popiół z osadów ściekowych, zaprawy cementowe, beton, trwałość, wymywanie metali ciężkich
sewage sludge ash, cement mortars, concrete, durability, heavy metals leaching
Niniejsza praca składa się z części prezentującej obecny stan wiedzy dotyczącej możliwości zagospodarowania popiołów powstałych w wyniku spalania osadów ściekowych oraz z części, w której zawarto wyniki badań własnych poszerzające i uzupełniające informacje zawarte w dotychczasowych publikacjach.
W części studialnej skupiono się na analizie dostępnych publikacji dotyczących wykorzystania popiołów powstałych w wyniku spalania osadów ściekowych. Przedstawiono również proces produkcji tych popiołów oraz mechanizmy immobilizacji metali ciężkich w kompozytach cementowych.
Analiza dostępnej literatury dotyczącej zagospodarowania i ponownego wykorzystania popiołów w kompozytach cementowych pozwoliła na sformułowanie czterech tez podanych w rozdziale 3.
W celu potwierdzenia lub obalenia tych tez a przede wszystkim w celu poznania właściwości zapraw i betonów przeprowadzono szeroko zakrojony program badań składający się z czterech etapów. Badania te miały na celu scharakteryzowanie popiołów SSA oraz określenie ich przydatności jako częściowego substytutu cementu w spoiwach mieszanych do kompozytów cementowych.
Pierwszy etap badań skupiał się na szerokiej charakterystyce popiołu pod względem właściwości chemicznych i fizycznych. Analiza chemiczna miała na celu zidentyfikowanie potencjalnych właściwości pucolanowych popiołu oraz ocenę zawartości metali ciężkich. Analiza właściwości fizycznych obejmowała rozkład uziarnienia, powierzchnię i gęstość właściwą. Na zakończenie przeprowadzono obserwacje mikrostrukturalne przedmiotowego popiołu.
Celem drugiego etapu badań było przeanalizowanie wpływu obecności popiołu SSA na właściwości zaczynów cementowych wykonanych z trzech podstawowych cementów CEM I 42,5 R, CEM II B-V 42,5 R oraz CEM III/A 42,5 N. Wykonano szereg badań obejmujących podstawowe właściwości zaczynów takie jak konsystencja normowa, czas wiązania oraz stałość objętości badanych spoiw. Dodatkowo analizie poddano skurcz chemiczny i autogeniczny badanych proekologicznych spoiw. Z uwagi na silnie czerwoną barwę popiołu, wynikającą z zawartości hematytu, poddano opisowi zmianę zabarwienia zaczynów cementowych wraz ze zwiększającym się udziałem popiołu SSA. Ostatnim punktem badań była analiza mikrostrukturalna otrzymanych zaczynów.
Trzeci etap przeprowadzonych badań skupiał się na charakterystyce zapraw cementowych z dodatkiem SSA. Badania obejmowały ocenę właściwości mechanicznych i ich trwałości. Zakres właściwości mechanicznych obejmował wytrzymałość na ściskanie i wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu. Badania dotyczące trwałości obejmowały gęstość, porowatość całkowitą jak i rozkład porów. Dodatkowo, analizowano odporność zapraw na dyfuzję jonów chlorkowych, a także na oddziaływanie jonów siarczanowych. Ostatnim elementem badania było określenie wymywalności metali ciężkich z zapraw w celu oceny ich wpływu na środowisko.
Ostatnim etapem rozległego programu badawczego była analiza właściwości betonów z dodatkiem SSA. Założeniem przyjętym na etapie projektowania mieszanek betonowych było ich potencjalne zastosowanie do wykonania nawierzchni drogowych z betonu cementowego, które jednocześnie miały spełnić wymagania stawiane przez GDDKiA. Ten etap podzielono na dwie części, gdzie analizowano po pierwsze właściwości mieszanek betonowych tj. konsystencję i poziom napowietrzenia i po drugie wykonano badania betonów stwardniałych pod kątem ich właściwości mechanicznych i trwałości. Badania wytrzymałościowe obejmowały typowe parametry, takie jak wytrzymałość na ściskanie i wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu. W kontekście trwałości analizowano nasiąkliwość betonów oraz odporność na cykliczne zamrażanie i rozmrażanie w obecności środków odladzających.
This work consists of a part presenting the current state of knowledge regarding the possibilities of managing ashes resulting from the incineration of sewage sludge and a part containing the results of own research extending and supplementing the information contained in previous publications.
The study part focused on the analysis of available publications regarding the use of ashes resulting from the incineration of sewage sludge. The process of producing these ashes and the mechanisms of immobilization of heavy metals in cement composites were also presented.
The analysis of the available literature on the management and reuse of ashes in cement composites allowed the formulation of four theses given in Chapter 3.
In order to confirm or refute these theses and, above all, to learn about the properties of mortars and concretes, an extensive research program was carried out, consisting of four stages. These studies were aimed at characterizing SSAs and determining their suitability as a partial substitute for cement in mixed binders for cement composites.
The first stage of the research focused on a broad characterization of ash in terms of chemical and physical properties. The chemical analysis was aimed at identifying the potential pozzolanic properties of the ash and assessing the content of heavy metals. The analysis of physical properties included grain size distribution, surface area and specific density. Finally, microstructural observations of the ash in question were carried out.
The aim of the second stage of the research was to analyze the impact of the presence of SSA on the properties of cement pastes made of three basic cements: CEM I 42.5 R, CEM II BV 42.5 R and CEM III/A 42.5 N. A number of tests were carried out covering the basic properties of the pastes. such as standard consistency, setting time and volume stability of the tested binders. Additionally, the chemical and autogenous shrinkage of the tested pro-ecological binders were analyzed. Due to the strongly red color of the ash resulting from the hematite content, the change in color of cement pastes with an increasing share of SSA ash was described. The last point of the research was the microstructural analysis of the obtained pastes.
The third stage of the research focused on the characteristics of cement mortars with the addition of SSA. The tests included the assessment of mechanical properties and their durability. The range of mechanical properties included compressive strength and flexural tensile strength. Durability tests included density, total porosity and pore distribution. Additionally, the mortars' resistance to the diffusion of chloride ions and the impact of sulfate ions was analyzed. The last element of the study was to determine the leachability of heavy metals from mortars in order to assess their impact on the environment.
The last stage of the extensive research program was the analysis of the properties of concrete with the addition of SSA. The assumption adopted at the design stage of concrete mixtures was their potential use for the construction of cement concrete road surfaces, which were also to meet the requirements set by GDDKiA. This stage was divided into two parts, where, firstly, the properties of concrete mixtures were analyzed, i.e. consistency and level of air entrainment, and secondly, tests of hardened concrete were carried out in terms of their mechanical properties and durability. Strength tests included typical parameters such as compressive strength and flexural tensile strength. In the context of durability, the absorbability of concretes and resistance to cyclic freezing and thawing in the presence of de-icing agents were analyzed.
