The effects of mineralogical changes that occur in artificial aggregates

• Autorzy: Adamczyk Z. , Grygierek M. , Łupieżowiec M. , Nowak J. , Strzałkowska E.

Identyfikatory

DOI

10.24425/118648

Warianty tytułu

PL

Skutki przeobrażeń mineralogicznych zachodzących w kruszywach sztucznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents the results of the study of changes in mineral and chemical composition of artificial aggregates consisting of coal shale (a hard coal mining waste) and fluidized ashes. Such an aggregate was used for road construction. After completion of the construction works but before making the road available for public use, significant deformation of the surface in the form of irregular buckling of the asphalt layer occurred. It was excluded that this resulted from mining damage, design errors or performance mistakes, among others. A study of the materials that had been incorporated in the construction layers was undertaken in order to find the component and the mechanism responsible for the buckling of the road surface. A comparison of the mineral and chemical composition of aggregate samples collected from the embankment where the road buckled with the reference sample and samples from places without deformations showed that the bumps in the road embankment consisted of minerals that were not initially present in the aggregate. Wastes produced as a result of high temperatures (slag and power plants ashes, metallurgical wastes) are not as stable in terms of chemical and phase composition in the hypergenic environment. As a result of the processes occurring in the road embankment, anhydrite, which is the primary component of fluidized ashes, was transformed into gypsum and ettringite. As a result of contact with water CaO (present in fluidized ashes) easily changed into calcium hydroxide. As the crystallization of these minerals is expansive, it resulted in the filling of pores and, in extreme cases, in a substantial increase in the volume of the aggregate and, consequently, in the deformation of the road surface.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań nad przeobrażeniami składu mineralnego i chemicznego, które zaszły w kruszywie sztucznym skomponowanym na bazie łupku węglowego (odpad pochodzący z górnictwa węgla kamiennego) i popiołów fluidalnych. Kruszywo to użyte zostało do budowy drogi. Po zakończeniu budowy, a jeszcze przed oddaniem jej do użytku stwierdzono znaczne deformacje nawierzchni w formie nieregularnych wybrzuszeń i wypiętrzeń warstwy asfaltowej. Jako przyczyny wykluczono między innymi szkody górnicze, błędy projektowe czy błędy wykonawcze. Podjęto więc badania wbudowanych w warstwy konstrukcyjne materiałów w celu wskazania składnika i mechanizmu odpowiedzialnego za wypiętrzanie nawierzchni drogi. Porównanie składu mineralnego i chemicznego próbek kruszywa pobranych z nasypu drogowego w miejscach deformacji z próbką referencyjną i próbkami z miejsc, gdzie deformacji nie stwierdzono wykazało, że w nasypie drogowym w miejscu „wybrzuszeń” występują minerały, których pierwotnie nie było w kruszywie. Odpady powstałe w wyniku oddziaływania wysokich temperatur (żużle i popioły elektrowniane, odpady hutnicze itp.) w środowisku hipergenicznym nie są stabilne tak pod względem składu chemicznego, jak i fazowego. Na skutek procesów zachodzących w nasypie drogowym anhydryt będący pierwotnym składnikiem popiołów fluidalnych uległ przeobrażeniu w gips oraz ettringit. W wyniku kontaktu z wodą CaO (obecny w popiołach fluidalnych) łatwo uległ przemianie w wodorotlenek wapnia. Krystalizacja tych minerałów jest ekspansywna, co doprowadziło do zapełnienia przestrzeni porowych, a w skrajnych przypadkach znacznego wzrostu objętości kruszywa i w konsekwencji do deformacji nawierzchni drogi.

Słowa kluczowe

EN

artificial aggregate; road material; ettringite; anhydrite; fly ash

PL

kruszywo sztuczne; materiał drogowy; ettringit; anhydryt; popiół lotny

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 34, z. 2
• Strony: 37--54
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Adamczyk Z.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Grygierek M.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Łupieżowiec M.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Nowak J.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

autor

Strzałkowska E.

• Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Adamczyk, Z. and Nowak, J. 2012. The change of chemical composition of slag furnaces in an isolated from environment storage (Zmiana składu chemicznego żużli paleniskowych w składowisku izolowanym od środowiska). Górnictwo i Geologia 7(2), Gliwice: Wyd. Pol. Śl., pp. 7–21 (in Polish).
• [2] Adamczyk, Z. and Nowak, J. 2013. The change of mineralogical composition of slag furnances in an isolated from environment storage (Przeobrażenia składu fazowego żużli paleniskowych w składowisku izolowanym od środowiska). Górnictwo i Geologia 8(1), Gliwice: Wyd. Pol. Śl., pp. 5–16 (in Polish).
• [3] Akbarnejad et al. 2014 – Akbarnejad, S., Houben, L.J.M. and Molenaar, A.A.A. 2014. Application of aging methods to evaluate the long-term performance of road bases containing blast furnace slag materials. Road Materials and Pavement Design 15( 3), pp. 488–506.
• [4] Barišić et al – Barišić, I., Dimter, S. and Netinger, I. 2010. Possibilities of application of slag in road construction. Technical Gazette 17(4), pp. 523–528.
• [5] Borowski, G. 2010. Possibilities of utilize of power industry wastes to build a roads (Możliwości wykorzystania odpadów z energetyki do budowy dróg). Inżynieria Ekologiczna 22.
• [6] Brandt, A.M. ed. 2010. Zastosowanie popiołów lotnych z kotłów fluidalnych w betonach konstrukcyjnych. Warszawa: PAN (in Polish).
• [7] Bzowski, Z. 2013. Mineralogical and chemical characteristics of wastes generated from hard coal mines (Mineralogiczna i chemiczna charakterystyka odpadów wydobywczych z kopalń węgla kamiennego). Wiadomości Górnicze 64(2), pp. 93–98 (in Polish).
• [8] Dimter et al. 2011 – Dimter, S., Rukavina, T. and Dragcbreveević, V. 2011. Strength Properties of Fly Ash Stabilized Mixes. Road Materials and Pavement Design 12(3).
• [9] Ebrahimi et al. 2012 – Ebrahimi, A., Kootstra, B.R., Edil, T.B. and Benson, C.H. 2012. Practical approach for designing flexible pavements using recycled roadway materials as base course. Road Materials and Pavement Design 13(4), pp. 731–748.
• [10] Galos, K. ed., 2009. Surowce mineralne Polski, Mineralne surowce odpadowe. Kraków: Wyd. IGSM iE PAN (in Polish).
• [11] Gawlicki, M. and Roszczynialski, W. 2003. Combustion by-products from fluidized bed as portland cement components (Uboczne produkty spalania z kotłów fluidalnych jako składnik cementów portlandzkich). Cement Wapno Beton 5, pp. 255 (in Polish).
• [12] Gawlicki, M. and Wons, W. 2012. Fly ash from fluidized bed boilers as component of fly ash-opc road binders (Popioły lotne z kotłów fluidalnych jako składniki popiołowo-cementowych spoiw drogowych). Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych 8 (in Polish).
• [13] Gawlicki, M. and Małolepszy, J. 2013. Wykorzystanie odpadów przemysłowych w drogownictwie – zagrożenia. XXVI Konferencja Naukowo-Techniczna. Awarie Budowlane (in Polish).
• [14] Giergiczny, Z. 2005. High calcium fly ash (Popioły lotne z dużą zawartością związków wapnia). Cement Wapno Beton 5, pp. 271–282 (in Polish).
• [15] Giergiczny, Z. 2006. Rola popiołów lotnych wapniowych i krzemionkowych w kształtowaniu właściwości współczesnych spoiw budowlanych i tworzyw cementowych. Kraków: Politechnika Krakowska. 193 pp. (in Polish).
• [16] Glasser, F.P. 1996. The role of sulfate mineralogy and cure temperature in delayed ettringite formation. Cement and Concrete Composities 18, pp. 187–193.
• [17] Góralczyk, S. and Kukielska, D. 2011. Produkcja kruszyw z surowców wtórnych. Kruszywa 1, pp. 33–38 (in Polish).
• [18] Hainin et al. 2015 – Hainin, M.R., Aziz, Md.M., Ali, Z., Jaya, R.P., El-Sergany, M.M. and Yaacob, H. 2015. Steel Slag as A Road Construction Material. Jurnal Teknologi 73(4).
• [19] Hotloś, H. et al. 1983 – Hotloś, H., Kotowski, A. and Cieżak, J. 1983. Wpływ procesu kolmatacji i odkładania się osadów na wodochłonność basenów infiltracyjnych na przykładzie ujęć wodociągowych m. Wrocławia. Ochrona Środowiska 2, pp. 56–60 (in Polish).
• [20] Jonczy, J. 2012. Forms of occurrence of selected metals in metallurgical slags in comparison with their geochemical properties (Formy występowania wybranych metali w żużlach hutniczych na tle ich właściwości geochemicznych). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 28 (1), pp. 63–75 (in Polish).
• [21] Jonczy, J et al. 2012 – Jonczy, J., Nowak, J., Porszke, A. and Strzałkowska, E. 2012. Phase components of selected mineral waste materials in microscope images. Gliwice: Wyd. Pol. Śl. Jonczy, J. 2014. Diversification of phase composition of metallurgical wastes after the production of cast iron and cast steel. Archives of Metallurgy and Materials 59(2), pp. 481–485.
• [22] Kolisetty, R.K. and Chore, H.S. 2013. Utylization of Waste Materials in Construction Acitivities: A Green Concept. International Journal of Computer Applications (0975–8887). International conference on Green Computing and Technology.
• [23] Kołodziejczyk et al. 2012 – Kołodziejczyk, U., Ćwiąkała, M. and Widuch, A. 2012. Use of fly-ash for the production of hydraulic binding agents and for soil stabilization. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 28(4), pp. 15–28.
• [24] Kurdowski, W. 2010. Chemia cementu i betonu. Warszawa: PWN , 728 pp.
• [25] Nowak, J. 2014. The influence of thermal transformation of coal mining wastes on their petrographic and mineralogical composition (Wpływ stopnia termicznego przeobrażenia odpadów powęglowych na ich skład mineralny i petrograficzny). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 30(1), pp. 143–160 (in Polish).
• [26] Piekarski, J. 2009. Analysis of selected parameters of colmatation in the process of gravitational filtration (Analiza wybranych parametrów kolmatacji w procesie filtracji grawitacyjnej). Rocznik Ochrona Środowiska 11.
• [27] Rajczyk, K. 2012. Popioły lotne z kotłów fluidalnych i możliwości ich uszlachetniania. Opole: Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych (in Polish).
• [28] Statistical Yearbook of the Republic of Poland 2014. Warszawa: Główny Urząd Statystyczny (in Polish).
• [29] Stryczek, S. ed. 2013. Popioły z fluidalnego spalania węgla brunatnego jako dodatek do zaczynów uszczelniających. Kraków: Wyd. AGH, 193 pp. (in Polish).
• [30] Strzałkowska, E. 2011. Charakterystyka właściwości fizykochemicznych i mineralogicznych wybranych ubocznych produktów spalania węgla. Gliwice: Wyd. Pol. Śl. (in Polish).
• [31] Strzałkowska, E. 2016. The composition of the organic and inorganic matter of the siliceous fly ashes as part of their usefulness in technologies of building materials (Skład materii organicznej i nieorganicznej krzemionkowych popiołów lotnych, jako element ich przydatności w technologiach materiałów budowlanych). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 32 (1), pp. 71–78 ( in Polish).
• [32] Swamy, A. K. and Das, A. 2012. Possible Use of Some Waste Materials in Road Construction. The Masterbuilder. [Online] Available at: www.masterbuilder.co.in [Accessed: 1.12.2017].
• [33] Sybilski, J. and Kraszewski, C. 2004. Ocena i badania wybranych odpadów przemysłowych do wykorzystania w konstrukcjach drogowych. Warszawa: Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie (in Polish).
• [34] Tosun, K. and Baradan, B. 2010. Effect of ettringite morphology on def–related expansion. Cement & Concrete Composites 32, pp. 271–280.
• [35] Uliasz-Bocheńczyk et al. 2015 – Uliasz-Bocheńczyk, A., Mazurkiewicz, M. and Mokrzycki, E. 2015. Fly ash from energy production – a waste, by-product and raw material. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 31(4), pp. 139–150.
• [36] Vestin et al. 2012 – Vestin, J., Arm, M., Nordmark, D., Lagerkvist, A., Hallgren, P. and Lind, B. 2012. Fly ash as a road construction material. Wascon, Conference proceedings, ISCOWA and SGI.
• [37] Woolley et al. 2000 – Woolley, G.R., Goumans, J.J.J.M. and Wainwright, P.J. 2000. Waste materials in construction. Science and Engineering of Recycling for Environmental Protection. Waste Management Series vol. 1. Elsevier Science.
• [38] PN-B-11115:1998 Kruszywa mineralne. Kruszywa sztuczne z żużla stalowniczego do nawierzchni drogowych (in Polish).
• [39] PN-S-96035:1997 Drogi samochodowe. Popioły lotne. Wymagania i badania (in Polish).
• [40] PN-EN-1744-1:2010 Badania chemicznych właściwości kruszyw – Analiza chemiczna (in Polish).
• [41] PN-EN ISO 15169:2011 Charakteryzowanie odpadów – Oznaczanie straty prażenia odpadów, szlamów i osadów (in Polish).

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).