Recykling gruzu betonowego. Niesamowite możliwości patentu z Politechniki Białostockiej. Bezodpadowa metoda, która chroni środowisko naturalne

Politechnika Białostocka zdobyła patent na kompleksowy recykling gruzu betonowego. Technologia i opisane urządzenie pozwala na całkowicie bezodpadowy proces. Taki recykling betonu jest w dodatku przyjazny dla środowiska, ekologiczny, a ponownie uzyskane materiały przyczyniają się do ograniczenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery.

Recykling gruzu betonowego, czyli

  •  jaki materiał można wykorzystać do recyklingu
  • co uzyskujemy podczas procesu recyklingu
  • jakie właściwości ma pozyskane w ten sposób kruszywo
  • co jeszcze udało się odzyskać
  • dlaczego recykling opatentowany na Politechnice Białostockiej jest w pełni bezodpadowy
  • unikalna w skali świata metoda ograniczająca w efekcie emisję CO2 do atmosfery

Do tej pory recykling gruzu betonowego kojarzył się z kruszeniem betonowych elementów, które później stanowiły materiał do utwardzania podłoża. Nie trzeba było ich wywozić i opłacać składowania, ale ich wykorzystanie nie stanowiło wyzwania dla inżynierów z wizją i pasją. Inaczej do problemu recyklingu gruzu betonowego podeszli naukowcy z Politechniki Białostockiej z Katedry Budownictwa i Inżynierii Drogowej Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku. Chcieli nie tylko uzyskać materiał wyższej jakości, ale też ograniczyć do minimum ilość odpadów pozostających w procesie recyklingu. I udało się. Ich patent PAT.229887 wzbudza wielkie zainteresowanie i jest już wdrażany w przemyśle.

ZOBACZ GALERIĘ (5 zdjęć)

Czym jest recykling budowlany?

Recykling budowlany, bo tak się fachowo to nazywa, to jest inaczej odzysk materiałów i surowców pierwotnych w wyniku zastosowanej technologii i te materiały odzyskane są w zasadzie o właściwościach niewiele gorszych od materiałów i surowców pierwotnych – wyjaśnia prof. Michał Bołtryk, kierownik Katedry Budownictwa i Inżynierii Drogowej Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku, współautor patentu PAT.229887.

Tak było do tej pory. Większość firm zajmujących się recyklingiem skupiała się na rozdrabnianiu betonu.

– Zaprawa cementowa, która w zasadzie nie znajduje zastosowania a zalega wysypiska śmieci – podkreśla prof. Bołtryk. Za składowanie, przykładowo, zaprawy cementowej, na wysypisku śmieci w Hryniewiczach, płaci się około 600 zł za tonę rocznie.

Oprócz kosztów ważna jest też ochrona środowiska naturalnego. Rozwijające się dynamicznie budownictwo z konstrukcji żelbetowych wymaga nie tylko cementu ale też olbrzymich ilości kruszywa. Pozyskiwanie piasku, żwiru czy bardziej szlachetnego kruszywa czyni nieodwracalne zmiany w krajobrazie.

– Mamy bardzo duże braki jeżeli chodzi o kruszywo drobne, czyli piasek budowlany i kruszywo grube – przypomina prof. Bołtryk. – Stąd w ostatnich dwóch dekadach wymuszono jak gdyby na przemyśle materiałów budowlanych zastosowanie kruszyw z recyklingu.

Niektóre rodzaje kruszywa – szczególnie bazaltowe czy granitowe muszę przebyć bardzo długą drogę zanim zostaną wykorzystane w konkretnym węźle betoniarskim. Niekiedy koszt transportu jest większy od kosztów samego kruszywa.

–  W tej sytuacji, kiedy zastosujemy tak drogie kruszywo to nam się nie opłaci często wytwarzanie takiego betonu – wyjaśnia prof. Bołtryk. – W tej chwili kruszywo grube z recyklingu w całości jest stosowane do budowania nowych konstrukcji inżynierskich.

Szczegółowe parametry kruszywa z recyklingu zostały opisane w normie  PN -EN 206:2014.

– Dopiero ta norma wprowadziła wytyczne odnośnie stosowania kruszywa z recyklingu jako zamiennika kruszywa naturalnego i określiła jego dopuszczalne ilości procentowe w zależności od składu gruzu i klasy ekspozycji betonu – wyjaśnia dr inż. Edyta Pawluczuk, współautorka patentu. – Dużo wcześniej takie wytyczne wprowadzano na Zachodzie. U nas nie rozwijano tego kierunku badań, nie było zaawansowanych metod recyklingu betonu ani metod ulepszania jakości tak powstałego kruszywa.  Ograniczano się do najprostszych zastosowań polegających na rozdrobnieniu gruzu w kruszarce do frakcji 63 mm, który stosowano np. na podbudowy pod drogi. Oczywiście jest to zrozumiałe ponieważ, przy tak niejednorodnych właściwościach uzyskanego kruszywa, producenci betonu nie mogli przewidzieć, jaki będzie jego wpływ na nowy beton.

Dotychczasowe metody pozyskiwania kruszyw recyklingowych sprawiały, że wykonany z nich beton miał gorsze parametry.

– Wcześniej kruszywo uzyskane z rozdrobnienia betonu było wykorzystywane jako podbudowa pod drogi – uzupełnia dr inż. Katarzyna Kalinowska-Wichrowska, współautorka patentu. – Od wielu lat na Zachodzie poszukiwano metod poprawy jakości tego kruszywa, ponieważ dodając do betonu to, co uzyskiwano po rozdrobnienia gruzu w kruszarce, otrzymywano słabsze parametry w porównaniu do betonu, w którym użylibyśmy kruszywa naturalnego. W dodatku, przy takim procesie pozostawało sporo drobnego materiału, który był traktowany jako odpad.

W przypadku patentu Politechniki Białostockiej jest zupełnie inaczej.

Czytaj także: Zielone rozwiązanie palącego problemu

Bezodpadowa technologia recyklingu betonu z patentem

– Nasza metoda stwarza następujące korzyści: po pierwsze jest całkowicie bezodpadowa, czyli pozwala na całościową przeróbkę gruzu betonowego w wartościowe materiały wtórne – wyjaśnia dr inż. Katarzyna Kalinowska-Wichrowska. Uzyskujemy kruszywo grube, które jest wysoce oczyszczone ze starej zaprawy cementowej i nadaje się doskonale jako zamiennik kruszywa naturalnego do kompozytów cementowych. Z kolei otrzymywana frakcja drobna może być wykorzystywana jako dodatek do betonu lub nawet jako częściowy zamiennik cementu. W związku z tym oba materiały trafiają ponownie do procesu produkcji.

Jak to możliwe? Potrzeba było do tego długich tygodni i miesięcy badań.

– To nie jest tak, że usiadł profesor z asystentami i wymyślił technologię i urządzenia – przyznaje prof. Bołtryk. – Trzeba było optymalizować parametry prażenia, optymalizować proces odspajania zaprawy cementowej od powierzchni kruszywa grubego, przemiału zaprawy cementowej do określonej powierzchni właściwej, i w ten sposób uzyskujemy praktycznie wszystkie surowce i materiały, które zostały pierwotnie zastosowane do konstrukcji żelbetowej.

 ZOBACZ GALERIĘ (5 zdjęć)

Oczywiście, w przypadku elementów żelbetowych, czyli będących połączeniem stali zbrojeniowej z betonem, trzeba ową stal oddzielić.

– Metoda na wstępie zakłada, że elementy stalowe z żelbetu są wstępnie wychwytywane przez separatory magnetyczne – wyjaśnia dr inż. Katarzyna Kalinowska-Wichrowska. – Do naszego urządzenia trafia już czysty gruz – bez zbrojenia. Zbrojenie po prostu usuwamy przed rozpoczęciem recyklingu gruzu betonowego.

Tak pozyskany materiał również nadaje się do powtórnego przetworzenia.

Czytaj także: Puszcza Białowieska – dlaczego jest tak ważna?

Jak w praktyce przebiega odzyskiwanie pozostałych materiałów budowlanych?

– W naszym patencie wykorzystujemy autorską metodę obróbki termiczno- mechanicznej gruzu betonowego – wyjaśnia dr inż. Edyta Pawluczuk. Metoda ta składa się z czterech zasadniczych etapów.

  1. W pierwszym etapie gruz betonowy jest rozkruszany do mniejszych frakcji – maksymalnie o średnicy 40 mm. To odbywa się zwykle w kruszarce szczękowej.
  2. Następnie gruz trafia do pieca, gdzie następuje jego obróbka termiczna. Odbywa się to w temperaturze 650 st. Celsjusza przez około godzinę. Takie parametry obróbki pozwalają na osłabienie połączenia pomiędzy ziarnem kruszywa a zaczynem cementowym w betonie. Dzieje się tak, ponieważ w tym miejscu zalega zwykle wodorotlenek wapnia, który właśnie w takiej temperaturze ok. 650 st. Celsjusza ulega rozpadowi na wapno i wodę.
  3. Następnie wyprażony gruz trafia do bębna obrotowego, gdzie następuje jego obróbka mechaniczna. Podczas ocierania się ziaren o siebie i o płaszcz wewnętrzny bębna następuje już w bardzo prosty sposób, z uwagi na wcześniejsze wyprażenie , usunięcie zaprawy cementowej z powierzchni ziarna kruszywa. Pozostaje już tylko przesianie materiału na odpowiednie frakcje, dzięki czemu uzyskujemy grube kruszywo wysokiej jakości do betonu oraz frakcję drobną.
  4. Zaleca się jeszcze, żeby ta frakcja poniżej 4 mm została możliwie maksymalnie domielona, co powoduje że staje się ona cennym materiałem do betonu. Może być stosowana jako aktywny dodatek do betonu lub też jako częściowy zamiennik cementu.

 ZOBACZ GALERIĘ (5 zdjęć)

Skalę takiej linii technologicznej ogranicza właściwie jedynie wlot kruszarki przemysłowej. Najczęściej stosowane urządzenia  pozwalają na umieszczanie w nich fragmentów o wymiarach w przekroju nawet 70×90 centymetrów.

Czytaj także: Solarpunkowe Centrum

Jakie korzyści daje recykling gruzu betonowego opatentowany przez Politechnikę Białostocką?

– Odzyskane kruszywo może zastępować nawet 100 procent  naturalnego kruszywa grubego w mieszance betonowej – przekonuje dr inż. Katarzyna Kalinowska-Wichrowska. – W naszych badaniach zamienialiśmy całość potrzebnego kruszywa grubego kruszywem z recyklingu i uzyskaliśmy poprawę wszystkich parametrów wytrzymałościowych takiego betonu.

Kruszywo odzyskane w opatentowanym przez Politechnikę Białostocką procesie recyklingu można zastosować nawet do betonów wysokich wytrzymałości. Jak to jest możliwe?

– Kruszywo podczas recyklingu poddane obróbce nie ulega całkowitemu oczyszczeniu. Na jego powierzchni pozostają silnie przylegające pozostałości zaczynu cementowego, które w nowym betonie wchodzą w reakcję z matrycą cementową, czyli z nowym zaczynem cementowym – wyjaśnia dr inż. Edyta Pawluczuk.  – Należy podkreślić, ze kruszywo z recyklingu po takiej obróbce ma lepsze właściwości w betonie w porównaniu z popularnym kruszywem żwirowym. Jego obecność podwyższa wytrzymałość betonu na ściskanie nawet o 10 procent w porównaniu z betonem na kruszywie żwirowym.

Metoda jest bezodpadowa, co zatem dzieje się z pozostałościami zaprawy cementowej?

– Dzięki wyprażeniu i domieleniu częściowo przywracamy tej drobnej frakcji zdolności wiążące – tłumaczy dr inż. Pawluczuk. – Nie możemy tego nazwać cementem z uwagi na skład i proces produkcji natomiast możemy to nazwać na przykład aktywnym dodatkiem do betonu.

Naukowcy z Politechniki Białostockiej długo badali możliwości ponownego wprowadzenia do użycia pozostałego materiału drobnego w swojej autorskiej metodzie recyklingu gruzu betonowego.

– Prowadzone przez nas badania skupiały się na tym, by był przynajmniej częściowym zamiennikiem cementu lub dodatkiem do betonu – mówi dr inż. Kalinowska-Wichrowska.  – Nie dorównuje parametrami klasycznemu cementowi, natomiast wiadomo, że klasyczny cement jest drogi, a jego proces produkcji bardzo energochłonny i emituje znaczne ilości dwutlenku węgla do atmosfery. Znajdując materiały mogące być jego substytutem przyczyniamy się i do ograniczania emisji CO2 i do powstawania nowych materiałów, które  sprawdzają się jako dodatki czy wypełniacze do betonu.

Czytaj także: Powrót do natury

Patent Politechniki Białostockiej wyjątkowy w skali świata

Uważam, że jest to jeden z najlepszych patentów dotyczących recyklingu konstrukcji żelbetowych – mówi z dumą prof. Bołtryk. – Zbliżone rozwiązanie istnieje w Japonii, z tym że Japończycy nie doszli do odpowiedniego reżimu technologicznego. Oni stosują przykładowo prażenie gruzu betonowego w temperaturze 300 stopni, a że to jest za niska temperatura z uwagi na proces odwodnienia betonu i osłabienia wiązania pomiędzy zaprawą cementową a kruszywem, to stosują dodatkowo dwa młyny. W ich procesie powstaje bardzo dużo frakcji pylastych i dlatego stosują filtry workowe, ażeby odzyskać tę frakcję pylastą. Japończycy próbują zastosować obecnie tę swoją technologię, natomiast nam się udało już sprzedać licencję na tę technologię jednej z firm budowlanych oraz dla kilku firm budowlanych w procesie modernizacji ich zakładów, szczególnie zakładów produkujących beton towarowy jak też produkujących określone rodzaje wyrobów. Tam właśnie również zastosowano naszą technologię.

– Koszty takiej linii zależą od potrzeb firmy – dodaje dr. inż. Kalinowska-Wichrowska. – W zależności od tego jaką ilością gruzu betonowego firma dysponuje, bądź zamierza kupować, czy wytwarzać, takiej wydajności urządzenia są potrzebne. Przeciętna linia o charakterze przemysłowym może zostać skompletowana do kwoty około miliona złotych.

 ZOBACZ GALERIĘ (5 zdjęć)

Jakie firmy mogą skorzystać na wprowadzeniu patentu na recykling betonu Politechniki Białostockiej?

– Takie urządzenie na pewno przyda się firmom specjalizującym się w rozbiórkach obiektów budowlanych – podpowiada dr inż. Pawluczuk. – Wtedy takie kruszywo zamiast wywozić na składowiska mogą przetwarzać i od razu sprzedawać. Nasz patent mogą wykorzystać również zakłady prefabrykacji. Zwykle w procesie produkcji czy transportu elementów powstaje tam sporo odpadów własnych, które będzie można przywracać do obiegu prowadząc ekologiczną gospodarkę bezodpadową.

Wykorzystując gruz betonowy każda firma przyczynia się też wydatnie do ochrony środowiska naturalnego.

– Produkcja cementu odpowiada za około osiem do dziesięciu procent emisji dwutlenku węgla do atmosfery. W związku z czym proponowana przez nas metoda, czyli zastosowanie swego rodzaju zamiennika cementu może przyczynić się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery – sumuje dr inż. Katarzyna Kalinowska-Wichrowska.

Fot. Gabriela Kościuk

 

Zobacz także:

Prof. dr hab. inż. Michał Bołtryk, Dr inż. Katarzyna Kalinowska-Wichrowska, Dr inż. Edyta Pawluczuk – Recykling gruzu betonowego [wideo]