Kruszywo z żużla paleniskowego otrzymanego z węgla kamiennego zaliczane jest do kruszyw lekkich. Dawniej, przed uruchomieniem produkcji innych sztucznych materiałów porowatych, do których zaliczamy: żużel granulowany, pumeks hutniczy, keramzyt, lekkie odmiany wapieni, kruszywa spiekane z łupków przywęglowych, glin niepęczniejących i popiołów lotnych, było ono jedynym sztucznym kruszywem lekkim używanym do betonów. Przyjmuje się, że opracowany w 1908 r. patent Hayda zapoczątkował rozwój tych kruszyw.
Masowe zastosowanie kruszyw lekkich w budownictwie nastąpiło dopiero po drugiej wojnie światowej. W Polsce powstało wiele wytwórni produkujących te kruszywa. Przemysł budowlany wykorzystywał je w większości przez fabryki domów do produkcji prefabrykowanych ścian zewnętrznych.
Dzisiaj najczęściej stosowanym przez drobnych inwestorów kruszywem lekkim jest żużel paleniskowy, używany jako wypełnienie do stropów i stropodachów oraz jako kruszywo do betonów. Z żużlobetonów wykonywane są drobnowymiarowe elementy ścienne lub co gorsze ważne elementy konstrukcyjne jakimi są stropy. W tych rejonach, gdzie dostęp do żużla paleniskowego jest dogodny, wiele nowo budowanych obiektów ma stropy wykonane z belek stalowych z płytą żużlobetonową zbrojoną. Bardzo często ulegają one mniejszym lub większym awariom, co zagraża bezpieczeństwu ludzi.
Właściwości żużli
Żużel paleniskowy otrzymuje się jako odpad przy spalaniu węgla kamiennego w kotłowniach osiedlowych i fabrycznych. Jest to kruszywo sztuczne nie poddane obróbce termicznej. W zależności od rodzaju paleniska i temperatury spalania, żużel ma postać spieczonych brył, okruchów, drobnych ziaren piasku i miału. Na skład chemiczny oraz właściwości fizyczne żużla zasadniczy wpływ ma rodzaj węgla oraz jego wiek. Otrzymywany jest przez wymieszanie odpadu powstającego przy spalaniu węgla, który pozostaje na rusztach z częściami odpadu znajdującymi się w popielniku.
Żużel paleniskowy surowy, który charakteryzuje się dużą niejednorodnością i zawartością składników szkodliwych, występuje w dwóch odmianach:
? żużel nieprzepalony (z produkcji bieżącej), bez składowania na zwałach, wywożony bezpośrednio z kotłowni, ma ciemnoszare zabarwienie, porowatą spieczoną strukturę o porach otwartych, w kruszywie występują kawałki niespalonego węgla w różnym stopniu wypalone,
? żużel przepalony (ze zwałów), po wywiezieniu z kotłowni na składowisko uległ procesowi wypalania się, ma zabarwienie ceglastoczerwone, niespalony węgiel ulega całkowitemu spaleniu, następują zmiany strukturalne, powstają duże ilości drobnych frakcji oraz twarde spieki.
Kruszywo otrzymane z żużla paleniskowego surowego dopuszcza się do celów budowlanych po odpowiednim jego przerobieniu. Cechy fizyczne i chemiczne tego kruszywa powinny odpowiadać następującym wymaganiom:
? zawartość ziaren poniżej 0,125 mm do 10% w stosunku wagowym,
? zawartość obcych zanieczyszczeń do 1% w stosunku wagowym,
? zawartość związków siarki SO3 do 2%,
? straty po prażeniu nie mogą przekraczać 6% jeżeli żużel stosowany jest wyłącznie jako kruszywo do betonów, 12% jeżeli stosowany jest jako składnik mieszanki drobnej z innym kruszywem i to w takiej proporcji, że zawartość strat prażenia w odniesieniu do łącznej ilości kruszywa nie przekracza 6%, 20% jeżeli stosowany jest wyłącznie do produkcji drobnowymiarowych elementów ściennych pod warunkiem, że pęcznienie betonu mierzone metodą Graf-Kaufmana nie przekracza 0,04%.
Beton wykonany z kruszywa z żużla paleniskowego o właściwościach nieznanych (lub nie spełniających warunków normowych), może ulegać niekorzystnym procesom. Zawartość związków siarki lub straty po prażeniu w kruszywie większe od wartości dopuszczalnych mogą powodować pęcznienie tego betonu, ale nie muszą. Zależy to od rodzaju spalonego węgla, stopnia jego wypalenia, wieku geologicznego ? im młodszy tym bardziej podatny na pęcznienie [3].
Niejednorodność kruszywa z żużla paleniskowego i duża zawartość składników szkodliwych, wpływają na niską jakość betonu wykonanego z tego kruszywa. W zależności od składu, wytrzymałość na ściskanie takich betonów wynosi o 2 do 11 MPa. Beton tak pozyskany posiada duże skłonności do zmian objętościowych. Przyczyną tego zjawiska są cząsteczki niespalonego węgla. Skurcz betonu w warunkach powietrzno-suchych może wynosić do 0,8 mm/m po 90 dniach a po 360 dniach do 1,1 mm/m. Podczas przechowywania betonu w warunkach wilgotnych skurcz betonu zanika, a obserwuje się jego pęcznienie. Jeżeli zawartość niespalonego węgla w żużlu jest znaczna (20?30%), to spęcznienie może dochodzić do 1 mm/m. Dla węgli młodych geologiczne już przy 8% zawartości niespalonego węgla może dojść do dużego spęcznienia i zniszczenia struktury betonu. Zmienne warunki wilgotnościowe doprowadzają więc do okresowych zjawisk skurczu i pęcznienia co bardzo niekorzystnie wpływa na trwałość betonu. Ujemną cechą żużlobetonu jest jego duża gęstość objętościowa przy małej wytrzymałości na ściskanie, powolne odsychanie i duże zawilgocenie, co wpływa niekorzystnie na przewodność cieplną [3]. Niska jakość żużlobetonu wpływa na jego ograniczony zakres stosowania. Nie należy stosować go do betonów zbrojonych, do betonów narażonych na stałe zawilgocenie powyżej 75%.
Rys. 3. Pęknięcia pionowe ściany zewnętrznej frontowej
|
Rys. 4. Pęknięcia pionowe ściany zewnętrznej bocznej
|
Przykłady wadliwego zastosowania żużlobetonu
Pomimo wielu ujemnych cech żużlobetonu jest on często używany w konstrukcjach żelbetowych. Jego nieprzydatność do tego rodzaju elementów uwidoczniona została wyraźnie w awarii budynku mieszkalnego wykonanego według projektu typowego z Krajowego Zestawu Projektów Domów Jednorodzinnych COSB ?Inwestprojekt? Numer Katalogowy W-0119. Projekt ten został zaadoptowany ze zmianami architektonicznymi i konstrukcyjnymi, które doprowadziły do znacznych pęknięć ścian nośnych budynku. Pęknięcia te powstały w czasie realizacji budynku ? w trakcie wykonywania robót murarskich. Budynek wybudowano metodą tradycyjną. Fundamenty wykonano ławowe, żelbetowe o szerokości ław 60 cm i wysokości 30 cm. Ściany zewnętrzne piwnic do wysokości około 1,1 m od poziomu posadzki piwnicy zrobiono z bloczków betonowych o grubości ściany 25 + 12 cm + 4 cm ? ocieplenie z wełny mineralnej. Ściany te wykonano warstwami na przemian. W pierwszej warstwie część konstrukcyjna o szerokości 25 cm od strony wewnętrznej a w następnej warstwie od strony zewnętrznej muru. Powyżej 1,1 m od poziomu posadzki ściany budynku wykonano z bloczków gazobetonowych o grubości ściany 24 + 12 cm + 4 cm ? ocieplenie z wełny mineralnej w podobny sposób jak ściany z bloczków betonowych. Stropy nad piwnicą wykonano z belek stalowych ? dwuteownik NP 180 w rozstawie co 1,1 m. Płyta stropowa między belkami wykonana z cegły dziurawki ? płyta Kleina (rys. 1). Strop nad parterem wykonano z belek stalowych ? dwuteownik NP 180 w rozstawie co 1,1 m. Płyta stropowa żużlobetonowa gr. 10?12 cm zbrojona prętami 6 mm (rys. 2). Na podstawie dokonanych oględzin stwierdzono znaczne odkształcenia i spękania ścian parteru, zwłaszcza przy narożnikach budynku (rys. 3, rys. 4). Nie stwierdzono widocznych odkształceń i spękań w ścianach części piwnicznej. Ściany zewnętrzne parteru odchylone są od pionu o około 5 cm w kierunku na zewnątrz budynku. Rozmieszczenie rys i pęknięć przedstawiono na rysunkach schematycznych i oznaczono liniami ciągłymi (rys. 5, 6). Ściany parteru są obecnie w stanie awaryjnym i wymagają całkowitej przebudowy. Główną przyczyną powstałych pęknięć i odkształceń ścian jest siła pozioma stropu nad parterem spowodowana pęcznieniem żużlobetonu w płycie stropowej. Świadczą o tym kierunki odkształceń ścian oraz rozmieszczenie i szerokości rozwarcia powstałych pęknięć ścian parteru. Do płyty żelbetowej użyto żużla paleniskowego nieprzepalonego. Przed wykonaniem robót betonowych nie wykonano badań tego żużla. Zniszczenie obiektu jest tak znaczne, że należy bezwzględnie dokonać rozbiórki uszkodzonej części budynku i w oparciu o nowy szczegółowy projekt techniczny wybudować od nowa ściany, strop i stropodach. Koszt rozbiórki i przebudowy szacuje się na 30% wartości budynku. Właściciel i przyszły lokator stracił wiele ponieważ bez jakichkolwiek badań zastosował żużel paleniskowy jako kruszywo do betonu.
Badania laboratoryjne
W celu wykazania, że główną przyczyną awarii budynku był żużel paleniskowy, wykonano badania laboratoryjne kruszywa użytego do konstrukcji płyty stropowej. Pobrano próbkę około 500 g z resztek rozsypanych przy budynku. Dla pobranej próbki określono straty przy prażeniu. Usunięto zanieczyszczenia obce a następnie przygotowano ją do badań zgodnie z normą PN?78/B-06714/35 ?Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczanie strat przy prażeniu?. Badania wykonano na dwóch próbkach po 20 g każda, roztartego w moździerzu do uziarnienia poniżej 0,063 mm, żużla paleniskowego.
Wyniki oznaczeń strat przy prażeniu
Próbka nr 1
m1 = 87,37 g ? masa próbki analitycznej wraz z tyglem przed prażeniem
m2 = 82,75 g ? masa próbki analitycznej wraz z tyglem po prażeniu
m3 = 67,37 g ? masa tygla
Próbka nr 2
m1 = 103,28 g ? masa próbki analitycznej wraz z tyglem przed prażeniem
m2 = 98,86 g ? masa próbki analitycznej wraz z tyglem po prażeniu
m3 = 83,28 g ? masa tygla
Obliczenie wyników
Stratę przy prażeniu S, wyrażoną ubytkiem masy kruszywa poddanego badaniu określa się ze wzoru: S = m1?m2/m1?mtx100%
Próbka nr 1
S1 = 87,37?82,75/87,37?67,37×100 = 23,1%
Próbka nr 2
S2 = 103,28?98,86/103,28?83,28×100 = 22,1%
Wynik końcowy jest średnią arytmetyczną dwóch oznaczeń
S = 0,5x(S1+S2) = 0,5x(23,1+22,1) = 22,6%
Wnioski
Żużel paleniskowy, z pozoru bardzo atrakcyjne kruszywo o stosunkowo małym ciężarze i niskiej cenie, staje się bardzo niepewnym kruszywem, przy wykonywaniu betonowych elementów konstrukcyjnych. Jego główne wady jak duże skłonności do zmian objętościowych, duże zawartości związków siarki i nie spalonego węgla wpływają na konieczność wykonania badań laboratoryjnych cech fizycznych i chemicznych do których należą badania:
? zawartość ziaren poniżej 0,125 mm
? zawartość obcych zanieczyszczeń
? oznaczenie strat przy prażeniu
? oznaczenie zawartości związków siarki SO3
? badanie zmian objętości
? badanie uziarnienia.
W omówionym przypadku, wykonane już po wybudowaniu budynku jedno z badań normowych żużla paleniskowego, całkowicie wyklucza możliwość zastosowania go do betonów. Zawartość strat przy prażeniu wynosząca 22,6% jest znacznie wyższa od wartości 6%, którą dopuszcza norma PN-78/B-06714/35. Przy tak dużym przekroczeniu wartości dopuszczalnych możliwość wystąpienia awarii była wielce prawdopodobna.
Nie należy więc bez badań laboratoryjnych używać do celów budowlanych żużla:
? paleniskowego z bieżącej produkcji bez składowania i bez polepszania jego właściwości fizyko-chemicznych
? do wszelkich betonów zbrojonych
? żużli otrzymywanych w intensywnych procesach spalania np. żużla parowozowe w przeciwnym razie obiekt będzie narażony na awarie a bezpieczeństwo i komfort mieszkania będą problematyczne.
Mgr inż. Barbara Ksit
mgr inż. Dariusz Janiszewski
Politechnika Poznańska
Literatura
[1] Kowalenko W., Mojsiejenko J., Roszak W.: Sztuczne kruszywa lekkie. Produkcja i zastosowanie. Arkady, Warszawa 1972.
[2] Praca zbiorowa pod red. B. Lewickiego: Budownictwo betonowe. Tom 4, Betony lekkie. Arkady, Warszawa 1969.
[3] Roszak W., Kubiczek F.: Betony z kruszyw lekkich. Arkady, Warszawa 1989.
PN-78/B-01101 Kruszywa sztuczne. Podział, nazwy, określenia.
PN-86/B-23006 Kruszywa do betonu lekkiego.
PN-78/B-06714/35 Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczenie strat przy prażeniu.
Instrukcja o uzyskiwaniu kruszywa z żużla paleniskowego do celów budowlanych. Arkady, Warszawa 1957.
Instrukcja produkcji pustaków żużlobetonowych w zakładach stałych. Budownictwo i Architektura. Warszawa 1957.
