EGYÉB HULLADÉKOK
6.5
A bontásból származó beton felhasználása új beton adalékanyagaként Tárgyszavak: beton; betontörmelék; építés; építőanyag; hulladék; újrahasznosítás.
Bevezetés Világszerte nő az érdeklődés az építési és bontási hulladékból származó, újrafeldolgozott anyagok iránt. A környezetvédelem, a természeti erőforrások megőrzése, a kevés lerakóhely, a lerakás előtti hulladékkezelés növekvő költségei a fő hajtóerői az újrafeldolgozásnak. Hongkongban az építőipar naponta közel 37 100 t ilyen hulladékot termel, ami durván a négyszerese a települési szilárd hulladék mennyiségének. Az újrafeldolgozott építési és bontási hulladék felhasználása beton töltőanyagaként hatékonyan csökkentheti a kihelyezendő anyag mennyiségét. Ilyen töltőanyag használatakor könnyen elérhető a beton 35–50 N/mm2-es szilárdsága. A tört betonból nyert, újrafeldolgozott töltőanyagok térfogatuk 65–70%-ában természetes durva és finom töltőanyagot (aggregátumot), 30–35%-ában pedig régi cementpépet tartalmaznak. Az utóbbi porózusabb az előbbinél, következésképpen a visszanyert töltőanyagok inhomogénebbek, kevésbé tömörek és porózusabbak, mint a természetesek. A Hongkongban használt aprított gránit töltőanyagok sűrűsége 2600–2650 kg/m3, vízfelvétele közel 1%; az újrafeldolgozottak sűrűsége 2200–2400 kg/m3, vízfelvétele pedig 5–15%. A kis víz/kötőanyag aránynyal és puccolánadalékokkal előállított, nagy szilárdságú betonok tömörebbek, kevésbé porózusak, mint a nagyobb víz/kötőanyag aránnyal készültek. Eddig kevéssé vizsgálták az újrafeldolgozott beton töltőanyag mikroszerkezetét és annak hatását a beton mechanikai tulajdonságaira. Ez a közlemény ilyen vizsgálatok eredményeit ismerteti.
Kísérletek A felhasznált anyagok A kísérletekben a Hongkongban kapható, a BS 12 brit szabványnak megfelelő portlandcementet használták, amelynek sűrűsége 3,16 g/cm3, fajlagos felülete pedig 3519 cm2/g volt. A cement összetétele az 1. táblázatban látható. 1. táblázat A vizsgálatban használt cement vegyi összetétele (%) CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
SO3
Izzítási veszteség
63,15
19,61
7,32
3,32
2,54
2,13
2,97
Finom töltőanyagként 2,1 modulusú, természetes folyami homokot használtak, durva töltőanyagként egy természetes és két újra feldolgozott fajtát. A természetes töltőanyag 10 és 20 mm névleges méretű, zúzott gránit volt, az újrafeldolgozott pedig két fajta zúzott helyi betonból származott. Az egyik normál, a másik nagyszilárdságú volt, az utóbbi kovasavfüst és szálló hamu adalékot is tartalmazott. Ezek egymástól könynyen megkülönböztethetők voltak; mivel az utóbbinak sokkal sötétebb volt a színe. Mindkét betonféleség tartalmazott gránitzúzalékot durva töltőanyagként. A próbatestek készítése Állandó, 0,50 víz/cement arányú keverékeket használtak a háromféle durva töltőanyaggal, amelyek arányait a 2. táblázat ismerteti. A keverékeket 30–40 mm-es szétterülésre tervezték. A betonokat acélból készült, 100 mm-es kockaformákba öntötték. Egy nap után a próbatesteket kivették a formákból, és vízben, 27 °C-on tárolták 28 napig. Ezeken kívül „mesterséges határfelületi” próbatesteket is készítettek, hasonló módszerrel vizsgálva a feltárt üvegszál–cement határfelületeket (1. ábra). Ezek a próbatestek 0,3 víz/cement arányú cementpépből és a durva töltőanyag egy szeletéből álltak. A szelet 20 mm széles, 50 mm mély és 5-10 mm vastag volt. A szeleteket gyémántfűrésszel vágták ki a háromféle töltőanyagból. A cementpépbe való beágyazás előtt a szeletek felületeit polírozták. A 28 napos vizes kezelés után a próbatesteket eltörték, és a szeleteket kivették a cementből.
2. táblázat A betonkeverék arányai Arányok, kg/m3
Durva töltőanyagok
Gránitzúzalék Újrafeldolgozott beton, normál szilárdságú Újrafeldolgozott beton, nagyszilárdságú
cementpép
Víz
Cement
Homok
Durva töltőanyag
190 190
379 379
623 590
1237 1171
190
379
590
1171
polírozott felületű természetes vagy újrafeldolgozott töltőanyag
1. ábra Mesterséges határfelületi próbatest A természetes és az újrafeldolgozott töltőanyagok vizsgálatai Meghatározták a próbák törőszilárdságát, sűrűségét, vízfelvételét és nedvességtartalmát – a BS 812 brit szabvány szerint. Szabványos módszerekkel vizsgálták az újrafeldolgozott normál és nagyszilárdságú betonzúzalék savban oldható anyagtartalmát. Higanybehatolásos porozimetriával állapították meg a töltőanyagok porozitását és pórusainak méreteloszlását. Vizsgálatok az új beton és a pépes töltőanyag határfelületein 3000 kN-os gépen, 7, 28 és 90 napos, 100 mm-es betonkockákon végeztek nyomószilárdsági vizsgálatokat. Oxford 5526-os pásztázó
elektronmikroszkóppal és energiadepresszív röntgensugár (EDX) elemzővel mikroszerkezeti vizsgálatokat végeztek 32 napos „mesterséges határfelületi” próbatesteken.
Az újrafeldolgozott töltőanyagok tulajdonságai A vizsgált anyagok fizikai tulajdonságait a 3. táblázat ismerteti. 3. táblázat Természetes és újrafeldolgozott durva töltőanyagok fizikai tulajdonságai A durva töltőanyag fajtája
Gránitzúzalék Újrafeldolgozott normálszilárdságú beton Újrafeldolgozott nagyszilárdságú beton
10% finom frakciójú törési érték (kN)
Látszólagos sűrűség (kg/m3)
159,7 101,9 123,8
Vízabszorpció (%)
Nedvességtartalom előállítási állapotban (%)
10 mm
20 mm
10 mm
20 mm
2,620 2,409
1,25 8,82
1,24 7,89
0,52 3,64
0,56 3,25
2,390
6,77
6,53
5,36
2,89
Az újrafeldolgozott töltőanyagok porózusabbak, kisebb sűrűségűek és gyengébbek a gránitzúzaléknál. Lényegesek a különbségek a kétféle visszanyert töltőanyag szilárdságában és vízfelvételében is. A 4. táblázat a visszanyert töltőanyagok savban oldható anyagtartalmára vonatkozó vizsgálati adatokat ismerteti. A savban oldható anyag nagyjából a régi beton cementmátrixának tulajdonítható, mivel a homok és a gránitzúzalék savban általában nem oldható. 4. táblázat Az újrafeldolgozott töltőanyagok savban oldható anyagainak elemzése Az újrafeldolgozott töltőanyag fajtája Normálszilárdságú (NC) Nagyszilárdságú (HPC)
Savban oldható anyag a A savban oldható anyagok összetétele, % habarcsban, % Al2O3 Fe2O3 CaO SiO2 22,94 31,30
61,02 55,43
14,38 21,63
7,91 9,18
4,72 5,29
kumulatív intrúzió, ml/g
A 2. és a 3. ábra mutatja a durva töltőanyagok pórusainak méreteloszlását. E három anyag higanyintrúziós porozitása 1,60%; 16,81% és 7,86% (gránit, normál- és nagyszilárdságú beton).
átmérő, µm
a differenciális intrúzió logaritmusa, ml/g
2. ábra Természetes és újrafeldolgozott töltőanyagok kumulatív póruseloszlási görbéi
átmérő, µm
3. ábra Természetes és újrafeldolgozott töltőanyagok differenciális póruseloszlási görbéi
A normálszilárdságú töltőanyag pórusai főleg a 0,01 és 1 µm mérettartományban oszlanak el, míg a nagyszilárdságú pórusainak többsége a 0,1 µm alatti régióban van (3. ábra). Ez a visszanyert nagyszilárdságú betonban lévő puccolánadalék következménye, amely lényegesen javítja a cementpép és a pép–töltőanyag határfelületi átmeneti zóna mikroszerkezetét.
Az újrafeldolgozott töltőanyagokkal előállított beton tulajdonságai Nyomószilárdság Az 5. táblázat ismerteti a különböző töltőanyagokkal készített betonok nyomószilárdság-értékeit. 5. táblázat Különböző töltőanyagú betonok nyomószilárdsága A durva töltőanyag fajtája Zúzott gránit Újrafeldolgozott beton, normálszilárdságú Újrafeldolgozott beton, nagyszilárdságú
Látszólagos sűrűség (kg/m3)
7 napos
28 napos
90 napos
2382 2233
32,8 26,2
41,5 32,6
54,7 46,5
2266
29,9
29,9
55,0
Nyomószilárdság (MPa)
Látható, hogy az újrafeldolgozott nagyszilárdságú betonnal készített beton nyomószilárdsága közel van a természetes töltőanyagú betonéhoz, sőt, a 90 napos betoné el is éri azt. Ez összhangban van a 3. táblázat adataival. Ismeretes, hogy a beton szilárdsága függ a cementmátrix, a töltőanyag és a mátrix-töltőanyag határfelületi kötés szilárdságától. A cement és az újrafeldolgozott durva töltőanyag közötti erősebb kötés képes valamilyen mértékben kompenzálni a gyengébb töltőanyag hatását. A beton mikroszerkezete Mivel a cementmátrix és a víz/cement arány minden esetben azonos volt, a pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatokat a határfelületi régióra összpontosították.
A megfigyelések szerint a gránit–cement határfelületi réteg viszonylag laza, vastagsága a szemcsék felülete mentén változó. A normálszilárdságú újrahasznosított beton és cement közötti határfelületi zóna főként laza részecskékből áll, és a laza zóna szélessége közel 30–60 µm. A zóna nagyon porózus. Porozitása fokozatosan csökken a határfelülettől való távolság növekedésével. Az újrafeldolgozott nagyszilárdságú töltőanyag és a cementmátrix közötti határfelületi réteg sokkal tömörebb, és a határfelületi zóna nehezen különböztethető meg.
A cementpép mikroszerkezete a „mesterséges határfelületeknél” A cementpépek mikroszerkezetét a mátrix és a durva töltőanyag közötti határfelületeknél „mesterséges határfelületi” próbatesteken is vizsgálták.
energia, keV
4. ábra Normálszilárdságú töltőanyag határfelületén lévő pelyhes kristályok EDX-képe A természetes gránit és a cement közötti határfelület A határfelületen sok a pórus, a nagyobban 10–20 µm méretűek. Egyes pórusok alakja szalagszerű, hosszúsága több mint 50 µm. Sok a szabálytalan alakú, 5 µm-nél kisebb pórus. A felvételeken nagy mennyiségű, jól kristályosodott Ca(OH)2 és kisebb mennyiségű, tűkristályszerű
ettringit látható. Kis mennyiségű CSH (kalcium-szilikát-hidrát) gél is jelen van a határfelületen. A Ca(OH)2 kristályokat a határfelületi zónában is sikerült azonosítani (4. ábra). Egészében a természetes gránit–cement határfelületi zóna a normálszilárdságú beton mikroszerkezeti jellemzőit mutatta.
energia, keV
5. ábra Normálszilárdságú töltőanyag határfelületén lévő szemcsés hidrátok EDX-képe A normálszilárdságú újrafeldolgozott beton és a cement közötti határfelület A mesterséges határfelületek mikroszerkezete általában hasonló a valódi betonban megfigyelthez. A hidrátok a határfelület közelében főként laza, szemcsés alkotókból állnak, és a porozitás hasonló ahhoz, amelyet a természetes gránit–cement határfelületben megfigyeltek. Az üregekben kis mennyiségű finom, pelyhes és tűs kristály képzett egymásba hatoló hálót (5. ábra). A nagyszilárdságú újrafeldolgozott beton és a cement közötti határfelület A határfelületi zóna főként viszonylag tömör hidrátrétegből áll, amely jelentősen különbözik a másik két betonétól. A három betonfajta közül ennek a legtömörebb a határfelületi zónája. Bár a zónában számos 10 µm-es és nagyobb pórus látható, a pórusok összes térfogata sokkal ki-
sebb, mint a másik két betonfajtában. Itt alig találhatók szemcsés tűs és pelyhes kristályok. A nagyszilárdságú újrafeldolgozott beton és a cement közötti zóna mesterséges határfelülettel kimutatott jellemzői konzisztensek a valódi betonon végzett megfigyelésekkel.
Összegző értékelés Ha különböző tulajdonságú (vegyi összetételű, pórusszerkezetű) újrafeldolgozott töltőanyagokat használnak betonok készítéséhez, különböző mikroszerkezetek jönnek létre a cement és a töltőanyag közötti határfelületen. Az alábbiakban ezek képződésének mechanizmusait tárgyaljuk, és azok összefüggését a nyomószilárdság alakulásával. Az újrafeldolgozott anyagok a természetes töltőanyagoknál porózusabbak és rendszerint részben karbonizáltak, a régi cementpépeknek a töltőanyagok felületéhez tapadása következtében. Az újrafeldolgozott töltőanyagú beton határfelületének mikroszerkezete eltér a természetes töltőanyaggal előállított betonétól. A friss, természetes töltőanyagú betonban rendesen vízhártya képződik a töltőanyag szemcséi körül a nedvesedési és szivárgási hatások következtében. A helyi víz/cement arány a határfelületi zónában kétszer akkora lehet, mint a cementpép zömében. A hidratáció előrehaladtával a vízzel töltött teret a töltőanyag közelében fokozatosan növekvő mennyiségű hidrát váltja fel. A normálszilárdságú újrafeldolgozott töltőanyagból és cementből álló rendszerben a mikroszerkezeti vizsgálat viszonylag laza határfelületeket mutatott, bár az új cement mátrixa és az újrafeldolgozott töltőanyagban maradó cementes anyagok közötti vegyi reakciók valószínűleg létesítenek némi határfelületi kötést. Ez részben a normálszilárdságú újrafeldolgozott töltőanyag nedvességi állapotának a következménye lehet. Az ilyen töltőanyag nagy porozitása és vízfelvevő képessége, valamint kis kiinduló víztartalma nagy mennyiségű víz felvételéhez vezet a keverés kezdeti szakaszában, és így nyílt és laza határfelületi zónához a megszilárdult betonban. Egy másik lehetőség széndioxid helyi felszabadulása a töltőanyagban lévő karbonizált cementes maradékok és a friss cementmátrix közötti reakció eredményeként. Hasonló reakciókat kimutattak mészköves töltőanyagok és cementpépek között. További vizsgálatok szükségesek azonban a rendszerben fellépő kölcsönhatások kimutatására. A nagyszilárdságú újrafeldolgozott anyagú betonban viszonylag tömör határfelületet értek el. Ennek a mechanizmusa az lehet, hogy a
mérsékelt kezdeti víztartalmú töltőanyag bizonyos mennyiségű szabad vizet nyel el, és csökkenti a kezdeti víz/cement arányt a határfelületben a korai hidratáció során. A régiót fokozatosan újonnan képződő hidrátok töltik meg. Ezek a folyamatok hatékonyan javítják a határfelületi kötést a töltőanyag és a cement között. A porózus töltőanyaggal készített könnyű beton mikroszerkezete bizonyos hasonlóságot mutat az újrafeldolgozott töltőanyagú betonéval. Összeállította: Szende György Poon, C. S.; Shui, Z. H.; Lam, L.: Effect of microstructure of ITZ on compressive strength of concrete prepared with recycled aggregates. = Construction and Building Materials, 18. k. 6. sz. 2004. p. 461–468. Tuncan, M.; Tuncan, A.; Cetin, A.: The use of waste materials in asphalt concrete mixtures. = Waste Management and Research, 21. k. 2. sz. 2003 p. 83–91. Zur Technologie der Wiederverwendung von altem Strassenbeton. = Strasse und Autobahn, 44. k. 12. sz. 1993. p. 715–718.
