K S Z T A Ł T O W A N I E C E R A M I K I C IĘŻ K I E J N A B A Z I E O D P A D Ó W H U T N I C Z Y C H

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Budownictwa Nr 75 Politechniki Wrocławskiej Nr 75 Konferencje Nr Odpady hutnicze, ceramika, osłony przed promieniowaniem jonizującym. Przemysław SMALEC Jan Antoni RUBIN K S Z T A Ł T O W A N I E C E R A M I K I C IĘŻ K I E J N A B A Z I E O D P A D Ó W H U T N I C Z Y C H W referacie zaprezentowano wyniki badań laboratoryjnych przepro wadzonych pod kątem możliwości kształto wania ceramiki ciężkiej na bazie zgorzeliny z Huty Baildon oraz żużla szybo wego z Huty Cynku Miasteczko Śląskie. Wspomniane odpady hutnicze stano wiły zasadniczą część wykonywanych mas ceramicznych przy niewielkim udziale gliny ceglarskiej. Badania obejmo wały określenie wpływu składów przy stałej temperaturze wypału na wybrane cechy techniczne. 1. WPROWADZENIE Swoistym produktem towarzyszącym wszelkiej działalności człowieka są odpady, w tym również odpady przemysłowe. Do jednych z najbardziej uciążliwych dla środowiska zalicza się procesy hutnicze ze względu na powstawanie obok podstawowego produktu, znacznych ilości odpadów, których nieprawidłowe zagospodarowane wiąże się w istotny sposób z degradacją środowiska naturalnego. Ich negatywny wpływ na środowisko człowieka wynika z zawartych w nich związków toksycznych oraz z ich występowania w bardzo dużych ilościach. Jakkolwiek wiadomo, iż niektóre z tych odpadów są klasyfikowane przez EPA jako odpady szczególne niebezpieczne, które muszą być zagospodarowane w sposób specjalny to ciągle jeszcze są one składowane na hałdach zanieczyszczając środowisko naturalne człowieka. Oprócz aspektu ekologicznego występuje także aspekt ekonomiczny, związany z opłatami za składowanie odpadów. Zgodnie z [1] średni koszt za składowanie np. żużli granulowanych z pieców szybowych oraz zgorzeliny wynosi 10 zł za 1 tonę. W budownictwie, ze względu na zastosowanie można wyszczególnić trzy podstawowe grupy odpadów hutniczych jako surowców do wytwarzania: kruszyw budowlanych (np. żużel granulowany, pumeks hutniczy, żużel stalowniczy); ceramiki budowlanej (np. szlamy z osadników jako dodatki do glin i iłów); spoiw mineralnych (np. mielony żużel granulowany, pył krzemionkowy). mgr inż. Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

2 174 W Katedrze Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej prowadzone były prace nad wykorzystaniem hutniczych surowców odpadowych do kształtowania zapraw budowlanych [2], a także betonów osłonowych [3]. Tym razem w celu zagospodarowania powstających odpadów przemysłu hutniczego, podjęto próbę ich zastosowania jako zasadniczych składników mas ceramicznych. Zainteresowanie zastosowaniem odpadów hutniczych do mas ceramicznych wynikło z trzech powodów [4]: większość materiałów ceramicznych powstaje z najbardziej dostępnych pierwiastków skorupy ziemskiej i atmosfery; silne wiązania chemiczne występujące w strukturze krystalicznej materiałów ceramicznych powodują, iż materiały te są wyjątkowo odporne na działanie środowiska; różnorodność możliwych struktur krystalicznych i możliwość wymiany jednych elementów struktury na inne, pozwala uzyskać duże zróżnicowanie własności. 2. CECHY SUROWCÓW W badaniach wykorzystano następujące surowce wyjściowe: żużel szybowy z Huty Cynku Miasteczko Śląskie, zgorzelinę z Huty Baildon w Katowicach oraz glinę ceglarską ze złoża Rybnik Wielopole. Cechy fizyczne i chemiczne zastosowanych surowców zestawiono w tablicy nr 1. Tablica 1. Lp. Pierwiastki chemiczne Żużel szybowy Zgorzelina Glina ceglarska Zawartość w : 1. O 59,09 30,19 58,54 2. Al 6,19 6,48 3. Si 8,19 20,31 4. Mg 3,48 0,67 5. Fe 11,22 67,19 3,55 6. S 1,58 0,07 7. Ca 8,90 1,99 8. Pb 0,56 9. Cu 0, Cr 1, Ni 0,55 Pozostałe: 0,89 0,15 8,39 Gęstość, [kg/dm 3 ]: ρ 3,28 4,92 2,77 Gęstość nasypowa, [kg/dm 3 ]: ρ n 2,07 2,54 1,08 Liniowy współczynnik osłabienia promieniowania µ, [m -1 ]: Przy energii fotonów 3 MeV: 8,10 8,90 3,70

3 BADANIA LABORATORYJNE Kształtowanie ciał próbnych przeprowadzono w Laboratorium Budownictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Procentowe składy poszczególnych mieszanek przedstawiono w tablicy nr 2. Tablica 2. Lp. Symbol składu: Żużel szybowy, Zgorzelina, Glina ceglarska, 1. I/CC II/CC III/CC IV/CC V/CC VI/CC VII/CC VIII/CC Próbki przygotowano w postaci 3 walców 8 cm dla każdego składu. Ilości poszczególnych składników suchych przyjęto w proporcji wagowej; wodę dodawano w ilości ok %, w celu uzyskania masy plastycznej. Suszenie próbek przeprowadzono w warunkach powietrzno suchych w ciągu 7-u dni, a następnie umieszczono próbki na okres 1 doby w suszarce laboratoryjnej o temperaturze 105 C. Po tym okresie próbki poddano procesowi wypalenia w temperaturze 900 C. Dochodzenie do założonej temperatury jak i studzenie przeprowadzono zgodnie z technologią wypału ceramiki zwykłej. W dalszej kolejności określono wielkości cech fizycznych i mechanicznych poszczególnych składów; zestawiono je w tablicy nr 3. Skład Gęstość [kg/dm 3 ] Gęstość pozorna [kg/dm 3 ] Porowatość Szczelność Nasiąkliwość wagowa Wytrzymałość na ściskanie 1) [MPa] Tablica 3. Liniowy współczynnik osłabienia 2), [m -1 ] I/CC900 4,79 3,07 35,91 64,09 7,79 18,11 8,10 II/CC900 4,38 2,94 32,88 67,12 7,80 13,40 8,00 III/CC900 4,25 2,87 32,47 67,53 8,37 11,03 7,90 IV/CC900 4,19 2,75 34,37 65,63 8,58 8,84 7,79 V/CC900 4,12 2,63 36,17 63,83 8,25 8,38 7,68 VI/CC900 4,04 2,53 37,38 62,62 8,38 9,46 7,56 VII/CC900 3,68 2,37 35,60 64,40 9,04 6,55 7,43 VIII/CC900 3,51 2,26 35,61 64,39 9,58 7,24 7,30 1) Wytrzymałość walcowa ( 8 cm). 2) Wyniki uzyskano metodą symulacji komputerowej.

4 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Z zamieszczonych wartości liczbowych w tablicy nr 3 wynika, że wraz ze spadkiem zawartości zgorzeliny następuje obniżenie wytrzymałości na ściskanie. Równocześnie można zauważyć pozytywny wpływ zastosowanych odpadów hutniczych na obniżenie nasiąkliwości wagowej, która plasuje się w dolnej strefie przyjętej dla ceramiki porowatej; i to przy stosunkowo niskiej temperaturze wypału. Na podstawie uzyskanych wyników (tablica nr 3) przeprowadzono analizę metodą regresji liniowej wpływu gęstości pozornej badanej ceramiki na wartości liniowego współczynnika osłabienia; wg funkcji: ρ p = a µ + b. Wartość współczynnika a = 1,0084, zaś współczynnika b = 5,1073. Współczynnik korelacji liniowej jest bardzo wysoki i wynosi 0,999. Wyniki analizy przedstawiono w sposób graficzny na rys. nr 1. W trakcie badań nasiąkliwości, na próbkach o symbolach składu VII/CC900 i VIII/CC900 stwierdzono obecność wykwitów solnych. Spowodowane jest to prawdopodobnie nadmiarem żużla szybowego, a co za tym idzie zwiększoną ilością związków wymywalnych przez wodę. 3,5 3 Gęstość poz., [kg/dm3]. 2,5 2 1,5 1 0,5 0 7,2 7,4 7,6 7,8 8 8,2 Liniowy wsp. osłabienia, [1/m]. Rys.1. Zależność liniowego współczynnika osłabienia od gęstości pozornej.

5 PODSUMOWANIE Autorzy niniejszego referatu proponują w dalszych badaniach zmniejszenie ilości wody technologicznej z równoczesnym dodaniem środków upłynniających, przez co spodziewają się obniżenia porowatości przy równoczesnym utrzymaniu urabialności masy ceramicznej. W dalszej kolejności proponowane jest zwiększenie temperatury wypału, co powinno doprowadzić do zwiększenia szczelności struktury wyrobu. Drugim kierunkiem dla uzyskania zwiększonej szczelności będzie zintensyfikowanie procesu zagęszczania masy ceramicznej. Z przeprowadzonej analizy wynika, iż wyroby ceramiczne o dużej szczelności, kształtowane na bazie odpadów hutniczych mogą także znaleźć zastosowanie w osłonach przed niskoenergetycznym promieniowaniem jonizującym. Praktycznie rzecz biorąc z lepszym lub gorszym skutkiem wszystkie materiały budowlane mogą być stosowane w ekranach osłonowych. Promieniowanie gamma przechodząc bowiem 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. Zgodnie z [5] wartość liniowego współczynnika osłabienia dla ceramiki glinianej wynosi 6,55 m -1, zaś dla betonu zwykłego oraz betonu zwykłego z borem, odpowiednio 8,52 i 8,59 m -1. Wartości liniowego współczynnika osłabienia dla omawianej ceramiki ciężkiej plasują się poniżej wspomnianych betonów cementowych, przewyższając je jednak odpornością na wpływy agresywnego środowiska oraz odpornością na wyższe temperatury. Minusem tejże ceramiki jest z kolei brak w jej składzie wodoru, ważnego dla osłon na promieniowanie neutronowe. W betonach cementowych zawartość wodoru niezbędną do uzyskania założonych osłonowych charakterystyk zapewnia woda chemicznie związana w kamieniu cementowym lub w uwodnionych wypełniaczach. Ceramikę ciężką należałoby stosować w tym przypadku w osłonach kombinowanych, gdzie inne warstwy zawierają odpowiednie ilości wodoru chemicznie związanego. Liniowy współczynnik osłabienia promieniowania, uzyskany metodą symulacji komputerowej planuje się zweryfikować poprzez przeprowadzenie badań stanowiskowych w Instytucie Techniki Budowlanej w Warszawie. Wnioski z analizy uzyskanych wyników skłaniają autorów do zajęcia się w dalszych badaniach najbardziej obiecującymi składami środkowymi. 6. WNIOSEK KOŃCOWY Analiza składów chemicznych oraz wykonane technologiczne próby laboratoryjne, wskazują na celowość kontynuowania prac zmierzających do pełnego i racjonalnego wykorzystania omawianych odpadów przemysłu hutniczego w procesach kształtowania kompozytów ceramicznych.

6 178 LITERATURA 1] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 30 grudnia 1997r. w sprawie opłat za składowanie odpadów. Dziennik Ustaw Nr 162, poz ] M. Robakowski: Utylizacja żużla szybowego z Huty Cynku. Konferencja Zagadnienia naukowo badawcze inżynierii procesów budowlanych. Wrocław Szklarska Poręba, czerwiec 1990r. 3] J. A. Rubin, M. Alwaeli: Kształtowanie betonów z zastosowaniem kruszyw ciężkich. XVI Konferencja Naukowo Techniczna JADWISIN 98. Serock, kwiecień 1998r. 4] J. Raabe, E. Bobryk: Ceramika funkcjonalna. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa, 1997r. 5] Z. Ablewicz, W. B. Dubrowski: Osłony przed promieniowaniem jonizującym. Arkady. Warszawa, 1986r. MODELING OF HARD CERAMIC BASED ON METALLURGIC WOSTES The results of laboratory research in the paper are presented, which were worked out for possibilities of hard ceramic based on scale from The Baildon Factory and shot furnace slag from The Miasteczko Śląskie Zinc Factory. The above mentioned wasters was a main part of ceramic materials which was produced with a small participation of brick clay. In the research an influence of different mixtures on choice technical properties, at constant temperature of heating, was defined.