Vulkaniniai pelenai betonui: savybės, taikymas ir tvarumo perspektyvos

Betonas, dirbtinis akmuo, yra naudojamas daugiau nei bet kuri kita žmogaus sukurta medžiaga pasaulyje. Nuo 2006 m. kasmet pagaminama apie 7,5 milijardo kubinių metrų betono - daugiau nei vienas kubinis metras kiekvienam Žemės gyventojui. Tačiau, norint pagaminti vieną toną tradicinio, populiariausio betono rišamosios medžiagos - portlandcemenčio, į aplinką išsiskiriama iki tonos anglies dioksido (CO₂). Skaičiuojama, kad bendrai pasaulyje cemento pramonė yra atsakinga už 7 proc. viso per metus išmetamo anglies dioksido kiekio, o tai visiškai nebetenkina griežtėjančių tvarumo ir aplinkosaugos reikalavimų.

Lietuvos mokslininkai jau prieš dešimtmetį pradėjo ieškoti būdų, kaip tradicinį portlandcementį pakeisti kitomis rišamosiomis medžiagomis ir taip sumažinti neigiamą poveikį aplinkai. KTU mokslininkams pavyko sukurti rišamųjų medžiagų, kurios ne tik prilygsta įprastam portlandcemenčiui, bet ir yra atsparesnės rūgštims, stabilios kilus gaisrui ir mažai kinta esant žemai temperatūrai.

Theoriškai galima panaudoti visas medžiagas, sudėtyje turinčias pakankamai reaktyvios formos silicio ir aliuminio junginių, tam tinka ir aukštakrosnių šlakas ar metakaolinas (medžiaga, gaunama modifikuojant molio mineralą kaolitiną). Tradiciškai šios medžiagos nekietėtų ir tokio betono stiprio nepavyktų pasiekti, bet dėl specialaus šarminio tirpalo jos pradeda tirpti ir ima rištis tarsi tradicinis cementas. Pagal mišinio sudėtį gali susidaryti geopolimerinė* arba šarmais aktyvuota gelinė medžiaga.

Šarmais aktyvuotas betonas yra kur kas atsparesnis ugnies bei rūgščių poveikiui. Šarmais aktyvuotas betonas gali pakeisti tradicinį betoną daugelyje statybos sričių. Tačiau galimybę naudoti šią medžiagą plačiau iš dalies stabdo susiformavęs įsitikinimas, kad medžiaga kietėja tik aukštesnėse temperatūrose, o tai apribotų šarmais aktyvuoto betono naudojimą tik gamyklose formuojamiems gaminiams. Iš tikrųjų tinkamai parinkus ir paruošus žaliavas bei aktyvatoriaus tirpalą medžiaga gerai kietėja ir mums įprastoje (apie 20 ºC) temperatūroje.

Tokių betonų gamyboje išvengiama ne tik didelio išsiskyrusio anglies dioksido kiekio, bet ir panaudojamos įvairios pramonės atliekos. Geopolimerai - neorganinių polimerų rūšis, susidaranti cheminės reakcijos metu tarp aliumosilikatinių pradmenų ir šarminio tirpalo. Terminą „geopolimeras“ 1978 metais sukūrė Josephas Davidovits. Nors terminas yra naujas, panašios medžiagos buvo kuriamos dar 1950-aisiais buvusioje Sovietų Sąjungoje. Geopolimerai dažniausiai pradedami aktyvuoti tirpalu, kuriame yra šarminių druskų, o kaip pradinės žaliavos dažnai pasirenkami pelenai, šlakas ir metakaolinas.

Siekiant pritaikyti vietines žaliavas ar naudoti utilizuojamas medžiagas, mokslininkai atlieka daugybę tyrimų, įvertinant naujos struktūros medžiagų savybes ir jų poveikį aplinkai. Stiklo bei metakaolino atliekų naudojimas betono gamyboje leidžia išspręsti atliekų utilizavimo ir aplinkos taršos problemas. VGTU mokslininkė, Statybinių medžiagų ir gaisrinės saugos katedros vedėja, profesorė dr. atlieka bandymus su pucolaninėmis medžiagomis. Viena jų - ceolitas - mineralas, priskiriamas karkasinės sandaros šarminių arba žemės šarminių metalų aliumosilikatų hidratams. Prieš milijonus metų gamtinės kilmės ceolitai susiformavo vulkaninių uolienų sluoksniuose. Tokios medžiagos gerai tirpsta šarminiuose tirpaluose.

Ceolitai gali būti ne tik gamtinės kilmės, bet ir dirbtinai sintetinti. Ceolitai - ekologiškai švari, inertinė ir netoksiška medžiaga, tinkama naudoti daugelyje pramonės, žemės ūkio, buities, gamtosaugos sričių. Pucolanai - purios arba silpnai susicementavusios magminės ir nuosėdinės uolienos, turinčios amorfinio silicio. Drėgnoje aplinkoje jos geba jungtis su kalcio hidroksidu ir sudaryti mažai tirpius kalcio hidrosilikatus. Dažniausi pucolanai: tufai, pelenai, vulkaninis stiklas, diatomitas, trepelis, trasas, pemza. Be gamtinių pucolanų, yra ir dirbtinai sintetināmų.

Profesorius dr. Vitoldas Vaitkevičius (KTU) kartu su kolegomis iš Lietuvos ir Latvijos atliko tyrimus, kurie analizuoja galimybę panaudoti atliekų šlaką ir karbonizacijos proceso metu susidariusius dirbtinius užpildus spausdintiems trimačiams (3D) betono kompozitams. Pagrindinis tikslas - sumažinti spausdintų 3D betoninių objektų CO2 išlakų kiekį, panaudojant milijonus tonų atliekų šlako, kaupiamų sąvartynuose. Atliekų deginimo metu išskiriama beveik ketvirtadaliu mažiau CO2 nei anaerobiškai yrant biologiškai skaidžiai atliekų daliai sąvartynuose. Tokia CO2 surinkimo technologija gali tapti svariu pranašumu tvarioje žiedinėje ekonomikoje.

Šiuo metu pasaulyje skaičiuojama apie 500 kogeneracinių elektrinių, įskaitant Kauno kogeneracinę jėgainę Lietuvoje, kurios iš atliekų generuoja energiją. Vienas iš būdų pašalinti šlaką galėtų būti jo naudojimas kaip papildomos cementinės medžiagos betone. Šlakas - kietojo kuro degimo liekana kūryklose, išsilydę ir į gabaliukus sukepę pelenai. Dirbtiniai užpildai buvo pagaminti iš granuliuotų ir karbonizuotų medžiagų, derinant portlandcemenčio rišiklį, hidratuotas kalkes, degintus skalūnų pelenus ir atliekų šlaką. Granuliavimo ir spausdinimo procesai buvo išanalizuoti tiriant jų kietėjimą, stiprumo rezultatatus ir fizikines bei mechanines savybes. 3D betono spaudiniai be granulių buvo lyginami su 3D spaudiniais, kuriuose 25 ir 50 proc. įprasto užpildo buvo pakeista karbonizuotomis granulėmis.

Biokuras ir pelenai: plėtrai būtini žaliojo energetikos iššūkiai. Biokurą sudaro organinės ir mineralinės medžiagos, degimo metu susidaro lakieji pelenai. Degant biokurui, vyksta oksidacijos reakcija, ir susidaro lakieji pelenai. Tyrimai rodo, kad pelenų naudojimas cementiniame betone gali pagerinti kai kurias savybes ir sumažinti betono gamybos sąnaudas. SiO2, CaO, MgO, K2O ir kiti cheminiai komponentai iš biokuro deginimo pelenų gali būti laikomi hidrauliniu priedu cemento mišinyje. Išbandyti betono mišiniai keičiant 0 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 % cemento biokuro deginimo pelenais. Pelenai padidina vandens sąnaudas, todėl reikalingos plastifikavimo priemonės. Didžiausias gniuždymo stipris gaunamas pakeitus 20 % cemento biokuro deginimo pelenais. Tokiu būdu galima gaminti geresnių stiprumo charakteristikų ir ilgesnio patvarumo betoną su plastifikuojamąja įmaiša, jame pakeitus iki 20 % cemento biokuro deginimo pelenais. Tokie tyrimai leidžia svariai sumažinti CO2 išmetimus ir prisideda prie atliekų panaudojimo betono gamyboje.

Vulkaniniai pelenai: paprastai yra kieta uoliena ir stiklas, susidaro išsiveržimo metu, kai magma suskyla į smulkias daleles. Vulkaninės pelenų dalelės gali būti labai smulkios, o vėjo jėga jas gali nunešti šimtus ar tūkstančius kilometrų. Pelenai gali padengti žemę pilkos dulksnos sluoksniu, kliudyti kvėpavimui, tačiau kartu jie yra svarbus atskaitos pavyzdys, kaip gamyboje gali būti įtraukti natūralūs šaltiniai į tvarią statybą.

Vulkaniniai pelenai gali būti naudingi betonui kaip papildoma rišamoji medžiaga, kai juos derina su šarminiais tirpalais ir kitomis žaliavomis. Ceolitai ir pucolanonai suteikia galimybių naudoti atliekas ar natūralius mineralus, sumažinant CO2 pėdsaką ir skatindami žiedinę ekonomišką aplinką. Pramonėje svarbu įtraukti šias žaliavas kaip alternatyvą tradiciniam portlandcementiui, skatinti naujus standartų ir deklaracijų reikalavimus, siekiant užtikrinti aplinkosaugos tikslų įgyvendinimą.

Inhus įmonė Lietuvoje jau pradėjo gaminti gelžbetonines plokštes iš modifikuoto betono ir atlieka žaliavų tiekėjų vertinimą, siekdama sumažinti CO2 išmetimus. Struktūriniais sprendimais ieškoma hibridinių konstrukcijų, kur dalis betono keičiama medienos ar kitais organinės kilmės elementais, taip sumažinant CO2 emisiją. Tokie sprendimai atveria galimybes plėsti taikymą didelio masto projektuose, o šlako ir mikroužpildų panaudojimas - dvejone lygyje: sumažinti cemento kiekį ir pagerinti betono savybes.

Trumpas atsakymas: Vulkaniniai pelenai yra maži, nelygūs uolienų ir mineralų gabalėliai, išmetami į orą vulkano išsiveržimo metu. Jie gali būti naudojami kaip aktyviosios medžiagos betono gamyboje, kai derinami su geopolimerais ar šarmais, sumažinant CO2 emisijas ir skatinti tvarų statybos procesą.

Taikymo vietos ir praktiniai aspektai

Naujosios technologijos leidžia taikyti šarminiai aktyvuotą betono mišinius įvairiose statybų srityse: mažos ir didelės statybos, pramoniniai pastatai, požeminės erdvės, tiltai ir pan. Svarbu ne tik atsisakyti didelio portlandcemenčio kiekio, bet ir integruoti pramonės atliekas kaip užpildus bei papildomas rišamąsias medžiagas. Tokiu būdu sumažėja CO2 emisijos, gerėja atsparumas rūgštims, o sudėtingų projektų metu pasiekiami pranašumai dėl naujų standarto reikalavimų.

Europos Sąjungoje vykdomos naujos gairės dėl produkto deklaravimo aplinkosaugos klausimams (EPD) ir darniųjų standartų kūrimas, kur keliamas tikslas užtikrinti, kad naudojamos medžiagos atitiktų aplinkosaugos charakteristikas. Tai skatina gamintojus pereiti prie žiedinės ekonomikos sprendimų, įskaitant šlako ir mikroužpildų naudojimą betonui, hibridines konstrukcijas ir mišrius sprendimus su mediena ar kitomis organinės kilmės medžiagomis.

Kaip matyti, vulkaniniai pelenai ir susijusios medžiagos turi daug potencialo, kai kalbama apie aplinkosaugą ir tvarumą statybose. Jie gali būti naudojami kaip papildomos savybės suteikiantys komponentai, leidžiantys sumažinti cemento poreikį, pagerinti ilgaamžiškumą, sumažinti energijos suvartojimą ir skatinti atliekų utilizaciją.

Trendų žemėlapis ir praktiniai pavyzdžiai Lietuvoje

• Inhus: gelžbetoninių plokščių gamyba iš modifikuoto betono, žaliavų tiekėjų vertinimas siekiant mažinti CO2 pėdsaką.
• 3D betonui taikomi šlako ir mikroužpildai - siekiama sumažinti cemento naudojimą ir CO2 emisijas.
• Biokuro deginimo pelenų panaudojimas betonui: teikia galimybes didinti stiprumą ir mažinti vandens suvartojimą, kai naudojamas su plastifikatoriais.
• Geopolimerai ir ceolitai plėtoja naujus abiųjų medžiagų derinius, siekiant sumažinti kietėjimo sąlygas ir pagerinti atsparumą agresyvios aplinkos poveikiui.

Genamos gairės dėl naujų statybos reglamentų ir aplinkosauginių savybių deklaravimo reikalavimų skatins tolesnį geopolimerų ir hibridinių sprendimų plėtimą. EUROpos Komisija siekia, kad iki 2029 m. statinių gyvavimo ciklo modeliavimas būtų įtrauktas į vertinimą, o 2024 m. įvyko rengimas metodikos, kaip skaičiuoti privalomą organinių medžiagų kiekį visuomeninės paskirties pastatuose. Tokiu būdu plėtojami tvarūs sprendimai įmonėms ir statyboms - nuo žaliavų parinkimo iki galutinio produkto deklaravimo.

tags: #vulkaniniai #pelenai #betonui