​Możliwości wykorzystania odpadów roślinnych z produkcji rolnej do produkcji betonu - komentarz prof. dr hab. inż. Elżbiety Horszczaruk

Odpady roślinne z produkcji rolnej

Przemysł cementowy wraz z produkcją betonu stanowią podstawę globalnej infrastruktury. Jego znaczenie dla rozwoju społeczeństw w kierunku bardziej zurbanizowanego stylu życia oznacza, że jest to kluczowa branża do dekarbonizacji, jeśli założenia w zakresie zrównoważenia środowiskowego mają zostać osiągnięte. Około 9–10 % światowej emisji dwutlenku węgla związanej z energią przypisuje się cyklowi życia produktów przemysłu cementowego i betonowego (w tym produkcji, łańcuchowi dostaw, zużyciu i wycofaniu z eksploatacji). Globalna produkcja cementu pochłania rocznie średnio około 7 % światowego zapotrzebowania na energię przemysłową. Nadmierny wzrost wydobycia surowców mineralnych, w tym kruszyw budowlanych prowadzi do wyczerpania zasobów naturalnych i bezpośrednio powoduje negatywne skutki dla środowiska, takie jak niszczenie krajobrazu i ekosystemów oraz generuje zanieczyszczenia.

Aby ograniczyć szkody wyrządzone środowisku naturalnemu przez przemysł cementowy i produkcję betonu, w ostatnich dziesięcioleciach prowadzone są szerokie badania nad alternatywnymi rozwiązaniami dla cementu i kruszywa. W wielu krajach nałożono obowiązek wykorzystania kruszywa z recyklingu do przygotowania świeżego betonu. Jako nowy substytut cementu coraz więcej uwagi w przemyśle materiałów budowlanych przyciągają różnego rodzaju geopolimery. Drugim kierunkiem jest poszukiwanie alternatywnych rozwiązań dla mineralnych kruszyw budowlanych. Oprócz wykorzystania kruszyw z recyklingu oraz sztucznych kruszyw lekkich wykorzystanie odpadów rolniczych jako substytutu kruszyw budowlanych wykazuje tendencje wzrostową.

Pojęcie odpady rolnicze ma szerokie znaczenie. Są to odpady pochodzące z produkcji rolnej, przetwórstwa produktów rolnych, hodowli zwierząt gospodarskich i drobiu oraz mieszkańców obszarów wiejskich. Ten rodzaj odpadów stanowi 30% całkowitej światowej produkcji rolnej. W większości przypadków odpady rolnicze są spalane lub składowane, powodując zanieczyszczenie ziemi i wpływając negatywnie na środowisko ekologiczne. W celu uzyskania lepszej jakości materiałów odpadowych z produkcji rolniczej, a w szczególności odpadów roślinnych i wykorzystania ich w budownictwie muszą być one odpowiednio przetworzone. W tym celu stosuje się takie zabiegi jak: kruszenie, cięcie, mielenie w celu uzyskania odpowiedniego rozdrobnienia, jak również dodatkową obróbkę chemiczną i termiczną.

W ostatnich dziesięciu latach wykorzystanie odpadów roślinnych jako substytutu składników betonu wykazuje tendencję wzrostową. Rodzaj wykorzystywanych odpadów z produkcji rolnej w produkcji betonu charakteryzuje się dużym zróżnicowaniem i jest uzależniony od klimatu i rodzaju upraw w danym regionie.

Odpady z produkcji rolnej możemy podzielić na trzy główne kategorie:

• naturalne włókna roślinne
• popiół z odpadów roślinnych
• odpady wielozadaniowe.

Naturalne włókno roślinne jest materiałem, który jest oryginalną rośliną w przyrodzie i może być bezpośrednio stosowane do produkcji betonu. Do tej kategorii zaliczamy włókna: sizalowe, jutowe i włókna palmy daktylowej. Rośliny te mają najszerszy zasięg upraw na świecie. Do innych włókien roślinnych wykorzystywanych w kompozytach cementowych zaliczyć możemy włókna: konopi przemysłowych, ramii (pokrzywy chińskiej), słomy zbóż, hibiskusa czy lnu.

Popiół odpadowy jest odpadem wytwarzanym w procesie produkcji rolnej i przetwarzanym najczęściej przez kalcynację w celu uzyskania materiału o właściwościach pucolanowych. Odpady wielozadaniowe to odpady pozostające w procesie produkcji rolnej (np. łuska ryżowa) lub w wyniku spożycia produktów rolnych przez ludzi (łupina kokosa, kolba kukurydzy), które można wykorzystać w postaci kruszywa drobnego lub grubego, popiołu lub włókien w produkcji zapraw i betonów cementowych. Poniżej przedstawiono przykłady wykorzystania odpadów z produkcji rolniczej w podziale na kategorie w betonach i zaprawach cementowych.

Naturalne włókna roślinne

Naturalne włókna roślinne mogą znacznie zwiększyć wytrzymałość i ciągliwość kompozytów na bazie cementu. Pewne ograniczenie w ich zastosowaniu w kompozytach cementowych stanowi ich porowata struktura (rys. 1), która powoduje wysoką absorpcję wody. Zestawienie właściwości kilku naturalnych włókien stosowanych w modyfikacji betonu przedstawiono w tabeli 1.

Rys. 1. Struktura włókien konopi: przekrój poprzeczny przez włókno (po lewej) i przekrój wzdłuż włókna (po prawej)

Tabela 1.

Fizyczne właściwości wybranych włókien roślinnych

Popiół z odpadów roślinnych

Większość popiołów z odpadów roślinnych jest stosowana jako częściowy zamiennik cementu lub wypełniacz w celu poprawy wydajności zaprawy lub betonu cementowego. Z uwagi na wielkość upraw największe zastosowanie odpadów roślinnych po spaleniu w materiałach na bazie cementu znajdują odpady, których produkcja jest bardzo duża a ich utylizacja jest utrudniona. Do takich odpadów należą: odpady z oliwek, wytłoki z trzciny cukrowej, liście bananowca, trawa słonia czy odpady drzewne różnego pochodzenia.

Dobrym przykładem jest popiół powstały ze spalania wytłoczyn z trzciny cukrowej, który zawiera dużą ilość SiO₂ a dodany do cementu poprawia wytrzymałość betonu zarówno przez uszczelnienie struktury jak i swoje właściwości pucolanowe (rys. 2).

Rys. 2. Wytrzymałość na ściskanie betonów zawierających popiół z trzciny cukrowej jako częściowy zamiennik cementu (na podstawie Rao, M.; Prabath, N. Green „Concrete using Agro Industrial Waste”IJSCE, 2015, 5, 86–92).

Pozostałości części roślin

Pozostałości części roślin niewykorzystane przy produkcji żywności oraz w gospodarstwie rolnym to odpady wielozadaniowe. Najczęściej wykorzystuje się je jako zamiennik kruszywa w betonie. Do takich odpadów zaliczane są przede wszystkim łupiny owoców palmy oleistej i kokosowej oraz kolby kukurydziane, a także łuski ryżowe czy paździerze konopne.

Te ostatnie znalazły duże zastosowanie do produkcji tzw. betonu konopnego zwanego również hempcrete. Paździerze konopne (w ilości 70-80% całego kompozytu) wykorzystywane w połączeniu ze spoiwem wapiennym i wodą stanowią świetne wypełnienie ścian jako naturalny materiał izolacyjny o średniej gęstości i współczynniku przewodności cieplnej λ poniżej 0,1W/m×K.

Oprócz wysokiej izolacyjności termicznej oraz akustycznej beton konopny ma podstawową wadę, niską wytrzymałość mechaniczną. Wytrzymałość na ściskanie betonów konopnych przy wysokim udziale paździerzy konopnych (średnio 80% objętości betonu) nie przekracza zwykle 1 MPa. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie bardziej mocnego spoiwa, jakim jest np. cement oraz zwiększenie ilości spoiwa. W celu osiągnięcia przez beton konopny wytrzymałości porównywalnej do cegły ceramicznej należy użyć w trakcie formowania elementów prasy wysokociśnieniowej. Beton konopny jest stosowany jako wypełnienie izolacyjne w ścianach o szkielecie drewnianym, jako płyty do izolacji podłóg i fundamentów, i drobnowymiarowe prefabrykaty ścienne.

Podsumowanie

Odpady roślinne z produkcji rolnej wykazują obecnie ogromny potencjał do zastosowania w betonach i zaprawach cementowych. Z punktu widzenia sposobów zastosowania/utylizacji odpadów roślinnych w betonie można je podzielić na wymianę cementu, wymianę kruszywa i wzmocnienie matrycy cementowej włóknami roślinnymi. Z ekonomicznego punktu widzenia odpady rolnicze mogą przynieść wyjątkowo niskie koszty produkcji betonu. Odpady roślinne mają wielką wartość w rozwoju betonu przyjaznego dla środowiska.

Pełne wykorzystanie tych zasobów odpadowych może nie tylko zmniejszyć presję na środowisko spowodowaną akumulacją i spalaniem odpadów, ale także zapobiec wyczerpywaniu się zasobów naturalnych i niedoborom spowodowanym nadmiernym wydobyciem kruszywa, a także ekologicznemu zanieczyszczeniu środowiska spowodowanemu emisją dwutlenku węgla. W przyszłości coraz więcej odpadów rolniczych będzie ponownie wykorzystywanych w produkcji materiałów budowlanych, co jest świetlaną perspektywą zrównoważonego rozwoju.

Autorka: prof. dr hab. inż. Elżbieta Horszczaruk