Ανακυκλωμένο τσιμέντο: Βιώσιμη λύση χαμηλών εκπομπών άνθρακα
Δίνοντας μια δεύτερη ζωή στα δομικά υλικά μετά την κατεδάφιση, οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου του Σάο Πάολο και του Πρίνστον ανέπτυξαν μια προσέγγιση για την ανακύκλωση των απορριμμάτων τσιμέντου σε μια βιώσιμη εναλλακτική λύση χαμηλών εκπομπών άνθρακα που είναι συγκρίσιμη σε απόδοση με τα πρότυπα της βιομηχανίας. Εκτός από τη μείωση της έντασης άνθρακα της βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος, η διαδικασία θα μπορούσε να επιτρέψει νέες χρήσεις για απόβλητα κατασκευών και κατεδαφίσεων, των οποίων το σκυρόδεμα αποτελεί σημαντικό συστατικό. Το 2018 στις Ηνωμένες Πολιτείες, η συνολική ποσότητα απορριμμάτων κατασκευών και κατεδαφίσεων ήταν υπερδιπλάσια από αυτή των οικιακών απορριμμάτων.
Ποιες είναι οι κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η βιομηχανία τσιμέντου και σκυροδέματος όσον αφορά τις εκπομπές άνθρακα;
Η βιομηχανία τσιμέντου και σκυροδέματος ευθύνεται περίπου για το 8% των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Αυτό οφείλεται κυρίως στην υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα του τσιμέντου Portland, του πιο κοινού συνδετικού υλικού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή σκυροδέματος.
Ποια είναι η νέα προσέγγιση που αναπτύχθηκε για την ανακύκλωση αποβλήτων τσιμέντου;
Μηχανικοί από το Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο και το Πρίνστον ανέπτυξαν μια μέθοδο ανακύκλωσης αποβλήτων τσιμέντου σε μια βιώσιμη εναλλακτική λύση χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Η διαδικασία περιλαμβάνει τη σύνθλιψη του σκυροδέματος σε λεπτή σκόνη και στη συνέχεια τη θέρμανσή της στους 500 °C. Αυτή η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή για να αφυδατώσει τη σκόνη τσιμέντου και να αποκαταστήσει τις συνδετικές της ιδιότητες, αλλά αρκετά χαμηλή για να αποφευχθεί η αποσύνθεση των ανθρακικών συστατικών, η οποία θα οδηγούσε σε επιπλέον εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα.
Πόσο αποτελεσματικό είναι το ανακυκλωμένο τσιμέντο σε σύγκριση με το συμβατικό τσιμέντο Portland;
Οι ερευνητές κατέδειξαν ότι μείγματα που περιέχουν έως και 80% αυτού του ανακυκλωμένου τσιμέντου ήταν εξίσου ισχυρά με το συμβατικό τσιμέντο Portland, ενώ παράλληλα παρήγαγαν ένα μικρό μόνο μέρος των εκπομπών άνθρακα.
Πώς βελτιώνεται η απόδοση του θερμοενεργοποιημένου ανακυκλωμένου τσιμέντου;
Αν και το θερμοενεργοποιημένο τσιμέντο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο του, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η υψηλή επιφάνειά του και η ζήτηση νερού κατά τη διαδικασία ανάμιξης οδηγούσαν σε ένα τελικό υλικό με υψηλή πορώδες και μειωμένη αντοχή. Ωστόσο, συνδυάζοντας το ανακυκλωμένο τσιμέντο με μικρές ποσότητες λεπτοαλεσμένου τσιμέντου Portland ή ασβεστόλιθου, το προκύπτον συνδετικό τσιμέντο επέδειξε αύξηση αντοχής και εργασιμότητα συγκρίσιμη με τα βιομηχανικά πρότυπα. Το λεπτοαλεσμένο τσιμέντο Portland ή ο ασβεστόλιθος γεμίζουν τους πόρους στο ανακυκλωμένο τσιμέντο με υλικό άλλο από το νερό, μειώνοντας τη συνολική ζήτηση νερού και σχηματίζοντας νέα προϊόντα ενυδάτωσης που αυξάνουν την αντοχή του υλικού.
Ποια είναι η εκτιμώμενη μείωση των εκπομπών άνθρακα που θα μπορούσε να επιτευχθεί με την ευρεία εφαρμογή του ανακυκλωμένου τσιμέντου;
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι εάν η τεχνολογία εφαρμοστεί πλήρως σε συνδυασμό με άλλες αναδυόμενες τεχνολογίες που αντικαθιστούν το τσιμέντο, οι εκπομπές από τη βιομηχανία τσιμέντου θα μπορούσαν να μειωθούν έως και 61%. Το ανακυκλωμένο τσιμέντο εκτιμάται ότι εκπέμπει μεταξύ 198 και 320 χιλιογράμμων διοξειδίου του άνθρακα ανά μετρικό τόνο, έως και 40% λιγότερες εκπομπές από μια εμπορικά διαθέσιμη εναλλακτική χαμηλών εκπομπών άνθρακα γνωστή ως τσιμέντο ασβεστόλιθου-καολίνη (LC3).
Ποια είναι τα πιθανά οφέλη της χρήσης ανακυκλωμένου τσιμέντου;
Εκτός από τη μείωση της έντασης άνθρακα της βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος, η διαδικασία θα μπορούσε να επιτρέψει νέες χρήσεις για τα απόβλητα κατασκευών και κατεδαφίσεων, εκ των οποίων το σκυρόδεμα αποτελεί σημαντικό συστατικό. Η χρήση ανακυκλωμένου τσιμέντου θα μπορούσε να οδηγήσει προς μια πιο κυκλική οικονομία άνθρακα, όπου υλικά από κατεδαφισμένες υποδομές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν άμεσα σε νέα κατασκευαστικά έργα.
Ποια είναι τα εμπόδια για την ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας ανακυκλωμένου τσιμέντου;
Οι ερευνητές επισημαίνουν αρκετά τεχνολογικά, οικονομικά και πολιτικά εμπόδια για την ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας. Αυτά περιλαμβάνουν την ανάγκη για καλύτερες μεθόδους διαλογής και επεξεργασίας των αποβλήτων κατεδαφίσεων, την πρακτικότητα της τεχνολογίας σε ώριμες πόλεις με αξιόπιστη παροχή παλαιού κτιριακού αποθέματος, και την ανάγκη επικαιροποίησης των οικοδομικών κανονισμών ώστε να επικεντρωθούν σε απαιτήσεις απόδοσης αντί σε προδιαγραφές σύνθεσης.
Πώς η διεθνής συνεργασία συνέβαλε στην ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας;
Η εργασία για τα ανακυκλωμένα τσιμέντα προέκυψε από μια συνεργασία μεταξύ ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο και το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Η συνεργασία επέτρεψε την ανταλλαγή τεχνογνωσίας και προοπτικών, οδηγώντας σε βελτιωμένη κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν τα υλικά και στην ανάπτυξη μιας πιο αποτελεσματικής λύσης για την ανακύκλωση τσιμέντου.
Χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα
Οι μηχανικοί από το Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο και το Πρίνστον έχουν αναπτύξει μια προσέγγιση για την ανακύκλωση των αποβλήτων τσιμέντου σε ένα τέτοιο υλικό, το οποίο είναι συγκρίσιμο σε απόδοση με το βιομηχανικό πρότυπο. Αυτή η διαδικασία όχι μόνο μειώνει την ένταση άνθρακα της βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος, αλλά θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει νέες χρήσεις για τα απόβλητα κατασκευών και κατεδαφίσεων, ένα σημαντικό μέρος των οποίων είναι το σκυρόδεμα.
Σύμφωνα με τον επικεφαλής της έρευνας, Σέρτζιο Άνγκουλο, η ανακύκλωση αυτών των ανακτημένων αποβλήτων τσιμέντου σε μια εφαρμογή υψηλής ποιότητας είναι ενθαρρυντική. Η έρευνα κατέδειξε ότι μείγματα που περιέχουν έως και 80% αυτού του ανακυκλωμένου τσιμέντου ήταν εξίσου ισχυρά με το συμβατικό τσιμέντο Portland, παράγοντας παράλληλα ένα κλάσμα των εκπομπών άνθρακα. Το τσιμέντο Portland, αν και ο πιο κοινός συνδετικός παράγοντας για το σκυρόδεμα, ευθύνεται σε μεγάλο βαθμό για το περίπου 8% των παγκόσμιων εκπομπών λόγω της υψηλής του έντασης άνθρακα.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι εάν αυτή η τεχνολογία υλοποιηθεί πλήρως και σε συνδυασμό με άλλες αναδυόμενες τεχνολογίες που αντικαθιστούν το τσιμέντο, οι εκπομπές από τη βιομηχανία τσιμέντου θα μπορούσαν να μειωθούν έως και 61%. Αυτή η εκτιμώμενη μείωση υπερβαίνει κατά πολύ τις μειώσεις 9% που προβλέπει η Παγκόσμια Ένωση Τσιμέντου και Σκυροδέματος με τις λεγόμενες προσεγγίσεις αντικατάστασης κλίνκερ. Η Κλερ Γουάιτ, συν-συγγραφέας της έρευνας, τονίζει ότι το σημαντικό βήμα προς τα εμπρός είναι η δυνατότητα να επιτευχθούν βραχυπρόθεσμες και μακροπρόθεσμες ιδιότητες ουσιαστικά ίδιες με αυτές του τσιμέντου Portland, με μια εναλλακτική λύση χαμηλών εκπομπών άνθρακα που αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από ανακυκλωμένα υλικά.
Η βασική αρχή της προσέγγισης ανακύκλωσης είναι η θερμότητα. Μετά τη σύνθλιψη του σκυροδέματος σε λεπτή σκόνη, η οποία εκτιμάται ότι θα μπορούσε να ανακτηθεί σε ποσότητα περίπου ενός γιγατόνου ετησίως από τα πέντε γιγατόνους παραγόμενων αποβλήτων σκυροδέματος, η ομάδα το θέρμανε στους 500 °C. Αυτή η θερμοκρασία ήταν αρκετά υψηλή για να αφυδατώσει τη σκόνη τσιμέντου και να αποκαταστήσει τις ιδιότητές της ως συνδετικού υλικού, αλλά αρκετά χαμηλή για να αποτρέψει την αποσύνθεση των ανθρακικών συστατικών του υλικού, η οποία θα οδηγούσε σε επιπλέον εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα.
Ενώ αυτό το «θερμοενεργοποιημένο» τσιμέντο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο του για την κατασκευή σκυροδέματος, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η υψηλή επιφάνεια και η ζήτηση νερού κατά τη διαδικασία ανάμιξης οδηγούσαν σε ένα τελικό υλικό με υψηλή πορώτητα και μειωμένη αντοχή. Ωστόσο, συνδυάζοντας το ανακυκλωμένο τσιμέντο με μικρές ποσότητες λεπτά αλεσμένου τσιμέντου Portland ή ασβεστόλιθου, ο προκύπτων συνδετικός παράγοντας τσιμέντου επέδειξε αύξηση αντοχής και εργασιμότητα συγκρίσιμη με τα βιομηχανικά πρότυπα. Η αύξηση της αντοχής οφείλεται στο γεγονός ότι το λεπτά αλεσμένο τσιμέντο Portland ή ο ασβεστόλιθος γεμίζει τους πόρους στο ανακυκλωμένο τσιμέντο με ένα υλικό διαφορετικό από το νερό, μειώνοντας τη συνολική ζήτηση νερού και σχηματίζοντας ακόμη και νέα προϊόντα μετά τη διαδικασία ανάμιξης, τα λεγόμενα προϊόντα ενυδάτωσης, τα οποία αυξάνουν την αντοχή του υλικού.
Η Γουάιτ εξηγεί ότι παλαιότερα, η χρήση μόνο θερμοενεργοποιημένου ανακυκλωμένου τσιμέντου δεν είχε ικανοποιητική απόδοση για να αποτελέσει αποδεκτή αντικατάσταση. Ωστόσο, μειώνοντας την επιφάνεια και βελτιστοποιώντας τη συσκευασία των σωματιδίων στη μικροδομή του υλικού, προκύπτει κάτι που συμπεριφέρεται αρκετά συγκρίσιμα με το τσιμέντο Portland.
Δεδομένου ότι η διαδικασία επαναχρησιμοποιεί τα απόβλητα κατασκευών, οι ερευνητές αναφέρουν ότι θα μπορούσε να οδηγήσει τον κόσμο σε μια πιο κυκλική οικονομία άνθρακα, παράγοντας παράλληλα λιγότερες εκπομπές άνθρακα από άλλες αναδυόμενες εναλλακτικές λύσεις τσιμέντου χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Στην εργασία τους, η ομάδα εκτιμά ότι το τσιμέντο τους εκπέμπει μεταξύ 198 και 320 χιλιογράμμων διοξειδίου του άνθρακα ανά μετρικό τόνο, έως και 40% λιγότερες εκπομπές από μια εμπορικά διαθέσιμη εναλλακτική λύση χαμηλών εκπομπών άνθρακα γνωστή ως τσιμέντο ασβεστόλιθου-καολίνη (LC3). Ο Άνγκουλο υπογραμμίζει ότι με αυτή την τεχνολογία, οι πόλεις θα μπορούσαν να γίνουν πολύ πιο κυκλικές, με υλικά από κατεδαφισμένες υποδομές να χρησιμοποιούνται άμεσα σε νέα κατασκευαστικά έργα.
Παρά τα οφέλη, ο Άνγκουλο και η Γουάιτ επισημαίνουν αρκετά τεχνολογικά, οικονομικά και πολιτικά εμπόδια για την ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας. Για παράδειγμα, η κλιμάκωση της παραγωγής ανακυκλωμένου τσιμέντου θα απαιτούσε μια καλύτερη προσέγγιση για τη διαλογή και επεξεργασία των αποβλήτων κατεδαφίσεων, η οποία να λαμβάνει υπόψη την κυκλικότητα αντί της υγειονομικής ταφής. Η τεχνολογία θα ήταν επίσης πιο πρακτική σε ώριμες πόλεις με αξιόπιστη προσφορά παλαιού κτιριακού αποθέματος, αντί για ταχέως αναπτυσσόμενες περιοχές με κυρίως νέα κτίρια.
Τέλος, θα χρειαστεί επικαιροποίηση των οικοδομικών κανονισμών, οι οποίοι αναπτύχθηκαν όταν το τσιμέντο Portland ήταν ο κυρίαρχος συνδετικός παράγοντας για την παραγωγή σκυροδέματος, μεταβαίνοντας από πρότυπα που καθορίζουν συγκεκριμένες συνθέσεις τσιμέντου σε πρότυπα που εστιάζουν στις απαιτήσεις απόδοσης. Ο Άνγκουλο αναφέρει ότι αρκετές χώρες στην Ευρώπη και τη Λατινική Αμερική έχουν ήδη αρχίσει να υιοθετούν τέτοια πρότυπα απόδοσης, τα οποία θα μπορούσαν να επιτρέψουν τη χρήση όχι μόνο των ανακυκλωμένων τσιμέντων που μελετά, αλλά και ενός ευρέος φάσματος εναλλακτικών λύσεων χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Στη Βραζιλία, για παράδειγμα, έχουν αρχίσει να εφαρμόζονται πρότυπα απόδοσης για μη δομικά στοιχεία κτιρίων και δάπεδα.
Η εργασία για τα ανακυκλωμένα τσιμέντα είναι αποτέλεσμα μιας συνεργασίας μεταξύ του Άνγκουλο και της Γουάιτ, η οποία ξεκίνησε όταν ο Άνγκουλο επισκέφθηκε το Πρίνστον ως ερευνητής στην ομάδα της Γουάιτ για ένα έτος, ξεκινώντας το 2023. Η συνεργασία αυτή έχει οδηγήσει σε βελτιωμένες ερευνητικές δυνατότητες και προοπτικές για τις ομάδες τους. Ο τίτλος της δημοσιευμένης εργασίας είναι “Engineered Blended Thermoactivated Recycled Cement: A Study on Reactivity, Water Demand, Strength-Porosity, and CO2 Emissions”, υπογραμμίζοντας την εστίαση στις εκπομπές CO2.
Μείωση έως 61% εκπομπών (εκτίμηση)
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι εάν η αναπτυχθείσα προσέγγιση για την ανακύκλωση αποβλήτων τσιμέντου σε μια βιώσιμη, χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα εναλλακτική λύση υλοποιηθεί πλήρως και χρησιμοποιηθεί σε συντονισμό με άλλες αναδυόμενες τεχνολογίες που αντικαθιστούν το τσιμέντο, οι εκπομπές από τη βιομηχανία τσιμέντου θα μπορούσαν να μειωθούν έως και 61%.
Αυτή η εκτιμώμενη μείωση είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την προβλεπόμενη μείωση κατά 9% που η Παγκόσμια Ένωση Τσιμέντου και Σκυροδέματος θεωρεί πιθανή με τις λεγόμενες προσεγγίσεις αντικατάστασης κλίνκερ. Η διαφορά αυτή υπογραμμίζει τη δυναμική της ανακύκλωσης τσιμέντου ως μια πιο αποτελεσματική μέθοδο για τη μείωση των εκπομπών σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνικές.
Η επίτευξη αυτής της σημαντικής μείωσης των εκπομπών συνδέεται άμεσα με την χρήση ανακυκλωμένου τσιμέντου, το οποίο, όπως αναφέρεται, παράγει ένα κλάσμα των εκπομπών άνθρακα σε σύγκριση με το συμβατικό τσιμέντο Portland. Επιπλέον, η δυνατότητα χρήσης έως και 80% ανακυκλωμένου τσιμέντου σε μείγματα που διατηρούν την ίδια αντοχή με το συμβατικό τσιμέντο συμβάλλει στην προοπτική για τόσο μεγάλη μείωση των εκπομπών.
Επιπρόσθετα, η ανακύκλωση των αποβλήτων κατασκευών, ενός σημαντικού συστατικού του οποίου είναι το σκυρόδεμα, οδηγεί σε μια πιο κυκλική οικονομία άνθρακα, μειώνοντας την ανάγκη για παραγωγή νέου, υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα τσιμέντου Portland. Η χρήση θερμότητας για την επεξεργασία του ανακυκλωμένου τσιμέντου είναι κεντρικής σημασίας για την αποκατάσταση των συνδετικών του ιδιοτήτων, αποφεύγοντας παράλληλα την απελευθέρωση επιπλέον διοξειδίου του άνθρακα από την αποσύνθεση ανθρακικών συστατικών.
Συνολικά, η εκτίμηση για μείωση έως και 61% των εκπομπών υπογραμμίζει τη σημαντική συμβολή που θα μπορούσε να έχει η τεχνολογία ανακύκλωσης τσιμέντου στην προσπάθεια για τη μείωση των συνολικών εκπομπών από τον κατασκευαστικό κλάδο, εφόσον ξεπεραστούν τα τεχνολογικά, οικονομικά και πολιτικά εμπόδια για την ευρεία της εφαρμογή.
Καταλληλότητα για ώριμες πόλεις
Οι συγκεκριμένες πηγές αναφέρουν ότι η τεχνολογία ανακύκλωσης τσιμέντου έχει συγκεκριμένη καταλληλότητα για ώριμες πόλεις, η οποία εντάσσεται στο ευρύτερο πλαίσιο των προκλήσεων για την ευρεία της εφαρμογή.
Σύμφωνα με τους Angulo και White:
- Η τεχνολογία θα ήταν πιο πρακτική σε ώριμες πόλεις που διαθέτουν μια αξιόπιστη παροχή παλαιού κτιριακού αποθέματος. Αυτό σημαίνει ότι η ύπαρξη σημαντικής ποσότητας αποβλήτων κατεδαφίσεων σε αυτές τις πόλεις θα μπορούσε να παρέχει την απαραίτητη πρώτη ύλη για την παραγωγή ανακυκλωμένου τσιμέντου.
- Αντίθετα, η τεχνολογία ενδέχεται να είναι λιγότερο κατάλληλη σε περιοχές που αναπτύσσονται ραγδαία και έχουν κυρίως νέα κτίρια, όπου η διαθεσιμότητα αποβλήτων κατεδαφίσεων είναι περιορισμένη.
Αυτή η καταλληλότητα για ώριμες πόλεις συνδέεται άμεσα με τις προκλήσεις που αναγνωρίζουν οι ερευνητές για την ευρεία διάδοση της τεχνολογίας. Μία από αυτές τις προκλήσεις είναι η ανάγκη για μια καλύτερη προσέγγιση για τη διαλογή και την επεξεργασία των αποβλήτων κατεδαφίσεων, η οποία να λαμβάνει υπόψη την κυκλικότητα αντί της απλής εναπόθεσης σε χώρους υγειονομικής ταφής. Στις ώριμες πόλεις, όπου η κατεδάφιση παλαιών κτιρίων είναι πιο συχνή, η ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων διαλογής και επεξεργασίας θα ήταν πιο κρίσιμη και δυνητικά πιο αποδοτική.
Επομένως, ενώ η τεχνολογία ανακύκλωσης τσιμέντου παρουσιάζει σημαντικές δυνατότητες για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα, η πρακτική της εφαρμογή εξαρτάται από την ύπαρξη κατάλληλης υποδομής και ροής αποβλήτων, καθιστώντας τις ώριμες πόλεις ιδανικούς υποψήφιους για την υιοθέτησή της, εφόσον αντιμετωπιστούν οι σχετικές προκλήσεις στην επεξεργασία των αποβλήτων.
Πηγή: sciencedaily.com
