CEMENTY POWSZECHNEGO UŻY TKU Z DODATKAMI

Transkrypt

1 Dr inż. Jan Antoni RUBIN Politechnika Śląska, Gliwice CEMENTY POWSZECHNEGO UŻYTKU Z DODATKAMI Streszczenie: W referacie zaprezentowano i omówiono wyniki badań własnych autora nad promieniotwórczością naturalną odpadów przemysłowych stosowanych w produkcji cementów powszechnego użytku w Polsce ( popioły lotne, żużle hutnicze, pył krzemionkowy oraz gips syntetyczny). Badania obejmowały także podstawowe cechy techniczne cementów j.w. Cechy te, to m.in.: promieniotwórczość naturalna, przyrost wytrzymałości na ściskanie w czasie oraz klasa wytrzymałościowa. Summary: In the paper, the results of the author s own researches were presented and discussed concerning natural radioactivity of industrial waste material used in Poland (fly ashes, metallurgical slags, silica dust and synthetic plaster). The researches concerned also the basic cement technical features, as above. These features are f.e.: natural radioactivity, growth of compression strength in time and also the compression class. 1. SPOIWA BUDOWLANE Spoiwa pochodzenia mineralnego oraz polimery syntetyczne to podstawowe materiały wiążące stosowane w budownictwie. Pod pojęciem mineralne spoiwa budowlane rozumiemy wypalone i sproszkowane minerały, które po wymieszaniu z wodą na skutek reakcji chemicznych ulegają tężeniu i twardnieniu, wiążąc trwale i nieodwracalnie. W budownictwie ze względu na sposób twardnienia spoiwa dzielimy na hydrauliczne i powietrzne: Spoiwo hydrauliczne zmieszane z wodą wiąże i twardnieje zarówno w wodzie jak i na powietrzu, uzyskując odpowiednie cechy techniczne. Do grupy tej zalicza się: wapno hydrauliczne, cementy portlandzkie oraz glinowe. Spoiwo powietrzne po zmieszaniu z wodą ulega wiązaniu i stwardnieniu jedynie na powietrzu. Zalicza się do nich: wapno hydratyzowane, spoiwa gipsowe i magnezjowe oraz krzemianowe. 81

2 Spośród wymienionych powyżej spoiw mineralnych, największe zastosowanie w szeroko pojętym budownictwie znajdują obecnie cementy portlandzkie, które zwyczajowo dzieli się na cementy powszechnego użytku i specjalne. Cementy powszechnego użytku to cementy portlandzkie, które otrzymywane są poprzez zmielenie klinkieru portlandzkiego z dodatkiem kamienia gipsowego (max 5%) i innych surowców, których wielkości wagowe wynoszą od 6 do 95%. Kamień gipsowy pełni rolę regulatora warunków wiązania cementu. Klinkier portlandzki główny składnik cementu powstaje przez wypalenie w temperaturze ok. 1450ºC mieszaniny wapieni (margli) i glinokrzemianów (gliny), a następnie zmielenie tak uzyskanego surowca do odpowiedniej miałkości. W zależności od wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dojrzewania, oznaczonej zgodnie z normą PN-EN [5] na beleczkach wykonanych z zaprawy normowej i przechowywanych w kąpieli wodnej do czasu badania, rozróżnia się trzy klasy wytrzymałościowe [6]: 32,5; 42,5 oraz 52,5 (wartości podawane w MPa). W zależności od rodzaju składnika głównego nie klinkierowego cementy powszechnego użytku dzieli się na pięć rodzajów tabela 1. Z kolei, z uwagi na procentową zawartość dodatków, cementy dzieli się na odmiany A, B i C, które określają dopuszczalną ilość składników głównych (- nie klinkierowych) dla poszczególnych rodzajów cementu. Składniki drugorzędne (np. kamień gipsowy, jako regulator wiązania), mogą się zawierać w przedziale 0 5 %. Tabela 1. Rodzaje cementów powszechnego użytku z uwagi na rodzaj składnika oraz jego ilość [6]. Nazwa Rodzaj cementu Symbol Ilość składnika nie klinkierowego (%): Ilość klinkieru portlandzkiego (%): Cement portlandzki CEM I CEM I Cement portlandzki mieszany CEM II CEM II/A 1 CEM II/B Cement hutniczy CEM III CEM III/A CEM III/B CEM III/C Cement pucolanowy CEM IV CEM IV/A CEM IV/B Cement wieloskładnikowy CEM V CEM V/A CEM V/B Udział pyłu krzemionkowego jest ograniczony do maksymalnej wartości 10 %. 82

3 Składnikami głównymi nie klinkierowymi cementu, mogą być dodatki mineralne wymienione i oznaczone symbolami podanymi w tabeli 2. Rodzaje dodatków do cementów powszechnego użytku [6]. Tabela 2. Nazwa dodatku: Granulowany żużel wielkopiecowy Popiół lotny krzemionkowy Popiół lotny wapienny Pucolana naturalna Pucolana przemysłowa Łupek palony Wapień Pył krzemionkowy Oznaczenie dodatku: S V W P Q T L, LL D W warunkach polskich, jako dodatki główne przy produkcji cementów powszechnego użytku znajdują zastosowanie przede wszystkim: granulowane żużle wielkopiecowe, popioły lotne krzemionkowe, wapienie oraz pył krzemionkowy. Jako zamiennik naturalnego kamienia gipsowego może być z kolei stosowany tzw. gips odpadowy ( syntetyczny ), uzyskiwany w chemicznej metodzie odsiarczania gazów spalinowych. Rozwój wytrzymałości kompozytów cementowych w temp. +20ºC można określić wg normy PN-EN [7] współczynnikiem wytrzymałości, czyli stosunkiem średniej wytrzymałości na ściskanie po 2 dniach dojrzewania (f cm,2 ), do średniej wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dojrzewania (f cm,28 ). Kryteria oceny wspomnianego współczynnika wytrzymałości zaprezentowano w tabeli 3. Tabela 3. Kryteria oceny rozwoju wytrzymałości kompozytów cementowych [7]. Rozwój wytrzymałości kompozytów cementowych: Ocena współczynnika wytrzymałości (f cm,2 / f cm,28 ): Szybki 0,50 Umiarkowany 0,30 do < 0,50 Wolny 0,15 do < 0,30 Bardzo wolny < 0,15 83

4 2. PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA Nieodłącznym atrybutem życia na Ziemi jest promieniowanie jonizujące, zwane inaczej naturalnym tłem promieniowania. Jego źródłem jest: promieniowanie kosmiczne (pochodzenia słonecznego i galaktycznego) oraz promieniowanie ziemskie, pochodzące od naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, występujących w skorupie ziemskiej. Spośród naturalnych pierwiastków promieniotwórczych występujących w przyrodzie, istotne znaczenie ze względu na poziom naturalnego tła promieniotwórczego w środowisku mieszkalnym człowieka mają: potas K-40 (okres półrozpadu T ½ = 1, lat); uran U-238 (okres półrozpadu T ½ = 4, lat) wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu uranowego (np. Ra-226, T ½ = 1, lat); tor Th-228 (okres półrozpadu T ½ = 1, lat) wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu torowego. Ponadto wybuchy jądrowe, a także awarie energetyki jądrowej wprowadzają do środowiska cez Cs-134 (okres półrozpadu T ½ = 2,20 lat) i Cs-137 (okres półrozpadu T ½ = 27 lat). Rozpad promieniotwórczy wspomnianych wyżej izotopów jest źródłem cząstek alfa i beta oraz promieniowania gamma. Od stężenia radionuklidów w zewnętrznej warstwie skorupy ziemskiej i w materiałach budowlanych zależy moc dawki naturalnego promieniowania gamma zarówno na otwartym terenie jak i wewnątrz budynku. W pewnych sytuacjach także stężenie cezu Cs- 137 w zastosowanych materiałach budowlanym może stanowić istotny składnik zanieczyszczenia promieniotwórczego środowiska mieszkalnego człowieka. W wyniku różnego rodzaju procesów technologicznych, a szczególnie procesów termicznych może nastąpić kilkakrotny wzrost zawartości wspomnianych radionuklidów w wytworzonych wyrobach w stosunku do surowców wyjściowych. Można powiedzieć, że podczas tych procesów następuje swoiste wzbogacenie powstających wyrobów w radionuklidy [1]. Szczególnie widoczne jest to w procesie spalania paliw organicznych: węgla kamiennego i brunatnego, torfu, ropy naftowej i gazu ziemnego. Zawartość radionuklidów w przypadku żużla kotłowego jest około 2,5 razy większa, zaś w przypadku popiołów lotnych nawet 3,5 razy większa niż w spalanym surowcu wyjściowym. W tabeli 4 zaprezentowano typowe wartości stężeń najważniejszych radionuklidów występujących w pyłach lotnych powstających podczas spalania węgla kamiennego. Tabela 4. Średnie stężenia radionuklidów naturalnych występujących w pyłach emitowanych podczas spalania węgla kamiennego [3]. Radionuklid: K- 40 U- 238 Ra- 226 Pb- 210 Po- 210 Th- 232 Th- 228 Ra- 228 Stężenia radionuklidów [Bq/kg]:

5 3. WSKAŹNIKI AKTYWNOŚCI Określenie zanieczyszczeń promieniotwórczych w surowcach i materiałach budowlanych polega na wyznaczeniu sumarycznej aktywności występujących w nich radionuklidów, (tzn. potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-228) oraz pośrednio wielkości emisji gazowego radonu i porównaniu wyników z wymaganiami normatywnymi. Wyznaczenie stężenia naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w badanych surowcach i materiałach pozwala na wyliczenie tzw. wskaźników aktywności. W zharmonizowanych z przepisami Unii Europejskiej [2] polskich unormowaniach prawnych [8] [4], wskaźniki aktywności zdefiniowane są dwiema zależnościami: f 1 S K [ Bq / kg ] S Ra + 300[ Bq / kg ] Th = (1) S 200[ Bq / kg ] ƒ 2 = S Ra (2) Gdzie: S K, S Ra, S Th stężenie potasu, radu i toru w badanych substancjach, w [Bq/kg]. Wartości wskaźników aktywności f 1 i f 2 nie mogą przekraczać zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów z 2 stycznia 2007r. [8] więcej niż o 20% wartości jak niżej: I. f 1 = 1,0 oraz f 2 = 200 Bq/kg w odniesieniu do surowców i materiałów budowlanych stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi lub inwentarza żywego; II. f 1 = 2,0 oraz f 2 = 400 Bq/kg w odniesieniu do odpadów przemysłowych stosowanych w obiektach budowlanych naziemnych wznoszonych na terenach zabudowanych lub przeznaczonych do zabudowy w miejscowym planie zagospodarowania przestrzennego oraz do niwelacji takich terenów; III. f 1 = 3,5 oraz f 2 = 1000 Bq/kg w odniesieniu do odpadów przemysłowych stosowanych w częściach naziemnych obiektów budowlanych niewymienionych w pkt II oraz do niwelacji terenów niewymienionych w pkt II; IV. f 1 = 7,0 oraz f 2 = 2000 Bq/kg w odniesieniu do odpadów przemysłowych stosowanych w częściach podziemnych obiektów budowlanych, o których mowa w pkt 3, oraz w budowlach podziemnych, w tym w tunelach kolejowych i drogowych, z wyłączeniem odpadów przemysłowych wykorzystywanych w podziemnych wyrobiskach górniczych. Przy stosowaniu odpadów przemysłowych do niwelacji terenów, o których była mowa w pkt II i III, oraz do budowy dróg, obiektów sportowych i rekreacyjnych zapewnia się, przy zachowaniu wymaganej wartości wskaźników f 1 i f 2, obniżenie mocy dawki pochłoniętej na wysokości 1 m nad powierzchnią terenu, drogi lub obiektu do wartości nieprzekraczającej 0,3 mikrogreja na godzinę (µgy/h), w szczególności przez położenie dodatkowej warstwy innego materiału [8]. 85

6 4. WYNIKI BADAŃ W związku z przyjmowaniem wartości stężeń pierwiastków promieniotwórczych, jako jednego z istotniejszych kryteriów oceny przydatności odpadów przemysłowych do stosowania w szeroko pojętym budownictwie, każdorazowo przeprowadzano badania tychże stężeń. W tabeli 5 przedstawiono maksymalne wartości w/w stężeń, a także wielkości liczbowe wskaźników aktywności f 1max i f 2max wartość zasadnicza powiększona in plus o wartość niepewności pomiarowej dla wybranych odpadów z przemysłu energetycznego oraz hutniczego. Z kolei w tabeli 6 zaprezentowano wartości j.w. dla wybranych cementów powszechnego użytku, klasy wytrzymałościowej deklarowanej przez producentów, jako 32,5. W tabeli 7 zaprezentowano średnie wartości liczbowe cech wytrzymałościowych (wytrzymałość na zginanie i na ściskanie) oraz tzw. współczynnik wytrzymałości dla omawianych cementów portlandzkich. Badania wykonano zgodnie z zaleceniami przedmiotowej Instrukcji ITB 234/2003 [4] oraz normy PN-EN [5]. Promieniotwórczość naturalna wybranych odpadów przemysłowych. Tabela 5. Rodzaj surowca: Max stężenia radionuklidów [Bq/kg]: Wskaźniki aktywności: Żużel granulowany: - H. CZĘSTOCHOWA - H. KATOWICE - H. SĘDZIMIRA Popiół lotny: - El. ŁAGISZA - El. ŁAZISKA - El. RYBNIK - El. BEŁCHATÓW - El. PĄTNÓW - El. TURÓW Pył krzemionkowy: - H. ŁAZISKA - SIKA FUME K-40 Ra-226 Th-228 f 1max [ ] f 2max [Bq/kg] 185,10 217,71 226,31 766,48 917,65 934,01 152,12 105,67 558,70 287,32 288,46 143,17 118,82 197,66 161,20 151,84 159,07 228,16 51,23 262,22 24,92 28,74 29,94 31,82 46,44 100,36 119,83 103,79 101,30 37,59 131,13 4,53 19,39 0,69 0,63 0,97 1,29 1,41 1,36 1,32 0,39 1,72 0,20 0,29 143,17 118,82 197,66 161,20 151,84 159,07 228,16 51,23 262,22 24,92 28,74 Gips odpadowy: El. BEŁCHATÓW 3,35 4,62 0,86 0,02 4,62 86

7 Promieniotwórczość naturalna wybranych cementów powszechnego użytku. Tabela 6. Max stężenia radionuklidów [Bq/kg]: Wskaźniki aktywności: Rodzaj cementu: K-40 Ra-226 Th-232 f 1max [ ] f 2max [Bq/kg] CEM I CEM II/A-D CEM II/B-S CEM II/B-V CEM II/B-M (V-LL) CEM III/A CEM V/B (S-V) 256,85 359,40 252,42 544,82 495,84 325,61 387,99 42,00 36,56 72,96 100,29 69,29 78,29 126,24 19,19 32,38 27,71 57,89 50,88 40,22 58,16 0,32 0,40 0,47 0,81 0,65 0,57 0,84 42,00 36,56 72,96 100,29 69,29 78,29 126,24 KLARK 2 370,00 25,00 25,00 0,33 25,00 Tabela 7. Wartości cech wytrzymałościowych omawianych cementów powszechnego użytku. Rodzaj cementu: Średnia wytrzymałość na zginanie 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 5,08 9,41 20,51 44,96 0,46 CEM II/A-D 6,25 8,40 26,70 34,39 0,78 CEM II/B-S 3,28 8,44 15,91 40,95 0,39 CEM II/B-V 4,88 9,53 18,13 35,29 0,51 CEM II/B-M (V-LL) 3,91 7,42 13,63 28,14 0,48 CEM III/A 5,04 9,51 18,13 31,64 0,57 CEM V/B (S-V) 1,77 9,61 6,58 42,88 0,15 2 Dla porównania w ostatnim wierszu tablicy 6 zamieszczono wartości średnich stężeń radionuklidów w skorupie ziemskiej, inaczej mówiąc w materiale budynku klarkowego. 87

8 4. PODSUMOWANIE Z zaprezentowanych w niniejszym opracowaniu wyników badań radiacyjnych wynika, iż jedynie pięć wymienionych tutaj popiołów lotnych nie może być stosowanych w budownictwie przeznaczonym na pobyt ludzi lub inwentarza żywego (pkt I), lecz z powodzeniem mogą znaleźć zastawanie np. w budownictwie drogowym (pkt II). Pozostałe surowce oraz wszystkie cementy mieszczą się w kryterium, jak dla pkt I. Z kolei z uzyskanych wyników badań wytrzymałościowych siedmiu cementów powszechnego użytku, które przebadano wynika, że dwa z nich nie spełniają warunku na klasę wytrzymałościową 32,5. Można domniemywać, iż jest to skutek zwietrzenia ww. cementów ze względu na niewłaściwe ich przechowywanie. Dla trzech cementów rozwój wytrzymałości określono, jako szybki. Dla trzech następnych, jako umiarkowany. Zaś dla jednego, jako wolny. Zastosowanie w szeroko pojętym budownictwie materiałów odpadowych z innej działalności człowieka, których ciągle jeszcze spore składowiska degradują powierzchnię terenu, leży w interesie wielu gałęzi przemysłu. Dotyczy to również przemysłu materiałów wiążących. Nie należy odrzucać możliwości stosowania surowców odpadowych w produkcji materiałów budowlanych, gdyż jak wynika z przedstawionych powyżej wyników badań nie stanowią one istotniejszych zagrożeń radiacyjnych. Należy jedynie każdorazowo stosować wielokryterialne analizy doboru składników w funkcji ich wykorzystania. Składniki owe wymagają zastosowania w takich ilościach i przy użyciu takiej technologii, aby końcowy efekt radiacyjny nie przekroczył wartości dopuszczalnych. BIBLIOGRAFIA 1. Bonka H., Horn H.-G.: Anwendung der Berechnungsgrundlagen auf die Emission radioaktiver Stoffe aus Kohlekraftwerken. Erich Schmidt Verlag Radioökologie und Strahlenschutz. Berlin, European Commission; Radiation protection 112: Radiological Protection Principles concerning the Natural Radioactivity of Building Materials. Directorate General; Environment, Nuclear Safety and Civil Protection; Hrynkiewicz A.Z. i inni: Człowiek i promieniowanie jonizujące. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa, 2001r. 4. Instrukcja 234/2003 pt. Badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych. ITB. Warszawa, 2003r. 5. PN-EN Metody badania cementu. Oznaczanie wytrzymałości. 6. PN-EN Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dla cementów powszechnego użytku. 7. PN-EN Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. 8. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 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. Dz. U. 4, poz