Przykłady zastosowania proszków i kruszyw odpadowych w składzie kompozytów cementowych

W przypadku spalonego komunalnego osadu ściekowego większość publikacji z zakresu wykorzystania tego surowca w technologii materiałów budowlanych wskazuje na jego przydatność w postaci popiołu w produkcji cementu lub jako jego zamiennik w kompozytach cementowych.

S. Chin et al. [12] zbadali wpływ temperatury spalania (600oC i 800oC) oraz udział popiołu powstałego podczas spalania osadu ściekowego w ilości 10%, jako częściowego zamiennika cementu, na wytrzymałość zaprawy cementowej. Ustalili, że surowy osad ściekowy zawiera głównie tlenki krzemu, fosforu i żelaza (SiO₂, P₂O₅, Fe₂O₃). Natomiast po jego spaleniu popiół zawiera głównie: S_iO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, P₂O₅. Zastąpienie popiołem 10% wag. cementu opóźnia proces hydratacji, a także wczesną wytrzymałość zaprawy, bez względu na temperaturę spalania osadu ściekowego. Jednak w przypadku popiołu uzyskanego w temperaturze spalania 800°C udział 10% w zaprawie poprawił nieco wytrzymałość po 28 i 90 dniach dojrzewania.

Wpływ spalonego osadu ściekowego na właściwości cementu w procesie wypalania klinkieru zbadali Y. Lin et al. [13]. W ramach wykonanych badań analizowano wpływ popiołu powstałego podczas spalania osadu ściekowego w ilości 0,5-15%, który dodawano do klinkieru. Tak uzyskaną mieszaninę wypalano w temp. 1450°C przez 2 godziny. W procesie tym uzyskano bardzo podobny skład do cementu portlandzkiego. Zauważono jednak, że faza C₂S wzrastała w miarę zwiększania ilości popiołu w odniesieniu do ilości klinkieru. Również zaobserwowano wydłużenie czasu wiązania zaczynu, przy czym wytrzymałość na ściskanie zapraw malała.

P. Garcés et al. [14] sprawdzili kompatybilność popiołu powstałego podczas spalania osadów ściekowych z cementami typu CEM I i CEM II o różnej zawartości klinkieru cementowego. Testowano zaprawy z udziałem popiołu od 10% do 30% masy cementu. Najkorzystniej wypadły zaprawy z udziałem 10% popiołu, jako zamiennika cementu CEM II­/B-M (V-LL) 42,5R. Natomiast B. Krejcirikova et al. [15], oprócz ustalenia parametrów chemicznych i granulometrii popiołu uzyskanego podczas spalania osadów ściekowych, wykonali oznaczenia wybranych właściwości fizycznych zaprawy cementowo-popiołowej. Zauważono, że cząsteczki popiołu są większe od cząsteczek cementu. Natomiast obecność popiołu w zaprawie jako zamiennik cementu wpływa na wzrost porowatości struktury, co spowodowało obniżenie 28-dniowej wytrzymałości na ściskanie. Potwierdzono także zwiększoną absorpcję wody, z drugiej zaś strony nie zauważono wyraźnego oddziaływania na izotermy sorpcji badanych zapraw.

Przykłady wykorzystania kruszyw odpadowych

Najczęściej spotykane są kruszywa odpadowe pozyskane z gruzu betonowego i ceramicznego, a także ze stłuczki szklanej. W ostatnim czasie również spalony komunalny osad ściekowy jest przedmiotem badań, których celem jest zagospodarowanie tego odpadu w kompozytach cementowych (fot. 2).

S. Ray et al. [16] dokonali przeglądu publikacji prezentujących wyniki badań cech fizycznych, mechanicznych i mikrostrukturalnych ceramicznego kruszywa pozyskanego z odpadów ceramicznych, charakteryzujących się różną strukturą, a także ukształtowaniem wyrobu (np.: cegły, płytki, dachówki etc.). Na podstawie analizowanych wyników badań stwierdzono, że beton z udziałem kruszywa ceramicznego ma porównywalne właściwości techniczne do betonu konwencjonalnego. Parametry betonu z kruszywa ceramicznego, takie jak: wytrzymałość na ściskanie, przepuszczalność, przyczepność do podłoża itp., spełniają wymagane kryteria określone przez różne międzynarodowe normy i wymagania techniczne, co potwierdza przydatność odpadów ceramicznych jako skutecznego zamiennika kruszyw naturalnych w betonie konstrukcyjnym.

Autorzy zauważają jednak, że nie badano właściwości konstrukcyjnych elementów żelbetowych na bazie odpadów ceramicznych, proponując tym samym temat przyszłych badań. Także A. Sivakumar et al. [17] zbadali zastosowanie ceramiki odpadowej jako zamiennika kruszywa w betonach cementowych. Do badań przygotowano próbki z odpadami ceramicznymi w postaci kruszywa drobnego i grubego o różnym poziomie procentowym: 0%, 10%, 20%, 30%, 40% i 50%. Wykonano oznaczenia właściwości zarówno mieszanki betonowej, jak i betonu. Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono przydatność kruszyw drobnych i grubych z odpadów ceramicznych. Gdy ich udział w ogólnej mieszance kruszywa wynosił nie więcej niż 20%. Na tym poziomie zamiany kruszywa naturalnego na kruszywo odpadowe podstawowe parametry betonu były porównywalne z betonem konwencjonalnym.

H.J. Chen et al. [18] przeanalizowali zastosowanie materiałów ceramicznych w betonie oraz prefabrykatach betonowych, głównie pod względem ich wytrzymałości na ściskanie. Stwierdzono, że gruz ceramiczny można przekształcić na wartościowe kruszywo ceramiczne poprzez odpowiednią obróbkę. Odniesiono się do wpływu kruszywa ceramicznego płukanego i bez tego zabiegu na właściwości mechaniczne betonu. Zauważono, że przy w/c = 0,38 wytrzymałość betonu z udziałem kruszywa recyklingowego niepłukanego w odniesieniu do betonu bez jego udziału obniżyła się o ok. 40%, natomiast z zabiegiem płukania (w/c = 0,6) jest to 25%.