PŁYTY AZBESTOWO-CEMENTOWE - BADANIA MIKROSTRUKTURALNE WŁÓKIEN AZBESTU

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE Akademii im. Jana Długosza w Czstochowie Technika, Informatyka, Inynieria Bezpieczestwa 2016, t. IV, s Józef Iwaszko Instytut Inynierii Materiałowej, Politechnika Czstochowska al. Armii Krajowej 19, Czstochowa iwaszko@wip.pcz.pl PŁYTY AZBESTOWO-CEMENTOWE - BADANIA MIKROSTRUKTURALNE WŁÓKIEN AZBESTU Streszczenie. W pracy podjto si analizy materiałoznawczej włókien azbestu wystpujcych w płytach azbestowo-cementowych. Do zobrazowania mikrostruktury włókien wykorzystano mikroskopi optyczn i skaningow mikroskopi elektronow. W oparciu o badania mikrostrukturalne dokonano oceny zagroe dla ycia i zdrowia człowieka, wynikajcych z eksploatacji eternitu. Badaniom mikrostrukturalnym poddano ponadto płyty azbestowo-cementowe po obróbce termicznej. Badania te miały na celu zobrazowanie ewentualnych zmian w strukturze płyty oraz wystpujcych w nich włókien azbestu, jakie mog wystpi w wyniku oddziaływania wysokiej temperatury, w tym take otwartego ognia np. w trakcie poaru. Nawietlono ponadto aktualn sytuacj w zakresie eliminowania zagroe, wynikajcych z uytkowania wyrobów zawierajcych azbest i przedstawiono metody utylizacji tego typu wyrobów. Słowa kluczowe: azbest, płyty azbestowo-cementowe, analiza mikrostrukturalna, skaningowa mikroskopia elektronowa. ASBESTOS-CEMENT PANELS - MICROSTRUCTURAL INVESTIGATIONS OF ASBESTOS FIBRES Abstract. In this study, the material science analysis of asbestos fibres present in asbestos-cement panels was undertaken. To illustrate the microstructure of asbestos fibres, both optical and scanning electron microscopy was used. Based on the microstructural analysis, the risk to human life and health resulting from the use of eternit was assessed. In addition, structural investigations were carried out for asbestos-cement panels, subjected to thermal treatment. These investigations were aimed at illustrating the possible changes in panel microstructure and the asbestos fibres present within, which can come about as the result of the effect of a high temperature, including from a naked flame,

2 216 J.Iwaszko e.g. during a fire. In addition, the current situation in the removal of risk resulting from the use of products containing asbestos fibres was made clear and methods of recycling such products were presented. Keywords: asbestos, asbestos-cement panels, microstructural analysis, scanning electron microscopy. Wprowadzenie Azbest to minerał nieorganiczny o budowie włóknistej, bdcy uwodnionym krzemianem metali (Mg, Na, Ca, Fe). Materiał ten charakteryzuje si wysok wytrzymałoci mechaniczn i izolacyjnoci termiczn, a take odporno- ci na działanie czynników chemicznych i biologicznych (w tym korozj) i cieranie [6, 7]. Ale to przede wszystkim ogniotrwało i wysoka izolacyjno termiczna ukształtowały główny obszar aplikacyjny azbestu. To, co ogranicza atrakcyjno aplikacyjn azbestu, a w przypadku wielu aplikacji całkowicie dyskwalifikuje ten materiał, to oddziaływanie chorobotwórcze, a zwłaszcza kancerogenne azbestu. Do niedawna azbest był intensywnie wykorzystywany w przemyle budowlanym, a najbardziej rozpowszechnionym wyrobem zawierajcym włókna azbestu były kompozytowe płyty azbestowo-cementowe, wystpujce pod handlow nazw eternit. Eternit, zawierajcy od 11 do 18% azbestu, ze wzgldu na dobre właciwoci izolacyjne, łatwo montau, a przede wszystkim konkurencyjn cen (1m 2 eternitu był blisko dwa razy taszy od blachy ocynkowanej i prawie pi razy taszy od dachówki ceramicznej) stanowił alternatyw dla innych materiałów budowlanych o analogicznym przeznaczeniu. Płyty azbestowo-cementowe stanowi do dnia dzisiejszego wtpliwy element architektury wielu budynków praktycznie na całym wiecie. Wystpowanie płyt azbestowych w Polsce, tylko w przypadku pokry dachowych, szacuje si na około 1,5 2 mld m 2. Okładziny elewacyjne i pokrycia dachowe to najbardziej charakterystyczne przykłady wykorzystania kompozytu cementowoazbestowego. Abstrahujc od walorów estetycznych płyt azbestowocementowych, to, wbrew obiegowym opiniom, eternit jest materiałem relatywnie bezpiecznym w eksploatacji, pod warunkiem, e nie jest naruszona spójno płyty, a jej powierzchnia jest zabezpieczona np. powłok malarsk. Wszelkie zatem prace montaowe i modernizacyjne, prowadzce do naruszenia spójnoci płyty dachowej lub elewacyjnej poprzez jej złamanie, przecicie, uszkodzenie warstwy wierzchniej itp. prowadzi mog do uwolnienia włókien azbestu z kruchej osnowy cementowej. Jeli płyta nie jest zabezpieczona np. powłok malarsk to take deszcz wypłukujc spoiwo cementowe prowadzi moe do uwolnienia włókien azbestu do otoczenia. Szacuje si, e z powodu chorób wywołanych azbestem np. pylicy azbestowej, midzybłoniaka opłucnej, raka płuc i raka oskrzeli, umiera co roku na wiecie ok. 100 tysicy osób. Naraeni

3 Płyty azbestowo-cementowe 217 na oddziaływanie azbestu czciej choruj take na inne nowotwory - trzustki, ołdka, nerek, itp. Co wicej, efekty oddziaływania chorobotwórczego azbestu ujawniaj si czsto dopiero po wielu latach od momentu przedostania si włókien do organizmu człowieka (okres ten wynosi moe nawet kilkadziesit lat). Nie bez powodu azbest uwaany jest za jedno z dziesiciu najgroniejszych zanieczyszcze na Ziemi. Szkodliwo azbestu zaley przede wszystkim od wymiarów włókien. Najbardziej niebezpieczne s zwłaszcza włókna o rednicy poniej 3 m i długoci powyej 5 m, tzw. włókna respirabilne. Włókna te odkładaj si w kocowych odcinkach dróg oddechowych, a ich obecno prowadzi do wystpienia chronicznych stanów zapalnych, których konsekwencj moe by wzmoona produkcja wolnych rodników tlenowych i, w rezultacie, procesy kancerogenne. Rakotwórczo włókien krótszych ni 5 m nie została potwierdzona [8, 9]. Metody utylizacji wyrobów zawierajcych azbest Rosnca wiadomo ekologiczna społeczestwa oraz moliwo cz- ciowego dofinansowania wymiany pokry dachów i elewacji zawierajcych azbest, s niewtpliwie czynnikami sprzyjajcymi eliminowaniu płyt azbestowo-cementowych z naszego otoczenia. Eliminacja płyt azbestowo-cementowych byłaby szybsza, gdyby dofinansowanie miało charakter masowy i było obligatoryjne (finansowanie demontau pokry zawierajcych azbest nie jest obowizkiem gminy ani powiatu). Niestety tylko cz gmin w Polsce takie dofinansowanie oferuje. Bez takiej pomocy koszty rozbiórki i unieszkodliwienia, wynoszce od 1500 do 5000 zł za 100 m 2, zniechcaj włacicieli posesji do wymiany eternitu na bezpieczne alternatywne materiały budowlane. Jeli jednak ju do demontau dojdzie, płyty azbestowo-cementowe musz zosta poddane neutralizacji. Praktycznie jedynym rozwizaniem, jakie stosuje si obecnie w Polsce, jest deponowanie materiałów zawierajcych azbest na składowiskach odpadów niebezpiecznych (nielicznych niestety) lub w nieczynnych kopalniach. Na składowiskach wyroby takie przysypywane s grub warstw gruntu, aby uniemoliwi przedostanie si włókien azbestu do otoczenia. Alternatywnym rozwizaniem stosowanym w wielu krajach jest neutralizacja termiczna. Zanik postaci włóknistej azbestu nastpujcy w wyniku oddziaływania temperatury rzdu 700 C i wyszej niweluje chorobotwórczy charakter azbestu, pozbawiajc go budowy włóknistej. Co wicej, oddziaływaniu wysokiej temperatury towarzysz znaczce zmiany strukturalne i fazowe w azbecie [4, 5]. Zmiany te s szczególnie zauwaalne w temperaturach bliskich 1200 C [4]. Skuteczn metod neutralizacji materiałów azbestowo-cementowych jest take wysokoenergetyczne mielenie w młynkach. Rozwizanie to pozwala na całko-

4 218 J.Iwaszko wit neutralizacj postaci włóknistej azbestu i prowadzi do znaczcych zmian strukturalnych. Powstały w ten sposób sproszkowany materiał moe by wykorzystany np. w produkcji materiałów budowlanych. Badania wykonane przez autorów pracy [2] wykazały, e ju 2-godzinne mielenie jest wystarczajce do całkowitego wyeliminowana postaci włóknistej azbestu i zmian strukturalnych skutkujcych całkowitym zanikiem refleksów dyfrakcyjnych od chryzotylu na dyfraktogramach. Do neutralizacji azbestu wykorzystywa mona take ródła mikrofal [1, 3, 5, 10]. Obróbka azbestu realizowana za pomoc mikrofal pozwala na skuteczn eliminacj włóknistej budowy azbestu, głównej przyczyny kancerogennych właciwoci azbestu. Majc na uwadze zagroenia wynikajce z eksploatacji płyt azbestowocementowych, a take zagroenia wystpujce np. w trakcie akcji ganiczych w budynkach zawierajcych wyroby azbestowe, w ramach niniejszej pracy podjto si oceny materiałoznawczej tego materiału oraz weryfikacji eksperymentalnej skutecznoci termicznych metod neutralizacji azbestu. Materiał i metodyka bada Materiał do bada stanowiła płyta falista cementowo-azbestowa wykorzystywana na pokrycia dachów, pochodzca z demontau. Szacunkowy czas eksploatacji analizowanej płyty wynosił około 15 lat. Zakres bada obejmował mikroskopi wietln i skaningow mikroskopi elektronow. Próbki do bada przygotowywano w formie przełomów. Ze wzgldu na brak przewodnictwa elektrycznego materiałów tworzcych płyt azbestowo-cementow, próbki do bada skaningowych pokryto przewodzc warstw złota w napylarce próniowej. Badania z zakresu mikroskopii wietlnej realizowano za pomoc mikroskopu stereoskopowego Olympus SZ61, a badania skaningowe przy uyciu skaningowego mikroskopu elektronowego JEOL JSM-6610LV. Obserwacje prowadzono z uyciem powikszenia od 120 do 2500 w przypadku mikroskopu skaningowego oraz 45 w przypadku mikroskopu stereoskopowego. Przyjty zakres bada obejmował take analiz mikrostruktury włókien azbestu po godzinnej ekspozycji płyt cementowo-azbestowych w płomieniu palnika Bunsena zasilanego gazem ziemnym oraz po godzinnym wygrzewaniu w piecu w temperaturze 1300 C. Badania te miały na celu zobrazowanie ewentualnych zmian w strukturze płyty oraz włókien azbestu, powstałych w wyniku oddziaływania wysokiej temperatury oraz otwartego ognia, i ocen zagroe z tym zwizanych.

5 Płyty azbestowo-cementowe 219 Omówienie wyników bada Struktur płyty azbestowo-cementowej i obecnych w niej włókien azbestu prezentuj rys. 1a d. Charakterystyczna włóknista budowa materiału widoczna jest zarówno na powierzchni płyty, jak i na przełomie. Pomiary włókien azbestu wykazały, e s to włókna o bardzo małej rednicy, rzdu 1 2 m, długoci powyej 5 m i stosunku długoci do rednicy > 3, a zatem, e s to tzw. włókna respirabilne, bardzo niebezpieczne dla zdrowia i ycia człowieka, których własnoci kancerogenne zostały potwierdzone klinicznie. Struktur płyty azbestowo-cementowej po wygrzewaniu w piecu w temperaturze 1300 C przedstawiaj rys. 2 i rys. 3, a płyty poddanej ekspozycji w płomieniu panika rys. 4. Jak wiadomo w temperaturze 350 C wytrzymało mechaniczna włókien azbestu spada o blisko 20% w efekcie czciowego odparowaniem wody, z kolei w temperaturach wyszych ni 700 C włókna krusz si wskutek całkowitego odparowania wody. Naleało zatem oczekiwa znaczcych zmian w strukturze materiału poddanego obróbce termicznej. Przeprowadzone badania mikrostrukturalne potwierdziły wystpienie takich zmian, stwierdzone zmiany w mikrostrukturze i morfologii włókien azbestowych miały jednak róny charakter w zalenoci od zastosowanej obróbki termicznej. Zmiany te były bardzo znaczce i objawiały si całkowitym zanikiem budowy włóknistej w przypadku próbki wygrzewanej w temperaturze 1300 C. Z kolei w przypadku próbki wygrzewanej w płomieniu palnika wystpiła całkowita degradacja budowy włóknistej jedynie w tej czci płyty, która naraona była na bezporedni kontakt z płomieniem palnika, w pozostałej czci płyty degradacja włóknistej budowy była czciowa lub nie stwierdzano wyranych zmian w mikrostrukturze i morfologii azbestu. Efekt ten tłumaczy naley wysok izolacyjnoci płyty i spadkiem temperatury wraz z oddalaniem si od powierzchni naraonej na bezpo- rednie oddziaływanie płomienia palnika. Zastosowana metodyka przygotowania próbek do bada fraktograficznych pozwoliła poczyni pewne spostrzeenia na temat odpornoci na pkanie kompozytowych płyt azbestowo-cementowych. W przypadku płyt poddanych obróbce termicznej, ich odporno na pkanie była zdecydowanie mniejsza ni materiału bez obróbki. Rónica ta była szczególnie wyrana w przypadku płyty wygrzewanej w temperaturze 1300 C. Spostrzeenia te skłoniły autora pracy do wykonania badania odpornoci na zginanie analizowanych próbek. Trójpunktowa próba zginania wykonana została przy pomocy maszyny wytrzymałociowej Zwick/Roell 100. Uzyskane wartoci napre, przy których analizowane próbki traciły spójno potwierdziły wczeniejsze spostrzeenia.

6 220 J.Iwaszko Materiał bez obróbki - mikroskopia wietlna a) b) Materiał bez obróbki - mikroskopia skaningowa c) d) Rys. 1. Struktura płyty azbestowo-cementowej w stanie bez obróbki; (a) powierzchnia płyty, (b d) przełom Materiał po wygrzewaniu w temp C - mikroskopia wietlna a) b) Rys. 2. Struktura płyty azbestowo-cementowej po obróbce cieplnej w temp C; (a) po- wierzchnia płyty, (b) przełom

7 Płyty azbestowo-cementowe 221 Materiał po wygrzewaniu w temp C - mikroskopia skaningowa a) b) Rys. 3.. Struktura płyty azbestowo-cementowej azbestowo po obróbce cieplnej w temp C - przełomy Materiał po wygrzewaniu w płomieniu palnika - mikroskopia skaningowa strona "od płomienia" strona przeciwległa a) b) Rys. 4.. Struktura płyty azbestowo-cementowej azbestowo po ekspozycji w płomieniu palnika - przełomy przełom Warto maksymalnego napr enia zarejestrowanego w trakcie próby trójpunktowego zginania wynosiła w przypadku próbki bez obróbki termicznej 56 MPa, a w przypadku próbki poddanej obróbce w temperaturze temperaturze 1300 C 1300 zaledwie 20 MPa (rys. ys. 5). Wyja nienia powstałych ró nic nale y szuka w mikrostrukturze materiału i ł czy nale y z procesem degradacji postaci włóknistej azbestu. Płyta staje si bardziej krucha wła nie na skutek utraty przez azbest swojej pierwotnej włóknistej postaci. Trzeba bowiem pami ta, e w kompozykom cie azbestowo-cementowym cementowym to wła nie włókna azbestu stanowi faz wzmacniaj c, decyduj c w znacznym stopniu o odporno ci na kruche p kanie płyty. Utrata wzmocnienia włóknistego przez płyt azbestowo-cementow w powi zaniu z napr eniami cieplnymi kumu kumulowanymi lowanymi w materiale nara onym na oddziaływanie wysokiej temperatury prowadz do bardzo znacz cego zmniej-

8 222 J.Iwaszko szenia jej odpornoci na pkanie, co w przypadku wielkogabarytowych płyt o duej masie wykorzystywanych np. na konstrukcjach dachów skutkowa mo- e utrat ich spójnoci nawet bez udziału sił zewntrznych. a) b) Rys. 5. Badania odpornoci na zginanie, a) stanowisko do bada; b) wyniki bada

9 Płyty azbestowo-cementowe 223 Stwierdzenia i wnioski W oparciu o przeprowadzone badania sformułowano nastpujce stwierdzenia i wnioski: 1. Włókna azbestowe obecne w analizowanej płycie eternitowej s włóknami respirabilnymi, bardzo niebezpiecznymi dla zdrowia i ycia człowieka, o własnociach kancerogennych. 2. Zmiany w mikrostrukturze i morfologii włókien azbestowych maj róny charakter, zaleny od zastosowanej obróbki termicznej. 3. Całkowity zanik postaci włóknistej azbestu (równoznaczny z neutralizacj jego właciwoci chorobotwórczych) rejestruje si jedynie w próbce poddanej wygrzewaniu w temperaturze 1300 C. 4. W przypadku próbek wygrzewanych w płomieniu palnika, całkowit degradacj budowy włóknistej rejestruje si tylko w tej czci płyty, która naraona jest na bezporedni kontakt z płomieniem palnika, w pozostałej czci płyty degradacja włóknistej budowy jest czciowa lub nie stwierdza si wyranych zmian w mikrostrukturze i morfologii azbestu. 5. Konsekwencj zaniku lub czciowej degradacji postaci włóknistej azbestu jest bardzo wyrane obnienie odpornoci na pkanie płyt kompozytowych na osnowie cementu. Literatura [1] Boccaccini D.N., Leonelli C., Rivasi M.R., Romagnoli M., Veronesi P., Pellacani G.C., Boccaccini A.R., Recycling of microwave inertised asbestos containing waste in refractory materials, Journal of European Ceramic Society, Vol. 27, 2007, p , DOI: [2] Colangelo F., Cioffi R., Lavorgna M., Verdolotti L., De Stefano L., Treatment and recycling of asbestos-cement containing waste, Journal of Hazardous Materials, Vol. 195, 2011, p , DOI: [3] Corradi A., Lusvarghi L., Rivasi M.R., Siligardi C., Veronesi P., Marucci G., Annibali M., Ragazzo G., Waste treatment under microwave irradiation, Proc. 8th Int. Conf. Microwave and High Frequency Heating, 2006, p [4] Gualtieri A.F., Cavenati C., Zanatto I., Meloni M., Elmi G., Gualtieri M.L., The transformation sequence of cement-asbestos slates up to 1200 C and safe recycling of the reaction product in stoneware tile mixtures, Journal of Hazardous Materials, Vol. 152, 2008, p , DOI:

10 224 J.Iwaszko [5] Leonelli C., Veronesi P., Boccaccini D.N., Rivasi M.R., Barbieri L., Andreola F., Lancellotti, Rabitti D., Pellacani G.C., Microwave thermal inertisation of asbestos containing waste and its recycling in traditional ceramics, Journal of Hazardous Materials, Vol. B135, 2006, p [6] Paglietti F., Malinconico S., Conestabile della Staffa B., Bellagamba S., De Simone P., Classification and management of asbestos-containing waste: European legislation and the Italian experience, Waste Management, 2016, [7] Su-Young K., Young-Chan K., Yongku K., Won-Hwa H., Predicting the mortality from asbestos-related diseases based on the amount of asbestos used and the effects of slate buildings in Korea, Science of the Total Environment, Vol. 542, 2016, p [8] Szeszenia-Dbrowska N., Materiały Instytutu Medycyny Pracy im. prof. J. Nofera w Łodzi, abses/osrodek_referencyjny_azbest/skutki_zdrowotne_dzialania_azbestu/ (data dostpu ). [9] Wilk K., Materiały ze szkolenia pracowników Policji, PSP i Słuby Celnej, (data dostpu ). [10] Yoshikawa N., Kashimura K., Hashiguchi M., Sato M., Horikoshi S., Mitani T., Shinohara N., Detoxification mechanism of asbestos materials by microwave treatment, Journal of Hazardous Materials, Vol. 284, 2015, p , DOI: