Wpływ zawartości żużla stalowego na właściwości zaprawy aktywowanej alkalicznie z miazgi węglowej i żużla

Przekształcanie odpadów w trwalsze, bardziej ekologiczne budynki

Nowoczesne miasta polegają na betonie i zaprawach, ale produkcja tradycyjnego cementu wiąże się z emisją dużych ilości dwutlenku węgla, a powstałe materiały mogą z czasem pękać i się kurczyć. W badaniu tym zbadano sposób rozwiązania obu problemów jednocześnie: przetworzenie odpadów przemysłowych z przemysłu węglowego i stalowego na nowy rodzaj zaprawy, która nie tylko zmniejsza emisje, lecz także staje się mocniejsza i mniej podatna na skurcz oraz pękanie.

Dlaczego pęknięcia są ukrytym zagrożeniem

Wiele ekologicznych alternatyw dla cementu, ogólnie określanych jako materiały aktywowane alkalicznie, wykazuje imponującą wytrzymałość i trwałość. Często jednak mają poważną wadę: kurczą się bardziej niż zwykły cement portlandzki podczas wysychania. Ten skurcz może tworzyć sieć mikropęknięć. Z upływem czasu pęknięcia te wpuszczają wodę i substancje korozyjne do murów i fundamentów, osłabiając bezpieczeństwo i żywotność konstrukcji. Naprawa tego problemu zwykle wymaga specjalnych dodatków lub rygorystycznych warunków dojrzewania, co zwiększa koszty i ogranicza powszechne zastosowanie.

Drugie życie dla odpadów stalowych i węglowych

Naukowcy skupili się na trzech sypkich produktach ubocznych z ciężkiego przemysłu: żużlu stalowym z hutnictwa stali, miazdze węglowej z wydobycia węgla oraz mielonym żużlu wielkopiecowym z produkcji żelaza. Materiały te często zalegają w ogromnych zwałach, zajmując teren i stanowiąc ryzyko środowiskowe. W tej pracy żużel wielkopiecowy utrzymano jako połowę całkowitego spoiwa, aby zapewnić podstawową wytrzymałość, podczas gdy miazgę węglową stopniowo zastępowano żużlem stalowym w różnych ilościach. Z dodatkiem cieczy alkalicznej inicjującej wiązanie, proszki te mieszano w zaprawę, zalewano do małych bloków i badano pod kątem płynięcia, wytrzymałości i skurczu przy wysychaniu, a następnie analizowano za pomocą szeregu mikroskopów i narzędzi chemicznych.

Odnalezienie optymalnej zawartości żużla stalowego

Eksperymenty wykazały, że dodatek niewielkiej ilości żużla stalowego poprawia płynność świeżej zaprawy, ułatwiając jej formowanie, oraz znacząco zwiększa wytrzymałość w czasie. Gdy 40% miazgi węglowej zastąpiono żużlem stalowym, wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach wzrosła o około 42%, osiągając ponad 70 MPa, podczas gdy skurcz przy wysychaniu spadł o prawie 29% w porównaniu z mieszaninami bez żużla stalowego. Poniżej tego poziomu zyski były mniejsze; powyżej niego wydajność zaczęła się pogarszać. Przy 50% zawartości żużla stalowego zaprawa traciła wytrzymałość i przestała wykazywać zmniejszony skurcz. Autorzy przypisują tę utratę niedoborowi reaktywnego krzemu i glinu, które są niezbędnymi składnikami żelowych faz wiążących materiał.

Co dzieje się wewnątrz stwardniałej zaprawy

Aby wyjaśnić, dlaczego 40% żużla stalowego działa tak dobrze, zespół przyjrzał się stwardniałej zaprawie na poziomie mikroskopowym. Stwierdzono, że żużel stalowy zmienia sposób, w jaki rozwija się struktura wewnętrzna w czasie. Na wczesnym etapie nieco spowalnia reakcję, pomagając materiałowi zatrzymać wodę i ograniczając szybkie wysychanie. Później jednak reaguje silniej, dostarczając wapnia do systemu. Prowadzi to do powstania dodatkowych żelowych faz wiążących oraz obfitych igiełkowych kryształów zwanych ettringitem. Produkty te przenikają materiał, wypełniają pory, łączą cząstki i przeciwstawiają się odkształceniom. Pomiary rozkładu wielkości porów potwierdziły, że optymalna mieszanka miała mniej porów średniej wielkości, które najczęściej odpowiadają za skurcz, prowadząc do gęstszej, bardziej stabilnej sieci.

Od laboratoryjnej zaprawy do zastosowań praktycznych

Mówiąc prostymi słowami, badanie pokazuje, że staranne zbalansowanie zawartości żużla stalowego w tej zaprawie opartej na odpadach może zmienić materiał podatny na pękanie w bardziej wytrzymały i niezawodny. Około 40% zastąpienia miazgi żużlem stalowym daje połączenie wysokiej wytrzymałości, mniejszego ryzyka pękania i lepszej urabialności, przy jednoczesnym wykorzystaniu dużych ilości odpadów przemysłowych i unikaniu wysokiego śladu węglowego konwencjonalnego cementu. Choć praca skupiła się na 28-dniowym oknie badań, wskazuje na praktyczne receptury na bardziej ekologiczne materiały budowlane, które lepiej wykorzystują to, co przemysł obecnie wyrzuca.

Cytowanie: Huang, T., Xie, Q., Deng, J. et al. Effects of steel slag content on the performance of alkali-activated coal gangue-slag mortar. Sci Rep 16, 7993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38962-1

Słowa kluczowe: żużel stalowy, zielony beton, recykling odpadów przemysłowych, skurcz suszenia, zaprawa aktywowana alkalicznie