Materiały budowlane produkowane z wykorzystaniem odpadów

Szczególnie ważna wydaje się możliwość wykorzystania materiałów odpadowych w budownictwie przez ponowne zastosowanie przydatnych konstrukcyjnie elementów (reusing) lub zastosowanie surowcowe jako składników do produkcji nowych elementów budowlanych (recykling).

Opracowywaniem technologii ponownego wykorzystania odpadów zajmuje się wiele ośrodków badawczych na świecie. W artykule zostanie przedstawiony przegląd literatury, w której można znaleźć opisy wykorzystania różnorodnych materiałów będących odpadami, do otrzymywania tradycyjnych materiałów budowlanych, przy założeniu, że zachowane zostaną, a niejednokrotnie poprawione ich właściwości mechaniczne i użytkowe. Kolejno omówione będą sposoby zastosowania odpadów do modyfikacji i otrzymywania takich materiałów budowlanych, jak: ceramika, kruszywa, spoiwa (cement, gips), zaprawy, tynki, beton, materiały izolacyjne i materiały bitumiczne. Przedstawionych zostanie także kilka nowych materiałów o specyficznych właściwościach, które udało się otrzymać w ramach własnych badań rożnych autorów.

Ceramika

W literaturze można znaleźć wiele przykładów potwierdzających możliwość wykorzystania odpadów w produkcji ceramiki budowlanej. J. Latosińska i M. Żygadło powołują się w swojej pracy [1] na autorów opisujących proces otrzymywania cegieł z wykorzystaniem m.in. osądów ściekowych pochodzących ze ścieków galwanizerskich, komunalnego osadu ściekowego zmieszanego z odpadami z koksowni, a także odpadowych polimerów. Otrzymanie pełnowartościowej cegły możliwe jest nawet po dodaniu do gliny 25% objętościowych osadu ściekowego i 4% objętościowych trocin. Autorki powołują się na bibliografię, w której znajduje się opis kilku zakładów japońskich zajmujących się produkcją cegły na bazie popiołu powstającego ze spalania osądów ściekowych.

Powstawanie produktu o odpowiedniej jakości uwarunkowane jest jednak cechami stosowanego popiołu, a niezachowanie odpowiednich wartości tych cech skutkuje powstaniem cegły charakteryzującej się spękaniami. R.C.C. Monteiro i współpracownicy [2] dodawali do ceramicznych produktów otrzymywanych na bazie czerwonej gliny rożne ilości popiołu lotnego, który jest odpadem powstałym w elektrowniach. Uzyskane wyniki wykazały, że do ilości 10% wagowych popiół lotny może zostać włączony do materiałów ceramicznych produkowanych z dodatkiem czerwonej gliny, bez znaczącego wpływu na gęstość pozorną i absorpcję wody próbek spiekanych w temperaturze z zakresu 850–1130°C.

Wyższa zawartość tych popiołów (do 50% wagowych) może powodować niższą końcową gęstość i wyższą nasiąkliwość wodą. Badania wykazały też, że właściwości mechaniczne badanego materiału zależą nie tylko od ilości dodanych odpadów, lecz także od warunków ich wytwarzania, wpływających na strukturę i mikrostrukturę. Próbki zawierające 25 i 50% wagowych popiołu lotnego, spiekane w temperaturze 1130°C przez 2 godz., uzyskują podobne właściwości mechaniczne do tradycyjnych materiałów ceramicznych produkowanych na bazie gliny, mogą być więc użyte do podobnych zastosowań w budownictwie.

W badaniach prowadzonych przez V.N. Antsiferova i współpracowników [3] do przygotowania ceramiki glinokrzemianowej zastosowano proszek aluminium-krzem- -chrom (ASC) pochodzący z gazów odlotowych otrzymanych w produkcji kauczuku syntetycznego. Autorzy zbadali wpływ proszku ASC na kinetykę spiekania produktów oraz ich wytrzymałość na ściskanie i skład fazy mulit- korund. Okazało się, że wytrzymałość przygotowanych materiałów zależy od wielkości i struktury fazy mulitu, a wpływ korundu staje się widoczny dopiero po dysocjacji mulitu. V.A. Leshina i A.L. Pivnev [4] otrzymywali ścienne materiały ceramiczne modyfikowane domowymi odpadami szklanymi.

Większość cegieł wyprodukowano na istniejących liniach produkcyjnych, bez wprowadzania istotnych zmian technologicznych. Tłuczka szklana została poddana szokowi termicznemu, a następnie zmielona w młynie kulowym. Autorzy otrzymali 4 rodzaje próbek (dla frakcji 0,14, 0,14–0,315, 0,315–0,63 i 0,63–1,4 mm). Dodatek proszku szklanego w próbkach badawczych wynosił od 5 do 30%. Wzrost zawartości stłuczki w próbkach  do 20% powodował duży wzrost gęstości, przy czym najwyższą wartość tego parametru otrzymano dla próbek zawierających najmniejsze frakcje stłuczki szklanej. Z kolei wzrost wytrzymałości na ściskanie obserwowano w próbkach zawierających stłuczkę szklaną rozdrobnioną do wymiarów cząstek 0,14–0,315 mm.

Absorpcja wody takich próbek maleje z wartości 10,9–12,3% do 7,5–8,2%, w zależności od frakcji dodanego szkła. Na podstawie badań ustalono, że optymalna zawartość stłuczki szklanej w ceramicznych materiałach ściennych to 15–20%. Taki dodatek pozwala na produkcję materiałów ściennych spełniających wymagania w zakresie absorpcji wody, cechujących się jednocześnie bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi.

Dodatek szkła zwiększa ilość fazy płynnej w materiale, co zmniejsza jego porowatość i ogranicza wchłanianie wody, a zwiększa jednocześnie wytrzymałość. Jedną z możliwości wykorzystania zużytego szkła jest przetworzenie stłuczki szklanej na mączkę szklaną, która może być stosowana w produkcji mas ceramicznych i ceramiki budowlanej. Rozdrobniona masa szklana pełni tutaj rolę topnika przyspieszającego proces topienia, a ponadto może służyć jako środek spulchniający lub wypełniacz masy w takich materiałach ceramicznych, jak: dachówki, płytki ceramiczne, klinkier czy rury ściekowe.

Dodatek mączki szklanej wpływa także na zmniejszenie nasiąkliwości otrzymanych produktów ceramicznych [5]. Jako dodatek do porowatych wyrobów ceramicznych można stosować także styropian. Powstała w ten sposób porowata cegła ma dużą wytrzymałość mechaniczną, a jednocześnie charakteryzuje się bardzo dobrym współczynnikiem izolacyjności termicznej [6].

Kruszywa

Z powodu zbyt małych wartości współczynnika pęcznienia glin, wymaganego do właściwego przebiegu procesu termicznego ekspandowania keramzytu (zaliczanego do kruszyw lekkich), do jego produkcji stosuje się różne dodatki technologiczne. W. Pichór i J. Latosińska opisują w swojej pracy [7] wykorzystanie komunalnego osadu ściekowego do wytwarzania keramzytu. Osady ściekowe otrzymane jako produkt uboczny oczyszczania ścieków zawierają od 30 do 85% substancji organicznej w suchej masie i dzięki temu działają jako środek porotwórczy. Skutkuje to poprawą izolacyjności kruszywa, wpływa też korzystnie na obniżenie gęstości pozornej i zwiększenie porowatości całkowitej keramzytu.

Otrzymany w ten sposób keramzyt można z powodzeniem stosować do produkcji betonów lekkich. W pracy „Gospodarka odpadami a produkcja materiałów budowlanych” [1] autorki opisują także technologię otrzymywania kruszywa z odpadów budowlanych. Przetworzony gruz betonowy, żelbetowy, asfaltowy czy ceglany, nazywany kruszywem recyklingowym, oceniony został jako pełnowartościowy materiał budowlany, który stanowić może substytut takich surowców naturalnych, jak: piasek, żwir czy wapień.

Spoiwa (cement, gips)

Cement jest spoiwem budowlanym, którego zużycie z roku na rok wzrasta. Materiał ten wymaga wysokotemperaturowej technologii produkcji, co pozwala na skojarzenie produkcji cementu z ideą recyklingu takich materiałów odpadowych, które mogą pełnić rolę surowców lub paliwa. Do unieszkodliwianych w ten sposób odpadów można zaliczyć:

• zużyte opony (całe lub ścinki) lub inne odpady gumowe,
• zużyte oleje,
• rozpuszczalniki,
• farby,
• szlamy lakiernicze,
• popioły i żużle energetyczne,
• odpady z górnictwa węglowego,
• odpady z tworzyw sztucznych,
• odpady papiernicze, drzewne, tekstylne,
• odpady komunalne,
• osady ściekowe z oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych;,
• odpady zwierzęce [1, 8, 9].

B. Sordoń-Kulibaba w swojej pracy porusza problem wykorzystania odpadów szklanych m.in. do produkcji spoiw, w tym cementu [5]. Na spoiwo mogą być przerabiane odpady szkła opakowaniowego i płaskiego, po wcześniejszym aktywowaniu chemicznym. Takie spoiwo po wymieszaniu z piaskiem znajduje zastosowanie w procesie stabilizowania podłoża, a jednocześnie pozwala na zachowanie naturalnego wyglądu piasku, ponadto umożliwia samozasklepianie defektów.

Z kolei C. Thormark opisuje [10] możliwość ponownego wykorzystania płyt i tynków gipsowych jako surowca do produkcji nowych płyt. Uzyskane w ten sposób płyty można z powodzeniem stosować do wykonania m.in. luźnych sufitów podwieszanych. W tym wypadku korzyści dla środowiska wynikają głównie ze zmniejszenia ilości wykorzystywanego i transportowanego (z kopalni do fabryki) surowca, jakim jest kamień gipsowy.

Zaprawy, tynki

Jako dodatek do tynków elewacyjnych doskonale nadaje się grys otrzymany z różnokolorowej, mieszanej stłuczki szklanej. W zależności od potrzeb otrzymuje się różne kolory grysu, np. biały, zielony, brązowy, czerwony i niebieski, o granulacji do 30 mm. Ta sama stłuczka szklana przetworzona na mączkę szklaną znajduje zastosowanie jako półprodukt w zaprawach budowlanych [5].

Poprawę właściwości zapraw i tynków można osiągnąć dzięki dodatkowi drobnych frakcji mielonego styropianu. Modyfikator ten pozwala wyeliminować lub zmniejszyć wpływ mostków termicznych, a także podwyższyć ogólną izolacyjność termiczną przegrody [6]. Bignozzi i in. podjęli dyskusję nad możliwością zastosowania jako modyfikatorów zapraw sproszkowanej gumy, opon gumowych, włókien z opon i zmielonych kabli elektrycznych [11, 12].

Wykonali próbki zapraw, w których 12% wagowych stanowiła nienasycona żywica poliestrowa, 12% węglan wapnia, 76% piasek. W modyfikowanych próbkach zapraw 3% objętościowych piasku zastąpiły specjalnie dobrane odpady polimerowe. Część dodatków polimerowych pochodziła z zakładów wytwarzających produkty gumowe. Opony po rozdrobnieniu przyjęły postać włókien, w których składzie 50% stanowiły włókna poliestrowe, ok. 30% włókna poliamidowe i ok. 20% modyfikowane włókna celulozowe. Sproszkowana guma bazowała na kauczuku akrylonitrylo-butadienowym, a kable elektryczne pokryto powłoką z polichlorku winylu i polietylenu.

Modyfikowane wymienionymi składnikami zaprawy polimerowe wykazały niższe wartości wytrzymałości na ściskanie i zginanie w stosunku do zapraw niemodyfikowanych, ale wartości te były jednak wyższe niż w przypadku zapraw cementowych. Dodatek odpadów polimerowych zwiększał porowatość próbek. Problem ten rozwiązano przez dodanie silanowego promotora adhezji, który zwiększał sztywność kompozytów. Odpady polimerowe i promotor adhezji powodowały wprawdzie wzrost przewodności elektrycznej, jednak otrzymane materiały kompozytowe nadal można było zaliczyć do grupy izolatorów [11].

Badania wykazały, że dodatek sproszkowanej gumy wpływa pozytywnie na właściwości dynamiczno-mechaniczne otrzymanych kompozytów. Włókna z opon i proszek ze zmielonych kabli elektrycznych nieznacznie modyfikują właściwości tłumiące betonów polimerowych. Potwierdziły to ustalone doświadczalnie wartości energii aktywacji w połączeniu z analizą właściwości dielektrycznych i dynamiczno-mechanicznych otrzymanych kompozytów.

Beton

Beton odgrywa istotną rolę w procesie recyklingu materiałów odpadowych w budownictwie, szczególnie odnosi się to do odpadów tworzyw sztucznych. Niektóre odpadowe tworzywa można wykorzystać w betonie jako część spoiwa lub jako kruszywo. Wprowadzenie odpadowych tworzyw sztucznych w postaci włókien może spowodować zatrzymanie rozprzestrzeniania się mikropęknięć i zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie materiału. K.S. Rebeiz i D.W. Fowler stwierdzili, że bardzo dobrą wytrzymałość na zginanie betonu cementowego można uzyskać przez wzmocnienie go za pomocą nienasyconych żywic poliestrowych, zsyntezowanych odpadowym poli(tereftalanem etylenu) (PET) [13].

B.W. Jo i współpracownicy badali wytrzymałość na zginanie i ściskanie betonów polimerowych otrzymanych także z wykorzystaniem nienasyconej żywicy poliestrowej wykorzystującej odpadowy PET [14]. Rozwiązanie to przyczynia się do obniżenia kosztów materiałów i przynosi oszczędność energii.

Z kolei O.Y. Marzouk i współpracownicy badali możliwość zastąpienia piasku przez odpad otrzymany z procesu przetworzenia butelek plastikowych [15]. Badania te potwierdziły, że rozdrobnione na małe części butelki PET mogą z powodzeniem zastąpić piasek w betonach cementowych.

Z.Z. Ismail i E.A. Al-Hashmi podjęli próbę sprawdzenia, czy podobne rezultaty da się osiągnąć, stosując w betonie zamiast kruszywa odpady tworzyw sztucznych pochodzących z zakładów produkcyjnych, zawierające ok. 80% polietylenu (PE) i 20% polistyrenu (PS) [16]. Rozdrobnione odpady tworzyw sztucznych zastępowały piasek w ilości odpowiednio 0, 10, 15 i 20% wagowych. Wartości wytrzymałości na ściskanie wszystkich próbek betonowych zawierających odpady wykazały tendencję do spadku poniżej wartości odpowiadającej próbkom kontrolnym. Można to przypisać spadkowi przyczepności między powierzchnią odpadów a pastą cementową. Dodatek hydrofobowych odpadów z tworzyw sztucznych może ograniczać hydratację cementu.

Szukając sposobu na ponowne wykorzystanie odpadów szklanych, Z.Z. Ismail oraz E.A. Al-Hashmi zastąpili nimi częściowo kruszywo drobne w betonie [17]. Na zebrane odpady złożyły się szklane pojemniki (butelki, słoiki) oraz szkło płaskie okienne. Zostały one rozkruszone i zastosowane jako substytut piasku na poziomie 10, 15 i 20% wagowych. Wytrzymałość na zginanie i ściskanie osiągnięta po 28 dniach dojrzewania dla próbek z 20% zawartością odpadów szklanych jest odpowiednio o 10,99% i 4,23% wyższa niż dla próbek kontrolnych niezawierających szklanych dodatków.

Efekt pucolanowości odpadów szklanych jest bardziej widoczny w czasie późniejszym niż 28 dni. Częściowe zastąpienie piasku odpadami szklanymi nie ma wpływu na kolor otrzymanego betonu. Otrzymanie obiecujących wynikow skłania do prowadzenia dalszych badań nad długotrwałym wpływem dodatku odpadow szklanych na właściwości betonu.

Materiały izolacyjne

Gliwickie Przedsiębiorstwo Projektowania i Wyposażenia Obiektów Przemysłowych opracowało proces produkcji włókien szklanych z wykorzystaniem stłuczki szklanej. Stłuczka topiona jest w piecu wannowym z dodatkiem składnika bogatego w tlenek wapniowy lub tlenek sodowy. Tak otrzymany stop o temperaturze 1300–1450°C kierowany jest do rozwłókniarki wielopałkowej. W konsekwencji otrzymuje się włókna szklane, które mogą służyć do produkcji mat i płyt izolacyjnych, np. wełny szklanej. Aby otrzymać wełnę szklaną, włókna szklane powleka się lepiszczem i środkami hydrofobizującymi, a następnie poddaje się procesom termicznego dojrzewania, utwardzania oraz hartowania [5].

Autorzy pracy „Budowlane materiały termoizolacyjne z odpadów opakowaniowych” [18] wskazują na możliwość otrzymywania płyt drewnopochodnych z surowców odpadowych. Do opracowanego przez nich procesu produkcji płyt zostały wykorzystane następujące odpadowe materiały opakowań:

• etykiety z mycia butelek po piwie,
• poprodukcyjne odpady pianki poliuretanowej sztywnej powstające podczas procesu piankowania oraz z wytwarzania opakowań,
• odpady folii polietylenowej LDPE z powłoką aluminiową,
• odpady papieru powlekane folią polietylenową LDPE,
• odpady polistyrenu ekspandowanego z opakowań poużytkowych,
• odpady folii PVC zbrojone włóknem poliestrowym.

Wytworzenie płyt wymagało także zastosowania dodatków ułatwiających wstępne formowanie arkuszy płytowych i nadające wymagane właściwości użytkowe płytom gotowym. W tym celu posłużono się żywicą mocznikową, środkiem przeciwadhezyjnym, środkiem zmniejszającym palność oraz tkaniną polipropylenową – komponentami dostępnymi w handlu. Na proces wytwarzania płyt termoizolacyjnych z wyselekcjonowanych odpadów opakowaniowych składają się takie operacje technologiczne, jak:

• rozdrabnianie i rozwłóknianie poszczególnych odpadów,
• mieszanie i ujednolicenie składników mieszanki surowcowej,
• formowanie i zagęszczanie płyt na zimno i na gorąco,
• obcinanie gotowych płyt na wymiar,
• pakowanie.

Wykonano kilka różnych partii prototypowych płyt przez zastosowanie różnych dodatków do mieszanki surowcowej i odpowiednich parametrów procesu technologicznego. Pozwoliło to na uzyskanie płyt o zwiększonej odporności na ogień (klasa E), lekkich o zmniejszonej gęstości właściwej (ok. 300 kg/m3), izolacyjnych o zmniejszonej przewodności cieplnej (ok. 0,6 W/(m·K)), zwiększonej odporności na wilgoć (spęcznienie po 24 godz. wynosiło 0,5%, a nasiąkliwość po 24 godz. nie przekraczała 20%).

Uzyskane wyniki pokazują, że można przetworzyć wybrane rodzaje odpadów na płyty konstrukcyjno-izolacyjne o bardzo dobrych właściwościach, które mogą znaleźć zastosowanie w budownictwie jako ściany działowe, ocieplenie fundamentów, podłóg, stropów itp., jednocześnie są konkurencyjne ce- nowo w stosunku do innych rodzajów płyt proponowanych na rynku.

Wyrobem izolacyjnym pochodzącym z odpadów jest też materiał termoizolacyjny z włókna celulozowego, który uzyskuje się z rozwłóknionej makulatury gazetowej. Aby osiągnąć wymaganą odporność na działanie ognia, przeciwko grzybom domowym i pleśni, włókno impregnuje się związkami boru.

Tworząc barierę dla przepływu ciepła, termoizolacja z celulozy jednocześnie doskonale radzi sobie z przekazywaniem wilgoci, niegromadząc jej w sobie i w związku z tym nie wymaga stosowania folii paroizolacyjnej. Nadaje się do stosowania na całej przestrzeni konstrukcji budynku, a zwłaszcza w miejscach niedostępnych, jak stropy poddasza, ponieważ można go aplikować specjalnymi dmuchawami. Do ocieplenia w formie luźnej można używać też takich materiałów, jak: włókna odpadowe bawełniane i z tworzyw sztucznych, ścinki tkanin oraz odpady mikrogumy pochodzące z fabryk obuwia [19]. Z odpadów styropianowych oraz wełny mineralnej można wyprodukować materiały izolacyjne o takim samym zastosowaniu jak wyroby podstawowe [6, 10].

Materiały bitumiczne

Asfalty od lat są stosowane do budowy dróg. Są najbardziej odpowiednie do wykonywania nawierzchni dzięki takim właściwościom, jak: nieprzemakalność, przyczepność, elastyczność. Coraz częściej wprowadza się do nich różnego rodzaju modyfikatory, dzięki którym udaje się uzyskać jeszcze lepsze właściwości użytkowe. M. García-Morales i współpracownicy postanowili sprawdzić, jak na właściwości i mikrostrukturę asfaltów wpłynie dodatek recyklatu EVA (kopolimer etylenu i octanu winylu) [20]. W tym celu dwa rodzaje asfaltów (60/70 i 150/200) zmieszano z recyklatem EVA. Odpadowy polimer dodano w ilości od 0 do 9% wagowych.

Na podstawie badań można było stwierdzić, że wybrane właściwości asfaltu w wysokiej temperaturze są lepsze po dodaniu modyfikatora i zależą od stopnia penetracji asfaltu. Ponadto istotne zmiany mikro struktury często występują w asfalcie jako efekt zwiększonego stężenia polimeru. Te zmiany mikrostruktury mają znaczący wpływ na zachowanie spoiwa i ocenę jego wydajności. W konsekwencji stosowanie odpadowego EVA w asfaltach można uznać za odpowiednią alternatywę zarówno dla środowiska, jak i z ekonomicznego punktu widzenia.

Te pozytywne rezultaty skłoniły autorów do rozszerzenia zakresu badań. W pracy „Effect of waste polymer addition on the rheology of modified bitumen” [21] przedstawiono wyniki modyfikacji asfaltów za pomocą 4 różnych odpadowych polimerów: EVA, EVA/mieszanka LDPE (polietylen o małej gęstości), pokruszone opony gumowe i ABS (kopolimer akrylonitryl- butadien-styren). Aby scharakteryzować modyfikowane asfalty, opracowano zestaw testów reologicznych z zastosowaniem mikroskopii optycznej i kalorymetrii. Uzyskane wyniki pokazują, że odpady opon gumowych oraz ich mieszanki z innymi polimerami można uznać za interesujący modyfikator asfaltu. Ponieważ jest to elastomer, nadaje on mieszance większą elastyczność, co sprawia, że jest bardziej odporna na deformację przy dużym natężeniu ruchu.

Mieszanka polimerowa EVA i LDPE właściwie zachowuje się również w wysokich temperaturach, w których niemodyfikowany asfalt ulega procesom trwałej deformacji. Niemniej ilość polimeru w mieszaninie powinna być dokładnie dobrana, aby uzyskać odpowiednią wartość lepkości w temperaturze stosowania asfaltu. Ulepszone właściwości reologiczne zarówno w niskich, jak i w wysokich temperaturach można uzyskać, stosując mieszaninę poliolefin i rozdrobnionej gumy, przy czym najbardziej odpowiednia wydaje się mieszanka zawierająca 3,5% wagowych EVA i LDPE oraz 3,5% wagowych rozdrobnionej gumy.

Należy także zwrócić uwagę na fakt, że właściwości modyfikowanych asfaltów w temperaturze 135°C zależą od właściwości polimeru w wysokiej temperaturze. Inni autorzy publikujący prace z omawianej dziedziny zastosowań pokazali możliwość modyfikacji betonów asfaltowych odpadami z różnych tworzyw sztucznych zawierającymi wysokiej gęstości polietylen (HDPE) [22]. Asfalt zmieszano z modyfikatorem w ilości 4–6% wagowych i 8% wagowych w temperaturze 145–155°C i 165°C, przy zachowaniu czasu mieszania odpowiednio 5–15 min i 30 min.

W odniesieniu do modyfikowanych próbek betonów asfaltowych zaobserwowano znaczny wzrost odporności na odkształcenia. Optymalna zawartość modyfikatora gwarantująca otrzymanie zadowalających rezultatów wynosiła 4% wagowych HDPE dodanych w temperaturze 165°C przy zachowaniu 30-minutowego czasu mieszania.

Otrzymane w ten sposób mieszanki są bardzo odporne na powstawanie odkształceń trwałych (koleiny) w betonach asfaltowych. Odpady HDPE są więc dobrym modyfikatorem asfaltu w betonach asfaltowych. Zapewniają lepszą odporność na stałe odkształcenia, powodują wysoką stabilność, a także charakteryzują się wysokim ilorazem Marshalla, który jest wskaźnikiem odporności betonu asfaltowego na odkształcenia.

Jednocześnie zagospodarowane zostają odpady, które występują na składowiskach w bardzo dużych ilościach i zagrażają środowisku. D. Binarsch-Aleksiun zwraca uwagę na możliwość wykorzystania miału oraz granulatu gumowego, powstałego ze zużytych opon samochodowych, do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych [23]. Miał gumowy może być wprowadzany do mieszanki lub do asfaltu w procesie produkcyjnym. Może się to odbywać na dwa sposoby, tzn. metodą:

• na sucho – dodanie gumy bezpośrednio do rozgrzanego kruszywa – powstaje zmodyfikowana mieszanka mineralno-gumowo-asfaltowa,
• na mokro – dodanie miału gumowego do asfaltu – modyfikacji ulega sam asfalt, modyfikujący mieszankę mineralną.

Produktem pochodzącym z recyklingu, który polepsza właściwości mieszanki, jest także koncentrat gumowo-asfaltowy o zawartości gumy w granicach 30–35%, który zostaje bezpośrednio wprowadzony w odpowiedniej ilości do mieszalnika maszyny. W obydwu przypadkach modyfikator ma ogromny wpływ na poprawę takich właściwości otrzymanych mieszanek, jak: szorstkość nawierzchni (właściwości przeciwpoślizgowe), trwałość zmęczeniowa, odporność na spękania odbite, odporność na koleinowanie, a także redukcję poziomu hałasu.

Mieszanki modyfikowane materiałami pochodzącymi z recyklingu odpadów gumowych nie wykazują zjawiska powstawania plam, ponadto guma przejmuje w mieszance Funkcję stabilizatora, który w przeciwieństwie do stabilizatorów celulozowych zachowuje swoje właściwości w przypadku wydłużenia czasu mieszania w wytwórni. Widoczne korzyści dla środowiska i samej mieszanki, uzyskiwane dzięki dodatkowi zużytych opon samochodowych, nasuwają wniosek, że tego typu odpady powinny na stałe wejść w skład mieszanek mineralno-asfaltowych.

Nowe materiały

Na całym świecie gromadzone są duże ilości odpadów szkła i kamienia wapiennego, istnieje więc potrzeba znalezienia sposobów wykorzystania odpadów proszku szklanego (WGP) oraz odpadów pyłu wapiennego (LPW). P. Turgut zaproponował wykorzystanie tych odpadów do produkcji nowych materiałów otrzymywanych na bazie cementu [24].

Autor zbadał zarówno fizyczne, jak i mechaniczne właściwości próbek zawierających różne kombinacje LPW i WGP oraz cementu. Do badań przygotowano 4 rodzaje próbek. We wszystkich zawartość wody w stosunku do cementu wynosiła 0,30. Stosunek WGP/LPW przyjęto odpowiednio: 0, 0,1, 0,2 i 0,3. Składniki zostały wymieszane, nawilżone i sprasowane pod wysokim ciś nieniem w formach. Rozformowane już po 1 dniu – próbki nie wykazywały żadnych zniszczeń. Po okresie sezonowania (28 dni w wodzie nasyconej wapnem) i wysuszeniu poddano je badaniom fizyko-mechanicznym.

Wyniki badań pokazują, że zastosowanie kombinacji LPW-WGP pozwala na otrzymanie nowego materiału, który spełnia wymagania stawiane materiałom budowlanym stosowanym w rozwiązaniach konstrukcyjnych, a także jest interesujący pod względem ekonomicznym. Wytrzymałość na ściskanie dla poziomu zawartości WGP 10, 20 i 30% była wyższa w stosunku do próbek kontrolnych odpowiednio o 1,8, 7,3 i 9,4%, a wytrzymałość na zginanie odpowiednio o 85, 86 i 87%. Utrata masy próbek była odpowiednio o 57,7, 84,5 i 92,4% niższa niż próbek niemodyfikowanych.

Także moduły sprężystości nowo otrzymanych materiałów są wyższe w porównaniu z próbkami kontrolnymi odpowiednio o: 11,5, 22,8 oraz 59,3%. Ponadto właściwości, takie jak: nasiąkliwość, odporność na ścieranie, zamrażanie i odmrażanie, opór i przewodność cieplna, spełniają odpowiednie wymagania norm międzynarodowych.

Ważne jest także to, że proces produkcji można łatwo zastosować w istniejących zakładach produkcyjnych. Spośród nowych materiałów otrzymywanych na bazie materiałów odpadowych na szczególną uwagę zasługuje ultralekki granulat produkowany ze spienionej mączki szklanej, otrzymywanej ze szkła odpadowego. Na kolejne etapy jego produkcji składają się:

• zmielenie odpadów szklanych w młynach kulowych,
• zmieszanie otrzymanego proszku szklanego z dodatkami: wodą, spoiwem i substancją spieniającą,
• formowanie kulek z otrzymanej masy,
• spienienie kulek w temperaturze 900°C, a następnie ich ochłodzenie,
• posegregowanie kulek w zależności od średnicy.

Materiał ten można z powodzeniem stosować w wielu wyrobach związanych z budownictwem. Najbardziej popularne obszary zastosowania tego granulatu w budownictwie przedstawiono na rys. 2. Granulat otrzymywany z odpadowej stłuczki szklanej oprócz aspektów ekologicznych charakteryzuje się dodatkowo takimi zaletami, jak:

• bardzo mały ciężar przy jednoczesnej wysokiej odporności na ściskanie,
• kulisty kształt wszystkich ziaren,
• bardzo wysoka odporność termiczna,
• znakomite własności pochłaniania dźwięku,
• odporność chemiczna i klimatyczna,
• odporność w kontakcie z substancjami alkalicznymi – zdolność do kontaktu z cementem i wapnem,
• niepalność,
• brak zawartości rozpuszczalników,
• brak zapachu i neutralny kolor (kremowobiały).

Właściwości te sprawiają, że można zlikwidować mostki termiczne oraz niebezpieczeństwo rozgniecenia ziaren lekkiego wypełniacza w przypadku zapraw otrzymywanych z wykorzystaniem tego materiału.

Zastosowanie granulatu o unikalnej geometrii porów jako wypełniacza w tynkach pozwala na ich swobodne oddychanie, a jednocześnie chroni przed penetracją wody. Granulat można wysypywać luzem we wszelkiego rodzaju pustkach budowlanych, gdzie pełni rolę izolacji termicznej oraz akustycznej. Można go też spajać cementem oraz żywicami polimerowymi.

Wymienione tu przykłady to tylko nieliczne z możliwych zastosowań tego uniwersalnego, a jednocześnie ekologicznego wypełniacza [5, 25]. S. Carvalho i współpracownicy opracowali sposób wykonania prototypowych kompozytów o nazwie „glastic” [26]. Wiele kompozycji odpadowych tworzyw sztucznych zawierających polietylen (PE), polistyren (PS), polichlorek winylu (PVC), kopolimer akrylonitryl- butadien-styren (ABS), poliamid (PA), polipropylen (PP) o różnej morfologii cząstek i wąskim zakresie rozmiarów zmieszano z podobnymi rozmiarowo cząstkami odpadów brązowego szkła. Zawartość szkła stanowiła odpowiednio 0, 15, 30 i 45% wagowych.

Próbki do badań były formowane w sposób podobny do formowania zwykłych cegieł glinianych, w temperaturze 235°C. Zbadano ich wytrzymałość na ściskanie w temperaturze od 20 do 50°C. Prototypy nowych materiałów charakteryzowały się wyższą wytrzymałością na ściskanie w porównaniu z próbkami wzorcowymi, jakimi były standardowe cegły przygotowane na bazie gliny.

Najlepsze rezultaty uzyskano w przypadku kompozycji zawierającej 15% wagowych odpadów szklanych w temperaturze 20°C. Na tym etapie badań można się jednak pokusić o stwierdzenie, iż jest jednak mało prawdopodobne, że „glastic” będzie stanowił alternatywę dla zastosowań konstrukcyjnych cegieł glinianych. Konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań właściwości tego materiału, który jest niewątpliwie interesujący z ekologicznego punktu widzenia.

Podsumowanie

Sukcesy w wykorzystaniu odpadów przedstawione w artykule potwierdzają możliwość ekologicznego i ekonomicznego ich zagospodarowania w produkcji materiałów budowlanych, co powinno przyczynić się do wzrostu zainteresowania tematyką zagospodarowania odpadów.

Możliwości aplikacji odpadów w budownictwie są ogromne, o czym przekonuje m.in. praca A. Pappu i współpracowników, którzy pokazują, jak wiele materiałów budowlanych można otrzymać, mając do dyspozycji odpady stałe powstające jako produkt uboczny w przemyśle górniczym, komunalnym, rolniczym i in. [27].

Z.Z. Ismail oraz E.A. Al.-Hashmi uważają, że istnieje potrzeba prowadzenia dalszych badań nad możliwością zastosowania odpadów szklanych i odpadów tworzyw sztucznych w produkcji betonu, zwłaszcza związanych z długotrwałym wpływem modyfikatora na właściwości betonu [16, 17].

Sens prowadzenia bardziej szczegółowych badań interesującego z ekologicznego punktu widzenia materiału, jakim jest „glastic”, widzą także S. Carvalho i współpracownicy [26].

Aspekty ekologiczne sprawiają, że badania w tej dziedzinie będą kontynuowane. Nie bez znaczenia jest tutaj również fakt, że koszty materiałów budowlanych stopniowo wzrastają, wysokie są też koszty ich transportu. Możliwości wykorzystania rożnych materiałów odpadowych do otrzymywania materiałów budowlanych pozwalają na zaoszczędzenie energii i ochronę zasobów naturalnych, wskazują też na potrzebę dalszych badań w tym zakresie.

Literatura

1. J. Latosińska, M. Żygadło, „Gospodarka odpadami a produkcja materiałów budowlanych”, Materiały z VII Międzynarodowego Forum Gospodarki Odpadami – Efektywne zarządzanie gospodarką odpadami, Kalisz–Poznań 2007, s. 563–572.
2. R.C.C. Monteiro, M.M.R.A. Lima, S. Aloes, „Mechanical characteristics of clay structural ceramics containing coal fly ash”, „International Journal of Mechanics and Materials in Design”, nr 4/2008, s. 213–220.
3. V.N. Antsiferov, T.S. Golodnova, S.E. Porozova, G.R. Sagirova, „Use of waste materials from the production of synthetic rubber for preparing aluminosilicate ceramics”, „Refractories and Industrial Ceramics”, nr 43/2002, s. 299–302.
4. V.A. Leshina, A.L. Pivnev, „Ceramic wall materials using glass waste”, „Glass and Ceramics”, nr 59/2002, s. 356–358.
5. B. Sordoń-Kulibaba, „Zagospodarowanie odpadow szklanych”, „Świat Szkła”, nr 7–8/2008.
6. Strony internetowe: www.muratorplus.pl/technika/ izolacje/styropian-ekologia-59022.html.
7. W. Pichor, J. Latosińska, „Możliwości wykorzystania keramzytu modyfikowanego komunalnym osadem ściekowym do wytwarzania betonow lekkich”, Materiały konferencyjne „Dni betonu. Tradycja i nowoczesność”, Kraków 2006, s. 405–412.
8. M. Rutkowska, J. Pakulska, „Gospodarcze wykorzystanie odpadów przemysłowych w Polsce”, „Stowarzyszenie ekonomistów rolnictwa i agrobiznesu”, Roczniki Naukowe 2007, tom IX, zeszyt 2, s. 337–341.
9. Strony internetowe: www.flota.v10.pl/DAF,Zero, odpadow,na,skladowiska,28026.html.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!