Lapszámok

A cementipar dekarbonizációja napjaink egyik legkurrensebb kutatási tématerületeinek egyike. Ha valaki megnézi a Web of Science, a ScinceDirect vagy a Scopus adatbázisait, egyértelműen látható, hogy az elmúlt néhány évben drasztikusan megnövekedett az olyan tanulmányok száma, amelyek a cementipar különböző zöldgazdasági aspektusait vizsgálják. 2023-ra már közel száz tudományos publikációt fogadtak be a legmagasabb szintű nemzetközi szaklapok, kifejezetten a cementipar klímasemlegességgel összefüggő átalakításával, fejlesztésével összefüggő témakörökben.

Ezek a kutatások meglehetősen széles spektrumot ölelnek fel: szinte mindegyik szakirodalmi forrás kiindulópontja, hogy a betongyártás az infrastrukturális elemek szükségességére figyelemmel egy olyan építőipari alapanyag, amely jelentős menynyiségben alkalmazott szerte a világon. Egyes szerzők szerint a globális cementtermelés 2019-ben 4,2 Gt volt, amelynek 57,7%-át Kínában gyártották, és csak 8%-át az EU-ban. Különösen Németország az európai termelési vezető évi 27 millió tonnával.

A cement a beton kötőanyaga, és a cementgyártás globális lábnyoma tükrözi annak attraktivitását is. A cement a víz után a második legtöbbet fogyasztott anyag, amelynek nagy keresletét elősegíti az alacsony költsége és a bőséges ásványi anyagokra való támaszkodás. A cementipar nagy energiaigénye elsősorban a nyersanyagok előkezelésével (kőzetgyűjtés, őrlés, keverés és homogenizálás) kapcsolatos. Emellett a cementágazatot régóta a fosszilis CO2-kibocsátás jelentős forrásaként azonosította a tudományos közélet, így az éghajlatváltozás mérséklése érdekében kulcsfontosságú ágazat a dekarbonizáció szempontjából.

Ennek köszönhetően a cementipari szakirodalmi kutatások egy jelentős része az iparág környezetterhelésének csökkentése irányába mozdult el az elmúlt években. Az alábbiakban összegyűjtöttük azokat a kutatási irányokat, amelyek a betongyártás és a cementipar zöld átállása tekintetében az elmúlt néhány év kurrens tématerületei közé sorolhatók.

A szakirodalomban megjelenő cementipari dekarbonizációs stratégiák számos szempont szerint csoportosíthatók. Általános jelleggel feloszthatók a cement- és betongyártás, valamint -használat szakaszaira, amelyek magukban foglalják a klinkergyártást, a cementgyártást, a betongyártást és -elhelyezést, valamint a betonhasználatot. Ide sorolható például a 3D Concrete Printing (3DCP) technológia, amely egy portálnyomtatót vagy robotkaros nyomtatót használó automatizált additív gyártási technika. Ezzel a megoldással lehetséges az egymást követő betonrétegek egymásra nyomtatása, korlátlan geometriai konfigurációt biztosítva a nyomtatott elemekhez vagy falakhoz.

A tudományos kutatások egy másik vertikuma a cementszintű kibocsátások csökkentésére szolgáló megoldások felmérése, amelyek elsősorban az anyaghatékonyságon vagy valamilyen összetevő cseréjén alapulnak. Például a klinkertartalom csökkentése vagy olyan alternatív kötőanyagok használata, amelyek alacsonyabb ÜHG-kibocsátást vagy lúggal aktivált anyagokat eredményeznek. Egyes kutatások kiemelik az építőipar területén a geopolimert (úgynevezett lúggal aktivált beton) mint zöld cementkötésű kötőanyag jelentőségét, amelynek rendkívüli mechanikai és fizikai jellemzőket tulajdonítanak, nagy termikus és kémiai stabilitás biztosítása mellett zord környezeti körülmények között is.

Az ilyen zöldbeton koncepciók, amelyek a cement részleges vagy teljes helyettesítését vázolják különféle anyagokkal, vagy más anyagok gyártási folyamatának melléktermékei vagy újrahasznosított hulladékok, egyre attraktívabbak a tudományos kutatók számára.

A stratégiák egy harmadik része az egyes szerkezeti elemeket érintő intézkedéseket vizsgálják, így például vizsgálják a beton szilárdulási szakaszában használható technológiákat, vagy éppen a beton és cement csökkentett anyagfelhasználási lehetőségeit a hatékony tervezés, az intenzívebb használat, az élettartam meghosszabbítása, valamint az anyagok újrahasznosítása, esetleg a moduláris tervezés és építés révén. Szintén ebbe a körbe sorolhatók azok a kutatások, amelyek a beton cementtartalmának, valamint a cementpép klinkertartalmának csökkentését vizsgálják. Emellett például a cementalapú anyagok nanoméretű szerkezetének jellemzésében és a számítástechnikai anyagtudományban elért fejlődés is ígéretes a beton szerkezetének jobb megértéséhez és megtervezéséhez, valamint a beton teljesítményének és tartósságának javításához.

Végezetül a szerzők egy jelentős része foglalkozik a beton életciklusának végén végzett intézkedésekkel a természetes rekarbonizációs folyamat fokozása érdekében. Ennek keretében számos tudományos kutatás vizsgálja az elhasználódott anyagok összezúzási technológiáit, a rebeton beépíthetőségének kérdéseit. Ebben a körben jó néhány olyan szakirodalmi forrással is találkozhatunk, amely arra keresi a választ, milyen adalékanyagok használhatók fel a beton gyártása során. Ilyenek például a szálerősítésű polimerek, a vegyes műanyaghulladék, a mezőgazdasági hulladék, a különböző csonthéjasok őrleménye, a pernye, az üvegpor, a biomassza bioszénné valorizálása, a Ferrock (vaspor 60%, pernye 20%, metakaolin 12% és mészkő 8%) vagy éppen a gumi. Az adalékanyagok alkalmazása kapcsán az újrahasznosított anyag életciklusa szempontjából számos előnyös tulajdonságra rávilágítottak a kutatók, azonban még mindig több nyitott kérdés merül fel azzal kapcsolatban, hogy a visszaforgatott anyag betonba foglalása hogyan befolyásolhatja a különböző végfelhasználási lehetőségek életképességét. Természetesen a felsorolásunk nem teljeskörű, hiszen számtalan egyéb olyan kutatási irány is kirajzolódik, amelyek a betongyártás körforgásos gazdasági, fenntarthatósági, építésgazdasági, anyagtudományi vagy egyéb műszaki paraméterek mentén támogatja az ágazat továbbfejlesztését.

Forrás:
Monteiro, P. J., Miller, S. A., & Horvath, A. (2017). Towards sustainable concrete. Nature materials, 16 (7), 698–699.
Cao, Z., Masanet, E., Tiwari, A., & Akolawala, S. (2021). Decarbonizing Concrete: Deep decarbonization pathways for the cement and concrete cycle in the United States, India, and China. Industrial Sustainability Analysis Laboratory, Northwestern University, Evanston, IL.
Miller, S. A., Habert, G., Myers, R. J., & Harvey, J. T. (2021). Achieving net zero greenhouse gas emissions in the cement industry via value chain mitigation strategies. One Earth, 4 (10), 1398–1411.
Marsh, A. T., Velenturf, A. P., & Bernal, S. A. (2022). Circular Economy strategies for concrete: Implementation and integration. Journal of Cleaner Production, 132486.
Saikia, N., & De Brito, J. (2012). Use of plastic waste as aggregate in cement mortar and concrete preparation: A review. Construction and Building Materials, 34, 385–401.
John, V. M., Damineli, B. L., Quattrone, M., & Pileggi, R. G. (2018). Fillers in cementitious materials—Experience, recent advances and future potential. Cement and Concrete Research, 114, 65–78.
Zhang, J., Wang, J., Dong, S., Yu, X., & Han, B. (2019). A review of the current progress and application of 3D printed concrete. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 125, 105533.
Vijayan, D. S., Arvindan, S., & Janarthanan, T. S. (2020). Evaluation of ferrock: A greener substitute to cement. Materials Today: Proceedings, 22, 781–787.
Hamdane, H., Tamraoui, Y., Mansouri, S., Oumam, M., Bouih, A., El Ghailassi, T., ... & Hannache, H. (2021). Statistical modeling of geopolymers from dual-alkali activation of un-calcined phosphate sludge and their potential applications as sustainable coating materials. Journal of Cleaner Production, 283, 125421.
Dahlan, A. S. (2021). Impact of nanotechnology on high performance cement and concrete. Journal of Molecular Structure, 1223, 128896.

(fotó: Beton újság)