Uporabnost metalurških žlinder v gradbeništvu Application of Metallurgical Slags to Civil Engineering Mladenovič A.1, N. Vižintin, ZRMK Ljubljana Pregled preiskav metalurških žlinder, ki jih je Zavod za raziskavo materiala in konstrukcij Ljubljana v sodelovanju z železarnami opravil v zadnjih dvajsetih letih. Namen preiskav je bil definirati uporabnost žlinder v gradbeništvu in odkriti morebitne pasti, ki jih takšna uporaba lahko prinaša. Pričakujemo, da bomo z nadaljnjimi sistematskimi analizami trdnih metalurških odpadkov in ob nadzorovani uporabi, uspešno nadomestili del naravnih surovin in zmanjšali ekološke probleme, ki se pojavljajo na deponijah. Ključne besede: žlindre, sekundarne surovine, odpadki, lastnosti, uporabnost v gradbeništvu This vvork shovvs the investigations of slags during last twenty years for the purpose of potential use in civil engineering. It is expected that solid metallurgical vvastes will substitute for a part of natural raw materials successfully and reduce environmental problems arising in connection vvith disposal sites, under condition they vvill be systematically analysed and carefully controlled. Key vvords: slags, serap, vvastes, properties, application to civil engineering 1.0 Uvod Obsežne deponije odpadnih produktov ob metalurških centrih in njihov nenadzorovan in običajno neznan vpliv na okolje so postale problem že pred časom. Obenem ugotavljamo, da so viri kvalitetnih naravnih surovin, primernih za uporabo v gradbeništvu. vse bolj omejeni in vse dražji. Spremljali smo tudi obetajoče poizkuse v nekaterih razvitih državah, da bi odkrili možnost uporabe umetnih odpadnih produktov, zlasti žlinder. na različnih področjih v gradbeništvu. Kot pov/etek omenjenih trendov je Zavod za raziskavo materiala in konstrukcij Ljubljana v sodelovanju z železarnami v zadnjih dvajsetih letih preiskal večino naših žlinder po metodah, ki so s stališča uporabe v gradbeništvu uveljavljene v svetu (beton, asfalt, tampon). 2.0 Preiskave žlinder 2.1 \ iste žlinder Preiskovali smo žlindre, ki nastajajo pri proizvodnji jekla in pri proizvodnji ferokroma. Pri proizvodnji jekla se je s postopkom pridobivanja (Siemens-Martinov. elektro) in z zahtevo po kakovosti jekla nekoliko spreminjala tudi sestava žlinder. Tako smo zasledili različne tipe jeklarskih žlinder ter variacije v sestavi in lastnostih znotraj teh tipov. Pri proizvodnji ferokroma nastajata, glede na postopek pridobivanja, žlindri carbure in suraffine. Ana Mlademu ič. dipl. in/, geol. ZRMK Zavod /a gradbeništvo Dimičcva II (.1111)11 Ljubljana 2.2 Lastnosti žlinder Pogoji nastanka žlindre nas nekoliko spominjajo na nastajanje eruptivnih magmatskih kamnin, ki v gradbeništvu veljajo za najkvalitetnejši surovinski material za predelavo \ agregat. Struktura žlinder. kot rezultat počasnega ohlajanja na deponiji, je pogosto identična porfirski strukturi eruptivnih kamnin. Določene sorodnosti najdemo tudi s primerjavo kemijske in mineralne sestave. Žlindre so večinoma trde. trdne, zelo žilave in dobro kristalizirane. Manjši del žlinder nastaja v obliki prahu. Slaba lastnost žlinder, ki onemogoča neomejeno in brezskrbno uporabo v gradbeništvu, pa je vsebnost nestabilnih komponent, ki so v minimalni količini prisotne skoraj v vsakem tipu žlindre. Uporabnost posameznih vrst žlinder smo opredelili na podlagi kemijske in mineraloške analize, mehansko fizikalnih lastnosti. vsebnosti radionuklidov in izluževanja v vodi. 2.1 Kemijska analiza žlinder Kemijska analiza kaže na bazičen značaj jeklarskih žlinder in žlindre ferokrom suraffine, s kalcijevim oksidom kot prevladujočo komponento. Žlindra ferokrom carbure je kisla, prevladujeta aluminijev in magnezijev oksid. 2.2.2 Mineraloška analiza žlinder Mineralna sestava, kot funkcija kemijske sestave, je pri posameznih vrstah žlinder razmeroma stalna. Razlikujejo se le po količinski zastopanosti mineralov. Pri trdnih jeklarskih žlin- drab prevladujejo dikalcijev silikat (Ca,SiO,). dikalcijev ferit (Ca.I-e ()J. monticellit (CaMgSi04). mervvinit (Ca.MgSi O.). gelenit (Ca Al.SiO i in vvustit (FeO). Uprašene jeklarske žlindre so i/ shanonita (vCa-SiO^") mavoniia (Ca,.Al,.O. ) in periklaza (MgO). V ferokroniovih žlindrah so glavni minerali forsterit (Mg Si04), spinel (MgAI;04). vvolastonit (BCaSiO,) in enstatit (MgSiO; I. Tabela 1: Vsebnost metastabilnili komponent (BC,S. prosto apno. periklaz). ki so s svojimi reakcijami lahko vzrok za volumske spremembe v gradbenem telesu, je močno spremenljiva. 2.2 J Mehansko fizikalne lastnosti žlincler V tabeli I so zbrani rezultati za žlindre, ki so najprimernejše za predelavo v agregate za potrebe gradbeništva v primerjavi z naravnimi eruptivnimi kamninami. Lastnosti Enota Jeklarska žlindra Trdna Uprašena Ferokrom žlindra Carbure Suraffine Kamnina Andezil Diabaz Prostorninska masa brez por ii, votlin kg/111' 3170-3600 3 186 2X73 2943 Prostor.masa kg/m' - 3084 2S47 2883 \ pi jan je v ode 0.3-0.S 0.26 0.58 0.50 Odpornost na zmrzovanje (25 ciklusov) 0.5-1.0 0.0 0.0 0.0 Tlačna trdnost M pa 210-308 332 IN2 172 Obraba pri brušenju cm /50cm 9.5-15 9.8 4.7 9.9 2.2.4 \ sehnosl radionuklidov Rezultati so prikazani v tabeli 2 Tabela 2: Vrsta žlindre Vsebnost radionuklidov (Bij/kg) Ra 226 Tli 232 K 40 Skupaj Jeklarska žlindra-uprašena 22 10 20 52 Ferokromov a žlindra - carbure 4(1 50 5(1 140 - suraffine 2X 48 100 176 Opečni zidak 50 50 500 600 Max. dopustna meja za gradbeni material /a v isoke gradnje 400 300 5000 4000 Primerjava žlindre z običajnimi gradbenimi elementi (opečni zidak) ter z največjimi dopustnimi vrednostmi za gradbene materiale za visoke gradnje pokaže, da je radioaktivnost žlinder daleč pod dovoljeno mejo in da je celo nižja kot pri opečnih zidakih. 2.2.5 Izluževanje r vodi Preiskani so bili .migniti težkih kovin v vodnih izlužkih. Pri večini žlinder so ti v območju dovoljenih vrednosti. Previdnost je potrebna pri žlindri ferokrom suraffine tako pri uporabi, kakor tudi pri odlaganju na deponijo. Omenjena žlindra ima prevelike vsebnosti kroma in previsok pil izlužek. Zato bi bilo potrebno zagotoviti tesnjeno deponijo in zbiranje odpadnih voda. Podobne podatke objavljajo tudi v svetu, saj je znano, da npr. na Japonskem jeklarsko žlindro za (c namene uporabl jajo že od leta 1973. Velja mnenje, da je morebitnim nestabilnim mineralom transformacija preprečena z bitumenizacijo v postopku priprave asfaltne zmesi. Uporaba v nevezanih plasteh (tampon, nasip) je omejena na žlindre z malo ali brez metastabilnih komponent. Izbiranje takšne žlindre zahteva večji obseg preiskav. Učinkovita in cenena metoda, s katero bi stabilizirali žlindro še pred uporabo, zaenkrat še ni znana. Opravljene so bile tudi preiskave nekaterih vrst žlinder glede uporabnosti za betonski agregat. Žlindra ferokrom carbure ustreza za pripravo v seli vrst betonskih mešanic. Jeklarske žlindre niso bile preiskane v takšnem obsegu, tla bi lahko nedvoumno opredelili uporabnost za beton. Preiskave glede uporabnosti bazičnih žlinder kot dodatek pri proizvodnji cementa in nekatera druga področja uporabe so šele na začetku. 4.0 Primeri obnašanja vgrajene žlindre Siemens Martinove in elektro jeklarske žlindre so med leti 1970 in 1990 veliko uporabljala nekatera gradbena podjetja kot nasipni in tamponski material. Nizka cena in odlična možnost komprimacije sla bila pomembna kriterija, ki sta vzpodbujala uporabo omenjenih žlinder. Konec devetdesetih let so nadaljno uporabo ustavila poročila o poškodbah na objektih, pod katere je 3.0 Možnost uporabe žlinder v gradbeništvu in dosedanje izkušnje Primerjava lastnosti žlinder s kakovostnimi kriteriji, ki vel jajo v gradbeništvu za naravne materiale pokaže: • mehansko fizikalne lastnosti trdnih žlinder so primerljive in včasih celo boljše kot pri naravnih eruptivnih kamninah, • metastabilne komponente so prisotne skoraj vedno v različnih količinah, kar zahteva poostreno kontrolo, v nekaterih primerih pa je uporaba celo omejena. Rezultat opisanih, nekoliko nasprotujočih dejavnikov je, da na današnji stopnji preiskanosti, trdne jeklarske žlindre in ferokromovo žlindro carbure lahko klasificiramo kot ustrezen surovinski material za pripravo agregata za bitumenizirane plasti voziščnih konstrukcij za v se v rste prometnih obremenitev. Žlindra carbure je preiskana in primerna tudi za predelavo v agregat za obrabile asfaltne plasti, kar v praksi dokazujejo poskusna polja. Slika 1: Zrno žlindre razpokami zaradi povečanja volumna zrn dikalcijevega silikata pri prehodu i/ 1.1 v y obliko Figure 1: Cracked grain of slag caused bv vohune inerease ol dicalcium silicate grains betvveen transformation from ti juto y modification bila vgrajena žlindra. Poškodbe so se pojavile predvsem na pritličnih objektih, pod katerimi so bila naravna slabša tla odstranjena in nadomeščena z žlindro, ali pa je bila žlindra v grajena med pasovne temelje, oziroma temeljne zidove. Nabrekanje žlindre je povzročilo razpoke na stenah, razpiranje stikov med tlakom in stenami ter deformacije na tlakih. Na sliki 1 prikazujemo zrno žlindre, razpokano zaradi povečanja volumna zrn dikaleijevega silikata pri prehodu iz 1.1 v y obliko, na sliki 2 pa detajle na poškodovanem objektu. Slika Z: Detajl na poškodovanem objektu Figure 2: Detail on demaged construction 5.0 Sklepi Glede na opravljene raziskave žlinder menimo, da ta material lahko uporabljamo v gradbeništvu ob ustrezni kontroli kvalitete, s posebnim poudarkom na metastabilnih komponentah, ki kasneje lahko povzročijo poškodbe na objektih. Uporaba žlindre kot kvalitetne surovine je pogojena tudi s selektivnim odlaganjem na urejenih, dostopnih deponijah. Obseg kontrolnih preiskav in večja skrb železarn pri deponiranju običajno pomeni višjo ceno žlindre v primeri z naravnimi materiali. Gledano dolgoročno, s stališča ekologije in ohranjanja naravnih surovin, bi bilo smotrno narediti vse. da zmanjšamo deponije ob metalurških centrih. 6.0 Literatura A. Grimšičar: Preiskave in uporaba jeseniške žlindre v gradbeništvu. Informacije Zavoda za raziskavo materiala in konstrukcij Ljubljana Si. 22 i. 222. 223 in 224. priloga Gradbenega vcslnika. Ljubl jana 19X0 V. Ocepck: Poročilo o osnovnih preiskavah jeklarske elektrožlindre Železarne Ravne za uporabnost v gradbeništvu. Zavod za raziskavo materiala in konstrukcij Ljubljana, 19X3 ' V. Ocepck: Orientacijske preiskave vzorca jeklarske žlindre iz elek-troobločnih peči Železarne Štore z ozirom na uporabnost v gradbeništvu. Zavod za raziskavo materiala in konstrukcij Ljubljana. Ljubljana 19X3 ' M. Zaje Pogorelčnik: Uporaba žlindre 1/. elektroobločnih peči kot agregat za betone, diplomsko delo. Univerza v Mariboru. Tehniška fakulteta. Maribor 19X7 * B. Zatler Zupančič, V. Ocepck. I. Toni še. D. Dimic: Poročilo o raziskavi žlindre, ki nastane pri karbotermični proizvodnji ferokroma - ocena uporabnosti za agregate. Zavod za raziskavo materiala in konstrukcij Ljubljana. Ljubljana 19X8 " B. Zatler Zupančič. A. Mladenov ič: Sekundarne surovine - možnost uporabe metalurških žlindei v gradbeništv u. Zavod za raziskavo materiala in konstrukcij Ljubljana. Ljubljana 19X9 N. Vižintin s sodelavci: Žlindra FeCr carbure - agregat v gradbeništvu za proizvodnjo betona in asfalta. Raziskovalna naloga MZT. Ljubljana, 1994 s Pravilnik o največjih mejah radioaktivne kontaminacije človekovega okolja in o dekontaminaciji {Uradni list SFRJ št. 8/19X7 in št. 27/1990)