Projekt WOOL2LOOP – uporaba odpadne mineralne volne

V projektu WOOL2LOOP (Mineral Wool Waste Back To Loop With Advanced Sorting, Pre-Treatment, And Alkali-Activation; 2019 – 2022 Horizon 2020) se ukvarjajo s problemom ponovne uporabe odpadne mineralne volne. Projekt se temelji na razvoju novih proizvodov s procesom alkalijske aktivacije. Alkalijsko aktivirani materiali so po lastnostih podobni cementom in keramiki in predstavljajo alternativo obstoječim gradbenim materialom. Splošni opis projekta in preliminarni rezultati so bili predstavljeni v julijski številki minerala (julij, 2020), tokrat pa bo predstavljena pilotna proizvodnja fasadnih plošč v podjetju Termit, d.d., ki je bila vzpostavljena v tem času.

TEKST: dr. Majda Pavlin, dr. Barbara Horvat, dr. Vilma Ducman, Zavod za gradbeništvo Slovenije

Barbara Matko, mag. Alenka Sešek Pavlin, Termit, d.d.

O projektu WOOL2LOOP

V letu 2019 so na Zavodu za gradbeništvo Slovenije (ZAG) začeli z evropskim projektom WOOL2LOOP, ki se ukvarja z reševanjem problema ponovne uporabe odpadne mineralne volne. Projekt bazira na procesu alkalijske aktivacije mineralne volne, pridobljene iz gradbenih odpadkov, v nove materiale, ki lahko predstavljajo nadomestek za gradbene proizvode na cementni osnovi. Alkalijsko aktivirani materiali (AAM) predstavljajo dobro alternativo klasični proizvodnji portlandskega cementa, saj so izpusti CO2 bistveni nižji, poleg tega pa proces omogoča uporabo odpadnih in sekundarnih mineralnih surovin, kar zniža stroške proizvodnje. Pri tem je pomembno izpostaviti, da je alkalijska aktivacija ekonomsko sprejemljiva, kadar so vhodni materiali lokalno dostopni. Za samo aktivacijo (reakcijo) so potrebni alkalijski aktivatorji, ki v procesu predstavljajo najvišji strošek, zato tako v svetu kot tudi na ZAG-u že poteka razvoj alternativnih vodnih stekel. Največji problem uporabe mineralne volne za alkalijsko aktivacijo predstavlja samo razvrščanje odpadne mineralne volne. Npr. če je odpadek iz gradbišča oziroma posledica rušenja, je potrebno volno najprej ločiti od ostalega materiala, kar je časovno precej zamudno, saj volna ne sme vsebovati ostankov kot so les, kamenje, beton, ker le-ti ne vstopajo v reakcijo alkalijske aktivacije.

Slika 1: Mešalo za pripravo mešanice

Naloga ZAG-a je razvoj recepture za fasadne plošče iz odpadne mineralne volne, medtem, ko je za pilotno proizvodnjo fasadnih plošč odgovorno rudarsko podjetje Termit, d.d. iz Moravč. V projektu se poleg fasadnih plošč razvijajo še recepture za malte, talne in akustične plošče in materiali za 3D tisk. Za reakcijo alkalijske aktivacije sta potrebni mineralna volna in alkalen medij (npr. natrijev hidroksid ali vodno steklo), ki povzroči raztapljanje aluminija in silicija iz volne, ki kot glavna elementa vstopata v proces polimerizacije. Pri razvoju recepture se je uporabilo odpadno kameno in stekleno volno, ki se med seboj razlikujeta po kemijski strukturi in v fizikalnih lastnostih. Amorfni delež je v obeh volnah skoraj 100 %, kar pomeni, da je večina silicija, ki je za polimerizacijo ključen element, na voljo za reakcijo. V praksi pa se je izkazalo, da se raztopi le majhen delež volne, na kar vpliva predvsem uporabljen alkalijski aktivator in tip volne. Kamena volna je manj reaktivna kot steklena volna, AAM iz kamene volne so bolj porozni, dosežejo nižjo trdnost, vendar je čas strjevanja nekoliko krajši, kot pri alkalijsko aktivirani stekleni volni. Steklena volna dosega visoke končne trdnosti, vendar je slabše odporna na zmrzovanje, poleg tega je priprava AAM zaradi večjega deleža organskega veziva težja, kot pri pripravi alkalijsko aktivirane kamene volne. V Sloveniji večinski delež odpadne mineralne volne predstavlja kamena volna. Zato so se v projektu WOOL2LOOP na podlagi preliminarnih rezultatov odločili za uporabo kamene volne pri pripravi recepture za fasadne plošče, saj je je izkazalo, da so vzorci iz kamene volne bolj odporni, kot pa tisti iz steklene volne.

Slika 2: Stresalna mizica za enakomerno porazdelitev mase in izgon ujetih

Razvoj recepture za fasadne plošče

Razvoj recepture je potekal na ZAG-u, saj je bilo treba optimizirati vhodne materiale, parametre sušenja, razmerje tekočina/vezivo in dodatek agregata. Cilj je bila priprava recepture, ki bi se strdila v enem dnevu pri sušenju na sobni temperaturi in bi jo tako lahko že naslednji dan po vgrajevanju razkalupili. Tu je prišlo do prve ovire, saj uporaba same volne, bodisi steklene ali kamene, ne omogoča strjevanja v tako kratkem času. Da bi pospešili hitrost vezanja, so bile izdelane različne mešanice, kjer se je poleg volne dodalo tudi različne deleže materialov, kot so žlindra, pepel, metakaolin in apno. Za dosego željene trdnosti po enem dnevu sušenja na sobni temperaturi, je bilo pripravljenih več različnih mešanic. Na vseh narejenih preizkušancih so bile testirane mehanske trdnosti (do 56 dni), opazovalo se je tudi morebitno izluževanje in ukrivljanje vzorcev, saj le to vpliva na izbiro optimalne recepture. Vsi pripravljeni vzorci AAM so bili izpostavljeni tudi zmrzovanju, s čimer so bile sproti izločene neustrezne recepture. V naslednji fazi so bile izbrane tri najboljše mešanice in pripravljene večje plošče z dimenzijami, ki so se kasneje proizvajale v podjetju Termit, d.d. Plošče so bile izpostavljene 150 ciklom zmrzovanja in odtajevanja, da bi preverili kako odporne so na zmrzovanje. Izkazalo se je, da pri tem ena plošča ni bila obstojna in jo je bilo potrebno odstraniti iz nadaljnjega izbora. Med ostalima dvema se je izbiralo glede na dosežene trdnosti, izluževanje in ukrivljenost materiala ter samo obdelovalnost pripravljenih mešanic.

Slika 3: Skladiščni regal za nego fasadnih plošč in njihovo shranjevanje

Pilotna proizvodnja v podjetju Termit, d.d.

Mletje majhnih količin volne za laboratorijske potrebe je dokaj enostavno, medtem, ko večje količine (nekaj 100 kg ali nekaj ton) predstavljajo malo večji vložek energije. Če govorimo o mletju volne do velikosti nekaj centimetrov, to ne predstavlja posebnega problema, medtem ko mletje na velikost vlaken pod 0.5 mm, oziroma po zahtevah projekta pod 63 mikronov, je tehnološko zahteven proces. Za proizvodnjo fasadnih plošč v Termitu se potrebuje 2 toni odpadne zmlete mineralne volne, kar preračunano na število plošč pomeni nekje 300-500 pripravljenih plošč, odvisno od recepture mešanice. V ta namen se je najelo podjetje, ki se ukvarja s proizvodnjo različnih produktov iz mineralne volne, ki volno melje glede na potrebe.

Slika 4: Set za merjenje razleza malte po katerem smo ovrednostili obdelovalnost mešanice

Poleti 2020 so v Termitu uredili prostor za industrijsko izdelavo fasadnih plošč. Izbran prostor je moral biti pokrit, zaprt, in z možnostjo zračenja, saj se pri pripravi uporablja prahove mineralne volne ter ostale suhe prašnate dodatke, pri mešanju pa se zaradi organskega veziva na odpadni mineralni volni pri reakciji z alkalijo lahko sproščajo organske hlapne komponente. Varnostna oprema delavca pri izdelavi plošč zato zahteva nošenje najmanj FFP2 maske, zaščitno haljo ter očala. Prehod iz pilotnega laboratorijskega nivoja, ki je bil izveden na ZAG-u, na pilotni industrijski nivo, ki intenzivno poteka v Termitu, je prinesel nove izzive. Mešanje viskozne mešanice je na večji skali zahtevalo večji mešalec, ki omogoča hkratno mešanje najmanj 10 kg materiala. Pri tem je potrebno poudariti, da mora biti mešanje primerljivo mešanju na laboratorijskemu nivoju, da mora trajati enako časa s približno enako hitrostjo, če želimo prenos laboratorijske raziskave na večjo skalo. Čas mešanja, ki je potreben, da je pasta homogena, se je določil že v laboratoriju. Mineralna volna zaradi različnih organskih dodatkov potrebuje nekoliko več časa, da se omoči in se začne proces raztapljanja, v primerjavi z nekaterimi drugimi prekurzorji, ki se uporabljajo pri alkalijski aktivaciji (žlindra, metakaolin, elektrofiltrski pepel).

Slika 5: Fasadne plošče z gladko in reliefno površino

Pred začetkom pilotne proizvodnje je bilo potrebno opremiti prostor s kalupi, tehtnico, stresalno mizico in mešalom. Na podlagi izkušenj iz laboratorija so silikonski kalupi najprimernejši za vlivanje pripravljene mešanice, za lažje prenašanje pa so kalupi položeni na dodatne trdne nosilce, ki omogočajo, da se zmes po vlivanju ne deformira. Stresalna mizica, kamor se položi model s sveže pripravljeno mešanico, je namenjena enakomerni porazdelitvi vlite mase in izgonu mehurčkov, ki nastanejo tekom mešanja in vlivanja.

Plošče so se lahko razkalupile po enem dnevu, če je bila temperatura prostora med 20 in 24 °C. Ker se na laboratorijskem nivoju ne izdela večja količina velikih plošč naenkrat, tekom raziskav sinteze materiala odlagalne površine niso bile potrebne, medtem ko je pri prehodu na industrijski nivo odlaganje za daljšo nego in kasnejše shranjevanje ključnega pomena. Plošče so bile zato položene na za to namenjene police v skladiščne regale na podlago, ki se ne sprime s ploščo, saj je plošča še vedno rahlo lepljiva.

V ta namen so v Termitu izdelali set premičnih stojal, na katerih plošče ležijo sicer vodoravno, a so police na stojalu dovolj blizu, da je prostor čimbolj izkoriščen. Oprema za spremljanje kakovosti alkalijsko aktivirane malte in končnega produkta je enaka kot na laboratorijskem nivoju, mehanske trdnosti pa se merijo na ZAG-u. Za preverjanje obdelovalnosti pripravljene mešanice se uporablja mizico za merjenje razleza, hitrost vezanja se določi s pomočjo Vicatove igle, mehanska trdnost plošč pa se sledi z napravami za merjenje upogibnih in tlačnih trdnosti.

Načrti za naprej

V pilotni proizvodnji se bodo pripravile plošče z gladko in reliefno površino, s ploščami pa se bo obleklo eno skladišče v Termitu. Ker so omenjene plošče okrasne fasadne plošče in ne izolacijske, se izbira primeren relief, ki bi se z zelenkasto-rjavo ploščo najbolj skladal in bi potencialnega kupca pritegnil. V času nege vzorcev na sobni temperaturi se spremlja, če se bo na vzorcih pojavila eflorescenca, ali če se plošče ukrivljajo zaradi sušenja in krčenja plošč. V nadaljevanju se bodo plošče testirale na odpornost na zmrzovanje in odpornost na udarce. Ker je bil pri pripravi fasadnih plošč uporabljen tudi majhen delež žlindre, ki za razliko od volne vsebuje več različnih elementov v sledovih, se bodo naredili tudi izluževalni testi za ovrednotenje nastalih produktov s stališča okoljske varnosti.

Razvoj fasadnih plošč s postopkom alkalijske aktivacije odpadne mineralne volne je del H2020 projekta WOOL2LOOP (Mineral wool waste back to loop with advanced sorting, pretreatment, and alkali activation; 2019 -2022), ki ga financira Evropska unija s pogodbo št. 821000.

vir; https://www.mineral-revija.si/5453/Projekt-WOOL2LOOP-uporaba-odpadne-mineralne-volne