Earth Friendly Concrete – rozwiązanie zmniejszające zawartość CO2 w mieszankach betonowych

Zrównoważony rozwój oraz ochrona środowiska poprzez redukcję CO2 to najbardziej aktualny temat rozmów i debat na całym świecie. Dotyczy on również branży budowlanej zarówno w obszarze produkcyjnym jak i wykonawczym. Coraz większa świadomość tematu wymusza na producentach materiałów budowlanych aktualizację swojego portfolio o materiały przyjazne środowisku.

Spis treści

1. Czym jest rozwiązanie Earth Friendly Concrete?
2. Badania Earth Friendly Concrete
3. Wykonanie mieszanek betonu geopolimerowego
4. Wyniki badań
5. Aspekt ekologiczny produkcji betonu geopolimerowego
6. Podsumowanie

MC-Bauchemie jako firma produkcyjna i oferująca swoje produkty w zakresie domieszek do betonu czuje się współodpowiedzialna w tworzeniu polityki klimatycznej pozwalającej na redukcje CO₂ do atmosfery. Dlatego w swoich laboratoriach R&D jakiś czas temu rozpoczęła pracę nad rozwiązaniami, które pozwoliłyby na ograniczenie śladu węglowego w mieszankach betonowych. Efektem przeprowadzonych badań jest EARTH FRIENDLY CONCRETE (EFC).

Czym jest rozwiązanie Earth Friendly Concrete?

Earth Friendly Concrete zaproponowany przez MC-Bauchemie to beton geopolimerowy, którego istotą jest zastosowanie syntetycznych polimerów glinokrzemianowych o specyficznym składzie i właściwościach, tworzących długie łańcuchy kopolimerowe aktywowane alkaliami.

Tego typu rozwiązania znane są już od lat 70 XX wieku i opisywane w wielu publikacjach i referatach na całym świecie. Za prekursora w dziedzinie badań i rozwoju geopolimerów na świecie uważany jest Joseph Davidovits. Jego badania wspierane przez ośrodki naukowe i badawcze na całym świecie w ostatnich dwudziestu latach pozwoliły na założenie Instytutu Geopolimerów w Saint-Quentin we Francji, gdzie trwają prace nad technologiami i gałęziami przemysłu w których można zastosować geopolimery, a za największy obszar zastosowań uważa się budownictwo.

Badania Earth Friendly Concrete

Plan prowadzonych badań betonu geopolimerowego zakładał zastąpienie w standardowej mieszance betonowej spoiwa cementowego odpowiednimi ilościami żużla wielkopiecowego i lotnego popiołu krzemionkowego dostępnego na polskim rynku.

Tabela przedstawia skład chemiczny [% masowy] spoiw użytych do badań.

W projektowanej mieszance założono użycie lokalnego piasku frakcji 0-2 mm oraz kruszyw granitowych frakcji 2-8 mm i 8-16 mm. Uzupełnieniem mieszanki był superplastyfikator oraz trzy aktywatory. Zaprojektowany skład mieszanki betonu geopolimerowego przedstawiono w tabeli.

Wykonanie mieszanek betonu geopolimerowego

Mieszanki według zaprojektowanej receptury wykonywane były w mieszalniku laboratoryjnym według następującego schematu. W pierwszej kolejności do mieszalnika wsypywano suche kruszywa wszystkich frakcji. Następnie do kruszywa dodawano 2/3 wody zarobowej i pozostawiano na 10 minut do nasączenia. Kolejny krok to dodanie żużla wielkopiecowego i lotnego popiołu krzemionkowego i wstępne przemieszanie składników. Po wstępnym wymieszaniu składników dodano aktywatory „A”, „B” i „C” rozpoczynając cykl mieszania. W trakcie dolano pozostałą część wody zarobowej i superplastyfikator. Objętość zarobu wynosiła 40 litrów, a czas mieszania od dodania ostatniego składnika wynosił 4 min.

Kolejnym etapem było wykonanie badania konsystencji metodą stożka po czasie 10, 60, 90 i 120 minut oraz zawartości powietrza metodą ciśnieniowa po 10, 60, 90 i 120 minutach. Po wykonaniu badań świeżej mieszanki zaformowano próbki 150x150x150 mm w celu wykonania badania wytrzymałości.

Wyniki badań

Wyniki badania konsystencji metodą stożka Abramsa w czasie 10, 60, 90, 120 przedstawia wykre.

W takim samym czasie jak konsystencja badano zawartość powietrza w mieszance metodą ciśnieniową według normy PN-EN 12350-7. Otrzymane wyniki zestawiono w tabeli.

Natomiast wyniki badania wytrzymałości betonu geopolimerowego zgodnie z PN-EN 12390-3 przedstawia poniższa tabela.

Zaprojektowany i wykonany beton geopolimerowy charakteryzuje się stabilnym utrzymaniem konsystencji w czasie oraz równie stabilną zawartością powietrza. Próbki do badania wytrzymałości po rozformowaniu przechowywane były w warunkach normowych, a otrzymane wyniki wytrzymałości po 48 h są niższe od wytrzymałości typowych cementów wieloskładnikowych używanych do produkcji betonu towarowego.

Wykonany beton charakteryzuje się znacznym przyrostem wytrzymałości po okresie 7 i 28 dni. W dłuższym okresie czasu (56 i 90 dni) w dalszym ciągu obserwowany jest przyrost wytrzymałości na ściskanie, natomiast jest on znacznie mniej dynamiczny niż we wcześniejszym okresie. Niemniej otrzymane wyniki jasno pokazują, że zaprojektowany skład pod względem badanych parametrów jest pełnowartościowym betonem towarowym.

Aspekt ekologiczny produkcji betonu geopolimerowego

Produkcja cementu portlandzkiego jest związana z dużym zużyciem energii, a jednocześnie przyczynia się do znacznej emisji CO₂ do atmosfery. Synteza geopolimerów pochłania według różnych obliczeń 2-3 razy mniej energii niż produkcja cementu oraz powoduje wydzielanie 4-8 razy mniejszej ilości dwutlenku węgla.

Proponowane przez MC-Bauchemie rozwiązanie Earth Friendly Concrete w znacznym stopniu redukuje ilość CO₂ w przeliczeniu na m³ betonu. Na wykresach przestawiono porównanie badanej mieszanki betonu geopolimerowego ze standardowym betonem towarowym na cemencie portlandzkim z dodatkiem popiołu lotnego. Przedstawione obliczenia w sposób wyraźny pokazują że stosując rozwiązanie geopolimerowe jesteśmy wstanie zredukować ilość CO₂ w 1 m3 betonu o prawie 50%.

Podsumowanie

Na podstawie zaprezentowanych badań oraz badań przeprowadzonych w laboratorium R&D MC-Bauchemie w Niemczech, możemy stwierdzić że mieszanina żużla i popiołu przy zastosowaniu odpowiednich aktywatorów daje możliwość produkowania betonów geopolimerowych o parametrach takich samych jak betony na cemencie portlandzkim.

Betony geopolimerowe charakteryzują się większą odpornością na korozję chemiczną, jak również zdecydowanie większą ognioodpornością w porównaniu do typowych betonów towarowych. Znacznie mniejsze zużycie energii w produkcji geopolimerów a co za tym idzie mniejsza emisja CO₂ powoduje że tego typu rozwiązanie ma znacznie mniejszy wpływa na środowisko i może być rozpatrywane jako „zielona alternatywa” dla typowych mieszanek betonowych.

Niektóre dostępne wyliczenia sugerują, że odnosząc się do betonów na cementach CEM I jesteśmy w stanie ograniczyć emisję CO₂ w mieszankach geopolimerowych nawet o 80-90% na m3. W ostatnim czasie pojawiły się również informacje na temat wykonanych nawierzchni, obiektów inżynieryjnych, elementów prefabrykacyjnych przy użyciu betonów geopolimerowych co może świadczyć, że w niedalekiej przyszłości takie rozwiązanie stanie się bardziej powszechne. 

Literatura:

1. G. Mallikarjuna Rao, T. D. Gunneswara Rao, Rama Seshu D., A. Venkatesh „Składy mieszanek z betonu geopolimerowego” Cement, Wapno, Beton 2016
2. G. Hathi Ram , Prof. B. Sesha Sreenivas , Prof. D. Rama Seshu „Wytrzymałość betonu geopolimerowego opartego na żużlu i popiole lotnym” Cement, Wapno, Beton 2019
3. mgr inż. Maciej Król, dr hab. Eur. Ing. Tomasz Z. Błaszczyński „Ekobetony geopolimerowe”, Materiały Budowlane 2013
4. J. Davidovits, „The state of the Geopolimer R&D”, The GeopolymerCamp 2011 Conferences, Université de Picardie, Saint-Quentin, France 2011
5. J. Davidovits, „Geopolymer Chemistry and Applications”, Éditions Jean-Cyrille Godefroy, France 2008.

Partnerzy