5.2 A salak felhasználása betonban használt adalékanyagként
Az elektromos ívkemencék salakja kis arányban tartalmaz amorf szilíciumot és nagy arányban vasoxidot. A kohósalakhoz képest kevés vagy egyáltalán nem rendelkezik pozzolán aktivitással, ami alkalmatlanná teszi a cementadalékként való felhasználását. Az acélsalak nagy keménysége miatt fontolóra vették, hogy a betonban adalékanyagként használják. Számos tanulmányt végeztek ennek a lehetőségnek a feltárására.
Az acélsalakot egy finom adalékanyag-frakció egy részének helyettesítésére használták, amelyben a szilíciumos homokot (15%, 30% vagy 50% mennyiségben) vagy a finom frakciót teljesen salakkal helyettesítették. A durva adalékanyag minden keverékben mészkő volt. A salak százalékos arányának hatását vizsgálták a friss és a megszilárdult beton tulajdonságaira a 25, 35 és 45 MPa szilárdsági osztályokban. A várakozásoknak megfelelően az acélsalak nagyobb sűrűsége miatt a természetes adalékanyaghoz képest a salaktartalom növelése a hagyományos betonhoz képest 5-20%-kal növelte a friss betonkeverék sűrűségét. Ez az acélsalak-aggregátumú beton egyik legfontosabb tulajdonságának bizonyult. Továbbá, ahogy nőtt a salak aránya a betonban, úgy csökkent a tömörsége.
A nyomószilárdság tekintetében a finom adalékanyag akár 50%-os salakkal való helyettesítése a referencia betonnal közel azonos vagy akár magasabb nyomószilárdsági értékeket ért el, míg a csak salakos adalékanyagból készült beton nyomószilárdsága kisebb volt . A salaknak a beton nyomószilárdságára gyakorolt pozitív hatása az alacsonyabb betonszilárdsági osztályban kifejezettebb volt. A salak hatása a szakítószilárdságra kifejezettebb volt, mint a nyomószilárdságra gyakorolt hatása. A salaktartalom növekedése az összes adalékanyag tömegében növelte a beton szakítószilárdságát. A salaknak a szakítószilárdságra gyakorolt pozitív hatása is kifejezettebb volt az alacsonyabb betonszilárdsági osztályban. A természetes adalékanyagok salakkal való helyettesítése 1,4-2,4-szer nagyobb szakítószilárdságot és akár 1,3-szor nagyobb nyomószilárdságot eredményezett (15%-os salakos adalékanyaggal). A nyomószilárdság 50%-nál nagyobb salak-aggregátummal történő csökkenésének oka a salak homokkal szembeni finomsága volt. Különösen a betonban lévő salak megnövekedett mennyisége növeli a finomra őrölt anyag teljes mennyiségét. Ezért olyan cementre van szükség, amely bevonja a szemcséket. A salak túlzott mennyiségű finom szemcséinek kiküszöbölésével a beton minden érlelési fázisában nagyon pozitív hatás mutatkozott a nyomószilárdságra.
A betonban azt vizsgálták, hogy a betonban a durva adalékanyag egy részének salakkal való helyettesítése milyen hatással van. Minden vizsgált keveréket azonos mennyiségű cementtel és azonos víz-cement aránnyal készítettek. Összehasonlították a nyomószilárdságot, az ultrahang impulzussebességet, az abszorpciót és a salaknak a durva frakciók 45%, 50%, 55%, 60% és 65%-os arányú, az aggregátum össztömegéhez viszonyított arányát tartalmazó keverék korrózióját a mészkővel (60:40 durva-finom arányú) referencia betonnal. A salak részarányának növelése az adalékanyag össztömegében a beton nyomó- és szakítószilárdságát is növelte. Ugyanazzal a durva és finom adalékanyag-aránnyal (60:40) a salakbeton a referenciabetonhoz képest valamivel magasabb nyomószilárdságot és valamivel alacsonyabb szakítószilárdságot ért el. A keverék abszorpciója és porozitása a salaktartalom növekedésével csökken, ami az ilyen beton lehetséges jobb tartóssági tulajdonságaira utal . Az ultrahang impulzussebesség nőtt a salaktartalom növekedésével, ami a salakot adalékanyagként tartalmazó beton nagyobb rugalmassági modulusára utal a referencia betonhoz képest.
A nyomószilárdság és az ultrahang impulzussebesség csökkenését is megfigyelték, miután 60 cikluson keresztül hőingadozásnak volt kitéve. Az egyik ciklus abból állt, hogy a mintákat 8 órán keresztül 70°C-nak, majd 16 órán keresztül 25°C-nak tették ki. A nyomószilárdság csökkenése a hőingadozás során csökkent a salak-aggregátum arányának növekedésével a keverékben. A hőingadozás hatása az ultrahang impulzussebességre (és így a beton rugalmassági modulusára) kevésbé volt kifejezett a salakot tartalmazó betonban, mint a referencia betonban. Bár a hőingadozás miatti abszorpciónövekedés a salakot tartalmazó keverékekben kifejezettebb volt, mint a referenciabetonban, a salakot tartalmazó beton abszorpciója a hőciklusok után biztosan kisebb volt, mint a referenciabeton abszorpciója . Ugyanebben a tanulmányban vizsgálták az adalékanyag acélra gyakorolt korróziós hatásának lehetőségét is. A salakot tartalmazó betonban épített acél korrózióállóságának jelentős növekedését tapasztalták a referencia betonhoz képest, és az acél korróziója a salak-aggregátum mennyiségének növekedésével jobban késett.
Az acélsalak-aggregátumnak a beton mechanikai jellemzőire (azaz a nyomó- és szakítószilárdságra) gyakorolt hatásának elemzésekor figyelembe kell venni az aggregátum részecskék és a cementes mátrix közötti határfelületi átmeneti zónát (ITZ). Ezt az ITZ-t a beton gyenge zónájának tekintik. Ebben a régióban az adalékanyag-részecskék körüli mikrovérzés, a porozitás és néhány mikroszerkezeti jellemző megjelenése számos tényezőtől függ, például az adalékanyag minőségétől és méretétől, a víz-cement aránytól, a kötőanyagtól és a keverék korától . Az ITZ morfológiája (azaz minősége) is fontos szerepet játszik a beton áteresztőképességében és tartósságában.
Az EAF acélsalak jelenléte a betonban eltérő ITZ morfológiát hoz létre. Különösen a kisebb és kevésbé üreges ITZ a természetes kőzetaggregátumú betonhoz képest a CaO lassú vándorlásának eredménye az acélsalak szemcsék magjából a felszínre, ami a CaO kémiai átalakulását eredményezi kalcium-karbonáttá . Az EAF acélsalak betonon belüli erősebb ITZ miatt, amelyet a beton mechanikai törésvizsgálatát követően a törésfelületen lévő törött aggregátumszemcsék mutatnak, a beton mechanikai szilárdsága (nyomó- és szakítószilárdság) javult. Mivel azonban az acélsalak porózus szerkezetű, többszörös repedésekkel és hasadékokkal, kisebb terhelésnél törésre lehet számítani. Annak érdekében, hogy csökkentsék ennek a porózus szerkezetnek a beton szilárdsági jellemzőire gyakorolt hatását, az acélsalak-aggregátumot előkezelhetik egy Los Angeles-i csiszológépen történő csiszolással. Úgy tűnik, hogy ez a polírozott durva adalékanyag jobb minőségű, simább felületű és ellenállóbb a mikrorepedésekkel szemben. Ez a normál, kezeletlen acélsalak-aggregátumhoz képest nagyobb felületi-száraz sűrűséget és alacsonyabb vízfelvételi arányt eredményez. A durva salak-aggregátum polírozó kezelése hatással van a beton fáradási hibáira is. A kezeletlen salak-aggregátummal készült beton esetében az aggregátumok törése figyelhető meg, és a fáradásos tönkremenetel az aggregátumtöréses típusban végződik. Másrészt a polírozott salak-aggregátum esetében az aggregátumok többsége ép, és a fáradásos tönkremenetel a paszta és az aggregátum közötti határfelületi hámlás típusban végződik .
A polírozott salak-aggregátum jellemzői a beton jellemzőinek javulását eredményezik, mint például a fáradási szilárdság, az alakváltozás, az akusztikus kibocsátás és az anyagok keménysége nyomófáradási terhelés alatt. A salak-aggregátum minőségének (különösen az ITZ) javításának másik módja az acélsalak-aggregátum gyorsított karbonizációs kezelése. Ezt a karbonizációs folyamatot 70 °C-ra lezárt és -0,3 MPa vákuummal ellátott karbonizációs reaktorban végzik. Ezután CO2-t vezettek a reaktorba, amíg a nyomás el nem érte a 0,3 MPa értéket. Ez a folyamat változást okozott az aggregátum pórusszerkezetében. Az 1 μm-nél nagyobb átmérőjű pórusok előfordulását 24,4%-kal csökkenti, az 1 nm-nél kisebb átmérőjű pórusok előfordulását pedig 67,9%-kal növeli .
A karbonizálás után az acélsalak aggregátum vízfelvevő képessége csökkent, míg a vízzáró tulajdonságai nőttek. Az acélsalak tágulási aránya is csökkent a szabad CaO-tartalom csökkenése miatt. Az ITZ szilárdság összehasonlításához a természetes és acélsalak aggregátummal készült beton esetében a karbonizált acélsalak és a természetes aggregátum szilárdságát hasonlították össze, így a beton nyomószilárdságát . Bár a karbonizált salakaggregátum nyomószilárdsága kisebb volt, mint a természetes aggregátumé, a salakbeton nyomószilárdsága javult. Amikor a betonminta keresztmetszetét nyomószilárdsági vizsgálatnak vetették alá, a repedések nem mentek át az aggregátum közepén, hanem a szemcse körül saját magát vándorolták. Így a karbonizált acélsalak-aggregátumú beton ITZ-je erősebb és szilárdabb, mint a természetes aggregátumú betoné.
A salak-aggregátum karbonizálása kedvező környezeti hatással is jár – nevezetesen bizonyos elemek kimosódási potenciáljának csökkentésével. A rozsdamentes acélsalak-aggregátum kioldódási jellemzőinek elemzése során megállapították, hogy a Ca és a Si azok az elemek, amelyeket a karbonizálás a legjelentősebb mértékben befolyásol, az ezen elemek oldhatóságának szabályozásáért felelős ásványi fázisokban bekövetkező változások miatt . A salakaggregátum egyik legmérgezőbb elemének, a Cr-nek a kioldódását nem befolyásolta jelentősen a karbonátosodás, bár a Mo kioldódása némileg csökkent.