5.2 Kuonan käyttö betonin kiviaineksena

Sähkökaariuunin kuona sisältää pienen osan amorfista piitä ja suuren osan rautaoksidia. Sillä on vain vähän tai ei lainkaan pozzolaanista aktiivisuutta verrattuna masuunikuonaan, minkä vuoksi se ei sovellu käytettäväksi sementin lisäaineena. Teräskuonan suuri kovuus on johtanut siihen, että sitä on pidetty betonin runkoaineena. Tätä mahdollisuutta on tutkittu monissa tutkimuksissa.

Tässä tutkimuksessa teräskuonaa käytettiin korvaamaan osa hienojakoisen kiviainesjakeen jakeesta, jossa kvartsihiekka (määrä 15 %, 30 % tai 50 %) tai hienojakoinen jake korvattiin kokonaan kuonalla. Kaikissa seoksissa karkea kiviaines oli kalkkikiveä. Kuonan prosenttiosuuden vaikutusta tuoreen ja kovettuneen betonin ominaisuuksiin lujuusluokissa 25, 35 ja 45 MPa tutkittiin. Koska teräskuonan tiheys on suurempi kuin luonnonkiviaineksen, kuonapitoisuuden lisääminen lisäsi tuoreen betoniseoksen tiheyttä odotetusti 5-20 prosenttia tavanomaiseen betoniin verrattuna. Tämän todettiin olevan yksi teräskuonasta valmistetun betonin tärkeimmistä ominaisuuksista. Lisäksi kuonan osuuden kasvaessa betonissa sen konsistenssi laski.

Puristuslujuuden osalta hienojakoisen kiviaineksen korvaamisella kuonalla jopa 50 %:lla saavutettiin suunnilleen samat tai jopa korkeammat puristuslujuuden arvot kuin vertailubetonilla, kun taas pelkistä kuonakiviaineksista valmistetulla betonilla oli pienempi puristuslujuus . Kuonan myönteinen vaikutus betonin puristuslujuuteen oli selvempi alemmissa betonin lujuusluokissa. Kuonan vaikutus vetolujuuteen oli selvempi kuin sen vaikutus puristuslujuuteen. Kuonapitoisuuden lisääntyminen kiviaineksen kokonaismassassa lisäsi betonin vetolujuutta. Kuonan myönteinen vaikutus vetolujuuteen oli myös voimakkaampi alemmassa betonin lujuusluokassa. Luonnollisten kiviainesten korvaaminen kuonalla johti 1,4-2,4 kertaa suurempaan vetolujuuteen ja jopa 1,3 kertaa suurempaan puristuslujuuteen (15 %:n kuonakiviaineksella). Syy puristuslujuuden heikkenemiseen yli 50-prosenttisella kuonakiviaineksella todettiin johtuvan kuonan hienojakoisuudesta hiekkaan verrattuna. Erityisesti kuonan määrän lisääntyminen betonissa lisää hienojakoisen materiaalin kokonaismäärää. Siksi tarvitaan sementtiä, joka peittää rakeet. Poistamalla kuonan liiallinen hienojakoisten hiukkasten määrä vaikutti erittäin myönteisesti betonin puristuslujuuteen kaikissa kypsymisvaiheissa.

Tässä tutkimuksessa tutkittiin vaikutusta, joka aiheutui siitä, että osa betonin karkeasta kiviaineksesta korvattiin kuonalla. Kaikki testatut seokset tehtiin samalla sementtimäärällä ja samalla vesi-sementtisuhteella. Verrattiin puristuslujuutta, ultraäänipulssinopeutta, absorptiota ja korroosiota seoksessa, jossa kuonan osuus karkeista jakeista oli 45 %, 50 %, 55 %, 60 % ja 65 % kiviaineksen kokonaispainosta, vertailubetoniin, jossa oli kalkkikiveä (karkean ja hienon aineksen suhde 60:40). Kuonaosuuden kasvattaminen kiviaineksen kokonaismassasta kasvatti myös betonin puristus- ja vetolujuutta. Samalla karkean ja hienon kiviaineksen suhteella (60:40) kuonabetonilla saavutettiin hieman korkeampi puristuslujuus ja hieman alhaisempi vetolujuus vertailubetoniin verrattuna. Seoksen imukyky ja huokoisuus vähenevät kuonan osuuden kasvaessa, mikä viittaa tällaisen betonin mahdollisiin parempiin kestävyysominaisuuksiin. Ultraäänipulssinopeus kasvoi kuonan osuuden kasvaessa, mikä viittaa siihen, että betonin, jossa on kuonaa kiviaineena, kimmomoduuli on suurempi kuin vertailubetonilla.

Havaittiin myös puristuslujuuden ja ultraäänipulssinopeuden aleneminen sen jälkeen, kun betoni oli altistunut lämpövaihteluille 60 syklin ajan. Yksi sykli koostui näytteiden altistamisesta 70 °C:n lämpötilalle 8 h ja 25 °C:n lämpötilalle 16 h. Puristuslujuuden aleneminen lämpövaihtelun aikana väheni kuonan kiviainesosuuden kasvaessa seoksessa. Lämpövaihtelun vaikutus ultraäänipulssinopeuteen (ja siten betonin kimmomoduuliin) oli vähemmän voimakas kuonaa sisältäneessä betonissa kuin vertailubetonissa. Vaikka lämpövaihteluista johtuva absorption lisääntyminen oli voimakkaampaa kuonaa sisältävissä seoksissa kuin vertailubetonissa, kuonaa sisältävän betonin absorptio oli lämpöjaksojen jälkeen varmasti pienempi kuin vertailubetonin absorptio . Samassa artikkelissa tutkittiin myös mahdollisuutta, että kiviaines vaikuttaa teräkseen syövyttävästi. Kuonaa sisältävään betoniin rakennetun teräksen korroosionkestävyys kasvoi huomattavasti vertailubetoniin verrattuna, ja teräksen korroosio viivästyi kuonan kiviaineksen määrän lisääntyessä.

Kun analysoidaan teräskuonan kiviaineksen vaikutusta betonin mekaanisiin ominaisuuksiin (eli puristus- ja vetolujuuteen), on otettava huomioon kiviainespartikkelien ja sementtimatriisin välinen rajapinnan siirtymävyöhyke (ITZ). Tätä ITZ:tä pidetään betonin heikkona vyöhykkeenä. Tällä alueella kiviaineshiukkasten ympärillä esiintyvät mikrovuodot, huokoisuus ja eräät mikrorakennepiirteet riippuvat useista tekijöistä, kuten kiviaineksen laadusta ja koosta, vesi-sementtisuhteesta, sideaineesta ja seoksen iästä. Myös ITZ:n morfologialla (eli laadulla) on tärkeä rooli betonin läpäisevyyden ja kestävyyden kannalta.

Euforiteräksen kuonan esiintyminen betonissa aiheuttaa erilaisen ITZ-morfologian. Erityisesti pienempi ja vähemmän ontto ITZ verrattuna luonnon kiviainesbetoniin on seurausta CaO:n hitaasta siirtymisestä teräskuonan rakeiden ytimestä sen pinnalle, mikä johtaa CaO:n kemialliseen kehittymiseen kalsiumkarbonaatiksi . EAF-teräskuonabetonissa olevan vahvemman ITZ:n ansiosta betonin mekaaninen lujuus (puristus- ja vetolujuus) paranee, mikä näkyy betonin mekaanisen murtumakokeen jälkeen murtopinnalla olevina rikkoutuneina kiviaineshiukkasina. Koska teräskuona on kuitenkin huokoinen rakenne, jossa on useita halkeamia ja rakoja, voidaan odottaa murtumista pienemmillä kuormituksilla. Huokoisen rakenteen vaikutuksen vähentämiseksi betonin lujuusominaisuuksiin teräskuonan kiviaines voidaan esikäsitellä kiillottamalla Los Angelesin hiomakoneella. Tämä kiillotettu karkea kiviaines näyttää olevan laadultaan parempaa, sillä sen pinta on sileämpi ja se kestää mikrohalkeamia. Tämä johtaa korkeampaan pintakuivatiheyteen ja alhaisempaan vedenimukykyyn verrattuna tavalliseen, käsittelemättömään teräskuonan kiviainekseen. Karkean kuonakiviaineksen kiillotuskäsittely vaikuttaa myös betonin väsymisvaurioihin. Betonissa, jossa on käsittelemätöntä kuonakiviainesta, voidaan havaita kiviaineksen murtumista, ja väsymismurtuma päättyy kiviaineksen murtumatyyppiin. Toisaalta kiillotetun kuonakiviaineksen tapauksessa suurin osa kiviaineksista on terveitä, ja väsymismurtuma päättyy massan ja kiviaineksen väliseen rajapintamurtumatyyppiin .

Kiillotetun kuonakiviaineksen ominaisuudet johtavat parannuksiin betonin ominaisuuksissa, kuten väsymislujuudessa, muodonmuutoksissa, äänipäästöissä ja materiaalien kovuudessa puristavissa väsytyskuormissa. Toinen tapa parantaa kuonakiviaineksen laatua (erityisesti ITZ) on teräskuonakiviaineksen kiihdytetty karbonatisointikäsittely. Tämä karbonatisointiprosessi suoritetaan karbonatisointireaktorissa, joka on suljettu 70 °C:een ja alipaineistettu -0,3 MPa:n paineeseen. Tämän jälkeen reaktoriin johdettiin hiilidioksidia, kunnes paine oli 0,3 MPa. Tämä prosessi aiheutti muutoksen kiviaineksen huokosrakenteessa. Se vähensi halkaisijaltaan yli 1 μm:n huokosten esiintymistä 24,4 % ja lisäsi halkaisijaltaan alle 1 nm:n huokosten esiintymistä 67,9 % .

Karbonatisoinnin jälkeen teräskuonan aggregaatin veden imeytymisnopeus väheni, kun taas sen läpäisemättömyysominaisuudet kasvoivat. Myös teräskuonan paisumissuhde pienenee vapaan CaO-pitoisuuden vähenemisen vuoksi. ITZ-lujuuden vertailua varten betonin, jossa on luonnollista ja teräskuonan kiviainesta, hiiletetyn teräskuonan ja luonnollisen kiviaineksen lujuutta verrattiin niin kuin betonin puristuslujuutta . Vaikka karbonatisoidun teräskuonan kiviaineksen murskauslujuus oli pienempi kuin luonnonkiviaineksen, kuonabetonin puristuslujuus on parantunut. Kun betoninäytteen poikkileikkaus tutkittiin puristuslujuuden testauksessa, halkeamat eivät kulkeneet kiviaineksen keskeltä vaan kulkivat itse raekoon ympäri. Näin ollen karbonatisoidun teräskuonan kiviainesbetonin ITZ on vahvempi ja kestävämpi kuin luonnonkiviainesbetonin.

Kuonan kiviaineksen karbonatisoinnilla on myös suotuisia ympäristövaikutuksia – nimittäin tiettyjen alkuaineiden huuhtoutumispotentiaalin vähentäminen. Ruostumattoman teräskuonan aggregaatin huuhtoutumisominaisuuksien analyysissä havaittiin, että Ca ja Si olivat ne alkuaineet, joihin karbonatisointi vaikutti tuntuvimmin näiden alkuaineiden liukoisuuden hallinnasta vastaavien mineraalifaasien muutosten vuoksi. Cr:n, joka on yksi kuona-aggregaatin myrkyllisimmistä alkuaineista, huuhtoutuvuuteen karbonatisoituminen ei näyttänyt vaikuttavan merkittävästi, vaikka Mo:n huuhtoutuminen väheni jonkin verran.