5.2 Utilizarea zgurii ca agregat în beton

Scoria de cuptor cu arc electric conține o proporție mică de siliciu amorf și o proporție mare de oxid de fier. Are o activitate puțină sau deloc puzzolană în comparație cu zgura de furnal, ceea ce o face nepotrivită pentru utilizarea ca aditiv pentru ciment. Duritatea mare a zgurii de oțel a făcut ca aceasta să fie luată în considerare ca agregat în beton. Multe studii au fost efectuate pentru a explora această posibilitate.

În , zgura de oțel a fost utilizată pentru a înlocui o parte a unei fracțiuni de agregat fin, în care nisipul silicios (în proporție de 15%, 30% sau 50%) sau fracțiunea fină a fost complet înlocuită cu zgură. În toate amestecurile, agregatul grosier a fost calcar. S-a studiat influența pe care procentul de zgură a avut-o asupra proprietăților betonului proaspăt și întărit în clasele de rezistență de 25, 35 și 45 MPa. Așa cum era de așteptat, datorită densității mai mari a zgurii de oțel în comparație cu agregatul natural, o creștere a conținutului de zgură a crescut densitatea amestecului de beton proaspăt cu 5%-20% față de betonul convențional. Aceasta a fost declarată a fi una dintre cele mai importante caracteristici ale betonului cu agregate de zgură de oțel . De asemenea, pe măsură ce ponderea zgurii în beton a crescut, consistența acestuia a scăzut.

În ceea ce privește rezistența la compresiune, înlocuirea agregatului fin cu zgură cu până la 50% a obținut aproximativ aceleași valori sau chiar valori mai mari ale rezistenței la compresiune decât betonul de referință, în timp ce betonul realizat numai din agregate de zgură a avut o rezistență la compresiune mai mică . Efectul pozitiv al zgurii asupra rezistenței la compresiune a betonului a fost mai pronunțat la clasa inferioară de rezistență a betonului. Influența zgurii asupra rezistenței la tracțiune a fost mai pronunțată decât efectul acesteia asupra rezistenței la compresiune. Și anume, creșterea conținutului de zgură în masa totală de agregate a crescut rezistența la tracțiune a betonului. Efectul pozitiv al zgurii asupra rezistenței la tracțiune a fost, de asemenea, mai pronunțat la clasa inferioară de rezistență a betonului. Înlocuirea agregatelor naturale cu zgură a creat o rezistență la tracțiune de 1,4 până la 2,4 ori mai mare și o rezistență la compresiune de până la 1,3 ori mai mare (cu un agregat de zgură de 15%). Cauza scăderii rezistenței la compresiune cu mai mult de 50% agregate de zgură s-a dovedit a fi cauzată de finețea zgurii în comparație cu nisipul. În special, creșterea cantității de zgură în beton crește cantitatea totală de material fin măcinat. Prin urmare, este necesar un ciment care să acopere granulele. Prin eliminarea cantităților excesive de particule fine din zgură, s-a înregistrat un efect foarte pozitiv asupra rezistenței la compresiune în toate etapele de maturare a betonului.

În , a fost studiat efectul înlocuirii unei fracțiuni de agregat grosier din beton cu zgură. Toate amestecurile testate au fost realizate cu aceeași cantitate de ciment și cu același raport apă-ciment. Au fost comparate rezistența la compresiune, viteza pulsului ultrasonic, absorbția și coroziunea unui amestec cu un raport de zgură în fracțiuni grosiere de 45%, 50%, 55%, 60% și 65% din greutatea totală a agregatului cu betonul de referință cu calcar (cu un raport grosier/fin de 60:40). Creșterea porțiunii de zgură în masa totală de agregate a făcut ca rezistența la compresiune și la tracțiune a betonului să crească și ea. Cu același raport de agregate grosiere și fine (60:40), betonul cu zgură a căpătat o rezistență la compresiune ușor mai mare și o rezistență la tracțiune ușor mai mică în comparație cu betonul de referință. Absorbția și porozitatea amestecului scad pe măsură ce porțiunea de zgură crește, sugerând posibile proprietăți de durabilitate mai bune ale unui astfel de beton . Viteza impulsurilor ultrasonice a crescut odată cu creșterea porțiunii de zgură, sugerând un modul de elasticitate mai mare a betonului cu zgură ca agregat în raport cu betonul de referință.

S-a observat, de asemenea, o reducere a rezistenței la compresiune și a vitezei impulsurilor ultrasonice după expunerea la variații termice pe parcursul a 60 de cicluri. Un ciclu a constat în expunerea probelor la 70°C timp de 8 h și la 25°C timp de 16 h. Scăderea rezistenței la compresiune în timpul variației termice a fost redusă odată cu creșterea porțiunii de agregat de zgură în amestec. Efectul variației termice asupra vitezei impulsului ultrasonic (și, prin urmare, asupra modulului de elasticitate al betonului) a fost mai puțin pronunțat în cazul betonului care conținea zgură decât în cazul betonului de referință. Deși creșterea absorbției datorată variațiilor termice a fost mai pronunțată în amestecurile care conțin zgură decât în betonul de referință, absorbția betonului care conținea zgură a fost cu siguranță mai mică după ciclurile termice decât absorbția betonului de referință . În aceeași lucrare a fost studiată și posibilitatea unei acțiuni corozive a agregatului asupra oțelului. S-a constatat o creștere substanțială a rezistenței la coroziune a oțelului construit în betonul care conține zgură în comparație cu betonul de referință, iar coroziunea oțelului a fost mai întârziată odată cu creșterea cantității de agregat de zgură.

Când se analizează influența agregatului de zgură de oțel asupra caracteristicilor mecanice ale betonului (de exemplu, rezistența la compresiune și la tracțiune), trebuie luată în considerare zona de tranziție interfacială (ITZ) dintre particulele de agregat și matricea cimentară. Această ZIT este considerată a fi o zonă slabă a betonului. În această zonă, apariția microsângerilor în jurul particulelor de agregate, porozitatea și unele caracteristici microstructurale depind de mai mulți factori, cum ar fi calitatea și dimensiunea agregatelor, raportul apă-ciment, liantul și vârsta amestecului . De asemenea, morfologia (adică, calitatea) ITZ joacă un rol important în permeabilitatea și durabilitatea betonului.

Prezența zgurii de oțel EAF în beton creează o morfologie diferită a ITZ. În special, o ITZ mai mică și mai puțin goală în comparație cu betonul cu agregate de rocă naturală este rezultatul migrării lente a CaO din miezul granulelor de zgură de oțel către suprafața sa, ceea ce duce la evoluția chimică a CaO în carbonat de calciu . Datorită unei ITZ mai puternice în cadrul betonului din zgură de oțel EAF, evidențiată de particule de agregate sparte pe suprafața de fractură în urma testelor de rupere mecanică a betonului, rezultă o rezistență mecanică îmbunătățită a betonului (compresiune și tracțiune). Cu toate acestea, deoarece zgura de oțel are o textură poroasă cu fisuri și crăpături multiple, se poate aștepta ruperea la sarcini mai mici. Pentru a reduce impactul acestei structuri poroase asupra caracteristicilor de rezistență în beton, agregatul de zgură de oțel poate fi pretratat prin lustruire într-o mașină de abraziune din Los Angeles. Acest agregat grosier lustruit pare să aibă o calitate îmbunătățită, cu o suprafață mai netedă și rezistență la emersiunea microfisurilor. Acest lucru are ca rezultat o densitate mai mare a suprafeței uscate și o rată mai mică de absorbție a apei în comparație cu agregatul de zgură de oțel obișnuit, netratat . De asemenea, tratamentul de lustruire a agregatului grosier de zgură are un impact asupra cedărilor la oboseală ale betonului. În cazul betonului cu agregate de zgură netratată, se poate observa fracturarea agregatelor, iar cedarea la oboseală se termină în tipul agregat-fracturat. Pe de altă parte, în cazul agregatului de zgură lustruit, majoritatea agregatelor sunt sănătoase, iar cedarea la oboseală se termină în tipul de rupere de interfață între pastă și agregat .

Caracteristicile agregatului de zgură lustruit au ca rezultat îmbunătățirea caracteristicilor betonului, cum ar fi rezistența la oboseală, deformația, emisiile acustice și duritatea materialelor sub sarcini de oboseală la compresiune. Cealaltă modalitate de îmbunătățire a calității agregatelor de zgură (în special a ITZ) este un tratament accelerat de carbonatare a agregatelor de zgură de oțel. Acest proces de carbonatare se realizează într-un reactor de carbonatare care a fost sigilat la 70°C și vidat la -0,3 MPa . Apoi, CO2 a fost introdus în reactor până când presiunea a ajuns la 0,3 MPa. Acest proces a provocat o modificare a structurii porilor agregatului. Acesta reduce apariția porilor cu diametrul mai mare de 1 μm cu 24,4% și crește apariția porilor cu diametrul mai mic de 1 nm cu 67,9% .

După carbonatare, rata de absorbție a apei a agregatului de zgură de oțel a scăzut, în timp ce proprietățile sale de impermeabilitate au crescut. Rata de expansiune a zgurii de oțel este, de asemenea, redusă datorită reducerii conținutului de CaO liber. Pentru compararea rezistenței ITZ pentru betonul cu agregate naturale și de zgură de oțel, rezistența zgurii de oțel carbonizate și a agregatului natural a fost comparată astfel încât rezistența la compresiune a betonului . Deși rezistența la strivire a agregatului de zgură carbonată a fost mai mică decât cea a agregatului natural, rezistența la compresiune a betonului din zgură s-a îmbunătățit. Atunci când secțiunea transversală a probei de beton a fost supusă testului de rezistență la compresiune, fisurile nu au trecut prin mijlocul agregatului, ci au călătorit în jurul grăuntelui propriu-zis. Astfel, ITZ-ul betonului cu agregate de zgură de oțel carbonat este mai rezistent și mai robust decât cel al betonului cu agregate naturale.

Carbonarea agregatului de zgură are, de asemenea, un impact benefic asupra mediului – și anume, reducerea potențialului de levigare a anumitor elemente. În analiza caracteristicilor de levigare a agregatului de zgură de oțel inoxidabil, s-a constatat că Ca și Si sunt elementele cele mai sensibil afectate de carbonatare, datorită schimbărilor în fazele minerale responsabile de controlul solubilității acestor elemente . Capacitatea de levigare a Cr, unul dintre cele mai toxice elemente din agregatul de zgură, nu a părut a fi semnificativ afectată de carbonatare, deși Mo a prezentat o oarecare reducere a levigării.

.