5.2 Utylizacja żużla jako kruszywa w betonie
Żużel EAF zawiera niewielki udział amorficznego krzemu i wysoki udział tlenku żelaza. Ma on niewielką lub żadną aktywność pucolanową w porównaniu z żużlem wielkopiecowym, co czyni go nieodpowiednim do stosowania jako dodatek do cementu. Duża twardość żużla stalowniczego spowodowała, że jest on brany pod uwagę jako kruszywo do betonu. W tym celu przeprowadzono wiele badań.
W , żużel stalowniczy został użyty do zastąpienia części frakcji drobnej kruszywa, w której piasek kwarcowy (w ilości 15%, 30% lub 50%) lub frakcja drobna zostały całkowicie zastąpione żużlem. We wszystkich mieszankach kruszywo grube stanowił kamień wapienny. Badano wpływ procentowego udziału żużla na właściwości betonu świeżego i stwardniałego w klasach wytrzymałości 25, 35 i 45 MPa. Zgodnie z oczekiwaniami, ze względu na większą gęstość żużla stalowniczego w stosunku do kruszywa naturalnego, wzrost zawartości żużla powodował zwiększenie gęstości świeżej mieszanki betonowej o 5%-20% w stosunku do betonu konwencjonalnego. Stwierdzono, że jest to jedna z najważniejszych cech betonu z kruszywem z żużla stalowniczego. Ponadto wraz ze wzrostem udziału żużla w betonie zmniejszała się jego konsystencja.
Jeśli chodzi o wytrzymałość na ściskanie, to zastępując kruszywo drobne żużlem do 50% uzyskano w przybliżeniu takie same lub nawet wyższe wartości wytrzymałości na ściskanie niż w betonie referencyjnym, natomiast beton wykonany tylko z kruszywa żużlowego miał mniejszą wytrzymałość na ściskanie. Pozytywny wpływ żużla na wytrzymałość betonu na ściskanie był wyraźniejszy w niższej klasie wytrzymałości betonu. Wpływ żużla na wytrzymałość na rozciąganie był wyraźniejszy niż jego wpływ na wytrzymałość na ściskanie. Mianowicie, zwiększona zawartość żużla w ogólnej masie kruszywa zwiększała wytrzymałość betonu na rozciąganie. Pozytywny wpływ żużla na wytrzymałość na rozciąganie był również wyraźniejszy w niższych klasach wytrzymałości betonu. Zastąpienie kruszywa naturalnego żużlem powodowało od 1,4 do 2,4 razy większą wytrzymałość na rozciąganie i do 1,3 razy większą wytrzymałość na ściskanie (przy 15% zawartości kruszywa żużlowego). Stwierdzono, że przyczyną spadku wytrzymałości na ściskanie przy zastosowaniu ponad 50% kruszywa żużlowego jest rozdrobnienie żużla w stosunku do piasku. W szczególności, zwiększona ilość żużla w betonie zwiększa całkowitą ilość drobno zmielonego materiału. Dlatego potrzebny jest cement, który pokryje ziarna. Poprzez wyeliminowanie nadmiernej ilości drobnych cząstek w żużlu uzyskano bardzo korzystny wpływ na wytrzymałość na ściskanie na wszystkich etapach dojrzewania betonu.
W , badano wpływ zastąpienia frakcji kruszywa grubego w betonie żużlem. Wszystkie badane mieszanki wykonano z taką samą ilością cementu i z takim samym stosunkiem wodno-cementowym. Porównano wytrzymałość na ściskanie, prędkość impulsu ultradźwiękowego, nasiąkliwość i korozję mieszanki o udziale żużla we frakcji grubej 45%, 50%, 55%, 60% i 65% całkowitej masy kruszywa z betonem wzorcowym z wapieniem (o stosunku frakcji grubej do drobnej 60:40). Zwiększenie udziału żużla w ogólnej masie kruszywa spowodowało, że wzrosła również wytrzymałość betonu na ściskanie i rozciąganie. Przy tym samym stosunku kruszywa grubego i drobnego (60:40) beton żużlowy uzyskał nieco większą wytrzymałość na ściskanie i nieco mniejszą na rozciąganie w porównaniu z betonem referencyjnym. Wraz ze wzrostem udziału żużla maleje nasiąkliwość i porowatość mieszanki, co sugeruje możliwość uzyskania lepszych właściwości wytrzymałościowych takiego betonu. Prędkość impulsu ultradźwiękowego wzrastała wraz ze wzrostem udziału żużla, co sugeruje większy moduł sprężystości betonu z żużlem jako kruszywem w stosunku do betonu referencyjnego.
Zaobserwowano również zmniejszenie wytrzymałości na ściskanie oraz prędkości impulsu ultradźwiękowego po ekspozycji na zmiany termiczne w czasie 60 cykli. Jeden cykl polegał na ekspozycji próbek w temperaturze 70°C przez 8 h oraz w temperaturze 25°C przez 16 h. Spadek wytrzymałości na ściskanie podczas zmienności termicznej ulegał zmniejszeniu wraz ze wzrostem udziału kruszywa żużlowego w mieszance. Wpływ zmienności termicznej na prędkość impulsu ultradźwiękowego (a tym samym na moduł sprężystości betonu) był mniej wyraźny w betonie zawierającym żużel niż w betonie referencyjnym. Chociaż wzrost nasiąkliwości spowodowany zmianami termicznymi był wyraźniejszy w mieszankach zawierających żużel niż w betonie referencyjnym, to jednak nasiąkliwość betonu zawierającego żużel po cyklach cieplnych była z pewnością mniejsza niż nasiąkliwość betonu referencyjnego. W tej samej pracy badano również możliwość korozyjnego działania kruszywa na stal. Stwierdzono istotny wzrost odporności korozyjnej stali wbudowanej w beton zawierający żużel w stosunku do betonu referencyjnego, a korozja stali była bardziej opóźniona wraz ze wzrostem zawartości kruszywa żużlowego.
Analizując wpływ kruszywa z żużla stalowego na cechy mechaniczne betonu (tj. wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie), należy uwzględnić strefę przejściową międzyfazową (ITZ) pomiędzy cząstkami kruszywa a matrycą cementową. Ta strefa ITZ jest uważana za słabą strefę betonu. W tym obszarze, pojawienie się mikrokrwawień wokół cząstek kruszywa, porowatość i niektóre cechy mikrostrukturalne zależą od kilku czynników, takich jak jakość i wielkość kruszywa, stosunek wody do cementu, spoiwo i wiek mieszanki. Również morfologia (tj. jakość) ITZ odgrywa ważną rolę w przepuszczalności betonu i trwałości.
Obecność żużla stalowego EAF w betonie tworzy inną morfologię ITZ. W szczególności, mniejsza i mniej pusta ITZ w porównaniu z betonem z naturalnego kruszywa skalnego jest wynikiem powolnej migracji CaO z rdzenia ziaren żużla stalowego na jego powierzchnię, co powoduje chemiczną ewolucję CaO do węglanu wapnia. Ze względu na silniejszą ITZ w betonie z żużla stalowniczego EAF, na co wskazują połamane cząstki kruszywa na powierzchni pęknięcia po próbie mechanicznego zerwania betonu, uzyskano lepszą wytrzymałość mechaniczną betonu (na ściskanie i rozciąganie). Jednakże, ponieważ żużel stalowniczy ma porowatą strukturę z licznymi pęknięciami i szczelinami, można spodziewać się pękania przy niższych obciążeniach. Aby zmniejszyć wpływ tej porowatej struktury na właściwości wytrzymałościowe betonu, kruszywo z żużla stalowniczego można poddać obróbce wstępnej poprzez polerowanie w maszynie ściernej w Los Angeles. Takie polerowane kruszywo grube wydaje się mieć lepszą jakość, z gładszą powierzchnią i odpornością na emersję mikropęknięć. Skutkuje to wyższą gęstością powierzchniowo-suchą i niższym współczynnikiem absorpcji wody w porównaniu do zwykłego, nieobrobionego kruszywa z żużla stalowego. Również obróbka polerska grubego kruszywa żużlowego ma wpływ na uszkodzenia zmęczeniowe betonu. W przypadku betonu z nieobrobionym kruszywem żużlowym można zaobserwować pęknięcia kruszywa, a zniszczenie zmęczeniowe kończy się pęknięciem typu kruszywo-pęknięcie. Z drugiej strony, w przypadku polerowanego kruszywa żużlowego, większość kruszywa jest zdrowa, a uszkodzenie zmęczeniowe kończy się w typie łuszczenia między pastą a kruszywem .
Właściwości polerowanego kruszywa żużlowego skutkują poprawą właściwości betonu, takich jak wytrzymałość zmęczeniowa, odkształcenie, emisja akustyczna i twardość materiałów przy ściskających obciążeniach zmęczeniowych. Innym sposobem poprawy jakości kruszywa żużlowego (szczególnie ITZ) jest przyspieszony proces karbonatyzacji kruszywa żużla stalowniczego. Proces karbonatyzacji prowadzony jest w reaktorze karbonatyzacyjnym, który został uszczelniony do temperatury 70°C i poddany próżni do -0,3 MPa . Następnie do reaktora wprowadzono CO2, aż do osiągnięcia ciśnienia 0,3 MPa. Proces ten spowodował zmianę struktury porowej kruszywa. Zmniejsza on występowanie porów o średnicy większej niż 1 μm o 24,4%, a zwiększa występowanie porów o średnicy mniejszej niż 1 nm o 67,9% .
Po karbonatyzacji zmniejszyła się wodochłonność kruszywa żużla stalowniczego, natomiast zwiększyły się jego właściwości nieprzepuszczalne. Zmniejszeniu uległ również współczynnik ekspansji żużla stalowniczego na skutek zmniejszenia zawartości wolnego CaO. W celu porównania wytrzymałości ITZ dla betonu z kruszywem naturalnym i żużlem stalowym porównano wytrzymałość karbonatyzowanego żużla stalowniczego i kruszywa naturalnego, tak jak wytrzymałość betonu na ściskanie. Mimo, że wytrzymałość na zgniatanie kruszywa z żużla karbonatyzowanego była mniejsza niż kruszywa naturalnego, to wytrzymałość na ściskanie betonu z żużlem uległa poprawie. Kiedy próbki betonu poddano badaniom wytrzymałości na ściskanie, pęknięcia nie przechodziły przez środek kruszywa, lecz przemieszczały się wokół samego ziarna. Tak więc, ITZ betonu z kruszywa z karbonatyzowanego żużla stalowego jest mocniejszy i bardziej wytrzymały niż beton z kruszywa naturalnego.
Karbonizacja kruszywa żużlowego ma również korzystny wpływ na środowisko – mianowicie, zmniejsza potencjał wymywania niektórych pierwiastków. W analizie właściwości wymywania kruszywa z żużla stali nierdzewnej stwierdzono, że Ca i Si są pierwiastkami, na które karbonatyzacja ma największy wpływ ze względu na zmiany w fazach mineralnych odpowiedzialnych za kontrolę rozpuszczalności tych pierwiastków. Wymywalność Cr, jednego z najbardziej toksycznych pierwiastków w kruszywie żużlowym, okazała się nie być istotnie zmieniona przez karbonatyzację, chociaż Mo wykazał pewną redukcję wymywalności.