żużli paleniskowych w produkcji materiałów budowlanych i stwarza perspektywy dalszego rozwoju technologii recyklingu ubocznych produktów spalania węgla.

Wyniki prac były finansowane w ramach środków statutowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr S/15/2015 i S/14/2015.

Literatura

1. Z. Jamroży, "Beton i jego technologie", PWN, Warszawa 2009.
2. A. Sales, F.R. De Souza, "Concretes and mortars recycled with water treatment sludge and construction and demolition rubble", "Construction and Building Materials", nr 23/2009, s. 2362-70.
3. Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2014 przyjęty Uchwałą nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 grudnia 2010 r. (M. P. nr 101, poz. 1183).
4. L. Czarnecki, M. Kaproń, D. Van Gemert, "Sustainable Construction: Challenges, Contribution of Polymers", Research Arena, "International Journal for Restoration of Buildings and Monuments", nr 19(2/3)/2013, s. 81–96.
5. K. Galos, A. Uliasz-Bocheńczyk, "Źródła i użytkowanie popiołów lotnych w Polsce", "Gospodarka Surowcami Mineralnymi", nr 1/21/2005, s. 23–42.
6. F. Plewa, Z. Mysłek, "Zagospodarowanie odpadów przemysłowych w podziemnych technologiach górniczych", Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001.
7. W. Roszak, F. Kubiczek, "Betony z kruszyw lekkich", Arkady, Warszawa 1989.
8. E. Strzałkowska, "Charakterystyka właściwości fizykochemicznych i mineralogicznych wybranych ubocznych produktów spalania węgla", Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011.
9. BN-79/6722-09, "Popioły lotne i żużle z kotłów opalanych węglem kamiennym i brunatnym. Podział, nazwy i określenia".
10. PN-EN 12620:2004, "Kruszywa do betonu".
11. Instrukcja Instytutu Techniki Budowlanej (ITB) nr 234/2003, "Badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych".
12. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 2 stycznia 2007 r. w sprawie wymagań dotyczących zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-228 w surowcach i materiałach stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi i inwentarza żywego, a także w odpadach przemysłowych stosowanych w budownictwie, oraz kontroli zawartości tych izotopów. Prawo atomowe (DzU z 2004 r. Nr 161, poz. 1689, z późn. zm.).
13. A.M. Neville, "Właściwości betonu", V edycja, SPC, Kraków 2012.
14. M.C. Nataraja, T.S. Nagaraj, S. Bhavanishankar, B.M. Ramalinga Reddy, "Proportioning cement based composites with burnt coal cinder", "Materials and Structures", nr 40/2007, s. 543-552.
15. M.D.A. Thomas, D.S. Hopkins, M. Perreault, K. Cail, "Ternary cement in Canada", "Concrete International", nr 29(7)/2007, s. 59–64.
16. „Budownictwo betonowe”, pod red. B. Lewickiego, t. 4 "Betony lekkie", Arkady, Warszawa 1967.
17. A. Bouguerra, A. Ledhem, F. de Barquin, R.M. Dheilly, M. Queneudec, "Effect of microstructure on the mechanical and thermal properties of lightweight concrete prepared from clay, cement, and wood aggregate", "Cement and Concrete Research" 28(8)/1998, s. 1179-1190.
18. R.W. Steiger, M.K. Hurd, "Lightweight insulating concrete for floors and roof decks", "Concrete Construction", nr 23(7)/1978, s. 411-422.
19. PN-EN 196-2:2005, "Metody badania cementu. Część 2. Analiza chemiczna cementu".
20. PN-EN 197-1:2002, "Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku".
21. PN-B-19707:2013-10, "Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania i kryteria zgodności".
22. EN 933-1:1997, "Tests for geometrical properties of aggregates Determination of particle size distribution. Sieving metod".
23. PN-EN 934-2+A1:2012, "Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Część 2: Domieszki do betonu. Definicje, wymagania, zgodność, oznakowanie i etykietowanie".
24. PN-EN 12390-7:2001, "Badania betonu. Gęstość betonu".
25. PN-88/B-06250, "Beton zwykły".
26. PN-EN 12390-3:2002, "Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badań".
27. PN-EN 12390-6:2011, "Badania betonu. Część 6: Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu próbek do badań".
28. PN-EN 12390-5:2011, "Badania betonu. Część 5: Wytrzymałość na zginanie próbek do badań".
29. ASTM C 469-02:2004, "Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson’s Ratio of Concrete in Compression".
30. W. Kurdowski, "Chemia cementu i betonu", SPC, PWN, Kraków - Warszawa 2010.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!