Zapotrzebowanie na kruszywa jako materiał znajdujący szerokie zastosowanie w różnych gałęziach budownictwa stale wzrasta. Jest to uwarunkowane ciągłym postępem i rozwojem urbanizacji, jednak z drugiej strony powoduje, że zasoby kruszyw naturalnych zaczynają się kurczyć. W związku z tym coraz częściej przedsiębiorcy zwracają swoją uwagę w kierunku kruszyw sztucznych produkowanych na bazie materiałów odpadowych. W artykule przedstawiono charakterystykę właściwości kruszywa wyprodukowanego na bazie żużli stalowniczych w kontekście odpowiedzi na pytanie, czy analizowane kruszywo sztuczne może być zamiennie wykorzystywane z kruszywem naturalnym.

Fot. iStock

Title: Artificial aggregates based on steel slags as an alternative to natural aggregates?

Summary: The demand for aggregates as a material widely used in various construction sectors is constantly growing. This is due to continuous growth and increasing urbanisation, however, on the other hand, it makes the resources of natural aggregates shrink. Therefore, more and more often contractors turn to artificial aggregates produced on the basis of waste materials. The paper presents the properties of aggregate produced on the basis of steel slags in view of the question if the analysed artificial aggregate can be an alternative to natural aggregates.

Keywords: artificial aggregate, steel slag, slag aggregate

Kruszywo sztuczne definiowane jest jako kruszywo pochodzenia mineralnego uzyskane z materiału powstałego w wyniku procesu przemysłowego, obejmującego m.in. obróbkę termiczną lub inną modyfikację. Wśród tej grupy dominują kruszywa produkowane na bazie żużli hutniczych: wielkopiecowych, stalowniczych, pomiedziowych [6].

Popyt na produkcję kruszyw sztucznych, zwłaszcza na bazie żużli stalowniczych, jest uwarunkowany z jednej strony potrzebą utylizacji odpadów hutniczych, których znaczne ilości powstają podczas procesu produkcyjnego, a z drugiej strony ważnym aspektem jest fakt, że właściwości fizyko-mechaniczne tych kruszyw nie odbiegają od właściwości kruszyw naturalnych, m.in. produkowanych na bazie skał magmowych. Żużle stalownicze są coraz częściej stosowane jako dodatek do produkcji spoiw cementowych oraz jako substytut naturalnych kruszyw mineralnych, m.in. do niezwiązanych warstw podbudów drogowych, a także w produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych stosowanych w drogownictwie [8-10, 12]. Dodatkowo pozyskiwanie kruszyw z żużli zalegających na zwałowiskach sprzyja ich likwidacji, a tym samym prowadzi do odzyskiwania i rewitalizacji terenów przez nie zajmowanych [7]. Czynnikiem, na który należy zwrócić szczególną uwagę podczas użytkowania kruszyw produkowanych na bazie żużli stalowniczych, jest ich skład chemiczny. W procesie hutniczym część pierwiastków, w tym metali ciężkich, przechodzi do żużla, w związku z tym konieczny jest stały monitoring składu chemicznego kruszywa, tak aby nie wprowadzić do środowiska dodatkowego zanieczyszczenia [1, 5].

Obszar badań

Badania kruszywa na bazie żużli stalowniczych przyprowadzono we współpracy z firmą EkoProHut Sp. z o.o., która ma swoją siedzibę w Gliwicach-Łabędach. Firma EkoProHut Sp. z o.o. istnieje od 1999 roku, wcześniej – od 1992 roku działała jako jeden z wydziałów Huty Łabędy – Wydział Przerobu Żużla W-59. Działalność firmy jest związana z bezpośrednim przetwórstwem materiału odpadowego składowanego na zwałowisku w Gliwicach oraz Pyskowicach. Materiał ten jest mieszaniną odpadów hutniczych, w której zasadniczy udział ma żużel stalowniczy będący pozostałością po wytopie stali w piecach martenowskich Huty Łabędy. Żużel stalowniczy stanowi podstawę do produkcji kruszywa drogowego w następujących frakcjach: 0-8 mm, 0-12,8 mm, 12,8-31,5 mm, 31,5-63 mm, 0-63 mm. Oprócz kruszywa ze zwałowiska pozyskiwane są: złom żelaza, koncentraty żelaziste oraz gruz materiałów ogniotrwałych.

Metodyka badań

Przeprowadzono oznaczenia wybranych właściwości fizyko-mechanicznych, które są istotne z uwagi na charakter obecnego wykorzystania badanego kruszywa, głównie w warstwach konstrukcyjnych nawierzchni drogowych. Przy oznaczaniu poszczególnych właściwości użyto najliczniejszych frakcji wyodrębnionych z próbek ogólnych, dobór frakcji pozostaje w zgodzie ze standardami normowymi (tab. 1).

Badania składu chemicznego kruszywa przeprowadzono przy wykorzystaniu metody fluorescencji rentgenowskiej (XRF) oraz spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukowanej (ICP-OES).

Wyniki badań

Wyniki przeprowadzonych oznaczeń zestawiono w tab. 2. Gęstość objętościową ziaren wyrażono jako stosunek masy próbki kruszywa wysuszonej w suszarce do objętości, jaką próbka zajmuje w wodzie, wraz z wewnętrznymi, zamkniętymi pustymi przestrzeniami, lecz bez pustych przestrzeni dostępnych dla wody. Badanie wykonano, uśredniając wynik z trzech oznaczeń. Stwierdzono, że gęstość objętościowa kruszywa jest większa w porównaniu do gęstości objętościowej kruszyw naturalnych i wynosi ponad 3000 kg/m3, co klasyfikuje je do grupy kruszyw ciężkich.

Nasiąkliwość oznaczono jako procentowe zwiększenie masy próbki suchej spowodowane penetracją wody do dostępnych dla niej pustych przestrzeni ziaren po 24 h zanurzenia. Wynik oznaczenia jest średnią arytmetyczną nasiąkliwości trzech próbek. Nasiąkliwość deklaruje się jedną z dwóch kategorii, tj. WA241 lub WA242. Liczba po indeksie 24 oznacza nasiąkliwość odpowiednio: nie większą niż 1% masy i nie większą niż 2% suchej masy próbki. Nasiąkliwość badanego kruszywa jest stosunkowo wysoka (5,6%), co jest związane z porowatą teksturą materiału żużlowego – na tej podstawie kruszywo można zaliczyć do średnio nasiąkliwych.

Mrozoodporność została wyrażona średnim procentowym ubytkiem masy trzech próbek kruszywa każdej wyodrębnionej populacji poddanej dziesięciu dwudziestoczterogodzinnym cyklom zamrażania (od -17,5 do -2,5°C) i rozmrażania (od 20 do 3,0°C) w wodzie. Mrozoodporność deklaruje się jedną z kategorii: F1, F2, F4, FDeklarowana, FNR, gdzie liczba oznacza maksymalny, procentowy ubytek masy. Ubytek większy niż 4% (mrozoodporność badanego kruszywa wyniosła 8,0%) deklaruje się kategorią FDeklarowana. Ubytek masy kruszywa o uziarnieniu d/D (8/11) stanowią ziarna o wymiarze mniejszym niż d/2 (przechodzące przez sito 4 mm).

Odporność wyrażono współczynnikiem Los Angeles (LA), stanowiącym podaną w procentach część masy próbki, która po zakończeniu badania przeszła przez sito 1,6 mm, obliczanym zgodnie ze wzorem:

gdzie m stanowi masę [g] pozostającą na sicie 1,6 mm.

Odporność na rozdrabnianie deklaruje się jedną z kategorii: LA20, LA25, LA30, LA35, LA50, LA60, LAdeklarowana, LANR. Liczba ta oznacza maksymalny procent masy próbki analitycznej, która po zakończeniu badania, polegającym na obtaczaniu kruszywa wraz ze stalowymi kulami w obrotowym bębnie (500 obrotów przy stałej prędkości 31-33 obr./min), przeszła przez sito 1,6 mm (ubytek masy). Według Węglińskiego i in. [11] odporność na rozdrabnianie dla żużli stalowniczych wynosi 27%, natomiast badania przeprowadzone przez Góralczyka i Kukielską [3] wskazują zakres od 15 do 23%. Badane kruszywa wykazały odporność na rozdrabnianie na poziomie 32%.

Wytrzymałość na miażdżenie oznaczono jako procentowy ubytek masy ziaren kruszywa w wyniku miażdżenia z siłą 200 kN (przy przyroście 1,25 kN/s) próbki umieszczonej w stalowym cylindrze. Ubytek masy stanowił materiał przechodzący przez sito kontrolne o rozmiarze 4 mm (23,5%).

Badania składu chemicznego wykazały, że w kruszywie na bazie żużla dominującymi składnikami są: CaO (30,06%), SiO2 (25,37%) oraz Fe2O3 (22,32%), ponadto zaznacza się udział: Al2O3 (7,29%), MgO (5,74%), MnO (4,84%) oraz P2O5 (1,24%). Zawartość pozostałych tlenków nie przekracza 1%, równie niewielka jest ilość siarki całkowitej – 0,16%. W żużlach stwierdzono także obecność pierwiastków z grupy metali ciężkich: chromu (3345 mg/kg), wanadu (884 mg/kg), cynku (602 mg/kg), miedzi (211 mg/kg) oraz niewielkie ilości ołowiu i kobaltu.

Analizując skład chemiczny badanego kruszywa żużlowego, należy zwrócić uwagę na znaczną ilość CaO, która korzystnie wpływa na zachowanie jego zasadowego charakteru. Prowadzone wcześniej badania składu fazowego żużli [4, 5] wykazały, że zawarty w żużlach wapń jest przede wszystkim składnikiem faz krzemianowych, które są dość odporne na oddziaływanie procesów wietrzenia zachodzących pod wpływem czynników zewnętrznych. Zasadowy charakter żużli ogranicza migrację zawartych w nich metali ciężkich, co potwierdził także przeprowadzony dla badanego kruszywa test wymywalności. Stwierdzono, że sygnały dla pierwiastków mierzone w odcieku wodnym z kruszywa są porównywalne z tymi dla wody dejonizowanej. Podobne wyniki ograniczonej migracji metali ciężkich z żużli EAF otrzymali Gomes i Pinto [2].

Podsumowanie

Wykorzystanie kruszywa produkowanego na bazie żużli stalowniczych zyskuje coraz większą popularność, co ściśle wiąże się z działaniami proekologicznymi mającymi na celu racjonalną gospodarkę odpadami. Z drugiej strony prowadzone w różnych ośrodkach badawczych testy wykazują, że jakość produkowanego kruszywa sztucznego pod względem wartości parametrów fizyko-mechanicznych jest porównywalna do jakości kruszyw produkowanych na bazie naturalnych surowców. Starając się odpowiedzieć na pytanie, czy można zastąpić kruszywo naturalne kruszywem sztucznym, w tym przypadku wyprodukowanym na bazie żużla stalowniczego, należy stwierdzić, że istnieją przesłanki, aby potraktować te kruszywa jako w miarę równorzędne. Przeprowadzone badania wykazały wprawdzie, że właściwości żużli nieco odbiegają od właściwości surowców naturalnych, ale to nie dyskwalifikuje ich jako wartościowego materiału do produkcji kruszywa. Badane żużle spełniają zasadniczo wymagania dokumentu aplikacyjnego WT-4 do normy PN-EN 13242 wobec kruszyw do mieszanek niezwiązanych do ulepszonego podłoża i warstw podbudowy drogowej każdej kategorii obciążenia ruchem. Podwyższona nasiąkliwość (wymagana mniejsza niż 2,0% wag.) nie powoduje przekroczenia wymaganego dla tego typu materiałów poziomu mrozoodporności (wymagana nie większa niż 10% wag.). W kontekście zastosowania materiału w drogowych mieszankach związanych spoiwami hydraulicznymi według dokumentu aplikacyjnego WT-5 do tej samej normy kruszywo żużlowe, z uwagi na swoje właściwości, jest w pełni przydatne.

Należy również podkreślić, że zawartość w składzie chemicznym żużli podwyższonych niektórych metali nie powinna przekreślać możliwości ich gospodarczego wykorzystania. Bardzo istotne są forma występowania pierwiastków i sposób ich powiązania ze składnikami budującymi żużle [4].

– Dziś coraz więcej mówi się o filozofii eko w każdym aspekcie życia. Myślę, że korzystanie przy budowie dróg z kruszyw odzyskanych z hałdy pohutniczej wpisuje się w tę ideologię – mówi Marek Palka, prezes Zarządu EkoProHut Sp. z o.o.

Piśmiennictwo
  1. Baricová D., Pribulová A., Futáš P., Bul’ko B., Demeter P.: Change of the Chemical and Mineralogical Composition of the Slag during Oxygen Blowing in the Oxygen Converter Process. „Metals”, 8, 2018, s. 1-14.
  2. Gomes J.F.P., Pinto C.G.: Leaching of Heavy Metals from Steelmaking Slag. „Revista de Metalurgia”, 42 (6), 2006, s. 409-416.
  3. Góralczyk S., Kukielska D.: Jakość krajowych kruszyw. „Górnictwo i Geoinżynieria”, rok 34, zeszyt 4, 2010, s. 211-224.
  4. Jonczy I.: Formy występowania wybranych metali w żużlach hutniczych na tle ich właściwości geochemicznych. „Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management”, tom 28, zeszyt 1, 2012, s. 63-75.
  5. Jonczy I.: Studium mineralogiczno-chemiczne żużli stalowniczych ze zwałowiska i bieżącej produkcji w Gliwicach-Łabędach oraz oddziaływanie zwałowiska na gleby. Monografia habilitacyjna, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2014.
  6. Kozioł W., Ciepliński A., Machnik Ł., Borcz A.: Kruszywa w budownictwie. Cz. 2. Kruszywa alternatywne. „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne”, wrzesień –październik, 2015, s. 35-39.
  7. Kukielska D.: Kruszywa z surowców odpadowych – kruszywa dla drogownictwa. „Magazyn Autostrady”, 3, 2017, s. 44-45.
  8. Reddy A.S., Pradhan R.K., and Chandra S.: Utilization of Basic Oxygen Furnace (BOF) slag in the production of a hydraulic cement binder. „International Journal of Mineral Processing”, vol. 79, no. 2, 2006, s. 98-105.
  9. Shi C.: Steel slag – its production, processing, characteristics, and cementitious properties. „Journal of Materials in Civil Engineering”, vol. 16, no. 3, 2004, s. 230-236.
  10. Sofilić T., Merle V., Rastovčan-Mioč A., Ćosić M., Sofilić U.: Steel slag instead natural aggregate in asphalt mixture. „Archives od Metallurgy and Materials”, vol. 55, issue 3, 2010, pp. 657-668.
  11. Węgliński S., Babiak M., Ratajczak A.: Porównanie wybranych cech kruszyw łamanych i recyklingowych stosowanych w budownictwie wg norm zharmonizowanych. „Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej – Archives of Institute of Civil Enginee­ring”, nr 24, 2017, s. 369-385
  12. Wowkonowicz P., Bojanowicz-Bablok A., Gworek B.: Wykorzystanie odpadów z przemysłu wydobywczego i hutnictwa w drogownictwie. „Annual Set The Environment Protection – Rocznik Ochrona Środowiska”, vol. 20, 2018, s. 1335-1349.

Fot. 1. Linia produkcyjna

Fot. 2. Maszyny do przerabiania odpadów zalegających na zwałowisku

Fot. 3. Firma EkoProHut Sp. z o.o. rozwija świadomość ekologiczną od najmłodszych lat
Fot. 4. Kruszywo na bazie żużla stalowniczego

Tab. 1. Zestawienie wybranych właściwości fizyko-mechanicznych wraz z określoną podstawą do wykonania badań

Tab. 2. Zestawienie wyników oznaczeń dla badanego kruszywa
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij