wimic agh

Ogół cech fizykochemicznych betonu, związany ze specyficznymi właściwościami produktów hydratacji cementu (podstawowego składnika betonu) oraz technologia produkcji betonu stanowią w głównej mierze o tym, że jest on jednym z najlepszych środowisk do skutecznego deponowania niebezpiecznych odpadów przemysłowych w tym tych, które zawierają metale ciężkie.

 

Za właściwości immobilizacyjne zaczynów cementowych (a co za tym idzie również tworzyw z nich powstających tj. zapraw i betonów) odpowiadają uwodnione krzemiany wapniowe a w szczególności faza C-S-H. 

Budowę przestrzenną fazy C-S-H najlepiej przybliża model Feldmana. Przedstawia on folie o grubości od 1 do 2 nm, które w obrazie mikroskopowym są zazwyczaj zdeformowane (zwinięte, pomarszczone), oraz połączone w twory wielowarstwowe (rys. 1). 

Rys. 1. Budowa folii fazy C-S-H według modelu Feldmana. 

Faza C-S-H ma ogromną powierzchnię właściwą wynoszącą około 200-400 m2/g, wynikającą z obecności licznych luk (porów) pomiędzy poszczególnymi jej cząsteczkami połączonymi siłami Van der Waals’a. 

Integralną częścią struktury fazy C-S-H są pory żelowe o wymiarach do 3 nm i pory kapilarne o wymiarach od 3 do 100 µm, z tym że największy udział mają pory mniejsze od 100 nm (0,1 µm). Porowatość fazy C-S-H jest ściśle związana z obecnością w niej wody, ponieważ nadmiar wody po utworzeniu produktów hydratacji jest zatrzymywany w porach. 

Faza C-S-H pozostaje w równowadze z zawartą w porach fazą ciekłą i w zależności od stężenia wodorotlenku wapnia w tej fazie oddaje lub pobiera z niej jony Ca2+. Wysoka (>12,4) wartość pH cieczy obecnej w porach sprzyja wytrącaniu wodorotlenków i innych nierozpuszczalnych związków metali ciężkich. 

Zdolność do zatrzymywania przez fazę C-S-H materiałów szkodliwych jest wyznaczona przez:

• fizyczną integralność matrycy C-S-H stwarzającą barierę utrudniającą wydostawanie się „uwięzionych” substancji na zewnątrz,

• tzw. potencjał mobilizacyjny – pojęcie wprowadzone przez Glassera dla określenia stabilizacji chemicznej poprzez sorpcję i wytrącanie produktów reakcji przebiegającej pomiędzy odpadem a zaczynem,

• zdolność inkorporacji obcych elementów do struktury. 

Aby w pełni uzmysłowić sobie skalę zjawiska immobilizacji metali ciężkich w betonie należy przyjrzeć się w jakim stopniu poszczególne z nich są unieczynniane przez fazę C-S-H. Cynk, ołów i kadm ulegają prawie całkowitej immobilizacji przez fazę C-S-H. Ich stopień immobilizacji przekracza na ogół 99,99%. Również chrom Cr(III) ulega immobilizacji na zbliżonym poziomie. Natomiast Cr(VI) immobilizowany jest przez produkty hydratacji faz glinianowych i wykazuje niższy stopień immobilizacji, jednak przekraczający z reguły 98%. 

Pamiętać należy o tym, że wprowadzenie do zaczynu cementowego metali ciężkich zaburza nie tylko strukturę fazy C-S-H ale również jego właściwości fizyczne takie jak czas wiązania, czy dynamika prostu wytrzymałości. Na zdjęciach poniżej przedstawiono modyfikacje jakim uległa faza C-S-H w którą wbudowały się metale ciężkie. 

Rys. 2. Mikrostruktura zaczynu cementowego bez dodatku metali ciężkich. Widoczna zwarta, jednolita faza C-S-H. 

Rys. 3. Mikrostruktura produktów hydratacji cementu z dodatkiem 2% PbO. Na zdjęciu widoczna są granulki fazy C-S-H (mikroobszary 1) o postaci zbitego żelu; na powierzchni i w porach fazy C-S-H wykrystalizowały śladowe ilości PbSO4 - najmniej rozpuszczalnej soli ołowiu (mikroobszary 2). 

Więcej na temat immobilizacji metali ciężkich w zaczynach ze spoiw mineralnych znajdziecie w publikacjach: 

1. W. Nocuń-Wczelik, J. Małolepszy “Studies on immobilization of heavy metals in cement paste – C-S-H Leaching behavior” 10th ICCC vol.4 4iv043 Goeteborg 1997.

2. F.P. Glasser „Immobilisation Potential of cementious Materials”, WASCON 1994.

3. W. Nocuń-Wczelik, J. Małolepszy - Application of Calorimetry in the Studies of Heavy Metals Immobilization in Cementitious Materials - Thermochimica Acta - 269/270, 1995, s.613-619. 

4. M. Gawlicki, A. Bobrowski, J. Spyrka ,,Immobilizacja metali ciężkich w zaczynach cementowych”, Polski Biuletyn Ceramiczny, Ceramika 46, 1994.

5. J. Deja “Immobilization of Cr6+, Cd2+, Zn2+ and Pb2+ in alkali – activated slag binders”, Cement and Concrete Research vol. 32 (2002) p. 1971-1979. 

6. W. Nocuń-Wczelik, G. Łój „Mechanism of PbO and ZnO interaction with cement paste” 11th ICCC, Durban 2003. 

7. B. Kopia, J. Małolepszy „Metody badań immobilizacji metali ciężkich w materiałach budowlanych”, Cement Wapno Gips 5/1994. 

Patent: 

1. J. Małolepszy, J. Deja, W. Brylicki i współautorzy; Sposób wiązania metali ciężkich z odpadów przemysłowych; PL-177443 z dnia 02.10.1995r.