Tulevaisuuden vaihtoehtoiset sideaineet: alkaliaktivoidut materiaalit

Rakentamisen dynaamisessa maailmassa innovaatiot ovat alan tulevaisuutta muovaava voima. Ympäristönäkökohdat ja kestävä kehitys ovat yhä tärkeämpiä, joten vaihtoehtoisia materiaaleja on tulossa laboratoriosta rakennustyömaalle. Näiden innovatiivisten sideaineiden joukosta erottuvat alkaliaktivoidut materiaalit (AAM-materiaalit), jotka tunnetaan myös geopolymeereinä.

AAM-materiaalien historia ulottuu yli vuosisadan taakse. Vuonna 1895 Jasper Whiting yhdisti masuunikuonan ja natriumhydroksidia ja loi näin käyttökelpoisen sideaineen. Vuonna 1908 Hans Kühl patentoi sementin valmistuksen yhdistämällä lasikuonaa ja emäksisiä lähtöaineita, jolloin saavutettiin jo parhaaseen Portland-sementtiin verrattavissa oleva suorituskyky. Myöhemmät kehitystyöt, kuten ”Purdocement” 1940-luvulla, osoittivat kuona-alkalisementtien parantuneen lujuuden. Vuonna 1965 Glukhovskyn työ laajensi aluminosilikaattien käyttöä sideaineena, ja 1970-luvulla alkaliaktivointitekniikka kehittyi edelleen.

1990-luvulta lähtien alkaliaktivointiteknologian tutkimus ja kehittäminen ovat laajentuneet nopeasti, ja siitä on tullut merkittävä tieteellinen ala. Kaupallistaminen rajoittuu kuitenkin edelleen muutamiin yrityksiin useissa maissa. Standardointi- ja sääntelytoimet ovat käynnissä alkaliaktivointitekniikan yleisen käyttöönoton mahdollistamiseksi. AAM-materiaalit tarjoavat nykyään vähähiilisen vaihtoehdon perinteiselle sementille, ja ne tarjoavat ainutlaatuisen materiaalien räätälöintimahdollisuuden raaka-aineiden ja seossuunnittelun pohjalta. AAM:n valmistuksen keskeisin reaktio on (kalsium)alumiinisilikaattimateriaalien ja emäksisen liuoksen välinen vuorovaikutus. Vaikka AAM-materiaalit ovat osoittautuneet lupaaviksi, aktivointiprosessissa käytettävän emäksisen liuoksen ympäristövaikutukset aiheuttavat huolta.

AAM-materiaalit valmistetaan pääasiassa jauhetusta masuunikuonasta (GGBFS) tai lentotuhkasta, joiden saatavuus on kuitenkin vähenemässä. Tutkijat selvittävätkin nyt erilaisia teollisuuden sivutuotteita ja jätemateriaaleja vaihtoehtoisina lähtöaineina. Tämä on tärkeää, jotta voidaan osoittaa tämän teknologian maailmanlaajuinen sovellettavuus ja sen mahdollisuudet tukea ja mullistaa rakennusteollisuutta.

Interreg NWE URBCON -hankkeen puitteissa Sheffieldin yliopistossa tutkittiin neljää erilaista teollisista lähteistä peräisin olevaa jätemateriaalia sen selvittämiseksi, voidaanko niitä käyttää alkaliaktivoitujen sementtien lähtöaineina: i) viittä kaoliniittikaivoksesta peräisin olevaa jäännössavea (Imerys, Englanti); ii) terästehtaan happipohjaisen uunin (BOF) kuonaa (ArcelorMittal, Belgia); iii) valokaariuunin (EAF) ruostumattoman teräksen kuonaa (Orbix, Belgia); ja iv) kuparikuonaa (CS) jalostuslaitoksesta (Arubis, Belgia).

i) Savilla on nyt valtava merkitys rakennusalalla mahdollisena sementin korvaajana, mutta myös AAM-materiaalien esiasteena, ja jäännössavien hyödyntäminen on entistä tärkeämpää. Oikean saven valinta riippuu mm. sen hiukkasmorfologiasta ja amorfisten faasien osuuksista, jotka riippuvat alkuperäisestä kaoliniittipitoisuudesta. Sekoittamalla kalsinoitua jätesavea GGBFS:n kanssa ja optimoimalla seossuunnittelua on tuloksena seos, jonka huokoisuus on vähäistä ja jonka lopullinen puristuslujuus on vaikuttava 70 MPa 28 vuorokauden iässä. Se sopii erinomaisesti korkealujuuksisiin sovelluksiin.

ii) BOF-kuona -alkaliaktivointi tuotti mielenkiintoisia tuloksia. Materiaalin vanheneminen ulkovarastoinnin aikana muutti sitä runsaasti portlandiittia (Ca(OH)2) sisältäväksi. Tätä voidaan käyttää kiihdyttimenä jauhettua masuunikuonaa (GGBFS) sisältävien sekoitusten kanssa, mikä mahdollistaa ympäristöystävällisten aktivaattoriliuosten, kuten natriumsilikaatin, käytön.

iii) Tulipesäkuona on yksi tulevaisuuden keskeinen resurssi. Kun teräksen tuotannossa siirrytään kestävämpiin tuotantotapoihin, korvaa EAF-kuona hitaasti GGBFS:n. Tulipesäkuonien reaktiivisuus on heikompaa kuin GGBSF:n, mutta niiden reaktiivisuutta voidaan parantaa alkaliaktivointitekniikan avulla. EAF-kuonan sisältämät mahdolliset haitalliset ainekset kuitenkin säilyvät niissä kapseloituna.

iv) Kuparikuona (CS) on sisältämänsä huomattavan amorfisen rautasilikaattifaasinsa vuoksi erittäin reaktiivinen emäksisissä väliaineissa. GGBFS:n kanssa sekoitettuna se saa aikaan viivästyneen reaktiokinetiikan, mikä saa aikaan paremman työstettävyyden ja vaikuttavamman varhaislujuuden. Tämä tekee siitä arvokkaan esiasteen alkaliaktivoituja sementtejä varten.

v) Vaikka kalsiumaluminaattisementit (CAC) eivät ole sellaisenaan sallittuja kantavissa sovelluksissa, niitä voidaan käyttää hyödyllisinä lisäaineina uusissa sideaineissa. ”Hybridisideaineiden” valmistuksessa CAC:ä lisättiin alkaliaktivoituun seokseen aktivaattorin annostuksen vähentämiseksi ja varhaislujuuden parantamiseksi. Tämä johti kuitenkin reaktiokinetiikan yllättävään viivästymiseen, jonka monimutkaisen dynamiikan selvittämiseksi tarvitaan lisätutkimuksia.

Alkaliaktivoidut innovaatiot kaupunkirakentamisessa

Gentin kaupungin johtamassa konsortiossa, johon kuuluivat Sheffieldin yliopisto, TUDelft, UGent, RPTU Kaiserslautern, ResourceFull, VDZ, Imerys ja muut URBCON-hankkeen yhteistyökumppanit, toteutetun tutkimuksen tuloksena kehitettiin alkaliaktivoitujen betonien perhe. Pääpaino oli perinteisen portlandsementin käytön minimoimisessa ja raaka-aineiden kulutuksen vähentämisessä samalla kun betonien tekninen suorituskyky pyrittiin säilyttämään korkeana. URBCON-betoni perustuu alkaliaktivoituihin materiaaleihin, ja siinä käytetään eri teollisuudenalojen jätekiviaineksia sekä rakennus- ja purkujätettä. Kolme pilottihanketta toteutettiin Rotterdamissa (Alankomaat), Gentissä (Belgia) ja Westerlossa (Belgia).

Jalankulkusilta Rotterdamissa

Rotterdamissa ikääntynyt jalankulkusilta korvattiin sillalla, jossa käytettiin alkaliaktivoitua betonia, joka sisälsi 50 prosenttia kierrätettyjä kiviaineksia. Tämä vastasi täydellisesti Rotterdamin kaupungin tavoitetta lisätä materiaalien kiertokulkua. Hankkeessa oli haasteita, jotka liittyivät betonin sitoutumiseen ja työstettävyyteen tuotantolaitoksen ja valupaikan välisen etäisyyden vuoksi, minkä lisäksi betonin virumis- ja pakkasenkestävyys huolestutti aluksi. Testauksessa noudatettiin tiukkaa ennalta määriteltyä protokollaa Eurocode 2:n (EN 1992) mukaisesti. Sillan kannen täysimittainen kuormituskoe osoitti vakuuttavasti alkaliaktivoidun betonin lujuuden ja kestävyyden. Vaikka alkaliaktivoitu betoni osoittautui lupaavaksi lyhyellä aikavälillä, sen pitkäaikaiskäyttäytymiseen liittyy edelleen epävarmuustekijöitä. Tämän vuoksi aloitettiin pitkäaikaisseuranta, jotta sillan turvallinen toiminta voidaan varmistaa sen koko elinkaaren ajan. Seurannan helpottamiseksi Rotterdamin kaupungin insinööriosasto investoi kehittyneeseen kuituoptiseen tekniikkaan rakenteiden kunnon arvioimiseksi.

Gentin portaikko

Gentissä paikalliseen kouluun lisättiin paloportaat, joiden betonielementtirakenne valittiin siten, että se sulautuu kouluympäristöön ja minimoi päivittäisen toiminnan häiriöt. Tarkka muottisuunnittelu ja asennusprosessit olivat avainasemassa korostaen alkaliaktivoidun betonin monipuolisuutta arkkitehtonisissa sovelluksissa. Hankkeeseen liittyi betoniteknisiä erityisvaatimuksia materiaalin lujuuden, ympäristöystävällisyyden, painuman ja työstettävyyden suhteen. Betonielementtien kunnollinen jälkihoito oli kriittinen työvaihe kalkkisuotautumien ja halkeilun estämiseksi. Jälkihoito toteutettiin sisätiloissa valvotuissa olosuhteissa. Asennusprosessi vaati tarkkuutta elementtien sijoittelussa ja yhdistämisessä, jotta saatiin tarpeeksi vankka portaikkorakenne. Portaikon rakenteellisen kestävyyden varmistamiseksi tehtiin kuormituskoe. Alkaliaktivoidun betonin pitkäaikaiskestävyyden selvittämiseksi toteutetaan laajat testaustoimenpiteet, jotka sisältävät mm. koekuormitustestit ja betonin ominaisuuksien seurantaa pitkällä aikavälillä. Seurantasuunnitelmaan kuuluu esim. useiden olosuhdekoekappaleiden testaaminen. Seuraavien 1, 5, 10 ja 20 vuoden aikana tullaan testaamaan näiden näytteiden puristus- ja vetolujuutta, kimmomoduulia, veden imeytymistä ja karbonatisoitumista. Myös silmämääräisiä tarkastuksia tehdään vuosittain.

Kierrätysmateriaalien käyttö rakennuksessa Westerlossa

Westerlossa alkaliaktivoidun betonin käyttö oli mukana hankkeessa, jonka tavoitteena oli integroida rakentamisen kiertotalouden eri osatekijöitä Kamp C:n käynnistämässä Belgian ensimmäisen (rakennusalan) kiertotaloushankkeen valmisteluissa. Hankkeessa käytettiin alkaliaktivoidussa betonissa Imerysin toimittamia jätevirroista peräisin olevia sekundäärisiä kiviaineksia perustuselementteihin, läpäiseviin päällystekiviin ja laattoihin. Laajoissa laboratoriotesteissä tutkittiin betonin puristus- ja vetolujuutta, työstettävyysominaisuuksia ja kutistumista. Betonimassa modifioitiin vastaamaan perustusten vaatimuksia, erityisesti lujuusluokkaa C20/25, painumaluokkaa S5 ja ympäristökriteerejä EE2, mutta C30/37 EE3 ZVB päällystekivien osalta. Betonin työstöaika oli 60 minuuttia, mikä riitti elementtituotantoon. Perustuselementit asennettiin onnistuneesti Westerlossa. URBCON-betonin käyttö säästi 22,5 tonnia raaka-aineita ja vähensi hiilidioksidipäästöjä 13 tonnia verrattuna perinteisiin perustuksiin. Perustukset suunniteltiin koottaviksi, purettaviksi ja uudelleenkäytettäviksi, mikä vastaa hankkeen kiertotalouden tavoitteita.