Stan wiedzy dotyczącej wykorzystania żużla miedziowego w kompozytach cementowych

Miedź jest jednym z trzech najbardziej użytecznych metali na świecie. Tylko 20% tego surowca pochodzi z recyklingu, a pozostała część z przemysłu wydobywczego. Produktem ubocznym wytopu miedzi jest żużel pomiedziowy, który powstaje w ilości ok. 2,2 t żużla/t produkcji miedzi. Pozyskuje się go w trakcie procesu wytapiania miedzi w piecach, w formie płynnej (1200 – 1300°C) i wylewa na skarpy, gdzie kilka miesięcy stygnie. Następnie jest rozbijany oraz kruszony, w wyniku czego otrzymuje się kruszywo pomiedziowe [1]. Materiał ten stanowią w większości składniki skałotwórcze, a składem chemicznym upodabnia się do bazaltu lub gabra. Na świecie wytwarza się rocznie ok. 33 mln t kruszywa pomiedziowego, z czego aż milion w polskim przemyśle miedziowym [1, 2]. Na fotografii pokazano kruszywo z żużla pomiedziowego różnych frakcji. Utylizacja i odzysk żużla zależą od jego rodzaju oraz metody chłodzenia. Ma on wiele korzystnych właściwości, m.in. doskonałe parametry akustyczne oraz dobrą odporność na ścieranie [3]. Jest wykorzystywany jako ścierniwo do czyszczenia metodą strumieniowo-ścierną oraz wykonywania nawierzchni asfaltowych i betonowych [4]. Mimo tego produkcja przewyższa popyt i większość materiału jest składowana jako odpad, co generuje problemy ekologiczne. W ostatnich latach zwiększa się zainteresowanie wykorzystaniem żużla pomiedziowego jako zamiennika cementu oraz kruszywa w zaprawach i mieszankach betonowych. Wynika to m.in. z braku kruszywa drobnego, który np. w Japonii jest już bardzo duży i wielu badaczy szuka zamienników [5].

Żużel pomiedziowy charakteryzuje się jednak dużą promieniotwórczością naturalną (wskaźnik f1 = 1,2 ÷ 2,5 Bq/kg, a wskaźnik f2 = 240 ÷ 490 Bq/kg), co jest powodem ograniczonego zastosowania tego materiału.

W artykule zaprezentowano przegląd literatury dotyczącej wykorzystania żużla pomiedziowego jako zamiennika cementu oraz kruszywa w kompozytach cementowych. Podkreślono ograniczenia i możliwości oraz określono luki badawcze. Na podstawie tych ostatnich zaproponowano kilka nowych kierunków badań. Skupienie się na nich może mieć kluczowe znaczenie w Polsce, ponieważ jest ona w czołówce państw mających największe zasoby miedzi [6].

Wyniki przeglądu literatury

W celu zobrazowania, jakie było zainteresowanie badaczy wykorzystaniem miedzi w zaprawach oraz mieszankach betonowych w ciągu ostatnich 15 lat, przeanalizowano publikacje zawierające słowa „copper slag”, „copper slag & concrete”, „copper slag & mortar”, „copper slag & concrete & mortar” w międzynarodowej bazie ScienceDirect Elsevier. Wyniki pokazano na rysunku.

Największe zainteresowanie badaczy można zauważyć w przypadku żużla pomiedziowego (copper slag). Liczba artykułów od 15 lat ma tendencję rosnącą, co potwierdza ciągły wzrost zainteresowania badaniem żużla pomiedziowego, szczególnie w ostatnich kilku latach.

Przy kombinacji słów liczba wyszukiwanych artykułów jest znacznie mniejsza, ale zachowuje trend rosnący. Stwierdziłam, że w ciągu ostatnich 15 lat pojawiło się ponad dwukrotnie więcej artykułów zawierających słowa „copper slag & concrete” niż „copper slag & mortar”.

Wpływ zastosowania kruszyw z żużla pomiedziowego na właściwości świeżej mieszanki betonowej.

Tabela 1 pokazuje, że zastąpienie kruszywa drobnego żużlem pomiedziowym ma pozytywny wpływ na urabialność zaprawy oraz mieszanki betonowej, ale zwiększa zjawisko segregacji i bleedingu oraz opóźnia czas wiązania. Nadmierny bleeding jest przypisywany szklistej powierzchni żużla [8], z kolei na urabialność i płynność mieszanki wpływa jego mała wodożądność i nasiąkliwość [7, 11]. Więcej badaczy skupia się na badaniu właściwości stwardniałego kompozytu niż świeżej mieszanki betonowej. Wśród przeanalizowanych prac badawczych znaleziono tylko pojedyncze badania zawartości powietrza oraz określenia gęstości objętościowej i na ich podstawie nie można jednoznacznie określić, jaki wpływ ma zamiana składników zaprawy lub mieszanki betonowej.

Wpływ zastosowania kruszyw z żużla pomiedziowego na właściwości mechaniczne stwardniałych próbek.

Analizując dane z tabeli 2, stwierdzono, że wraz z zastępowaniem cementu oraz kruszywa drobnego żużlem pomiedziowym zwiększa się gęstość betonu oraz wytrzymałość na rozciąganie. W przypadku substytucji kruszywa zaobserwowano również zmniejszenie absorpcji wody. Nie można jednoznacznie określić wpływu substytucji na wytrzymałość na zginanie z powodu rozbieżnych wyników. W przeanalizowanych pracach znaleziono tylko pojedyncze informacje o wpływie zastosowania żużlu pomiedziowego na nasiąkliwość, być może dlatego, że charakteryzuje się on małą nasiąkliwością, co ma przełożenie na nasiąkliwość kompozytów cementowych. Podobnie jest z liczbą prac badających mrozoodporność, na wyniki której ma wpływ czas pielęgnacji.

Nie znaleziono badań skurczu oraz analizy mikrostruktury betonu. Najwięcej prac naukowych opisuje wyniki badań wytrzymałości na ściskanie. Zestawiono je w tabeli 3.

Natomiast tabela 4 prezentuje wpływ zamiany cementu kruszywem pomiedziowym na wytrzymałość na ściskanie po 1, 3, 7, 28 oraz 90 dniach dojrzewania.

Zastąpienie kruszywa drobnego kruszywem pomiedziowym powoduje na ogół zwiększenie wytrzymałości na ściskanie zapraw, w przeciwieństwie do zastąpienia cementu, który powoduje jej zmniejszenie. Wpływ na właściwości żużla jako zamiennika cementu ma nie tylko sposób uzyskania kruszywa, ale również stopień zmielenia oraz aktywność pucolanowa [14]. Substytucja kruszywa drobnego w mieszance betonowej do 60% ma pozytywny wpływ na wytrzymałość na ściskanie betonu, podobnie jak substytucja cementu, jednak dopiero po kilku dniach. Większość prac badawczych skupia się na określeniu wytrzymałości na ściskanie po 7 oraz 28 dniach. Znacznie mniej określa wpływ na wczesną i długotrwałą wytrzymałość.

Podsumowanie

Na podstawie analizy literatury stwierdzono, że:

1. zainteresowanie badaczy żużlem pomiedziowym oraz jego wykorzystaniem w kompozytach cementowych na przestrzeni ostatnich 15 lat ciągle rośnie, szczególnie w ostatnich kilku latach;

1. zastąpienie kruszywa drobnego żużlem pomiedziowym korzystnie wpływa na wytrzymałość na ściskanie zapraw i betonów, szczególnie w przypadku zastąpienia 60% kruszyw w mieszance

1. większość prac bazuje na zastąpieniu żużlem pomiedziowym cementu lub kruszywa drobnego. Wśród dostępnej literatury tylko jedna praca dotyczyła zastąpienia kruszywa grubego;

1. trudno jednoznacznie określić, jak zamiana cementu kruszywem pomiedziowym wpływa na wytrzymałość na ściskanie betonu (z powodu niewystarczającej liczby badań);

1. wśród badań stwardniałego betonu i zapraw brakuje rzetelnych informacji o wpływie kruszywa pomiedziowego na skurcz oraz analizy mikrostruktury betonu.