STRESZCZENIE

Streszczenie
STRESZCZENIE
Zbadano właściwości urobku skalnego z wierceń w formacjach łupkowych pod kątem
wykorzystania ich w masie zarobowej kruszywa lekkiego. Analizowano przemiany zachodzące
podczas spiekania w temperaturze 1200°C, źródła powstawania fazy gazowej i wiążącej się z nią
strukturą porowatą, wpływającą na jakość produktu gotowego.
Punktem
odniesienia
były
technologie
produkcji
popiołowych
kruszyw
lekkich
poddawanych obróbce termicznej na taśmie spiekalniczej materiału zgranulowanego zawiesiną
wodną zawierającą 2% masowych bentonitu. Proponowane rozwiązanie wytwarzania kruszywa
obejmowało możliwość modyfikacji wspomnianych technologii przez zastosowanie zwiercin
łupkowych, wpływających na proces pęcznienia i kształtowanie szkieletu spieków.
Przegląd literatury przedmiotu wykazał, że nie przeprowadzono dotąd badań dotyczących
wpływu domieszkowania mieszanek zarobowych organiczno-mineralnymi zwiercinami
pochodzenia sedymentacyjnego. Istniejące publikacje wskazują na możliwości zastosowania
różnego
typu
materiałów
wtórnych
do
produkcji
sztucznych
kruszyw
lekkich.
Nie przeprowadzono jednak systematycznych badań aplikacyjności do mas zarobowych
odpadów z poszukiwań węglowodorów niekonwencjonalnych, w tym zlokalizowanych na
terenie Polski. Brak danych dotyczących możliwości wykorzystania zwiercin łupkowych
spowodował chęć zbadania tej tematyki. Zauważono, iż skład chemiczno-mineralny łupków
gazonośnych jest kompatybilny z surowcami do produkcji kruszyw lekkich. Ponadto, mając na
uwadze niesprawność metod zagospodarowania odpadów powiertnicznych z poszukiwań
węglowodorów ze złóż niekonwencjonalnych, z punktu widzenia ekonomicznego (reiniekcja,
desorpcja termiczna), zużycia energii (spalanie), długiego czasu rozkładu pozostałości
organicznych (bioremediacja, fitoremediacja) lub odchyleń od założeń racjonalnej gospodarki
odpadami
(składowanie
w
górotworze),
proponowane
dotychczas
metody
zagospodarowywanie traktowano jako mało atrakcyjne. Wykorzystanie zwiercin łupkowych
pokrywa się z aspektami zagospodarowania materiałów wtórnych oraz stanowi przyjazne
środowisku uzupełnienie rozwiązań przy adaptowanej w Polsce technologii pozyskiwania gazu
z łupków.
Zrealizowane w ramach dysertacji badania dowiodły, że dodatek zwiercin zamiennie
do bentonitu pozwala na uzyskanie kruszyw typu lekkiego zgodnego z wymaganiami normy
dla tego typu materiałów. Wykonane aglomeraty charakteryzowały się gęstością nasypową
w stanie luźnym i pozorną, odpowiednio na poziomie 600–630 kg/m3 i 1272–1442 kg/m3,
podczas gdy kruszywa produkowane komercyjnie osiągają gęstości nasypowe w przedziale
600–900 kg/m3 a gęstości pozorne 1350–1650 kg/m3. Przy wykazanych właściwościach
Streszczenie
wytrzymałość aglomeratów spełniała założenia implantacji do receptur lekkich betonów
wysokich klas i innych systemów budowlanych, drenujących, izolacyjnych (4,4 ± 0,5 N/mm2).
Nasiąkliwość aglomeratów była niższa (8 ± 3%) względem nasiąkliwości kruszywa
produkowanego komercyjnie (22 ± 4%). Jednakże, wraz ze spadkiem nasiąkliwości, wzrosła
porowatość nadając aglomeratom zdolności grawitacyjnego przepływu wody i dyfuzyjność pary
wodnej. W związku z tym najwłaściwszym wykorzystaniem kruszywa zawierającego zwierciny
łupkowe jest produkcja prefabrykatów budowlanych narażanych na ekspozycję środowiskową.
Maleją przy tym możliwość aplikacyjne jako media filtracyjne, drenujące i adsorpcyjne.
Aglomeraty kruszywa zawierające zwierciny wykazywały się bardziej rozwiniętą
nieregularną siatką połączonych ze sobą przestrzeni różnych rozmiarów i kształtów, korzystnie
wpływających na zmniejszenie gęstości pozornej materiału. Ponadto posiadały zeszkliwioną
powierzchnię, pożądaną dla kruszyw budowlanych, z zauważalnie większymi porami
zamkniętymi w warstwie zewnętrznej w porównaniu do warstwy wewnętrznej oraz z widoczną
granicą między otoczką fazy szklistej a wnętrzem. Dodatek zwiercin łupkowych skutkował
wytworzeniem zwitryfikowanej, nieprzepuszczalnej zewnętrznej warstwy, co zbliża uzyskane
aglomeraty kruszywa do kruszyw typu keramzytowego. Tendencję do tworzenia fazy ciekłej w
trakcie spiekania potwierdzono znaczną ilością topników (14,7–22,6% mas.) oraz składem
porównywalnym z surowcami pęczniejącymi.
Osiągnięte parametry kruszywa mogą stanowić podstawę do projektowania betonów
lekkich i konstrukcji betonowych. Rezultaty badań stwarzają także możliwość podjęcia prób
produkcji lekkiego kruszywa w skali wielkogabarytowej. Oceniając efektywność rozważania nad
zagospodarowaniem zwiercin łupkowych jako komponentu do produkcji kruszyw lekkich,
należy wziąć pod uwagę, że rozwiązanie to opiera się na całkowitym wykorzystaniu materiałów
odpadowych, będąc metodą sprzyjającą wykorzystaniu i unieszkodliwianiu odpadów,
przy korzyściach gospodarczych i społecznych.
Streszczenie
ABSTRACT
The aim of this research was to evaluate application of the rock materials from drilling
in shale formations for the lightweight aggregates manufacturing (LWA). Particularly, the phase
transitions occurring under sintering at 1200°C as well as sources of the gas phase forming
the porous structure, affect the final product quality.
The research reference point was fly ash-based lightweight aggregates technologies, which
include sintering of the granulated stock at a sinter strand with an aqueous bentonite
suspension containing 2% by mass.
Literature review, including patents, hasn’t revealed details about an effect of addiction into
input stock of LWA organic-mineral materials such as sedimentary origin shale cuttings. Existing
publications indicated applicability of different types of secondary materials as possible
substrates for artificial lightweight aggregates manufacturing. However, there is still
no systematically investigated data about reusal of wastes from the exploration of
unconventional hydrocarbons, including Polish shale deposits. The current state of knowledge
concerning the possibilities of using shale drill cuttings as a component, has encouraged to
explore the subject. It was noticed that both chemical and mineral compositions of hydrocarbon
shale drill cuttings were compatible with the raw materials for LWA production. Moreover,
management methods of drill wastes from unconventional hydrocarbon exploration hasn’t
already consisted deep thermal treatment. Proposed methods seem to be unattractive regarding
both economic (reinjection, thermal desorption) and energy - intensive (incineration) issues as
well as time consuming periods of organic residues decomposition (bioremediation,
phytoremediation) or incompatible assumptions with rational waste management requirements
(ground storage).
The research realized within the dissertation has shown that the addition of shale cuttings
as an alternative to bentonite allows to obtain light aggregates compatible with the standards.
Obtained agglomerates loose bulk density and apparent specific density were 600–630 kg/m3
and 1272–1442 kg/m3, respectively. While the commercially produced aggregate achieved loose
bulk density in the range 600–900 kg/m3 and the apparent densities at 1350–1650 kg/m3. The
positive properties of aggregates included the mechanical strength (4.4 ± 0.5 N/mm 2), which
follows the principles in light high-grades concrete recipes implantation and other building
systems as well as draining and insulation materials.
Water absorption of obtained agglomerates was lower (8 ± 3%) than commercially produced
aggregates (22 ± 4%). Furthermore, with the increasing porosity water absorption decreased,
allowing the gravitational water flow capacity and vapor diffusion. Therefore, the preferred
commercial implementation of aggregates containing shale cuttings is prefabrication of
Streszczenie
construction materials exposed to environmental exhibition, meanwhile with reduced
properties for application as filter, drainage and adsorption media.
The aggregates containing shale cuttings showed developed network of interconnected and
irregular pores varying in size and shape. The internal structure behavior corresponds with
the reduction in apparent density rates. The external surfaces were glassy, that is desirable for
road-building materials, with noticeably larger pores comparing to the internal layer and visible
boundary between layers. Moreover, the external vitrified layers resulted in water
resistance/impermeability of outer layer that complied with properties of ceramsite type LWAs.
The significant amount of fluxing elements and chemical composition explained the bloating
behavior of shale rock material that also reflected the tendency of liquid phase formation,
comparable to bloating raw materials.
The achieved characteristics of given aggregates parameters represents background
for designing a lightweight concrete and concrete structures. Furthermore, the results were
employed for a trial to produce LWA in an industrial scale. Assessing the effectiveness
of deliberations on management potential of shale cuttings as a component for the production of
LWAs, complete utilization of mineral origin drilling waste materials should be considered,
which is therefore an economically and socially favorable way of utilization and waste disposal.