Betonas, dirbtinis akmuo, yra naudojamas daugiau nei bet kuri kita žmogaus sukurta medžiaga pasaulyje. Nuo 2006 m. kasmet pagaminama apie 7,5 milijardo kubinių metrų betono – daugiau nei vienas kubinis metras kiekvienam Žemės gyventojui. Tačiau, norint pagaminti vieną toną tradicinio, populiariausio betono rišamosios medžiagos – portlandcemenčio, į aplinką išsiskiriama iki tonos anglies dioksido (CO₂). Skaičiuojama, kad bendrai pasaulyje cemento pramonė yra atsakinga už 7 proc. viso per metus išmetamo anglies dioksido kiekio, o tai visiškai nebetenkina griežtėjančių tvarumo ir aplinkosaugos reikalavimų. Todėl svarstoma, kaip betoną paversti draugiškesniu aplinkai.
Aplinkai nekenkiančio betono rišiklio paieškos
Lietuvos mokslininkai jau prieš dešimtmetį pradėjo ieškoti būdų, kaip tradicinį portlandcementį pakeisti kitomis rišamosiomis medžiagomis ir taip sumažinti neigiamą poveikį aplinkai. KTU mokslininkams pavyko sukurti rišamųjų medžiagų, kurios ne tik prilygsta įprastam portlandcemenčiui, bet ir yra atsparesnės rūgštims, stabilios kilus gaisrui ir mažai kinta esant žemai temperatūrai. Didžiausias tokių rišiklių pranašumas tas, kad juos gaminant galima utilizuoti didelį kiekį pramonės gamybos atliekų, kurių sudėtyje vyrauja aktyvi silicio ir aliuminio junginių forma.
Teoriškai galima panaudoti visas medžiagas, sudėtyje turinčias pakankamai reaktyvios formos silicio ir aliuminio junginių, tam tinka ir aukštakrosnių šlakas ar metakaolinas (medžiaga, gaunama modifikuojant molio mineralą kaolitiną). Po kelerių metų aktyvių tyrimų KTU mokslininkai pagamino šarmais aktyvuotą betoną, kurio gniuždymo stipris siekė 55 MPa – toks kaip įprasto betono, tačiau tradicinis portlandcementis jame pakeistas šarmais aktyvuotomis pramoninėmis atliekomis – lakiaisiais pelenais.
Tradiciškai šios medžiagos nekietėtų ir tokio betono stiprio nepavyktų pasiekti, bet dėl specialaus šarminio tirpalo jos pradeda tirpti ir ima rištis tarsi tradicinis cementas. Pagal mišinio sudėtį gali susidaryti geopolimerinė* arba šarmais aktyvuota gelinė medžiaga. Šarmais aktyvuotas betonas yra kur kas atsparesnis ugnies bei rūgščių poveikiui. Dėl didesnio pH toks betonas geriau saugo ir armatūrą nuo korozijos.
Šarmais aktyvuotas betonas gali pakeisti tradicinį betoną daugelyje statybos sričių. Galimybę naudoti šią medžiagą plačiau iš dalies stabdo gajus įsitikinimas, kad medžiaga kietėja tik aukštesnėse temperatūrose, o tai apribotų šarmais aktyvuoto betono naudojimą tik gamyklose formuojamiems gaminiams. Iš tikrųjų tinkamai parinkus ir paruošus žaliavas bei aktyvatoriaus tirpalą medžiaga gerai kietėja ir mums įprastoje (apie 20 ºC) temperatūroje. Tokių betonų gamyboje išvengiama ne tik didelio išsiskyrusio anglies dioksido kiekio, bet ir panaudojamos įvairios pramonės atliekos. Nors pasaulyje jau pradėtas naudoti geopolimerinis bei šarmais aktyvuotas betonas, norint pagaminti tokią medžiagą ir Lietuvoje, reikia pritaikyti vietines žaliavas – dažniausiai pramonėje susidarančias atliekas, siekiant išvengti pervežimo kaštų ir taupant tam skirtą laiką.
———————————————————————–
* Geopolimerai – neorganinių polimerų rūšis, susidaranti cheminės reakcijos, vadinamos geopolimerizacija, metu tarp aliumosilikatinių pradmenų ir šarminio tirpalo. Terminą „geopolimeras“ 1978 metais sukūrė Josephas Davidovits. Nors terminas „geopolimeras“ yra gana naujas, panašios medžiagos, vadintos „dirvožemio cementais“, buvo kuriamos buvusioje Sovietų Sąjungoje jau 1950-aisiais. Geopolimerai kuriami šarminiu būdu aktyvuojant aliumosilikato šaltinio medžiagas. Dažniausios pradinės medžiagos – pelenai, šlakas ir metakaolinas. Geopolimerą aktyvuoja tirpalas, kuriame yra šarminių druskų. Jis skatina reakciją ir leidžia susidaryti geopolimerui.
Atliekos ir modifikuotos organinės medžiagos gali pakeisti cementą ir smėlį betone
Siekdami pritaikyti įvairias vietines žaliavas ar naudoti utilizuojamas medžiagas, mokslininkai atlieka daugybę tyrimų, norėdami įvertinti naujos struktūros medžiagų savybes ir jų poveikį aplinkai. Stiklo bei metakaolino atliekų naudojimas betono gamyboje leidžia išspręsti atliekų utilizavimo ir aplinkos taršos problemą. Šie veiksniai sudaro galimybę betonų rinkai pasiūlyti sunaudoti didelį kiekį stiklo ir metakaolino atliekų kaip cemento ir smėlio pakaitalus.
VGTU mokslininkė, Statybinių medžiagų ir gaisrinės saugos katedros vedėja, profesorė dr. Džigita Nagrockienė tiria betono savybes, kai užpildu tampa smulkinta panaudotų padangų guma bei trupintas stiklas, o cemento pakaitalu – metakaolinas, maltas stiklas, stiklo apdirbimo atliekos, lakieji biokuro deginimo pelenai.
Mokslininkė atlieka bandymus su pucolaninėmis medžiagomis**. Viena jų ceolitas – mineralas, priskiriamas karkasinės sandaros šarminių arba žemės šarminių metalų aliumosilikatų hidratams. Prieš milijonus metų gamtinės kilmės ceolitai – vulkaniniai stiklai ir pelenai, nestabilios SiO2 formos, smulkių priešistorinių gyvūnų ir augalų liekanos – susiformavo vulkaninių uolienų sluoksniuose. Tokios medžiagos gerai tirpsta šarminiuose tirpaluose. Gamtoje šie procesai vyksta tūkstančius metų, esant aukštoms temperatūroms ir slėgiams. Tačiau ceolitai gali būti ne tik gamtinės kilmės, bet ir dirbtinai sintetinami. Sintetinant ceolitą nereikia aukštų temperatūrų, sutrumpėja gamybos trukmė ir gaunamas vienos rūšies ir net vienodo kristalų dydžio ceolitas.
Ceolitai – ekologiškai švari, inertinė ir netoksiška medžiaga, tinkama naudoti daugelyje pramonės, žemės ūkio, buities, gamtosaugos sričių, šalinant ekologinių katastrofų pasekmes ir kitur. Unikali ceolitų savybė – atsparumas aukštoms temperatūroms, agresyvioms terpėms, jonizuojančio spinduliavimo poveikiui.
—————————————————————–
**Pucolanai – purios arba silpnai susicementavusios magminės ir nuosėdinės uolienos, turinčios amorfinio silicio. Drėgnoje aplinkoje jos geba jungtis su kalcio hidroksidu ir sudaryti mažai tirpius kalcio hidrosilikatus. Dažniausi pucolanai: tufai, pelenai, vulkaninis stiklas, diatomitas, trepelis, trasas, pemza. Be gamtinių pucolanų, yra ir dirbtinai sinetinamų.
Pucolanuose gali vyrauti ir kristaliniai, ir amorfiniai junginiai. Naudojami kaip aktyviojo paviršiaus medžiagos, orinėms rišamosioms medžiagoms suteikiančios hidraulinių savybių. Hidraulinis (pucolaninis cementas) yra atsparesnis betono korozijai.
Profesorius dr. Vitoldas Vaitkevičius (KTU) kartu su kolegomis iš Lietuvos ir Latvijos atliko tyrimus, kurie analizuoja galimybę panaudoti atliekų šlaką*** (angl. bottom slag; BS) bei karbonizacijos proceso metu susidariusius dirbtinius užpildus spausdintiems trimačiams (3D) betono kompozitams. Pagrindinis šių tyrimų tikslas – sumažinti spausdintų 3D betoninių objektų CO2 išlakų kiekį, panaudojant kiekvienais metais viso pasaulio sąvartynuose kaupiamus milijonus tonų atliekų šlako.
Atliekų deginimo metu išskiriama beveik ketvirtadaliu mažiau CO2 nei anaerobiškai yrant biologiškai skaidžiai atliekų daliai sąvartynuose. Tokia CO2 surinkimo technologija, mažinanti energijos suvartojimą, jau egzistuoja ir gali tapti svariu pranašumu tvarioje žiedinėje ekonomikoje.
Šiuo metu pasaulyje skaičiuojama 500 kogeneracinių elektrinių, viena jų yra ir Lietuvoje (Kauno kogeneracinė jėgainė), atliekas paverčiančių energija. Vienas iš būdų pašalinti šlaką galėtų būti jo naudojimas kaip papildomos cementinės medžiagos betone. Šlakas iš sąvartynų gali būti naudojamas susmulkintas, sumaltas arba sijojamas.
————————————————-
***Šlakas (vok. Schlacke) – kietojo kuro degimo liekana kūryklose, išsilydę ir į gabaliukus sukepę pelenai. Šis šlakas plačiai naudojamas portlandcemenčiui, mineralinei vatai, šlako pemzai, agloporitui gaminti. Kaip užpildas šlakas naudojamas gaminant betoną, darant kelių dangas.
—————————————————
Dirbtiniai užpildai šiems bandymams buvo pagaminti iš granuliuotų ir karbonizuotų medžiagų, derinant portlandcemenčio rišiklį, hidratuotas kalkes, degintus skalūnų pelenus ir atliekų šlaką, susidariusį komunalinių atliekų deginimo kogeneracinėje elektrinėje.
Granuliavimo ir spausdinimo procesai buvo išanalizuoti tiriant jų kietėjimą, stiprumo rezultatus, apdirbamumo parametrus ir fizikines bei mechanines savybes. 3D betono spaudiniai be granulių buvo lyginami su 3D spaudiniais, kuriuose 25 ir 50 proc. įprasto užpildo buvo pakeista karbonizuotomis granulėmis. Rezultatai parodė, kad teoriškai karbonizacijos proceso metu galima „užrakinti“ maždaug 126 kg/m3 CO2 1 m3 granulių.
Naujas ES statybos produktų reglamentas – spartesniam statybos produktų, taip pat ir betono, standartizavimui
Aktyviai ieškoti, kuo pakeisti tradicinį portlandcementį betono sudėtyje ir kitokiais būdais mažinti CO2 išlakas jį gaminant, skatina ir Europos Sąjungos žaliojo kurso direktyvomis numatomi nauji reguliavimai ir gaminių standartizavimas.
„Cementas yra didžiausią anglies dioksido (CO₂) pėdsaką paliekantis produktas Europos Sąjungos statybų sektoriuje, – komentuoja LR aplinkos ministerijos Architektūros ir statybos politikos grupės vyresnysis patarėjas Artūras Sakalauskas ir patikslina: – Todėl jau 2026 m. sausio 8 d. įsigalios naujas ES statybos produktų reglamentas (ES) 2024/3110, kuris sudarys sąlygas spartesniam statybos produktų standartizavimui ES mastu ir kartu CE ženklinimui.“
Statybinių medžiagų gamybos emisijos
Anot pašnekovo, naujame statybos produktų reglamente numatoma gamintojų pareiga eksploatacinių savybių ir atitikties deklaracijose nurodyti tam tikras esmines aplinkosaugines charakteristikas (pavyzdžiui, klimato kaitos poveikis, ozono ardymas, rūgštėjimo potencialas ir kt.).
Tokios charakteristikos šiuo metu savanoriškai numatomos EPD (ekologinėse gaminių deklaracijose, angl. environment product declaration), o priėmus darniuosius standartus ar kitas technines specifikacijas pagal naująjį reglamentą, aplinkosauginių charakteristikų deklaravimas tokiems produktams bus privalomas. Ši prievolė atsiras ne visiems produktams iš karto ir įsigalios palaipsniui, privalomai deklaruojamų aplinkosauginių savybių sąrašas bus didinamas 3 etapais iki 2032-ųjų.
„Be to, naujasis reglamentas numato ir kitas bendras ES priemones didinti gaminių tvarumą, mažinti neigiamą poveikį aplinkai. Europos Komisija įgyja teisę savo teisės aktais detalizuoti tam tikrus aplinkosaugos reikalavimus statybos produktams, taip pat reikalavimus žaliesiems statybos produktų pirkimams“, – sako A. Sakalauskas.
Architektas Aleksandras Gvildys, „Archinova“
Betono ir susijusių gaminių standartizavimui pagal naująjį reglamentą yra skiriamas itin didelis prioritetas. Europos Komisija jau yra parengusi cementui skirtą standartizacijos prašymą, kuris iki 2025 m. kovo 24 d. buvo derinamas viešai su socialiniais partneriais. Įvertinus gautus siūlymus, pradėtas rengti standartas.
„2025 m. planuojama parengti ir viešai derinti betono gaminiams skirtą standarto prašymą. Taip pat Europos Komisija yra pradėjusi rengti betonui ir užpildams skirtų standartų projektus, kuriems taip pat skiriamas vienas aukščiausių prioritetų. Tikėtina, kad visi šie gaminiai vieni pirmųjų turės naujus darniuosius standartus ir jiems anksčiau nei daugeliui statybos produktų bus taikomi nauji privalomo aplinkosauginių savybių deklaravimo ir kt. reikalavimai.“ Artūras Sakalauskas, LR aplinkos ministerijos Architektūros ir statybos politikos grupės vyresnysis patarėjas.
Be to, pagal Ekologinio projektavimo reglamento (ES) 2024/1781 18 str. 6 d., Europos Komisija 2029 m. nustatys cementui ekodizaino reikalavimus, susijusius su poveikiu aplinkai ir CO2 (jei tuo metu vis dar bus reglamentavimo spragų).
Nuo 2024 m. lapkričio 1 d. įsigalioję reikalavimai, pagal kuriuos bent 50 proc. naujai statomų visuomeninių pastatų konstrukcijų ir medžiagų turi būti sudaryti iš medienos ir kitų atsinaujinančios organinės kilmės statybinių medžiagų. Šių pokyčių tikslas – skatinti aplinkai draugišką statybą ir prisidėti prie anglies dvideginio emisijų mažinimo. Organinės medžiagos leidžia kurti ne tik aplinkai draugiškus, bet ir ilgaamžius visuomeninius pastatus.
„2024 m. buvo pasirašyta metodika, kurioje nustatyta, kaip skaičiuojamas privalomas organinių medžiagų kiekis visuomeninės paskirties pastatuose. Medienos ir kitų organinių medžiagų dalis skaičiuojama ne tik pagal jų tūrį ar svorį, bet ir atsižvelgiant į šių medžiagų galimybes sugerti bei užkonservuoti CO2. Pasirenkant tokius produktus kaip ekologiškas betonas, kurio sudėtyje yra medienos ar kitų organinių priedų, taip pat mažinama CO2 emisija, nes šios medžiagos sugeria ir ilgiau išlaiko anglies dvideginį, – patikslina pašnekovas.
– Galiausiai planuojama 2029 m. taikyti statinio gyvavimo ciklo modeliavimo sistema leis įvertinti visų statiniuose naudojamų sprendinių, tarp jų ir statybos produktų, poveikį aplinkai, kuris dažniausiai išreiškiamas išskiriamo anglies dvideginio pėdsaku, dar vadinamu visuotiniu atšilimo potencialu (VAT, angl. Global warming potential).
Minėtų teisinių naujovių kontekste betono gamintojai jau dabar ieško sprendinių mažinti VAT ir tai daugiausia susiję su įvairiais cemento, kaip didžiausią CO2 pėdsaką turinčio elemento, pakaitalais, naudojamais betono gamyboje.“
Modifikuoto ir ekologiškesnio betono gaminių daugėja ir Lietuvoje
Statybos elementų gamintojams pokyčiai tvarumo link – nebe iššūkis, o nauja realybė, su kuria įmonės susiduria kasdien. Šlakų ir mikroužpildų naudojimas jau pritaikomas gaminant modifikuotą betoną, siekiant sumažinti cemento kiekį ir taip pasiekti žemesnes CO2 emisijų reikšmes.
Vadovaujantis atitinkamais standartais, kurie reglamentuoja, kaip šlakai ir mikroužpildai gali būti naudojami betono gamyboje, įmonėje „Inhus“ atliekami bandymai, norint įsitikinti, kokie yra betono ankstyvieji ir galutiniai stipriai.
Gelžbetoninius elementus Lietuvoje gaminanti „Inhus“ jau šiuo metu rinkdamasi žaliavas savo produkcijai atlieka tiekėjų vertinimą, analizuoja, kokius žingsnius jie numato, siekdami sumažinti poveikį aplinkai. Vertinama kiekviena žaliava, galinti palikti CO2 pėdsaką. Didžioji dalis įmonės naudojamų žaliavų turi EPD.
Inovacijos, pritaikomos tvaresnio betono gamybai:
– optimizuotos betono sudėtys;
– antrinis technologinio vandens panaudojimas;
– naujos šiuolaikiškos cemento rūšys, kurių CO2 pėdsakas yra kelis kartus mažesnis nei įprastinio cemento;
– mikroužpildų panaudojimas betono gamyboje – dalį cemento pakeitus mikroužpildu, galima sumažinti CO2 pėdsaką;
– šlakų naudojimas betono gamyboje;
– armatūrinio, daugiau nei 70 proc. perdirbto plieno naudojimas;
– hibridiniai sprendimai, projektuojant ir statant pastatus (kai pastate naudojamos kelios medžiagos: betonas, metalas, medis). Šiuo metu hibridiniai gaminiai yra sertifikuojami ir, sutarus su potencialiais klientais, 2026 metais prasidės jų gamyba;
– gamybos atliekų rūšiavimas. Įmonės tikslas – artimiausiu metu pasiekti, kad visos gamyboje susidariusios atliekos būtų rūšiuojamos 100 proc.;
– konstrukcijų skerspjūvių optimizavimas projektavimo stadijoje, siekiant sumažinti statybos elementų svorį, žaliavų kiekio panaudojimą, taip pat transportavimo kaštus.
Įmonė „Inhus“ pradėjo gaminti ir jau pateikė sertifikuoti ekologiškesnius betono gaminius – hibridines konstrukcijas, kuriose dalis betono yra keičiama medienos ar kitais organinių medžiagų elementais, taip mažinant CO2 emisiją. Hibridinės konstrukcijos naudojamos projektuojant ir statant pastatus (parenkant kelias medžiagas: betoną, metalą, medį).
