5.2 Schlackenverwendung als Zuschlagstoff in Beton
EAF-Schlacke enthält einen geringen Anteil an amorphem Silizium und einen hohen Anteil an Eisenoxid. Sie besitzt im Vergleich zur Hochofenschlacke keine oder nur eine geringe puzzolanische Aktivität, was sie für die Verwendung als Zementzusatzstoff ungeeignet macht. Die große Härte von Stahlschlacke hat dazu geführt, dass sie als Zuschlagstoff für Beton in Betracht gezogen wird. Zahlreiche Studien wurden durchgeführt, um diese Möglichkeit zu erforschen.
In wurde Stahlschlacke verwendet, um einen Teil einer feinen Gesteinskörnung zu ersetzen, wobei Quarzsand (in Höhe von 15 %, 30 % oder 50 %) oder die feine Fraktion vollständig durch Schlacke ersetzt wurde. Bei allen Mischungen bestand die grobe Gesteinskörnung aus Kalkstein. Untersucht wurde der Einfluss des Schlackenanteils auf die Eigenschaften von Frisch- und Festbeton in den Festigkeitsklassen 25, 35 und 45 MPa. Aufgrund der höheren Dichte von Stahlschlacke im Vergleich zu natürlichen Gesteinskörnungen führte eine Erhöhung des Schlackenanteils erwartungsgemäß zu einer Erhöhung der Dichte der Frischbetonmischung um 5-20 % gegenüber herkömmlichem Beton. Dies wurde als eine der wichtigsten Eigenschaften von Beton mit Stahlschlackenzuschlag bezeichnet. Außerdem nahm die Konsistenz des Betons mit steigendem Schlackenanteil ab.
Was die Druckfestigkeit betrifft, so wurden durch den Ersatz feiner Gesteinskörnung durch Schlacke um bis zu 50 % annähernd gleiche oder sogar höhere Werte der Druckfestigkeit als beim Referenzbeton erreicht, während Beton, der nur aus Schlackenzuschlagstoffen bestand, eine geringere Druckfestigkeit aufwies. Die positive Wirkung der Schlacke auf die Druckfestigkeit des Betons war in der unteren Betonfestigkeitsklasse stärker ausgeprägt. Der Einfluss der Schlacke auf die Zugfestigkeit war ausgeprägter als ihr Einfluss auf die Druckfestigkeit. Je höher der Anteil der Schlacke an der gesamten Gesteinskörnung ist, desto höher ist die Zugfestigkeit des Betons. Die positive Auswirkung der Schlacke auf die Zugfestigkeit war auch in der unteren Betonfestigkeitsklasse stärker ausgeprägt. Der Ersatz natürlicher Gesteinskörnungen durch Schlacke führte zu einer 1,4- bis 2,4-fachen Zugfestigkeit und zu einer bis zu 1,3-fachen Druckfestigkeit (bei 15 % Schlackenzuschlag). Die Ursache für den Rückgang der Druckfestigkeit bei einem Anteil von mehr als 50 % Schlackenzuschlag wurde in der Feinheit der Schlacke im Vergleich zu Sand gesehen. Insbesondere erhöht sich durch den höheren Anteil an Schlacke im Beton die Gesamtmenge des fein gemahlenen Materials. Daher wird ein Zement benötigt, der die Körner umhüllt. Durch die Beseitigung übermäßiger Mengen feiner Partikel in der Schlacke wurde eine sehr positive Auswirkung auf die Druckfestigkeit in allen Reifestadien des Betons erzielt.
In wurde die Wirkung des Ersatzes eines Teils der groben Gesteinskörnung im Beton durch Schlacke untersucht. Alle geprüften Mischungen wurden mit der gleichen Zementmenge und dem gleichen Wasser-Zement-Verhältnis hergestellt. Druckfestigkeit, Ultraschallimpulsgeschwindigkeit, Absorption und Korrosion einer Mischung mit einem Schlackenanteil von 45 %, 50 %, 55 %, 60 % und 65 % des Gesamtgewichts der Gesteinskörnung wurden mit dem Referenzbeton mit Kalkstein (mit einem Verhältnis von Grob- zu Feinkorn von 60:40) verglichen. Mit der Erhöhung des Schlackenanteils an der Gesamtmasse der Gesteinskörnung stiegen auch die Druck- und Zugfestigkeit des Betons. Bei gleichem Verhältnis von grober und feiner Gesteinskörnung (60:40) erreichte der Schlackenbeton eine etwas höhere Druckfestigkeit und eine etwas niedrigere Zugfestigkeit als der Referenzbeton. Die Absorption und die Porosität der Mischung nehmen mit steigendem Schlackenanteil ab, was auf mögliche bessere Dauerhaftigkeitseigenschaften eines solchen Betons schließen lässt. Die Ultraschall-Impulsgeschwindigkeit nahm mit steigendem Schlackenanteil zu, was auf einen höheren Elastizitätsmodul des Betons mit Schlacke als Zuschlagstoff im Vergleich zum Referenzbeton hindeutet.
Eine Verringerung der Druckfestigkeit und der Ultraschall-Impulsgeschwindigkeit nach der Exposition gegenüber thermischen Schwankungen während 60 Zyklen wurde ebenfalls beobachtet. Ein Zyklus bestand darin, die Proben 8 h lang 70°C und 16 h lang 25°C auszusetzen. Die Druckfestigkeitsabnahme während der thermischen Variation wurde mit der Erhöhung des Schlackenzuschlagsanteils in der Mischung reduziert. Die Auswirkung der thermischen Variation auf die Ultraschallimpulsgeschwindigkeit (und damit auf den Elastizitätsmodul des Betons) war bei dem Beton, der Schlacke enthielt, weniger ausgeprägt als bei dem Referenzbeton. Obwohl der Anstieg der Absorption aufgrund der thermischen Variationen in den Mischungen, die Schlacke enthielten, ausgeprägter war als im Referenzbeton, war die Absorption des Betons, der Schlacke enthielt, nach den Wärmezyklen sicherlich geringer als die Absorption des Referenzbetons. In der gleichen Arbeit wurde auch die Möglichkeit einer korrosiven Wirkung der Gesteinskörnung auf Stahl untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Korrosionsbeständigkeit von Stahl in schlackenhaltigem Beton im Vergleich zum Referenzbeton erheblich zunimmt und die Stahlkorrosion mit zunehmendem Anteil an Schlackenzuschlag verzögert wird.
Bei der Analyse des Einflusses von Stahlschlackenzuschlag auf die mechanischen Eigenschaften von Beton (d.h. Druck- und Zugfestigkeit) muss die Grenzflächenübergangszone (ITZ) zwischen den Zuschlagspartikeln und der zementhaltigen Matrix berücksichtigt werden. Diese ITZ wird als schwache Zone des Betons angesehen. In diesem Bereich hängen das Auftreten von Mikroblutungen um die Gesteinskörner, die Porosität und einige mikrostrukturelle Merkmale von mehreren Faktoren ab, wie z. B. der Qualität und Größe der Gesteinskörnung, dem Wasser-Zement-Wert, dem Bindemittel und dem Alter der Mischung. Auch die Morphologie (d.h. die Qualität) der ITZ spielt eine wichtige Rolle für die Durchlässigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons.
Das Vorhandensein von EAF-Stahlschlacke im Beton bewirkt eine andere ITZ-Morphologie. Insbesondere ist eine kleinere und weniger hohle ITZ im Vergleich zu Beton mit natürlichen Gesteinskörnern das Ergebnis der langsamen Migration von CaO aus dem Kern der Stahlschlackenkörner an die Oberfläche, was zu einer chemischen Entwicklung von CaO zu Kalziumkarbonat führt. Aufgrund einer stärkeren ITZ innerhalb des EAF-Stahlschlackenbetons, die sich durch gebrochene Gesteinskörner auf der Bruchfläche nach der mechanischen Bruchprüfung des Betons zeigt, ergibt sich eine verbesserte mechanische Festigkeit des Betons (Druck- und Zugfestigkeit). Da Stahlschlacke jedoch eine poröse Textur mit zahlreichen Rissen und Spalten aufweist, ist mit einem Bruch bei geringerer Belastung zu rechnen. Um die Auswirkungen dieser porösen Struktur auf die Festigkeitseigenschaften des Betons zu verringern, können die Stahlschlackenzuschläge durch Polieren in einer Schleifmaschine in Los Angeles vorbehandelt werden. Diese polierte grobe Gesteinskörnung scheint eine bessere Qualität zu haben, mit einer glatteren Oberfläche und einer höheren Widerstandsfähigkeit gegen das Auftreten von Mikrorissen. Dies führt zu einer höheren Oberflächentrockendichte und einer geringeren Wasseraufnahme im Vergleich zu normalen, unbehandelten Stahlschlackenzuschlagstoffen. Außerdem wirkt sich die Polierbehandlung der groben Schlackenzuschläge auf die Ermüdungsfestigkeit von Beton aus. Bei Beton mit unbehandelten Schlackenzuschlägen kann ein Bruch der Zuschläge beobachtet werden, und das Ermüdungsversagen endet mit einem Bruch der Zuschläge. Bei polierten Schlackenzuschlägen hingegen sind die meisten Zuschläge unversehrt, und das Ermüdungsversagen endet mit einem Abplatzen der Grenzfläche zwischen dem Kleister und den Zuschlägen.
Die Eigenschaften der polierten Schlackenzuschläge führen zu Verbesserungen der Betoneigenschaften wie Ermüdungsfestigkeit, Dehnung, Schallemissionen und Härte der Materialien unter Ermüdungsdruckbelastungen. Die andere Möglichkeit zur Verbesserung der Qualität der Schlackenzuschläge (insbesondere der ITZ) besteht in einer beschleunigten Karbonisierungsbehandlung der Stahlschlackenzuschläge. Dieser Karbonisierungsprozess wird in einem Karbonisierungsreaktor durchgeführt, der auf 70 °C abgedichtet und auf -0,3 MPa vakuumiert wurde. Dann wurde CO2 in den Reaktor eingeleitet, bis der Druck 0,3 MPa erreichte. Dieser Prozess führte zu einer Veränderung der Porenstruktur des Aggregats. Es reduziert das Vorkommen von Poren mit einem Durchmesser von mehr als 1 μm um 24,4 % und erhöht das Vorkommen von Poren mit einem Durchmesser von weniger als 1 nm um 67,9 %.
Nach der Karbonatisierung verringerte sich die Wasserabsorptionsrate des Stahlschlackenaggregats, während seine Dichtigkeitseigenschaften zunahmen. Das Ausdehnungsverhältnis der Stahlschlacke wird durch die Verringerung des Gehalts an freiem CaO ebenfalls reduziert. Zum Vergleich der ITZ-Festigkeit von Beton mit natürlichen und Stahlschlackenzuschlägen wurde die Festigkeit von karbonisierter Stahlschlacke und natürlichen Zuschlägen mit der Betondruckfestigkeit verglichen. Obwohl die Brechfestigkeit der karbonisierten Stahlschlacke geringer war als die der natürlichen Gesteinskörnung, hat sich die Druckfestigkeit des Schlackenbetons verbessert. Bei der Druckfestigkeitsprüfung des Betonquerschnitts gingen die Risse nicht durch die Mitte der Gesteinskörnung, sondern um das Korn herum. Somit ist die ITZ des Betons aus karbonisierten Stahlschlackenzuschlägen stärker und robuster als die des Betons aus natürlichen Zuschlägen.
Die Karbonatisierung von Schlackenzuschlägen hat auch positive Auswirkungen auf die Umwelt, da sie das Auslaugungspotenzial bestimmter Elemente verringert. Bei der Analyse der Auslaugungseigenschaften von Schlackenzuschlag aus nichtrostendem Stahl wurde festgestellt, dass Ca und Si die Elemente sind, die durch die Karbonatisierung am stärksten beeinträchtigt werden, und zwar aufgrund der Veränderungen in den Mineralphasen, die für die Kontrolle der Löslichkeit dieser Elemente verantwortlich sind. Die Auslaugbarkeit von Cr, einem der giftigsten Elemente in Schlackenaggregaten, schien durch die Karbonatisierung nicht signifikant beeinflusst zu werden, obwohl Mo eine gewisse Verringerung der Auslaugung zeigte.