Zaawansowana technicznie analiza pozwala na uzyskanie przełomowego spoiwa do betonu
Cement jest stosowany przede wszystkim jako spoiwo w betonie, który obok wody jest najczęściej używanym materiałem na świecie. Jest on dosłownie podporą naszego codziennego życia. Jednak jego produkcja pochłania ogromne ilości energii i zasobów naturalnych, a do tego generuje do 8 %(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wszystkich światowych emisji. Dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie” w ramach projektu GeoDust(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracowano sposób produkcji alternatywnego betonu z wykorzystaniem odpadowego produktu ubocznego z produkcji cementu, przy jednoczesnym obniżeniu zapotrzebowania na cement i emisji związanych z produkcją.
Pył z obejścia pieca cementowego jako alkaliczny aktywator nowego spoiwa do betonu
Cement portlandzki, najczęściej używany rodzaj cementu na świecie, jest wytwarzany przez nagrzewanie surowców do temperatury powyżej 1 400 °C. Część gazów z pieca jest usuwana przez obejście, aby przedłużyć żywotność pieca i zwiększyć jakość produktu. Po schłodzeniu pozostaje pył z obejścia pieca cementowego (ang. cement kiln bypass dust, CBPD). CBPD zawiera metale alkaliczne, w szczególności chlorek potasu, co czyni go potencjalnym „aktywatorem” materiałów aktywowanych alkaliami. Materiały te, zwane również geopolimerami, nie są niczym nowym. Powstają one zazwyczaj z przemysłowych produktów ubocznych (prekursorów), a ich wykorzystanie do produkcji materiału cementopodobnego było w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat przedmiotem intensywnych badań. Jednakże, biorąc pod uwagę mnogość prekursorów, aktywatorów, dawek i warunków utwardzania, które można zastosować, wynikający z tego szeroki zakres właściwości produktu nie został dobrze scharakteryzowany.
Charakterystyka łańcucha od CBPD po beton: od mikrostruktury po właściwości makroskopowe
Do scharakteryzowania złożoności CBPD zespół wykorzystał zaawansowane technologicznie podejścia. Na przykład skaningowa mikroskopia elektronowa pozwoliła na poznanie wielkości cząstek, ich kształtu i składu chemicznego (poprzez oznaczenie kolorystyczne według pierwiastka chemicznego). Zmienność składu CBPD z tej samej cementowni w poszczególnych dniach była większa niż oczekiwano, co skutkowało znaczną zmiennością właściwości spoiwa. Jednym z powodów, dla których zespół zdecydował się na zbadanie CBPD, był jego przypuszczalny potencjał do zminimalizowania dużego skurczu materiałów aktywowanych alkaliami. Naukowcy z zaskoczeniem odkryli, jak duża jest czułość zmian objętościowych na dawkę CBPD i warunki utwardzania. W niektórych przypadkach rozszerzał się on tak, że niszczył beton. „Projekt GeoDust pozwolił nam zrozumieć rolę CBPD w aktywowanych alkaliami spoiwach żużlowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Poznaliśmy różne szczegóły zjawiska, od reakcji chemicznych i mikrostruktury po makroskopowe parametry otrzymanego betonu”, wyjaśnia Vlastimil Bílek z Uniwersytetu Technologicznego w Brnie(odnośnik otworzy się w nowym oknie), będącego koordynatorem projektu. Doprowadziło to do pomyślnego opracowania solidnego spoiwa. Firma GeoDust opublikowała swoje wyniki dotyczące korzystnej roli CBPD w procesie alkalizacji oraz właściwości przeciwskurczowych spoiw aktywowanych alkaliami. Ponadto w ramach projektu opublikowano wyniki dotyczące przygotowania spoiwa aktywowanego alkaliami z wykorzystaniem 100 % surowców wtórnych oraz doskonałej trwałości betonu aktywowanego alkaliami na bazie CBPD.
Zrównoważone spoiwa do betonu i ludzki wymiar badań
Bílek podsumowuje: „Nieorganiczne spoiwa mogą nie przyciągać uwagi opinii publicznej tak jak nanotechnologia czy biomedycyna, ale są wszechobecne, wpływają na nasze codzienne życie i środowisko oraz są trudne do scharakteryzowania. Nasz projekt miał swój wkład w te działania, zwiększając zrównoważony charakter betonu”. W momencie rozpoczęcia projektu Bílek był doktorantem, a obecnie jest doktorem realizującym swój pierwszy projekt badawczy, którego jest głównym badaczem. Oprócz korzyści technicznych i środowiskowych projekt GeoDust przyczynił się do globalnej konkurencyjności europejskiego środowiska akademickiego i przemysłowego poprzez szkolenie pierwszych badaczy, w tym Bílka.
Słowa kluczowe
GeoDust, beton, spoiwo, cement, CBPD, aktywowany alkaliami, pył z obejścia pieca cementowego, skaningowa mikroskopia elektronowa, żużel