Naukowiec z Politechniki Wrocławskiej znalazł sposób na ograniczenie zużycia cementu bez pogarszania trwałości i bezpieczeństwa konstrukcji. Pomóc mają w tym odpady z obróbki skał, które dziś zalegają na hałdach. Projekt rozwijany jest ze środków programu PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
Beton jest jednym z fundamentów współczesnej cywilizacji. Powstają z niego budynki mieszkalne, szkoły, hale, wiadukty czy elementy infrastruktury. Trudno wyobrazić sobie rozwój miast bez materiału, który można stosunkowo łatwo formować, produkować niemal na całym świecie i wykorzystywać w konstrukcjach mających służyć przez dziesięciolecia. Jednocześnie jego podstawowy składnik – cement – ma poważny ślad środowiskowy. Produkcja cementu odpowiada za około 8 proc. światowych emisji dwutlenku węgla. Zastąpienie go w całości innym materiałem nie jest dziś realistyczne. Można jednak próbować ograniczać jego udział w betonie.
Beton stosujemy od tysięcy lat i dzięki temu doskonale wiemy, jak zachowuje się w konstrukcjach. Dlatego nie chcemy rezygnować z niego za wszelką cenę. Szukamy sposobu, żeby używać cementu mniej, a przy tym zachować bezpieczeństwo i trwałość materiału – wskazuje dr inż. Adrian Chajec z Katedry Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych na Wydziale Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej.
Z hałd do betonu
Pomysł na rozwiązanie narodził się na styku kilku problemów. Pierwszym jest wysoka emisyjność cementu. Drugim – jego rosnące koszty. Trzecim – ogromne ilości odpadów powstających podczas wydobycia i obróbki skał naturalnych. To ostatnie szczególnie dobrze widać na Dolnym Śląsku, gdzie działa wiele kopalń i zakładów przetwarzających kamień. Podczas produkcji powstają drobne odpady mineralne, które trafiają na hałdy. Nie są obojętne dla otoczenia: mogą pylić, zajmują teren i stają się uciążliwe dla mieszkańców pobliskich miejscowości. Zespół z Politechniki Wrocławskiej postanowił sprawdzić, czy taki materiał zamiast składować, można wykorzystać
ponownie.
Żyjąc na Dolnym Śląsku, mamy ten problem właściwie przed oczami. Wokół kopalń skał naturalnych powstają hałdy odpadów, które potrafią bardzo mocno oddziaływać na otoczenie, między innymi przez zapylenie. Pomyśleliśmy więc: skoro z jednej strony przemysł betonowy chce ograniczać zużycie cementu, a z drugiej mamy ogromne ilości niewykorzystanego materiału, spróbujmy połączyć te dwa
problemy – tłumaczy dr inż. Adrian Chajec.
Kluczem okazała się technologia aktywacji proszku z wykorzystaniem CO2. W dużym uproszczeniu proces zaczyna się od pobrania drobnego odpadu mineralnego. Następnie w specjalnym reaktorze materiał poddawany jest działaniu dwutlenku węgla, który zostaje związany w postaci innych związków chemicznych, zaś sam proszek zmienia swoje właściwości. Tak przygotowany materiał można później dodać do mieszanki betonowej i dzięki temu ograniczyć ilość potrzebnego cementu.
Bierzemy materiał, który dziś jest odpadem i leży na hałdzie, a następnie wykorzystujemy CO₂, żeby zmienić jego właściwości. Po mineralizacji proszek staje się bardziej aktywny i może zastąpić część cementu w betonie. W pewnym sensie próbujemy więc wykorzystać jednocześnie dwa problemy, odpad i dwutlenek węgla, żeby stworzyć wartościowy materiał dla budownictwa – objaśnia kierownik projektu.
Ekologiczny i bezpieczny
W przypadku nowych materiałów budowlanych atrakcyjny pomysł nie wystarczy. Beton może być bardziej przyjazny środowisku, ale nadal musi spełniać podstawowe zadanie: zapewniać odpowiednią wytrzymałość i trwałość konstrukcji. To szczególnie istotne, ponieważ cement odpowiada za znaczną część właściwości mechanicznych betonu. Zastępowanie go przypadkowym wypełniaczem prowadziłoby do pogorszenia parametrów materiału. Dotychczasowe badania wskazują jednak, że mineralizowany odpad może zachowywać się inaczej.
Nie chodzi o to, żeby wsypać do betonu dowolny proszek i nazwać go ekologicznym. Zastępujemy materiał, który odpowiada za wytrzymałość konstrukcji, dlatego bezpieczeństwo jest absolutnie podstawowym warunkiem. Nasze badania pokazują, że po zastosowaniu mineralizowanego dodatku beton nie traci kluczowych właściwości mechanicznych. Sprawdzamy również jego trwałość, bo konstrukcja musi nie tylko wytrzymać obciążenie dzisiaj, ale bezpiecznie służyć przez wiele lat – podkreśla naukowiec.
Korzyść może być także ekonomiczna. Według obliczeń zespołu przygotowany w ten sposób materiał ma być wyraźnie tańszy od cementu. Badacze szacują również, że w przypadku niewielkiego producenta betonu inwestycja w technologię mogłaby zwrócić się w ciągu około dwóch lat. Połączenie argumentów środowiskowych i ekonomicznych sprawia, że projektem interesują się przedsiębiorcy.
Z kilku kilogramów – 20 ton
Największym wyzwaniem nie jest dziś jednak samo udowodnienie, że rozwiązanie działa. Naukowcy zrobili to już w laboratorium. Problem zaczyna się wtedy, gdy technologię trzeba przenieść z laboratoryjnego pojemnika do zakładu produkującego beton na skalę przemysłową. W laboratorium badacze mogą przygotować kilka lub kilkanaście kilogramów materiału. Dla producenta betonu taka ilość właściwie nie ma racji bytu. Zakład może potrzebować około 20 ton proszku tylko po to, by przeprowadzić pełnowymiarową próbę produkcyjną.
Kolejnym krokiem ma być budowa reaktora pozwalającego znacząco zwiększyć skalę mineralizacji odpadu. To także moment, w którym projekt przestaje być wyłącznie przedsięwzięciem naukowym. Trzeba odpowiedzieć na pytania o koszty inwestycji, sposób wdrożenia technologii w zakładzie, logistykę czy gotowość przedsiębiorcy do przeprowadzenia testów na linii produkcyjnej.
Naukowiec wychodzi z laboratorium
W tym procesie pomaga udział w programie PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, którego celem jest wsparcie badaczy w przechodzeniu od wyników badań do realnego zastosowania rynkowego. Zespół, którym kieruje dr Adrian Chajec, rozwija nie tylko samą technologię, ale również model jej wdrożenia i współpracy z przemysłem.
Dla naukowca moment, w którym trzeba wyjść z laboratorium i zacząć rozmawiać z firmami, jest
wyjściem ze strefy komfortu. PRIME pomaga nam spojrzeć na projekt właśnie z tej drugiej strony: nie
tylko zapytać, czy technologia działa, ale też czego potrzebuje przedsiębiorca, żeby zdecydować się ją
wdrożyć – przekonuje dr Chajec.
Jeśli jego rozwiązanie uda się przeskalować i wdrożyć, materiał zalegający dziś na hałdach może przestać być wyłącznie problemem odpadowym. Zamiast pylić w sąsiedztwie kamieniołomu, mógłby trafić do ściany domu, fundamentu hali czy elementu infrastruktury, zmniejszając przy tym ilość cementu potrzebnego do ich wykonania. Na realizację projektu Fundacja na rzecz Nauki Polskiej przeznaczyła blisko 314 tys. zł.
MK