Badanie możliwości wykorzystania odpadowych ceramicznych izolatorów elektrycznych jako recyklingowego kruszywa do betonów

Wynikiem modernizacji sieci elektrycznych jest powstawanie odpadów, z których nie wszystkie podlegają skutecznym sposobom recyklingu. Ceramiczne izolatory elektryczne są przykładem takiej materii. Ze względu na materiał wykonania są: trwałe, niebiodegradowalne oraz nie poddają się procesowi włączenia odpadu w produkcję nowych wyrobów.

Ceramiczne izolatory elektryczne jako materia odpadowa

Od początków elektryfikacji Polski na wielką skalę minęło już kilkadziesiąt lat. Od tego czasu sieci energetyczne są wymieniane oraz modernizowane. W związku z wieloma okolicznościami jak np. dostosowaniem sieci do nowych wymagań, proces ten będzie trwał jeszcze przez długie lata. Wynikiem unowocześniania sieci energetycznych oraz wymiany jego składowych na nowe jest powstawanie materii odpadowej. Pomimo wysoko rozwiniętego sys­temu recyklingu, który doskonale przetwarza takie materiały jak: metale, beton, żelbet - materiały ceramiczne stanowią wciąż kłopotliwy odpad. W zagadnieniach energetycznych dotyczy to głównie ceramicznych izolatorów elektrycznych.

Ceramiczne izolatory elektryczne to elementy stosowane w elektroenergetyce do podtrzymywania i izolowania elementów przewodzących [8, 13]. Izolatory mogą mieć budowę pełną - nazywa się je wtedy pełnopniowymi, mogą też mieć przestrzeń pustą we wnętrzu - tzw. pustopniowe. Ze względu na miejsce zastosowania izolatory dzieli się na: liniowo, stojące, wsporcze, kołpakowe, odciągowe itp.

Pomimo tego, że głównym zadaniem izolatorów elektrycznych jest izolowanie - należy pamiętać, że pobocznie pełnią funkcję przenoszenia siły, powstałej od wiszących przewodów. Izolatory oprócz przenoszenia siły naciągu muszą przenosić również obcią­żenia poboczne, takie jak dodatkowo obciążenie: wiatrem, szadzią lub lodem. W związku z tym użyte do ich produkcji materiały muszą spełniać wysokie parametry wytrzymałościowe. Ze względu na to, że izolatory elektryczne w liniach napowietrznych funkcjonują stale w warunkach oddziaływań czynników środowiskowych, takich jak: zawilgocenie, procesy zamarzania i rozmarzania, materiał z którego są one wykonywane, poza wymienionymi cechami, musi być również odporny na te niekorzystne czynniki. Pomimo tego, że w technologii produkcji izolatorów' elektrycznych pojawiają się nowoczesne materiały, takie jak: kompozyty żywiczne czy kauczuki sylikonowe, które również spełniają stawiane im wymagania - największy procent wciąż produkowanych izolatorów oraz największa wiążąca się z tym liczba odpadowych izolatorów' elektrycznych wytworzona jest z materii ceramicznej.

Ceramika - cechy materiałów ceramicznych

Termin „ceramika'' [7,15] pochodzi od greckiego keramos - glina i terminem tym określa się wszystkie wyroby, które powstają z tego surowca. Produkcja wyrobów ceramicznych jest jednym z najstarszych, znanych człowiekowi rzemiosł. Według badań i odkryć archeologicznych początki produkcji wyrobów sięgają okresu sprzed 15 000 lat przed naszą erą i swoim wiekiem ustępują jedynie wyrobom z kamienia łupanego.

Glina [2, 5, 15], która jest ilastą skałą osadowy - ze względu na różnorodność materiałów' w chodzących w jej skład - przybiera szeroką gamę postaci mających odzwierciedlenie w jej różnych właściwościach. Różne składy mineralogiczne, stany skupienia, barwy dają szeroką możliwość klasyfikacji. Podstawowym podziałem glin pod względem wykorzystania ich do produkcji wyrobów jest podział na:

• gliny pospolite - o zabarwieniu od brązowego do żółtego, stoso­wane szeroko do produkcji wyrobów budowlanych takich jak: ce­gły, pustaki ścienne, stropowe, kształtki kominowa, dachówki,
• gliny szlachetne - o zabarwieniu białym, służące do produkcji wyrobów porcelanowych lub porcelanopodobnych, z których wytwarza się m.in. ceramiczne izolatory elektryczne.

Przykładowy skład surowcowy wykorzystywany do produkcji ceramiki technicznej, z której wykonywane są izolatory elektryczne przedstawiono w tab. I.

TABELA I. Przykładowy skład surowcowy wykorzystywany do produkcji izolatorów elektrycznych [1]:

Proces produkcyjny ceramicznych izolatorów elektrycznych nie różni się od procesów produkcji innych wyrobów ceramicznych. Składa się na niego kilka etapów, w efekcie których materiał ceramiczny otrzymuje swoje niecodzienne cechy. Pierwszym etapem produkcji jest przygotowanie ze zmielonych składników masy, z których izolatory są formowane. Kolejny etap to etap podsuszania, w którym to na elementy oddziaływuje się temperaturą ok. 45°C, dzięki czemu składniki przechodzą w stały stan skupienia, a wyrób otrzymuje swój finalny kształt. Po procesie tym następuje szkliwienie, tj. pokrywanie elementów cienką warstwą szkliwa. Procesem - ostatnim decydującym o nadaniu wyrobom ostatecznych cech - jest etap wypalania. Prowadzony jest on w temperaturze ok. 1280°C i podczas niego zachodzą ostateczne procesy powstawania wiązań ceramicznych. Dzięki nim materia ceramiczna ma wysokie parametry wytrzymałościowe sięgające do nawet 400 MPa wytrzymałości na ściskanie. Wybrane cechy materiałów ceramicznych, z których produkowane są izolatory elektryczne przedstawiono w tab. II [1].

TABELA II. Wybrane cechy materiałów ceramicznych, z których produkowane są izolatory elektryczne:

Użycie odpadowej materii ceramicznej do betonów

Wykorzystanie odpadów ceramiki jako modyfikatora oraz dodatku do betonu sięga czasów starożytnych. W starożytnym Rzymie do przygotowania mieszanki betonowej używano głównie mieszaniny piasku i drobnych kamieni z zaprawą wapienną lub przy użyciu naturalnej pucolany pochodzącej z popiołów wulkanicznych. W okolicach odległych od skał wapiennych oraz wulkanów jako spoiwo wykorzystywano zużyte, drobno zmielone dachówki. Współcześnie kruszywo pochodzące z rozkruszonych elementów budowlanych zaczęto ponownie używać do produkcji betonów po II wojnie światowej w związku z dużą ilością materiału rozbiórko­wego po zniszczeniach wojennych. Zastosowanie cegieł ceramicznych do betonu regulowane było normą niemiecką z roku 1951 DIN 4163: Beton ze skruszonymi cegłami - specyfikacja produkcji i użycia [12], Obecnie prowadzone prace badawcze nad zastosowaniem ceramiki do betonów w przypadku ceramiki czerwonej koncentrują się głównie na efekcie ekologicznym [3, 14], Wyniki prowadzonych badań dowodzą, że tego typu dodatek niezależnie od formy, w jakiej go wprowadzono do mieszanki betonowej (proszek lub kruszywo) zasadniczo pogarsza cechy wytrzymałościowe betonu. Materiał ceramiczny ceramiki czerwonej ma stosunkowo dużą porowatość i nasiąkliwość, co znacznie różni go od ceramiki szlachetnej białej. Parametry wytrzymałościowe tego materiału są również niskie.

Znacznie inne wyniki badań przedstawiają prace prowadzone na betonach, do wytworzenia których używano ceramiki szlachetnej - białej. Ten typ materiału, który pozyskuje się z odpadowych elementów ceramiki sanitarnej lub technicznej (np. izolatory elektryczne) ma cechy korzystnie wpływające na beton. Betony otrzymywane z udziałem rozkruszonych odpadów mają często znacznie wyższe parametry wytrzymałościowe niż te, które otrzymywano na bazie kruszyw tradycyjnych [4, 8, 9], Wyniki pokazują, że im większy dodatek kruszywa ceramicznego, tym parametry wytrzymałościowe betonów są wyższe. Interesujące cechy betonów wytworzonych z udziałem kruszywa ze stłuczki sanitarnej, której skład zbliżony jest do składu ceramicznych izolatorów elektrycznych przedstawiono w [8]. Autorzy badań, aby nadać sens ekonomiczny prowadzonych prac, szukają zastosowań specjalnych tego typu betonów. Wyniki badań pokazują, że tego typu betony można z powodzeniem stosować w warunkach, gdzie betony są narażone na wysokie temperatury lub w miejscach gdzie jest wymagana wysoka odporność na ścieranie. Pomimo tego, że nie ma przeprowadzonych kompleksowych eksperymentalnych prac badawczych prowadzonych na elementach wykonanych z betonów przygotowanych z użyciem recyklingowych kruszyw ceramiki szlachetnej, ten kierunek upatruje się jako możliwy do wdrożenia do przemysłu.

LITERATURA

[1] Awgustinik A.J. 1980. „Ceramika”. Warszawa: Arkady.

[2] Bieriensztejn P.I. 1968. Intensifikacija obszyga izdielij stroitielnoj kieramiki, Tiechn. Informacija CNII TESTROM MPSM.

[3] Dc Brito A., Pereira J., Corrcia R., 01ivicra C, 2005. Mechanical behavior of non-structural concrete made with recycled ceramic aggregates. Cement and Concrele Composites 27,429-433.

[4] Guerra I., Vivar I., Liamas B., Juan A., Moran J. 2009. Eco-efficient concretes: The effect of using recycled ceramic materiał from sanitary installations on the mechanical properties of concrete Waste management 29, 643-646.

[5] Haase T. 1961. Keramik 2 Aufl. VEB Deutseh. Leipzig: Verlag fur Grundstoffindustrie.

[6] Halicka A., Ogrodnik P.. Zegardło B. 2013. Using ceramic sanitary ware waste as concrete aggregate. Construction and Building Material, 48, 295-305.

[7] Jamrozy Z. 2006. Beton i jego technologie. Warszawa: PWN.

[8] Kielski A. 1997. Ogólna technologia ceramiki. Skrypty uczelniane. Koszalin: Poli­technika Koszlińska.

[9] Lopez V., Liamas B„ Juan A., Moran J., 2007. Eco-elTicienl Concretes: Impact of the Use of White Ceramic Powder on the Mcchanical Properties of Concrete. Biosystems Engineering, 96 (4), 559-564.

[10] Maksymiuk J. 1997. Aparaty elektryczne w pytaniach i odpowiedziach. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 88-95.

[11] Neville A.M. 2012. Właściwości betonu. Polski Cement.

[12] Niemiecka norma budowlana 1951 r. - DIN 4163: „Beton ze skruszonymi cegłami - specyfikacja produkcji i użycia”.

[13] PN-IEC 60050-151:2003 Międzynarodowy słownik terminologiczny elektryki - Część 151: Urządzenia elektryczne i magnetyczne.

[14] Senthamarai R.M., Devadas M., Manoharan P., Gobinath D. 2011. Concrete madę from ceramic industry waste: Durability propertis. Construction and Building Ma­terials, 25,2413-2419.

[15] Węgrowski W., Przezdziecka K. 1979. Szkło i ceramika. Warszawa: Państwowe Zakłady Wydawnictw Szkolnych.