5.2 Využití strusky jako kameniva v betonu

Struska z elektrické obloukové pece obsahuje malý podíl amorfního křemíku a vysoký podíl oxidu železa. Ve srovnání s vysokopecní struskou má malou nebo žádnou pucolánovou aktivitu, což ji činí nevhodnou pro použití jako přísadu do cementu. Velká tvrdost ocelářské strusky vedla k tomu, že se o ní uvažuje jako o kamenivu do betonu. Byla provedena řada studií, které se touto možností zabývaly.

V roce , kdy byla ocelová struska použita jako náhrada části frakce jemného kameniva, v níž byl křemičitý písek (ve výši 15 %, 30 % nebo 50 %) nebo jemná frakce zcela nahrazena struskou. Ve všech směsích bylo hrubé kamenivo tvořeno vápencem. Byl zkoumán vliv, který mělo procento strusky na vlastnosti čerstvého a ztvrdlého betonu v pevnostních třídách 25, 35 a 45 MPa. Jak se očekávalo, vzhledem k vyšší hustotě ocelové strusky ve srovnání s přírodním kamenivem se zvýšením obsahu strusky zvýšila hustota čerstvé betonové směsi o 5-20 % oproti běžnému betonu. Bylo konstatováno, že to je jedna z nejdůležitějších vlastností betonu z ocelového struskového kameniva . Také se zvyšujícím se podílem strusky v betonu klesala jeho konzistence.

Co se týče pevnosti v tlaku, nahrazením jemného kameniva struskou až o 50 % bylo dosaženo přibližně stejných nebo dokonce vyšších hodnot pevnosti v tlaku než u referenčního betonu, zatímco beton vyrobený pouze ze struskového kameniva měl pevnost v tlaku nižší . Pozitivní vliv strusky na pevnost betonu v tlaku byl výraznější u nižší pevnostní třídy betonu. Vliv strusky na pevnost v tahu byl výraznější než její vliv na pevnost v tlaku. Konkrétně zvýšený obsah strusky v celkové hmotnosti kameniva zvyšoval pevnost betonu v tahu. Pozitivní vliv strusky na pevnost v tahu byl rovněž výraznější u nižší pevnostní třídy betonu. Nahrazení přírodního kameniva struskou vytvořilo 1,4 až 2,4krát vyšší pevnost v tahu a až 1,3krát vyšší pevnost v tlaku (s 15 % struskového kameniva). Bylo zjištěno, že příčinou poklesu pevnosti v tlaku u více než 50 % struskového kameniva je jemnost strusky ve srovnání s pískem. Zejména zvýšené množství strusky v betonu zvyšuje celkové množství jemně mletého materiálu. Proto je zapotřebí cement, který zrna obalí. Eliminací nadměrného množství jemných částic ve strusce došlo k velmi pozitivnímu vlivu na pevnost v tlaku ve všech fázích zrání betonu.

V roce , byl zkoumán vliv nahrazení části hrubého kameniva v betonu struskou. Všechny testované směsi byly vyrobeny se stejným množstvím cementu a se stejným poměrem vody a cementu. Byly porovnány pevnost v tlaku, rychlost ultrazvukového impulsu, nasákavost a koroze směsi s poměrem strusky v hrubé frakci 45 %, 50 %, 55 %, 60 % a 65 % celkové hmotnosti kameniva s referenčním betonem s vápencem (s poměrem hrubého a jemného kameniva 60:40). Zvýšením podílu strusky v celkové hmotnosti kameniva se zvýšila i pevnost betonu v tlaku a tahu. Při stejném poměru hrubého a jemného kameniva (60:40) získal struskový beton mírně vyšší pevnost v tlaku a mírně nižší pevnost v tahu ve srovnání s referenčním betonem. S rostoucím podílem strusky klesá nasákavost a pórovitost směsi, což naznačuje možné lepší trvanlivé vlastnosti takového betonu . Rychlost ultrazvukových impulsů se zvyšovala s nárůstem podílu strusky, což naznačuje větší modul pružnosti betonu se struskou jako kamenivem ve srovnání s referenčním betonem.

Bylo také pozorováno snížení pevnosti v tlaku a rychlosti ultrazvukových impulsů po vystavení tepelným změnám během 60 cyklů. Jeden cyklus spočíval ve vystavení vzorků teplotě 70 °C po dobu 8 h a teplotě 25 °C po dobu 16 h. Pokles pevnosti v tlaku během tepelných změn se snižoval s nárůstem podílu struskového kameniva ve směsi. Vliv tepelných změn na rychlost ultrazvukových impulsů (a tím i na modul pružnosti betonu) byl u betonu, který obsahoval strusku, méně výrazný než u referenčního betonu. Ačkoli zvýšení absorpce v důsledku tepelných změn bylo výraznější u směsí obsahujících strusku než u referenčního betonu, absorpce betonu obsahujícího strusku byla po tepelných cyklech rozhodně menší než absorpce referenčního betonu . Ve stejném článku byla také zkoumána možnost korozního působení kameniva na ocel. Bylo zjištěno podstatné zvýšení korozní odolnosti oceli zabudované v betonu obsahujícím strusku ve srovnání s referenčním betonem, přičemž koroze oceli se s nárůstem struskového kameniva více opožďovala.

Při analýze vlivu ocelového struskového kameniva na mechanické vlastnosti betonu (tj. pevnost v tlaku a tahu) je třeba vzít v úvahu mezifázovou přechodovou zónu (ITZ) mezi částicemi kameniva a cementovou matricí. Tato ITZ je považována za slabou zónu betonu. V této oblasti závisí výskyt mikrotrhlin kolem částic kameniva, pórovitost a některé mikrostrukturní vlastnosti na několika faktorech, jako je kvalita a velikost kameniva, poměr vody a cementu, pojivo a stáří směsi . Také morfologie (tj. kvalita) ITZ hraje důležitou roli v propustnosti a trvanlivosti betonu.

Přítomnost ocelářské strusky EAF v betonu vytváří odlišnou morfologii ITZ. Zejména menší a méně dutá ITZ ve srovnání s betonem z přírodního kameniva je důsledkem pomalé migrace CaO z jádra zrn ocelářské strusky na její povrch, což vede k chemickému vývoji CaO na uhličitan vápenatý . V důsledku silnější ITZ v betonu z ocelové strusky EAF, která se projevuje rozbitými částicemi kameniva na lomovém povrchu po zkoušce mechanického porušení betonu, dochází ke zlepšení mechanické pevnosti betonu (v tlaku a tahu). Protože však ocelová struska má porézní strukturu s četnými trhlinami a štěrbinami, lze očekávat porušení při nižším zatížení. Aby se snížil vliv této porézní struktury na pevnostní charakteristiky betonu, lze kamenivo z ocelové strusky předběžně upravit leštěním na brusném stroji v Los Angeles. Zdá se, že takto vyleštěné hrubé kamenivo má lepší kvalitu, hladší povrch a odolnost proti vzniku mikrotrhlin. Výsledkem je vyšší povrchová hustota za sucha a nižší míra nasákavosti ve srovnání s běžným, neupraveným ocelovým struskovým kamenivem . Také leštící úprava hrubého struskového kameniva má vliv na únavové poruchy betonu. U betonu s neošetřeným struskovým kamenivem lze pozorovat lámání kameniva a únavové selhání končí typem lámání kameniva. Naproti tomu v případě leštěného struskového kameniva je většina kameniva zdravá a únavové porušení končí v typu rozhraní-loupání mezi pastou a kamenivem .

Vlastnosti leštěného struskového kameniva vedou ke zlepšení vlastností betonu, jako je únavová pevnost, deformace, akustické emise a tvrdost materiálů při únavovém zatížení v tlaku. Dalším způsobem zlepšení kvality struskového kameniva (zejména ITZ) je urychlená karbonatační úprava ocelového struskového kameniva. Tento proces karbonatace se provádí v karbonatačním reaktoru, který byl utěsněn na 70 °C a podtlakován na -0,3 MPa . Poté byl do reaktoru přiváděn CO2, dokud tlak nedosáhl 0,3 MPa. Tento proces způsobil změnu pórové struktury kameniva. Snížil se výskyt pórů o průměru větším než 1 μm o 24,4 % a zvýšil se výskyt pórů o průměru menším než 1 nm o 67,9 % .

Po karbonataci se snížila míra absorpce vody agregátem ocelové strusky, zatímco se zvýšily jeho nepropustné vlastnosti. V důsledku snížení obsahu volného CaO se také snížil expanzní poměr ocelové strusky. Pro porovnání pevnosti ITZ u betonu s přírodním kamenivem a kamenivem z ocelové strusky byla porovnána pevnost karbonatizované ocelové strusky a přírodního kameniva, takže jako pevnost betonu v tlaku . Přestože pevnost v tlaku saturovaného struskového kameniva byla nižší než pevnost přírodního kameniva, pevnost struskového betonu v tlaku se zlepšila. Když byl průřez vzorku betonu podroben zkoušce pevnosti v tlaku, trhliny neprocházely středem kameniva, ale pohybovaly se kolem vlastního zrna. ITZ betonu z karbonátového ocelového struskového kameniva je tedy pevnější a odolnější než beton z přírodního kameniva.

Karbonatace struskového kameniva má také příznivý vliv na životní prostředí – konkrétně snižuje potenciál vyluhování některých prvků. Při analýze vyluhovacích vlastností struskového kameniva z nerezavějící oceli bylo zjištěno, že Ca a Si jsou prvky, které jsou karbonatací ovlivněny nejvýrazněji, a to v důsledku změn minerálních fází odpovědných za kontrolu rozpustnosti těchto prvků . Vyluhovatelnost Cr, jednoho z nejtoxičtějších prvků ve struskovém kamenivu, se ukázala být karbonizací nevýznamně ovlivněna, ačkoli Mo vykazoval určité snížení vyluhovatelnosti

.