Úvod Využití vysokopecní strusky a přírodního anhydritu k přípravě struskosíranového pojiva Dominik Gazdič, Marcela Fridrichová, Jan Novák, VUT FAST Brno V současnosti je ve stavebním průmyslu stále větší trend nahrazovat přírodní zdroje surovin na výrobu stavebních hmot za průmyslové odpadní suroviny nebo recyklované materiály, mezi které lze také zařadit vysokopecní granulovanou strusku, která vzniká jako vedlejší produkt při výrobě surového železa ve vysoké peci. Chemické složení vysokopecních strusek, stejně jak u většiny druhotných surovin, je dosti proměnné. Zastoupení jednotlivých chemických složek bývá obvykle (% hm.): CaO 0 % FeO + Fe 2 O 3 0,2 3 % SiO 2 43 % S (ve formě S 2- ) 0, 3 % Al 2 O 3 18 % MnO 0,2 2 % MgO 1 1 % Hlavními minerály ve struskách jsou: gehlenit - 2CaO.Al 2 O 3.SiO 2 akermanit - 2CaO.MgO.2SiO 2 melilit - pevný roztok gehlenitu a akermanitu merwinit - 3CaO.MgO.2SiO 2 belit - β - 2CaO.SiO 2 wollastonit - β - CaO.SiO 2 Granulovaná vysokopecní struska je svými vlastnostmi členěna mezi tzv. látky latentně hydraulické, tedy mezi látky, které po přidání vody samy o sobě netuhnou a netvrdnou. Určité hydraulické vlastnosti projevují až po přidání patřičného množství budiče neboli aktivátoru, jež lze rozdělit na zásadité nebo síranové. K síranovému buzení hydraulických vlastností vysokopecních strusek se používá buď sádrovec nebo anhydrit. Zpravidla se však přidává ještě portlandský cement nebo vápno, aby současně docházelo i k zásaditému buzení. Takto získané maltoviny označujeme jako struskosíranové cementy. 1
Nejčastěji se doporučuje příprava této maltoviny s obsahem 80 až 8 % strusky, až 1 % anhydritu a % portlandského cementu (větší množství cementu by mohlo vést k síranovému rozpínání). Struskosíranové cementy dosahují při zkoušení podle norem až MPa pevnosti v tlaku. Při jejich tvrdnutí se tvoří sloučeniny obdobné sloučeninám, které vznikají při tvrdnutí struskoportlandských cementů.[1] Vyznačují se malým vývinem hydratačního tepla a značnou odolností proti agresivním vodám. Metodika V rámci práce byla řešena problematika přípravy struskosíranového pojiva. Konkrétně se jednalo o sledování dosahovaných technologických vlastností a průběhu hydratačního procesu v závislosti na poměru dávkování jednotlivých složek pojiva. Základní surovinou pro přípravu vzorků byla jemně mletá granulovaná vysokopecní struska ze Štramberku, ke které byl jako síranový aktivátor přidáván polský přírodní anhydrit, a dále jako zásaditý budič portlandský cement CM I 42,N. Poměr mísení jednotlivých složek pojiva udává tab. č. 1. Tab. 1 Poměr dávkování jednotlivých složek struska [%] anhydrit [%] p-cement [%] 1 7 3* 2 80 3* 3 8 1 3* 4 90 3* * dávkováno hm. na hmotnost strusky + anhydritu Jednotlivé vzorky struskosíranového pojiva byly připraveny nadávkováním příslušného množství jednotlivých složek a následně důkladně homogenizovány. Poté byly vzorky podrobeny zkouškám technologických vlastností: tuhnutí; uskutečněno postupem dle Vicata a zahrnovalo stanovení normální konzistence pevnost v tlaku a tahu za ohybu; byla stanovena na hydratovaných pastách o vodním součiniteli odpovídajícím kaši normální konzistence. Pro pevnostní zkoušky byla zaformována zkušební tělesa rozměrů x x 0 mm, která po odformování byla exponována v prostředí nasycené vodní páry. Pevnostní zkoušky byly uskutečněny po době hydratace 1, 3, 7 dnů 141
objemová hmotnost; stanovena na zkušebních tělesech vždy před pevnostními zkouškami Zbytky vzorků po provedených technologických zkouškách byly použity ke studiu hydratačního procesu pomocí metody RTG-difrakční analýzy. Vyhodnocení Vysokopecní struska a přírodní anhydrit byly podrobeny sledování mineralogického složení metodou RTG-difrakční analýzy, viz rentgenogram na obr. 1 a 2. merwinit merwinit beta-belit kalcit 60 0 4 1 Obr. 1 Rentgenogram vysokopecní strusky Obr. 2 Rentgenogram přírodního anhydritu Hlavním identifikovaným minerálem vysokopecní strusky byl merwinit (d hkl = 2,66; 1,90 Å), β-belit (d hkl = 2,74). U přírodního anhydritu byl hlavním identifikovaným minerálem nerozpustný anhydrit II, CaSO 4 (d hkl = 3,49; 2,8; 2,33 Å), který byl akcesoricky doprovázen sádrovcem, CaSO 4. 2H 2 O (d hkl = 7,6; 4,27; 3,79 Å). Přehled dosahovaných technologických vlastností vzorků je uveden v tab. 2. 142
Tab. 2 Technologické vlastnosti zkoumaných vzorků Technologické vlastnosti Obsah STRUSKY + ANHYDRITU [%] 7 + 80 + 8 + 1 90 + Normální konzistence: Vodní součinitel [-] 0,33 0,34 0, 0,36 Pevnosti: [MPa] V tlaku: 1 den 1,00 0,94 0,96 0,94 3 dny 6,9 7,0 7,73 8,2 7 dnů 9,94 11,7,19 9,07 V ohybu: 1 den 0 0 0 0 3 dny 1,74 2,83 2,43 2,9 7 dnů 2,24 2,60 2,4 2,60 Obj. hmotnost: [kg/m 3 ] 1 den 1938 1919 19 1862 3 dny 1939 199 196 1936 7 dnů 1879 1883 1871 184 Ze vzájemného porovnání technologických vlastností sledovaných vzorků je patrné, že se zvyšujícím se procentuálním zastoupením vysokopecní strusky dochází ke zvyšování vodního součinitele, a to z hodnoty 0,33 na 0,36. Co se týče dosahovaných pevností, bylo nejvyšší pevnosti v tlaku dosaženo u vzorku s poměrem mísení 80 % strusky a % anhydritu, u kterého byla dosažená pevnost v tlaku po 7 dnech hydratace v prostředí nasycené vodní páry cca 12 MPa. Průběh hydratačního procesu hydratovaných vzorků sledovaný pomocí RTGdifrakční analýzy je dokumentován na rentgenogramech na obr. 3. 143
1 den 3 dny 7 % strusky + % anhydritu 1 1 80 % strusky + % anhydritu 1 1 8 % strusky + 1 % anhydritu 1 1 90 % strusky + % anhydritu 1 nestanoveno Obr. 3 Rentgenogramy hydratovaných vzorků po jednotlivých dobách hydratace 144
V rentgenogramech vzorků byly identifikovány tyto minerály: anhydrit II, CaSO 4 (d hkl = 3,49; 2,8; 2,33 Å), ozn. AH II sádrovec, CaSO 4.2H 2 O (d hkl = 7,6; 4,27; 3,79 Å), ozn. ettringit, C 3 A.3CaSO 4.32H 2 O (d hkl = 9,8;,7; 4,67 Å), ozn. Na základě pozorovaných rozdílů v intenzitě difrakčních linií není možná, po třech dnech hydratace, jednoznačná kvantifikace a lze pouze konstatovat, že průběh hydratačního procesu všech čtyř vzorků je velmi podobný. Bližší posouzení rozdílů v průběhu hydratace vzorků by bylo proveditelné na základě vyhodnocení delšího časového úseku hydratace a dále po provedení termické analýzy, kterou však nebylo možné z časových důvodů uskutečnit. Z rentgenogramů je patrná tvorba ettringitu u všech čtyř analyzovaných vzorků a to už po jednom dni uložení. Dále je patrná topochemická reakce při přeměně anhydritu na dihydrát. Rychlost tvorby dihydrátu je u všech vzorků přibližně stejná. Obě fáze, anhydritu a ettringitu, jsou pozorovány i po 3 dnech hydratace a společně s prvními nepatrnými podíly kalciumsilikátových fází jsou nositely počátečních pevností. Závěr Na základě dosažených výsledků lze říci, že použití směsného budiče, na bázi přírodního anhydritu s přídavkem malého množství portlandského cementu, se pro iniciaci hydraulických vlastností vysokopecní strusky ukázalo jako účinné. Při expozici vzorků struskosíranového pojiva v prostředí nasycené vodní páry bylo dosaženo hodnoty tlakové pevnosti cca 12 MPa po 7 dnech uložení. Avšak z prvotních dosažených výsledků, ohraničených 7 dny hydratace, nelze dělat jednoznačné závěry. Při studiu literárních pokladů byly sice vyzdvihovány dosahované pevnosti v tlaku a schopnost odolávat účinkům agresivního prostředí, ale na druhou stranu, zde byla zmíněna problematika ztráty vaznosti a rozpadu strusky v závislosti na množství a druhu použitých budičů a nečistot jež obsahují, která je pozorovatelná až po delším časovém období hydratace. Za tímto účelem se proto dále doporučuje jednak rozšířit sledování dosahovaných vlastností o delší časové rozmezí a dále podrobit vzorky zloumání metodou termické analýzy. 14
Tento příspěvek byl vytvořen za podpory VVZ MSM 0021611 Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí a GAČR 3/0/H044 Stimulace vědeckého rozvoje doktorandů na oboru stavebně materiálové inženýrství. Literatura [1] VAVŘÍN F., Maltoviny, VUT Brno, Brno, 1987 [2] FRIDRICHOVÁ, M.; GAZDIČ, D. Problematika anhydritových maltovin. Maltoviny 06. Brno, VUT v Brně. 06. p. 4-2. ISBN 80-214-3322-1. [3] LACH, V.; DAŇKOVÁ, M. Mikrostruktura stavebních látek, VUT Brno, Brno, 1991, ISBN 80-214-09-8 146