Geopolymeerien ilmastohyödyistä uutta näyttöä – päästöt voivat vähentyä merkittävästi perinteisesti valmistettuun betoniin verrattuna

Sementtiä korvaamaan kehitetyt geopolymeerit eivät kaikissa tapauksissa pienennä ympäristövaikutuksia verrattuna perinteisesti valmistettuun betoniin. LUT-yliopiston uusi tutkimus geopolymeerikomposiittiresepteistä osoitti kuitenkin potentiaalia huomattaviin ilmastohyötyihin. Ilmaston lämpenemistä aiheuttavat päästöt voivat vähentyä merkittävästi.

Uutiskuva goepolymeerikomposiitit

Betoni on maailman käytetyin rakennusaine, ja sen valmistukseen tarvittava sementti tuottaa arviolta 8 % kaikista maailman hiilidioksidipäästöistä. Geopolymeerit, eli mineraalisten sivuvirtojen ja aktivaattoreina toimivien alkaalikemikaalien reaktiona syntyvät sementin kaltaiset sidosmateriaalit ovat nouseva tutkimusala, jonka toivotaan pienentävän rakennusteollisuuden päästöjä selvästi. 

Geopolymeerikomposiitit syntyvät valitun geopolymeerin, hiekan ja soran yhdistelmänä, ja muodostavat näin betonin kaltaisen rakennusmateriaalin. LUTilla on tutkittu eri resepteillä valmistettujen kuituvahvisteisen geopolymeerikomposiittien ympäristövaikutuksia. Ympäristövaikutusten arviointi kattoi muun muassa vaikutukset ilmaston lämpenemiseen, käytettyjen uusiutumattomien luonnonvarojen määrän sekä ekotoksiset vaikutukset. 

Tutkimuksen kohteena olleet sidosaineiden reseptit sisälsivät teollisuuden sivuvirroista syntyvää kivihiilen lentotuhkaa tai lentotuhkan ja masuunikuonan sekoitusta. Reseptit olivat joko rautavahvisteisten, lasikuituvahvisteisten tai polypropeenivahvisteisten tuotteiden valmistusreseptejä.

Kaikkiaan tutkittuja reseptejä oli 24. Reseptit saatiin aiemmin tehdyistä geopolymeerikomposiittien tutkimuksista ja ne olivat lujuudeltaan keskenään saman tasoisia. Tutkimuksen loppuvaiheessa kustakin vahvistetyypistä ympäristövaikutuksiltaan positiivisimpia reseptejä verrattiin perinteisesti valmistettuun betoniin.

Tutkimuksessa todettiin, että parhaalla kuituvahvisteisella geopolymeerikomposiitilla ilmastonmuutosta kiihdyttävät vaikutukset ovat lähes 60% pienemmät verrattuna rautavahvistettuun betoniin. 

Toisaalta fossiilisten luonnonvarojen kulumisen suhteen ympäristölle haitalliset päästöt vaihtelivat suuresti. "Kolmella tutkitulla geopolymeerireseptillä päästöt olivat huonoimmillaan 26% isommat ja parhaimmillaan 51% pienemmät kuin rautavahvisteisella betonilla", toteaa tutkija Mariam Abdulkareem.

Abdulkareem jatkaa, että tutkimuksen loppuvaiheessa kaikki ympäristövaikutukset tuotiin yhteen, niin sanottuun normalisoituun tulokseen.

"Tulostemme mukaan kuituvahvisteisilla geopolymeerikomposiiteilla oli kokonaisuudessaan 19 -37% alemmat ympäristövaikutukset verrattuna rautavahvistettuun betoniin."

Mineraalisten jätemateriaalien hyötykäytön lisääminen myös toivottavaa

Koko elinkaaren huomioivat ympäristövaikutusten arvioinnit antavat tärkeää tietoa materiaalien jatkokehitykseen. Professori Mika Horttanainen LUTin kestävyystutkimuksen osastolta kertoo, että alkaliaktivaattorikemikaalien valmistuksen havaittiin olevan suurin ympäristövaikutusten osatekijä. 

"Uusien geopolymeerien kehitystyössä tulisi pyrkiä resepteihin, joissa tarvittavien alkaliaktivaattoreiden määrä on mahdollisimman pieni", toteaa Horttanainen. 

Geopolymeerien tutkimus LUTilla on osa EU-rahoitteista Urban Infra Revolution (UIR) -tutkimushanketta. Hankkeessa kehitetään Etelä-Karjalan alueen teollisuusyritysten sivuvirtoja hyödyntävää, kestävän kehityksen mukaista rakennusmateriaalia, ja siihen pohjautuvia valmistusmenetelmiä, -laitteita sekä liiketoimintamalleja.

Sen lisäksi että geopolymeerikomposiittien kasvihuonepäästöt ovat sementtiä alhaisemmat, ovat ne myös potentiaalinen keino nostaa mineraalisten jätemateriaalien hyötykäyttöä maailmanlaajuisesti. 

"Nykyiset reseptit perustuvat etupäässä kivihiilen tuhkaan ja masuunikuonaan, jotka ovat jo osittain hyödynnettyjä sivuvirtoja. UIR-hankkeessa kehitetään kuitenkin reseptejä myös muille teollisuuden mineraalijätteille, joita syntyy suuria määriä ympäri maailmaa", päättää Horttanainen.

Urban Infra Revolution (UIR) -tutkimuskokonaisuus jatkuu vuoden 2020 syksyyn ja sitä koordinoi Lappeenrannan kaupunki.

Tutkimusartikkeli (open access): 

Abdulkareem et al. 2019. How environmentally sustainable are fibre reinforced alkali-activated concretes? Journal of Cleaner Production, 231 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.07.076

Lisätietoja:

Mariam Abdulkareem, tutkija, LUT-yliopisto, mariam.abdulkareem@lut.fi (lisätietoja englanniksi)

Mika Horttanainen, professori, LUT-yliopisto, puh. 040 8485 850  mika.horttanainen@lut.fi