5.2 Gebruik van slak als toeslagstof in beton

EAF-slak bevat een klein aandeel amorf silicium en een hoog aandeel ijzeroxide. In vergelijking met hoogovenslakken hebben zij weinig of geen puzzolanische activiteit, waardoor zij ongeschikt zijn voor gebruik als toeslagstof in cement. De grote hardheid van staalslak heeft ertoe geleid dat het als toeslagstof in beton wordt beschouwd. Er zijn veel studies uitgevoerd om deze mogelijkheid te onderzoeken.

In werd staalslak gebruikt om een deel van een fijne toeslagfractie te vervangen, waarbij silicazand (ten belope van 15%, 30%, of 50%) of fijne fractie volledig werd vervangen door slak. In alle mengsels bestond het grove toeslagmateriaal uit kalksteen. De invloed die het percentage slakken had op de eigenschappen van vers en verhard beton in de sterkteklassen van 25, 35 en 45 MPa werd bestudeerd. Zoals verwacht, verhoogde, door de hogere dichtheid van staalslakken in vergelijking met natuurlijk aggregaat, een verhoging van het slakkengehalte de dichtheid van vers betonmengsel met 5%-20% ten opzichte van conventioneel beton. Dit werd als een van de belangrijkste eigenschappen van staalslakbeton beschouwd. Ook nam de consistentie af naarmate het aandeel slakken in het beton toenam.

Wat de druksterkte betreft, bereikte de vervanging van fijn toeslagmateriaal door slakken met maximaal 50% ongeveer dezelfde of zelfs hogere waarden van druksterkte dan het referentiebeton, terwijl beton gemaakt van alleen slakkenaggregaten een lagere druksterkte had . Het positieve effect van slakken op de druksterkte van beton was meer uitgesproken bij de lagere betonsterkteklasse. De invloed van slakken op de treksterkte was meer uitgesproken dan het effect op de druksterkte. Een hoger slakgehalte in de totale aggregaatmassa verhoogde namelijk de treksterkte van beton. Het positieve effect van slakken op de treksterkte was ook meer uitgesproken bij de lagere betonsterkteklasse. Vervanging van natuurlijke toeslagmaterialen door slakken leidde tot een 1,4 tot 2,4 maal hogere treksterkte en tot een 1,3 maal hogere druksterkte (met 15% slakkenaggregaat). De oorzaak van de afname van de druksterkte met meer dan 50% slakkenaggregaat bleek te wijten te zijn aan de fijnheid van slakken in vergelijking met zand. Met name de grotere hoeveelheid slakken in beton verhoogt de totale hoeveelheid van het fijngemalen materiaal. Daarom is een cement nodig dat de korrels omhult. Door excessieve hoeveelheden fijne deeltjes in slakken te elimineren, was er een zeer positief effect op de druksterkte in alle rijpingsstadia van beton.

In werd het effect bestudeerd van het vervangen van een fractie van het grove toeslagmateriaal in beton door slakken. Alle geteste mengsels werden gemaakt met dezelfde hoeveelheid cement en met dezelfde water-cement verhouding. Druksterkte, ultrasone pulssnelheid, absorptie, en de corrosie van een mengsel met de verhouding van slakken in grove fracties van 45%, 50%, 55%, 60%, en 65% van het totale gewicht van het toeslagmateriaal met het referentiebeton met kalksteen (met een grof-fijn verhouding van 60:40) werden vergeleken. Het verhogen van het aandeel slakken in de totale massa toeslagmateriaal deed de druk- en treksterkte van het beton eveneens toenemen. Bij dezelfde verhouding grof/fijn toeslagmateriaal (60:40) behaalde het slakkenbeton een iets hogere druksterkte en een iets lagere treksterkte in vergelijking met het referentiebeton. De absorptie en porositeit van het mengsel nemen af naarmate het slakaandeel toeneemt, wat wijst op mogelijk betere duurzaamheidseigenschappen van dergelijk beton. De ultrasone pulssnelheid nam toe naarmate het slakaandeel toenam, wat wijst op een grotere elasticiteitsmodulus van beton met slakken als toeslagmateriaal in vergelijking met het referentiebeton.

Een vermindering van de druksterkte en de ultrasone pulssnelheid na blootstelling aan thermische variaties gedurende 60 cycli werd ook waargenomen. Eén cyclus bestond uit blootstelling van de monsters aan 70°C gedurende 8 uur en aan 25°C gedurende 16 uur. De afname van de druksterkte tijdens thermische variatie werd verminderd naarmate het aandeel slakkenaggregaat in het mengsel toenam. Het effect van thermische variatie op de ultrasone pulssnelheid (en dus op de elasticiteitsmodulus van beton) was minder uitgesproken in het beton dat slakken bevatte dan in het referentiebeton. Hoewel de toename van de absorptie ten gevolge van thermische variaties meer uitgesproken was in mengsels die slakken bevatten dan in het referentiebeton, was de absorptie van beton dat slakken bevatte zeker minder na warmtecycli dan de absorptie van referentiebeton . In hetzelfde document werd ook de mogelijkheid van een corrosieve werking van aggregaten op staal bestudeerd. Er werd een aanzienlijke verhoging van de corrosieweerstand van staal in slakhoudend beton gevonden in vergelijking met het referentiebeton, en de corrosie van staal werd meer vertraagd naarmate het slakkenaggregaat toenam.

Bij de analyse van de invloed van staalslakkenaggregaat op de mechanische eigenschappen van beton (d.w.z. druk- en treksterkte) moet de interfaciale overgangszone (ITZ) tussen de aggregaatdeeltjes en de cementgebonden matrix in aanmerking worden genomen. Deze ITZ wordt beschouwd als een zwakke zone van het beton. In deze zone zijn het optreden van microbloedingen rond de toeslagdeeltjes, porositeit en sommige microstructurele kenmerken afhankelijk van verschillende factoren, zoals de kwaliteit en grootte van het toeslagmateriaal, de water-cementverhouding, het bindmiddel en de ouderdom van het mengsel. Ook de morfologie (d.w.z. kwaliteit) van ITZ speelt een belangrijke rol in de permeabiliteit en duurzaamheid van beton.

De aanwezigheid van ELF-staalslak in beton creëert een andere ITZ-morfologie. Met name een kleinere en minder holle ITZ in vergelijking met natuurlijk steenaggregaatbeton is een gevolg van de langzame migratie van CaO uit de kern van de staalslakkorrels naar het oppervlak, wat resulteert in de chemische evolutie van CaO tot calciumcarbonaat . Als gevolg van een sterkere ITZ binnen het ELF staalslakkenbeton, aangetoond door gebroken aggregaatdeeltjes op het breukvlak na mechanische breuktesten van beton, resulteert een verbeterde mechanische sterkte van beton (druk en trek). Aangezien staalslak echter een poreuze textuur heeft met meerdere scheuren en spleten, kan breuk bij lagere belastingen worden verwacht. Om het effect van deze poreuze structuur op de sterkte-eigenschappen van beton te verminderen, kan staalslakkenaggregaat worden voorbehandeld door het te polijsten in een schuurmachine in Los Angeles. Dit gepolijste grove aggregaat lijkt een verbeterde kwaliteit te hebben, met een gladder oppervlak en weerstand tegen microscheur-emissie. Dit resulteert in een hogere oppervlaktedroge dichtheid en een lagere waterabsorptie in vergelijking met gewoon, onbehandeld staalslakkenaggregaat. Ook de polijstbehandeling van grof slakkenaggregaat heeft een invloed op het falen van betonmoeheid. Bij beton met onbehandeld slakkenaggregaat kan breuk van de aggregaten worden waargenomen, en vermoeiingsbreuk eindigt in het aggregaat-breuktype. Anderzijds, in het geval van gepolijst slakkenaggregaat, zijn de meeste aggregaten gezond en vermoeiingsfalen eindigt in het interface-peeling type tussen pasta en aggregaat.

De eigenschappen van gepolijst slakkenaggregaat resulteren in verbeteringen in betoneigenschappen zoals vermoeiingssterkte, rek, akoestische emissies, en hardheid van de materialen onder samenpersende vermoeiingsbelastingen. De andere manier om de kwaliteit van slakkenaggregaat te verbeteren (met name de ITZ) is door een versnelde carbonatatiebehandeling van staalslakkenaggregaat. Dit carbonatieproces wordt uitgevoerd in een carbonatiereactor die is afgesloten tot 70°C en vacuüm is gebracht tot -0,3 MPa . Vervolgens werd CO2 in de reactor gebracht tot de druk 0,3 MPa bereikte. Dit proces veroorzaakte een verandering in de poriestructuur van het aggregaat. Het vermindert het voorkomen van poriën met een diameter groter dan 1 μm met 24,4% en verhoogt het voorkomen van poriën met een diameter kleiner dan 1 nm met 67,9%.

Na carbonatie nam de waterabsorptie van het staalslakaggregaat af, terwijl de ondoordringbaarheidseigenschappen toenamen. De uitzettingscoëfficiënt van de staalslak is ook verminderd als gevolg van de vermindering van het vrije CaO-gehalte. Voor de vergelijking van de ITZ sterkte voor beton met natuurlijk en staalslakken aggregaat, werd de sterkte van gecarbonateerde staalslakken en natuurlijk aggregaat vergeleken als druksterkte van beton. Hoewel de druksterkte van gecarboneerd slakkenaggregaat minder was dan die van natuurlijk aggregaat, is de druksterkte van slakkenbeton verbeterd. Toen de doorsnede van het betonmonster werd onderworpen aan druksterkteproeven, gingen de scheuren niet door het midden van het aggregaat maar reisden rond de korrel zelf. Aldus is de ITZ van het gecarboneerde staalslakkenaggregaatbeton sterker en robuuster dan die van natuurlijk aggregaatbeton.

Carbonering van slakkenaggregaat heeft ook een gunstig milieueffect- namelijk vermindering van het uitloogpotentieel van bepaalde elementen. Bij de analyse van de uitloogkarakteristieken van aggregaat van roestvrij staalslakken, bleken Ca en Si de elementen te zijn die het meest merkbaar werden beïnvloed door carbonatatie als gevolg van de veranderingen in de minerale fasen die verantwoordelijk zijn voor de oplosbaarheidscontrole van deze elementen. De uitloogbaarheid van Cr, een van de giftigste elementen in slakkenaggregaat, bleek niet significant te worden beïnvloed door carbonatatie, hoewel Mo enige vermindering van de uitloging vertoonde.1472>