Kysyimme murskatun hiekan käyttöä betonintuotannossa tutkineelta Rolands Cepuritikselta ja prosessiasiantuntijaltamme Tero Onnelalta, onko kaikkia osapuolia hyödyttävää ratkaisua olemassa.
Murskattu hiekka voi korvata luonnonhiekan monissa käyttökohteissa
Hiekkaa – oli se sitten peräisin luonnollisista lähteistä tai valmistettu peruskalliota murskaamalla – käytetään lukuisiin tarkoituksiin sen koostumuksen ja fyysisten ominaisuuksien vuoksi. Tyypillisin käyttökohde on betoni, jonka tilavuudesta noin 30-40 % on hiekkaa.
Tero Onnela aloittaa perusasioista: “Betoni on ihmisen valmistamista materiaaleista kaikkein yleisin; sitä löytyy kaikkialta. Se on välttämätön aine infrarakentamisessa ja rakennusteollisuudessa. Koko USA:n kattava Interstate-moottoritieverkosto on rakennettu suurimmaksi osaksi vahvasta betonista, joka kestää raskasta liikennettä ja säävaihteluita. Padot – kuten Kiinan kuuluisa Kolmen rotkon pato, jossa Metson murskaimia on käytetty kiviaineksen valmistukseen – ovat suurimpia betonirakennelmia.”
“Asfaltti, jota käytetään paljon teiden rakentamisessa, on toiseksi merkittävin käyttökohde. Sitten on vielä niin sanottu funktionaalinen kiviaines, jota käytetään muun muassa veden puhdistukseen vesilaitoksissa, golfkenttien rakenteissa, lasten leikkikentillä, ratsastushalleissa ja talvella teiden hiekoituksessa. Kaikissa näissä kohteissa voidaan käyttää murskattua hiekkaa luonnonhiekan sijaan, ja siten jopa parantaa lopputuotteen ominaisuuksia”.
Luonnonhiekka on ehtyvä luonnonvara
Monissa maissa luonnonhiekan käyttöä rajoitetaan lailla. Joissain maissa, kuten Japanissa, se on kokonaan kiellettyä. Esimerkiksi Ruotsissa vaaditaan murskatun hiekan käyttöä luonnonhiekan tilalla aina kun mahdollista. Australiassa puolestaan lupien myöntämistä on kiristetty.
Luonnonhiekan laiton kaivuu on noussut ongelmaksi sellaisissa kehittyvissä maissa, joissa kysyntä on valtavaa ja sääntelyn valvonta heikkoa. Myymistä pidetään nopeana tapana tienata rahaa ilman merkittäviä investointeja – tarvitaan vain kuorma-auto, kuljettaja ja paikka, josta hiekkaa löytyy. Tämä on osasyy siihen, että muun muassa Intia on alkanut myöntää helpommin louhintalupia murskatun hiekan tuotantoon rohkaistakseen uusien yksiköiden syntyä.
”Sanoisin, että maita on kolmea sorttia. Esimerkiksi Ruotsissa on erillinen luonnonsoravero hiekan kaivamisen rajoittamiseksi. Sitten on muita Euroopan maita, joissa uusien kaivuiden aloittamista rajoitetaan muunlaisin keinoin. Ja sitten on maita kuten Intia, Singapore ja Malesia, joissa olemattomat tai vauhdilla hupenevat luonnonhiekkavarat ovat haaste. Näissä maissa hiekkaa kaivetaan avolouhoksista, rannoilta ja dyyneistä ja ruopataan valtamerten ja jokien pohjista. Lainsäädäntöä ei joko ole tai se ei tehoa”, lisää Rolands Cepuritis.
Murskattu hiekka betonin tuotannossa
Rolands Cepuritis viimeistelee parhaillaan väitöskirjaa otsikolla Development of Crushed Sand for Concrete Production with Micro-proportioning (suom. Murskatun hiekan kehittäminen betonin tuotantoon mikroerottelulla). Hänellä on varsin selkeä näkemys siitä, miksi murskattu hiekka sopii hyvin betoninvalmistukseen:
“Betoninvalmistajien on täytettävä tietyt turvamarginaalit tuotteidensa puristusmurtolujuudessa. Mitä suurempi raaka-aineiden vaihtelevuus, sitä enemmän tarvitaan sementtiä näihin marginaaleihin pääsemiseksi. Siksi raaka-aineen tasalaatuisuudella on suurempi kustannusvaikutus kuin sen alkuperällä”.
”Murskattu hiekka, joka valmistetaan huolellisesti ja tarkoin suunnitellusti, voi olla erittäin tasalaatuista. Luonnonhiekan tasalaatuisuutta puolestaan on vaikea taata, varsinkaan jos sitä ei pestä”, hän sanoo. Peseminen ei aina ole kannattavaa tilanpuutteen, veden saatavuuden, ympäristönäkökulman tai pakkasen puolelle putoavien lämpötilojen vuoksi.
”Murskatun hiekan käytöllä on myös suoria teknisiä etuja. Esimerkiksi luonnonhiekkajyvät ovat pyöristyneet kulumisen seurauksena, kun taas murskatun hiekan muruset ovat tavallisesti kulmikkaita ja niiden tekstuuri on karkeampi, mikä parantaa niiden sitoutumista sementtipastaan ja tekee betonista lujempaa samalla sementtimäärällä”.
Kun betonituotteiden kehityksessä käytetään luonnonhiekkaa, parantelumahdollisuudet ovat rajalliset. Murskatun hiekan käyttö sen sijaan tarjoaa enemmän mahdollisuuksia: valikoima on laajempi, ja eri betonityyppeihin sopiva lajike löytyy helpommin.
Murskatun hiekan hyväksyntä betoniseoksen raaka-aineeksi saattaa kuitenkin osoittautua haastavaksi. Esimerkiksi Australiassa Queenslandin osavaltio vaatii edelleen, että betoniseoksen hienosta kiviaineksesta 40 % pitää olla luonnonhiekkaa. Luonnonhiekan saatavuuden vaikeutuessa ja korkealaatuisen murskatun hiekan tarjonnan lisääntyessä tätä vaatimusta on höllennettävä.
Kannattavaa liiketoimintaa?
Lainsäädäntö ja saatavuus sanelevat hiekan hinnan, ja siten myös kannattavuuden. Myös lupien saaminen voi maksaa, mikä voi tehdä hiekkaesiintymän hyödyntämisestä taloudellisesti kannattamatonta.
”Hiekan kuljettamisen kustannukset hiekkakuopalta vaikuttavat merkittävästi loppukäyttäjän hiekkatuotteesta maksamaan hintaan. Jos tuote on arvokasta, kuten vaikka lasin valmistuksessa käytettävä kvartsihiekka, korkeammat kuljetuskustannukset voivat olla perusteltuja. Matalamman katteen hiekkatuotteet, joita valmistetaan suuria määriä kerralla, ovat eri asia. Hiekantuotannon täytyy silloin tapahtua lähellä käyttöpaikkaa”, Onnela selittää.
”Tässä on pitkälti kyse mittakaavaeduista. Jos käyttöpaikan lähellä sattuu olemaan hyvä hiekkakuoppa, ei muuta kuin seulomaan hiekka oikeankokoiseksi. Murskatun hiekan kanssa täytyy harkita montaa näkökulmaa. Peruskallion murskaaminen on kalliimpaa ja siihen liittyy lisäkustannuksia. 30-40 % - ja joskus jopa puolet – murskatusta kivestä voi mennä hukkaan murskautuessaan liian hienoksi. Mitä pienempi raekoko ja pehmeämpi materiaali, sitä enemmän hävikkiä syntyy. Kannattavuuden parantamiseksi pitää joko pystyä vähentämään hävikin määrää tai keksiä sille käyttöä”, Onnela tarkentaa.
”Alle 4 mm:n kokoisia rakeita pidetään yleensä hävikkinä, joka ei kelpaa mihinkään tarkoitukseen. Usein tämä aines kootaan kasoiksi, joista tuottajat joutuvat enenevässä määrin maksamaan jätemaksuja. Kaikkien kannalta olisi parasta, jos tämä hienojakoinen aines voitaisiin käyttää hyödyksi ja myydä. Suomessa sitä voidaankin osaksi käyttää pihateiden päällysteenä.”
Onnelan mukaan kaupallisen käytön kannattavuuteen vaikuttaa suurelta osin se, kuinka toimiala onnistuu kehittämään ja räätälöimään murskatun hiekan ominaisuuksia eri käyttötarkoituksiin. Myös koulutuksella on osansa käytön yleistymisessä, sekä sidosryhmien valistamisella murskatun hiekan eduista. Hinnoittelun on toki oltava houkuttelevaa.
”Betonin tuotannossa on aivan mahdollista hyödyntää suurin osa kivestä. Kiven on oltava riittävän kovaa. Yksi suurimmista kiusoista on ylimääräinen kiille, joka on vaikea ja kallis poistaa. Kysymys kuuluu: miltä markkinatilanne näyttää? Onko kilpailua paljon? Eli toisin sanoen, onko hiekkaa saatavilla yllin kyllin kohtuulliseen hintaan?”
”Luonnonhiekan laatu vaihtelee enemmän kuin teollisesti tuotetun. Tasainen laatu on murskatun hiekan tyypillinen ominaisuus. Betoninvalmistajia hiekan tasalaatuisuus hyödyttää, sillä se mahdollistaa sementin vähentämisen. Tyypillisesti sementin määrää voi vähentää 5-20 %. Sementin vähäisempi käyttö puolestaan on hyväksi ympäristölle pienempien CO2-päästöjen vuoksi”, Onnela jatkaa.
Cepuritis tarttuu kysymykseen havainnollistavan esimerkin avulla:
”Otetaan esimerkki Norjasta. Kyseisessä tapauksessa kuljetusmatka on lyhyt, alle 40 kilometriä, sekä murskatulle hiekalle että luonnonhiekalle. Korkealaatuinen luonnonhiekka maksaa 80-85 kruunua tonnilta, ja karkean kivimurskeen sivutuotteena syntyvä, ominaisuuksiltaan huomattavasti heikompi murskattu hiekka 30-35 kruunua tonnilta. Laadun parantamiseen on siis varaa sijoittaa.”
“Keskipakomurskauksen lisääminen tuotantoprosessiin kasvattaa hintaa noin 10 kruunulla tonnilta, ja hienoaineksen luokittelu lisää päälle toiset 10 kruunua. Tämä siis mahdollistaisi korkeampikatteisen tuotteen valmistuksen. Asia ei kuitenkaan ole ihan niin yksinkertainen, sillä koko prosessin kehittäminen vaatii huomattavia investointeja. Tuottajan on tehtävä yhteistyötä asiakkaan kanssa ja ymmärrettävä tämän tarpeet – ja tehtävä teknistä myyntiä aivan eri tasolla kuin mitä kiviainesalalla yleensä. Kyseessä on sekä haaste että mahdollisuus.”
”Norjan Sandnesissä sijaitseva Velde Pukk -louhos on hyvä esimerkki siitä, miten saatavilla olevista raaka-aineista saadaan kaikki irti. Yritys toimii louhinnassa, kallioporauksessa, kuljetuksessa, valmisbetonissa, maantäytössä, asfaltin tuotannossa ja teiden päällystyksessä, sekä betonin ja asfaltin kierrätyksessä”, Onnela huomauttaa.
Oikean teknologian valitseminen
”Murskatun hiekan tuotanto on yleensä paljon monimutkaisempaa kuin luonnonhiekan kaivaminen. Erilliset, pelkän murskatun hiekan valmistukseen erikoistuneet laitokset ovat harvinainen näky. Yleensä murskattua hiekkaa tuotetaan yhdessä karkeamman kiviaineksen kanssa”, Cepuritis kertoo.
”Murskauslaitoksen tarkka kokoonpano voi vaihdella. Yleensä prosessiin kuuluu useita pienentämisvaiheita, jotka sisältävät murskauksen, kuljetuksen, lajittelun ja seulonnan.”
”Tarvittava teknologia on jo olemassa. Meillä on aiheesta paljon tietoa, ja pystymme tarjoamaan arvokkaita neuvoja murskatun hiekan tuotantoa harkitseville asiakkaille”, Onnela sanoo.
”Kehitys on koko ajan käynnissä. Merkittävin pullonkaula on betoninvalmistuksen materiaaliteknologiassa. Tähän saakka kaikki oppikirjat on kirjoitettu sillä oletuksella, että hiekka on luonnonhiekkaa. Käytännön betoniteknologit eivät ymmärrä uutta murskattua materiaalia eivätkä osaa hyödyntää sitä. Vaikka tutkimusta on viime vuosina tehty paljon, ei sitä ole juurikaan sovellettu käytäntöön.”
”Jos haluaa kehittää murskatun hiekkatuotteen louhoksella, pitää ymmärtää lopputuote, eli betoni. Loppuasiakkaalle ei voi vain lykätä näytettä käteen – hän kokeilee sitä nykytiedon puitteissa, ja useimmissa tapauksissa tuloksena on epäonnistuminen. Tarvitaan sen sijaan paljon suorempi teknisen myynnin ote. Asiakasta pitää opastaa uuden materiaalin mahdollisuuksista, ja tehdä vaikka laboratoriokokeita yhdessä. Lähestymistapa on siis melko samanlainen kuin betonin lisäaineiden myymisessä”, Cepuritis päättää.
Voiko Metso Outotec vastata haasteeseen?
Metso Outotecilla on vuosikausien kokemus erilaisista ratkaisuista hiekan käsittelyyn, ja hyvä valikoima tarvittavia laitteita.
Hiekanjyvän muoto on tärkeä seikka, ja murskaimilla on tärkeä rooli oikean koon ja muodon varmistamisessa. Karamurskaimilla, kuten Nordberg® HP™- ja GP™-sarjan koneilla, voidaan valmistaa hienompia ja karkeampia jakeita samanaikaisesti. Vähempien murskausvaiheiden ansiosta nämä koneet myös auttavat alentamaan alkupääoman tarvetta ja energian kulutusta.
HRC™-valssimurskaimet soveltuvat erityisen hyvin hiekan valmistukseen. Valssimurskaimessa toisiaan vasten jauhautuvat jyvät saavat kulmikkaan muodon sopivissa olosuhteissa.
”Tutkimusten mukaan paras lopputuote useisiin tarkoituksiin syntyy suurnopeudella tehtävällä iskumurskauksella. Barmac® VSI -keskipakomurskain parantaa materiaalin muotoa ja lujuutta, ja tuottaa lähes luonnonhiekan kaltaista laatua. Kun useimmat muut keskipakomurskainvalmistajat käyttävät metallisia osia murskauksessa, niin Barmac hyödyntää murskaimeen syötettävää kiviainesta murskausvälineenä. Mitä parempi jakeen muoto on, sitä paremmin se toimii betonissa, asfaltissa ja perusseoksissa. Kivi kiveä vasten -murskaustekniikka tarjoaa pienimmät käyttökulut murskattua tonnia kohden kuin mikään muu iskumurskausmenetelmä,” Onnela selvittää.
Luokittimia käytetään murskauksen jälkeen poistamaan tarvittava pöly. Staattiset ilmaluokittimemme, jotka ovat sekä ympäristöystävällisiä että taloudellisia käyttää, tuottavat tasalaatuista hiekkaa.
”Betonilta vaaditaan kahta tärkeää ominaisuutta. Ensinnäkin sen pitää olla helppoa työstää. Toiseksi, sen on kovetuttava suunniteltuun lujuuteen. Hyvä, helposti työstettävä betoni on helppo levittää lattialle tai valaa muottiin – raskasta fyysistä ponnistelua ei tarvita. Tuoreen betonimassan pitää myös säilyttää koostumuksensa. Kiviaines tai vesi ei saa alkaa erottua. Asfaltille ja toiminnalliselle kiviainekselle on omat luokitussääntönsä.”
”Jotta näihin vaatimuksiin päästään, pitää murske seuloa tai luokitella. Suurimmat hiekanjyvät, tyypillisesti kooltaan 2-4 mm, seulotaan täryseuloilla. Kivituhka luokitellaan parhaiten märkänä tai ilmaluokittimilla. Ilmaluokitus soveltuu erittäin hyvin betoniin tai asfalttiin käytettävään hiekkaan. Betonihiekka voidaan räätälöidä käyttämällä kaksivaiheista ilmaluokitusta ja sekoittamalla luokiteltu täytejauhe tarvittaessa takaisin hiekkaan. Perustapauksissa riittää yleensä yksivaiheinen ilmaluokitus.”
”Kuiva asfalttihiekka on taloudellinen ratkaisu, sillä siinä vältetään veden haihdutus, joka syö paljon energiaa kuumamassan valmistuksessa.”