Lekkie kruszywa spiekane z dodatkiem

surowców odpadowych

Lightweight sintered aggregates with waste additives

Streszczenie

W pracy przedstawiono wyniki badań kruszywa otrzymanego z masy surowcowej
z zawartością gliny, osadu ściekowego i popiołu z elektrociepłowni. Komunalne osady
ściekowe, nieunikniony produkt uboczny oczyszczania ścieków, w przeciwieństwie do
popiołu charakteryzują się wysoką zawartością substancji organicznych. Mogą być wy-
korzystane jako dodatek spęczniający.

Badano wpływ osadu ściekowego na pęcznienie surowca ceramicznego przy użyciu

mikroskopu wysokotemperaturowego.

Badano spieki osadowo-popiołowe z zawartością gliny o zmiennym udziale masowym

składników (0-40% s.m.), wypalone w piecu laboratoryjnym. Przyjęty kierunek badań
obejmujący ocenę tekstury i nasiąkliwości spieków miał na celu określenie możliwości
zastosowania surowców odpadowych do produkcji lekkich kruszyw spiekanych.

Spieki gliny z dodatkiem osadów i popiołów charakteryzowały się teksturą wysoko

porowatą w przeciwieństwie do spieku samej gliny. Wpływ udziału masowego odpadów
na nasiąkliwość był nieznaczny.

Uzyskane wyniki wykazały możliwość otrzymywania kruszyw spiekanych z surow-

ców odpadowych, o szczególnych walorach porowatości i gęstości nasypowej.

Abstract

The results of research on aggregate made of raw material mass with an addition of clay,
sewage sludge and fly ash from a heat and power generating plant are presented. Muni-
cipal sewage sludge is an unavoidable by-product of wastewater treatment. In contrast
to ash, sewage sludge contains a high quantity of organic matter. It can be used as an
expanding additive ceramic sinters.

Jolanta Latosińska

dr inż. Jolanta Latosińska – Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska,
Katedra Inżynierii i Ochrony Środowiska, Zakład Gospodarki Odpadami

The impact of sewage sludge on expanding of ceramic sinters was examined by high

temperature microscope.

The experiment included testing of sludge and ash sinters with clay addition of

a variable mass proportion of its constituents (0-40% d.m.). These mixtures were baked
in a laboratory furnace. The aim of the research included was the evaluation of texture
and water absorption of sinters as well as exploring the possibility of using waste as raw
materials in lightweight sintered aggregates production.

The sinters with an addition of sewage sludge and fly ashes presented a high

porosity texture in contrast to clay sinters. The effect of waste mass proportion on water
absorption was minor.

The results show the new direction of sintered aggregates produce from waste

materials. The aggregates have high porosity and very low density features.

Lekkie kruszywa spiekane z dodatkiem surowców odpadowych

3

DNI BETONU 2008

Wstęp

1.

Oczyszczaniu ścieków komunalnych towarzyszy powstawanie osadów ściekowych.
W 2006 roku w oczyszczalniach powstało 501342 Mg s.m. osadów, a w 2005 roku –
486142 Mg s.m. [5]. Według prognoz na 2015 rok ilość osadów ściekowych wymagających
unieszkodliwienia wyniesie 642,4 tys. Mg s.m. [7]. Wzrost ilości osadów ściekowych to
konsekwencja wzrostu ilości oczyszczanych ścieków, wzrostu liczby mieszkańców korzy-
stających z sieci kanalizacyjnej oraz zwiększenia efektywności pracy oczyszczalni.

Osady ściekowe charakteryzują się wysokim uwodnieniem (50% - 99%), a także wysokim

udziałem substancji organicznych w suchej masie. Zawartość substancji organicznych w osa-
dach z polskich oczyszczalni ścieków zmienia się od 49,7 do 75,1% s.m. (średnio od 50 do 60%
s.m.) [6]. Właściwości osadów ściekowych różnią się w znacznym stopniu, nawet w obrębie
tej samej oczyszczalni, w różnym czasie, i wpływają na sposób ich wykorzystania [6].

Obecnie dominującym w Polsce kierunkiem unieszkodliwiania osadów jest skła-

dowanie. Sposób takiego unieszkodliwiania odpadów stopniowo ogranicza Dyrektywa
1999/31/EEC [2]. Normatyw obliguje do redukcji składowanych odpadów ulegających
biodegradacji w stosunku do poziomu z 1995 roku odpowiednio do poziomów: 75%
w 2010 roku, 50% w 2013 roku i 35% w 2020 roku.

Przyrodnicze, a szczególnie rolnicze, wykorzystanie osadów regulują zapisy Dy-

rektywy Rady 86/278/EEC [3], Ustawy o Odpadach [1] oraz Rozporządzenie Ministra
Środowiska [4]. Wykorzystanie osadów na terenach rolniczych ograniczają wysokie stę-
żenia: metali ciężkich, oraz zanieczyszczenia organizmami patogennymi. Przyrodnicze
wykorzystanie osadów ściekowych spotyka się z brakiem akceptacji społecznej, a ponadto
cechuje się sezonowością.

Alternatywa przyrodniczego wykorzystania osadów ściekowych – utylizacja termicz-

na, należy do metod rzadko stosowanych w kraju. W 2006 roku 0,9% ilości powstałych
osadów ściekowych przekształcono termicznie [5].

W Polsce czwartym pod względem ilości odpadem masowym jest popiół lotny z energe-

tyki zawodowej. W 2006 roku wg [8] wytworzono 4,3 mln ton popiołu lotnego z węgla.

Właściwości popiołów lotnych zależą od składu chemicznego i mineralnego przerostów

skały płonnej zawartych w masie paliwa stałego, wartości opałowej i wilgotności paliwa,
sposobu rozdrobnienia paliwa, konstrukcji paleniska, sposobu wychwytywania popiołu ze
strumienia spalin, rodzaju transportu popiołów i warunków ich przechowywania [9, 15].

Popioły lotne zawierają głównie SiO

2

, Al

2

O

3

, tlenki Ca, Mg, Fe, C, oraz siarkę, sód,

potas, mangan, cynk i mniejsze ilości magnezu, niklu, ołowiu, kobaltu, manganu [11].
W zależności od składu chemicznego popioły dzieli się na: krzemianowe, glinowe, wap-
niowe [10]. Popioły krzemianowe otrzymywane z węgli kamiennych charakteryzują się
składem chemicznym zbliżonym do wyprażonego łupka karbońskiego. Otrzymywane
są przy wysokich temperaturach spalania i charakteryzują się dużą ilością substancji
bezpostaciowej [9]. Popioły glinowe, powstające przy spalaniu węgli brunatnych zanie-
czyszczonych iłami, charakteryzują się zawartością Al

2

O

3

powyżej 30%. Popioły wapniowe

wyróżnia udział CaO powyżej 10% [11].

96,6% ilości popiołu lotnego wytworzonego w 2006 roku poddano odzyskowi [8]. Do

wykorzystania pozostaje jeszcze 18,8 mln ton popiołów zdeponowanych na składowiskach
zakładowych (stan na koniec 2006 roku) [8].

Popioły lotne wykorzystywane są do produkcji: ceramiki budowlanej, betonów zwy-

kłych, betonów komórkowych, cementu, spoiwa hydraulicznego [11, 12, 13]. Znalazły
także zastosowanie w górnictwie, rolnictwie, budownictwie hydrotechnicznym i komu-

4

Jolanta Latosińska

DNI BETONU 2008

nikacyjnym [11, 14]. Znane są sposoby wykorzystania popiołów lotnych do produkcji
kruszyw spiekanych tj. popiołoporyt, polytag [12, 15].

Skład chemiczny popiołów lotnych, zbliżony do składu surowca ceramicznego, skłania

do podjęcia badań w kierunku częściowego zastąpienia naturalnego surowca – gliny –
popiołem lotnym do produkcji kruszyw ceramicznych.

Wysoki udział substancji organicznych w osadzie ściekowym kwalifikuje ten odpad

do wprowadzenia do zestawu surowcowego lekkich kruszyw spiekanych w celu otrzy-
mania spieków porowatych.

Badania laboratoryjne

2.

2.1. Rola osadu ściekowego w pęcznieniu surowca ceramicznego

Do badań wykorzystano osad ściekowy pobrany z placu składowania z komunalnej oczysz-
czalni ścieków w Sitkówce – Nowiny koło Kielc. Osad wysuszono w temperaturze 105

o

C

do stanu powietrzno suchego, następnie roztarto w moździerzu do uziarnienia < 1,0 mm.

Glina pochodziła ze złoża Budy Mszczonowskie, eksploatowanego przez Przedsiębior-

stwo Kruszyw Lekkich „Keramzyt”. Glina pobrana po bezpośrednim ukopie z kopalni,
została wysuszona do stanu powietrzno suchego, zmielona w młynku tarczowo – ślima-
kowym oraz roztarta w moździerzu do frakcji < 1,0 mm.

Charakterystykę składników zestawów surowcowych przedstawiono w tablicach 1–3.

Tablica 1. Charakterystyka osadu ściekowego wykorzystanego w badaniach

Właściwość

Jednostka

Osad ściekowy

Wilgotność

%

80,36

Substancje organiczne

%

52,04

fosfor ogólny

% s.m.

2,4

azot ogólny

% s.m.

3,1

Ołów

mg/kg s.m.

16,70

Kadm

mg/kg s.m.

1,00

Rtęć

mg/kg s.m.

0,03

Chrom

mg/kg s.m.

61,60

Miedź

mg/kg s.m.

9,10

Cynk

mg/kg s.m.

838,0

Żelazo

mg/kg s.m.

1073,3

Magnez

mg/kg s.m.

1849,1

Mangan

mg/kg s.m.

102,30

Sód

mg/kg s.m.

212,80

Potas

mg/kg s.m.

750,90

Wapń

mg/kg s.m.

3065,00

Badania temperatur charakterystycznych spieków przeprowadzono w mikroskopie

wysokotemperaturowym dla przyrostu temperatury w piecu: do 1100

0

C – 30 deg/min,

powyżej 1100

0

C – 10 deg/min. Ze względu na charakter atmosfery w piecu przemysłowym

w PKL „Keramzyt” w Mszczonowie, badania przeprowadzono w atmosferze utleniającej.
Ponadto z danych literaturowych [17] wynika, iż atmosfera wypalania w niewielkim
stopniu wpływa na zachowanie się gliny ze złoża Budy Mszczonowskie.

Lekkie kruszywa spiekane z dodatkiem surowców odpadowych

5

DNI BETONU 2008

Dodatek osadu ściekowego obniżył temperatury mięknienia, początku pęcznienia,

maksimum pęcznienia oraz topnienia (rys. 1 – rys. 3). Zaobserwowano mniejszy wpływ
ilości dodatku na temperatury początku pęcznienia i maksimum pęcznienia w porównaniu
do temperatur mięknienia i topnienia. Wzrost zawartości osadu ściekowgo spowodował
spadek temperatury topnienia. Uwidocznił się tym samym wpływ toników Na

2

O, K

2

O, CaO,

MgO, Fe

2

O

3

, Fe

3

O

4

, wprowadzonych z osadem ściekowym do zestawu surowcowego.

Rys. 1. Obrazy punktów charakterystycznych z mikroskopu wysokotemperaturowego dla próbki
gliny

Rys. 2. Obrazy punktów charakterystycznych z mikroskopu wysokotemperaturowego dla zestawu
surowcowego: glina z 5% udziałem osadu

6

Jolanta Latosińska

DNI BETONU 2008

Wyraźne pęcznienie mas surowcowych z udziałem osadu ściekowego pozwala

wnioskować, że dodatek osadu ściekowego wpływa korzystnie na właściwości fizyczne
spieku, powoduje wzrost porowatości oraz spadek gęstości pozornej.

Rys. 3. Obrazy punktów charakterystycznych z mikroskopu wysokotemperaturowego dla zestawu
surowcowego: glina z 10% udziałem osadu

2.2. Kruszywo spiekane z dodatkiem osadu ściekowego i popiołu

W badaniu użyto popiół z Elektrociepłowni Kielce S.A. pobrany po elektrofiltrze. W kotle
wodno – pyłowym typu WP - 140 spalany jest węgiel kamienny.

Popiół ze względu na wartość modułu tlenkowego należy do popiołów krzemiano-

wych (tab. 2).

Tablica 2. Charakterystyka gliny i popiołu wykorzystanych do badań

Właściwość

Jednostka

Glina

Popiół

Wilgotność

%

19,20

0,18

strata prażenia

%

7,10

7,52

SiO

2

%

68,10

45,67

Fe

2

O

3

%

4,30

8,01

Al

2

O

3

%

15,20

23,47

CaO

%

0,74

5,09

wolne CaO

%

n.b.

0,064

MgO

%

1,05

3,69

SO

3

%

n.b.

0,61

Na

2

O

%

0,36

0,83

K

2

O

%

1,85

1,4

gęstość właściwa

g/cm

3

n.b.

2,13

powierzchnia właściwa

cm

2

/g

n.b.

6170

miałkość

%

n.b.

28,9

n.b. – nie badano

Lekkie kruszywa spiekane z dodatkiem surowców odpadowych

7

DNI BETONU 2008

Tablica 3. Charakterystyka mineralogiczna wykorzystanych surowców

Składnik

Minerał

Glina

Montmorillonit, illit, kwarc

Popiół lotny

mulit, wolne wapno, magnetyt, kwarc, hematyt, peryklaz

Osad ściekowy Wiwianit, scolecyt, rostyt, gismondyt, kalcyt, tlenek glinowo wapniowy

Przygotowano zestawy surowcowe na bazie gliny, osadu ściekowego i popiołu

o zmiennym udziale masowym składników (osad ściekowy 0% – 20%; popiół lotny 0%
– 40%). Odpowiednie proporcje składników mieszanek surowcowych w stanie wysuszo-
nym zarobiono wodą destylowaną w ilości do uzyskania stanu plastycznego. Udział wody
zarobowej wynosił 23 – 28,6%. Zestawy surowcowe uplastyczniono ręcznie. Następnie,
przy użyciu praski ręcznej, zaformowano kształtki w formie walców o wymiarach: śred-
nica 10 mm, wysokość 10 mm.

Kształtki wysuszono do stanu powietrzno suchego w temperaturze ±20

o

C, następnie

suszono 2 godziny w suszarce laboratoryjnej w temperaturze 105

o

C.

Wysuszone kształtki wypalono w piecu laboratoryjnym w temperaturze: 1140

o

C.

Próbki wypalano w atmosferze tlenowej. Czas przebywania próbek w piecu wynosił 55
minut, w tym 10 minut w temperaturze maksymalnej. Próbki po wypaleniu pozostawały
w piecu do jego wychłodzenia.

Rys. 4. Wpływ udziału składników w zestawie surowcowym gliny na nasiąkliwość spieków

Nasiąkliwość otrzymanych spieków (rys. 4.) zbadano wg normy [16]. Spiek samej

gliny wyróżnia się najmniejszą wartością nasiąkliwości spośród badanych spieków.
Spieki z dodatkiem odpadów cechowała nasiąkliwość w zakresie od 12,13 do 16,62%. Nie
wystąpił wyraźny wpływ udziału masowego dodatków (popiołu, osadu ściekowego) na
wartość nasiąkliwości spieków.

Wykonano badania tekstury otrzymanych spieków wykorzystując elektronowy mi-

kroskop skaningowy JSM 5400, JEOL TECHNICS LTD, (Japonia). Wyniki przedstawiono
na fot. 1. – fot. 2.

Przygotowano zestawy surowcowe na bazie gliny, osadu Ğciekowego i popioáu o

zmiennym udziale masowym skáadników (osad Ğciekowy 0% - 20%; popióá lotny 0% - 40%).

Odpowiednie proporcje skáadników mieszanek surowcowych w stanie wysuszonym

zarobiono wodą destylowaną w iloĞci do uzyskania stanu plastycznego. Udziaá wody

zarobowej wynosiá 23 – 28,6%. Zestawy surowcowe uplastyczniono rĊcznie. NastĊpnie, przy

uĪyciu praski rĊcznej, zaformowano ksztaátki w formie walców o wymiarach: Ğrednica 10

mm, wysokoĞü 10 mm.

Ksztaátki wysuszono do stanu powietrzno suchego w temperaturze ±20

o

C, nastĊpnie

suszono 2 godziny w suszarce laboratoryjnej w temperaturze 105

o

C.

Wysuszone ksztaátki wypalono w piecu laboratoryjnym w temperaturze: 1140

o

C. Próbki

wypalano w atmosferze tlenowej. Czas przebywania próbek w piecu wynosiá 55 minut, w tym

10 minut w temperaturze maksymalnej. Próbki po wypaleniu pozostawaáy w piecu do jego

wycháodzenia.

Rys. 4. Wpáyw udziaáu skáadników w zestawie surowcowym gliny na nasiąkliwoĞü spieków.

NasiąkliwoĞü otrzymanych spieków (Rys.4.) zbadano wg normy [16]. Spiek samej gliny

wyróĪnia siĊ najmniejszą wartoĞcią nasiąkliwoĞci spoĞród badanych spieków. Spieki z

dodatkiem odpadów cechowaáa nasiąkliwoĞü w zakresie od 12,13 do 16,62 %. Nie wystąpiá

wyraĨny wpáyw udziaáu masowego dodatków (popioáu, osadu Ğciekowego) na wartoĞü

nasiąkliwoĞci spieków.

Wykonano badania tekstury otrzymanych spieków wykorzystując elektronowy

mikroskop skaningowy JSM 5400, JEOL TECHNICS LTD, (Japonia). Wyniki przedstawiono

na Fot. 1. – Fot. 2.

(b) (Ğ)

Fot. 1. SEM zgáadu granuli – spiek samej gliny (b) – brzeg granuli; (Ğ) – Ğrodek granuli;

powiĊkszenie x 100.

Spiek samej gliny (Fot.1) charakteryzuje siĊ wyraĨnym spieczeniem. Spieki z dodatkiem

odpadów posiadają porowatą teksturĊ. Substancje organiczne, wprowadzone z osadem

Ğciekowym do zestawu surowcowego, podczas wypalania odgazowaáy tworząc teksturĊ

porowatą (Fot.2). Wzrost udziaáu masowego popioáu (dla 5, 10, 15 i 20% udziaáu masowego

osadu Ğciekowego) nie spowodowaá wyraĨnego zmniejszenia porowatoĞci spieków.

2,61

15,22

15,36

14,42

16,62

12,13

12,8

14,37

15,41

14,69

15,81

14,02

14,1

0

5

10

15

20

0

5

10

15

20

udziaá masowy osadu [% s.m.]

na

si

ąk

liw

oĞ

ü

sp

ie

kó

w

[

%

]

Glina

10% popioáu

20% popioáu

40% popioáu

8

Jolanta Latosińska

DNI BETONU 2008

(b)

(ś)

Fot. 1. SEM zgładu granuli – spiek samej gliny (b) – brzeg granuli; (ś) – środek granuli; po-
większenie x 100

Spiek samej gliny (fot. 1) charakteryzuje się wyraźnym spieczeniem. Spieki z dodatkiem

odpadów posiadają porowatą teksturę. Substancje organiczne, wprowadzone z osadem
ściekowym do zestawu surowcowego, podczas wypalania odgazowały tworząc teksturę
porowatą (fot. 2). Wzrost udziału masowego popiołu (dla 5, 10, 15 i 20% udziału masowego
osadu ściekowego) nie spowodował wyraźnego zmniejszenia porowatości spieków.

(b)

(ś)

Fot. 2. SEM zgładu granuli zmodyfikowanej masy surowcowej (20% osadu ściekowego i 40%
popiołu); (b) – brzeg granuli; (ś) – środek granuli; powiększenie x 100

Wnioski

3.

Wprowadzone do zestawów surowcowych badanych spieków dodatki w postaci popiołu
lotnego oraz osadu ściekowego spowodowały zmiany ich tekstury.

Osad ściekowy przyczynił się do powstawania porowatej tekstury kruszywa. Dodatek

mineralny w postaci popiołu lotnego – nie pogorszył tekstury spieków.

Spieki z dodatkiem popiołu i osadu ściekowego wymagają dalszych badań, między

innymi: charakterystyki składu fazowego spieków, temperatur charakterystycznych
zmiany składu fazowego.

Lekkie kruszywa spiekane z dodatkiem surowców odpadowych

9

DNI BETONU 2008

Dotychczas uzyskane wyniki pozwalają wnioskować, że powstające uciążliwe odpa-

dy – osady ściekowe i popiół lotny – mogą znaleźć zastosowanie do produkcji kruszyw
lekkich do betonu.

Wykorzystanie odpadów w zestawie surowcowym spieków porowatych obok

poprawy porowatości spieków pozwala na zmniejszenie zużycia surowca naturalnego
– gliny.

Literatura

[1] Ustawa o Odpadach, Dz. U. Nr 62, poz. 628, 2001, z póż. zm.

[2] Dyrektywa Rady 1999/31/EC w sprawie składowania odpadów.

[3] Dyrektywa Rady 1986/278/EWG z dnia 12 czerwca 1986 r., w sprawie ochrony środowiska, w szcze-

gólności gleby, w przypadku wykorzystania osadów ściekowych w rolnictwie.

[4] Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie komunalnych osadów ściekowych, Dz. U. Nr134,

poz.1140, 2002 rok.

[5] GUS 2008, materiały informacyjne – bank danych regionalnych.

[6] Bernacka J., Pawłowska L., Krobski A., Zmiany składu osadów z komunalnych oczyszczalni ścieków

w latach 1998-2002, Warszawa, Instytut Ochrony Środowiska, 2002, s. 26-29.

[7] Krajowy Program Oczyszczania Ścieków Komunalnych, Ministerstwo Środowiska, Warszawa, grudzień

2003.

[8] GUS, Ochrona Środowiska 2007, Warszawa.

[9] Giergiczny Z., Popiół lotny aktywny dodatkiem mineralnym w składzie cementu, Materiały kompo-

zytowe – właściwości, wytwarzanie, zastosowanie, III Konferencja naukowo-techniczna, Wrocław,

Politechnika Wrocławska, 2001, s. 39-46.

[10] BN-79/6722-09. Popioły lotne i żużle z kotłów opalanych węglem kamiennym i brunatnym. Podział,

nazwy i określenia.

[11] pod red. Skalmowskiego K., Poradnik gospodarowania odpadami, Verlag Dashofer, 1998, Warsza-

wa.

[12] Brylska E., Dyczek J., Gawlicki M., Rozczynialski W., Wykorzystanie odpadów w przemyśle materiałów

budowlanych, KARBO, 2002, 3, s. 95-100.

[13] Monteiro R. C. C., Lima M. M. R. A., Alves S., Mechanical characteristics of clay structural ceramics

containing coal fly ash, Int. J. Mech. Mater. Des, 2008, 4, s. 213-220.

[14] Zuter: materiały informacyjne.

[15] Kowalenko W., Mojsiejenko J., Roszak W., Kruszywa sztuczne do betonów lekkich, Produkcja i

zastosowanie, Arkady, 1972, Warszawa, s. 283

[16] PN-77/B-06714 Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczanie nasiąkliwości.

[17] Brylska E., Wpływ warunków wypalania surowców pęczniejących na niektóre właściwości keramzytu,

Szkło i Ceramika, 1988, 2, s. 54-57.