5.2 Användning av slagg som aggregat i betong

Elektrisk ljusbågsugnsslagg innehåller en liten andel amorft kisel och en stor andel järnoxid. Den har liten eller ingen puzzolansk aktivitet jämfört med masugnsslagg, vilket gör den olämplig som cementtillsats. Stålslaggens stora hårdhet har lett till att den har beaktats som ett aggregat i betong. Många studier har genomförts för att undersöka denna möjlighet.

I , användes stålslagg för att ersätta en del av en finkornig ballastfraktion, där kvartssand (motsvarande 15 %, 30 % eller 50 %) eller finkornig fraktion helt ersattes av slagg. I alla blandningar bestod det grova aggregatet av kalksten. Man studerade hur slaggprocenten påverkade egenskaperna hos färsk och hårdgjord betong i hållfasthetsklasserna 25, 35 och 45 MPa. Som förväntat, på grund av stålslaggens högre densitet jämfört med naturliga aggregat, ökade en ökning av slagghalten densiteten i den färska betongblandningen med 5-20 % jämfört med konventionell betong. Detta uppgavs vara en av de viktigaste egenskaperna hos betong med stålslaggaggregat. Dessutom minskade konsistensen i takt med att andelen slagg i betongen ökade.

När det gäller tryckhållfasthet uppnådde man ungefär samma eller till och med högre värden för tryckhållfasthet än referensbetong när man ersatte fina aggregat med slagg med upp till 50 %, medan betong tillverkad av enbart slaggaggregat hade lägre tryckhållfasthet . Slaggens positiva effekt på betongens tryckhållfasthet var mer uttalad i den lägre betonghållfasthetsklassen. Slaggens inverkan på draghållfastheten var mer uttalad än dess effekt på tryckhållfastheten. Ökad slagghalt i den totala aggregatmassan ökade nämligen betongens draghållfasthet. Slaggens positiva effekt på draghållfastheten var också mer uttalad i den lägre betonghållfasthetsklassen. Att ersätta naturliga aggregat med slagg gav 1,4 till 2,4 gånger högre draghållfasthet och upp till 1,3 gånger högre tryckhållfasthet (med 15 % slaggaggregat). Orsaken till nedgången i tryckhållfasthet med mer än 50 % slaggaggregat visade sig bero på slaggens finhet jämfört med sand. I synnerhet ökar den ökade mängden slagg i betongen den totala mängden av det finfördelade materialet. Därför behövs ett cement som täcker kornen. Genom att eliminera alltför stora mängder fina partiklar i slagg fanns det en mycket positiv effekt på tryckhållfastheten i betongens alla mognadsstadier.

I , studerades effekten av att ersätta en fraktion av det grova aggregatet i betong med slagg. Alla testade blandningar gjordes med samma mängd cement och med samma vatten-cementförhållande. Man jämförde tryckhållfasthet, ultraljudspulshastighet, absorption och korrosion hos en blandning med en andel slagg i grova fraktioner på 45 %, 50 %, 55 %, 60 % och 65 % av aggregatets totala vikt med referensbetong med kalksten (med ett förhållande mellan grovt och fint på 60:40). En ökning av slaggandelen i den totala massan av aggregat gjorde att betongens tryck- och draghållfasthet också ökade. Med samma förhållande mellan grova och fina aggregat (60:40) fick slaggbetong en något högre tryckhållfasthet och en något lägre draghållfasthet jämfört med referensbetongen. Blandningens absorption och porositet minskar när slaggandelen ökar, vilket tyder på bättre hållbarhetsegenskaper hos sådan betong. Ultraljudspulshastigheten ökade med ökningen av slaggandelen, vilket tyder på en större elasticitetsmodul hos betong med slagg som aggregat i förhållande till referensbetongen.

En minskning av tryckhållfastheten och ultraljudspulshastigheten efter exponering för termiska variationer under 60 cykler observerades också. En cykel bestod av att proverna utsattes för 70 °C i 8 timmar och 25 °C i 16 timmar. Minskningen av tryckhållfastheten under termiska variationer minskade med ökad andel slaggaggregat i blandningen. Effekten av termisk variation på ultraljudspulshastigheten (och därmed på betongens elasticitetsmodul) var mindre uttalad i betongen som innehöll slagg än i referensbetongen. Även om ökningen av absorptionen på grund av termiska variationer var mer uttalad i blandningar som innehöll slagg än i referensbetong, var absorptionen av betong som innehöll slagg säkerligen mindre efter värmecykler än absorptionen av referensbetong . I samma artikel undersöktes också möjligheten av en korrosiv verkan av aggregat på stål. Man fann en betydande ökning av korrosionsbeständigheten hos stål i betong som innehåller slagg jämfört med referensbetong, och stålkorrosionen fördröjdes mer med ökningen av slaggaggregatet.

När man analyserar inverkan av stålslaggaggregat på betongens mekaniska egenskaper (dvs. tryck- och draghållfasthet) måste man ta hänsyn till övergångszonerna i gränsytan (ITZ) mellan aggregatpartiklarna och den cementbaserade matrisen. Denna ITZ anses vara en svag zon i betongen. I detta område beror uppkomsten av mikroblödning runt aggregatpartiklarna, porositet och vissa mikrostrukturella egenskaper på flera faktorer, t.ex. aggregatkvalitet och -storlek, förhållandet mellan vatten och cement, bindemedlet och blandningens ålder. Dessutom spelar morfologin (dvs. kvaliteten) hos ITZ en viktig roll för betongens permeabilitet och hållbarhet.

Närvaron av EAF-stålslagg i betong skapar en annan ITZ-morfologi. I synnerhet är en mindre och mindre ihålig ITZ jämfört med betong med naturliga bergartsaggregat ett resultat av den långsamma migrationen av CaO från stålslaggkornens kärna till dess yta, vilket resulterar i en kemisk utveckling av CaO till kalciumkarbonat . På grund av en starkare ITZ i EAF-stålslaggbetong, som visas av brutna aggregatpartiklar på brottytan efter provning av betongens mekaniska brott, förbättras betongens mekaniska hållfasthet (tryck- och draghållfasthet). Eftersom stålslagg har en porös struktur med flera sprickor och klyftor kan man dock förvänta sig brott vid lägre belastningar. För att minska denna porösa strukturs inverkan på betongens hållfasthetsegenskaper kan stålslaggaggregat förbehandlas genom polering i en slipmaskin i Los Angeles. Detta polerade grova aggregat verkar ha en förbättrad kvalitet, med en slätare yta och motståndskraft mot mikrosprickor. Detta resulterar i en högre yt-torkdensitet och lägre vattenabsorption jämfört med vanligt, obehandlat stålslaggaggregat . Polering av grova slaggaggregat har också en inverkan på utmattningsfel i betong. För betong med obehandlat slaggaggregat kan man observera sprickbildning i aggregaten, och utmattningsbrottet slutar i typen aggregatbrott. I ett fall med polerat slaggaggregat är däremot de flesta aggregaten friska och utmattningsbrottet slutar i gränssnittsskalningstypen mellan pasta och aggregat .

Den polerade slaggaggregatens egenskaper resulterar i förbättringar av betongens egenskaper såsom utmattningshållfasthet, töjning, akustiska emissioner och materialens hårdhet vid utmattningsbelastning genom kompression. Det andra sättet att förbättra slaggaggregatets kvalitet (särskilt ITZ) är genom en accelererad karbonatiseringsbehandling av stålslaggaggregat. Denna karboniseringsprocess utförs i en karboniseringsreaktor som har förseglats till 70 °C och vakuumiserats till -0,3 MPa . Därefter infördes koldioxid i reaktorn tills trycket nådde 0,3 MPa. Denna process orsakade en förändring i aggregatets porstruktur. Den minskar förekomsten av porer med en diameter större än 1 μm med 24,4 % och ökar förekomsten av porer med en diameter mindre än 1 nm med 67,9 % .

Efter karbonatisering minskade stålslaggaggregatets vattenabsorberingsgrad, medan dess ogenomträngliga egenskaper ökade. Stålslaggens expansionsförhållande minskar också på grund av minskningen av halten av fritt CaO. För att jämföra ITZ-hållfastheten för betong med naturliga och stålslaggsaggregat jämfördes hållfastheten för kolsyrad stålslagg och naturliga aggregat så som betongens tryckhållfasthet . Även om krosshållfastheten hos kolsyrat slaggaggregat var lägre än hos naturligt aggregat har slaggbetongens tryckhållfasthet förbättrats. När betongprovets tvärsnitt utsattes för tryckhållfasthetsprovning gick sprickorna inte genom mitten av aggregatet, utan rörde sig runt själva kornet. Således är ITZ för den karbonatiserade betongen av stålslaggaggregat starkare och mer robust än betong av naturligt aggregat.

Karbonatiseringen av slaggaggregat har också en fördelaktig miljöpåverkan – nämligen att den minskar utlakningspotentialen för vissa grundämnen. Vid analys av utlakningsegenskaperna hos slaggaggregat av rostfritt stål visade det sig att Ca och Si var de grundämnen som påverkades mest märkbart av karbonatisering på grund av förändringarna i de mineralfaser som ansvarar för löslighetskontrollen av dessa grundämnen . Utlakningen av Cr, ett av de mest giftiga grundämnena i slaggaggregat, tycktes inte påverkas nämnvärt av karbonatisering, även om Mo uppvisade en viss minskning av utlakningen.