Asiantuntijajutut

Betonia teollisuuden sivuvirroista

Teksti: professori Mirja Illikainen, kuitu- ja partikkelitekniikan tutkimusyksikön johtaja, Oulun yliopisto

Kuvat: Oulun yliopisto

 

Sementti on rakennusmateriaalina halpaa ja helppokäyttöistä. Valitettavasti sementin ja siitä valmistetun betonin hiilidioksidipäästöt ovat kuitenkin useita muita rakennusmateriaaleja korkeammat. Päästöjä on mahdollista vähentää merkittävästi käyttämällä tavanomaisen betonin sijasta geopolymeeribetonia, jonka valmistuksessa pystytään hyödyntämään teollisuuden sivuvirtoja.

 

SEMENTTI on veden jälkeen kaikista käytetyin materiaali maailmassa, eikä ihme. Sen käyttö on helppoa, halpaa ja luotettavaa. Kuka tahansa osaa sekoittaa harmaan pulverin veden ja hiekan kanssa ja saada siitä aikaiseksi lujaa betonia.

Harmittavasti sementin käyttöön liittyy yksi iso ongelma. Sementin valmistusprosessin aikana syntyy hiilidioksidia kalkkikiven kemiallisesta hajoamisesta. Lisäksi sementti valmistetaan korkeassa lämpötilassa hyödyntämällä pääasiassa fossiilisia polttoaineita, jolloin myös polton yhteydessä vapautuu hiilidioksidia.

Koska sementin käyttömäärät ovat valtavia, myös sementin valmistuksen aiheuttama hiilidioksidikuorma on valtava. Sementinvalmistus on maailmanlaajuisesti suurin yksittäinen ihmisen aiheuttamien hiilidioksidipäästöjen lähde.

Sementin valmistuksen aiheuttamien hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen tehdään paljon töitä, mutta ongelmaan ei ole helppoa ratkaisua. Vaikka sementin valmistuksessa käytettäisiin uusiutuvaa energiaa, kemiallisessa reaktiossa vapautuvan hiilidioksidin syntymistä ei voida estää. Olemassa olevat keinot ovat joko sementin käytön vähentäminen tai uusien sementtimateriaalien kehittäminen perinteisen Portland-sementin tilalle. Tutkimuksen kohteina ovat myös syntyvän hiilidioksidin talteenotto ja hyödyntäminen.

 

Kehitteillä uudenlaista sementtikemiaa

Sementin käyttöä voidaan vähentää oikeanlaisen suunnittelun ja betonin tehokkaan käytön avulla. Sementin tuhlailua voidaan välttää, kun tiedostetaan ylijäämäbetonin aiheuttama ympäristökuorma.

Työntekijöiden kouluttaminen erityisesti kehittyvissä maissa on avainasemassa. Elementtituotannon suosiminen valmisbetonin sijaan ja korkealujuusbetonin hyödyntäminen rakenteissa pienentävät sementin käyttöä ja näin rakentamisen hiilidioksidipäästöjä.

Toinen keino päästöjen vähentämiseksi on kehittää uusia sementtimäisiä materiaaleja tavallisen Portland-sementin tilalle. Rohkeimmat tutkijat kehittävät ihan uudenlaista sementtikemiaa, joka pohjautuu mineraaleihin, joiden sementtireaktioissa ei vapaudu hiilidioksidia. Matka laboratoriomittakaavasta käytäntöön on kuitenkin pitkä, ja jotain on tehtävä jo nyt.

Yksi lupaavimmista vaihtoehdoista on Sveitsissä kehitetty menetelmä, jossa iso osa sementistä korvataan poltetulla savimineraalilla ja hienonnetulla kalkkikivellä. Betonin hiilidioksidipäästöt saadaan näin noin kolmanneksen pienemmäksi verrattuna betoniin, joka on valmistettu tavallisesta sementistä. Hyvä puoli on myös se, että tähän käyttöön soveltuvia savimineraaleja ja kalkkikiveä on yllin kyllin saatavilla lähes kaikkialla maailmassa. Valitettavasti Suomen maaperästä löytyvät savimineraalit eivät kuitenkaan ole sopivia tähän tarkoitukseen.

Betonia on mahdollista valmistaa ilman sementtiä. Kun sementin tilalla käytetään alkali-aktivoitua teollisuuden sivuvirtaa, materiaalin hiilidioksidipäästöt pienenevät huomattavasti.

 

Geopolymeereistä helpotusta päästöongelmiin

Teollisuuden sivuvirtojen hyödyntäminen sementtiä korvaavana sideaineena on yksi keino pienentää sementin käyttöä ja sen myötä hiilidioksidipäästöjä. Teollisuuden sivuvirroista valmistetun betonin hiilidioksidipäästöt voivat olla jopa 80 % pienemmät kuin tavallisen betonin. Samanaikaisesti jätteiden hyödyntäminen vastaa kiertotalouden tavoitteisiin, kun olemassa olevat sekundaariset raaka-aineet hyödynnetään neitseellisten raaka-aineiden tilalta.

Keskeinen osa kiertotaloutta on suunnitella tuotteiden valmistus siten, että jätettä ei syntyisi. Valmistavassa teollisuudessa erilaisten sivuvirtojen tai jätteiden syntymistä ei kuitenkaan voida estää. Esimerkiksi metallien erottaminen kiviaineksesta tuottaa suuria määriä ylijäämämateriaaleja niin kaivosteollisuudessa kuin myöhemmin metallien jalostuksessa. Suomi on teollisuuspainotteinen maa, ja täällä epäorgaanisen, mineraalisen jätteen määrä asukasta kohti on suurempi kuin missään muualla Euroopassa.

Teollisuuden sivuvirrat ovat peräisin maaperästä ja ne koostuvat maaperän yleisimmistä alkuaineista. Samat alkuaineet voivat sopivissa olosuhteissa reagoida ja muodostaa sementin lailla lujittuvaa materiaalia. Usein lujittumisen aikaansaamiseksi tarvitaan kemiallinen aktivaattori, jolloin lopputuotteesta käytetään nimitystä alkali-aktivoitu materiaali, usein myös nimitystä ”geopolymeeri”.

Geopolymeeribetonia valmistetaan sekoittamalla keskenään teollisuuden sivuvirta, kemiallinen aktivaattori, hiekka ja sora. Geopolymeerin valmistus ei siis juurikaan poikkea tavallisen betonin valmistuksesta, jossa sementti, hiekka ja sora sekoitetaan veden kanssa. Lopputuloskin voi olla samanlainen. Toisaalta geopolymeerien ominaisuudet voivat poiketa huomattavastikin tavallisen betonin ominaisuuksista.

 

Käyttökohteen merkitys materiaalin valinnassa korostuu

Geopolymeeribetonin kestävyys kemikaalien tai kuumuuden aiheuttamaa rasitusta kohtaan on tyypillisesti suurempi kuin tavallisella betonilla. Myös lujuusominaisuudet voivat olla paljon korkeampia kuin sementtiin pohjautuvalla betonilla. Toisinaan lujuusominaisuudet voivat jäädä alhaisemmiksi. Koska geopolymeerien lähtöaineina käytettävien sivuvirtojen valikoima on laaja, lopputuotteen ominaisuudet voivat vaihdella paljon.

Tärkeää olisikin valita materiaali käyttötarkoituksen mukaan. Jos materiaali ei ole ulkotiloissa, sen ei tarvitse kestää jäätymistä ja sulamista. Jos materiaalista valmistetaan pihakiviä, sen ei tarvitse olla yhtä lujaa kuin betoni, jota käytetään siltojen rakentamiseen. Joihinkin kohteisiin käy materiaali, jonka tekniset ominaisuudet eivät ole samalla tasolla tavallisen sementin kanssa. Toisissa kohteissa geopolymeerien erityisominaisuuksista voi olla paljon hyötyä.

Sivuvirtojen hyödyntäminen sementtiä korvaavana sideaineena on kiinnostavaa, koska näin voidaan merkittävästi pienentää rakentamisen hiilidioksidipäästöjä. Kun vielä huomioidaan materiaalin suunnittelu käyttökohteen mukaan, hyvin useat teollisuuden sivuvirrat voitaisiin hyödyntää sementtiä korvaavissa materiaaleissa.

 

Vaatimus vastuullisuuteen olennaista

Sivuvirtojen hyödyntämisessäkin on toki haasteita. Sivuvirrat syntyvät teollisuuden tuotantopaikoilla, jolloin sijainti ei välttämättä ole optimaalinen materiaalin käytön kannalta. Toisinaan sivuvirrat vaativat prosessointia, esimerkiksi materiaalin hienontamista sopivaan raekokoon. Prosessoinnista ja kuljettamisesta syntyy kustannuksia, ja materiaalin valmistuksen ympäristövaikutukset kasvavat. Haasteena voi olla myös sivuvirran laadun vaihtelu, kun teollisia prosesseja ohjataan varsinaisen tuotteen eikä sivuvirran laadun näkökulmasta. Sivuvirtojen hyödyntäminen sideaineina vaatii osaamista, kun jokaiselle sivuvirralle on kehitettävä oma reseptinsä.

Sivuvirtojen käyttö paikallisesti on kuitenkin viisasta. Useat sivuvirrat ovat valmiita käytettäväksi tai vaativat vain vähän prosessointia. Teollisuudessa kiinnitetään aikaisempaa enemmän huomiota sivuvirtojen ominaisuuksiin, jolloin materiaalien laadunvaihtelu ei liene tulevaisuudessa enää ongelma. Sivuvirroista on mahdollista valmistaa myös hyvin arvokkaita tuotteita, jolloin materiaalien kuljetus ei ole kriittinen kysymys.

Vastuullisuus on tärkeä arvo yhä useammille yrityksille, ja kiinnostus sekundääristen materiaalien hyödyntämiseksi kasvaa hurjaa vauhtia. Betoniteollisuus ja rakennustuoteteollisuus ovat kiinnostuneita löytämään uusia, vaihtoehtoisia materiaaleja sementin tilalle. Samoin valmistava teollisuus pyrkii löytämään sivuvirroille uusia hyötykäyttökohteita. Kun materiaalit saadaan kiertoon, kaatopaikoille päätyvän jätteen määrä ja siitä aiheutuvat kustannukset ja ympäristövaikutukset pienenevät.   

 

*******************************************

Mirja Illikainen toimii professorina ja tutkimusyksikön johtajana Oulun yliopistossa. Illikaisen tutkimus keskittyy teollisuudessa syntyvien sivuvirtojen hyödyntämiseen erityisesti sementtiä korvaavina sideaineina. Hän johtaa myös Oulun yliopiston epäorgaaniseen kiertotalouteen keskittyvää InStreams-tutkimusyhteisöä.

Illikainen valmistui Oulun yliopistosta prosessitekniikan diplomi-insinööriksi 2002 ja tekniikan tohtoriksi 2008. Professorin tehtävässä hän aloitti vuonna 2015. 

 

******************************************

 

Geopolymeeribetonia ei vielä valmisteta kaupallisesti, mutta yksittäisiä koe-eriä on jo valmistettu teollisessa mittakaavassa.

 

Geopolymeerit käytössä jo muinaisten roomalaisten aikaan?

Geopolymeeribetonin valmistus ja käyttö ei ole uusi juttu. Ukrainassa ja Venäjällä on 50-luvulla geopolymeereistä valmistettuja, edelleen käytössä olevia kerrostaloja. Tuolloin kehitystyötä ei tosin ohjannut huoli ympäristöstä vaan pula sementistä, ja lähtöaineena käytettiin pelkästään raudanvalmistuksen yhteydessä syntyvää masuunikuonaa.

Suomessakin on kehitetty alkali-aktivoituja betoneja masuunikuonasta jo 1970–1980 -luvuilla luvuilla. Turkulaisen Bob Tallingin omakotitalon geopolymeeribetonista valmistetut kattotiilet ovat edelleen käytössä ja hyvässä kunnossa.

Geopolymeerien historia saattaa ulottua paljon kauemmaksikin. Roomalaisten vuosituhansia säilyneiden betonirakenteiden tarkempi tutkimus on osoittanut, että materiaalin kemiallinen rakenne on lähellä geopolymeerien rakennetta.

Onpa esitetty sellaistakin, että Egyptin pyramidit olisi valmistettu vastaavalla teknologialla valamalla läheltä löytyvistä mineraalisista raaka-aineista.

Takaisin edelliselle sivulle