KÖRNYEZETRE ÁRTALMAS HULLADÉKOK ÉS MELLÉKTERMÉKEK
7.5
Öntödei homokhulladék felhasználása aszfalt–beton keverékekben Tárgyszavak: aszfalt; homok; hulladékfeldolgozás; hulladékhasznosítás; öntöde; öntőforma.
Az öntödékben keletkező homokhulladék hasznosításának lehetőségei A fémöntészetben forma- és magkészítéshez már régóta használnak speciális homokot, elsősorban azért, mert könnyen beszerezhető, nem drága, jó hőszigetelő és agyaggal, más szervetlen vagy szerves anyaggal könnyen megköthető. Ebből a homokból is előbb-utóbb hulladék lesz, és ennek újrahasznosításával egyre többet foglalkoznak az utóbbi években – útalapokban, tömedékek bélés- és fedőanyagaként, aszfaltokban stb. szokták alkalmazni. Konkrét felhasználási területei között lerakók és töltések építése, padlózatokban töltőanyagként való alkalmazása emelhető ki. Újrahasznosítási lehetőség hiányában a homokhulladék lerakóra kerül. Mérgező hatásának mértéke attól függ, hogy milyen fémek öntéséhez használták fel. Olyan hasznosítási területeken, mint például alkalmazás töltőanyagként és portlandcement alkotórészeként, már jól bevált szabványok és specifikációk állnak rendelkezésre, és a hasznosítás eredményességét alátámasztja a gyakorlat is – nem úgy a fent említett többi területen, ahol többnyire még elfogadott specifikációk sincsenek, ami gátolja ennek a homokhulladéknak az újrahasznosítását. Bár fejlett országokban számos ilyen hulladékfajtát útalapokban használnak fel, Törökországban az évente keletkező mintegy 300 000 tonna öntödei homok nagy része ma még az iparág lerakóira kerül. Az öntészeti homokhulladék nagyobb hányada nem veszélyes hulladék,
amelyet lakott körzetektől távoli speciális lerakóban helyeznek el. Noha jelenleg ezt jogszabályok nem korlátozzák, és az újrahasznosítási lehetőségek keresését lerakási díj fizetésének kötelezettsége sem ösztönzi, e hulladék újrahasznosítási lehetőségeinek vizsgálata a gazdasági előrelátás (a lerakók szűkös rendelkezésre állása) mellett az öntészeti homokhulladék egyes kedvező technikai paraméterei (pl. jó nyírási szilárdság és összenyomhatóság, kis átbocsátó képesség) miatt is indokolt. A töltőanyagot és bitument tartalmazó aszfaltbeton keverékeknek eleget kell tenniük az amerikai ASTM (American Standard of Testing Materials) specifikációinak. Az ezekben alkalmazott töltőanyagok legfontosabb paraméterei – a szemcseméret, a szemcsék formája és a sűrűség – közvetlenül befolyásolják az aszfalt minőségét. A vas- és acélkohászatban a hulladékgazdálkodás különösen problematikus terület, mivel az öntödei homok mellett szennyezett por, elhasználódott és sérült öntvényformák, savas és bázikus salakok, valamint szennyvíziszap is jelentős mennyiségben keletkezik itt. E hulladékok kezelését talaj- és vízvédelmi megfontolásokból egyre szigorúbb törvényi előírások szabályozzák. Az EU-tagságra törekvő Törökországnak a jövőben különben is igazodnia kell a veszélyes hulladékokra vonatkozó 91/689/EEC irányelvhez is. Az itt ismertetésre kerülő vizsgálatokban az egyik törökországi öntődében (Bozuyuk) képződő öntészeti homok alábbi alkalmazásait tanulmányozták: földmunkákban töltőanyagként, aszfalt–beton keverékekben finomszemcsés adalékanyagként, illetve meghatározott, kis szilárdságú keverékek alkotórészeként. Vizsgálták a homok hasznosításának esetleges veszélyeit is. Ennek kapcsán meghatározták e hulladék nehézfém(Cr, Zn, Cd, Pb, Ni, Fe és Cu) tartalmát, majd a felhasználásával készített különböző összetételű aszfalt–beton keverékek mechanikai és fizikai tulajdonságait laboratóriumi feltételek között elemezték.
Anyagok és módszerek Töltőanyagok A tanulmány keretében főként zúzott követ – „durvaszemcsés töltőanyagot” – használtak a keverékekben töltőanyagként. Az aszfalt–betonhoz (ASTM C 127 és 128) felhasznált keverékek paramétereit az 1. táblázat, a Törökországban burkolóanyagként a leggyakrabban alkalmazott aszfalt–beton keverési arányait pedig a 2. táblázat tartalmazza.
1. táblázat Az aszfalt–beton keverékekben felhasznált töltőanyagok paraméterei Tulajdonságok
Értékek 3
2,72
3
2,75
Durvaszemcsés töltőanyag sűrűsége, g/cm
Finomszemcsés töltőanyag sűrűsége, g/cm 3
Töltőanyag sűrűsége, g/cm
2,77
A durvaszemcsés töltőanyag vízfelvétele, %
0,86
A finomszemcsés töltőanyag vízfelvétele, %
1,2
2. táblázat Az aszfalt–beton keverékekben alkalmazott töltőanyagarányok Töltőanyag
Szemcseméret-tartománya
Töltőanyag
>4,75 mm (no. 4)
35
Durvaszemcsés töltőanyag
4,75–0,074 mm (no. 4–No. 200)
55
Finomszemcsés töltőanyag
<0,074 mm (No. 200)0
10
a
Részarány (%)
Szitaméretek az ASTM szerint
Hulladék öntödei homok A Bozuyukból származó mintákból készített aszfaltkeverékek szemcseméretét bemutató 1. ábrát azért rajzolták fel, hogy segítségével kiválaszthassák az autópályákon alkalmazásra vonatkozó TCK (1994) szabványhoz legjobban illeszkedő görbét. E szabvány szerint az autópályákon alkalmazható adalék szemcseméret-megoszlásának az ASTM szitaméret szerint a következőnek kell lennie: 33% No.4 (10–5 mm), 33% No.4-10 (5–2 mm) és 33% No.10-20 (2–0,85 mm). Mint a homok szemcseméret-megoszlását szemléltető 1. ábrán látható, annak értékei bőven az alsó és a felső határ közé esnek. Emellett, más kutatók ajánlása szerint, az újrahasznosított öntödei homoknak ki kell váltania az aszfalt–beton keverék finomfrakciójának 15%-át. Az ilyen hulladék legfontosabb paramétere ezért a benne található finomfrakció aránya. A röntgen-fluoreszcenciás (XRF) és az atomabszorpciós spektroszkópos (AAS) kémiai elemzés adatait a 3. és a 4. táblázat tartalmazza. A homokmintákat előkészítve 105 °C-on 24 óráig szárították, majd a 200-as (74 µm) ASTM-szitához alkalmas méretre őrölték. A nehézfémek meghatározása céljából 1 g mintát 3:1 arányú koncentrált salétromsav/sósav
elegyben 80 °C-on 2 óráig állni hagytak, majd a higított oldatot 0,2 mm-es cellulóz-nitrát szűrőn engedték át. A fémek mennyiségének meghatározását Perkins Elmer-gyártmányú 3110-es AAS készülékkel végezték. Laboratóriumi feltételek között a minták néhány más fizikai és kémiai jellemzőjét is vizsgálták, az eredményeket az 5. táblázat tartalmazza.
a finomabb frakció aránya, %
100 90
töltőanyag- és homokkeverékek
80 a Török Autópálya Vezérigazgatóság határértékei
70 60 50 40 30 20 10 0 100
10
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
szemcseméret, mm
1. ábra A homokhulladék szemcseméret-eloszlása, valamint a Török Autópálya Vezérigazgatóság szabványának (TCK 1994) alsó és felső korlátai 3. táblázat A homokminták röntgen-fluoreszcenciás elemzése Paraméter
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O
SO3
Cl
Mn2O3
Százalékos arány, %
96,73
0,59
0,21
0,034
0,024
0,06
0,04
0,01
0,01
0,01
4. táblázat A homokminták atomabszorpciós spektroszkópos elemzése, tartalom (mg/kg) Paraméter
Cu
Zn
Pb
Cr
Mn
Ni
Homokhulladék
0,15
0,5
0,8
0,21
3,7
0,8
TSWS
100
300
100
100
800–1000
50
TSWS: A török szilárdhulladék-szabvány által előírt maximális nehézfém talajszennyezési határérték.
5. táblázat A homokhulladék kiegészítő fizikai és kémiai jellemzői Paraméter
Homokhulladék
pH
KCSK (meq/100 g)
9,05
EV (mS/cm-1)
34,30
0,20
H2O (%)
1,50
SZM (%)
1,12
S (g L–1)
1,82
Talajszerkezet (%) homok
iszap
agyag
94
1
5
KCSK: kationcserélő képesség; EV: elektromos vezetőképesség; H2O: víztartalom; SZM: szerves anyagok mennyisége; S: sűrűség,
Aszfaltbeton A homokhulladék jellemzőit először abból a szempontból vizsgálták, hogy eleget tesz-e az aszfalt–beton keverékek iránt támasztott alapvető követelményeknek (az eredményeket az 1. és a 2. táblázat tartalmazza). Az AC 75-100-as bitumen felhasználásával végzett laboratóriumi próbák eredményeit a 6. táblázat mutatja. 6. táblázat A tanulmány keretében felhasznált aszfalt–beton sztenderd tesztvizsgálatainak eredményei Jellemzők
Mértékegység cm–3
Érték
Sűrűség (ASTM D 1298)
g
1,020
Penetráció (ASTM D 5)
25 °C, 100 g, 5 s (1/100 mm)
Nyújthatóság (ASTM D 113)
25 °C, 5 cm min–1
Lágyulási pont (ASTM D 36)
°C
48
Lobbanáspont (ASTM D 92)
°C
230
80 >100
A keverékben használt aszfaltbeton behatolási mélysége a 75–100as osztályba sorolható. Törökországban széles körben alkalmaznak ilyen keverékeket, amelyek az aszfaltot készítő berendezésekben könnyen előállíthatók. A keverékek A szakirodalomból ismert, hogy az öntödei homok finomfrakciói károsan befolyásolják az aszfaltbeton minőségét, csökkentve a beton stabilitását. E hatás arányos a finomfrakció mennyiségével, amit a jelen ta-
nulmány keretében kapott kísérleti eredmények is igazolnak. Ennek megállapításához 0, 4, 7, 10, 14, 17 és 20% finomfrakciót tartalmazó töltőanyagokon végeztek vizsgálatokat (7. táblázat). Mint az 1. ábrán látható, a homokhulladék szemcsemérete meglehetősen homogén, 0,8–30 mm volt. 7. táblázat Az aszfalt–beton minták összetétele (%) Durva adalékanyag
Finom adalékanyag
Töltőanyag (kőpor)
Homokhulladék (adalék)
1-es keverék
35
55
10
0
2-es keverék
35
55
6
4
3-as keverék
35
55
3
7
4-es keverék
35
55
0
10
5- ös keverék
35
51
0
14
6-os keverék
35
48
0
17
7-es keverék
35
45
0
20
Minta
A törökországi Anadolu Egyetemen végrehajtott laboratóriumi kísérletek során 6% töltőanyagot és finomfrakciót homokhulladékkal helyettesítettek. Az így kapott anyagot – adalékként történő felhasználását megelőzően – kemencében, 378 Ko-on szárították, majd a mintákat az ASTM szabványnak megfelelően készítették el. Marshall-féle stabilitási és átfolyási vizsgálatokat az ASTM D 1559 szerint, majd közvetett feszültségmérést az AASTHO T283 előírásai szerint végeztek.
Eredmények és értékelés A folyási vizsgálatok 2. ábrán látható eredményei szerint a keverék folyásának mértéke a homoktartalommal arányosan csökken: a 0% hulladékhomok-mennyiséghez tartozó 3,48 mm-ről 20% adaléktartalom esetén 2,4 mm-re. A Marshall-féle stabilitási teszt 3. ábrán bemutatott eredményei arra utalnak, hogy az aszfaltba adagolt homok koncentrációjának 0 és 20% közötti változásával a stabilitási érték 12,1-ről 9,4 kN-ra csökkent. A Marshall-féle stabilitási szám az adalék hatására oly mértékben lecsökkent, hogy ezek a keverékek aszfalt–beton padlóknál már nem is alkalmazhatók. Amennyiben a keverék homoktartalmát legfeljebb 10 %(m/m)-
os szinten tartják, úgy a Marshall-féle stabilitási szám 10,9 kN, ami a TCK szabvány szerint egészen jó érték.
Marshall-féle stabilitási szám
3,6
folyás, mm
3,2 2,8 2,4 2,0 0
5
10
15
20
13 12 11 10 9 8 0
5
homoktartalom, %
10
15
20
homoktartalom, %
2. ábra A homoktartalmú aszfalt–beton keverékek folyási értékei az ASTM D 1559 szerint
3. ábra A homoktartalmú aszfalt–beton keverékek Marshall-féle stabilitási értékei az ASTM D 1559 szerint
szakítószilárdság, kPa
16 14 12 10 8 6 0
5
10
15
20
homoktartalom, %
4. ábra A homokot tartalmazó aszfalt–beton keverékek közvetett szakítószilárdsága A 4. ábrán látható közvetett szakítószilárdsággal kapcsolatos teszt a burkolat hosszabb távú rugalmasságának megállapítása szempontjából fontos. Aszfalt–beton keverékeknél ez a mutató közel lineárisan csökken a homoktartalom növekedésével: 0%-nál 13,9 kPa, 20%-nál pedig 9,4 kPa.
A keverékek sűrűsége a homok mennyiségének növelésével 2,4 g/cm3-ről 2,28 g/cm3-re mérséklődött.
Értékelés és következtetések A fent leírt kísérletek alapján megállapítható, hogy 10%-nál több homok hozzáadásának hatására az aszfalt–beton minták Marshall-féle stabilitási száma a 10%-ra jellemző 10,9 kN-os értékről 20% esetében 9,7 kN-ra csökken, ezért a gyakorlati felhasználás során az aszfalt– beton homoktartalmát 10%-ot meg nem haladó szinten kell tartani. A kémiai elemzés tanúsága szerint a homok nehézfémtartalma a talaj szennyeződésének megelőzését szolgáló török szabvány határértékeihez képest csekély. A homok hozzáadásával készült aszfalt–beton keverékek folyása az adalék mennyiségének növelésével csökkent – ez is amellett szól, hogy gyakorlati alkalmazás esetén a homoktartalmat korlátozni kell. A közvetett szakítószilárdsági tesztek azt mutatják, hogy az aszfaltbetonhoz adagolt homokhulladék mennyiségének növekedésével a szakítószilárdság szinte lineárisan, a 0%-hoz tartozó 13,9 kPa-ról 10% homokmennyiségnél 11,8 kPa-ra csökkent. A tanulmány kapcsán kapott kísérleti eredmények egyöntetűen arra utalnak, hogy a gyakorlatban az aszfalt–beton keverékek finomfrakciója 10%-nyi homokkal helyettesíthető. Összeállította: Dr. Balogh Károly Bakis, R.; Koyuncu, H.; Demirbas, A.: An ivestigation of waste foundry sand in asphalt concrate mixtures. = Waste Management & Research, 24. k. 3. sz. jún. 2006. p. 269–274. Schmuck, B.; Gutzwiller, F.: Rohstoffe aus Sondermüll. = Wasser Boden Luft Umwelttechnik, 39. k. 6 .sz. 2003. p. 38–39.
