Metoder til genanvendelse af farvede glasskår til produktion af tegl og beton og til vejbygning
2 Glas til betonproduktion
Beton består meget forenklet af faststofpartikler i form af tilslag (sand og sten), der bindes sammen af en pasta af cement og vand. Knust glas vil både kunne indgå som tilslag i betonen og som fillermateriale i pastafasen, afhængigt af glassets partikelstørrelse.
2.1 Genbrugsglas som tilslag
Knust glas kan anvendes som tilslag i beton /1/. Det kræver, at betonen har et forholdsvist højt pastaindhold, som det også er kendt fra knust stentilslag. De kantede partikler skal så at sige smøres med pasta, for at den friske beton får en god bearbejdelighed.
Glastilslaget ændrer betonens mekaniske egenskaber. Forsøg refereret i /1/ viser, at beton med glastilslag har ca. 25% lavere trykstyrke end en sammenlignelig beton med stentilslag. Desuden er brudtøjningen ca. halveret. Det skyldes, at glastilslaget har en glattere overflade end sten, så vedhæftningen mellem tilslag og pastafase forringes.
Tilslaget kan give anledning til skadelige alkali/kisel-reaktioner, se særskilt afsnit herom. Det har ikke været muligt at finde kilder, der omhandler andre holdbarhedsegenskaber, fx frostbestandighed og kloridmodstand, for beton med glas som tilslag. Indtil dette er undersøgt, må det under alle omstændigheder anbefales, at brugen af glas som tilslag begrænses til passivt (indendørs) miljø.
Til gengæld giver glas som tilslag nogle nye arkitektoniske muligheder, hvis tilslaget fritlægges ved fx syrebehandling eller slibning, se Figur 1.
Figur 1:
Wiedemann-salen på Steinkjer Rådhus (Norge) med glasmalerier og gulv af beton med
glastilslag. Gulvet er slebet for at fremhæve tilslagets blå farve. /2/.
2.2 Genbrugsglas som fillermateriale
Formalet glas kan også anvendes som fillermateriale i beton.
Som nævnt i indledningen, er betonens ene fase en pasta, der i sin simpleste form består af cement og vand. I den friske beton er pastaen blød, og det er bl.a. mængden af pasta, der bestemmer betonens bearbejdelighed: Betonens bearbejdelighed øges med stigende pastaindhold.
Men når pastaindholdet stiger, stiger også cementindholdet. Det fordyrer betonen og kan samtidigt skabe nogle problemer, idet der i forbindelse med cementens hydratisering udvikles varme. Et højt cementindhold kan derfor være en medvirkende årsag til, at der opstår temperaturspændinger i den hærdende beton, der fører til revnedannelse.
Derfor er det allerede almindelig praksis at benytte fillere som en del af pastafasen. De bidrager til pastafasens volumen, uden at bidrage nævneværdigt til varmeudviklingen i betonens tidlige alder. De hyppigst anvendte fillermaterialer er kalkfiller (Aalborg Portland BASIS® cement indeholder ca. 14% kalkfiller), flyveaske og mikrosilica. Kalkfilleren er kemisk inert, mens de to sidstnævnte hører til gruppen af puzzolaner. Det betyder, at de reagerer med calciumhydroxid i betonen og derved danner bindemiddel af samme type som det, der dannes ved cementens hydratisering. Derved bidrager de også til betonens styrkeudvikling.
De kendte fillermaterialer har også andre positive egenskaber. Fx giver mikrosilica en meget tæt beton, og flyveaske nedsætter kloridindtrængningen ved at binde kloriderne. Samtidigt er brug af et restprodukt som flyveaske med til at løse et miljømæssigt problem, fordi flyveasken så ikke skal deponeres.
Tilsætningen af fillere har imidlertid også nogle ulemper. Eksempelvis øger fillere ofte behovet for tilsætning af kemiske tilsætningsstoffer i betonen i form af plastificeringsmidler og luftindblandingsmidler. Det stiller også nogle krav til blandeanlægget at kunne håndtere de ekstra materialer (silokapacitet, etc.). Dertil kommer, at forsyningssikkerheden og kvaliteten af fillermaterialer baseret på restprodukter til tider er svingende. Mængden af og prisen på flyveaske og mikrosilica er fx meget afhængig af elprisen i Norge og Sverige.
Den kemiske sammensætning af glas, flyveaske og mikrosilica fremgår af Tabel 1. Tallene er målt for konkrete materialer. Sammensætningen kan derfor variere lidt for fx forskellige flyveasker.
Tabel 1:
Kemisk sammensætning (de vigtigste bestanddele) af glas, flyveaske og mikrosilica /1/.
|
glas |
flyveaske |
mikrosilica |
SiO2 (amorf) |
73% |
41% |
97% |
Al2O3 |
1% |
18% |
1% |
Fe2O3 |
- |
30% |
2% |
SiO2+ Al2O3+ Fe2O3 |
74% |
89% |
99% |
Na2O |
16% |
1% |
<1% |
Som det ses af Tabel 1, har glas et højt indhold af amorf SiO2. Dette
indikerer, at glasset også kan forventes at have puzzolanske egenskaber. Det samlede
indhold af reaktive oxider er dog lavere end for flyveaske og mikrosilica, og derfor har
det muligvis en lidt mindre puzzolansk effekt. Men formalet til samme finhed som
flyveaske, er det forventeligt, at glasfiller kan benyttes til betonproduktion de samme
steder, hvor der i dag anvendes flyveaske.
Anvendelsen af glas som filler i beton er dokumenteret i en række artikler fx /3, 4, 5/.
Et gennemgående tema i de kilder, der beskæftiger sig med glas som fillermateriale i beton, er risikoen for skadelige alkali/kisel-reaktioner. Dette emne er beskrevet i særskilt afsnit.
Et andet tema er styrken af beton med glasfiller. Glasfilleren kan ikke blot erstatte cement kg til kg, idet glasfilleren bidrager forholdsvis mindre til betonens styrke end cement (det samme gør sig i øvrigt gældende for flyveaske). Anvendelse af glasfiller behøver dog ikke at betyde en forringelse af betonens styrke, hvis den fx kombineres med anvendelsen af materialer, der bidrager forholdsvis mere til styrken end cement /3, 6/.
De fleste kilder på området dækker laboratorieforsøg i forbindelse med videnskabelige undersøgelser. Der haves dog også erfaringer fra kommerciel brug. Fx anvendes glasfilleren Microfiller® fra Svensk GlasÅtervinning til betonproduktion /7/. Den benyttes bl.a. i Sydsverige, hvor det lokale tilslag har et lavt finstofindhold, og hvor der derfor opnås en bedre partikelgradering og dermed bedre bearbejdelighed ved at anvende glasfilleren. Den benyttes også i nogen grad til selvkompakterende beton.
I en hvid beton vil tilsætning af glas som fillermateriale kunne nedsætte fremstillingsprisen. Normalt anvendte hvide fillermaterialer som hvid mikrosilica og hvid slagge er i dag relativt dyre og svære at skaffe. Et billigt fillermateriale i form af nedknust glas vil medvirke til en bredere anvendelse af hvid cement til beton i bygningskonstruktioner.
2.3 Alkali/kisel-reaktioner
2.3.1 Mekanisme for skadesudvikling
Når kisel (amorf SiO2) kommer i kontakt med en alkaliholdig væske, sker der en kemisk reaktion. Reaktionsproduktet er en hygroskopisk gel, dvs. en gel, der tiltrækker vand og derfor sveller /8/. Hvis reaktionen finder sted i beton, vil alkali/kisel-gelen opbygge et tryk på den omgivende faststofstruktur. Dette tryk kan føre til revnedannelse. I laboratorieforsøg registreres skadelige alkali/kisel-reaktioner som ekspansion af betonens ydre dimensioner.
Kisel findes i nogle tilslagstyper, og er desuden en hovedbestanddel i flyveaske og mikrosilica. Det er dog kun reaktivt tilslag, der giver anledning til skader i betonen. Alkali (Na+- og K+-ioner) stammer fra cementen eller trænger ind i betonen fra omgivelserne, hvis konstruktionen fx er udsat for havvand eller tøsalte.
Forebyggelse af alkali/kisel-reaktioner sker ved at sikre, at der enten ikke er tilstrækkeligt alkali eller tilstrækkeligt kisel til, at alkali/kisel-reaktionerne kan få et skadeligt omfang. Iflg. den danske materialestandard for beton /9/ må beton i miljøklasserne M, A og E (Moderat, Aggressiv og Ekstra Aggressiv) ikke indeholde mere alkali end 3,0 kg/m3 (alkali i mikrosilica og flyveaske ikke indregnet). I konstruktioner, hvor alkaliindholdet forhøjes af indtrængende alkali, må tilslaget kun indeholde en begrænset mængde reaktivt kisel.
Når der tilsættes glas til betonen, enten i form af tilslag eller filler, tilsættes der alkali og kisel samtidigt, og det er således ikke muligt at enten at begrænse indholdet af alkali eller indholdet af kisel. Her må man se på, at udviklingen af en eventuel skade også afhænger af kiselpartiklernes størrelse.
Dannelsen af alkali/kisel-gel sker på de kiselholdige partiklers overflade.
 | For store partikler er overfladearealet lille i forhold til volumenet. Så selvom der er en stor mængde kisel, er det reelt kun en lille del, der er til rådighed for de reaktioner, der fører til dannelse af alkali/kisel-gel, og derfor bliver mængden af gel lille. |
| For små partikler er overfladen stor i forhold til volumenet, og derfor vil en forholdsvis stor del af kiselet omdannes. Men selvom der dannes meget gel, er det jævnt fordelt i små portioner i betonens faststofstruktur. De små lokale gelansamlinger er hver for sig for små til at opbygge et stort, skadeligt tryk på deres omgivelser. Det er bl.a. derfor, at alkali i mikrosilica og flyveaske ikke regnes med i betonens alkaliindhold i materialestandarden. Det antages, at det ekstra bidrag til alkaliindholdet mht. risiko for alkali/kisel-skader mere end opvejes af den positive effekt af de mange små partikler. |
Det betyder, at der et sted mellem små og store partikler findes en partikelstørrelse, der fører til det største skadesomfang. Denne størrelse kaldes den pessimale størrelse. Den pessimale størrelse af glaspartikler er bl.a. målt af Jin et al. /4/, se Figur 2.
Figur 2:
Relativ ekspansion som funktion af partikelstørrelse af tilsat glas /4/. "Clear soda lime glass" svarer stort set til
kvaliteten af genbrugsglas fra flasker.
I en betonblanding med både små og lidt større, reaktive partikler, vil alkali primært reagere med de små partiler, fordi de har den største specifikke overflade. Derfor kan tilstedeværelsen af mange små, reaktive partikler undertrykke reaktioner med de lidt større partikler, og på den måde forhindre, at geldannelsen ved de lidt større partikler bliver skadelig.
Størrelsen af ekspansionen afhænger af glastypen. Dette ses både af Figur 2, Figur 3 og Figur 4. Det er bl.a. fundet, at grønt glas giver anledning til mindre ekspansion end glas med andre farver. Ved afprøvning af forskellige typer grønt glas, ses der også en forskel. Det er tilsyneladende det grønne glas’ indhold af krom, der hæmmer udviklingen af skader, se Figur 4.
Figur 3:
Ekspansionen afhænger af typen af glas /4/. Figuren
viser ekspansionsmålinger for glas med forskellig farve.
Figur 4:
Ekspansionen afhænger af typen af glas /4/. For
grønt glas spiller indholdet af Cr2O3 ind.
2.4 Krav til materialer
Partikelstørrelsen afhænger af, om glasset skal bruges som tilslag eller som filler.
Det vil være nemmest at anvende knust glas som tilslag, hvis det følger samme fraktionering som andet tilslag til betonproduktion, fx:
| 4-8 mm (perlesten) |
| 8-16 mm (ærtesten) |
| 16-32 mm (nøddesten) |
Som fillermateriale skal glasset have en partikelstørrelse, der er så meget mindre end den pessimale størrelse, at der opnås sikkerhed for at skadelige alkali/kisel-reaktioner kan undgås. Samtidigt skal materialet have en størrelse, der gør det velegnet som filler, så det fx bidrager til god bearbejdelighed. Det vil sige, at det skal have partikelstørrelser, der minder om flyveaske og cement. Det betyder at:
| største partikler: < ¼ mm |
| middel diameter: 10-20 µm |
| specifik overflade: 300-500 m2/kg |
Hvad der mere præcist er den mest optimale partikelstørrelse og -gradering, må fastlægges ved forsøg.
Der må stilles krav til glassets renhed, så i mange tilfælde vil det være nødvendigt at rengøre glasset, før det kan anvendes til beton.
Tilstedeværelsen af fx keramiske materialer er ikke noget problem, idet de blot vil optræde som kemisk inaktive faststofpartikler i betonen. Derimod kan madrester og andet organisk materiale være et stort problem. Fx er sukker et af de stoffer, der længst har været kendt og anvendt som retarderende middel i betonblandinger /8/. Selv små mængder af sukker forsinker betonens hærdeforløb.
Desuden bør der stilles krav til glassets kemiske sammensætning, herunder dets tungmetalindhold, idet en ophobning af tungmetaller i betonen er uønsket. En sådan ophobning kan begrænse mulighederne for senere at genanvende betonen. Dog er der noget, der kan tyde på, at kromoxid, Cr2O3, reducerer risikoen for ekspansion forårsaget af alkali-kiselreaktioner, og at et vist indhold af Cr2O3 derfor er ønskeligt (eller i hvert fald skal deklareres).
2.5 Potentiale
Ved anvendelse af glas som tilslag i beton er der flere forbehold i relation til holdbarhed og styrke. Beton med glastilslag vil i mange tilfælde være dyrere at producere end beton med stentilslag, fordi det kræver et forholdsvist højt indhold af pasta og dermed af cement. Derfor vil glasset sandsynligvis ikke kunne komme i betragtning som et generelt anvendt betontilslag, men kun i projekter, hvor der ønskes en særlig arkitektonisk effekt. Det er derfor forholdsvist små mængder, der kan anvendes som tilslag.
For at knust glas skal give en ekstra arkitektonisk streng at spille på, vil det kræve en omhyggelig sortering af glasset efter farve. Efterspørgslen vil sandsynligvis være størst for klare farver som rød og blå, hvor mængderne er mindst, mens efterspørgslen vil være mindre for grønt og brunt glas, selvom det i høj grad er dette glas, hvor der er behov for at finde alternative anvendelsesmuligheder.
Der produceres årligt mere end 3,4 mio. m3 beton i Danmark. Hver m3 beton indeholder typisk 30-60 kg puzzolansk filler i form af bl.a. flyveaske. Hvis knust glas kan vises at være teknisk lige så god som flyveaske, så den kan erstatte flyveasken, vil der derfor være et stort potentiale for afsætning af genbrugsglas.
Med den nuværende materialestandard for beton, betyder krav til betonens alkaliindhold dog, at der ikke kan tilsættes mere end ca. 10 kg glas pr. m3 beton. Iflg. svensk praksis, der ikke er underlagt de samme regler, benyttes der typisk 20 kg glasfiller pr. m3 beton. Forsøg har vist, at når glasset tilsættes som filler, kan der anvendes endnu større mængder (60-120 kg/m3), uden at det giver anledning til holdbarhedsmæssige problemer /7/.
Behovet for fillermateriale vurderes at være stigende. Det skyldes bl.a. at såkaldt selvkompakterende beton vinder frem. Selvkompakterende beton er beton, der kan indbygges uden brug af vibrationsudstyr, og som derfor har en arbejdsmiljømæssig fordel i forhold til traditionel beton. Den selvkompakterende beton kræver imidlertid et større pulverindhold end traditionel beton, og for ikke at få et uhensigtsmæssigt højt cementindhold, opnås dette typisk ved at hæve fillerandelen.
Knust glas vil også kunne anvendes som fillermateriale på områder, hvor der ikke i dag anvendes flyveaske. Her tænkes på anvendelsen i hvid beton. Hvid beton fremstilles på basis af hvid cement og lyse tilslagsmaterialer. Det er ikke muligt at anvende flyveaske i hvid beton, da det vil spolere den hvide farve. Der savnes derfor et alternativ til flyveasken, der kan anvendes i hvid beton, herunder også i hvid, selvkompakterende beton. Knust glas kan være et sådan alternativ, da hverken klart eller farvet glas forventes at have samme negative effekt på betonfarven som flyveaske.
Økonomisk vil det givetvis være mest fordelagtigt at benytte knust glas som filler og i særlig grad som filler til hvid beton, hvor andre, konkurrerende fillermaterialer er relativt bekostelige. Som tilslag skal glasset konkurrere med stenmaterialer, der hører til blandt de billigste bestanddele i beton (pris pr. kg).