Characteristics of the phase and chemical composition of blast furnace slag in terms of the possibility of its economic use

• Autorzy: Jonczy Iwona , Grzesik Bartłomiej , Wieczorek Andrzej Norbert , Gerle Anna , Nuckowski Paweł , Staszuk Marcin

Identyfikatory

DOI

10.24425/gsm.2022.143625

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka składu fazowego i chemicznego żużla wielkopiecowego w aspekcie możliwości jego gospodarczego wykorzystania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents the results of studies into the phase and chemical composition of blast furnace slag in the context of its reuse. In practice, blast furnace slags are widely used in the construction industry and road building as a basis for the production of, for example, cements, road binders and slag bricks. They are also used in the production of concrete floors, mortars, and plasters. Blast furnace slag is mainly used as a valuable material in the production of hydraulic binders, especially cement that improves the mechanical properties of concretes. The favorable physical and mechanical properties of slags, apart from economic aspects, are undoubtedly an asset when deciding to use them instead of natural raw materials. In addition to the above, there is also the ecological aspect, since by using waste materials, the environmental interference that occurs during the opencast mining of natural aggregates is reduced. Specifically, this means waste utilization through secondary management. However, it should be kept in mind that it is a material which quite easily and quickly responds to environmental changes triggered by external factors; therefore, along with the determination of its physical and mechanical properties, its phase and chemical composition must be also checked. The studies showed that the predominant component of the blast furnace slag is glass which can amount up to 80%. In its vicinity, metallic precipitate as well as crystallites of periclase, dicalcium silicates and quartz can be found. With regard to the chemical composition of the slag, it was concluded that it meets the environmental and technical requirements regarding unbound and hydraulically bound mixtures. In case of the latter, in terms of its chemical composition, the slag meets the hydraulic activity category CA3. It also meets the chemical requirements for using it as a valuable addition to mortars and concretes, and it is useful in the production of CEM II Portland-composite cement, CEM III blast-furnace cement and CEM V composite cements. The blast furnace slag is a valuable raw material for cement production. Cement CEM III/C contains 81–95% of blast furnace slag in accordance with EN 197-1:2012. In 2019, the Polish cement industry used 1,939,387.7 tons of slag.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań składu fazowego i chemicznego żużla wielkopiecowego w aspekcie możliwości jego wtórnego wykorzystania. W praktyce żużle wielkopiecowe znajdują dość szerokie zastosowanie w przemyśle budowlanym oraz w drogownictwie, m.in. na ich bazie produkowane są cementy, spoiwa drogowe oraz cegły żużlowe; stosowane są również przy wykonywaniu posadzek betonowych, do produkcji zapraw murarskich i tynkarskich. Wiodącą rolą żużla wielkopiecowego staje się jego wykorzystanie jako cennego surowca w produkcji spoiw hydraulicznych, zwłaszcza cementu poprawiającego właściwości mechaniczne betonów. Korzystne właściwości fizykomechaniczne żużli, obok aspektów ekonomicznych, stanowią niewątpliwie atut przy podejmowaniu decyzji o ich wykorzystaniu zamiast surowców naturalnych. Do tego dochodzi jeszcze aspekt ekologiczny, gdyż wykorzystując materiały odpadowe, ogranicza się ingerencję w środowisko, jaka ma miejsce podczas odkrywkowej eksploatacji kruszyw naturalnych, ponadto prowadzona jest utylizacja odpadów poprzez ich wtórne zagospodarowanie. Należy jednak zwrócić uwagę, że jest to materiał, który dość łatwo i szybko reaguje na zachodzące w środowisku zmiany wywołane czynnikami zewnętrznymi, dlatego obok oznaczeń właściwości fizykomechanicznych żużla niezbędna jest kontrola jego składu fazowego i chemicznego. Przeprowadzone badania wykazały, że w badanym żużlu wielkopiecowym dominującym składnikiem jest szkliwo, którego udział można szacować na około 80%, w jego otoczeniu występują wytrącenia metaliczne żelaza, a także krystality peryklazu, krzemianów dwuwapniowych oraz kwarcu. Biorąc pod uwagę skład chemiczny żużla, stwierdzono, że spełnia on wymagania środowiskowe oraz wymagania techniczne dotyczące drogowych niezwiązanych i związanych hydraulicznie mieszanek. W przypadku tych ostatnich pod względem składu chemicznego żużel spełnia kategorię aktywności hydraulicznej CA3. Spełnia także wymagania chemiczne dotyczące stosowania go jako wartościowego dodatku do zapraw i betonów oraz jest przydatny do produkcji cementów portlandzkich żużlowych CEM II, cementów hutniczych CEM III oraz cementów wieloskładnikowych CEM V. Żużel wielkopiecowy jest cennym surowcem do produkcji cementu. Cement CEM III/C zawiera 81–95% żużla wielkopiecowego zgodnie z normą EN 197-1:2012. W 2019 roku polski przemysł cementowy zużył 1 939 387,7 ton żużla.

Słowa kluczowe

EN

blast furnace slag; phase composition; glass

PL

żużel wielkopiecowy; skład fazowy; szkliwo

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2022
• Tom: T. 38, z. 4
• Strony: 153--172
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Jonczy Iwona

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining, Safety Engineering and Industrial Automation, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2635-8484

autor

Grzesik Bartłomiej

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Gliwice, Poland

autor

Wieczorek Andrzej Norbert

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining, Safety Engineering and Industrial Automation, Gliwice, Poland

autor

Gerle Anna

• Łukasiewicz Research Network, Institute of Ceramics and Building Materials, Refractory Materials Division in Gliwice, Poland

autor

Nuckowski Paweł

• Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Gliwice, Poland

autor

Staszuk Marcin

• Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Arora et al. 2016 – Arora, A ., Sant, G. and Neithalath, N. 2016. Ternary blends containing slag and interground/blended limestone: hydration, strength and pore structure. Construction and Building Materials 102, pp. 113–124.
• [2] Cabrera-Madrid et al. 2016 – Cabrera-Madrid, J.A., E scalante-García, J.I., Castro-Borges, P. 2016. Compressive strength of concretes with blast furnace slag. Re-visited state-of-the-art. Journal of the Latin-American Association of Quality Control, Pathology and Recovery of Construction 6(1), pp. 64–83.
• [3] Çelik, E . and Nalbantoglu, Z . 2013. Effects of ground granulated blast furnace slag (GGBS) on the swelling properties of lime-stabilized sulfate-bearing soils. Eng. Geol. 163, pp. 20–25.
• [4] Construction Portal 2022. Characteristics of blast furnace slag [Online:] https://www.portal-budowlany24.pl/budowa/charakterystyka-zuzla-wielkopiecowego [Accessed: 2022-05-04] (in Polish).
• [5] Dąbrowski, M. and Małolepszy, J. 2010. Properties of concrete with slag-limestone cement (Właściwości betonu z cementów zuzlowo-wapiennych). Drogi i Mosty 4, pp. 5–28 (in Polish).
• [6] GDDKiA 2010a. WT -4 2010. Unbound mixtures for national roads. Technical Requirements. General Directorate of National Roads and Motorways (in Polish).
• [7] GDDKiA 2010b. WT -5 2010. Mixtures bound with a hydraulic binder for national roads. Technical Requirements. General Directorate of National Roads and Motorways (in Polish).
• [8] Giergiczny, Z . 2015. Contemporary slag cements in construction (Współczesne cementy żużlowe w budownictwie). XVI Scientific and Technical Conference: Rheology in concrete technology, pp. 139–153 (in Polish).
• [9] Giergiczny, Z . 2019. Fly ash and slag. Cement and Concrete Research 124, pp. 1–15.
• [10] Giergiczny, E. and Góralna K . 2008. Ground granulated blast furnace slag-additive for type II concrete (Mielony granulowany żużel wielkopiecowy – dodatek do betonu typu II). Budownictwo, Technologie, Architektura 1, pp. 56–59 (in Polish).
• [11] Gomes, J.F.P. and Pinto, C.G. 2006. Leaching of heavy metals from steelmaking slag. Revista de Metalurgia 42(6), pp. 409–416.
• [12] Górażdże Group 2022. Granulated blast furnace slag as a component of cement and road binders [Online:] https://www.gorazdze.pl/pl/granulowany-zuzel-wielkopiecowy-skladnikiem-cementu-i-spoiw-drogowych [Accessed: 2022-05-04] (in Polish).
• [13] Taylor, H.F.W. 1997. Cement Chemistry. Londyn: A cademic Press.
• [14] Janic, A . and Gołaszewska M. 2018. The influence of physico-chemical properties of ground granulated blast furnace slag on the shaping of the activity index. Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej 24, pp. 139–147.
• [15] Jonczy, I. 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.
• [16] Joulazadeh, M.H. and Joulazadeh, F. 2010. Slag; value added steel industry byproducts. Archives of Metallurgy and Materials 55(4), pp. 1137–1145.
• [17] Kefeng, T . 1998. Strengthening effects of finely ground fly ash, granulated blast furnace slag, and their combination. Cement and Concrete Research 28(12), pp. 1819–1825.
• [18] Khatib et al. 2005 – Khatib, J., Hibbert, J. and Khatib, J. 2005. Selected engineering properties of concrete incorporating slag and metakaolin. Constr. Build. Mater. 19, pp. 460–472.
• [19] Kongsat et al. 2021 – Kongsat, P., Sinthupinyo, S., O’Rear, E.A. and Pongprayoon, T. 2021. Effect of Morphologically Controlled Hematite Nanoparticles on the Properties of Fly Ash Blended Cement. Nanomaterials 11(4) [Online:] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8070749/ [Accessed: 2022-05-04].
• [20] Lizarazo-Marriagaa et al. 2011 – Lizarazo-Marriagaa, J., Claisseb, P. and Ganjian, E. 2011. Effect of steel slag and Portland Cement in the rate of hydration and strength of blast furnace slag pastes. Journal of Materials in Civil Engineering 23(2), pp. 153–160.
• [21] Malhotra, V.M. and Mehta, P.K. 1996. Pozzolanic and cementitious materials. UK: Advances in Concrete Technology, pp. 102.
• [22] Matthes et al. 2018 – Matthes W., Vollpracht A., Villagrán Y., Kamali-Bernard S., Hooton D., Gruyaert E., Soutsos M. and De Belie N. 2018. Ground granulated blast-furnace slag. RILEM State-of-the-Art Reports, pp. 1–53, DOI: 10.1007/978-3-319-70606-1_1.
• [23] Öner, A. and Akyuz, pp. 2007. An experimental study on optimum usage of GGBS for the compressive strength of concrete. Cem. Concr. Compos. 29, pp. 505–514, DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2007.01.001.
• [24] Parron-Rubio et al. 2019 – Parron-Rubio, M.E., Perez-Garcia, F., Gonzalez-Herrera, A., Oliveira, M.J. and Rubio-Cintas, M.D. 2019. Slag Substitution as a Cementing Material in Concrete: Mechanical, Physical and Environmental Properties. Materials 12, pp. 1–15, DOI: 10.3390/ma12182845.
• [25] Patra, R.K. and Mukherjee, B.B. 2017. Properties of concrete incorporating granulated blast furnace slag as fine aggregate. Advances in Concrete Construction 5(5), pp. 437–450, DOI: 10.12989/acc.2017.5.5.437.
• [26] PN-EN 13242:2010 Aggregates for unbound and hydraulically bound materials for use in civil engineering work and road construction. European Committee for Standardisation: Bruxelles, Belgium, 2010.
• [27] PN-EN 14227-2:2013-10 Hydraulically bound mixtures – Specifications – Part 2: Slag bound granular mixtures. European Committee for S tandardisation: Bruxelles, Belgium, 2013.
• [28] PN-EN 15167-1:2007 Ground granulated blast furnace slag for use in concrete, mortar and grout – Part 1: Definitions, specifications and conformity criteria. European Committee for Standardisation: Bruxelles, Belgium, 2007.
• [29] PN-EN 1744-1 + A1:2013-05 Tests for chemical properties of aggregates – Part 1: Chemical analysis. European Committee for Standardisation: Bruxelles, Belgium, 2013.
• [30] PN-EN 197-1:2012 Cement – Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements. European Committee for Standardisation: Bruxelles, Belgium, 2012.
• [31] Reddy et al. 2006 – Reddy, A.S., Pradhan, R.K. and Chandra, pp. 2006. Utilization of Basic Oxygen Furnace (BOF) slag in the production of a hydraulic cement binder. International Journal of Mineral Processing 79(2), pp. 98–105.
• [32] Regulation of the Minister of the Environment of 1 September 2016 on the method of conducting pollution assessment the surface of the earth (Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 września 2016 r. w sprawie sposobu prowadzenia oceny zanieczyszczenia powierzchni ziemi) (Dz.U. 2016 poz. 1395) (in Polish).
• [33] Senani et al. 2018 – Senani, M., Ferhoune, N., Guettala, A. and Aguiar, J.B. 2018. Eco-concrete with incorporation of blast furnace slag as natural aggregates replacement. Science and Technology of Materials 30, pp. 144–150.
• [34] Sheikibrahim et al. 2018 – Sheikibrahim, K., Sathish, S., Mohammed Fahad, A.S., Sathish Sharma, A., Karthika, H. and Shanmuganathan, N. 2018. Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBS or GGBFS) and Fly ash in Concrete. Int. Res. J. Eng. Technol. 5, pp. 266–270.
• [35] Shetty, M.S. 2013. Concrete technology – Theory and practice. India: S. Chand, pp. 201.
• [36] Shi, C. 2004. Steel slag – its production, processing, characteristics, and cementitious properties. Journal of Materials in Civil Engineering 16(3), pp. 230–236, DOI: 10.1061/(ASCE)0899-1561(2004)16:3(230).
• [37] Sofilić et al. 2010 – Sofilić, T., Merle, V., Rastovčan-Mioč, A., Ćosić, M. and Sofilić, U. 2010. Steel slag instead natural aggregate in asphalt mixture. Archives of Metallurgy and Materials 55(3), pp. 657–668.
• [38] Václavík et al. 2012 – Václavík, V., Vojtech, D., Dvorský, T. and Daxner, J. 2012. The use of blast furnace slag. METABK 51(4), pp. 461–464.
• [39] Vidhya, R.D.K. 2015. An Experimental Investigation on Strength Characteristic of High Density Concrete Incorporating Hematite. Int. J. Innov. Res. Sci. Technol. 2(6) [Google Scholar].
• [40] Wang et al. 2010 – Wang, L.K., Hung, Y.T. and Shammas, N.K. 2010. Handbook of Advanced Industrial and Hazardous Wastes Treatment. E. U.: CRC Press Taylor & Francis Group, pp. 170.
• [41] Yuksel I. 2018. Blast-furnace slag. Waste and Supplementary Cementitious Materials in Concentrate. Characterisation, Properties and Applications. Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering, pp. 361–415.
• [42] Zhu et al. 2012 – Zhu, Y., Yang, Y. and Yao Y. 2012. Use of slag to improve mechanical properties of engineered cementitious composites (ECCs) with high volumes of fly ash. Construction and Building Materials 36, pp. 1076–1081, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.04.031.
• [43] Zulu et al. 2019 – Zulu, B.A., Miyazawa, S. and Nito, N. 2019. Properties of blast-furnace slag cement concrete subjected to accelerated curing. Infrastructures 4, pp. 1–13, DOI: 10.3390/infrastructures4040069.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023)