Hlutverk náttúrulegra possólanefna í sementsframleiðslu

Dr. Guðmundur Guðmundsson, fyrrverandi framkvæmdastjóri tæknimála hjá Sementsverksmiðju ríkisins, skrifar um sementsframleiðslu í ljósi frétta af áformum um vinnslu íblöndunarefna hér á landi til útflutnings.

Auglýsing

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.

Nú er lík­legt að margir spyrji: hvað er poss­óla­nefni ? Þar sem efni með poss­ól­an-eig­in­leika munu leika veru­legt hlut­verk í fram­tíð­inni sem íblönd­un­ar­efni í sem­ent eða jafn­vel koma í stað hefð­bund­ins Portland­sem­ents, er ástæða til þess að útskýra þetta hlut­verk nán­ar. Efni með þessa svo­nefndu poss­ól­an-eig­in­leika eru kals­íumsili­köt, sem hafa reynst vel sem við­bót­ar­bindi­efni ásamt Portland­sem­enti í stein­steypu. Poss­óla­nefnin eru bæði til sem jarð­efni (t.d. gos­efni) en einnig hafa ýmis úrgangs­efni frá orku- eða iðn­ferlum þessa eig­in­leika. Poss­óla­nefnin auka vatns­þétt­leika og end­ingu stein­steypunnar og eru því mest notuð í steypu, þar sem þess­ara eig­in­leika steypunnar er þörfþ T.d. vinna þau gegn alka­lí­þenslu. Þá hafa þessi efni á síð­ari tímum öðl­ast mikla þýð­ingu vegna áhrifa þeirra, til þess að minnka koldí­oxíð-út­streymi frá stein­steypu­gerð. Hingað til hefur við­eig­andi iðn­að­ar­úr­gangur aðal­lega verið nýttur sem poss­ól­anísk íblönd­un­ar­efni í sem­ent, en þar sem aðgerðir gegn lofts­lags­hlýnun draga úr magn­inu sem til fellur í orku- og iðn­ferlum, bein­ist athyglin nú í auknum mæli að notkun nátt­úru­poss­ól­ana. Þar á meðal eru ýmis gos­efni og er það skýr­ingin á hug­myndum um útflutn­ing gos­efna frá land­inu. Poss­óla­nefni eiga sér jafn­langa sögu og stein­steyp­an. Þau eru fyrst nefnd fyrir um 2000 árum við bygg­ingu steyptra mann­virkja í Róma­veldi og nefnd eftir Pozzu­oli, þorpi við Napolíf­ló­ann. Athygli steypu­sér­fræð­inga hefur und­an­farið beinst að óvenju­langri end­ingu mann­virkja frá þessum tíma. Það þykir einmitt styðja við kenn­ingar um jákvæð áhrif poss­ól­ana á end­ingu steypu.

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.

Auglýsing

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.

Þorpið Pozzuoli við Napólíflóann.

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.

Haraldur Ásgeirsson, frumkvöðull rannsókna á possólanefnum á Íslandi.

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.

Auglýsing

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.

Auglýsing

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

Við þurfum á þínu framlagi að halda

Þú getur tekið beinan þátt í að halda úti öflugum fjölmiðli.

Við sem vinnum á ritstjórn Kjarnans viljum hvetja þig til að vera með okkur í liði og leggja okkar góða fjölmiðli til mánaðarlegt framlag svo við getum haldið áfram að vinna fyrir lesendur, fyrir fólkið í landinu.

Kjarninn varð níu ára í sumar. Þegar hann hóf að taka við frjálsum framlögum þá varð slagorðið „Frjáls fjölmiðill fyrir andvirði kaffibolla“ til og lesendur voru hvattir til að leggja fram í það minnsta upphæð eins kaffibolla á mánuði.

Mikið vatn hefur runnið til sjávar á þeim níu árum sem Kjarninn hefur lifað. Í huga okkar á Kjarnanum hefur þörfin fyrir fjölmiðla sem veita raunverulegt aðhald og taka hlutverk sitt alvarlega aukist til muna.

Við trúum því að Kjarninn skipti máli fyrir samfélagið.

Við trúum því að sjálfstæð og vönduð blaðamennska skipti máli.

Ef þú trúir því sama þá endilega hugsaðu hvort Kjarninn er ekki allavega nokkurra kaffibolla virði á mánuði.

Vertu með okkur í liði. Þitt framlag skiptir máli.

Ritstjórn Kjarnans: Sunna Ósk Logadóttir, Þórður Snær Júlíusson, Erla María Markúsdóttir, Arnar Þór Ingólfsson, Eyrún Magnúsdóttir og Grétar Þór Sigurðsson.


Já takk, ég vil styrkja Kjarnann!
Bjarni hættir sem forstjóri Orkuveitu Reykjavíkur
Forstjóri Orkuveitu Reykjavíkur, Bjarni Bjarnason, óskaði eftir því á fundi stjórnar Orkuveitu Reykjavíkur að láta af störfum sem forstjóri í mars á næsta ári. Þá verða tólf ár liðin síðan Bjarni tók við forstjórastöðunni.
Kjarninn 26. september 2022
Halla Hrund Logadóttir orkumálastjóri.
Orkumálastýra fer spennt til vinnu á hverjum morgni – Ekki bara dökk ský í loftslagsmálum
„Það sem mun koma okkur á leiðarenda og út úr þessu hættuástandi er heitstrenging þess að vinna saman,“ segir Halla Hrund Logadóttir, forstjóri Orkustofnunar. Koma þurfi hlutunum í verk heima fyrir en ekki síður að beita sér í þágu fátækari ríkja.
Kjarninn 26. september 2022
Þjóðhættir
Þjóðhættir
Þjóðhættir – Hættið þessu fikti strákar!
Kjarninn 26. september 2022
Fyrstu meðalhraðamyndavélarnar hér á landi voru settar upp í fyrra. Ávinningurinn af þeim, í formi lægri slysakostnaðar, er sagður geta verið tífaldur á við kostnaðinn við að halda úti kerfunum.
Meðalhraðaeftirlit gæti verið „arðbærasta“ umferðaröryggismálið
Drög að nýrri umferðaröryggisáætlun stjórnvalda hafa verið birt. Þar segir að innleiðing meðalhraðaeftirlits á vegum landsins gæti talist arðbærasta umferðaröryggisframkvæmdin sem völ er á og að innleiðing slíks eftirlits verði forgangsmál næstu árin.
Kjarninn 26. september 2022
Kallað var eftir auknum kaupmætti í kröfugöngu verkalýðsins 1. maí síðastliðinn.
Kaupmáttur hefur rýrnað um 4,2 prósent á þessu ári og hefur ekki verið minni síðan 2020
Í júní síðastliðnum lauk tólf ára samfelldu skeiði þar sem kaupmáttur launa jókst, sé horft til breytinga milli ára. Á síðasta ári hefur kaupmátturinn himns vegar rýrnað um 1,6 prósent og hefur ekki verið minni síðan í lok árs 2020.
Kjarninn 26. september 2022
Guðmundur Ingi Guðbrandsson er félags- og vinnumarkaðsráðherra.
Vill lengja tímabil endurhæfingarlífeyris úr þremur árum í fimm
Stjórnvöld vilja gera fólki kleift að fá greiddan endurhæfingarlífeyri í lengri tíma en nú er gert ráð fyrir í lögum. Tilgangurinn er að reyna að fækka þeim sem fara á örorku og fjölga þeim sem snúa aftur til vinnu.
Kjarninn 26. september 2022
Tæknivarpið
Tæknivarpið
Tæknivarpið - Google Analytics bann og GTA6 myndbroti lekið
Kjarninn 26. september 2022
„Lukkuriddararnir“ í bakgarðinum
Þrír fyrrverandi þingmenn, fjögur erlend stórfyrirtæki, félag í eigu svokallaðs hrunverja og fólk úr sveitum Vesturlands koma við sögu í frásögn Sunnu Óskar Logadóttur af fundi þar sem vindorkufyrirtæki kynntu áform sín.
Kjarninn 26. september 2022
Meira úr sama flokkiAðsendar greinar