Ocelárenská struska a její aktuální využití při výrobě betonu

Vylévání ocelárenské strusky v Třineckých železárnách

V první části článku je stručně popsána struska vč. základního dělení na vysokopecní a ocelárenskou. V druhé části jsou představeny projekty, které aktuálně probíhají na severní Moravě a které využívají potenciál ocelárenské strusky při výrobě betonu.

Pod pojmem struska si můžeme představit celou řadu různých materiálů. Strusky jako vedlejší produkty hutní výroby patří k významným alternativním zdrojům nahrazujícím přírodní suroviny. Menším zdrojem strusek mohou být i jiné termické nebo spalovací procesy. Správné označení a přesný popis materiálu jsou nezbytné při určování jejich použití.

Vysokopecní struska

Vysokopecní struska vzniká z odpadové taveniny při výrobě železa ve vysokých pecích. Pokud tato struska chladne pomalu na vzduchu, vznikne hydraulicky neaktivní materiál nadále objemově stálý, který se po drcení a třídění používá jako běžný zásypový materiál na stavbách pozemních komunikací. V minulosti se především na Ostravsku používal také jako umělé kamenivo pro výrobu betonu.

Pokud se žhavá vysokopecní tavenina prudce zchladí proudem tlakové vody, vznikne granulovaná struska se zrny o velikosti cca 5 mm s hlubokými otevřenými póry. V minulosti byla někdy využívána jako lehčené plnivo do betonu. Obvykle se ale granulovaná struska jemně mele a uplatňuje se jako žádaná latentně hydraulická příměs buď samostatně dávkovaná při výrobě betonu, nebo častěji jako hlavní složka směsných cementů. Její hydraulická aktivita stanovená po třech měsících a později, jež je vyjádřena indexem účinnosti, bývá > 100 % ve srovnání s cementem bez strusky. Tento typ strusky je pro své stálé vlastnosti velice žádaný a jako příměs směsných cementů nemá problém s odbytem.

Ocelárenská struska

Obr. 1 Ocelárenská struska

Pod pojmem ocelárenská struska (obr. 1) je myšleno více různých produktů vznikajících při výrobě a zušlechťování oceli. Můžeme je rozdělit dle [1] na:

  • ocelárenská struska BOF – zásaditá ocelárenská struska (většina starších ocelárenských strusek),
  • konvertorová struska LD (struska z konvertorů),
  • ocelárenská struska EAF (struska z elektrických pecí).

Používání ocelárenské strusky jako zásypového materiálu provází obavy z její objemové nestability, a je tedy velmi opatrné. Jako kamenivo do betonu se nepoužívá vůbec. Důvodem jsou především obavy z pomalého a dlouhodobého rozpadu a objemových změn. K těmto změnám přispívá hydratace volného vápna (CaO), hydratace perikasu (MgO), karbonatace vápenatých a hořečnatých hydroxidů, polymorfní přeměna dikalcium silikátů a reakce aluminátů. Všechny reakce spojené s hydratací nebo rozpadem strusek jsou také ovlivněny přítomností sklovité fáze, která se snadno rozpadá a přispívá k objemovým změnám.

Ocelárenské strusky z moderních provozů obsahují obecně méně MgO. Snižování expanzního potenciálu ocelárenské strusky lze provádět v průběhu výroby oceli vháněním kyslíku a suchého písku do tekuté strusky, což výrazně snižuje obsah volného vápna a již zmiňovaného MgO. Pro použití ocelárenské strusky jako kameniva pro stmelené nebo nestmelené podkladní vrstvy vozovek byl laboratorně stanoven maximální obsah volného vápna na 4 %, podle technických podmínek Ministerstva dopravy ČR TP 138 [2] je tato hodnota 4,5 %.

V literatuře se shodně konstatuje, že použití ocelárenské strusky ve stavební praxi je problematické a je možné pouze tehdy, jsou-li kvalitně provedeny všechny laboratorní zkoušky a je-li prokázána kvalita strusky vylučující objemové změny.

Zkouška objemové stálosti strusek se u nás provádí dle TP 138 přílohy A. Pro ocelárenskou strusku jsou však výstižnější výsledky zkoušek rozpínavosti dle ČSN EN 1744 – 1+A1 [3].

Aktuální projekty

Beton s ocelárenskou struskou

Ve snaze najít vhodné uplatnění vedlejších produktů hutní výroby byla ve spolupráci Třineckých železáren, Hornicko-geologické fakulty VŠB-TU Ostrava a zkušební laboratoře společnosti Betotech provedena řada zkoušek ocelárenské strusky z Třince. Jednalo se o litou konvertorovou strusku LKS 0 – 8 mm, kterou jsme chtěli použít jako částečnou náhradu přírodního kameniva při výrobě betonu.

Zkoušky vzorků této ocelárenské strusky byly v posledních šesti letech prováděny opakovaně na VŠB i v laboratoři společnosti Betotech, některé analýzy byly dodány Třineckými železárnami. Na základě výsledků pak byly navrženy receptury betonu s 60% náhradou přírodního kameniva touto ocelárenskou struskou. Mezi recepturami bylo složení pro C30/37 — FX4, kde jsme chtěli ověřit nejen fyzikální vlastnosti, ale i odolnost betonu proti mrazu a rozmrazovacím prostředkům.

Při dávce portlandského cementu 400 kg bylo ve směsi kromě přírodního kameniva téměř 1 000 kg ocelárenské strusky frakce 0 – 8 mm. Čerstvý beton měl konzistenci sednutím S4 a obsah vzduchu 6,6 %. Jednalo se zkrátka řečeno o jemnější beton, který byl dobře zpracovatelný a schopný čerpání. Vzorky ztvrdlého betonu měly pevnost v tlaku po 28 dnech 44 MPa, po 90 dnech 48 MPa. Nejvíce nás překvapily odolností proti CHRL, kdy odpady po 28 dnech zrání činily po 150 zmrazovacích cyklech průměrně 150 g/​​m2. Součinitel mrazuvzdornosti po 28 dnech zrání a 100 zmrazovacích cyklech dosáhl dokonce neočekávaných 91 %.

Podle požadavku Třineckých železáren byla vyrobena řada silničních panelů a několik svodidel (obr. 2 a 3), která byla umístěna na frekventovaném úseku v areálu Třineckých železáren. Betonové prvky byly zhotoveny v prefa závodě společnosti Eurovia, beton dodávala společnost Českomoravský beton. Po roce prefabrikáty vizuálně nejevily žádné vážné známky porušení. Pro podrobnější zhodnocení byly z jednoho silničního panelu odebrány zkušební vzorky. Tlakové pevnosti na vývrtech dosáhly až 58 MPa a při zkoušce na odolnost proti CHRL odpady po 100 cyklech nepřesáhly 500 g/​​m2. Vyrobené prefabrikáty jsou i po více než čtyřech letech součástí místní účelové komunikace a nejsou viditelně poškozeny.

Těžký beton s vedlejšími produkty hutního průmyslu

V prosinci 2020 byly pomocí těžké techniky umístěny u třinecké Werk areny čtyři a před budovu C v areálu VŠB-TU Ostrava dvě lavičky, přičemž každá z nich má hmotnost téměř 3 t. 

Jedná se o první prototypy vyrobené z unikátního betonu, které jsou testovány ve venkovních podmínkách. Jsou zhotoveny z nového těžkého betonu s objemovou hmotností vyšší než 2 900 kg/​​m3, který je tvořen vhodnou kombinací poměru ocelárenské strusky a vedlejších produktů hutní výroby. Tento beton, jehož objemová hmotnost může dosáhnout hodnoty až 3 800 kg/​​m3, je schopný konkurovat i betonům vyráběným z těžkého přírodního kameniva.

Díky své vysoké objemové hmotnosti může být tento těžký beton použit i pro stínicí konstrukce proti ionizujícímu záření v nemocnicích, laboratořích či jaderných elektrárnách. Může také sloužit jako výplň sudů pro uložení radioaktivního odpadu, neboť podle dosavadních zkoušek má až 1,86× lepší stínicí vlastnosti v porovnání s běžným betonem, který se v současnosti používá. Další vývoj a zkoušky tohoto betonu v současné době stále probíhají.

Závěr

Ocelárenská struska nemusí být vždy materiálem vhodným jen na nenáročné zásypy, popř. odpadem, který se ukládá na nekonečné skládky. Ba právě naopak – ocelárenská struska použitá v betonu může přispět k rozumnějšímu hospodaření s přírodními zdroji, a tedy k udržitelnému rozvoji průmyslu. Pokud známe její vlastnosti a rozsah jejich kolísání, lze alespoň některé strusky použít pro výrobu betonů pro různá prostředí. Nesmíme však zapomenout na to, že se jedná o vedlejší produkt hutní výroby a že její vlastnosti tedy vykazují značnou variabilitu.

Redakce děkuje paní Bc. Petře Mackové Juráskové z Třineckých železáren, a. s., za spolupráci při přípravě článku.

Zdroje

[1] KRESTA, F. Druhotné suroviny v dopravním stavitelství. Ostrava: Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2012.

[2] Technické podmínky (TP 138). Užití struskového kameniva do pozemních komunikací. Praha: Ministerstvo dopravy a spojů ČR, 2000.

[3] ČSN EN 1744 – 1+A1. Zkoušení chemických vlastností kameniva – Část 1: Chemický rozbor. Praha: ÚNMZ, 2013.

[4] Lavičky z unikátního těžkého betonu jsou již umístěny před Werk arenu a na VŠB-TUO. Tisková zpráva. Třinecké železárny, a. s. 18. 12. 2020. Třinec.

Autoři

Steel-Making Slag and Its Current Potential for Use in Concrete Production

The article starts first by a description of slags including their differentiation into blast furnace and steel-making slags. The second part presents projects which are now under construction in Northern Moravia and where the potential of using steel-making slags in production of concrete is being exploited.

1/2021 Technologie | 17. 3. 2021 | Materiály a technologie

Beton z recyklovaného kameniva

Jednou z možností, jak v některých konstrukcích z betonu nahradit přírodní kamenivo, kterého je nedostatek, neboť stávající lomy jsou dočerpávány a otevření nových se nedaří povolovat, může být použití kameniva recyklovaného. Dlouholetá snaha pracovníků ze společnosti ERC-TECH...
1/2021 Technologie | 17. 3. 2021 | Materiály a technologie

Současnost a perspektivy použití recyklovaného kameniva do betonu – poznámky a komentáře z pohledu legislativy

V úvodu článku je uveden přehled kameniva používaného do betonu, včetně definic a návazností na v současnosti platné normy. Další část je věnována otázce recyklovaného kameniva a možnostem jeho výroby opět v návaznosti na normy. V závěru je s ohledem na aktuální stav těžby pří...