Czy odpad może być cennym składnikiem betonu? - dr hab. inż. Magdalena Dobiszewska, prof. PBŚ

Foto: Ryszard Wszołek

Odpadowy pył bazaltowy - cenny składnik beton

Produkcja i zużycie kruszyw w Europie wynosi rocznie około 4 mld ton, z czego większość, tj. 91% pochodzi ze złóż naturalnych. Pomimo że złoża kruszyw naturalnych zalegają na powierzchni ziemi lub na niedużych głębokościach i należą do złóż pospolitych, to obecnie w wielu krajach brakuje kruszyw, a przede wszystkim piasku naturalnego. W Polsce również występują duże problemy z pozyskiwaniem nowych złóż surowców naturalnych, pomimo stosunkowo dużych zasobów geologicznych złóż kruszyw w naszym kraju. Ustanowienie europejskiej sieci obszarów chronionych Natura 2000 spowodowało, że w obszarach tych znajduje się w Polsce ponad 900 udokumentowanych złóż, w tym około 500 eksploatowanych złóż surowców skalnych. Konieczność przestrzegania zasad wynikających z unijnej dyrektywy siedliskowej stanowi ograniczenie o około 35% obecnych możliwości wydobycia.

W tej sytuacji poszukuje się innych materiałów mogących stanowić zamiennik kruszyw naturalnych stosowanych do produkcji betonu. Częściowy substytut kruszywa drobnego, tj. piasku mogą stanowić żużle wielkopiecowe lub popioły lotne, a także pyły skalne, które są odpadem powstającym m.in. w procesie produkcji kruszyw łamanych. Podczas wydobywania i mechanicznej obróbki skał, a następnie wskutek ich sortowania, wytwarzane są duże ilości materiału odpadowego, w postaci pyłu skalnego. Podobne odpady pylaste powstają w procesie suszenia kruszywa stosowanego do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych oraz w zakładach kamieniarskich. Składowanie tego drobnoziarnistego materiału stwarza poważne problemy środowiskowe. Wywiewane do atmosfery pyły przyczyniają się w znacznym stopniu do akumulacji i powstawania szkodliwej dyspersji w powietrzu, wodzie i glebie drobnych cząstek stałych.

Skład chemiczny i mineralny pyłów jest taki sam jak skały macierzystej, z której pochodzą. To sprawia, iż mogą być one stosowane do produkcji zapraw cementowych i betonów, jako częściowy substytut kruszywa drobnego lub nawet cementu. Pozwoli to nie tylko na obniżenie kosztów produkcji budowlanej, ale również na efektywne zagospodarowanie tego odpadu. Takie wykorzystanie odpadów zgodne jest z zasadą zrównoważonego rozwoju, która zakłada racjonalne gospodarowanie nieodnawialnymi zasobami naturalnymi i zastępowanie ich substytutami z recyklingu odpadów.

Stosowanie w produkcji kompozytów cementowych materiałów odpadowych, których właściwości i kryteria ich oceny nie zostały określone w normach, wymaga przeprowadzenia kompleksowej analizy i oceny cech wyprodukowanych z ich udziałem zapraw i betonów. Badania takie powinny m.in. obejmować ocenę wpływu dodatków na przebieg hydratacji cementu, analizę właściwości technologicznych zapraw i mieszanek betonowych oraz właściwości fizycznych stwardniałych kompozytów cementowych, analizę mikrostruktury matrycy cementowej ze zwróceniem szczególnej uwagi na strefę przejściową zaczyn-kruszywo, a także ocenę wpływu dodatków na odporność kompozytów cementowych na typowe oddziaływania środowiskowe oraz oddziaływanie agresywnych substancji chemicznych.

Charakterystyka pyłu bazaltowego

W przedstawionych w artykule badaniach dotyczących możliwości wykorzystania pyłu bazaltowego w kompozytach cementowych wykorzystany został pył, który jest odpadem powstającym w procesie produkcji mas mineralno-asfaltowych (MMA) z kruszywem bazaltowym. Przy wytwarzaniu mas powstaje około 5% pyłów skalnych. Oznacza to, że w każdej wytwórni mieszanek mineralno-asfaltowych powstaje rocznie około 5 tysięcy ton odpadowego pyłu. Średnia gęstość pyłów wynosiła 2,99-3,10 g/cm³, a powierzchnia właściwa określona metodą Blaine`a około 3200-3500 cm²/g. W rozkładzie wielkości cząstek dominowała frakcja w zakresie 2-20 µm, która zajmowała objętość około 40-50%.

W piśmiennictwie światowym znaleźć można pojedyncze wyniki badań świadczące o aktywności pucolanowej pyłu bazaltowego, który powstał podczas kruszenia skał bazaltowych pochodzących z kopalni zlokalizowanych w Izraelu, Chinach oraz Egipcie. Dlatego przeprowadzono kompleksowe badania dotyczące określenia właściwości pucolanowych pyłu bazaltowego pochodzącego z rejonu Dolnego Śląska.Badania wykonano za pomocą metody chemicznej polegającej na oznaczeniu zawartości aktywnych składników w pyle (tlenków krzemu i glinu rozpuszczalnych w roztworach zasadowych), metody fizycznej opartej na wyznaczeniu wskaźnika aktywności pucolanowej pyłu bazaltowego na podstawie wytrzymałości zapraw cementowych z częściową zamianą cementu pyłem, a także za pomocą analizy termicznej, która pozwala określić ilość wodorotlenku wapnia związanego przez pucolanę w zaczynie cementowym. Wyniki badań wskazały na nieznaczną aktywność pucolanową pyłów bazaltowych.

Wpływ pyłu bazaltowego na hydratację cementu oraz mikrostrukturę strefy przejściowej między kruszywem a zaczynem

Oceny wpływu pyłu bazaltowego na hydratację cementu dokonano na podstawie analizy szybkości reakcji hydratacji oraz analizy mikrostruktury twardniejącego zaczynu cementowego.Szybkość reakcji cementu z wodą oraz ilość wydzielonego ciepła hydratacji ustalono na podstawie pomiarów w mikrokalorymetrze różnicowym nieizotermicznym. Analizowano zaczyny cementowe z dodatkiem pyłu bazaltowego w ilości 10-40% masy cementu oraz czysty zaczyn cementowy, tj. bez dodatku pyłu. Pył bazaltowy wpłynął na szybkość hydratacji cementu. W miarę zwiększania dodatku pyłu, niewielkiemu wydłużeniu uległ okres indukcji. Natomiast w okresie wzrostu szybkości reakcji następuje niewielkie przyspieszenie hydratacji. W miarę zwiększania się udziału pyłu bazaltowego, zmniejszała się ilość ciepła wydzielonego podczas hydratacji. Względne zmniejszenie ilości wydzielonego ciepła hydratacji jest mniejsze, niż zmniejszenie zawartości cementu w zaczynie. Świadczy to o nieznacznym przyspieszeniu hydratacji w wyniku dodatku pyłu bazaltowego.

Wpływ dodatku pyłu bazaltowego na hydratację cementu zbadano również na podstawie analizy mikrostruktury matrycy cementowej we wczesnym okresie hydratacji. Na cząstkach pyłu bazaltowego krystalizują produkty hydratacji, a szczególnie faza C-S-H. Bardzo drobne cząstki pyłu bazaltowego działają jako ośrodki krystalizacji i dają dodatkową powierzchnię, na której osadzać mogą się zarodki C-S-H (rys. 1.)

Rys. 1. Mikrostruktura zaczynu z dodatkiem pyłu bazaltowego po 2h hydratacji (po lewej) oraz po 5h hydratacji (po prawej): punkt 1 – ziarno pyłu bazaltowego, punkty 2 i 3 – faza C-S-H

W zaczynie cementowym bez dodatku pyłu bazaltowego zidentyfikowano duże heksagonalne płytki portlandytu (rys. 2.), czego nie stwierdzono w badaniach mikrostruktury zaczynu z pyłem bazaltowym.

Rys. 2. Mikrostruktura zaczynu cementowego bez dodatku pyłu bazaltowego po 2h hydratacji (po lewej) oraz po 5h hydratacji (po prawej). Widoczne duże heksagonalne płytki portlandytu: punkty 1 i 2 – portlandyt, punkty 3 i 4 – faza C-S-H

Jednak wyniki badań zawartości wodorotlenku wapnia w zaczynie cementowym nie potwierdziły, że dodatek pyłu bazaltowego wpływa na zmniejszenie jego zawartości. Można więc przypuszczać, że drobniejsze od ziaren cementu cząstki pyłu bazaltowego uszczelniły mikrostrukturę zaczynu cementowego, w wyniku czego nie było dużych porów dających miejsce do powstawania większych kryształów portlandytu. W zaczynie z pyłem powstały dużo mniejsze kryształy portlandytu równomiernie rozproszone w matrycy cementowej, które trudniej było zidentyfikować w obrazach mikrostruktury SEM.

Również w strefie kontaktowej kruszywo-zaczyn w betonie bez pyłu bazaltowego w wielu miejscach stwierdzono duże kryształy portlandytu, czego nie zaobserwowano w przypadku betonu z dodatkiem pyłu (rys. 3.). Brak dużych kryształów portlandytu świadczy o mniejszej porowatości strefy przejściowej w betonie z dodatkiem pyłu bazaltowego, co jak wiadomo świadczy o wzmocnieniu tej strefy.

Rys. 3. Mikrostruktura strefy przejściowej: beton bez dodatku pyłu bazaltowego po 28 dniach hydratacji (po lewej): punkt 1 – ziarno kruszywa, punkt 2 – portlandyt, punkt 3 - faza C-S-H, beton z 10% dodatkiem pyłu bazaltowego po 28 dniach hydratacji (po prawej): punkty 1 i 3 – ziarna pyłu bazaltowego, punkty 2 i 4-6 – faza C-S-H

Analiza przedstawionych na rys. 4 obrazów BSE zgładów betonu bez pyłu bazaltowego oraz z dodatkiem pyłu, wyraźnie wskazuje na różnicę w mikrostrukturze strefy przejściowej w obu betonach.

Rys. 4. Zgłady betonu po 28 dniach hydratacji: beton bez pyłu bazaltowego (po lewej), beton z 10% dodatkiem pyłu bazaltowego (po prawej)

Mikropęknięcia w betonie bez dodatku pyłu przebiegają wzdłuż granicy między kruszywem i zaczynem cementowym, a następnie propagują do matrycy cementowej łącząc poszczególne ziarna kruszywa. Natomiast w betonie z dodatkiem pyłu mikropęknięcia są praktycznie niezauważalne. Zaczyn cementowy ściśle przylega do ziarna kruszywa, a mikrostruktura strefy przejściowej ma zwartą budowę, co wskazuje na jej wzmocnienie w wyniku dodatku pyłu bazaltowego.

Korzystne oddziaływanie pyłu bazaltowego na mikrostrukturę strefy przejściowej ma głównie związek z pełnieniem przez pył roli wypełniacza. Drobne cząstki pyłu lokują się pomiędzy ziarnami cementu, co prowadzi do uszczelnienia matrycy cementowej. Powierzchnia ziaren pyłu bazaltowego stanowi aktywne centra do heterogenicznej nukleacji hydratów, a szczególnie fazy C-S-H. Wzrost zawartości fazy C-S-H, która ściśle przylega do powierzchni ziaren kruszywa (rys. 3.), powoduje zdecydowane zmniejszenie porowatości strefy przejściowej, a tym samym zwiększenie wytrzymałości betonu. Otoczki produktów hydratacji na ziarnach pyłu bazaltowego oraz na ziarnach cementu w miarę postępu hydratacji zwiększają swoją objętość i łączą się ze sobą. W konsekwencji powstaje zwarta mikrostruktura, w której nieprzereagowane ziarna cementu oraz cząstki pyłu bazaltowego pełnią rolę mikrokruszywa. Prowadzi to do wzmocnienia strefy przejściowej.

Podstawowe właściwości kompozytów cementowych z dodatkiem pyłu bazaltowego

Właściwości wytrzymałościowe zapraw cementowych z dodatkiem pyłu bazaltowego jako częściowego zamiennika cementu pogarszają się. Wraz ze wzrostem zawartości pyłu zastępującego cement maleje wytrzymałość na ściskanie zapraw. W miarę zwiększania udziału pyłu bazaltowego, zmniejsza się zawartość cementu w zaprawie, co przy stałej ilości wody w mieszance prowadzi do stopniowego zwiększania się rzeczywistego wskaźnika w/c. Jest to oczywiście główną przyczyną obniżania się wytrzymałości zapraw. Natomiast efekt tzw. „rozcieńczenia cementu” nie wpłynął istotnie na zmianę wytrzymałości na zginanie zapraw z dodatkiem pyłu bazaltowego w stosunku do zapraw o składzie normowym. Bardzo duży wpływ na wytrzymałość na zginanie ma strefa kontaktowa zaczyn-kruszywo, a w szczególności przyczepność matrycy cementowej do ziaren kruszywa. Wprowadzenie ziaren pyłu, który pełni rolę mikrokruszywa, powoduje zwiększenie powierzchni kontaktu z matrycą, co przyczynia się do lepszego przekazywania naprężeń. Mikrostruktura zaczynu jest bardziej zwarta i jednorodna, co oznacza mniejsze prawdopodobieństwo powstawania nieciągłości, na których nastąpić może koncentracja naprężeń, a tym samym mniejsze jest prawdopodobieństwo zainicjowania spękań. Wpływa to szczególnie korzystnie właśnie na wytrzymałość na zginanie.

Natomiast zastosowanie pyłu bazaltowego jako częściowego zamiennika piasku pozytywnie wpływa na właściwości kompozytów cementowych. Ziarna pyłu bazaltowego, wprowadzone w zamian za część piasku, lokują się między ziarnami piasku i grubszego kruszywa wypełniając puste przestrzenie. Prowadzi to do lepszego upakowania materiału ziarnistego, a tym samym zmniejszenia jamistości stosu okruchowego. Przeprowadzenie badań przy założeniu substytucji piasku pyłem bazaltowym pozwoliło przede wszystkim dokonać analizy wpływu uszczelnienia mieszanki kruszywowej na właściwości zapraw i betonów.

Wyniki przeprowadzonych badań jednoznacznie wskazują na korzystny wpływ pyłu bazaltowego zastępującego piasek na wytrzymałość betonów (rys. 5 i 6). Wraz ze wzrostem zawartości pyłu zwiększała się wytrzymałość na ściskanie i zginanie w każdym analizowanym okresie dojrzewania. Warto zwrócić uwagę, że beton z dodatkiem pyłu bazaltowego w ilości 10% już po 7 dniach osiągnął wytrzymałość na ściskanie równą 28-dniowej wytrzymałości betonu referencyjnego, a po 14 dniach – wytrzymałość równą 90-dniowej wytrzymałości tego betonu.

Rys. 5. Wytrzymałość betonu na ściskanie w funkcji czasu i zawartości pyłu bazaltowego zastępującego piasek (B0 oznacza beton referencyjny, a B10-B30 betony z dodatkiem pyłu w ilości 10-30% masy piasku)

Rys. 6. Wytrzymałość betonu na zginanie w funkcji czasu i zawartości pyłu bazaltowego zastępującego piasek (B0 oznacza beton referencyjny, a B10-B30 betony z dodatkiem pyłu w ilości 10-30% masy piasku)

Dodatek pyłu bazaltowego w niewielkim stopniu wpływa na nasiąkliwość kompozytów cementowych natomiast istotnie przyczynia się do obniżenia przepuszczalności, na którą duży wpływ ma system porów. Największe znaczenie ma w tym przypadku udział i struktura ciągłych porów kapilarnych. Przerwanie ciągłości porów kapilarnych ogranicza wnikanie i przemieszczanie się wody w betonie, a tym samym zmniejsza jego przepuszczalność. Bardzo drobne cząstki pyłu bazaltowego najprawdopodobniej zablokowały ciągłe pory kapilarne, co niewątpliwie wpłynęło na zmniejszenie przepuszczalności betonu. Trwałość betonu z dodatkiem pyłu bazaltowego rozpatrywano w aspekcie wpływu modyfikacji kompozytów cementowych pyłem na przebieg korozji chlorkowej oraz dyfuzyjność betonu w odniesieniu do jonów chlorkowych i dwutlenku węgla, a także odporność betonu na cykliczne zmiany temperatury. Wpływ pyłu bazaltowego na trwałość kompozytów cementowych warunkowany jest głównie jego wpływem na mikrostrukturę stwardniałej matrycy cementowej, a więc na porowatość materiału. Wraz ze wzrostem udziału pyłu bazaltowego zmniejsza się całkowita objętość porów i porowatość. Dodatek pyłu bazaltowego powoduje zmniejszenie porowatości zapraw w zakresie porów kapilarnych. Natomiast wyraźnie zwiększa się udział najdrobniejszych porów o średnicy poniżej 50 nm oraz porów żelowych mniejszych od 10 nm (rys. 7). Ma to korzystny wpływ na uszczelnienie mikrostruktury zapraw, co przekłada się na zwiększenie wytrzymałości oraz trwałości. Jest to zbieżne z wynikami badań wytrzymałości betonu z dodatkiem pyłu bazaltowego zastępującego piasek, z których wynika, że wraz ze wzrostem zawartości pyłu bazaltowego wzrasta wytrzymałość.

Rys. 7. Udział porów o określonej średnicy w całkowitej objętości porów w zaprawie cementowej z dodatkiem pyłu bazaltowego

Korzystny wpływ pyłu bazaltowego zastępującego piasek na mikrostrukturę matrycy cementowej, determinuje większą odporność betonu z dodatkiem pyłu na agresywne oddziaływanie środowiska chlorkowego oraz mniejszą zdolność betonu do dyfuzji jonów chlorkowych. Efekt uszczelnienia mikrostruktury stwardniałego zaczynu cementowego w wyniku dodatku pyłu bazaltowego zastępującego piasek, a także zmniejszenie porowatości i zawartości porów kapilarnych są główną przyczyną ograniczenia dyfuzji jonów chlorkowych w betonie, a tym samym większej odporności betonu na działanie agresywnego roztworu chlorków. Uszczelnienie mikrostruktury matrycy cementowej cząstkami pyłu bazaltowego wpłynęło także na ograniczenie dyfuzyjności betonu w odniesieniu do dwutlenku węgla, co ustalono pośrednio na podstawie oceny zasięgu strefy skarbonatyzowanej w betonie i jego zmian w czasie. Zaprawy cementowe i betony z dodatkiem pyłu bazaltowego zastępującego piasek mają także większą odporność, na cykliczne zamrażanie i odmrażanie, co określono na podstawie spadku wytrzymałości próbek zamrażanych w stosunku do wytrzymałości próbek przechowywanych w wodzie.

Podsumowanie

Wzrost produkcji kruszyw bazaltowych w naszym kraju oraz perspektywy rozwoju infrastruktury drogowej, co wiąże się ze zwiększeniem produkcji mas mineralno-asfaltowych, prowadzi do powstawania coraz większej ilości odpadu w postaci materiału pylastego. Zagospodarowanie tego odpadu stanowi obecnie duży problem dla producentów kruszyw mineralnych oraz wytwórni mas mineralno-asfaltowych. Świadczy to o tym, że podjęcie badań dotyczące możliwości zagospodarowania tych odpadów i ich wykorzystania w produkcji kompozytów cementowych jest w pełni uzasadnione.

Pył bazaltowy zastosowany jako częściowy substytut piasku, korzystnie wpływa na właściwości betonu, a także odporność na agresywne oddziaływanie środowiska chlorkowego, dyfuzyjność w odniesieniu do jonów chlorkowych i dwutlenku węgla oraz odporność na cykliczne zmiany temperatury.

Najważniejszy i dominujący mechanizm korzystnego działania pyłu bazaltowego związany jest z efektem wypełniacza, czyli z fizycznym oddziaływaniem. Bardzo drobne cząstki pyłu wypełniają przestrzenie między ziarnami cementu oraz między ziarnami kruszywa, czego efektem jest zmniejszenie porowatości matrycy cementowej. Dodatek pyłu bazaltowego wpływa na zmniejszenie udziału dużych porów kapilarnych oraz wzrost zawartości małych porów, co prowadzi do uszczelnienia mikrostruktury stwardniałego zaczynu cementowego, a tym samym zmniejszenia przepuszczalności zapraw i betonu. W konsekwencji kompozyty cementowe z dodatkiem pyłu bazaltowego charakteryzują się większą wytrzymałością i odpornością na działanie agresywnego środowiska. Powierzchnia ziaren pyłu bazaltowego stanowi aktywne centra, na których powstają heterozarodki głównie fazy C-S-H, co sprzyja zwiększeniu zawartości fazy C-S-H, a tym samym uszczelnienie i zmniejszenie porowatości stwardniałego zaczynu cementowego. Strefa kontaktowa w betonie z pyłem bazaltowym tworzy zwartą mikrostrukturę o mniejszej porowatości i dużej wytrzymałości, o czym świadczy brak mikrospękań w tym obszarze. Wpływa to korzystnie na właściwości wytrzymałościowe betonu z dodatkiem pyłu bazaltowego oraz większą odporność na działanie środowiska agresywnego.

Pył bazaltowy, traktowany obecnie jako odpad produkcyjny, może być stosowany do produkcji zapraw i betonów cementowych jako częściowy zamiennik piasku. Taki sposób wykorzystania tego odpadu jest uzasadniony technicznie, ekonomicznie i ekologicznie oraz jest zgodny z zasadą zrównoważonego rozwoju, gdyż pozawala ograniczyć zużycie surowców naturalnych do produkcji kompozytów cementowych oraz efektywnie zagospodarować odpad.

Autorka: dr hab. inż. Magdalena Dobiszewska, prof. PBŚ