Po doktorantūros praktiniai ir moksliniai tyrimai bus atliekami statybos ir inžinerijos mokslų srityje, stiklo duženų perdirbimo tematikoje gaminant ypač stiprius betonus. Stažuotės metu bus sprendžiamos dvi problemos: 1) stiklo duženų, išskirtų iš komunalinių atliekų srauto, mažinimas gaminant naudingus statybos produktus ir 2) problemų sprendimas susijusių, su nepakankamu ir lėtų ypač stipraus betono struktūroje, vykstančiais hidratacijos procesais bei mikrostruktūros formavimu. Projekto metu bus kuriama malto stiklo dispergavimo technologija, kuri pagerintų malto stiklo pucolanines savybes bei suintensyvintų porltandcemenčio hidratacijos procesus. Tai leistų ženkliai paspartinti ypač stipraus betono rišimosi ir kietėjimo procesus, pagerinti mikrostruktūra, mechanines ir ilgalaikiškumo savybes. Projekto metų būtų sprendžiama ne tik globali stiklo duženų, išskirtų iš komunalinių atliekų srauto mažinimo problema, tačiau ir sukuriama nauja medžiaga, su pagerintomis fizikinėmis, mechaninėmis ir ilgalaikiškumo savybėmis.
Pagal Europos statistikos departamento (Eurostat) duomenimis, nustatyta, kad europiečiai kasmet pagamina apie 38 milijonus tonų stiklo produkcijos (buteliai, stiklainiai, porceliano, keramikos gaminiai ir kt.), kurios kasmet vis didėja. Deja ne visa stiklo produkcija yra sėkmingai perdirbama. Efektyviausiai perdirbamos stiklo atliekos (stiklo buteliai, stiklainiai, stikliniai indai ar duženos), kurios sumetamos į tam specializuotus konteinerius. Tokių atliekų susidaro apie 12 milijonų tonų per metus, o iš jų vidutiniškai Europoje sugebama perdirbti iki 74 %. Vis dėl to susidaro nemaža dalis ir tokių stiklo atliekų (porceliano, keramikos, veidrodžių, elektros lempučių, automobilio langų stiklų, krištolo ir kt.), kurios per daug užterštos, o perdirbimo procesas per sudėtingas arba pakartotiniam panaudojimui pareikalauja per didelių energetinių sąnaudų. Tokių atliekų Europoje vidutiniškai perdirbama iki 50 %. Deja, tarp vakarų ir rytų Europos šalių, stiklo atliekų surinkimo ir perdirbimo situacija yra dar prastesnė. Švedija sugeba perdirbti daugiau kaip 95 %, Vokietija 81-85 %, Italija 70-78 % visos stiklo produkcijos. Tačiau Turkija, Graikija, Kipras ir Malta ne visada sugeba perdirbti net 50 % į specializuotus konteinerius sumesto stiklo atliekos. Nors Lietuvoje atliekų perdirbimo situacija, per pastaruosius kelis metus ženkliai pagerėjo, tačiau vis vien stiklo atliekos susidaro daugiau nei 100 tūkst. tonų per metus, o perdirbamas kiekis yra ženkliai mažesnis nei Europos vidurkis (iki 40%). Tokį ženklų atotrūkį labiausiai nulėmė žmonių neišprusimas, valstybės politika bei skatinimo priemonių trūkumas. Kita problema yra tame, kad neperdirbtas ir sąvartynuose utilizuotas stiklas gali nesuirti net iki 900 metų. Dėl išlėto vykstančių fizikinių ir cheminių procesų, stiklo duženos gali reaguoti su kitomis sąvartynuose esančiomis atliekomis ir sudaryti kenksmingus junginius, teršiančius gruntinius vandenis ar sudaryti kenksmingas dujas, kurios prisidėtų prie neigiamo šiltnamio efekto. Netinkamai sprendžiant stiklo atliekos utilizavimo problemą, po kelių dešimtmečių ji taptų globali problema, ne tik Lietuvoje, bet ir visoje Europoje. Deja, verslas nepajėgus tinkamai susikoncentruoti ir tinkamai išspręsti problemas susijusias su stiklo atliekos mažinimo problemos. Neretai, jei ir pasiūlo tinkamų problemų sprendimo būdų, tai investicijos skirtos problemai spręsti apsiriboja tik lokalios problemos sprendimu, kuri net ne visuomet yra viešai prieinama. Todėl sprendžiant panašaus pobūdžio problemas, gauti rezultatai būtų skelbiami viešai ir prieinami visiems besidominantiems panašios problemos sprendimo būdais.
Pagrindinė projekto idėja – po pirminio valymo, antriniam panaudojimui netinkamas stiklo duženas panaudoti ypač stipraus betono gamyboje. Stiklas yra amorfinės struktūros medžiaga, kuri turi didelį kiekį SiO2 (~60%), AlO3 (~3%), CaO (~9%), Na2O(~10%). Būdamas amorfinės struktūros ir turėdamas dideli kiekį SiO2 stiklas galėtų būti puiki pucolaninė medžiaga. Pucolaninėms medžiagoms būdinga tai, kad jos turi dideli kiekį amorfinio SiO2 ir šarminėje aplinkoje gali reaguoti su portlandcemenčio hidratacijos metu, susidariusių hidratacijos produktu portlanditu (kalkėmis). Panašios pucolaninės medžiagos tokios kaip lakieji pelenai, aukštakrosnių šlakas, silicio mikrodulkės ir kt. jau daugelį metų sėkmingai yra utilizuojamos gaminant įvairių rūšių betoną. Tačiau stiklas savo struktūroje turi didelį kiekį CaO, kuris gali lemti struktūros nevientisumą, taip pat Na2O, kuris gali sukelti šarmine betono koroziją, gali turėti organinių ir kitų plėtrių priemaišų, sukeliančių nepageidaujamų betono struktūros pakitimus. Todėl stiklo atliekos panaudojimas daugelyje įprastinės sudėties betonu nėra galimas. Tačiau yra atlikta nemažai mokslinių tyrimų, kuriuose sumalus stiklo duženas sėkmingai utilizuojama gaminat betonus, dirbtinį užpildą ar stiklo vatą. Tačiau net ir susmulkintas stiklas kambario temperatūroje yra inertinė medžiaga ir pucolaninėmis savybėmis nepasižymi arba jos yra labai nežymios. Daugelio mokslininkų tyrimų rezultatai apsiriboja paprastais eksperimentais, kurių esmė, pakeisti dalį cemento ar kitą brangesnį mikro užpildą – malto stiklo atlieką. Tokiu būdu galima utilizuoti nemažus kiekius stiklo atliekos, tačiau malto stiklo, kaip inertinio mikroužpildo panaudojimas nėra efektyvus. Daug efektyvesnis stiklo panaudojimas, būtų, jei pagamintuose bandiniuose būtų pritaikytas terminis apdorojimas. Aukštesnėje temperatūroje (>60 °C) stiklo tirpumas padidėja, o pucolaninės savybės suaktyvėja. Deja daugelyje įprastinių betonų terminis apdorojimas nėra racionalus. Tačiau terminis apdorojimas ypač stipriame betone yra netgi rekomenduotinas. Ypač stiprus betonas, tai yra toks betonas, kurio gniuždymo stipris yra daugiau nei 100 MPa. Daugelis šios srities specialistų sugeba pasiekti gniuždymo stiprį tarp 150 MPa ir 250 MPa, o tai yra nuo 3 iki 5 kartų daugiau nei įprastinės sudėties betono. Tokio betono ilgalaikiškumo savybės gali būti net kelis šimtus kartų pranašesnės už įprastinės sudėties betono. Deja, ypač stiprus betonas yra labai aplinkai nedraugiška medžiaga. Turi kelis kartus didesnį cemento kiekį (700-1200 kg/m3), kurio užtektų, net kelis kartus pagaminti konstrukciją iš įprastinės sudėties betono. Turi silicio mikrodulkių (iki 200 kg/m3), kurios yra būtinos, nes dalyvauja pucolaninėje reakcijoje, o reakcijos metu pH terpė sumažėja, todėl gali atsirasti papildoma grėsmė armatūros korozijai. Ypač stiprus betonas, skirtingai nei įprastinės sudėties betonas, neturi stambaus užpildo (< 2 mm dalelės dydis), toks betonas pareikalauja ženkliai didesnio superplastiklio kiekio (iki 70 kg/m3), kuris ženkliai užlėtina hidratacijos procesus, o norint pasiekti puikias mechanines ir ilgalaikiškumo savybes nerekomenduojama, kad tokio betono vandens ir cemento santykis būtų 0,25. Taip pat dar rekomenduojama pritaikyti terminį kietinimą, o efektyviam išmaišymui reikalinga moderni maišyklė. Deja užtikrinti šiuos ir kitus technologinius procesus pajėgios įvykdyti ne visos betono gamyklos. Nepaisant šių trūkumų, ypač stipriame betone, lieka daugiau nei 50 % nesureagavusio portlandcemenčio, kuris betone dalyvauja kaip brangus mikroužpildas, o cheminiai procesai, reakcijos, kinetika, hidratacijos produktų formavimasis vyksta ne visuomet pagal tokius pat dėsnius kaip įprastiniame betone. Kaip suintensyvinti rišimosi procesą arba kaip pagaminti ypač stiprų betoną su mažesnių rišiklio kiekiu, bei paprastesne technologine įranga, neprarandant mechaninių ir ilgalaikiškumo savybių yra iššūkis, ne tik Europos bet ir pasaulio specialistams.
Projekto tikslas – sukurti malto stiklo dispergavimo technologiją, kuri suintensyvintų portlandcemenčio hidratacijos procesus ir malto stiklo pucolanines savybes, netaikant terminio kietinimo.
Projekto darbo uždaviniai:
1) Ištirti stiklo duženų, išskirtų iš komunalinių atliekų, įtaką portlandcemenčio hidratacijos procesams;
– Stiklo duženų cheminės analizės ir tinkamumo tyrimai;
– Stiklo duženų paruošimo, smulkinimo, neutralizavimo tyrimai;
– Stiklo duženų panaudojimo galimybių tyrimai;
2) Sukurti malto stiklo dispergavimo ir aktyvavimo technologija bei pritaikyti ypač stipraus betono gamyboje;
– Malto stiklo mechaninis, mechano-cheminis, aukšto dažnio ultragarso dispergavimas;
– Hidratacijos kinetikos, procesų parametrų, hidratacijos naujadarų, pucolaninių savybių tyrimai;
– Ypač stipraus betono su malto stiklo atlieka, kietėjimo procesų, mikrostruktūros, mechaninių ir atsparumo šalčiui tyrimai;
Dalyvaujant šioje podoktarantūrinėje mokslinėje stažuotėje būtų įgyjamos naujos kompetencijos ir praktinės žinios, mokslinėje, technologinėje ir organizacinėje veikloje, taip pat būtų prisidedama prie globalios problemos sprendimo.
Projekto finansavimas:
ES struktūrinių fondų projektas, finansuojamas Europos socialinio fondo lėšomis pagal 2014–2020 metų Europos Sąjungos fondų investicijų veiksmų programos priemonės Nr. 09.3.3-LMT-K-712 veiklą „Stažuočių po doktorantūros studijų skatinimas”.
Projekto rezultatai:
Mokslo projekto rezultatai:
Projekto metu, be baigiamosios mokslinės ataskaitos, planuojama parengti 2 aukšto lygio straipsnius, leidžiamuose periodiniuose mokslo leidiniuose, turinčiuose cituojamumo rodiklį (Impact Factor) Clarivate analytics, Web of Science duomenų bazėje. Bei sudalyvauti dviejuose tarptautinio lygio mokslo konferencijose. Tyrimų rezultatai ateityje, galėtų būti pritaikomi, sprendžiant panašaus pobūdžio aktualias problemas, rengiant bakalauro, magistro, doktorantūros baigiamo darbo temas.
Projekto įgyvendinimo laikotarpis: 2020-09-01 - 2022-08-31
Projekto koordinatorius: Kauno technologijos universitetas
