Wybrane właściwości wibroprasowanych betonów ciężkich z udziałem granulowanego żużla ISP

Transkrypt

1 Wybrane właściwości wibroprasowanych betonów ciężkich z udziałem granulowanego żużla ISP THE CHOSEN PROPERTIES THE VIBRO- PRESSING OF HEAVY CONCRETES WITH THE PARTICIPATION OF THE GRANULATED SLAG ISP Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań nad możliwością kształtowania cementowych betonów ciężkich z odpadów hutniczych i energetycznych ( żużel ISP i popiół lotny). Badania obejmowały określenie wpływu zastosowanych spoiw oraz kruszyw na końcowe cechy techniczne ww. betonów. Wzmiankowane betony wykonywano w skali półtechnicznej metodą wibroprasowania suchych mieszanek betonowych. Abstract In the report the research findings on the possibility of shaping heavy cement s concretes from the metallurgic and power industry waste materials were presented ( slag ISP & fly-ash). The research embraced the qualification of the influence of the used binders and aggregates on the final technical guilds of above mentioned (a/m) concretes. Mentioned concretes were created in the semi- technical scale with a use of dry concrete mixtures vibro- pressing method. dr inż. Jan Antoni Rubin Politechnika Śląska, Gliwice

2 1. Wprowadzenie W Katedrze Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej od wielu lat prowadzone są badania nad możliwością wykorzystania odpadów przemysłowych w szeroko pojętym budownictwie. Wspomniane prace badawcze dotyczą odpadów z przemysłu energetycznego, hutniczego [11, 12] oraz wydobywczego. Były również prowadzone badania w skali półtechnicznej dotyczące betonów specjalnych osłonowych przed promieniowaniem przenikliwym, wykonywanych na bazie odpadów hutniczych [9]. Praktycznie rzecz biorąc (z lepszym lub z gorszym skutkiem), wszystkie materiały budowlane mogą być użyte do kształtowania ekranów osłonowych przed ww. promieniowaniem przenikliwym. Promieniowanie takie (np. gamma) przechodząc przez materiał o dowolnym składzie chemicznym oraz o dowolnej gęstości jądrowej oddziałuje z atomami składowymi, w wyniku czego zachodzi zjawisko rozproszenia i pochłaniania tegoż promieniowania. We współczesnej technice jądrowej znajdują zastosowanie w tej roli przede wszystkim betony ciężkie na matrycy cementowej. Są to betony o gęstości objętościowej powyżej 2,60 kg/dm 3. Dla betonów ciężkich osłonowych, istotny jest także stopień hydratacji wykorzystanego spoiwa cementowego. Stosowane spoiwa, to przede wszystkim cementy portlandzkie (powszechnego użytku oraz specjalne), ale nie tylko... Omawiane betony wykonuje się przy użyciu kruszyw ciężkich, tak naturalnych jak i antropogennych (sztucznych): kruszywa ciężkie pochodzenia naturalnego: kruszywa barytowe, bazaltowe, hematytowe, limonitowe, magnetytowe, serpentynitowe, itd.; kruszywa ciężkie pochodzenia antropogennego: zgorzelina (zendra czarna), złom stalowy i żeliwny, żużle hutnicze (m.in. cynkowo-ołowiowe), itp. Istotną cechą dla wzmiankowanych kruszyw jest oprócz gęstości nasypowej, także ich skład chemiczny. W tabeli 1 przedstawiono składy chemiczne przykładowych żużli hutniczych. Tabela 1. Skład chemiczny przykładowych żużli hutniczych [1]. Rodzaj żużla: Lp. Składnik: Wielkopiecowy Miedziowy Niklowy Ołowiowy Zawartość, [%]: 1. Sio Al 2 o Cao Mgo Fe 2 o Betony ciężkie o gęstości objętościowej zawierającej się w przedziale 3,00 5,00 kg/dm 3 zwane są czasami betonami super ciężkimi (kształtuje się je przy użyciu np. śrutu żeliwnego, ścinków oraz opiłków stalowych, itp.). W polskich realiach, jako tzw. osłony bierne w pracowniach radiologicznych i rentgenowskich usytuowanych w szpitalach lub ośrodkach zdrowia, znajdują zastosowanie przede wszystkim barytobetony [14]. 2

3 Wybrane właściwości wibroprasowanych betonów ciężkich z udziałem... Inne zastosowanie omawianych betonów cementowych ciężkich (oprócz wspomnianych już elementów osłonowych, przed różnego typu promieniowaniem przenikliwym), to m.in.: elementy obciążeniowe dźwigów, podnośników, itp.; elementy wałów przeciwpowodziowych; obciążenia balastowe okrętów i statków; płyty denne deszczowych studzienek kanalizacyjnych (instalacje kanalizacyjne wykonywane z tworzyw sztucznych); płyty denne skarbców bankowych; przeciwwagi w sprzęcie AGD (w pralkach, [3]); substytut obciążników żeliwnych oraz stalowych (np. odciągi trakcyjne na kolei). 2. Zakres badań W niniejszym referacie przedstawiono część wyników badań prowadzonych pod kątem możliwości kształtowania betonów specjalnych ciężkich wibroprasowanych o matrycy cementowej [10, 13]. W badaniach został wykorzystany, jako główny składnik granulat żużla ISP (Imperial Smelting Process) [2], zwany także w literaturze przedmiotu żużlem szybowym [7]. Jest to surowiec odpadowy z Huty Cynku Miasteczko Śląskie w Tarnowskich Górach. Huta Cynku Miasteczko Śląskie jest jedynym w Polsce producentem cynku i ołowiu wytapianym metodą ogniową w procesie ISP. Surowce wsadowe, jakimi są koncentraty Zn Pb, zawierają, obok pierwiastków głównych, liczne pierwiastki towarzyszące, tj.: Fe, Cu, Cd, Hg, As, Sb, Bi, Tl [6]. Wspomniane koncentraty otrzymuje się z pieców przewałowych oraz topników i materiałów zwrotnych. W wyniku stopienia wsadu w temp o C w procesie redukcji i destylacji następuje oddzielenie cynku od ołowiu i żużla. Gorący żużel podlega natychmiastowej granulacji wodnej. Omawiany żużel jest praktycznie materiałem bezpostaciowym (fot. 1), frakcji 0 4 mm i wskaźniku piaskowym Wp = ok. 97% [2]. Fot.1. Zdjęcie mikroskopowe (60 ) powierzchni pojedynczego ziarna żużla ISP Poszczególne składniki chemiczno-mineralogiczne granulowanego żużla ISP są stopione i zespolone w postaci szkliwa. I tak metale ciężkie przede wszystkim cynk i ołów, które występują w granulowanym żużlu ISP są związane chemicznie i rozproszone 3

4 we wspomnianym szkliwie, zaś żelazo związane jest z wapniem w formie bezpostaciowych krzemianów żelazowo-wapniowych [2]. Granulat żużla ISP, ze względu na swój skład chemiczny, posiada wysoką gęstość objętościową, rzędu 3,8 kg/dm 3 [2]. Skład granulometryczny zastosowanego żużla ISP zaprezentowano na rysunku 1, a jego skład chemiczny zestawiono w tabeli % 90% 95,4 99,3 80% 70% 77,4 60% 50% 40% 30% 35,1 20% Rys. 1. Krzywa granulometryczna żużla ISP [8] 10% 0 1,4 0,125 8,2 0,25 0,5 1,0 2,0 4,0 [mm] Tabela 2. Skład chemiczny żużla ISP [7, 8] Lp. Składnik: Zawartość, [%] 1. SiO 2 24,4 2. Al 2 O 3 15,3 3. CaO 17,6 4. MgO 6,4 5. Fe 2 O 3 27,9 6. Zn 5,8 7. Pb 3,4 6,0 W badaniach wykorzystano również żwir naturalny frakcji 2 8 mm, a także cementy portlandzkie CEM I 42,5 R i CEM I 52,5 R (tabela 3) oraz popiół lotny z Elektrowni Łaziska i pył krzemionkowy z Huty Łaziska. Wykonywane mieszanki betonowe posiadały konsystencję suchą. W celu uzyskania właściwej urabialności w/w mieszanek betonowych zastosowano plastyfikator na bazie lignosulfonianów w ilości 0,4% łącznej masy spoiwa. Tabela 3. Wartości cech wytrzymałościowych omawianych cementów portlandzkich. Rodzaj cementu: Średnia wytrzymałość na zginanie f zg w [MPa], po: Średnia wytrzymałość na ściskanie f cm w [MPa], po: Współczynnik wytrzymałości 2 dn. 28 dn. 2 dn. 28 dn. f cm,2 / f cm,28 CEM I 42,5 R 7,1 9,2 31,2 50,8 0,61 CEM I 52,5 R 7,7 10,6 34,2 64,8 0,53 4

5 Wybrane właściwości wibroprasowanych betonów ciężkich z udziałem Wyniki badań Próbki wykonano na węźle produkcyjnym jednej ze śląskich wytwórni, jako wibroprasowane kostki brukowe typy BEHATON (dwuteownik), gr. 8 cm. Były one przechowywane do czasu przeprowadzenia oznaczeń cech technicznych w komorze klimatycznej w temperaturze +20 C i wilgotności ponad 90%. Gęstość objętościową i nasiąkliwość masową określono na trzech próbkach dla każdego zarobu, zaś cechy mechaniczne odpowiednio: wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu na 8 próbkach, a wytrzymałość na ściskanie na 5 próbkach dla każdego zarobu i terminu. W tabeli 4 zaprezentowano składy na 1 m 3 zarobu mieszanek betonowych oraz średnie wartości liczbowe wybranych cech technicznych przedmiotowych wibroprasowanych betonów cementowo żużlowych (rys. 2 4). Gęstość objętościowa (w stanie suchym) omawianych betonów wynosi 2,7 ± 0,1 kg/dm 3, zaś ich nasiąkliwość masowa zawiera się w przedziale 2,8 4,7%. Dla porównania taka sama gęstość objętościowa dla wyrobów żwirobetonowych produkowanych metodą wibroprasowania (przy ilości spoiwa cementowego rzędu 400 kg/1m 3 mieszanki betonowej) to ok. 2,3 kg/dm 3, a ich nasiąkliwość masowa dochodzi nawet do 5,7 5,9%. Tabela 4. Składy na 1 m 3 zarobu oraz średnie wartości liczbowe dla wybranych cech technicznych przebadanych betonów cementowo-żużlowych Składniki: Jednostki: Symbole składów: K1 K2 K3 K4 K5 K6 CEM I 52,5R [kg] CEM I 42,5R [kg] Popiół lotny [kg] Pył krzemionkowy [kg] Żużel ISP [kg] Żwir fr. 2-8 mm [kg] Woda zarobowa [dm 3 ] W/S 0,20 0,22 Plastyfikator [dm 3 ] 2,0 Nasiąkliwość masowa n w po: 28 dn. [%] 4,4 3,8 4,7 3,8 2,8 3,3 Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu f r po: 7 dn. [MPa] 3,2 2,8 2,8 3,2 4,0 3,5 28dn. [MPa] 4,1 3,3 3,7 3,6 5,1 4,4 90dn. [MPa] 4,7 4,5 4,2 4,0 5,3 4,5 Wytrzymałość na ściskanie f c po: 7dn. [MPa] 44,2 34,7 34,8 36,0 42,0 35,7 28 dn. [MPa] 54,7 51,8 50,8 52,9 58,6 48,5 90 dn. [MPa] 60,2 70,3 51,5 62,5 61,5 53,0 5

6 6 5 4 nw, [%] K1 K2 K3 K4 K5 K6 SYMBOL SK ADU Rys. 2. Wartości nasiąkliwości masowej n w [%] po 28 dniach dojrzewania, w zależności od rodzaju składu 6 f r, [MPa] K1 K2 K3 K4 K5 K t, [dni] Rys. 3. Wartości wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu f r [MPa], w funkcji czasu dojrzewania t [dni] 75 fc, [MPa] t, [dni] K1 K2 K3 K4 K5 K6 Rys. 4. Wartości wytrzymałości na ściskanie f c [MPa], w funkcji czasu dojrzewania t [dni] 6

7 4. Podsumowanie Wybrane właściwości wibroprasowanych betonów ciężkich z udziałem... Z przeprowadzonych badań wynika, iż masowa zamiana 30% spoiwa cementowego na popiół lotny powoduje spadek nasiąkliwości masowej o ok %. Zaś w funkcji czasu dojrzewania, następuje wzrost wytrzymałości na ściskanie o ok %, jak również nieznaczny spadek wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu o ok. 4-5%. Z kolei zastosowanie pyłu krzemionkowego w ilości 7,5% masy spoiwa powoduje: przy spoiwie cementowym spadek nasiąkliwości masowej o ok. 40%, wzrost wytrzymałości na ściskanie o ok. 19% oraz wzrost wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu o ok. 26%; przy spoiwie cementowo-popiołowym spadek nasiąkliwości masowej o ok. 13%, spadek wytrzymałości na ściskanie o ok. 15% oraz wzrost wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu o ok. 13%. W trakcie wykonywania próbek betonowych zagęszczanych metodą wibrowania (konsystencja plastyczna) [8, 9] istotnym problemem jest zjawisko opóźnienia czasu wiązania próbki nadają się do rozformowania najwcześniej po 48 godzinach od ich wykonania. Stosując mieszanki betonowe o konsystencji suchej, zagęszczane metodą wibroprasowania, skrócono ten czas o połowę. Wynika to zapewne z faktu, iż związku cynku i ołowiu odpowiedzialne za to zjawisko, a występujące w żużlu ISP (w szkliwie), pod wpływem alkaliów przechodzą do zaczynu cementowego. W mieszankach o niskim w/s zjawisko to przebiega jednak mniej intensywnie, niż w mieszankach o wysokim w/s. Zaprezentowane powyżej wyniki badań wskazują na istnienie możliwości wykonywania, wibroprasowanych betonów ciężkich kruszywowych [4], na bazie odpadów przemysłowych, jakimi są żużel ISP oraz popiół lotny. W celu zwiększenia wartości gęstości objętościowych omawianych betonów, w dalszych badaniach należałoby się zastanowić nad możliwością zamiany żwiru naturalnego na kruszywo ciężkie tej samej frakcji, (np. grys bazaltowy, żużel stalowniczy). Wskazane byłoby też użycie drobnych frakcji zendry czarnej (zgorzeliny) [9]. Należy spodziewać się także interesujących wyników w przypadku zastosowania innych cementów (np. CEM II/B-S, CEM III/A) oraz dodatków mineralnych (np. metakaolinu). Wykorzystywanie surowców odpadowych do produkcji betonów cementowo-żużlowych, wymaga jednak stosowania wielokryterialnej analizy doboru składników, także pod kątem ich promieniotwórczości naturalnej [8] oraz zawartości i wymywalności metali ciężkich [5], jak również kompatybilności chemiczno-mineralogicznej. Istotną sprawą jest także określenie trwałości wzmiankowanych betonów w funkcji czasu. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] Ablewicz Z., Dubrowski W.B.: Osłony przed promieniowaniem jonizującym. Arkady. Warszawa, 1986r. Aprobata Techniczna IBDiM, Nr AT : GRANULAT ŻUŻLA ISP ; Huta Cynku Miasteczko Śląskie. Materiały firmy Posiadało s. j. ( PN-EN 206-1: 2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. Pozzi M., Nowińska K.: Dystrybucja wybranych pierwiastków towarzyszących w procesie technologicznym ISP w HC»Miasteczko Śląskie«w aspekcie ich odzysku i wpływu na środowisko. Gospodarka Surowcami Mineralnymi; Tom 22, Zeszyt 3/2006. Pozzi M., Nowińska K.: Zawartość pierwiastków towarzyszących w materiałach procesu technologicznego ISP Huty Cynku»Miasteczko Śląskie«. Gospodarka Surowcami Mineralnymi; Tom 22, Zeszyt 3/

8 [7] Robakowski M.: Utylizacja żużla szybowego z Huty Cynku. Konferencja Zagadnienia naukowobadawcze Inżynierii Procesów Budowlanych. Wrocław Szklarska Poręba, czerwiec 1990 r. [8] Rubin J.A. i in.: Możliwość kształtowania betonów ciężkich specjalnych przy wykorzystaniu wybranych odpadów przemysłowych. BK-288/RB-4/06. Katedra Procesów Budowlanych. Gliwice 2006 r. [9] Rubin J.A., Alwaeli M.: Kształtowanie betonów z zastosowaniem kruszyw ciężkich. XVI Konferencja Naukowo Techniczna JADWISIN 98. Serock 1998 r. [10] Rubin J.A., Czech P.: Granulat żużla ISP z huty cynku, jako efektywny zamiennik piasku naturalnego w wibroprasowanych kompozytach cementowych. IX Międzynarodowa Konferencja Naukowa: Teoretyczne i praktyczne problemy zagospodarowania odpadów hutniczych i przemysłowych. Zakopane 2007 r. [11] Rubin J.A., Smalec P.: Kształtowanie ceramiki ciężkiej na bazie odpadów hutniczych. II Konferencja Naukowo Techniczna: Materiały kompozytowe właściwości, wytwarzanie, zastosowanie. Wrocław 1999 r. [12] Rubin J.A., Smalec P.: Ocena przydatności w budownictwie żużla z pieca szybowego. VI Międzynarodowa Konferencja Naukowa: Teoretyczne i praktyczne problemy zagospodarowania odpadów hutniczych. Kraków 2004 r. [13] Rubin J.A.: Granulat żużla ISP z huty cynku, jako efektywny zamiennik frakcji piaskowej w kompozytach ciężkich o matrycy cementowej. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, vol. 42, nr 1 styczeń luty [14] Saferna M., Kaszuba S.: Betony o właściwościach specjalnych. V Sympozjum Naukowo-Techniczne Reologia w technologii betonu. Gliwice 2003 r. 8