ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ Αντωνία Μοροπούλου Καθηγήτρια, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Χημικών Μηχανικών Χριστοφής Κορωναίος Δρ. Χημικός Μηχανικός, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Εργαστήριο Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής Μαρία Καρόγλου Δρ. Χημικός Μηχανικός, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Χημικών Μηχανικών Ελένη Αγγελακοπούλου Δρ. Χημικός Μηχανικός, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Χημικών Μηχανικών, ΥΠΠΟ Αστέριος Μπακόλας Δρ. Χημικός, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Χημικών Μηχανικών Άρης Ντόμπρος Χημικός Μηχανικός, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Εργαστήριο Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής, Λέξεις κλειδιά: υδράσβεστος, τσιμέντο, Eco-indicator 95 ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μια συγκριτική μελέτη μεταξύ παραδοσιακών και σύγχρονων κονιαμάτων σε ότι αφορά τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους με τη χρήση της ανάλυσης του κύκλου ζωής. Εξετάστηκαν ένα κονίαμα με βάση την υδράσβεστο, ένα με υδράσβεστο-μετακαολίνη και ένα με τσιμεντιτική κονία. Για τη αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Εcoindicator 95. Η ανάλυση του κύκλου ζωής έδειξε ότι τα κονιάματα που περιέχουν υδράσβεστο παρουσιάζουν χαμηλότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις σε σχέση με αυτά που περιέχουν τσιμέντο. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα ιστορικά κονιάματα είναι συμβατά με τις ιστορικές δομές και επίσης είναι ανθεκτικά στα μηχανικά και περιβαλλοντικά φορτία, γεγονός που μπορεί να αποδοθεί στη ποιότητα των πρώτων υλών, τις φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες και την τεχνολογία παραγωγή τους [1]. Τα κονιάματα αποκατάστασης τσιμεντιτικής βάσεως είναι συνήθως υψηλής σκληρότητας, 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 1

εύθρυπτα και αδιαπέρατα στους υδρατμούς. Κατά τη χρήση τους ως κονιαμάτων αποκατάστασης σε ιστορικές τοιχοποιίες, προκαλούν περαιτέρω φθορά σε αυτές. Σήμερα εκτός από το κριτήριο της συμβατότητας, ιδιαίτερα σημαντικό κριτήριο κατά την επιλογή των κονιαμάτων αποκατάστασης αποτελεί και η αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των πρώτων υλών των κονιαμάτων (κονίας, αδρανών και διαφόρων προσθέτων). Η αποτίμηση των επιπτώσεων αυτών μπορεί να υπολογιστεί με τη μέθοδο της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ). Η ΑΚΖ είναι ένα εργαλείο που αναλύει μοντέλα και συστήματα διαφορετικής πολυπλοκότητας. [2, 3]. Μπορεί να εφαρμοστεί σε όλους τους τομείς της οικονομίας και της παραγωγής. Οι γενικοί στόχοι της ΑΚΖ περιγράφεται στη σειρά προτύπων ISO 14040, στα οποία οι εφαρμογές που αναφέρονται είναι: αναγνώριση βελτιωμένων δυνατοτήτων, λήψη αποφάσεων, επιλογή δεικτών για περιβαλλοντική αποδοτικότητα και απαιτήσεις της αγοράς. [4]. Η AKZ παίζει ένα σημαντικό ρόλο στην επιλογή των υλικών βάσει των ιδιοτήτων τους και της επίπτωσης τους στο περιβάλλον. Στον κατασκευαστικό κλάδο η αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των υλικών είναι ένα σημαντικό βήμα προς το αειφορικό κτίριο. Τα κτίρια, οι διάφορες κατασκευές εν γένει καταναλώνουν το 30-40 % της ενέργειας [5] και περίπου το 44 % των υλικών [6]. Η ανάλυση του κύκλου ζωής στον κατασκευαστικό κλάδο μπορεί να εφαρμοστεί σε δύο επίπεδα, σε μια προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω, η οποία επικεντρώνεται στην επιλογή των δομικών υλικών (όπως και στη παρούσα μελέτη), και σε προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω, η οποία και θεωρεί το κτίριο ως το αρχικό σημείο εκκίνησης της ανάλυσης. Υπάρχουν πολλές εφαρμογές της ανάλυσης του κύκλου ζωής στον κατασκευαστικό κλάδο. Αναφέρονται εφαρμογές σχετικές με την παραγωγή προϊόντων [7], ανακοινώσεις βασισμένες στην AKZ και στο ISO 14025 [8], εφαρμογή περιβαλλοντικών συστημάτων διαχείρισης, όπως είναι το EMAS [9] και η σειρά προτύπων ISO 14000 [10]. Σε ότι αφορά στα δομικά υλικά, η μέθοδος ΑΚΖ ξεκινά με συλλογή στοιχείων που αφορούν στην εξόρυξη των α υλών και καταλήγει στην τελική ρίψη των υλικών στο περιβάλλον. Αποτιμά όλα τα στάδια ζωής ενός υλικού, θεωρώντας ότι κάθε στάδιο αλληλεπιδρά με τα υπόλοιπα. Επιτρέπει τον υπολογισμό των αθροιστικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε όλα τα στάδια παραγωγής στον κύκλο ζωής ενός προϊόντος, συμπεριλαμβάνοντας και επιπτώσεις που δε λαμβάνονται συχνά υπόψη σε παραδοσιακές αναλύσεις (π.χ., εξόρυξη α υλών, μεταφορά υλικών, τελική απόρριψη υλικού, κτλ.). Η μεθοδολογία της ΑΚΖ αποτελείται από τέσσερα βασικά στοιχεία: Καθορισμό στόχων Προσδιορισμός και περιγραφή του προϊόντος, διαδικασίας, δραστηριότητας 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 2

Κατάλογος απογραφής Καθορισμός και ποσοτικοποίηση των ροών της ενέργειας, του νερού και των χρησιμοποιούμενων υλικών και των εκπομπών τους στο περιβάλλον Αποτίμηση των επιπτώσεων Αποτίμηση των επιπτώσεων στον άνθρωπο και στο περιβάλλον. Ερμηνεία Αποτίμηση των αποτελεσμάτων των παραπάνω σταδίων 2. ΥΛΙΚΑ-ΣΤΑΔΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Στη παρούσα εργασία συγκρίνεται η περιβαλλοντική επίδοση τριών κονιαμάτων διαφορετικού τύπου. Στον Πίνακα 1 φαίνονται οι τρεις συνθέσεις των υπό εξέταση κονιαμάτων (Mix 1, Mix 2, Mix 3). Πίνακας 1. Σύνθεση των κονιαμάτων Σύνθεση Κονιαμάτων Mix 1 Υδράσβεστο/Άμμος: 30/70 κ.β.% Mix 2 Υδράσβεστο /Μετακαολίνης/ Άμμος: 25/5/70 κ.β % Mix 3 Τσιμέντο/Άμμος: 30/70 κ.β.% Η υδράσβεστος χρησιμοποιείται εν γένει στα κονιάματα λόγω κυρίως της υψηλής πλαστιμότητας και εργασιμότητας που προσδίδει σε αυτά. Η παραγωγή υδρασβέστου περιλαμβάνει τρία κυρίως στάδια: εξόρυξη ασβεστολίθων (extraction), έψηση (calcination) και σβήση (slaking). Η έψηση είναι η διαδικασία θέρμανσης των ασβεστολίθων για τη μετατροπή του ανθρακικού ασβεστίου σε ασβέστη. Αυτό γίνεται σε κλίβανο με θερμοκρασία της τάξης των 1000~1100 C. Ακολουθεί η σβέση του ασβέστη. Προϊόν της διαδικασίας αυτής είναι η υδράσβεστος είτε σε μορφή σκόνης, είτε υπό τη μορφή πολτού [11]. Οι συνολικές εισροές και εκροές της παραγωγικής διαδικασίας της υδρασβέστου φαίνονται στο Σχήμα 1. Ως εισροές θεωρούνται η κατανάλωση ενέργειας, καυσίμων και νερού και ως εκροές η παραγωγή σκόνης, νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Σχήμα 1. Εισροές και εκροές κατά την παραγωγή υδρασβέστου 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 3

Το κονίαμα Mix 2, συγκριτικά με το Mix 1, περιέχει και ένα ποσοστό μετακαολίνη. Ο μετακαολίνης (Metakaolin, Al 2 Si 2 O 7 or AS 2 ) είναι ένα υλικό υψηλής ποζολανικότητας (Al 2 (OH) 4 Si 2 O 5 ) και σχηματίζεται με την αφυδροξυλίωση του καολίνη σε θερμοκρασία έως τους ~700-800 C [12]. Πρώτο στάδιο κατά την παραγωγή του είναι η εξόρυξη του καολίνη. Ακολουθεί ο εμπλουτισμός, η απομάκρυνση του νερού και το στάδιο της ξήρανσης. Οι συνολικές εισροές και εκροές για την παραγωγή 1 τον. μετακαολίνη φαίνονται στο Σχήμα 2. Σχήμα 2. Εισροές και εκροές κατά την παραγωγή μετακαολίνη Εν αντιθέσει με τα δύο προηγούμενα κονιάματα, το Mix 3 είναι ένα κονίαμα με τσιμεντιτική κονία. Το τσιμέντο είναι μια κονία σε μορφή σκόνης με υδραυλικές ιδιότητες. Περιέχει οξείδια ασβεστίου, αλουμινίου και σιδήρου, τα οποία σε συνδυασμό αποτελούν το 90% του βάρους του. Ο κύκλος παραγωγής του τσιμέντου αποτελείται από τα παρακάτω στάδια (Σχήμα 3): Αρχικό στάδιο είναι η εξόρυξη των πρώτων υλών (extraction). Ακολουθεί μεταφορά (transportation) και θραύση αυτών (crushing) σε μέγεθος μικρότερο των 30 mm, αποθήκευση (storage) και προομογενοποίηση (pre-homogenization): ανάμιξη και άλεσμα πρώτων υλών. Οι πρώτες ύλες τεμαχίζονται και μεταφέρονται σε ειδικούς αποθηκευτικούς χώρους, όπου ολοκληρώνεται η ομογενοποίηση (homogenization). Στη συνέχεια θερμαίνονται βαθμιαία, μέσω ενός συστήματος κυκλώνων σε θερμοκρασίες που φτάνουν τους 900 C και στη συνέχεια σε 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 4

περιστρεφόμενους κλιβάνους στους 1400 C, οπότε και παράγεται το κλίνκερ (clincer production). Το κλίνκερ είναι το βασικό συστατικό του τσιμέντου και καθορίζει σε μεγάλο μέρος την τελική ποιότητα του προϊόντος, το οποίο στη συνέχεια αναμιγνύεται με γύψο, φυσικά και τεχνητά πρόσθετα. Κατά την παραγωγή του τσιμέντου οι εκπομπές στον αέρα οφείλονται κυρίως στην ενέργεια που χρησιμοποιείται και αποτελούνται κυρίως από διοξείδιο του άνθρακα και οξείδια του αζώτου. Σχήμα 3. Κύκλος παραγωγής του τσιμέντου Πρέπει να σημειωθεί ότι δε συμπεριλαμβάνεται η ανάλυση του κύκλου ζωής για την άμμο, γιατί είναι η ίδια και για τα τρία κονιάματα. 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 5

3. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ Η εφαρμογή της μεθοδολογίας της ΑΚΖ για τα τρία διαφορετικά κονιάματα οδήγησε σε πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Σε ότι αφορά την αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Eco-indicator 95. Η Eco-indicator βασίζεται σε δημοσιευμένες οδηγίες, το εγχειρίδιο του προγράμματος «the National Reuse of Waste Research Programme (NOH)» και τον κώδικα SETAC [13,14]. Το στάδιο της αποτίμησης βασίζεται στην αρχή απόσταση-προς-στόχο (distance-to-target ), π.χ. όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση, τόσο πιο σοβαρό είναι το αποτέλεσμα. Οι διάφορες τιμές βασίζονται σε αναλύσεις ζημιών λόγω των διαφόρων επιδράσεων σε Ευρωπαϊκή κλίμακα. Η κανονικοποίηση των τιμών βασίζεται σε Ευρωπαϊκά δεδομένα Οι πρότυποι δείκτες (ecoindicators) αναφέρονται ως αδιάστατα σχήματα. Δε δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις απόλυτες τιμές των σημείων, αλλά στις σχετικές διαφορές ανάμεσα στις διάφορες διαδικασίες παραγωγής κονιαμάτων. Οι κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων που ελήφθησαν υπόψη ήταν η αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη (global warming effect, GW), η οξίνιση (acidification), ο ευτροφισμός (eutrophication) και η χειμερινή αιθαλομίχλη (winter smog). Σχετικά με την ανάλυση για την αύξηση της θερμοκρασίας (Σχήμα 4) το κονίαμα Mix 3 παρουσίασε τη μεγαλύτερη επίπτωση. Αυτό οφείλεται κυρίως στην τσιμεντιτική σύσταση του κονιάματος (σε ποσοστό 30%). Η παραγωγή του τσιμέντου είναι μια ενεργοβόρα διαδικασία, με υψηλό ποσοστό εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα. Χαμηλότερη επίπτωση παρουσιάζει το κονίαμα Mix 2, με μικρή διαφοροποίηση από το Mix 1. Αυτό οφείλεται στο γεγονός το Mix 2 περιέχει και ένα ποσοστό μετακαολίνη που έχει μικρότερες χαμηλότερες εκπομπές διοξειδίου σε σχέση με την υδραυλική άσβεστο. Η ίδια τάση ισχύει και στην περίπτωση της οξίνισης (Σχήμα 5) και του ευτροφισμού (Σχήμα 6). Στην περίπτωση της χειμερινής αιθαλομίχλης η τάση αντιστρέφεται (Σχήμα 7). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η υδραυλική άσβεστος έχει τις υψηλότερες εκπομπές στον αέρα. 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 6

kg CO2 eq. / tn mortar mix 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Σχήμα 4. Ισοδύναμες Εκπομπές kg CO 2 για την αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη. kg SO4 eq. / tn mortar mix 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 0 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Σχήμα 5. Ισοδύναμες εκπομπές kg SO 4 για την οξίνιση 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 7

kg PO4 eq. / tn mortar mix 1,4E-04 1,2E-04 1,0E-04 8,0E-05 6,0E-05 4,0E-05 2,0E-05 0,0E+00 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Σχήμα 6. Ισοδύναμες εκπομπές kg PO 4 για τον ευτροφισμό 0,00014 kg SPM eq. / tn mortar mix 0,00012 0,0001 0,00008 0,00006 0,00004 0,00002 0 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Σχήμα 7. Ισοδύναμες εκπομπές kg αιωρούμενων σωματιδίων για τη χειμερινή αιθαλομίχλη Στην αποτίμηση των συνολικών περιβαλλοντικών (Σχήμα 8), το κονίαμα Mix 2 είχε την καλύτερη περιβαλλοντική απόδοση, ενώ το Mix 3 τις υψηλότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Είναι ενδιαφέρον να παρατηρήσει κανείς ότι το κονίαμα Mix 3, παρουσιάζει τις υψηλότερες επιπτώσεις λόγω κυρίως του υψηλού ποσοστού του παράγοντα της οξίνισης, αγγίζοντας ένα ποσοστό της τάξης του 48 %. Για τα άλλα δύο κονιάματα σημαντικότερος παράγοντας είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου (50 % και 53 % αντίστοιχα). 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 8

Mix 3 Mix 2 Mix 1 0 0,00002 0,00004 0,00006 0,00008 0,0001 0,00012 0,00014 Greenhouse Emissions (air) Acidification (air) Eutrophication (air) w-smog (air) Σχήμα 8. Αποτίμηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων (kg Suspended Particle Matter/tn mortar Mix) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 10% 10% 6% 5% 34% 31% 50% 53% 4% 13% 48% 35% w-smog (air) Eutrophication (air) Acidification (air) Greenhouse Emissions (air) 0% Mix 1 Mix 2 Mix 3 Σχήμα 9. Σχετική συμμετοχή της κάθε κατηγορίας στο συνολικό περιβαλλοντικό φορτίο 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η ανάλυση του κύκλου ζωής είναι μία μέθοδος η οποία μπορεί να εφαρμοστεί με επιτυχία για τη συγκριτική αξιολόγηση κονιαμάτων αποκατάστασης σε ότι αφορά στην επιλογή πρώτων υλών. 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 9

5. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τις εταιρείες FASSA BORTOLO, IMESYS και τη Μακεδονική Ασβεστοποιία CaO Hellas, για την παροχή των απαραίτητων δεδομένων για την πραγματοποίηση της εργασίας αυτής. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Moropoulou, A. Bakolas, A. Moundoulas, P. Aggelakopoulou, E. Anagnostopoulou, S., Strength development and lime reaction in mortars for repairing historic masonries, Cement and Concrete Composites, Vol. 27, (2005) 295-300 Baumann, H., Decision Making and Life Cycle Assessment, Licentiate thesis. Göteborg: Chalmers University of Technology. Technical Environmental Planning Report 1995:4 Tillman, A., M., Significance of decision-making for LCA methodology, Environmental Impact Assessment Review, Vol. 20, (2000) 113 123 ISO 14040, International Standardization Organization, Environmental Management Life Cycle Assessment Principles and Framework, International standard ISO 14040, 1st ed. 1997-06-15, Geneva: ISO, 1997 Erlandsson, M. Borg, M., Generic LCA-methodology applicable for buildings, constructions and operation services today practice and development needs Building and Environment, Vol. 38, (2003) 919 938 BYKR, The significant environmental aspects in building sector. Swedish Building Eco-Cycle Council (BYKR), Stockholm, 2000, Available at: http://www.kretloppsradet.se. Brezet, H., Van Hemel, C. editors. ECODESIGN: A promising approach to sustainable production and consumption, Paris: UNEP, United Nations Publications, ISBN 92-807-1631-X, 1997 ISO, Environmental labels and declarations Type III environmental declarations (ISO/TR: 14025:2000(E)) European Union. EMAS 2, European Union Commission Regulation (EC) No 761/2001 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 10

ISO 14001, Environmental management systems Specification with guidance for use (ISO: 14001:1996) Moropoulou, A., Bakolas, A., Aggelakopoulou, E., The effects of limestone characteristics and calcination temperature to the reactivity of the quicklime, Cement and Concrete Research, Vol. 31, (2001) 633-639 Klimesch, D.S., Ray, A., Use of the second-derivative differential thermal curve in the evaluation of cement-quartz pastes with metakaolin addition autoclaved at 180 C, Thermochim. Acta, Vol. 307, (1997)167 SETAC, Society of Environmental Toxicology and Chemistry, Guidelines for Life-Cycle Assessment, a "Code of Practice", Brussels, Belgium, 1993 Heijungs R. et al., Milieugerichtelevenscyclusanalyses van produkten, handleiding [Environmental life cycle assessments, a manual], October 1992; Leiden; 1992; commissioned by the Dutch National Programme for Research into Waste Recycling (NOH), in collaboration with CML, TNO and B&G 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 11