5.2 Anvendelse af slagger som tilslag i beton

EAF-slagger indeholder en lille andel af amorf silicium og en stor andel af jernoxid. Den har ringe eller ingen puzzolanaktivitet sammenlignet med højovnsslagge, hvilket gør den uegnet til anvendelse som cementtilsætningsstof. Stålslaggens store hårdhed har ført til, at den er blevet overvejet som tilslagsmateriale i beton. Der er gennemført mange undersøgelser for at undersøge denne mulighed.

I , blev stålslagge anvendt til at erstatte en del af en fin aggregatfraktion, hvor kvartssand (svarende til 15 %, 30 % eller 50 %) eller finfraktion blev helt erstattet af slagge. I alle blandingerne var det grove aggregat kalksten. Den indflydelse, som slaggeprocenten havde på egenskaberne af frisk og hærdet beton i styrkeklasserne 25, 35 og 45 MPa, blev undersøgt. Som forventet øgede en forøgelse af slaggeindholdet den friske betonblanding med 5-20 % i forhold til konventionel beton på grund af den højere massefylde af stålslagge sammenlignet med naturlig tilslagsart, som følge af den højere massefylde af stålslagge. Dette blev anført som en af de vigtigste egenskaber ved stålslaggetilslagsbeton . Med stigende slaggeandel i betonen faldt også konsistensen.

Med hensyn til trykstyrke opnåede man ved at erstatte fine tilslag med slagge med op til 50 % omtrent de samme eller endog højere værdier for trykstyrke end referencebetonen, mens beton fremstillet udelukkende af slaggetilslag havde en lavere trykstyrke . Den positive effekt af slagge på betonens trykstyrke var mere udtalt i den lavere betonstyrkeklasse. Slaggens indflydelse på trækstyrken var mere udtalt end dens virkning på trykstyrken. Et øget indhold af slagge i den samlede tilslagsmasse øgede nemlig betonens trækstyrke. Den positive virkning af slagger på trækstyrken var også mere udtalt i den lavere betonstyrkeklasse. Udskiftning af naturlige tilslagsstoffer med slagge gav 1,4 til 2,4 gange højere trækstyrke og op til 1,3 gange højere trykstyrke (med 15 % slaggetilslag). Årsagen til faldet i trykstyrke med mere end 50 % slaggetilslag blev fundet at skyldes slaggens finhed i forhold til sand. Især øger den øgede mængde slagge i beton den samlede mængde af det fintmalede materiale. Derfor er der behov for en cement, der kan dække kornene. Ved at fjerne for store mængder fine partikler i slaggen var der en meget positiv effekt på trykstyrken i alle betonens modningsstadier.

I , blev effekten af at erstatte en brøkdel af groft tilslag i beton med slagge undersøgt. Alle de testede blandinger blev fremstillet med den samme mængde cement og med samme vand-cement-forhold. Trykstyrke, ultralydspulshastighed, absorption og korrosion af en blanding med et forhold af slagge i grove fraktioner på 45 %, 50 %, 55 %, 60 % og 65 % af den samlede vægt af tilslaget med referencebeton med kalksten (med et forhold mellem groft og fint på 60:40) blev sammenlignet. En forøgelse af slaggeandelen i den samlede masse af tilslagsmaterialet fik også betonens tryk- og trækstyrke til at stige. Med det samme forhold mellem groft og fint tilslag (60:40) fik slaggebeton en lidt højere trykstyrke og en lidt lavere trækstyrke sammenlignet med referencebetonen. Blandingens absorption og porøsitet falder i takt med, at slaggeandelen øges, hvilket tyder på, at sådanne betoners holdbarhedsegenskaber muligvis er bedre. Ultralydspulshastigheden steg med stigningen i slaggeandelen, hvilket tyder på et større elasticitetsmodul i beton med slagge som tilslag i forhold til referencebetonen.

Der blev også observeret en reduktion i trykstyrke og ultralydspulshastighed efter udsættelse for termiske variationer i 60 cyklusser. En cyklus bestod i at udsætte prøverne for 70 °C i 8 timer og for 25 °C i 16 timer. Nedgangen i trykstyrke under termiske variationer blev reduceret med stigningen i slaggetilslagsandelen i blandingen. Virkningen af termisk variation på ultralydspulshastigheden (og dermed på betonens elasticitetsmodul) var mindre udtalt i den beton, der indeholdt slagge, end i referencebetonen. Selv om stigningen i absorptionen som følge af termiske variationer var mere udtalt i blandinger, der indeholdt slagge, end i referencebetonen, var absorptionen af beton, der indeholdt slagge, bestemt mindre efter varmecyklusser end absorptionen af referencebeton . I samme artikel blev muligheden for en korrosiv virkning af tilslagsstoffet på stålet også undersøgt. Der blev fundet en væsentlig stigning i korrosionsbestandigheden af stål i beton indeholdende slagger sammenlignet med referencebeton, og stålkorrosionen blev mere forsinket med stigningen i slaggetilslag.

Når man analyserer stålslaggetilslags indflydelse på betonens mekaniske egenskaber (dvs. tryk- og trækstyrke), skal man tage hensyn til grænsefladeovergangszonen (ITZ) mellem tilslagspartiklerne og den cementholdige matrix. Denne ITZ anses for at være en svag zone i betonen. I dette område afhænger forekomsten af mikroblødning omkring aggregatpartiklerne, porøsitet og visse mikrostrukturelle træk af flere faktorer, f.eks. aggregatkvalitet og -størrelse, vand-cementforholdet, bindemidlet og blandingens alder . ITZ’s morfologi (dvs. kvalitet) spiller også en vigtig rolle for betonens permeabilitet og holdbarhed.

Anstedeværelsen af EAF-stålslagge i beton skaber en anden ITZ-morfologi. Især er en mindre og mindre hul ITZ sammenlignet med beton med naturlige stentilslag et resultat af den langsomme migration af CaO fra stålslaggekornenes kerne til overfladen, hvilket resulterer i den kemiske udvikling af CaO til kalciumkarbonat . På grund af en stærkere ITZ i EAF-stålslaggebeton, der viser sig ved brudte aggregatpartikler på brudfladen efter mekanisk brudprøvning af beton, forbedres betonens mekaniske styrke (tryk- og trækstyrke). Da stålslagge imidlertid har en porøs tekstur med mange revner og sprækker, kan man forvente brud under lavere belastninger. For at mindske denne porøse strukturs indvirkning på betonens styrkeegenskaber kan stålslaggeaggregatet forbehandles ved polering i en Los Angeles-slibemaskine. Dette polerede grove aggregat synes at have en forbedret kvalitet med en glattere overflade og modstandsdygtighed over for mikrosprængning af revner. Dette resulterer i en højere overfladetørhed og en lavere vandabsorption sammenlignet med almindeligt, ubehandlet stålslaggeaggregat . Polering af groft slaggeaggregat har også en indvirkning på træthedssvigt i beton. For beton med ubehandlet slaggeaggregat kan der observeres brud på aggregaterne, og træthedssvigt ender i aggregatbrudstypen. På den anden side er de fleste af aggregaterne i et tilfælde med poleret slaggeaggregat sunde, og træthedssvigt ender i grænsefladetypen mellem pasta og aggregat .

Egenskaberne ved poleret slaggeaggregat resulterer i forbedringer af betonegenskaber som f.eks. træthedsstyrke, deformation, akustisk emission og hårdhed af materialerne under trykudmattelsesbelastninger. Den anden måde at forbedre slaggeaggregatets kvalitet (især ITZ) på er ved en accelereret karbonatiseringsbehandling af stålslaggeaggregat. Denne karboniseringsproces foregår i en karboniseringsreaktor, der er forseglet til 70 °C og vakuumeret til -0,3 MPa . Derefter blev der indført CO2 i reaktoren, indtil trykket nåede 0,3 MPa. Denne proces forårsagede en ændring i aggregatets porestruktur. Den reducerer forekomsten af porer med en diameter større end 1 μm med 24,4 % og øger forekomsten af porer med en diameter på mindre end 1 nm med 67,9 % .

Efter karbonatisering faldt stålslaggeaggregatets vandabsorptionshastighed, mens dets impermeabilitetsegenskaber steg. Stålslaggens ekspansionsforhold er også reduceret på grund af reduktionen af det frie CaO-indhold. Til sammenligning af ITZ-styrke for beton med naturligt og stålslaggeaggregat blev styrken af forkullet stålslagge og naturligt aggregat sammenlignet så som betonens trykstyrke . Selv om knusningsstyrken for kulsyreholdigt slaggeaggregat var mindre end for naturligt aggregat, er trykstyrken for slaggebeton forbedret. Da betonprøvens tværsnit blev udsat for trykstyrkeprøvning, gik revnerne ikke gennem midten af tilslaget, men omkring selve kornet. Således er ITZ’en i beton med kulstofholdigt stålslaggeaggregat stærkere og mere robust end i beton med naturligt aggregat.

Kulstofholdigt slaggeaggregat har også en gavnlig indvirkning på miljøet – nemlig en reduktion af udvaskningspotentialet af visse elementer. I en analyse af udvaskningsegenskaberne for slaggeaggregat af rustfrit stål viste det sig, at Ca og Si var de elementer, der blev mest mærkbart påvirket af karbonatiseringen på grund af ændringerne i de mineralfaser, der er ansvarlige for opløselighedskontrollen af disse elementer . Udvaskningen af Cr, et af de mest giftige grundstoffer i slaggeaggregat, syntes ikke at blive signifikant påvirket af karbonatiseringen, selv om Mo viste en vis reduktion i udvaskningen.