Cemento gamyba betoninėms ir gelžbetoninėms konstrukcijoms pasauliniu mastu turi reikšmingą įtaką didelei anglies dioksido emisijai. Vienas iš šaltinių didžiuliam kiekiui kietųjų atliekų susidaryti – senų pastatų griovimas. Šios aplinkos problemos, susijusios su urbanistine plėtra, gali būti sušvelnintos naudojant tvarų, ypač tvirtą betoną (angl. high-performance concrete, HPC). Platesnis tokio betono naudojimas statyboje – viena iš veiksmingų strategijų ekologiškai statybai plėtoti.
Pui Lam Ng,
Vilniaus Gedimino technikos universiteto Statybos fakulteto mokslo darbuotojas
Žymantas Rudžionis,
Kauno technologijos universiteto Statybos ir architektūros fakulteto profesorius
Aplinkosaugos problemoms spręsti – ypač tvirtas betonas
Aktualėjant pasaulinio atšilimo ir klimato kaitos problemoms, vis labiau domimasi ekologiškesne plėtra, kai išskiriama mažiau anglies dioksido. Betonas yra plačiausiai naudojama statybinė medžiaga pasaulyje, o gaminant betone naudojamą cementą, jo klinkerio sintezei (degimo procesui) sunaudojamos didžiulės energijos sunaudos. Vykstant klinkerio degimo procesui, išskiriama daug anglies dioksido – pagrindinių šiltnamio efektą sukeliančių dujų.
Remiantis naujausia statistika, visame pasaulyje per metus pagaminama daugiau nei 4 mlrd. tonų cemento, per tokį laikotarpį išskiriama daugiau nei 3,5 mlrd. tonų anglies dioksido. Taip pat reikia nugriauti ir atstatyti daug nusidėvėjusių, jau nebenaudojamų pastatų. Taip susidaro daug griovimo atliekų ir išauga žemės taršos lygis. Dėl praktinių keblumų sudėtinga panaudoti užpildus iš betono atliekų: dėl nepakankamos kokybės jų perdirbimo efektyvumas tampa ribotas, o didelę dalį betono ir kitų statybinių atliekų tenka išmesti į sąvartynus.
Anglies dioksido taršos problemos, kylančios dėl cemento gamybos ir dėl to, kad pasenusių nugriautų pastatų kietosios atliekos išmetamos, skatina tyrinėti galimus būdus, kaip sumažinti cemento naudojimą ir pailginti betono statinių tarnavimo laiką. Rekomenduojamas sprendimas yra rinktis tvarų, ypač tvirtą betoną (HPC), kuris pasižymi mažomis cemento sąnaudomis, aukštu technologiškumu, tvirtumu ir patvarumu. HPC išskirtinės savybės gali suteikti labai daug pranašumų statyboje.
Pagal Amerikos betono instituto 1999 m. nustatytą HPC sąvokos apibrėžimą, HPC – betonas, atitinkantis specialios paskirties panaudojimo ir atitikties reikalavimus, kurie ne visada pasiekiami naudojant įprastinius betono komponentus, normalų maišymą, sutankinimą ir naudojamų kietinimo sąlygų praktiką. Dėl ypač didelio šio betono mišinio klojumo gali pagerėti jo tinkamumas statyboms pagal įvairių projektų reikalavimus ir statybos būdus, pavyzdžiui, savaime susitankinančio betono mišinio transportavimas betono mišinio siurbliais ir gelžbetoninių konstrukcijų klojinių ir formų užpildymas liejimo būdu nenaudojant vibracijos.
Dėl didesnio šio betono stiprumo galėtų būti didesnis gelžbetoninių konstrukcijų tarpatramis, mažesnis konstrukcinių elementų dydis ir savasis svoris bei mažesnis bendras reikalingas betono tūris. Dėl HPC ilgaamžiškumo galėtų pailgėti priežiūros ciklai, sumažėti remonto išlaidos ir pailgėti statinių tarnavimo laikas, siekiant sumažinti vieneriems naudojimo metams tenkančią anglies dioksido taršą ir pailginti nugriovimo ir atstatymo ciklą.
Ypač tvirto betono projektavimo filosofija
HPC sąvoka paprastai apima ypač didelį stiprumą, technologiškumą, matmenų stabilumą (be ankstyvojo terminio ir ilgalaikio susitraukimo pleišėjimo) ir ilgaamžiškumą pasiekiantį betoną.
Pagaminti HPC su visapusiškomis neprilygstamomis savybėmis nėra paprasta, nes, gerinant savybes vienoje srityje, gali tekti aukoti kitas. Pavyzdžiui, sumažinus vandens ir rišiklio santykį, kad padidėtų stiprumas, gali suprastėti technologiškumas, o padidinus skiedininės dalies tūrį betono mišinyje, siekiant geresnių technologiškumo ir klojumo savybių, sumažės matmenų pastovumas ir t. t. Norint pagerinti vieną arba kelias savybes, neaukojant kitų, būtina skirti ypatingą dėmesį betono mišinio sudėties optimizavimui.
Betono užpildų, mikroužpildų ir rišiklio (kietosios fazės) dalelių susidėstymo tankesnės struktūros formavimas yra pagrindinė koncepcija, kuriant betono mišinio sudėtis, ypač HPC. Didinant dalelių susidėstymo tankį, galima sumažinti porų tūrį betono mišinyje ir sumažinti perteklinio vandens kiekį, reikalingą geresniam betono mišiniui klojumui gauti. Taigi, technologiškumą (klojumą) galima pagerinti esant tam pačiam betono stiprumui arba galima pagerinti stiprumą pridedant mažiau vandens, siekiant tokio paties technologiškumo.
Padidinus užpildų dalelių susidėstymo tankį, taip pat galima naudoti mažesnį cemento kiekį adekvačioms betono savybėms pasiekti, dėl ko mažėja susitraukimo deformacijų. Tam tikslui reikia naudoti netrūkią (nuoseklią) betono užpildų granuliometrinę sudėtį, kad smulkesnės dalelės užpildytų tarpus tarp vidutinio dydžio dalelių, o šios – tarpus tarp didelių užpildo dalelių.
Nors HPC paprastai yra naudojamas didesnis cementinių medžiagų kiekis, tačiau HPC nebūtinai sunaudojama daugiau cemento nei įprastam betonui. Taip yra todėl, kad nemažą HPC cementinių medžiagų dalį sudaro papildomos rišamosios medžiagos, pavyzdžiui, lakieji pelenai (angl. pulverised fuel ash, PFA), maltas granuliuotasis aukštakrosnių šlakas (angl. ground granulated blast-furnace slag, GGBS) ir kondensuotos silicio dioksido mikrodulkės (angl. condensed silica fume, CSF).
Papildomos rišamosios medžiagos yra šalutiniai pramonės produktai, kuriuos gaminant išskiriama daug mažiau anglies dioksido teršalų nei gaminant cementą. Juos naudojant galima fiziškai padidinti rišamosios medžiagos dalelių susidėstymo tankį, o svarbiausia pagerinama pereinamoji zona tarp rišamosios medžiagos matricos ir užpildų dalelių, kurioje dėl pucolaninės reakcijos chemiškai sukuriama daugiau kalcio hidrosilikatų gelio ir pagerinama HPC mikrostruktūra.
1 pav. Tipiniai betono sudėties tūrio santykiai.
Dėl didesnio HPC stiprumo ir tankesnės mikrostruktūros ypač sumažėja jo laidumas vandeniui ir padidėja betoninių statinių ilgaamžiškumas. Dėl mažesnio laidumo į betoną patenka mažiau drėgmės ir žalingų medžiagų, tokių kaip chloridai, dėl to susilpnėja armatūros korozijos pavojus. Kitas svarbus patvarumo veiksnys yra tūrio pastovumas. Kai HPC užpildų dalelių susidėstymo tankis didesnis, galima naudoti mažiau rišamosios medžiagos, siekiant geresnio betoninių konstrukcijų tūrio pastovumo. Tai gali padėti išvengti ankstyvojo šiluminio pleišėjimo ir įtrūkių dėl traukimosi deformacijų kietėjimo metu. Į šiuos mikroplyšius gali patekti drėgmės ir agresyvių cheminių druskų, kurios mažina gelžbetoninių ir betoninių konstrukcijų ilgaamžiškumą. Apibendrinant galima teigti, kad, naudojant papildomas rišamąsias medžiagas, HPC ekologiškumą galima gerokai padidinti.
HPC gyvavimo ciklo įvertinimas
Norint įvertinti bendrą betoninio statinio aplinkosaugos veiksmingumą, būtina atsižvelgti į visus statinio gyvavimo ciklo etapus. Gyvavimo ciklo įvertinimas (angl. life cycle assessment, LCA) yra tarptautinis standartizuotas naštos aplinkai įvertinimo metodas pagal išmetamą anglies dioksido kiekį (bendrą išskirtą anglies dioksido kiekį) išgaunant žaliavas, gamybos metu, naudojant ir perdirbant arba galutinai utilizuojant. Betoninės konstrukcijos atveju reikia atsižvelgti į šiuos etapus: (1) betono gamybą, (2) statybą, (3) statinio naudojimą ir priežiūrą (įtraukiant ir remontą) ir (4) griovimą (2 pav.).
Remiantis įprastu daugiaaukščiu gelžbetoniniu pastatu kaip pavyzdžiu, per skirtingus LCA etapus išskiriamo anglies dioksido kiekio proporcijos pateikiamos 3 paveiksle. Taigi, didžioji dalis tarnavimo laikotarpiu išskiriamo anglies dioksido tenka betono gamybos etapui, po jo yra naudojimo ir priežiūros etapas, o statybos ir griovimo etapai turi mažiausiai įtakos anglies dioksido emisijai.
2 pav. Betoninių pastatų tarnavimo laiko įvertinimo etapai.
Vienas iš svarbių LCA aspektų yra įvertinimo laikotarpio trukmė. Be bendro betoninio pastato anglies dioksido teršalų kiekio taip pat reikia atsižvelgti ir į teršalų kiekį, tenkantį vieneriems naudojimo metams. Kadangi HPC yra ilgaamžiškesnis, jam turėtų prireikti mažiau priežiūros ateityje, o statinio tarnavimo laikas turėtų pailgėti. Pavyzdžiui, naudojant HPC, pastato projektinį tarnavimo laiką galima pailginti nuo 50 iki 75 ar net 100 metų. Dėl to per vienerius tarnavimo laikotarpio metus išskiriamas anglies dioksido kiekis galėtų sumažėti trečdaliu ar net perpus. Ilgesnis tarnavimo laikas taip pat reiškia ilgesnį griovimo ir atstatymo ciklą. Per vienerius naudojimo metus sukuriamas griaunamo pastato kietųjų atliekų kiekis vidutiniškai sumažinamas tiek pat, kiek ir išskiriamų anglies dioksido teršalų per vienerius naudojimo metus.
Be to, dėl didesnio HPC stiprumo sumažėja konstrukcinių elementų dydis, taigi, ir bendras statyboms reikalingo betono kiekis. Todėl cemento sunaudojimą ir per vienerius naudojimo metus išskiriamo anglies dioksido kiekį galima labai sumažinti naudojant HPC konstrukcijas. Apskritai galima daryti išvadą, kad HPC yra ekologiškesnis už įprastą betoną ir tinkamesnis ekologiškoms statyboms ir tvariai plėtrai.
3 pav. Betoninių konstrukcijų anglies dioksido emisijos proporcijos jų gyvavimo ciklo laikotarpiu.
Išvados
Ypač tvirtas betonas (HPC) buvo įvertintas kaip tinkamas sprendimas aplinkos apsaugos problemoms, susijusiomis su intensyvia urbanistine plėtra. Tvaraus HPC mišinių projektavimo filosofija apima betono komponentų dalelių susidėstymo tankio didinimą ir papildomų rišamųjų medžiagų iš įvairių pramonės atliekų naudojimą. Tai pagrindžia ir HPC gyvavimo ciklo įvertinimo metodas. Darnaus HPC vystymas ir taikymas ir toliau turi išlaikyti svarbiausią vaidmenį siekiant mažesnės anglies dioksido emisijos įrengiant statiniuose betonines ir gelžbetonines konstrukcijas. Rekomenduojama sistemingai įtraukti HPC į projektavimo normas ir specifikacijas, kad būtų pasiekiama kuo efektyvesnė tvarios ir ekologiškos statybos koncepcija.
Autoriai už paramą dėkoja Europos Komisijai pagal Marie Skłodowskos-Curie veiklas (projekto Nr. 751461).
Straipsnis paskelbtas žurnale „SA.lt“ (Statyba. Architektūra) | 2018 lapkritis.
