Slovenski razvojni preboj: napredni gradbeni materiali iz sekundarnih surovin

Na Zavodu za gradbeništvo Slovenije (ZAG) se lahko pohvalijo z razvojem vrste naprednih gradbenih materialov, med njimi tudi inovativnih izolacij, izdelanih iz odpadnih in sekundarnih mineralnih surovin. Zanimalo nas je, kakšne so njihove lastnosti, možnosti uporabe ter kdaj bi lahko postali dostopni širšemu trgu.

Na ZAG že dalj časa sistematično razvijajo okoljsko sprejemljive gradbene materiale, ki temeljijo na uporabi odpadnih in sekundarnih materialov mineralnega izvora. Do zdaj so razvili in v pilotnih projektih že uporabili tlakovce, strešnike, fasadne plošče, umetne kamne ter tudi izolacijske materiale.

Razvoj novih materialov, njihove ključne lastnosti, potencialna področja uporabe in možnosti širše dostopnosti sta predstavili dr. Vilma Ducman, vodja laboratorija za cemente, malte in keramiko ter vodja raziskovalne skupine na ZAG s področja alkalijsko aktiviranih materialov, ter dr. Majda Pavlin, ki v istem laboratoriju preverja okoljsko sprejemljivost proizvodov, razvitih z alkalijsko aktivacijo.

Novi materiali iz odpadnih in sekundarnih surovin

Strokovnjaki ZAG so bili v okviru številnih razvojno-raziskovalnih projektov aktivno vključeni v razvoj, optimizacijo in validacijo različnih pilotnih proizvodov, ki temeljijo na postopkih alkalijske aktivacije raznolikih mineralnih surovin. Ključno izhodišče razvoja je uporaba mineralnih odpadkov, ki nastajajo pri rušenju objektov (na primer kamene in steklene volne), pa tudi industrijskih odpadkov in stranskih produktov, kot so pepeli in žlindre.

Razvoj novih materialov in kompozitov temelji na alkalijsko aktiviranih reakcijah. V primerjavi s komercialno dostopnimi gradbenimi proizvodi alkalijsko aktivirani materiali praviloma dosegajo primerljive mehanske in trajnostne lastnosti, v določenih primerih pa jih celo presegajo.

Toplotna izolacija s primerljivimi in izboljšanimi lastnostmi

Alkalijsko aktivirani izolacijski materiali so po navedbah strokovnjakinj po toplotnoizolativnih lastnostih primerljivi s klasičnimi izolacijami, kot so kamena in steklena volna ter EPS in XPS. Ob tem izkazujejo višjo mehansko trdnost, kar zmanjšuje tveganje za poškodbe zaradi udarcev ali mehanskih obremenitev. Posebej izstopajo tudi po negorljivosti oziroma odpornosti na zelo visoke temperature, tudi nad 800 °C.

Takšne izolacije so primerne za širok spekter uporabe, pri čemer je bistveno, da so izolacijski paneli načrtovani glede na konkreten namen uporabe. To se odraža v prilagojeni sestavi materiala in ustrezno izbranem proizvodnem postopku. Poleg mehanskih in toplotnih lastnosti je treba upoštevati tudi druge ključne parametre, kot so paroprepustnost, vpijanje vode in trajnost, ki morajo biti skladni z veljavnimi standardi za primerljive izdelke na trgu, če želijo zagotoviti konkurenčnost inovativnih rešitev.

Pomembna nadgradnja pen, razvitih na ZAG, je izdelava kompozitov s penami in lahkimi agregati. Ti prinašajo dodatno znižanje gostote in s tem izboljšanje izolativnih lastnosti, manjše skrčke in posledično manj razpok ter boljše mehanske lastnosti. Za te kompozite so pridobili tudi slovenski patent. Končne lastnosti materiala so močno odvisne od vrste in sestave vhodnih surovin – predvsem mineralnih odpadkov, kot so elektrofilterski pepeli, različne vrste žlinder, papirniški mulj, odpadno steklo in mineralna volna – ter od izbranega postopka priprave mešanice in pogojev nege.

Silicijev in aluminijev oksid ter vloga penilcev

Mineralne surovine, primerne za alkalijsko aktivacijo, morajo vsebovati čim večji delež amorfnega silicijevega in aluminijevega oksida, ki sta ključna za potek alkalijsko-aktivacijske reakcije. Nekateri materiali, na primer mineralna volna in odpadno steklo, so bogati predvsem z amorfnim silicijem, medtem ko druge surovine, kot je metakaolin, vsebujejo tudi znatne količine amorfnega aluminija.

Pomembno vlogo v reakcijskem sistemu ima tudi kalcij; zlasti kalcijevo bogate žlindre, kot je plavžna žlindra, lahko izkazujejo zelo visoko reaktivnost. Za sprožitev in potek alkalijske aktivacije je nujen močno alkalen medij, najpogosteje v obliki raztopin natrijevega hidroksida in/ali natrijevega silikata (vodnega stekla).

Zahtevnejši proizvodni proces

Pri razvoju izolacijskih panelov na osnovi alkalijsko aktiviranih materialov je proizvodni postopek nekoliko zahtevnejši, saj je poleg same alkalijsko-aktivacijske reakcije treba natančno nadzorovati tudi proces penjenja. »Upoštevati je treba, da v sistem vnašamo heterogene mineralne odpadke, pri katerih v reakcijo praviloma vstopi le amorfni del materiala, pa še ta ne nujno v celoti,« opozarjata sogovornici.

Ključnega pomena je kontrolirano penjenje, saj lahko pretirano tvorjenje por vodi v poslabšanje mehanskih lastnosti materiala. Z ustreznim postopkom in optimizirano recepturo mešanice je mogoče doseči zelo nizko toplotno prevodnost, ki je v primerjavi z nekaterimi obstoječimi materiali, na primer porobetonom, lahko celo nižja, ob hkratnem ohranjanju primerljivih mehanskih lastnosti.

Na trgu jih še ni

Produkti, razviti na ZAG, za zdaj še niso dostopni na trgu za širšo uporabo. Kot pojasnjujeta sogovornici, industrijskih proizvodnih obratov za alkalijsko aktivirane materiale trenutno še ni. Glavni razlog je dejstvo, da se na ravni Evropske unije še vzpostavlja ustrezen regulativni in standardizacijski okvir, ki bo omogočil njihovo širšo uvedbo na trg.

Pričakujeta, da se bodo evropske politike v prihodnje še izraziteje usmerile v povečano uporabo sekundarnih in odpadnih materialov, zlasti mineralnih odpadkov, ki so z vidika alkalijske aktivacije izjemno primerna surovina.

In cena?

Kako pa je s ceno – bodo ti napredni materiali cenovno dostopni? Natančnih izračunov proizvodnih stroškov še niso izvedli, so pa pripravili okvirne ocene, iz katerih izhaja, da bi bila cena izdelkov primerljiva ali morda nekoliko višja od cen komercialno dostopnih alternativ.

»Višja cena je predvsem posledica dejstva, da so obstoječe proizvodne linije za standardne materiale že dolgo vzpostavljene in optimizirane, medtem ko se proizvodni postopki, pilotni obrati in optimizacija linij za alkalijsko aktivirane materiale še razvijajo,« pojasnjujeta. Poleg tega trenutna faza proizvodnje zahteva delno ročno delo, kar podaljšuje čas izdelave in povečuje stroške dela.

Ob predpostavki, da se bo tehnologija v prihodnje razširila in da se bodo proizvodni postopki dodatno optimizirali, sogovornici pričakujeta tudi večjo konkurenčnost, kar bo dolgoročno prispevalo k znižanju stroškov in boljši cenovni dostopnosti teh inovativnih materialov.