CS254525B1

CS254525B1 - Struskoalkalická betonová smáa

Info

Publication number: CS254525B1
Application number: CS862489A
Authority: CS
Inventors: Jiri Brandstetr; Rudolf Varilek; Roman Grolig; Egon Kuehnel
Original assignee: Jiri Brandstetr; Rudolf Varilek; Roman Grolig; Egon Kuehnel
Priority date: 1986-04-07
Filing date: 1986-04-07
Publication date: 1988-01-15
Also published as: CS248986A1

Abstract

U struskoalkalické betonové směsi je uplatněn ekonomicky významný poznatek aplikace odpadního slévárenského písku a případné částečné náhrady kameniva struskou při zachování velmi dobrých vlastností výsledných struskoalkalických betonových výrobků, prostých cementu. Konkrétní receptury umožňují širokou aplikaci směsi, kterou je možno produkovat i přímo v rámci slévárenských provozů, kde jsou s odpadními slévárenskými písky značné problémy.

Description

Vynález se týká struskoalkalické betonové směsi na bázi mleté strusky, s výhodou vysokopecní granulované, roztoku či suspenze zásaditě reagující sloučeniny alkalického kovu nebo kovů alkalických zemin, případně jejich směsi, a kameniva.

Vedle betonových směsí s portlandským cementem jako pojivém jsou známy takzvané struskoalkalické betonové směsi, k jejichž výrobě se používá směsi jemně mleté vysokopeoní strusky, alkalické složky, např. hydroxidu sodného nebo vodního skla a kameniva, tj. písku a štěrku, popřípadě drtí.

Struskoalkalické betony vykazují některé velmi výhodné užitné vlastnosti, v odborné literatuře je dokumentována jejich stálost po dobu přesahující 15 let. Masovému uplatnění těchto betonů bráni v současnosti mj. nedostatek mleté strusky a zejména pak vhodných alkalických sloučenin, v prvé řadě uhličitanu, hydroxidu či křemičitanu sodného.

Vzrůstající nedostatek surovin a energie se ve stavebnictví projevuje tak, že se šetří energeticky náročný cement a současně kvalitní kamenivo, kterého začíná být nedostatek, zejména dobrých štěrkopísků. Rostou náklady na jejich těžbu a přepravu, což má nepříznivé ekonomické důsledky. Naproti tomu řada průmyslových podniků produkuje při svém výrobním procesu velká množství tuhých odpadů, které by neměly být pouze deponovány či likvidovány, nýbrž znovu používány jako tzv. druhotné suroviny.

Tak např. slévárny při výrobním procesu produkují značná množství různých odpadů, každého řádově v desítkách až stovkách tun denně. Tyto odpady jsou často velmi nákladně skladovány či likvidovány s negativním vlivem na životní prostředí. Jde zejména o odpadní slévárenské písky, slévárenskou strusku, případně kaly z odsávaného prachu.

Pro výrobu slévárenských formovacích směsí se používá písků určité jakosti, kterých začíná být nedostatek. Nejčastější přísadou do těchto směsí je alkalická složka - roztok vodního skla, působící v podstatě jako vzdušná maltovina; jeho obsah ve směsi nesmí překročit jistou horní mez. I když se v některých slévárenských závodech navrhuje používání směsí vícekrát, vždy po jistém dalším přídavku vodního skla, dospěje se nakonec k takové směsi, která již svým vysokým obsahem alkálií nevyhovuje. Odstraňování alkálií vypíráním se prakticky neprovádí, jde o nesnadno realizovatelný, nákladný proces, při kterém vznikají problémy s odpadními vodami.

Obsah alkálií případně práškového uhlí činí tyto materiály nepoužitelné jakožto kameniva pro přípravu klasických betonů s portlandským cementem, avšak pro přípravu struskoalkalických betonů je právě vyšší obsah alkálií příznivý.

Jiný způsob přípravy formovacích směsí je založen na použití organických tvrdidel, které nezřídka obsahují zdraví škodlivé organické látky, například fenoly, takže jejich likvidace či uskladňování naráží na technické i hygienické problémy a činí potíže péči o životní prostředí.

V četných slévárnách se proto hromadí použité písky, které jsou často poskytovány bezplatně, aby se nemusela zakládat nová složiště, často zabírající zemědělskou půdu. Ekonomicky výhodné možnosti využiti použitých odpadních slévárenských pisků ve velkém prozatím chybí. Dalším odpadem jsou ocelářské či slévárenské strusky, jež se nyní v převážné většině odváží na skládky; jen malá část se uplatní v zemědělství.

Tyto strusky v granulované formě o zrnitosti zpravidla do 5 mm mají reaktivní povrch a jsou velmi tvrdé, takže mohou sloužit jako vhodné kamenivo v betonových směsích.

Další vhodnou surovinou do maltovinových směsí jsou popílky vzniklé spalováním tuhých paliv v elektrárnách či teplárnách, které jsou k dispozici v mnohonásobně větším množství než stavebnictví může využít a způsobují vážné ekologické problémy.

V některých slévárnách se jako technologický odpad vyskytují kaly z odsávání prachových částic, které se zahušEují v sedimentačních nádržích a rovněž vyvážejí na skládky.

Vynález si klade za cíl vytvořit takovou struskoalkalickou betonovou směs, která umožní výrazně omezit nebo v některých případech i vyloučit použití nákladného kvalitního kameniva, tj. štěrkopísků, popřípadě drtí, jejich náhradou uvedenými odpadními slévárenskými písky, případně použít i jiný typ granulované ěi krystalické strusky a popílek ze spalování tuhých paliv.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že betonová směs obsahuje vztaženo na 1 m zatvrdlého 2 betonu od 200 do 700 kg mleté vysokopecní strusky o měrném povrchu od 250 do 700 m /kg, od 200 do 1 800 kg odpadního slévárenského pisku, do 250 kg vody, do 1 200 kg drtě nebo jiného kameniva, od 52 do 420 kg roztoku hydroxidu, křemičitanu, uhličitanu sodného či draselného 3 o hustotě 1,05 až 1,40 g/cm , a/nebo vodní suspenze vápenného hydrátu nebo karbidového vápna, přičemž obsah oxidů Na₂O, draslíku K₂0 a vápníku CaO v betonové směsi činí 2 až 30 ! hmotnosti mleté strusky. I

Dalším význakem je, že roztok křemičitanu je tvořen vodním sklem sodným a/nebo draselným o silikátovém modulu 0,5 až 3,5 a hustotě 1,05 až 1,4 g/cm^.

Podle vynálezu se množství až do 1 200 kg drtě nebo jiného kameniva nahradí alespoň granulovanou neupravovanou vysokopecní, slévárenskou nebo ocelářskou struskou a/nebo popílkem z tuhých paliv, jehož maximální množství vzhledem k obsahu mleté strusky činí 20 % hmotnostních.

Uvedená směs řeší zhodnocení zmíněných slévárenských druhotných surovin jejich zpracováním do struskoalkalíckých betonů, takže např. v rámci slévárenského závodu se dosáhne takřka bezodpadového hospodaření, což je žádoucí a mnohdy nezbytné z ekologických důvodů.

Připravené betony vykazují jakožto běžné betony pevnosti v tlaku od 5 do 50 MPa i jako speciální betony vysoké pevnosti až 120 MPa. Pevnosti v tahu za ohybu dosahují přibližně 10 % pevnosti v tlaku. Struskoalkalické betony ze směsí vyrobených podle vynálezu lze použít v různých oborech stavebnictví, zejména v prefabrikaci.

Značnou výhodou struskoalkalíckých betonů je možnost použití odpadních slévárenských písků i s jistým podílem hlinitých, prachových či organických součástí, které nelze použít pro přípravu běžných betonů na bázi portlandského cementu. Pro přípravu struskoalkalické beto3 nové směsi na výrobu 1 m hotového betonu se použije:

- mletá vysokopecní struska o měrném povrchu 250 až 700 m /kg v množství od 200 do 700 kg?

- odpadní slévárenský písek o velikosti zrn až do 1 mm v množství od 200 do 1 800 kg?

- do 1 200 kg drtě 4 až 22 mm nebo jiného kameniva?

- roztok křemičitanu, například vodní sklo sodné nebo draselné o silikátovém modulu 0,5 až

3,5 a o hustotě 1,05 až 1,4 g/cm v množství 52 do 420 kg, popř. roztok hydroxidu sodného a/nebo draselného o hustotě 1,05 až 1,4 g/cm?

Jakožto alkalického roztoku lze úspěšně použít odpadních roztoků hydroxidu sodného, např. ze závodů potravinářského průmyslu. U směsí s nejobvyklejším obsahem 350 až 550 kg mleté strusky na 1 m utuhlého betonu se obsah vody či roztoku pohybuje nejčastěji v rozmezí od 120 do 180 litrů. Větší množství vody zpomaluje tuhnutí, současně způsobuje i nižší pevnosti?

- a/nebo vodní suspenze vápenného hydrátu, s výhodou odpadního karbidového vápna, přičemž suma obsahu oxidů NaO, draslíku K₂O a vápníku CaO a betonové směsi činí 2 až 30 % hmotnosti obsahu mleté strusky?

- záměsová voda v množství do 250 kg, přičemž při použití kalů karbidového vápna se ve výpočtu uvažuje i voda obsažená v kalu a voda obsažená v kamenivu?

- struska granulovaná o velikosti zrn do 20 mm, např. jako odpad provozu sléváren či oceláren, v množství do 1 200 kg?

- případná granulovaná drt, štěrkopísek či jiné kamenivo do množství 1 200 kg;

- popílek ze spalování tuhých paliv, nejčastěji elektrárenský, popř. teplárenský, jehož ztráta žíháním dosahuje maximálně 7 %, v množství maximálně do 20 % hmotností použité mleté strusky, s výhodou s vyšším obsahem CaO;

- rovněž lze použit do 50 kg kalů z odsávaného prachu pracovních prostor sléváren.

Příklady směsi podle vynálezu jsou uvedeny v následujících uvedených příkladech, obsahu3 3 jících složení směsi na 1 m hotového betonu v kg, přičemž dosažené hmotnosti 1 m hotového betonu se pohybují v mezích od 1 790 do 2 500 kg.

Ve všech uvedených příkladech je jako alkalického roztoku použito roztoku sodného vodního skla o silikátovém modulu 1,33 a hustotě 1,26 g/om .

U příkladů 1 až 6 je použito proteplování, u příkladů 7 až 15 normálního zrání a vlhkého uložení.

Uvedenými dosaženými pevnostmi se rozumí pevnosti v tlaku
i k 1 a d 1
2 mletá struska, 280 m /kg					640	kg
alkalický roztok					227	kg
slévárenský písek					1 584	kg
granulovaná struska 0-16	mm				96	kg
voda					140	kg
dosažené pevnosti za 7	dnů	25	ί MPa,
za 28	dnů	3C	> MPa.
: k 1 a d 2
2 mletá struska 280 m /kg					640	kg
alkalický roztok					227	kg
slévárenský písek					560	kg
granulovaná struska 0-16	mm				30	kg
výšivka					540	kg
drť 4-16 mm					550	kg
voda					80	kg
dosažená pevnost za	7	dnů	30	MPa,
za	28	dnů	33	MPa.
: k 1 a d 3
2 mletá struska 280 m /kg					640	kg
alkalický roztok					227	kg
slévárenský písek					560	kg
granulovaná struska 7-16	mm				30	kg
drť 4-16 mm					1 090	kg
voda					80	kg
dosažená pevnost za	7	dnů	36	MPa,
za	28	dnů	36	MPa.
[ k 1 a d 4
mletá struska 280 m^/kg					640	kg
alkalický roztok					227	kg
slévárenský písek					560	kg

drt 4-16 mm 1 120 kg voda 80 kg dosažená pevnost za 7 dnů 35 MPa, za 28 dnů 36 MPa.

Příklad 5

2 mletá struska 280 m /kg alkalický roztok	640 kg 227 kg
slévárenský písek	1 120 kg
voda	80 kg
drt 4-16 mm	560 kg

dosažená pevnost za 7 dnů 30 MPa, za 28 dnů 32 MPa.

Příklad 6

mletá struska 280 m‘	7kg	640	kg
alkalický roztok		227	kg
slévárenský písek		1 090	kg
granulovaná struska	0-16 mm	30	kg
voda		80	kg
drt 4-16 mm		560	kg

dosažená pevnost za 7 dnů 35 MPa, za 28 dnů 38 MPa.

Příklad 7 mletá struska 307 m^/kg 479 kg slévárenský písek (s obsahem 2 % uhlí) 958 kg karbidové vápno (kaše s obsahem 51 % vody) 328 kg

voda dosažená pevnost za za objemová hmotnost	7 28	dnů 1,5 MPa dnů 4,9 MPa	183 kg
1	950 kg/iri
Příklad 8
2 mletá struska 307 m /kg					270	kg
slévárenský písek					720	kg
těžený písek 0 až 4 mm					360	kg
vápenatý hydrát					130	kg
voda					275	kg
hydroxid sodný					19	kg
dosažená pevnost za	3	dny	3,62	MPa
za	28	dnů	6,40	MPa

objemová hmotnost 1 789 kg/m

Příklad 9

mletá struska 307 m /kg slévárenský písek	279 kg 744 kg
těžený písek 0 až 4 mm	37 2 kg
vápenatý hydrát	135 kg
voda	279 kg
hydroxid draselný	23 kg

dosažená pevnost za 3 dny 1,94 MPa za 28 dnů 7,60 MPa objemová hmotnost 1 832 kg/m³

Příklad 10

2 mletá struska 307 m /kg					589	kg
slévárenský písek					589	kg
drt 8 až 16 mm					589	kg
karbidové vápno (kaše s obsal	hem 5	1 % v	ody)	196	kg
hydroxid draselný (10% roztok)			216	kg
dosažená pevnost za	7	dnů	5,2	MPa
za	28	dnů	11,2	MPa
objemová hmotnost		2	! 175	kg/m	3
í k 1 a d 11
o mletá struska 307 m /kg					365	kg
slévárenský písek					468	kg
drt 8 aŽ 16 mm					972	kg
popílek elektrárenský					36	kg
roztok hydroxidu sodného					53	kg
karbidové vápno (kaše s obsahem 5:	2 % vody)	121	kg
voda					194	kg
dosažená pevnost za	1	den	1,8	MPa
za	7	dnů	9,3	MPa
za	28	dnů	22,3	MPa
objemová hmotnost		2	227	kg/m	3
í k 1 a d 12
2 struska mletá 307 m /kg					640	kg
struska slévárenská					640	kg
slévárenský písek					640	kg
popílek elektrárenský					57	kg
roztok hydroxidu sodného	(10%)			83	kg
alkalický roztok					217	kg
dosažená pevnost za	7	dnů	24,8	MPa
za	28	dnů	33,7	MPa
objemová hmotnost		2	280	kg/m	3
1 k 1 a d 13
struska mletá 280 m²/kg					440	kg
slévárenský písek				1	320	kg
úlety z výroby ferosilici	.a				40	kg
hydroxid draselný					48	kg
voda					208	kg
dosažená pevnost za	1	den	20,1	MPa
za	60	dnů	32,2	MPa
objemová hmotnost		2	055	kg/m	3
í k 1 a d 14
2 struska mletá 280 m /kg					445	kg
slévárenský písek				1	335	kg

Ί úlety z výroby ferosilícia 89 kg hydroxid draselný · 29 kg voda 200 kg metylsilanolát sodný (plastifikátor) 5 kg dosažená pevnost za 1 den 14,5 MPa za 180 dnů 35,6 MPa objemová hmotnost 2 087 kg/m

Příklad

struska mletá 307	m^/kg	600	kg
slévárenský písek	(s obsahem 2 % uhlí)	600	kg
těžený písek 0 až	4 mm	300	kg
drť 8 až 16 mm		600	kg
popílek elektráre:	nský	30	kg
roztok hydroxidu ;	sodného	4	kg
alkalický roztok		245	kg
voda		42	kg

dosažená	pevnost	za	1	den	2,5	MPa
		za	7	dnů	19,2	MPa
		za	28	dnů	56,7	MPa
objemová	hmotnost		2	421	kg/i

Moduly pružnosti vzorků vyrobených z uvedených směsí a průběhy jejich deformace při zatížení jsou prakticky shodné s hodnotami dosaženými u výrobků z normálních cementových betonů.

Podle potřeby se mohou přidávat i přísady upravující některé vlastnosti směsí, např. retardéry tuhnutí, plastifikátory, vodotěsnicí, provzdušňovací či odpěňující přísady apod. Vzhledem k odlišnosti charakteru struskoalkalických betonů je nutno druh a množství příslušné přísady předem odzkoušet.

Způsob podle vynálezu lze realizovat se strojním zařízením běžných mísíren na míchačkách mobilních i stacionárních doplněných o hospodářství alkalického roztoku či vápenné suspenze; toto bývá zpravidla součástí každé slévárny.

Doba míšení je dána typem míchačky a je totožná s dobou smíchání betonových směsí na bázi portlandských cementů. Přepravu takto namíchaných směsí lze zajišťovat běžnými způsoby - kontejnery, multikárami, automobily, domíchávači, podvěsnými drážkami, korbovými vozy, pásovými dopravníky atd. Použití dopravy směsi v trubních rozvodech není vhodné. Struskoalkalické betonové směsi se zpracovávají nejlépe do 30 minut od přípravy za použití běžných betonářských technologií používaných na stavbách nebo v prefabrikaci. Přídavkem vhodných retardérů lze počátek tuhnutí prakticky libovolně oddálit.

Pro využití přímo ve slévárnách, tj. pro místní zpracování popsaných slévárenských odpadů, nejlépe vyhovuje zejména zpracování formou jednoduché prefabrikace, tj. pro výrobu jednoduchých betonových výrobků v sortimentu betonového zboží, jako např. dlaždice, obrubníky, meliorační prvky, žlaby atd., dále pak jednoduché stavební dílce, jako např, silniční panely, kultivační panely, plotní dílce, stožárové patky aj. Tyto výrobky lze vyrábět v uzavřených a polouzavřených formách, svlékacích rámech, při použití zhutňování pomocí vibrace přiložené, ponořené, pomocí vibračních jader a vibračních stolů, pneumatickou vibrací, lisováním, obecně všemi známými způsoby zhutňování.

Výrobky lze vyrábět na rovných plochách, ocelových podložkách, jako součásti jednoduchých linek s použitím jeřábové dopravy nebo jiných zdvihacích zařízení pro přepravu výrobků. Tuhnutí a tvrdnutí je možno ponechat procesu volného zrání nebo urychlovat proteplováním, které lze použít při nutnosti zvýšení obrátkovosti forem nebo podložek. Jako separátor se jeví jako nejvhodnější polypropylenový olej; četné separátory běžné při použití směsí s portlandským cementem jsou u struskoalkalických betonů málo účinné vzhledem k vyšší alkalitě těchto směsí.

Před proteplováním je nezbytné vhodné odležení směsi při teplotách do 30 °C po dobu 2 až 24 hodin. Optimální režim proteplování je dosažení ohřevu maximálně 80 °C ve hmotě při režimu; 2 hodiny náběh teploty, 4 až 8 hodin teplotní výdrž, 2 hodiny chladnutí. Pro proteplování lze využít s výhodou i odpadní teplo sléváren. Po ukončení procesu urychlování tvrdnutí betonu lze s výrobky bezpečně manipulovat při dosažení pevnosti v tlaku cca 25 až 30 MPa. Při volném zrání, tj. při přirozeném procesu tuhnutí a tvrdnutí, jsou u těohže směsí dosahovány uvedené pevnosti po 4 až 21 dnech. Při použití karbidového vápna se propařování nedoporučuje.

U betonů tvrdnoucích normálním zráním je důležitý i způsob ošetřování; příznivě na vývoj pevností působí teploty od 20 do 35 °C a dále přítomnost optimálního množství vody ve směsi, takže většinou je žádoucí tvrdnoucí beton vlhčit. Vzhledem k obsahu roztoku alkalické sloučeniny lze betonovat i za mrazu.

Při použití místních odpadních surovin lze použít receptury s množstvími složek vymezených podle vynálezu podle předem provedených zkoušek.

Využití směsi podle vynálezu se neomezuje na její výrobu pouze v rámci slévárenských provozů, tj. přímo u zdroje uvedených odpadů, i když se to jeví z hlediska nákladů jako zvlášt výhodné, případně jen při výrobě betonových dílů či prvků. Směsi jsou použitelné i pro konstrukční betony, např. levnější s karbidovým vápnem o pevnostech v tlaku 8 až 20 MPa pro výrobu podlah průmyslových hal, chodníků, parkovišt, odstavných ploch, v silničním stavitelství apod.

Claims

1. Struskoalkalioká betonová směs na bázi mleté strusky, s výhodou vysokopecní granulované, roztoku či suspenze zásaditě reagující sloučeniny alkalického kovu nebo kovu alkalických o

zemin, případně jejich směsí, a kameniva, vyznačená tím, že obsahuje vztaženo na 1 m zatvrd2 lého betonu, od 200 do 700 kg mleté vysokopecní strusky o měrném povrchu od 250 do 700 m /kg, od 200 do 1 800 kg odpadního slévárenského písku, do 250 kg vody, do 1 200 kg drtě nebo jiného kameniva, od 52 do 420 kg roztoku hydroxidu, křemičitanu, uhličitanu sodného či draselného o hustotě 1,05 až 1,4 g/cm , a/nebo vodní suspenze vápenného hydrátu nebo karbidového vápna, přičemž obsah oxidů sodíku NajO, draslíku a vápníku CaO v betonové směsi činí 2 áž 30 % hmotnosti obsahu mleté strusky.

2. Struskoalkalioká betonová směs podle bodu 1, vyznačená tim, že roztok křemičitanu je tvořen vodním sklem sodným a/nebo draselným o silikátovém modulu 0,5 až 3,5 a hustotě 1,05 až 1,4 g/cm³.

3. Struskoalkalioká betonová směs podle bodu 1, vyznačená tím, že množství až do 1 200 kg drtě nebo jiného kameniva se nahradí alespoň zčásti granulovanou neupravovanou vysokopecní, slévárenskou nebo ocelářskou etruskou a/nebo popílkem z tuhých paliv, jehož maximální množství vzhledem k obsahu mleté strusky činí 20 % hmotnostních.