Amorfisten multioksidisilikaattien liukenemissaostumisreaktiot. Ligandien käyttö vähähiilisissä sideaineissa

Kestävän kehityksen tavoitteet vaativat sementtialalta ratkaisuja CO2-päästöjen vähentämiseen nollapäästöjen saavuttamiseksi vuoteen 2050 mennessä. Yksi yleisesti tutkittu ratkaisu on hyödyntää teollisuudessa ja rakennustyömailla syntyviä epäorgaanisia jätteitä vaihtoehtoisena sementtimateriaalina. Tämän on osoitettu vähentävän merkittävästi lopputuotteen CO2-jalanjälkeä ja pienentävän energiankulutusta portlandsementin tuotantoon verrattuna. Jätteiden käytössä on kuitenkin joitain haasteita, kuten raaka-aineen alhainen reaktiivisuus ja vaihteleva kemiallinen koostumus. Ratkaisuna voidaan käyttää alkaliaktivaatioksi kutsuttua tekniikkaa, jossa jauhetun jätteen annetaan veden sijasta reagoida alkaliliuoksen kanssa sementtimäiseksi sideaineeksi.
Väitöskirja keskittyy kahden epäorgaanisen jätteen, mineraalivillan (MW) ja jauhetun rakeistetun masuunikuonan (GBFS) hyödyntämiseen alkaliaktivointiprosessissa. Euroopassa tuotetaan vuosittain rakennus- ja purkujätteenä noin 2,54 Mt MW-jätettä, joka pääosin sijoitetaan kaatopaikalle. MW:n onnistuneeseen hyödyntämiseen tarvitaan sen ominaisuuksien määrittämistä, sekä reaktiivisuuden ymmärtämistä ja arviointia alkalisissa pH-olosuhteissa tavalla, johon ei tällä hetkellä päästä. Syynä on, että materiaalin alkuperästä riippuen MW:n kemiallinen koostumus vaihtelee sijainnin, ajankohdan ja käsittelyolosuhteiden mukaan. Eri puolilta Eurooppaa purkutyömailta ja teollisuuslaitoksista kerättyjen MW-jätteiden materiaaliominaisuuksien analysoinnilla löydettiin homogeenisia mediaaneja kemiallisessa koostumuksessa, kuidun pituudessa ja leveydessä. Lisäksi MW, joka on amorfinen materiaali, liukenee paremmin alkalisissa pH-olosuhteissa muodostaen sementtimäisiä faaseja ja edistäen MW:n hyödyntämispotentiaalia rakennussovelluksissa.
GBFS on teräksenvalmistuksen sivutuote, jota valmistetaan noin 300–360 Mt vuodessa. Se on kuonista reaktiivisimpia, mutta reagoi veden kanssa hitaasti, ja sen muuntaminen sementtimäisiksi sideaineiksi edellyttää syövyttävien alkaliliuosten käyttöä. Näiden syövyttävien liuosten valmistuksesta aiheutuu myös CO2-päästöjä, jotka kasvattavat GBFS-sementistä valmistetun sideaineen CO2-jalanjälkeä. Väitöskirjassa pyrittiin pienentämään GBFS:n alkaliaktivoinnilla valmistettavien kestävien sideaineiden hiilidioksidipäästöjä käyttämällä ympäristöystävällisiä liuoksia, kuten alkalikarbonaatteja, sekä uutena lisäaineena ligandeja. Tulokset osoittivat, että ligandien kanssa karbonaattiaktivoidun GBFS-sideaineen vahvuus kahden päivän iässä on 20 kertaa suurempi kuin ligandittoman. Tämä uusi onnistunut kokeilu osoittaa menetelmän muokkauksen ja optimoinnin tuomat mahdollisuudet, kun ymmärretään taustalla olevat kemialliset reaktiot ja käytetään sopivia lisäaineita.