Er mögu­legt að sem­ents­fram­leiðsla verði aftur að veru­leika á Íslandi? Notkun sem­ents og stein­steypu á nú undir högg að sækja. Ástæðan er mikil myndun koldí­oxíðs við fram­leiðslu hefð­bund­ins sem­ents (Portland-­sem­ent), sem eykur vanda­mál vegna lofts­lags­hlýn­un­ar. Þetta getur rýrt sam­keppn­is­stöðu stein­steypunnar sem bygg­ing­ar­efnis gagn­vart öðrum efnum svo sem t.d. timbri. Þó er þess að vænta að stein­steypan haldi stöðu sinni í stórum mann­virkj­um, sér­stak­lega þar sem hún er í snert­ingu við vatn, svo og undir miklu slitá­lagi svo sem í sam­göngu­mann­virkj­um.

Þetta hefur beint athygl­inni að nýrri gerð bindi­efnis í stein­steypu, sem hefur ekki lofts­lags­vanda­mál í för með sér. Uppi­staðan í hefð­bundnu sem­enti eru stein­gerð  kals­íumsili­köt, en nýja efnið er ólíf­ræn fjölliðun á álsili­kötum. Nýja efnið hefur fengið nafnið jarð­fjöllið­un­ar-­sem­ent (geopolymer cem­ent). Álsili­köt eru aðal­uppi­staðan í eld­fjalla-jarð­efn­um, en Ísland er einmitt sam­sett úr þess konar efn­um. Vegna mik­ils magns og fjöl­breyti­leika þess­ara efna hér á landi gæti Ísland orðið ákjós­an­legur staður fyrir fram­leiðslu jarð­fjöllið­un­ar-­sem­ents. 

Nýja bindi­efnið er enn á rann­sókn­ar­stigi og þess bíður langur tími tækni­þró­unar og reynslu, þar til það verður mark­aðs­hæft. Spurn­ingin er þó: Eiga íslensk bygg­ing­ar­yf­ir­völd og bygg­ing­ar­iðn­aður að láta málið til sín taka með rann­sóknum og til­raun­um?

Það hefði ekki þótt mikið vit í þess­ari spurn­ingu um síð­ustu alda­mót, en þá var fyrst farið að ræða í alvöru um hlýnun jarðar og hvernig mætti takast á við það risa­vaxna vanda­mál. Fram­leiðsla sem­ents er nefni­lega sú þriðja í röð­inni hvað varðar útblástur koldí­oxíðs á eftir orku­fram­leiðslu með kola­elds­neyti og málm­fram­leiðslu. Hefð­bundin við­miðun er myndun eins tonns af koldí­oxíði fyrir hvert fram­leitt sem­ent­stonn. 

Sem­ents­fram­leiðsla 

Fram­leiðsla sem­ents fer þannig fram að blanda af jarð­teg­undum með háu inni­haldi af kalki, t.d. kalk­steini, er fín­möluð saman við jarð­efni sem inni­halda kís­il­sýru, t.d. leir, og blandan síðan brennd í stórum sívaln­ings­ofnum við allt að 1500°C hita. Við það verður til sem­ents­gjall, sem við frek­ari fín­mölun verður að sem­enti , bindi­efni (lími) stein­steypunn­ar. Við brennsl­una ummynd­ast kalk­steinn­inn í brennt kalk og koldí­oxíð. Koldí­oxíðið sem þannig mynd­ast er um helm­ingur þess koldí­oxíðs sem mynd­ast við brennsl­una. Hinn helm­ing­ur­inn kemur frá elds­neyt­inu, sem er venju­lega kol.

Upp­haf sem­ents­fram­leiðslu hér og byrj­un­arörð­ug­leikar

Eftir síð­ustu heims­styrj­öld var farið að huga að því, hvort fram­leiða mætti sem­ent hér á landi. Þá þegar var þó ljóst, að hefð­bundin hrá­efni til sem­ents­gerðar voru ekki fyrir hendi á land­inu. Hug­myndin byggð­ist á því, að á Vest­fjörðum er skelja­sandur víða á fjörum og kalkinni­hald hans álíka og í kalk­steini. Kís­il­rík hrá­efni voru þarna þó af skornum skammti. Góður skelja­sandur fannst hins vegar á botni Faxa­flóa, milli Reykja­víkur og Akra­ness. Þar sem kís­il­ríkt basalt (líp­ar­ít) var að finna á svæð­inu norðan Hval­fjarð­ar, var sem­ents­verk­smiðja með um 100.000 tonna fram­leiðslu­getu sem­ents­gjalls byggð á Akra­nesi. Hóf hún starf­semi árið 1958. Verk­smiðjan var í eigu rík­is­ins og fékk nafnið Sem­ents­verk­smiðja rík­is­ins. 

Hátt magn af alkalí­sam­böndum í íslenska sem­ent­inu skap­aði hættu á notkun þess í steypu með vissum steypu­efn­um. Staf­aði það af efna­ferlum (alka­lí­þensla) milli virkra efna­sam­banda í steypu­efnum á höf­uð­borg­ar­svæð­inu og alkali­sam­banda sem­ents­ins, sem gátu valdið sprungu­myndun í steyp­unni. Þarna var komin upp mjög erfið staða, ný verk­smiðja, en sem­entið hættu­legt steyp­unni. Upp kom umræða um að skipta um steypu­efni, flytja inn alka­lífrí hrá­efni frá útlöndum eða jafn­vel loka verk­smiðj­unni. Engin þess­ara úrræða voru þó talin væn­leg. 

Alkal­í­skemmdir og við­brögð við þeim

Umræðan um alkali­þensl­una á sínum tíma varð mjög áköf. Opin­ber rann­sókna­stofnun á vegum bygg­ing­ar­iðn­að­ar­ins, Rann­sókna­stofnun bygg­ing­ar­iðn­að­ar­ins, var þá nýtekin til starfa. Iðn­að­ar­ráðu­neytið skip­aði vinnu­hóp árið 1967 , sem í sátu allir helstu framá­menn bygg­inga­mála í land­inu, til þess að taka á þessu vanda­máli. Hóp­ur­inn fékk nafnið Stein­steypu­nefnd. Fram­kvæmda­stjóri Rann­sókna­stofn­unar bygg­ing­ar­iðn­að­ar­ins og jafn­framt for­maður Stein­steypu­nefndar var Har­aldur Ásgeirs­son efna­verk­fræð­ingur . Hann hafði lært efna­verk­fræði í Banda­ríkj­unum með sem­ents­gerð sem sér­grein. 

Stofn­un­inni var falið það verk­efni að reyna að breyta sam­setn­ingu sem­ents­ins þannig að hætta á alkali­þenslu væri ekki fyrir hendi. Verk­efn­inu lauk 1971 og voru nið­ur­stöður henn­ar, að með ímölun jarð­efna með svo­nefnda „poss­ól­an“ eig­in­leika í sem­entið mætti koma alkali­þensl­unni niður fyrir hættu­mörk. Þessi aðferð hafði verið reynd með góðum árangri í Banda­ríkj­un­um. Jarð­efni með poss­ólan­eig­in­leika eru gjarnan gos­efni, sem eru lítt kristölluð og sam­an­standa af efna­sam­böndum kís­ils og áls ( álsili­köt ). Er þar viss skyld­leiki við efna­sam­setn­ingu Portland­sem­ents, sem sam­anstendur af kísli og kals­íum ( kals­íum-sili­köt ). Jarð­efni með poss­ól­aníska eig­in­leika fund­ust víða við norð­an­verðan Hval­fjörð og þau voru prófuð í alka­lí­rann­sókn­un­um. Þar sem líp­ar­ítið sem notað var í sem­ents­brennsl­una á Akra­nesi sýndi góða poss­ólan­eig­in­leika, var þegar hafin sam­mölun á því með sem­ents­gjall­inu.

Poss­óla­nefni - þ.a.m. afgangs­efni stór­iðju

Aðgerðin gegn alkali­þennsl­unni bar þann árangur sem að var stefnt. Tíu árum síð­ar, um 1980, kom svo til örfínt kís­il­ryk, sem til féll sem úrgangur úr kís­il­járn­verk­smiðj­unni á Grund­ar­tanga. Það hafði enn betri poss­óla­ná­hrif en líp­ar­ítið og var skipt út fyrir það í Sem­ents­verk­smiðj­unni. Það sem­ent var fyrsta verk­smiðju­fram­leidda sem­entið í heim­inum sem blandað var kís­il­ryki og var íslenska sem­entið þá talið í háum gæða­flokki og tekið inn í nýjan Evr­ópu­staðal fyrir sem­ent. Öll þessi rann­sókna­vinna og til­lögur að breyt­ingum á íslenska sem­ent­inu fóru fram á vegum Stein­steypu­nefndar hjá Rann­sókna­stofnun bygg­inga­iðn­að­ar­ins undir hand­leiðslu Har­aldar Ásgeirs­son­ar, sem þekkti til slíkra vand­mála frá Band­ríkj­un­um. 

Hátt verð jarð­olíu

En gæða­mál sem­ents­ins voru ekki einu vanda­málin sem Sem­ents­verk­smiðja rík­is­ins átti við að etja á ára­tugnum 1970 til 1980. Á þessum árum hækk­aði verð á brennslu­olíu upp úr öllu valdi. Var talið, að ef ekki yrði brugð­ist við, myndi rekstur verk­smiðj­unnar ekki standa undir sér. Aðrar verk­smiðjur fóru að brenna kol­um, sem voru miklu ódýr­ari en olí­an. Til þess að brenna kolum á Akra­nesi þurfti að reisa mik­inn og dýran búnað . Voru þá skoð­aðar margar leiðir með aðra orku­gjafa t.d. raf­magn, en allar voru of dýr­ar, svo að kola­brennslan varð að lokum ofan á. Erlendis voru þá margar rann­sókna­stofn­anir að skoða elds­neyt­is­verðið , því kola­verðið hélt líka áfram að hækka. Einn af þeim mögu­leikum sem tal­inn var koma til greina, var að þróa nýja gerð af bindi­efni í stein­steypu. Farið var t.d. að skoða aðferðir hlið­stæðar leir­brennslu. Leir, t.d. kaol­in, hefur svip­aða efna­sam­setn­ingu og poss­ól­anisk gos­efni og harðnar eftir vissa með­höndlun og upp­hit­un. Þessar hug­myndir voru fljót­lega afskrif­aðar vegna mik­ils kostn­að­ar, en allur kostn­aður í sam­bandi við sem­ents­gerð á þessum tíma var innan við­un­andi marka nema olí­an.

Eftir þennan for­mála um sem­ents­gerð á Íslandi er komið aftur að yfir­skrift þess­arar grein­ar, þ.e. því sem hefur verið nefnt „ólíf­ræn fjöllið­un“ eða geopolymer. 

Ný gerð sem­ents (stein­lím)

Um er að ræða fjölliðun kís­il- og ál-­sam­einda, til aðgrein­ingar frá „líf­rænni fjöllið­un“ ( polymer­isation ), sem er und­ir­staða allra plast­efna og bygg­ist á sam­ein­ingu á keðjum kolefn­is-­sam­einda. Upp­hafs­maður hug­mynd­ar­innar um tækni­lega nýt­ingu á jarð­fjölliðun var franskur efna­fræð­ing­ur, Jos­eph Dav­idovits að nafni. Hann var með dokt­ors­próf í hefð­bundnum fjöllið­un­ar­fræðum fyrir vefn­að­ar­vörur og starf­aði upp­haf­lega við vefn­að­ar­vöru­fram­leiðslu í Frakk­landi. Eftir að fram­leiðslu­fyr­ir­tækið sem hann vann hjá eyði­lagð­ist í bruna hóf hann að kanna óhefð­bundna nýt­ingu fjöllið­un­ar­fræð­inn­ar, þ.e. ólíf­ræna fjölliðun í stað líf­rænnar fjöllið­un­ar. Honum tókst að sýna fram á, að með sterkum alkal­ískum bösum (alkal­ískur basi, oft nefndur lútur á íslensku, er and­stætt efna­sam­band við sýru) væri hægt að leysa upp poss­óla­nefni og með­höndla þau á ákveð­inn hátt til að mynda með þeim bindi­efni. Hann notaði kaol­in- leir sem grunnefni í upp­hafi og tókst að sýna fram á að hægt væri að mynda úr því sterkt og var­an­legt bindi­efni fyrir stein­steypu. Dav­idovits fékk síðan einka­leyfi fyrir þess­ari upp­götvun sinn­i. 

Eins og áður kom fram var fram­leiðslu­kostn­aður hefð­bund­ins sem­ents mjög lágur þrátt fyrir hátt elds­neyt­is­verð. Sem­ents­iðn­að­ur­inn hafði því ekki áhuga á nýrri gerð bindi­efn­is. 

Rann­sóknir og þróun á geopolymer­sem­enti

Dav­idovits hélt þó áfram rann­sóknum sín­um, flutti til Banda­ríkj­anna þar sem hann starf­aði lengi sem pró­fessor í sér­fræði­greinum sín­um. Hvað varðar þróun bindi­efna með jarð­fjölliðun tók hann þátt í þróun sér­sem­ents á poss­ól­angr­unni , nefnt Pyra­ment cem­ent, ásamt með fyr­ir­tæk­inu Lone Star, sem er sem­ent­fram­leið­andi þar. Mjög þekktur varð hann einnig vegna rann­sókna sinna og kenn­inga um til­urð fornra mann­virkja, svo sem róm­verskra steypu­mann­virkja og egyp­sku pyramíd­anna. Hann kom svo á fót sér­stakri stofn­un, Geopolymere Institu­te, rann­sókna­stofnun í Sain­t-Quentin í Frakk­landi þar sem unnið er að þróun jarð­fjöllið­un­ar-bindi­efna.

Rann­sóknir Dav­idovits sýndu með tím­anum að stein­steypa sem gerð er með jarð­fjölliðun sem bindi­efni hafði ýmsa hag­kvæma eig­in­leika umfram steypu úr hefð­bundnu Portland­sem­enti. Fram­leiðsla jarð­fjöllið­un­ar-­sem­ents krafð­ist lægra hita­stigs og því minni orku. Ekki mynd­að­ist koldí­oxíð við fram­leiðslu þess. Þá var þekkt að ýmis úrgangs­efni frá öðrum iðn­grein­um, svo sem ryk frá kola­brennslu eða gjall frá stál­bræðsl­um, höfðu possol­aniska efna­sam­setn­ingu og nýtt­ust sem hrá­efni. Þessi úrgangs­efni voru áður mest urð­uð, en hafa síð­ustu ár einnig verið nýtt sem poss­óla­nefni í Portland sem­ent. 

Við fram­leiðslu jarð­fjöllið­un­ar- sem­ents mynd­ast ekki koldí­oxíð, þar sem kolefn­is­sam­bönd kalks­ins koma ekki við sögu. Poss­ól­anisku efnin eru ódýr en hita­orka og bas­isku efn­in, sem virka sem hvatar á upp­lausn hrá­efn­anna og efna­ferlið tengt því, er helsti kostn­að­ar­þátt­ur­inn. Jarð­fjöllið­un­ar­steypa harðnar mjög hratt, nær t.d. fullum styrk, sem er sam­bæri­legur við steypu úr Portland­sem­enti, innan fjög­urra klst. Í stórum dráttum virð­ist þetta nýja bindi­efni mjög áhuga­vert. Auk hörðn­un­ar­hrað­ans hefur jarð­fjöllið­un­ar­steypa með þessu mun meira við­nám gegn bruna og sýru­á­hrifum en steypa með Portland­sem­enti. En fram­leiðslu­kostn­aður þess­arar steypu er tölu­vert meiri en þeirrar hefð­bundnu. Í fyrstu hafði sem­ents- og steypu­iðn­að­ur­inn því ekki mik­inn áhuga á frek­ari þróun jarð­fjölliðna og m.a. þess vegna eyddi Dav­idovits svo mörgum árum í Banda­ríkj­unum við kennslu og önnur verk­efn­i. 

Sem­ent og lofts­lag

Það er eig­in­lega fyrst um síð­ustu alda­mót, eftir að lofts­lags­um­ræðan fór að fullu í gang, að menn átt­uðu sig á hversu meng­andi sem­ents­fram­leiðslan var. Ein aðal­að­gerðin til þess að minnka kolefn­is­spor sem­ents­ins var að drýgja það með óbrenndum efn­um. Þar voru poss­óla­nefnin heppi­leg­ust, þar sem þau juku bindi­eig­in­leika sem­ents­ins, en hægðu oft­ast um leið á hörðn­un­ar­hrað­an­um. Það var aftur á móti ekki vin­sælt hjá steypu­fram­leið­endum og bygg­ing­ar­verk­tök­um, sem forð­uð­ust jafnan notkun poss­ól­an­sem­ents, þar sem það hægði á bygg­ing­ar­hrað­an­um.

Vegna lofts­lags­um­ræð­unnar hóf sem­ents­iðn­að­ur­inn í byrjun 21. ald­ar­innar íblöndun poss­óla­nefna í allt venju­legt sem­ent, allt að 20% af heild­ar­þunga sem­ents­ins. Þar sem öll mörk um koldí­oxíð­mengun voru miðuð við árið 1990 ( yoto sam­komu­lagið 1997) náðu flestir sem­ents­fram­leið­endur að nýta sér sam­komu­lag­ið, þar sem miðað var við aukn­ingu frá 1990. Það nýtt­ist þó ekki Sem­ents­verk­smiðju rík­is­ins, sem hóf íblöndun mun fyrr, eða um miðjan átt­unda ára­tug síð­ustu ald­ar. Poss­ól­aní­blöndun sem­ents­fram­leið­enda í vest­rænum iðn­að­ar­löndum hefur hingað til verið að mestu svo­nefnd flugaska ( ryk frá kola­orku-verum ) og gjall frá stál­ver­um. 

Það er því ekki fyrr en fyrir 5-10 árum að ýmsar rann­sókna­stofn­anir , aðal­lega háskóla­stofn­an­ir, fóru fyrir alvöru að huga að nýt­ingu jarð­fjölliðna í stað Portland-­sem­ents. Og í raun er þessi rann­sókna­starf­semi ekki enn komin vel af stað, enda virð­ist sem­ents­iðn­að­ur­inn ennþá ekki hafa tekið neina stefnu­breyt­ingu í þá átt. 

Í þessum rann­sóknum er oft­ast gengið út frá nýt­ingu úrgangs­efna úr iðn­aði með poss­ólan­eig­in­leika sem hrá­efni. Sú for­gangs­röðun er sjálf­sagt bundin kostn­aði við öflun þeirra og einnig er heppi­legt að geta nýtt úrgangs­efni úr einum iðn­aði sem hrá­efni í öðrum iðn­aði. Með tím­anum má þó gera ráð fyr­ir, að með auk­inni eft­ir­spurn eftir flug­ösku verði minni þrýst­ingur á að leggja af kola­kynt raf­orku­ver, sem þá fer að vinna gegn mark­mið­inu að lækka kolefn­is­spor sem­ents­iðn­að­ar­ins.

Hvað nátt­úru­efni varðar sem hrá­efni í bindi­efni með jarð­fjöllið­un, þá rann­saka vís­inda­menn gjarnan kaolin og efni því skyld. Poss­ól­önsk gos­efni eins og hægt er að nálg­ast á jarð­elda­svæð­um, svo sem Íslandi, hafa minnst verið rann­sök­uð. Aðspurðir um gróft mat eða sam­an­burð á eig­in­leikum og nýt­ing­ar­mögu­leikum mis­mun­andi efna, t.d. íslenskra gos­efna, segja rann­sak­endur jarð­fjölliðna nauð­syn­legt að efna­greina sér­hverja teg­und gos­efna fyrir sig m.t.t. fjöllið­un­ar­eig­in­leika og nýt­ing­ar­mögu­leika.

Þá er þess að gæta að eig­in­leikar grunn­hrá­efn­anna segja ekki alla sög­una. Aðgangur að bas­iskum upp­lausn­ar­efnum og efna­hvötum ásamt orku­öflun og kostn­aði við þetta hefur þar einnig mikið að segja.

Eins og áður kom fram hefur hinn alþjóð­legi sem­ents­iðn­aður ekki sagt skilið við hið upp­runa­lega Portland­sem­ent og mun varla gera það á næst­unni. Að baki Portlands­sem­ent­inu liggur löng og árang­urs­rík þró­un­ar­saga og sama má segja um notkun þess í stein­steypu. Þeirri þekk­ingu og tækni sem þar liggur að baki verður ekki kastað fyrir róða á skömmum tíma. Steypu­svið Nýsköp­un­ar­mið­stövar Íslands hefur t.d. und­an­farið unnið mikið verk við þróun á umhverf­is­vænni stein­steypu á þeim grunni.

Tæki­færi til fram­fara

Hug­myndir um nýtt bindi­efni í stað Portland­sem­ents í stein­steypu virð­ast því enn sem komið er fram­tíð­ar­mús­ík. Þó er þegar hafin skoðun á þeim mögu­leika víða um heim, ekki síst í Ástr­al­íu. Á Íslandi vaknar spurn­ing­in: er þarna eitt­hvert tæki­færi fyrir okk­ur? Inn­flutn­ingur á ódýrri þunga­vöru eins og sem­enti til lands­ins er óhag­stæður og meng­andi. Ef hentug poss­óla­nefni til fram­leiðslu á jarð­fjöllið­un­ar­sem­enti fynd­ust hér í miklum mæli væri e.t.v. komið tæki­færi til að hefja íslenska sem­ents­fram­leiðslu á ný. 

Í þessu sam­bandi má minna á þá miklu áherslu, sem lögð var á nýt­ingu gos­efna á árunum milli 1970 og 1990, einmitt á því tíma­bili sem Sem­ents­verk­smiðjan fór að nýta þau til gæða­aukn­ingar íslenska sem­ents­ins. Þá var stofn­aður vinnu­hóp­ur, Gos­efna­nefnd, á vegum hins opin­bera, sem kann­aði ýmsa kosti, svo sem útflutn­ing á vikri, vinnslu perlu­steins og þenslu­hæfni hans, fram­leiðslu stein­ullar o.fl. Því má spyrja: eiga Íslend­ing­ar, stjórn­völd eða bygg­inga­iðn­að­ur­inn ekki að kanna áfram mögu­leik­ana á nýt­ingu gos­efna? Og, vit­andi um þennan fram­tíð­ar­mögu­leika, hefja rann­sóknir á poss­óla­nefnum með þessa nýt­ingu í huga? Í dag er ekki mik­ill flýtir sjá­an­legur á þessum rann­sóknum erlend­is, en hratt vax­andi kolefn­is­skattur á sem­ents­iðn­að­inn getur breytt því. Grunn­rann­sóknir á hrá­efnum héðan þurfa hugs­an­lega ekki að vera mjög kostn­að­ar­samar í byrj­un, því að þegar er til jarð­fræði­þekk­ing og ýmsar aðrar rann­sóknir frá því að Rann­sókna­stofnun bygg­ing­ar­iðn­að­ar­ins gerði poss­ól­an­rann­sókn­irnar 1970-1980. Þá eru hér einnig fyrir hendi poss­ól­anísk úrgangs­efni, sem falla til við málm­iðn­að, t.d. kís­il­ryk frá kís­il­járn-fram­leiðslu, ryk frá rykskiljum kís­il­verk­smiðja, gjall frá áliðn­að­inum o.s.frv. Þá er hér aðgangur að nægri og hent­ugri orku fyrir þessa fram­leiðslu (fram­leiðslu á alka­lílút með raf­grein­ingu vatns). Hér er bæði jarð­varmi, sem nýst gæti við upp­lausn efn­anna, svo og umhverf­is­vænt raf­magn. Allt eru þetta atriði sem vert væri að huga að, ef áhugi vakn­aði á nýt­ingu gos­efn­anna til sem­ents­gerð­ar.

Höf­undur er fyrr­ver­andi fram­kvæmda­stjóri tækni­mála Sem­ents­verk­smiðju rík­is­ins.