Lapszámok

Az elmúlt évtizedek során a cementgyártás szénlábnyomának mérséklése nem csupán a szakemberek, de a kutatók állásfoglalása alapján is kulcsterületté vált. A nemzetközi tanulmányok szintézise alapján hamar megállapítható, hogy azok a cement- és betonipar számos kihívására reflektálnak, mintegy iránymutatásként szolgálva az ipari szereplők számára.

J elen cikkünkben szeretnénk röviden bemutatni, hogy az utóbbi esztendők tudományos kutatásai milyen preferenciákkal élnek a cement- és betoniparban alkalmazott, illetve potenciálisan alkalmazható főbb nyersanyagok és üzemanyagok kutatása terén, illetve melyek azok a kidolgozott vagy a fejlesztés egy adott szakaszában járó technológiai innovációk, melyek a kutatók állásfoglalása szerint jelentősen hozzájárulhatnak az építőipar ezen szegmensének fenntarthatóbbá tételéhez.

Alternatív nyersanyagok és üzemanyagok mint a cementipari fenntarthatóság eszközei

A tudományos szféra megközelítése alapján a cementipari kutatások területén az alternatív nyersanyagok és üzemanyagok kutatása egy attraktív szegmens. Az ehhez kapcsolódó megoldások, azaz a kísérleti és gyakorlati alkalmazásba vont alternatív nyersanyagok és üzemanyagok palettája igen széles, melynek leggyakrabban kutatott tételeit az 1. táblázat foglalja össze.
Forrás: Beguedou et al. (2023), Teker Ercan et al. (2023), Pitre et al. (2024)

1. táblázat. A tudományos kutatások során leggyakrabban vizsgált alternatív nyersanyagok és üzemanyagok

Innovatív megoldások a cement- és betonipar minőségi és fenntarthatósági szempontjainak érvényesítésére

A cementipari jövőkép biztosítása érdekében a kutatók kulcsterületként kezelik az olyan innovatív megoldásokat, melyek mind módszertani, mind az anyagi jellemzőik vonatkozásában továbbgondolják a hagyományos technológiák által kínált, életciklus-szemlélettel sok esetben nem rendelkező megközelítéseket. Hogy mely területek azok, melyek immár nem csupán elméleti, de tudományos kísérleti és sok esetben gyakorlati megvalósítási példákkal is rendelkeznek, az alábbiak során mutatjuk be röviden.

Lúgaktivált cementek
Az alkáli-aktivált cementek jelentősen eltérnek a hagyományos cementgyártási módszerektől, kihasználva az alumínium-szilikátokban rejlő lehetőségeket. Ezek az anyagok – gyakran ipari hulladékok (pl. pernye, salak) vagy természetes agyagok – jelentős mennyiségű reaktív komponenst, például szilícium-dioxidot és alumínium-oxidot tartalmaznak. A lúgos aktiválás folyamata során ezen vegyületeket lúgaktivátorokkal (pl. nátrium-hidroxiddal vagy kálium-hidroxiddal) elegyítik. A folyamat kémiai reakciót indít el, melynek eredményeként stabil, cementkötésű kötőanyag keletkezik. Ez a kötőanyag ezt követően az építőipar számos területén felhasználható.

A lúgaktivált cementek egyik kiemelkedő tulajdonsága a jelentősen csökkentett energiaigény a gyártás során. A lúggal aktivált cementek előállítása a portlandcement hagyományos gyártási eljárásával összevetve lényegesen alacsonyabb hőmérsékleten történik, amely jelentős energiamegtakarítást eredményez, hozzájárulva a cementipar szénlábnyomának csökkentéséhez. Ezen túlmenően az alkáli-aktivált cementek kiemelkedő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, beleértve a nagy tartósságot és szilárdságot. A fenti jellemzők alkalmassá teszik őket az építőipari alkalmazások széles skálájára, az egyszerű lakóépületektől a nagyobb infrastrukturális projektek megvalósításáig (Supriya et al. 2023).

Kalciumhurkolási eljárás
A kalciumhurkolás (Calcium Looping Process – CLP) egy innovatív megközelítést jelent a cementgyártás szén-dioxid-kibocsátásának mérséklésére. Középpontjában a reverzibilis karbonizációs-kalcinációs reakció áll, amelyben a fő komponens a kalcium-oxid (CaO), közismert nevén mész. A karbonizációs fázisban a cementgyártásból származó szén-dioxiddal dúsított füstgáz érintkezésbe kerül a kalcium-oxiddal. Ez a kölcsönhatás kémiai reakciót indukál, amelyben a mész reakcióba lép a szén-dioxiddal és kalcium-karbonátot (CaCO3 ) képez. Ez az eljárás hatékonyan alkalmazható a szén-dioxid füstgázból történő leválasztására. A felfogott szén-dioxid a kalcinálás során felszabadul, a mész regenerálódik, amely a karbonizációs szakaszban újra felhasználható. Ez a ciklikus folyamat lehetővé teszi a szén-dioxid fenntartható és hatékony leválasztását, egyben előkészíti annak további folyamatokban történő hasznosítását. Az így befogott szén-dioxid jellemzően nagy tisztaságú, ezért alkalmas különféle alkalmazásokra, beleértve a tárolást vagy a hasznosítást, akár további tisztítási lépések nélkül (Romano et al. 2013).

A villamosítás és a megújuló energiaforrások
A villamosítás és a megújuló energiaforrások integrációja paradigmaváltást jelent a cementgyártás területén, megtestesítve a fenntarthatóság és a környezetvédelem iránti elkötelezettséget. A villamosítás a cementgyártás folyamatát illetően magában foglalja az átállást a hagyományos, fosszilis tüzelőanyag-alapú gépekről az elektromos meghajtású berendezések használatára. Az elektromos kemencék mint az átállás sarokkövei ezen átmenet egyik fő fejlesztési területeit jelentik. Ezek a kemencék a hagyományos fosszilis tüzelőanyagok helyett megújuló energiaforrások (pl. nap, víz, szél) által működtetett elektromos fűtőelemeket alkalmaznak, amely alacsonyabb károsanyag-kibocsátást és megnövekedett működési hatékonyságot eredményez (Quevedo Parra & Romano 2023).

Biomimikri és bioihlette cementkötésű anyagok
A biomimikri és a bioihlette cementkötésű anyagok egy feltörekvő terület, amely anyagi és szerkezeti megoldásait a természet mintázataiból és folyamataiból merítve forradalmasítja az építőanyagok előállítását. Ez a megközelítés olyan cement és beton létrehozását célozza, amelyek utánozzák a különféle organizmusokban (pl. csontok, kagylók) és ökoszisztémákban tapasztalható rugalmasságot, alkalmazkodóképességet és fenntarthatóságot, ezáltal fokozott szilárdságot és tartósságot kölcsönözve a végtermék számára. Ezenkívül egyes organizmusok öngyógyító képességének utánzása ugyancsak igényként jelentkezik számos cementkötésű anyag létrehozása során. Ez az innováció a repedések és sérülések anyagi önkorrekciója révén a szerkezetek élettartamának jelentős meghosszabbodását szolgálja (She et al. 2024).

Nagy teljesítményű cement alapú kompozitok
A betonanyagok evolúciója a hagyományos beton szerkezeti hátrányai és az ultranagy teljesítményű beton (UHPC) nehézkes kivitelezhetősége miatt komoly kihívásokkal néz szembe a kortárs építészeti szerkezetek mechanikai követelményeinek kielégítése terén. Ennek alapján az alacsony szén-dioxid-kibocsátású, nagy teljesítményű cementalapú kompozitok (LCHPCC) kutatása stratégiai útként jelenik meg. A nagy teljesítményű és ultranagy teljesítményű cementkötésű kompozitok a közönséges betonhoz képest megnövelt nyomószilárdságot és csökkent porozitást mutatnak. A szerkezeti optimalizálás a mechanikai tulajdonságok javításán túl jelentősen fokozza a tartósságot (Hou et al. 2021). Az anyagi minőség előbb említett javulása többek között poranyagok, különféle aggregátumok és szálak, köztük hibridszálak és acélszálak felhasználásával érhető el, melyek főbb ismérveit a továbbiakban mutatjuk be.

Vulkáni hamu hatású anyagok szerepe
A vulkáni hamu hatású cementkötésű anyagok a kiegészítő jellegű cementipari adalékok intenzíven kutatott szegmensét képezik. Ezen komponensek legfontosabb jellemzői közé tartozik a természetes kémiai összetétel, a nagy fajlagos felület és a kristályos szerkezet. Az ezen tulajdonságokat felmutató anyagok közül a pernye, a szilícium-dioxid-füst és a salak kerülnek leginkább a a kutatások fókuszába. Megfelelő integrációjuk esetén közös jellemzőjük, hogy a cement egy részének funkcionális helyettesítésével meghosszabbíthatják a betonszerkezetek élettartamát, csökkentve a betongyártás szénlábnyomát, valamint növelve a beton szilárdságát, tartósságát és repedésállóságát. Korábbi szakmai iránymutatások alapján javaslatként fogalmazódott meg, hogy ezen anyagok fajlagos adagolása ne haladja meg a beton teljes cementtartalmának 50%-át, ugyanis a nagyobb arányú helyettesítés nem feltétlenül jelenti a végtermék érdemi minőségi javulását (Calderoni et al. 2024).

Különböző poranyagok kitöltő funkciójának jelentősége
A cement alapú kompozit rendszerekben a speciális poranyagok zselésítő hatás hiányában, de a cementszemcsék közötti üregek kitöltése révén hozzájárulhatnak a beton tömörségének és tartósságának fokozásához. A nagy teljesítményű betontermékek előállítása során a mészkőpor és a kvarcpor a legelterjedtebb inaktív kitöltőanyagok.

A tudósok egyre intenzívebben kutatnak az említett kitöltőfunkcióval rendelkező további anyagok és megoldások után. A különböző technológiai folyamatok révén keletkező hulladékok és melléktermékek elemzése nyomán irányult a figyelem a vörösiszap, a márványpor, az expandált perlitpor és a kerámiapor lehetséges cementipari integrációjára. A bauxitércből történő alumíniumgyártás lúgos kezelésének mellékterméke, a vörösiszap ártalmatlanítása annak magas pH-értéke és a veszélyes elemek jelenléte miatt komoly körültekintést igényel. Az alternatív felhasználás lehetőségét vizsgálva azonban távolkeleti kutatók a kompakt tömörítés elméletén alapuló módszer segítségével sikeresen fejlesztettek ki 150 MPa-nál nagyobb nyomószilárdságú vörösiszap-tartalmú kompozitanyagot (Hou et al. 2021).

A fenntartható finom aggregátumok szerepe és alkalmazásuk létjogosultsága
A cementkötésű kompozitrendszerekben a finom adalékok fő funkciója a szemcsés töltőanyag szerep; csökkentik a teljes cementkötésű rendszer porozitását azáltal, hogy elfoglalják a durva adalékanyagok közötti üregeket. Hangsúlyozni kell azonban, hogy nem minden ipari melléktermék vagy kommunális építési hulladék alkalmas arra, hogy aprítás és finomítás után töltőanyagként használják fel. Emiatt kulcsfontosságú a fenntartható finom adalékanyagok alapvető tulajdonságainak és a beton mechanikai tulajdonságaira, valamint tartósságára gyakorolt hatásuk pontos meghatározása.

A vasérczagy mint az ásványkinyerési folyamat melléktermékének hulladékként való kezelése fokozott kockázatot hordoz. Ez különösen érvényes az olyan országok esetén, ahol a melléktermék globális volumenének jelentős hányada koncentrálódik. A statisztikák szerint Kínában évente akár 600 millió tonna vasérczagy is keletkezik, melynek hasznosítási aránya azonban nem éri el a 7%-ot. Ez a jelenlegi helyzet kutatásokat motivált a vasérczagy építőanyagként való potenciálját illetően. Távolkeleti kutatók feltárták a vasérczagyban mint cementipari finom adalékanyagban rejlő lehetőségeket és megállapították, hogy annak nyomószilárdsága a kontrollmintához hasonló szintű is lehet, amennyiben a melléktermék a finom adalékanyagnak legfeljebb 40%-át helyettesíti (Yang et al. 2021).

A fenntartható durva aggregátumok integrációjának lehetőségei és korlátai
Az építkezések bontásából származó durva adalékanyagok, az ipari melléktermékek és a települési hulladék felhasználása járható út a megújuló erőforrások kitermelésének csökkentésére, azonban ezen anyagoknak szigorú környezetvédelmi, egészségügyi és biztonsági előírásoknak kell megfelelniük. Nem minden hulladékanyag alkalmas durva adalékanyaggá alakításra, ezért fontos annak biztosítása, hogy ezek az újrahasznosított anyagok a beton mechanikai tulajdonságait és tartósságát negatívan a megfelelő feldolgozási technikák (pl. tisztítás, zúzás) következtében se befolyásolják. Emellett lényeges szem előtt tartani a potenciálisan veszélyes anyagok kibocsátásának kockázatát, ezáltal elkerülve a betonra, s egyben az emberi egészségre, valamint a környezetre gyakorolt káros hatásokat.

Az építkezések bontásából származó hulladékok gyakran jelentős vízfelvételt és nagy minőségi heterogenitást mutatnak. Azokban az esetekben, amikor a természetes aggregátumok jelentős hányadának vagy teljes egészének helyettesítésére újrahasznosított durva adalékanyagokat használnak, az újrahasznosított adalékanyagok víztartalma közvetlen hatással van az előállítandó cementkötésű anyag nyomószilárdságára. Kutatások rámutattak, hogy az újrahasznosított durva aggregátumok előtelítése (10 perces áztatás, majd 5–10 perces víztelenítés) jelentősen elősegíti a mechanikai tulajdonságok optimalizálását. Ezen előkezelési stratégia lehetővé teszi a víz visszatartását a keveredés kezdeti szakaszában, mely nedvesség nem vesz részt a korai hidratálási folyamatban, hanem fokozatosan szabadul fel egy későbbi szakaszban. Ez a technológia stabil alapot biztosít az újrahasznosított durva aggregátumokat tartalmazó termékek előállításához, míg a nagy szilárdságú alapbetonból származó újrahasznosított durva adalékanyag felhasználása kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkező cementkötésű terméket eredményez. Kiemelendő azonban, hogy az újrahasznosított durva adalékanyagokkal való elegyítés a nagy teljesítményű cementkötésű kompozitrendszerekben mindig hátrányosan befolyásolja a beton tartósságát, függetlenül az újrahasznosított adalékanyag adagolásától és típusától. Ennek oka elsősorban a határfelületi átmeneti zónák jelenléte a friss paszta és a régi, gyenge kötésű épületbontási aggregátumok között (Vahidi et al. 2024).

A szálak újrahasznosításának szerepe a fenntartható cement- és betoniparban
A fenntartható szálak bevonása a nagy teljesítményű cementkötésű kompozitok kutatásába és alkalmazásába kulcsfontosságú stratégia a környezetbarát módszerek és eljárások, valamint a teljesítménynövelés megvalósítása irányába. A megújuló erőforrásokból vagy újrahasznosított anyagokból származó szálak célja, hogy javítsák az anyagok szerkezeti tulajdonságait, azáltal, hogy fokozzák repedésállóságukat, miközben csökkentik az új erőforrásoktól való függőséget, így a gyártási folyamat környezetterhelését és ökológiai lábnyomát. A kutatási irányvonal jelentőségét alátámasztja, hogy kínai kutatók sikeresen állítottak elő 120 MPa-nál nagyobb nyomószilárdságú cementkötésű terméket használt gumiabroncsokból kinyert újrahasznosított acélszálak felhasználásával. Kimutatták, hogy az újrahasznosított gumiabroncs-acél szálak javítják a beton nyomószilárdsági indexét, ami enyhíti a gumi beton szerkezetére gyakorolt negatív hatását, ugyanis az újrahasznosított gumiabroncs-acél szálak nagy mennyiségű energiát nyelnek el a repedési zónában (Chen et al. 2023).

Egy további, technológiai szempontból ígéretes csoportot jelentenek az újrahasznosított szénszálak. Az acélszálakhoz hasonlóan miközben előnyös mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, a technológiai költségek csökkentésére és a fenntarthatóság növelésére is ígéretes megoldást jelentenek. Kísérleti kutatások igazolták, hogy az autó- és repülőgépipar szénhulladékából mechanikai, vegyi és termikus eljárások révén újrahasznosított szénszálak nyerhetők ki. Pásztázó elektronmikroszkópos és energia-diszperzív röntgen elemanalízissel végzett elemzések több esetben is azt mutatták, hogy az újrahasznosított szénszálak kereskedelmi forgalomban is kapható szénszálakkal összevethető kémiai és fizikai jellemzőkkel bírnak. További érdekesség, hogy kutatók tengeri halászhálókból származó hulladék polietilénből sikeresen állítottak elő 4 MPa feletti szakítószilárdságú szálakat, mely ígéretes lehetőséget jelenthet a tengeri hulladékok építőipari hasznosítása területén (Juan et al. 2021).

Összegzés

Jól látható, hogy a cement- és betonipar fenntarthatóbb működését elősegítő egyes innovációk és azok részfolyamatai számos technológiai és gazdasági kihívással néznek szembe, melyek hatékony és belátható időn belül történő leküzdése komplex megközelítést igényel. Ehhez elengedhetetlen mind a gazdaság, mind a társadalom szemléletformáláson alapuló megközelítése, melyet a szakpolitikai és egyéb szabályozók a szakemberek aktív közreműködése mentén tudnak foganatosítani. Ezen folyamat során lényeges az olyan iránymutatások figyelembevétele, melyeket a tudományos szféra konkrét kutatási eredményei révén közvetít, ezzel szolgálva a teljes építőipari értéklánc fenntarthatóbbá tételét.

Felhasznált irodalom

Beguedou, E., Narra, S., Afrakoma Armoo, E., Agboka, K., Damgou, M.K. (2023) Alternative Fuels Substitution in Cement Industries for Improved Energy Efficiency and Sustainability. Energies 16, 3533. https://doi. org/10.3390/en16083533

Calderoni, D., Gastaldi, D., Merlo, V., Pellino, L., Canonico, F., Contrafatto, L. (2024) Etna volcanic ash as new sustainable supplementary cementitious material. Journal of Building Engineering 95, 110264. https://doi. org/10.1016/j.jobe.2024.110264

Chen, M., Sun, J., Zhang, T., Shen, Y., Zhang, M. (2023) Enhancing the dynamic splitting tensile performance of ultra-high performance concrete using waste tyre steel fibres. Journal of Building Engineering 80, 108102. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.108102

Hou, D., Wu, D., Wang, X., Gao, S., Li, M., Wang, P., Wang, Y. (2021) Sustainable use of red mud in ultra-high performance concrete (UHPC): Design and performance evaluation. Cement and Concrete Composites 115, 103862. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103862

Juan, R., Domínguez, C., Robledo, N., Paredes, B., Galera, S., García-Muñoz, R.A. (2021) Challenges and Opportunities for Recycled Polyethylene Fishing Nets: Towards a Circular Economy. Polymers 13, 3155. https://doi. org/10.3390/polym13183155

Pitre, V., La, H., Bergerson, J.A. (2024) Impacts of alternative fuel combustion in cement manufacturing: Life cycle greenhouse gas, biogenic carbon, and criteria air contaminant emissions. Journal of Cleaner Production 475, 143717. https://doi.org/10.1016/j. jclepro.2024.143717

Quevedo Parra, S., Romano, M.C. (2023) Decarbonization of cement production by electrification. Journal of Cleaner Production 425, 138903. https://doi.org/10.1016/j. jclepro.2023.138913

Romano, M.C., Spinelli, M., Campanari, S., Consonni, S., Cinti, G., Marchi, M., Borgarello, E. (2013) The Calcium Looping Process for Low CO2 Emission Cement and Power. Energy Procedia 37, 7091–7099. https://doi. org/10.1016/j.egypro.2013.06.645

She, W., Wu, Z., Yang, J., Pan, H., Du, F., Du, Z., Miao, C. (2024) Cement-based biomimetic metamaterials. Journal of Building Engineering 94, 110050. https://doi.org/10.1016/j. jobe.2024.110050

Supriya., Chaudhury, R., Sharma, U., Thapliyal, P.C., Singh, L.P. (2023) Low-CO2 emission strategies to achieve net zero target in cement sector. Journal of Cleaner Production 417, 137466. https://doi.org/10.1016/j. jclepro.2023.137466

Tautorat, P., Lalin, B., Schmidt, T.S., Steffen, B. (2023) Directions of innovation for the decarbonization of cement and steel production – A topic modeling-based analysis. Journal of Cleaner Production 407, 137055. https://doi. org/10.1016/j.jclepro.2023.137055

Teker Ercan, E.E., Andreas, L., Cwirzen, A., Habermehl-Cwirzen, K. (2023) Wood Ash as Sustainable Alternative Raw Material for the Production of Concrete—A Review. Materials 16, 2557. https://doi.org/10.3390/ma16072557

Vahidi, A., Mostaani, A., Gebremariam, A.T., Di Maio, F., Rem, P. (2024) Feasibility of utilizing recycled coarse aggregates in commercial concrete production. Journal of Cleaner Production 474, 143578. https://doi. org/10.1016/j.jclepro.2024.143578

Yang, Y., Chen, L., Mao, Y. (2021) Different Effects of Wet and Dry Grinding on the Activation of Iron Ore Tailings. Journal of Renewable Materials 9(12), 2261–2276. https://doi.o https://doi.org/10.32604/ jrm.2021.015793

(fotók: Beton újság, https://commons. wikimedia.org/wiki/File:B%C3%BCtzflethermoor_Rotschlammdeponie_Luftaufnahmen_2012-05-by-RaBoe-478-1.jpg, https:// www.sciencedirect.com/science/article/ pii/S0959652623005255)