Thermal and mechanical properties of lightweight concrete with waste copper slag as fine aggregate

The article presents the results of investigation of mechanical and thermal properties of lightweight concrete with waste copper slag as fine aggregate. The obtained results were compared with the results of concrete of the same composition in which natural fine aggregate (river sand) was used. The thermal properties tests carried out with the ISOMET 2114 device included determination of the following values: thermal conductivity coefficient, thermal volume capacity and thermal diffusivity. After determining the material density, the specific heat values were also calculated. The thermal parameters were determined in two states of water saturation: on fully saturated material and dried to constant mass at 65°C. Compressive strength, open porosity and bulk density are given as supplementary values. The results of the conducted research indicate that replacing sand with waste copper slag allows to obtain concrete of higher ecological values, with similar mechanical parameters and allowing to obtain significant energy savings in functioning of cubature structures made of it, due to a significantly lower value of thermal conductivity coefficient.

W badaniach opisanych w niniejszej pracy określono właściwości termiczne betonu lekkiego oraz jego właściwości mechaniczne (wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie). W części serii zamiast piasku jako kruszywo drobne zastosowano odpadowy żużel pomiedziowy, co umożliwiło określenie wpływu tego materiału na właściwości cieplne betonu lekkiego oraz ocenę, czy wpływ ten jest równie wyraźny jak w przypadku betonu zwykłego i ciężkiego. Zbadano również wpływ ilości użytego cementu (200 kg/m3 i 300 kg/m3) oraz stosunku woda/cement (0,50, 0,55 i 0,60). Wykonano łącznie dwanaście serii betonu. W sześciu z nich jako kruszywo drobne zastosowano piasek rzeczny, a w kolejnych sześciu zastąpiono go odpadowym żużlem pomiedziowym. Wymiany dokonano w stosunku masowym 1:1. Zastosowano cement portlandzki wieloskładniowy CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R. Kruszywo grube składało się z dwóch frakcji kruszywa lekkiego. Frakcją 4-8 mm był kruszywo Certyd, a frakcję 8-16 mm stanowił keramzyt. Całkowita ilość wody zastosowanej w recepturach uwzględniała chłonność kruszywa lekkiego, którą badano przed przygotowaniem receptur. Właściwości cieplne badano na próbkach o średnicy 150 mm i grubości ok. 25–30 mm. W celu zbadania właściwości betonu w dwóch różnych stanach granicznego nasycenia, część próbek przechowywano w wodzie do momentu przeprowadzenia badań, a pozostałą część umieszczono w suszarce w temperaturze 65°C do momentu osiągnięcia stabilnej masy. Wytrzymałość na ściskanie badano na kostkach 100 mm. Wpływ rodzaju zastosowanego kruszywa drobnego nie był w tym przypadku jednoznaczny, gdyż w przypadku połowy serii, wymiana piasku na odpadowy żużel pomiedziowy spowodowała wzrost wytrzymałości, a w przypadku pozostałych serii jej spadek. Określono również porowatość materiału. Analiza wyników wykazała, że zwiększa się ona wraz z ilością cementu w betonie i współczynnikiem w/c. Ponadto beton wykonany z wykorzystaniem odpadowego żużla pomiedziowego wykazuje nieco wyższą porowatość niż beton wykonany z wykorzystaniem piasku o tych samych pozostałych parametrach (stosunek w/c i ilość cementu). Właściwości cieplne zmierzono metodą niestacjonarną za pomocą urządzenia ISOMET 2114 wyposażonego w sondę powierzchniową. Uzyskane wartości właściwości cieplnych poddano analizie statystycznej. Ze względu na dużą ilość danych analizę ograniczono do jednoczynnikowej analizy wariancji (ANOVA). Ponieważ w przypadku każdego z rozpatrywanych wariantów analiza wykazała, że otrzymane różnice między seriami są istotne statystycznie, przeprowadzono następnie analizę post hoc. Niezależnie od wymienionych powyżej czynników różnicujących poszczególne serie analizie poddano również wartości otrzymane w przypadku próbek nasyconych wodą i wysuszonych do stałej masy. Wyniki badania współczynnika przewodności cieplnej wskazują na istotne różnice w wartościach tego parametru w zależności od nasycenia betonu. Próbki wysuszone charakteryzują się niższą wartością współczynnika przewodnictwa cieplnego. Większe zróżnicowanie tego parametru w zależności od poziomu nasycenia betonu wodą dało się zaobserwować w przypadku serii z wykorzystaniem piasku. W tej grupie nie ma również korelacji pomiędzy porowatością a zróżnicowaniem wyników uzyskanych na próbkach nasyconych i wysuszonych. Serie betonu wykonane z wykorzystaniem odpadowego żużla pomiedziowego wykazują korelację pomiędzy spadkiem przewodności cieplnej a porowatością. Korelacja ta jest jednak przeciwna od tej, jakiej należałoby się spodziewać. Wraz ze wzrostem porowatości zmniejsza się wpływ stanu nasycenia próbek.