Van afval uit grootouders tijd tot een toekomstige stoeptegel

Je hebt het ongetwijfeld al op tv gezien of je grootouders kunnen het zich nog goed voorstellen, fragmenten uit de jaren 70 en 80, waarop grote vuilnisbelten te zien zijn. In die tijd kon de overheid niet overweg met het opkomende consumptiegedrag van de bevolking. Als gevolg ontstonden er in Vlaanderen alleen al ruim 4000 vuilnisbelten bestaande uit huishoudelijk afval.  Dit probleem kwam niet alleen in Vlaanderen voor maar doorheen heel Europa, waar aan de hand van een ruwe schatting zo’n 350.000-500.000 vuilnisbelten liggen.

Vanaf de jaren 80 werd het concept recyclage echter toegepast en verder uitgewerkt tot op heden. Vanaf dan werden de vuilnisbelten afgesloten om grondwaterverontreiniging in te perken en overkapt met een laag aarde. De dag van vandaag zijn er maar enkele stortplaatsen actief meer, waaronder diegene van Houthalen-Helchteren. Daar wordt het afval opgegraven, het te recycleren afval gerecupereerd en de niet recycleerbare fractie gecategoriseerd volgens zijn eigenschappen. Op die manier komt afval op de vuilnisbelt niet meer in een eindfase terecht maar wordt het aanzien als een grondstof toepasbaar voor later.

Bij de afdeling duurzame materialen in het departement ingenieurs-wetenschappen van de KU Leuven wordt onderzoek verricht op deze niet recupereerbare fractie om deze “grondstof” te gebruiken als cement. Het huishoudafval zou via een plasma oven gesmolten worden. Drie restproducten worden gevormd waaronder een gas (CH4), waarmee elektriciteit opgewekt kan worden, metaal, dat eruit wordt gewonnen en een slak. Dit slak is een glasachtig materiaal en wordt ook wel plasmasteen genoemd. Dit nieuw type van cement, plasmasteen, heeft uitstekende eigenschappen en kan gebruikt worden in vergelijkbare toepassingen zoals traditionele cement. De productie van deze plasmasteen stoot tot 60% minder CO2 uit in vergelijking met de productie van de huidige cement. Eveneens is 8% van de wereldwijde CO2 uitstoot toe te wijzen aan de productie van traditionele cement. Op deze manier kan het gebruik van plasmasteen, een bijdrage bieden tot de beperking van wereldwijde CO2 uitstoot en de oplossing van het afvalprobleem.

Wanneer de plasmasteen gemengd wordt met een alkali oplossing, dit is een vloeistof met een hoge pH, lost de plasmasteen op en wordt een stroperige pasta gevormd. Deze pasta wordt hard na verloop van tijd door middel van polymerisatie reacties. Polymerisatie reacties zijn reacties waarbij ketens gevormd worden. Deze ketens gaan met elkaar binden waardoor een netwerk ontstaat. Dit netwerk wordt een anorganische polymeer genoemd. Echter, bij de productie van beton op basis van de plasmasteen en een alkali oplossing, worden macro-scheuren (>50 micrometer) gevormd in de anorganische polymeer. Dit is een probleem, want het tast de duurzaamheid van het beton aan. Hierdoor wordt er onderzoek verricht om de reactiviteit te veranderen in de alkali oplossing en om na te gaan hoe deze scheuren gevormd worden.

Wat blijkt, de macro-scheuren zouden ontstaan zijn bij de polymerisatie. Door de polymerisatie reactie gaat de pasta krimpen. Wanneer de pasta nog vloeibaar genoeg is kan de pasta mee krimpen, maar eens een sterk netwerk gevormd wordt, biedt het netwerk weerstand tegen krimp. Vervolgens bouwt er zich een spanning op in het netwerk. Deze spanning blijft stijgen zolang er reacties plaatsvinden en de spanning kan op een gegeven moment de sterkte van het netwerk overschrijden. Op dat moment komt een grote hoeveelheid energie vrij door de opgebouwde spanning, geregistreerd als hoge decibel en te zien in figuur 1, dat resulteert in de vorming van een macro-scheur.

Macro-scheuren worden vooral gevormd bij sterk alkalische oplossingen die weinig water bevatten. Bij zo’n oplossingen treedt veel reactie op, wordt snel een netwerk gevormd dat snel aan sterkte wint en wordt bijgevolg de eerste 12 uur een grote spanning gecreëerd. Eens de sterkte van de anorganische polymeer groot genoeg is en er een spanningsafname heeft plaatsgevonden, worden geen macro-scheuren meer gevormd.

Indien er alkali oplossingen, die meer water bevatten, worden gebruikt om een pasta te maken, gaan de sterkte eigenschappen dalen en wordt de pasta trager hard. Bijgevolg treedt er minder reactie in de pasta op. Op die manier wordt, bij enige resistentie aan krimp, de sterkte snel overwonnen door de spanning. Bijgevolg komt er slechts een lage energie vrij, lage decibel in figuur 1, wat resulteert in de vorming van micro-scheuren (<10 micrometer). Hoewel deze micro-scheuren een geringere invloed op de duurzaamheid hebben, bouwt de anorganische polymeer cement maar weinig sterkte op.

Door water toe te voegen aan de alkali oplossing, treden er reacties op, die het krimp en scheurgedrag kunnen veranderen. Dit resulteert in een verschil in eigenschappen van de anorganische polymeer. Op die manier kan de vorming van scheuren gecontroleerd of vermeden worden.

Hierdoor kan een duurzaam materiaal als plasmasteen ontwikkeld worden. Deze kan dan gebruikt worden voor eindeloze toepassingen bij jouw thuis zoals terrastegels, stoeptegels of muurtegels, gemaakt van afval dat je grootouders ooit weggegooid hebben.