Sam­an­tekt

Stór sem­ents­fram­leið­andi (Heidel­berg Cem­ent Pozzol­anic Mater­i­als ehf) hefur áhuga á að flytja milj­ónir tonna af svo­nefndu “poss­ól­an”-efni í fram­leiðslu sína erlend­is. Ýmsir hafa áhyggjur af löngum flutn­ingi efn­is­ins frá námu til Þor­láks­hafn­ar. Hér er senni­lega um mis­skiln­ing að ræða. Ein­fald­ast er að poss­óla­nefnið verði hreins­að, þurrkað og malað í rétta korna­stærð til notk­unar til sem­entsí­blönd­unar nærri töku­stað. Þá má geyma efnið og flytja í geymum líkt og sem­ent. Flutn­ingur þess gæti þá farið fram með þrýsti­lofti í lok­uðum flutn­ings­kerfum líkt og inn­flutt sem­ent.

Rann­sóknir á nátt­úru­poss­ól­önum hér á landi hófust hjá Atvinnu­deild Háskóla Íslands eftir heims­styrj­öld­ina síð­ari. Frum­kvöð­ull þess var Har­aldur Ásgeirs­son verk­fræð­ing­ur, sem síðar varð fram­kvæmda­stjóri Rann­sókna­stofn­unar bygg­ing­ar­iðn­að­ar­ins. Þessar rann­sóknir skil­uðu árangri og birt­ust greinar um þær í erlendum fræði­rit­um. Voru þær eitt stærsta verk­efni stofn­un­ar­innar á síð­ari hluta tutt­ug­ustu ald­ar­inn­ar.

En nú er skarð fyrir skildi, með nið­ur­lagn­ingu Nýsköp­un­ar­mið­stöðvar hafa opin­berar stein­steypu­rann­sóknir lagst nið­ur. Þró­unin á nýt­ingu gos­efna sem fram­tíðar bindi­efni í stein­steypu gætu haft mikla þýð­ingu hér á landi, sér­stak­lega ef þróun á geopolymer- eða jarð­fjöllið­un­ar-­steypu verður árang­urs­rík. Hún gæti jafn­vel opnað mögu­leika á því að sem­ents­fram­leiðsla, sem byggð er ein­göngu á notkun þeirra, hefj­ist á Íslandi.

Upp­runi poss­óla­nefn­anna

Það er ekki fyrr en um síð­ast­liðin alda­mót, að sú stað­reynd varð ljós, að við fram­leiðslu sem­ents mynd­að­ist eitt mesta útstreymi koldí­oxíðs í iðn­ferlum á jörð­inni. Sem var­an­leg lausn á þessum vanda til lang­frama hefur verið nefnd aukin notkun jarð­efna með svo­nefnda poss­ól­aniska eig­in­leika. Til þess að gera sér betri grein fyrir vand­anum er rétt að skoða feril og sögu sem­ents­fram­leiðsl­unn­ar.

Sem­ent er bindi­efni, sem notað er, til þess að líma saman stein­efni, möl og sand við gerð stein­steypu. Aðal grunn­hrá­efnið í sem­ent er kalk­steinn, sem finnst víða í miklu magni og sam­anstendur af þremur frum­efn­um, kals­íum, kolefni og súr­efni. Sam­eind kalk­steins­ins er þá rituð Ca (CO3) og efna­fræði­heitið er kals­íum­kar­bónat. Sé kalk­steinn­inn hit­aður upp í nokkur hund­rað gráður klofnar hann niður í tvö efna­sam­bönd, kalk eða kals­íumoxíð (CaO) ann­ars vegar og koldí­oxíð (CO2) hins veg­ar. Hin eig­in­lega saga sem­ents­ins hefst á öld­unum kring um Krists­burð eða 300 árum f.K. til 476 e.K. Heim­ildir tveggja vís­inda­manna á fyrstu öld e.K. gefa góðar upp­lýs­ingar um þró­un­ina á notkun sem­ents í Róm­ar­veldi á þessum tíma.

Annar þess­ara vís­inda­manna var Gaius Plinus Secundus eða Plinus eldri, sem var róm­verskur nátt­úru­fræð­ingur og emb­ætt­is­mað­ur. Hinn vís­inda­mað­ur­inn var Markús Vítrúvíus Pollíó, róm­verskur arki­tekt og verk­fræð­ing­ur, sem skrif­aði 10 bækur um bygg­ing­ar­list (De architect­ura libri decem), sem er eina varð­veitta rit­verk sinnar teg­undar úr fornöld. Róm­verjar upp­götv­uðu þá stað­reynd, að ef þeir blönd­uðu kís­il­sýru­ríkum efnum í kalk­múr­inn, varð hann sterk­ari og harðn­aði jafn­vel undir vatni. Þetta var mjög mik­il­vægt, þar sem kalk­múr­inn harðn­aði ein­göngu í lofti. En róm­verska her­veldið á þessum tíma var farið að byggja vatna­mann­virki, sér­stak­lega hafn­ar­mann­virki, fyrir flota sinn. Kís­il­sýru­rík efni voru bæði brenndur leir og gosaska. Var íblönd­un­ar­efnið þá nefnt poss­óla­nefni eftir þorpi nálægt Napólí á Ítalíu . Þannig er talið að fyrsta upp­götvun eins konar stein­steypu hafi orðið til þegar kalk­grauti var smurt á vota leir­veggi úr gos­efna­leir í nánd við bæinn Pozzouli við Napoli­flóa, senni­lega um 200 árum fyrir Krists­burð.

Þannig blanda var notuð í mörg mik­il­væg­ustu mann­virki Róm­verja svo sem róm­versku böð­in, Coliseum og Pantheum í Róm og Pont du Gard vatns­leiðsl­una í Suður Frakk­landi. Vítrúvíus tal­aði um 2 hluta poss­óla­nefna á móti 1 hluta af kalki í bindi­efn­ið. Dýrafita, mjólk og blóð var notað í múr­inn sem hjálp­ar­efni, þau juku þjálni og þétt­leika. Og þessi mann­virki standa enn í dag. Bæði Róm­verjar og Grikkir til forna gerðu sér ljósa þýð­ingu þess að nota fínmal­aða gosösku saman við kalk og sand til að gera múr­blönd­ur. Grikkir not­uðu gosösku frá eyj­unni Thera (nú Santor­in). Poss­óla­nefnið sem Róm­verjar not­uðu var rauð gosaska frá eld­fjall­inu Vesu­vi­us, sem fyr­ir­finnst víða við Napólíf­ló­ann og besta efnið er einmitt að finna í nágrenni bæj­ar­ins Puzzu­oli.

Róm­verjar báru þekk­ing­una með sér út í fjar­læga hluta heims­veld­is­ins og múr­verk, sem fund­ist hefur t.d. í Englandi hefur reynst standa jafn­fætis því besta á Ítal­íu. Mul­inn tíg­ul­steinn var venju­lega not­aður á þessum stöðum en á fáeinum svæðum var þó gosaska notuð t.d. við Rín í Þýska­landi (Trass). Eftir fimmt­ándu öld fara gæði múr­blandn­anna batn­andi og róm­verska blandan hélt lengi yfir­burðum sín­um, sem eina not­hæfa efnið í mann­virki undir vatn­i.. Þegar við nálg­umst nútím­ann hefst mik­il­væg­asta fram­þró­unin í sem­ents­gerð skömmu fyrir upp­haf 19. aldar með gerð Portland­sem­ents. Það var Eng­lend­ing­ur­inn John Smeaton (1724 – 1792) sem var spor­göngu­maður þess að rann­saka sam­setn­ingu og brennslu þess sem­ents, sem átti eftir að verða und­an­fari nútíma sem­ents­gerðar Sá sem fékk svo heið­ur­inn af því að finna upp Portland­sem­entið og fá einka­leyfi fyrir því, var Jos­eph Aspd­in. Hann var múr­ari og fædd­ist í Leeds (1779–1855). Var nafnið kennt við mjög hart og end­ing­ar­mikið stein­efni, sem fannst á Portland-eyju nærri Dor­set Englandi.

Rann­sóknir á poss­óla­nefnum á Íslandi

Notkun sem­ents og stein­steypu hér á landi hefst ekki fyrr en í byrjun tutt­ug­ustu ald­ar. Sem­entið var inn­flutt frá ýmsum Evr­ópu­lönd­um. Umræða um notkun poss­óla­nefna í stein­steypu hér á landi var þá ekki þekkt og hefst ekki fyrr en eftir lok heims­styrj­ald­ar­innar síð­ari. Eng­inn íslenskur tækni- eða vís­inda­maður íslenskur hafði fram til þess tíma numið stein­steypu­fræði sér­stak­lega, ef frá er tal­inn íslen­skætt­aður vís­inda­maður í Saskatchewan í Kana­da, Þor­valdur Þor­valds­son að nafni, sem var þekktur fyrir rann­sóknir á end­ingu stein­steypu.

Sá vís­inda­maður íslenskur, sem átti frum­kvæði að og kom af stað athug­unum á notkun nátt­úru­poss­ól­ana í stein­steypu á Íslandi var Har­aldur Ásgeirs­son verk­fræð­ing­ur, sem var um langt ára­bil fram­kvæmda­stjóri Rann­sókna­stofn­unar bygg­ing­ar­iðn­að­ar­ins. Har­aldur fór til náms í efna­verk­fræði til Banda­ríkj­anna í miðri heims­styrj­öld­inni 1941 og nam næstu fjögur árin efna­verk­fræði við háskól­ann í Ill­in­ois (Uni­versity of Ill­in­ois). Við skól­ann var þekkt rann­sókna­deild fyrir rann­sóknir á eig­in­leikum sem­ents og steypu. Þá þegar var farið að stunda rann­sóknir á því hvernig minnka má orku­notkun við fram­leiðslu sem­ents. Har­aldur vann fyrstu árin við athug­anir á notkun raf­orku við fram­leiðslu álsem­ents, sem­ents­teg­und sem fram­leiða mátti við lægra hita­stig en þær 1.450°C, sem þurfti við fram­leiðslu Portland­sem­ents. Meistara­gráðu lauk hann svo árið 1945 með til­raunum á lækkun bræðslu­marks sem­ents­gjalls með íblöndun bræðslu­markslækk­andi efna (flux-efni) við brennslu sem­ents­ins. Að loknu námi fór Har­aldur í margar heim­sóknir í fram­leiðslu­fyr­ir­tæki sem­ents í Banda­ríkj­unum og kynnti sér fram­leiðslu og fram­leiðslu­ferla hinna ýmsu sem­ents­teg­unda.

Áður en lengra er haldið er rétt að skýra nokkuð efna­ferla við gerð sem­ents og í fram­hald­inu hvernig poss­óla­nefnin tengj­ast þeim.

Helstu efni og aðferðir

Eins og fram kemur hér á undan var brennt kalk (CaO) und­an­fari bindi­efn­is­ins sem­ents, sem hlaut nafn sitt á blóma­skeiði bygg­ing­ar­listar Róma­veldis kring um Krists­burð. Voru mann­virki úr stein­steypu í Róma­veldi nefnd opus caem­ent­ici­um. Með áfa­m­hald­andi brennslu fínmal­aðs kalks og íblöndun sil­is­íum (ísl.:kís­il) ríkra jarð­efna (t.d. ýmis konar leir­efna) upp að bræðslu­marki blönd­unnar fékkst bindi­efni, sem gat bundið möl og sand í stein­steypu. Leir­sam­bönd við sem­ents­gerð­ina eru álsili­köt (sam­bönd áls og kís­il­sýru). Við brennslu á blöndu kalks og sílikata í sem­entsofnum við allt að 1450°C hita mynd­ast bindi­efna­sam­bönd sem­ents­ins.

Það efna­sam­band sem­ents­ins, sem gefur mestan styrk er kals­íumsilikat með háu inni­haldi af kals­íum (kals­íumtrisilikat). Við gerð stein­steypu er sem­entið blandað vatni. Við það byrjar sem­entið smám saman að harðna. Efna­ferlið bygg­ist á sam­bandi kals­íumsilikats við vatn og nefnt vatnað (hydrated) kals­íumsilikat. Hörðnun sem­ents­ins bygg­ist á kristöllun þessa efna­sam­bands. Sams­konar jarð­efna­sam­band er ekki þekkt í nát­úr­unni, en krist­al­bygg­ing þess lík­ist jarð­efn­inu tobermorit. Við vötnun sem­ents­ins mynd­ast einnig visst magn af vötn­uðu kalki (kals­íum­hydroxíð). Það hefur enga bindi­eig­in­leika og gefur steyp­unni engan styrk.

Poss­ól­anar er alþjóð­legt orð líkt og sem­ent og hefur ekki verið þýtt á íslensku. Poss­ól­anar eru venju­lega skil­greindir sem efni sem ein sér hafa ekki sem­ents­bind­andi eig­in­leika en með kals­íum­hydroxíði (t.d. er mynd­ast við vötnun hreins Portland­sem­ents) mynda þeir svipuð efna­sam­bönd og sem­ent. Poss­óla­nefni eru venju­lega notuð sem íblöndun eða við­auki í sam­sett eða blönduð sem­ent (cem­ent extend­er) eða beint í stein­steypu­blönd­ur. Er það gert til þess að auka lang­tíma styrk steypunn­ar, þétt­leika og fleiri eig­in­leika hennar svo sem vörn gegn alka­lí­þenslu. Poss­ól­önum má skipta í tvo aðal­flokka nátt­úru- poss­ól­ana og gerfi- eða iðn­að­ar­poss­ól­ana. Nátt­úru- poss­ól­anar eru oft­ast ein­hvers konar eld­fjallaaska en þeir geta líka inni­haldið viss jarð­efni svo sem kís­il­þör­unga (t.d. kís­il­gúr). Gerfi- eða iðn­að­ar­poss­ól­anar eru aftur á móti efni, sem orðið hafa til við ýmis konar brennslu eða með­höndlun jarð­efna eða eldsneytis svo og úrgangur frá iðn­ferl­um.

Notkun poss­ól­ana í sem­ent og stein­steypu hefur vaxið mjög á síð­ustu tímum og ekki síst á síð­ustu ára­tugum þar sem notkun þeirra dregur mjög úr myndun gróð­ur­húsa­loft­teg­unda. Poss­óla­nefnin koma þá í stað sem­ents­gjall­s­ins í sem­ent­inu en gjall­brennslan hefur mikla CO2 myndun í för með sér. Algengt er að allt að 40% sem­ents­gjall­s­ins sé skipt út fyrir poss­óla­nefni við sem­entsmölun eða álíka magn þeirra komi í stað sem­ents við stein­steypu­gerð. Við nútíma steypu­gerð, með nákvæmri hönnun steypu­blanda og þeim hjálp­ar­efnum (t.d. þjálni­efn­um) sem notuð eru, hefur tek­ist að nýta hátt hlut­fall poss­óla­nefna án þess að byrj­un­ar­styrkur bindi­efna­blönd­unnar lækki að ráði. Við íblöndun poss­ól­efna ásamt sem­enti í stein­steypu verður til útskipt­ing á kals­íum­hydroxíði og álsili­kötum frá poss­óla­nefn­unum og það mynd­ast við­bót­ar­bindi­efni. Er það kals­íumsili­köt, þar sem ál er komið að hluta í stað sil­is­íums (ísl. kís­ill) í sili­kötun­um. Kals­íum­hydroxíði sem hefur ekki bindi­eig­in­leika og er veikur hlekkur í hörðnun steypunn­ar, er þannig skipt út fyrir kals­íumsilikathydröt og álsilikathydröt, sem dreifa sér inn í hol­rými steypunn­ar, styrkja hana og þétta. Á þessu bygg­ist að styrkur og þétt­leiki sem­ents­múrs­ins vex við íblöndun poss­óla­nefna.

Aftur heim til Íslands

Hverfum aftur til þess að Har­aldur Ásgeirs­son kemur heim frá námi. Hann fær þá stöðu við Atvinnu­deild Háskóla Íslands (AHÍ), sem þar hafði verið stofn­uð, til þess að styðja við atvinnu- og iðn­að­ar­starf­semi í land­inu. Hóf hann þar störf við nýbyrj­aðar bygg­inga­efna­rann­sókn­ir. Þar á meðal var nýt­ing léttra gos­efna eins og vik­urs og perlu­steins en einnig þátt­taka í und­ir­bún­ingi á íslenskri sem­ents­fram­leiðslu og stað­setn­ingu henn­ar. Það er í kring um stríðs­lok 1945, sem Har­aldur hefur rann­sókna­störf sín hjá Atvinnu­deild­inni. Þar er um sama leyti að hefj­ast jarð­ræði­rann­sóknir og rann­sóknir á íslenskum jarð­efn­um, einkum gos­efn­um. Var Tómas Tryggva­son þar fremstur í flokki jarð­fræð­inga. Hófu þeir Har­aldur sam­vinnu um að finna heppi­leg gos­efni fyrir t.d. létt­steypur svo og hrá­efni fyrir sem­ents­gerð. Leit að hrá­efnum í sem­ent reynd­ist ekki auð­veld, en lauk með heppi­legum fundi á kalkríkum skelja­sandi á sjáv­arbotni nærri Akra­nesi og not­hæfu sil­is­íum­ríku við­bót­ar­efni, líp­ar­íti úr námu í botni Hval­fjarð­ar. Sem­ents­verk­smiðja rík­is­ins (SR) hóf svo starf­semi árið 1958.

Rann­sókn­irnar á gos­efnum Íslands leiddu svo í ljós að mörg þeirra höfðu mikla og góða poss­ólan­eig­in­leika. Það vakti áhuga Har­aldar að skoða þessa eig­in­leika nánar og kom hann upp rann­sókna­að­stöðu hjá AHÍ, til þess að mæla staðl­aða eig­in­leika inn­flutts sem­ents, en einnig þessa sér­stöku eig­in­leika gos­efn­anna. Ástæður þessa áhuga voru aðal­lega tvær, ann­ars vegar sú þekk­ing og reynsla á auknum gæðum steypu með íblöndun poss­óla­nefna, en einnig nýleg vit­neskja um skað­leg áhrif alka­lí­málma í sem­enti á end­ingu stein­steypu. Um 1940 birti sem­ent­sér­fræð­ingur í Banda­ríkj­un­um, Thomas E. Stanton að nafni, grein um að of hátt magn alka­lí­málma í steypu gæti valdið hættu­legri þenslu steypu í vatna­mann­virk­um. Har­aldur hafði kynnt sér þessar rann­sóknir með íslenskar aðstæður í huga. Hjá byggigar­rann­sóknum AHÍ hóf hann brátt staðl­aðar til­raunir á áhrifum fínmal­aðra gos­efna, sem væru lík­leg til að hafa poss­óneigin­leika. Prófað var t.d. móberg, vikur og gjall og sýndu allar teg­und­irnar góða poss­ólan­eig­in­leika.

Eftir að Rann­sókna­stofnun bygg­ing­ar­iðn­að­ar­ins (Rb.) hóf starf­semi árið1965 var svo rann­sókn­unum haldið áfram. Sér­stak­lega var þeim beint að poss­óla­ná­hrifun þess­ara efna gegn hættu á alka­lí­þenslu í íslenskri steypu. Var þá haft í huga áform á þessum tíma um að reisa virkj­anir og önnur vatna­mann­virki t.d. hafn­ar­mann­virki. Um þetta leiti teng­ist svo Rb. alþjóð­legum rann­sóknum á vörnum gegn alka­lí­þenslu í stein­steypu og voru rann­sóknir á poss­óla­nefnum á þeim vett­vangi helst stund­aðar hér á landi. Þar sem svo íslenska sem­entið reynd­ist hafa hátt magn alkalísalta og fram­kvæmdir á bygg­ingu virkj­ana- og hafna­mann­virkja stóð fyrir dyr­um, var þegar ráð­ist í breyt­ingar á íslenska sem­ent­inu með íblöndun fínmal­aðs líp­ar­íts og síðar ryki frá Járn­blendi­verk­smiðj­unni (El­kem) á Grunda­tanga. Áður hafði verið hafin í SR fram­leiðsla poss­ól­an­sem­ents með 30% íblöndun fínmal­aðs líp­ar­íts og móbergs. Það sem­ent hafði langan hörðn­un­ar­tíma og var aðal­lega notað árið 1965 í stóra til­raun í kafla af steypu Reykja­nes­brautar en ekki eru heim­ildir um árangur til­raun­ar­inn­ar.

Eftir 1972 er farið að blanda allt sem­ent fram­leitt í SR með 5-10% fín­möl­uðu líp­ar­íti og brátt var hafin fram­leiðsla á svoköll­uðu Sig­öldu­sem­enti með 25% íblöndun líp­ar­íts. Það sem­ent var notað með góðum árangri og end­ingu steypunnar t.d. í Sig­öldu­virkj­un, Sult­ar­tanga­virkjun og ýmis hafn­ar­mann­virki. Við poss­ól­an­rann­sókn­irnar hjá Rb. hafði komið í ljós, að mjög fín­korna úrgangs­efni, sem mynd­að­ist við fram­leiðslu Járn­blendi­verk­smiðj­unn­ar, hafði óvenju sterk poss­óla­ná­hrif. Var rykið nefnt kís­il­ryk og hófst 7.5% íblöndun á því í allt sem­ent, sem fram­leitt var í SR frá árinu 1979. Þetta hafði þau áhrif, að alkal­í­skemmdir fund­ust ekki í húsum byggðum eftir það. Þegar Blöndu­virkjun var byggð kom í ljós hættu­leg alka­lí­virkni steypu­efn­anna, sem þar átti að nota. Áfram­hald­andi rann­sóknir hjá Rb. leiddu til þró­unar nýrrar sem­ents­blöndu með mjög sterkum áhrifum gegn alka­lí­þenslu. Hófst þá fram­leiðsla á nýrri sem­ents­teg­und með íblöndun á 10% kís­il­ryki og 25% líp­ar­íti. Hún var svo síðar notuð í steypu­fram­kvæmdir við Blöndu­virkjun og víðar og nefnd Blöndu­sem­ent. Öll þessi rann­sókna- og þró­un­ar­vinna var fram­kvæmd hjá Rb. Hversu snemma þessi þróun var á alþjóða mæli­kvarða má greina af því, að sem­ent með kís­il­ryk­sí­blöndun hafði ekki verið sett áður á markað í heim­inum fyrir 1979 og svo mun einnig hafa verið um Blöndu­sem­ent­ið. Þá þótti það einnig nýlunda að fram­leiða þrí­þátta sem­ent þ.e. með íblöndun tveggja poss­óla­nefna (tern­ary blend). Reynsla síð­ari ára hefur svo sýnt kosti þess­ara sem­ents­blandna.

Nýjar rann­sóknir á stein­steypu Róm­verja

Á síð­ari hluta tutt­ug­ustu ald­ar­innar beindust rann­sóknir steypu­sér­fræð­inga mjög að end­ingu stein­steypunnar og steypu­skemmdum í mann­virkj­um. Inn í umræður um það svið blönd­uð­ust ýmsar vanga­veltur um reynslu fyrri tíma af end­ingu stein­steyptra bygg­inga og þá sér­stak­lega end­ingu margra fornra mann­virkja t.d. frá tíma Róm­verja, sem enn eftir 2000 ár eru í merki­lega góðu ástandi. Þetta þótti ekki hljóma vel í sam­an­burð­inum við vænt­an­lega end­ingu nútíma steypu, sem metin var 50-100 ár. Við Berkley­há­skól­ann í Kali­forníu er mjög full­komin aðstaða til rann­sókna á efna­sam­setn­ingu stein­steypu. Þaðan fór rann­sóknateymi til að skoða og rann­saka sjáv­ar­mann­virki frá tím­anum um Krist­burð við Napólíf­ló­ann. Einn af með­limum teym­is­ins, dr. Marie D. Jackson, hefur síðan unnið að rann­sóknum á þess­ari fornu stein­steypu svo og grein­ingu á hvernig hún er öðru­vísi sam­sett en nútíma stein­steypa.

Mis­mun­ur­inn virð­ist liggja í mis­mun­andi sam­setn­ingu bindimass­ans og kristöllun hans. Marie Jackson hefur nú líka fundið að bindi­efnið í róm­versku steyp­unni hefur öðru vísi efna­sam­setn­ingu en nútíma steypa. Þar hefur hluti af ála­tómum sem­ents­ins kom­ist inn í krist­al­gerð róm­versku steypunn­ar. Í stað hluta sil­is­íum atómanna hafa komið álatóm og myndað nýja krist­al­gerð svo­nefnt álto­bermorit. Ekki er algengt að jarð­efni, sem inni­halda ál-to­bermorít finn­ist í nátt­úr­unni. Þar má þó til greina, að 12 árum eftir gosið í Surtsey hafði álto­bermorít krist­all­ast í basalt­hnull­ung­urm (basaltic teph­ra) þar. Marie Jackson hefur áhuga á að skýra þessa myndun álto­bermorits­ins með fram­tíð­ar­þróun betri stein­steypu í huga og hefur hún tekið þátt í jarð­fræði­rann­sóknum í Surtsey með það í huga. Þessi stað­reynd gæti haft áhrif á þýð­ingu poss­ól­efna fyrir steypu­iðn­að­inn. En þar kemur fleira til.

Áhrif poss­óla­nefna á magn gróð­ur­húsa­loft­teg­unda

Á síð­ustu ára­tugum hefur umræðan um sem­ents­fram­leiðsl­una mjög snú­ist um mikil áhrif hennar á myndun gróð­ur­húsa­loft­teg­unda. Orsökin er aðal­lega myndun koldí­oxíðs við brennslu kalks. Það hafði þær afleið­ingar að sem­ents­fram­leið­endur hófu athug­anir á því hvort hægt væri að fram­leiða sem­ent með minna magn af brenndu sem­ents­gjalli sem er jú mjög kalkríkt. Þá var fyrsta og hag­kvæm­asta aðferðin að drýgja sem­entið með óbrenndum efn­um. Poss­ól­an­sem­ent með mis­mun­andi hárri íblöndun óbrenndra poss­óla­nefna hefur lengi verið þekkt mark­aðsvara. En poss­ól­an­sem­ent með háu inni­haldi poss­ól­ans­efna harðnar veru­lega hægar en venju­legt Portland­sem­ent. Því hefur poss­ól­an­sem­ent ekki verið talið æski­legt til notk­unar í venju­lega hús­bygg­inga­steypu og fremur notað í sér­steyp­ur, þar sem lengri end­ing og vatns­þétt­leiki er meg­in­at­riði.

Helsta ráðið við að flýta herslu sem­ents­ins hefur verið að mala poss­óla­nefnin fín­na, en til þess þarf oft að auka og bæta möl­un­ar­út­búnað sem­ents­fram­leiðsl­unn­ar. Það kostar veru­lega fjár­fest­ingu. Það vanda­mál leyst­ist að hluta, þegar í ljós kom, að ýmis fín­korna úrgangs­efni frá iðn- eða orku­fram­leiðslu fundust, sem höfðu góða poss­ólan­eig­in­leika. Má þar t.d. nefna flug­ösku, ryk sem safn­ast í ryk­s­íur við brennslu kola, einnig kís­il­ryk sem mynd­ast á sama hátt við fram­leiðslu kís­il­járns. Var í mörgum sem­ents­verk­smiðjum í Evr­ópu hafin íblöndun þess­ara iðn­að­ar­poss­ól­ana í venju­legt Portland­sem­ent upp úr síð­ustu alda­mótum og náð­ist íblöndun allt að 20% af sem­ents­þyngd­inni án þess að hörðn­un­ar­hrað­inn lækk­aði veru­lega.

Þarna hafði íslenska sem­ents­fram­leiðslan náð góðu for­skoti hvað varð­aði notkun poss­óla­nefna, sér­stak­lega eftir að hafin var íblöndun kís­il­ryks í allt sem­ent frá SR eftir árið 1979. Hér á landi var þetta mik­il­vægt, ef hafður er í huga ótti bygg­ing­ar­iðn­að­ar­ins við lækk­aðan hörðn­un­ar­hraða sem­ents­ins. Upp­taka á um 20% íblöndun flug­ösku í sem­ent nágranna­land­anna auð­veld­aði t.d. að íslensk sem­ents­fram­leiðsla var lögð niður árið 2012. En nýjar áskor­anir voru að koma í ljós þ.e. lofts­lags­vand­inn. Vegna hans varð aug­ljóst að aukin íblöndun poss­óla­nefna í sem­ent væri æski­leg. Poss­ól­anisk úrgangs­efni svo sem fluga­ska, kís­il­ryk og gjall frá stálfram­leiðslu hafa til þessa verið fyrir hendi í ríkum mæli og nýt­ing þeirra kostað lítið fyrir sem­ents­iðn­að­inn. Sem­ents­fram­leið­endur sjá aftur á móti nú fram á, að öflun þess­ara úrgangs­efna verði erf­ið­ari í fram­tíð­inni og verð á þeim hækki, einmitt vegna aðgerða gegn loftlsags­breyt­ing­um. Þess vegna hefur áhugi þeirra beinst aftur í meira mæli að nátt­úru­legum poss­óla­nefnum eins og gos­efn­um. Þessa er þegar farið að gæta, má þar benda á fyr­ir­hug­aðan útflutn­ing á efnum með poss­ólan­eig­in­leika héðan til Evr­ópu.

Har­aldur Ásgeirs­son og íslenskar rann­sóknir á stein­steypu

Þess er vert að minnast, að frum­kvöð­ull þeirra miklu rann­sókna og til­rauna með notkun íslenskra gos­efna sem poss­ól­aní­blöndun í sem­ent og steypu var, Har­aldur Ásgeirs­son, var á undan sinni sam­tíð. Har­aldur nýtti menntun sína vel, og af þekk­ingu og víð­sýni gerði hann þessar rann­sóknir að höf­uð­verk­efni stein­steypu­deildar Rb og Stein­steypu­nefnd­ar. Fengu rann­sókn­irnar tals­verða umfjöllun í erlendum fræði­rit­um. Þessar rann­sóknir héldu svo áfram hjá Nýsköp­un­ar­mið­stöð Íslands, en áfram­hald þeirra er nú í mik­illi óvissu eftir að sú stofnun var niður lögð og ekki er vitað um fram­tíð íslenskra steypu­rann­sókna. Er það rauna­legur endir á jafn viða­mik­illi og árang­urs­ríkri rann­sókna­starf­semi og þar var um að ræða.

Geopolymer- eða jarð­fjöllið­un­ar- sem­ent nýtt fram­tíð­ar­bindi­efni fyrir stein­steypu?

Miðað við áhuga erlendra sem­ents­fram­leið­enda á íslenskum nátt­úru­poss­ól­önum er senni­legt að rann­sóknir og þróun þeirra flytj­ist burt frá Íslandi í fram­tíð­inni. En auk þess að nota þau sem íblönd­un­ar­efni í Portland­sem­ent eru nú komnar fram þró­un­ar­hug­myndir um að poss­óla­nefnin taki alveg yfir hlut­verk Portland­gjall­s­ins í sem­ent­inu. Þessar hug­myndir byggj­ast á aðferð, þar sem úr upp­lausn fínmal­aðra poss­óla­nefna í sterkum lút (kal­íum- eða natr­íum- hydroxíð) ein­göngu, er fram­leitt bindi­efni.

Notað er efna­ferli fjöllið­un­ar, sem þekkt er úr fram­leiðslu plast­efna. Má þannig fram­leiða bindi­efni með álíka eig­in­leikum og getu gagn­vart stein­steypu­gerð og hefð­bundið Portland­sem­ent. Hefur þetta fjöllið­un­ar­ferli verið nefnt ólíf­ræn fjölliðun til aðgrein­ingar frá hinni hefð­bundnu líf­rænu fjölliðun við fram­leiðslu plasts. Líf­ræn fjölliðun bygg­ist á sam­einda­teng­ingu kolefn­isatóma. Ólíf­ræn fjölliðun í þessu til­felli bygg­ist á sam­einda­teng­ingu sil­is­íums, áls og súerfn­is. Plast­efna- fjölliðun gengur undir alþjóða­nafni „polymer“ en ólíf­ræn fjöllið­un, í þessu til­felli jarð­efna­fjölliðun er á erlendum málum nefnd „geopolymer“. Er þá talað um „geopolymer cem­ent“ og „geopolymer concrete“ eða jarð­fjöllið­un­ar-­sem­ent og steypu.

Efna­fræði­legur munur á hefð­bundnu Portland­sem­enti og jarð­fjöllið­un­ar-­sem­enti er að við hörðnun Portland­sem­ents mynd­ast krist­allað efni eins og áður kom fram með kristöllum líkum og eru í nátt­úru­lega jarð­efn­inu tobermorit. Jarð­fjöllið­un­ar-­sem­ent harðnar aftur á móti á líkan hátt og plast­efni við sterk sam­einda­tengsl grunnefn­anna. Þróun jarð­fjöllið­un­ar-­sem­ents eða jarð­fjöllið­un­ar-­steypu hefur enn ekki haslað sér völl í veru­legum mæli innan stein­steypu­iðn­að­ar­ins. Er það helst í Ástr­al­íu. En með til­liti til þess magns, sem finnst hér á landi af poss­óla­nefn­um, gæti verið um mikla fram­tíð­ar­mögu­leika að ræða, ef jarð­fjöllið­un­ar-­steypa nær álíka þró­un­ar­stigi og notkun og hefð­bundin Portland­sem­ents­steypa.

Höf­undur er fyrr­ver­andi fram­kvæmda­stjóri tækni­mála hjá Sem­ents­verk­smiðju rík­is­ins.

Heim­ild­ir:

1. https://kjarn­inn.is/frett­ir/t­hyskur-­sem­ents­risi-fa­er-49-t­hu­sund-­fer­metra-und­ir­-­starf­sem­i-i-t­hor­laks­hofn/
2. Sem­ents­iðn­aður á Íslandi í 50 ár, Verk­fræð­inga­fé­lag Íslands 2008
3. Glampar af gengnum vegi. Rit gefið út af börnum Har­aldar Ásgeirs­sonar 2020
4. https://sites.­google.com/vi­ew/is­lenskt-possol­an­sem­ent/heim
5. https://sites.­google.com/vi­ew/www­stein­steyp­a­is/heim
6. https://sites.­google.com/vi­ew/rtta-­sem­ent-tern­ar­y-cem­ent-t/heim
7. Í ljósi vís­ind­anna. Verk­fræð­inga­fé­lag Íslands 2005