Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö

Transkriptio

1 Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök, Valimoinstituutti Kaavaushiekka valmistetaan valimossa uudesta raakahiekasta, kiertohiekasta ja sideaineista. Uusi raakahiekka tuodaan valimoihin yleensä säiliöautoilla, mutta pieniä määriä voidaan hankkia myös suursäkkeihin pakattuna. Hiekka on valmiiksi kuivattua. Kiertohiekka kertyy puretuista valumuoteista. Se käsitellään hiekankäsittelylaitteistossa. Käsittelyyn on olemassa kolme periaatteellista menetelmää: mekaaninen, termomekaaninen ja märkämenetelmä. Termomekaaninen menetelmä sopii orgaanisille sideaineille. Käsittelyn jälkeen hiekka on lähes yhtä hyvälaatuista kuin uusi raakahiekka. Mekaaninen käsittely sopii esimerkiksi tuorehiekoille. Sen jäljiltä hiekassa on vielä mukana jonkin verran sideainejäämiä. Märkämenetelmä ei ole laajassa käytössä. Mekaaniseen käsittelyyn (Kuva 1) kuuluu seuraavat vaiheet: Muotista puretun hiekan mekaaninen hajottaminen. Osa muotista puretusta hiekasta on vielä kovina paakkuina, jotka hierretään tai saatetaan muulla tavoin rakeiseen muotoon. Hiekkaan sekoittuneen irtometallin poistaminen. Hiertäminen. Seulonta ja pölynpoisto. Tässä vaiheessa hiekasta poistetaan liian hienoksi kulunut ainesosa ja toisaalta liian karkea ainesosa. Jäähdytys. Valun kuumentama hiekka jäähdytetään ennen kuin se siirtyy takaisin kaavaukseen. Kuva 1. Mekaaninen käsittely. Hiekan kiertokulku orgaanista, kemiallisesti kovetettavaa sideainejärjestelmää käyttävässä valimossa. Mekaaninen elvytys ei poista hiekasta sideainejäämiä. Jos käytössä on pelkkä mekaaninen elvytys, prosessiin on lisättävä runsaasti uutta hiekkaa. Jätehiekkaa kertyy huomattavan paljon. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 1

2 Kuva 2. Terminen käsittely. Hiekan kiertokulku orgaanista, kemiallisesti kovetettavaa sideainejärjestelmää käyttävässä valimossa. Terminen käsittely vähentää jätehiekan määrää. Uutta hiekkaa lisätään prosessiin harvoin, koska termisesti elvytetty on ominaisuuksiltaan lähellä uutta raakahiekkaa. Termiseen käsittelyyn (Kuva 2) kuuluu mekaanisten vaiheiden lisänä ja hiertämisen asemasta vaiheet, jossa sideaine hajotetaan lämmön avulla pois hiekasta. Sideaine poistuu niin hyvin, että hiekka on käsittelyn jälkeen lähes uuden veroista. Kuorimuottivalimon Croning-hiekka ostetaan yleensä valmiiksi hartsilla päällystettynä. Sitä ei kierrätetä, vaan hiekka päätyy valun jälkeen suoraan jätteeksi. Uusi hiekka ja kiertohiekka varastoidaan erillisiin siiloihin. Siilot voivat sijaita ulkona, jolloin hiekan lämpötila riippuu ulkoilman lämpötilasta. Orgaaniset sideaineet ovat herkkiä lämpötilan vaikutukselle. Hiekan kovettuminen hidastuu lämpötilan laskiessa ja nopeutuu lämpötilan noustessa. Valu nostaa hiekan lämpötilaa. Hiekka siirretään varastosiiloista hiekan sekoituslaitteelle. Laitteelle annostellaan kiertohiekkaa ja uutta hiekkaa sopivassa suhteessa. Siirtämiseen käytetään esimerkiksi pneumaattista tai hihnakuljetinta. Sideainejärjestelmään kuuluvat ainesosat lisätään sekoituslaitteella hiekkaan siten, että nestemäinen kovetin lisätään yhdessä sideaineen kanssa, mutta kaasumaisessa muodossa oleva kovetin kaavattuun hiekkaan (Kuva 3). Bentoniittijärjestelmään ei sisälly kovetinta, koska siinä hiekka kovetetaan sullomalla. Orgaanisella tai epäorgaanisella sideaineella ja nestemäisellä kovetteella lisätty reagointivalmis hiekka säilyy käyttökelpoisena muutamasta minuutista muutamaan kymmeneen minuuttiin. Se täytyy kaavata muoteiksi ja keernoiksi välittömästi sekoituksen jälkeen. Bentoniittisideaineella, vedellä ja mahdollisilla lisäaineilla lisättyä hiekkaa voi varastoida suhteellisen pitkiäkin aikoja. Orgaanisesti kovettuvat sideainejärjestelmät vaativat täysin kuivan hiekan. Kosteus huonontaa saavutettavaa loppulujuutta ja hidastaa kovettumisreaktioita. Bentoniittisideaine voidaan periaatteessa sekoittaa kosteaankin hiekkaan. Kostean hiekan annostelu on kuitenkin vaikeaa, koska se Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 2

3 juoksee huonosti. Bentoniittihiekkaseosten kosteutta on myös vaikea hallita, jos raakahiekka sisältää vaihtelevia määriä vettä. Muutamat valimot kuivaavat ja sen jälkeen jäähdyttävät itse hiekan. Suurille hiekkamäärille sopiva kuivain on rumpukuivain. Se on pitkänomainen lieriö, joka pyörii hitaasti pituusakselinsa ympäri hieman kaltevassa kulmassa, jolloin hiekka siirtyy rummussa eteenpäin. Kuva 3. Sekoitetun hiekan varastointimahdollisuudet eri sideainejärjestelmissä. Sideainejärjestelmät on jaettu nestemäisellä kovetteella kovetettaviin, kaasumaisella kovetteella kovetettaviin ja mekaanisesti kovetettaviin järjestelmiin. Hiekan jäähdytyslaitteet Kosteana valimoon tullut kuivattu hiekka tai muottien tyhjennyksessä talteen otettu hiekka on kuumaa. Hiekka pysyy pienen lämmönjohtavuutensa takia kauan lämpimänä. Kiertohiekka on jäähdytettävä - tai sen on annettava jäähtyä - ennen uudelleenkäyttöä. Kuuman tuorehiekan kosteuspitoisuus on vaikea pitää tavoitteessa ja lisäksi hartsisideaineet kovettuvat liian nopeasti. Ylimääräinen lämpö voidaan käsitellä rakentamalla mahdollisimman suuret siilot 1, joissa hiekka ennättää jäähtyä ennen kuin se päätyy uudelleen kiertoon. Hiekka jäähtyy myös kun sitä kuljetetaan pneumaattisilla kuljettimilla, erityisesti jos käytettävät ilmamäärät ovat suuria. Varsinaisissa jäähdytyslaitteissa jäähdyttävänä aineena käytetään yleensä ilmaa, joka joko puhalletaan tai imetään hiekan läpi. Mekaanisten elvytyslaitteiden jälkeen hiekka jäähdytetään yleensä kiertovesijäähdyttimessä. Laitteen sisään on asennettu tiheä putkiverkosto, jossa virtaa kylmää vettä. Kuuma hiekka pudotetaan laitteen yläosasta sisään, josta se hiljalleen valuu alaspäin putkien välistä samalla jäähtyen. 1 Suurien siilojen muista eduista voidaan mainita, että hiekkapula ei synny heti, jos tyhjennyslaitteisiin tulee häiriö. Suuret annostelusiilot myös tasaavat kiertohiekan epätasaisuuksia. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 3

4 Leijupatjajäähdyttimissä hiekka kulkee tiheästi rei'itetyn tärykuljettimen hihnan päällä. Reikien lävitse puhalletaan ilmaa, joka saa hiekan leijumaan hihnan päällä samalla jäähtyen. Jos hiekkaa samanaikaisesti kostutetaan, jäähtyminen on tehokkaampaa. Kuva 4. Vasemmalla: Kiertovesijäähdytin Oikealla: Leijupatjajäähdytin Tuorehiekkavalimoissa automaattisten kaavauslinjojen päässä käytetään yleisesti erotusrumpuja. Niissä hiekka ja valukappaleet erottuvat toisistaan, kun rumpu pyörii hitaasti. Samalla hiekka myös jäähtyy. Erotusrumpujen halkaisijat voivat olla jopa 4 metriä ja niin pituus 20 metriä. Erotusrumpujen alkupäähän voidaan myös sumuttaa vettä. Kuva 5. Erotusrumpu Jäähdytyselevaattori on lähes pystysuorassa asennossa oleva kumihihnaelevaattori (vrt. hiekankuljettimen elevaattoriin), jonka nopeus on niin suuri, että hiekka sinkoutuu sen yläpäästä ilmaan. Hiekan lentäessä sen läpi imetään ilmaa, jolloin hiekan lämpötila laskee. Laitteen tehoa voidaan nostaa sumuttamalla hiekkaan vettä elevaattorin alkupäässä. Kuva 6. Jäähdytyselevaattori Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 4

5 Hiekan sekoitus ja sekoittimet Hiekan sekoituksessa on kaksi vaihetta - makro- ja mikrosekoitus. Makrosekoituksessa lisätyt aineet saadaan sekoittumaan koko hiekkamassaan ja seoksesta tulee tasa-aineista. Mikrosekoituksella tarkoitetaan lisättyjen aineiden tasaista jakautumista hiekkarakeiden pinnalle ohueksi kerrokseksi. Nestemäisillä aineilla hyvä mikrosekoittuminen on melko helppo toteuttaa, mutta jauhemaiset aineet (kuten bentoniitti) vaativat painekomponentin eli hiertoa paineenalaisena kunnollisen mikrosekoittumisen varmistamiseksi. Hierto muodostuu esimerkiksi, kun hiekan annetaan törmätä lujassa vauhdissa sekoittimen seinämiin. Painekomponenttia ei voi korvata pidemmällä sekoitusajalla. Makrosekoitusta voidaan parantaa sekoitusaikaa pidentämällä. Hiekansekoittimet voidaan jakaa toimintatapansa mukaan kahteen ryhmään: annos- ja jatkuvatoimisiin sekoittimiin. Annossekoittimissa valmistetaan määrätyn suuruinen annos kerrallaan. Jatkuvakäyttöisissä sekoittimissa hiekkaa valmistetaan jatkuvasti kunnes laite pysäytetään. Jatkuvatoimisten sekoittimien haittana on, etteivät ne kykene tasoittamaan kierrossa olevan hiekan ominaisuuksia niin hyvin kuin annossekoittimet. Jatkuvatoimiset sekoittimet soveltuvat sellaisten hiekkojen sekoittamiseen, joiden työskentelyaika on lyhyt. Tuorehiekan sekoittimina käytetään annossekoittimia. Annossekoittimista käytetyimmät ovat speedmullor- ja vastavirtasekoittimet. Jatkuvatoimisista sekoittimista ylivoimaisesti käytetyin on ruuvisekoitin. Speedmullorsekoitin on annossekoitin, joka on alun perin ollut valmistusmerkki, mutta josta myöhemmin on tullut sekoittimen tyyppinimitys. Speedmullorsekoitin muistuttaa kollersekoitinta (Kuva 7). Siinä on kaksi tai kolme vaakasuorassa asennossa pyörivää jyräpyörää. Ne puristavat hiekkaseoksen keskipakovoiman vaikutuksesta sekoittimen seinämää vasten. Samalla muodostuu suuri paine. Pohjaa pyyhkivät aurat nostavat hiekkaa jatkuvasti jyräpyörien alle. Side- ja lisäaineet johdetaan injektoimalla hiekan sisään, jolloin sideainehäviöt jäävät vähäisiksi. Uusimmissa sekoittimissa kiertohiekkaan lisätään automaattisesti sopiva määrä vettä mitattujen parametrien perusteella. Kuva 13 esittää tällaisen laitteen. Hiekan sekoitusaika speedmullor-sekoittimessa on lyhyt minuuttia. Jollei hiekkaa jäähdytetä sekoittimessa, se kuumenee n. 4 C/min. Jäähdytys voidaan toteuttaa johtamalla ilmaa sekoittimen läpi. Vastavirtasekoitin (on kutsuttu myös nimillä pyörre- ja sinkosekoitin) on myös kollertyyppinen annossekoitin, jossa jyräpyörät on korvattu nopeasti pyörivillä siivillä. Lisäksi altaan pohjalla pyörii sekoitusaura, joka nostaa hiekkaa ylöspäin. Siivet, kaksi tai useampi, jotka on kiinnitetty sekoittimen kanteen saavat aikaan tehokkaan mikrosekoittumisen. Sekoitetusta hiekasta tulee myös kuohkeaa. Sekoitusaika on samaa luokkaa kuin speedmullorsekoittimella. Kuva 7. Kollersekoitin Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 5

6 Kuva 8. Vastavirtasekoittimia. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 6

7 Kuva 9. Vastavirtasekoitin. Hartsihiekkojen sekoittamiseen käytetään jatkuvatoimisia ruuvisekoittimia (kutsutaan myös nimellä syöttösekoitin). Ruuvisekoittimet ovat tehokkaita. Niillä voidaan valmistaa jopa 70 tonnia hiekkaa tunnissa. Sekoitin voidaan pysäyttää, joten hiekkaa valmistuu tarpeen mukaan. Hiekka siirtyy muottiin ilman muita kuljetuksia. Kuiva hiekka pudotetaan sekoitusruuhen alkupäähän sekoittimen yläpuolella olevasta siilosta. Kuva 10. Ruuvisekoitin Ruuvisekoittimeen liitetään pumput, joilla annostellaan hiekan sekaan nestemäinen sideaine ja nestemäinen kovete. Valmis hiekkaseos pudotetaan sekoittimesta suoraan kaavauskehään. Sen käsittelyaika on lyhyt, muutamasta minuutista muutamaan kymmeneen minuuttiin. Kuva 11. Ruuvisekoitin Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 7

8 Kuva 12. Avattuja ruuvisekoittimia. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 8

9 Kuva 13. EIRICH online testauslaitteisto. Laite mittaa hiekan sulloutuvuuden, leikkaus- ja puristuslujuuden, joiden perusteella tuorehiekkaan lisätään optimaalinen määrä vettä. Hiekankuljettimet Hiekankuljettimia on neljää tyyppiä: hihnakuljetin paineilmakuljetin tärykuljetin elevaattori Hihnakuljettimet ovat yksinkertaisia ja käyttövarmoja kuljettimia, joiden huoltokustannukset ovat pienet. Niitä voidaan käyttää joko vaakasuorassa tai hieman kaltevassa kulmassa - kuivalle hiekalle 15 ja kostealle hiekalle 20. Kuljetushihnojen hihnamateriaali on kulutusta kestävää kumia tekstiilikudoksella vahvistettuna. Hihnamateriaalin heikko kuumankestävyys on eräs kuljettimen huonoista puolista. Muita ovat hankala pölynpoisto sekä arkuus metalliesineiden aiheuttamille hihnamateriaalivaurioille. Kuva 14. Hihnakuljetin. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 9

10 Kuva 15. Hiekankuljettimia Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 10

11 Kuva 16. Hihnakuljettimia Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 11

12 Pneumaattisten kuljettimien toiminta perustuu paine-eroon putkistossa - materiaali siirtyy pienemmän paineen suuntaan. Paine-ero saadaan aikaan joko imemällä alipaine putkiston loppupäähän (imukuljetus) tai aiheuttamalla ylipaine putkiston alkupäähän (painekuljetus). Kuva 17. Pneumaattisia kuljettimia. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 12

13 Kuva 18. Pneumaattisia kuljettimia. Pneumaattinen kuljetus on sopiva vaihtoehto silloin kun materiaalia syötetään useammasta eri kohteesta. Hiekka on melko raskasta kuljetettavaksi, joten joudutaan turvautuvaan korkeapainekuljettimiin, joissa paine-ero vaihtelee 1-8 bar välillä. Kuljetusputkisto on tavallisesti halkaisijaltaan mm. Mutkakohtien kulumiskestävyyteen on kiinnitetty erityistä huomiota. Järjestelmään kuuluu itse putkiston lisäksi syöttölaite ja materiaalin vastaanottava siilo pölynerotuslaitteineen. Pneumaattisten kuljettimien etuja ovat pieni tilantarve, kohtuullisen suuri kuljetuskyky ja ympäristön pölyttömyys. Haittapuolia ovat mm. suuret hankintakustannukset ja huollontarve. Lisäksi on kiinnitettävä tarkempaa huomiota hiekan pölynpoistoon, sillä pneumaattiset kuljettimet kuluttavat hiekkaa hihnakuljettimia enemmän. Paineilma voidaan tuoda syöttölaitteeseen kolmella eri tavalla. 1) Työntökuljettimissa paineilma johdetaan lähettimen yläosasta materiaalin pintaan, jolloin hiekka työntyy putkeen. Putkien kuluminen on vähäistä alhaisesta kuljetusnopeudesta (0,2-2 m/s) johtuen. Työntökuljettimet sopivat parhaiten kuivalle hiekalle. 2) Pyörrekuljettimissa paineilma tuodaan lähettimen seinämistä tangentiaalisesti, jolloin se saa hiekan pyörteilemään. Hiekka siirtyy putkeen suurella nopeudella. Siten se sopii huonosti juokseville materiaaleille, kuten esimerkiksi valmiille kaavaushiekalle. 3) Kuohkeutuskuljetin sopii hienojakoisten materiaalien kuljetukseen. Siinä paineilma johdetaan lähettimeen sen pohjassa olevan huokoisen levyn kautta. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 13

14 Tärykuljettimet sopivat hyvin myös kuuman hiekan siirtoon. Heilahtelevaan liikkeeseen saatu kuljetin siirtää materiaalia haluttuun suuntaan. Sysäyksellä hiekka saadaan irtoamaan alustastaan, liikkumaan sysäyksen suuntaan kunnes se putoaa takaisin alustalleen ja saa uuden sysäyksen ja lähtee taas liikkeeseen. Kuljettimien pituudet on rajoitettu yleensä 10 metriin. Kuljetusnopeus on 0,5 m/s. Hiekan siirtokyky voi olla kuitenkin useita tonneja tunnissa kuljettimien suuruuden ansiosta. Kuljettimet ovat joko kourumaisia tai putkimaisia. Kuva 19. Tärykuljettimia. Elevaattoreilla hiekkaa voidaan nostaa pystysuoraan ylöspäin. Laitteen muodostaa pystysuoraan asennettu hihna, johon on kiinnitetty kauhoja. Laite on peitetty levyillä, joten pölynpoistosta on helppo huolehtia. Elevaattorien muita etuja ovat pieni tilantarve ja jatkuva työskentely. Haittoja ovat esimerkiksi kauhojen kuluminen ja taipumus tukkeutua. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 14

15 Pölynerotuslaitteet Hiekankiertojärjestelmästä täytyy erottaa pois eri vaiheissa syntyneet pölymäiset komponentit. Työhygieenisten ongelmien lisäksi pöly häiritsee kiertohiekan käytettävyyttä. Pöly lisää pinta-alaa, johon sideaineen tulee levittyä. Näin ollen se kasvattaa sideaineen kulutusta. Pölypäästöistä suurin osa muodostuu hiekanvalmistuksessa, muottien tyhjennyksessä sekä hiekkojen elvytyksessä. Pölyistä ilmaa ei saa sellaisenaan päästää ulos. Pölyerottimia ovat syklonit, multisyklonit, letku-, kasetti- sähkö- ja märkäsuodattimet. Letkusuodattimet ovat suomalaisten valimoiden yleisimpiä pölynerotuslaitteita. Syklonien erotuskyky riippuu pölyn raejakaumasta. Jos pöly on hienojakoista, ei syklonin erotuskyky ole riittävä. Ne sopivat erittäin hyvin esierottimiksi tehokkaampien erottimien yhteyteen eli poistamaan ilmasta karkean pölyn ennen varsinaista hienopölyn erottamista. Syklonissa on teräslevystä valmistettu vaippa, joka supistuu alapäästään kartiomaiseksi. Kuva 20. Elevaattori. Viereisessä kuvassa (Kuva 21) on esitetty syklonin toimintaperiaate. Puhdistettava ilma johdetaan sykloniin seinämien tangentin suunnassa. Ilma painuu pyörteenä alaspäin, jolloin pöly irtoaa kerääntyen syklonin pohjalla olevaan säiliöön. Puhdistunut ilma nousee syklonin keskellä poistoaukkoon. Pölyn erottuminen on sitä parempi, mitä nopeammin ilma liikkuu ja mitä pienempi syklonin halkaisija on. Ilman nopeutta ei kuitenkaan voi nostaa rajatta, koska syklonin vaippa kuluu voimakkaasti. Sen sijaan syklonin halkaisijaa voidaan pienentää. Koska tällöin myös läpivirtaavan ilman määrä pienenee, yhdistetään useita pieniä sykloneja ryhmäksi, jolloin syntyy multisykloni. Sykloneja voidaan käyttää aina 300 C ulottuvissa lämpötiloissa. Kuva 21. Sykloni. Kuva 22. Nykyaikaisen (vas.) ja vanhanmallisen (oik.) letkusuodattimen toimintaperiaate. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 15

16 Multisyklonit ovat yksittäisiä sykloneita arempia korkeille lämpötiloille ja vaativat tavallisesti käyttämään jäähdytintä laitteiston osana. Ne eivät ole kuitenkaan yhtä herkkiä korkealle lämpötilalle kuin kuitusuodattimet. Syklonien painehäviö on vähäinen kuitu- ja märkäerottimiin verrattuna. Mekaanisilla erottimilla tehontarve on suoraan verrannollinen painehäviöön suodattimen yli. Syklonit ovat rakenteeltaan yksinkertaisia, toimintavarmoja ja hankintahinnaltaan melko halpoja pölynerottimia, mutta ne kuluvat nopeasti. Kuitusuodattimen erotusteho on erittäin hyvä myös pienhiukkasille. Erotus tapahtuu suodatinmateriaalin avulla. Pölypitoisen kaasun kulkiessa suodatinmateriaalin läpi pöly jää suodatinmateriaalin pintaan tai sisään, josta se erilaisilla puhdistusmenetelmillä irrotetaan ja kerätään talteen. Kuitusuodattimien haittatekijänä on mainittava kuitumateriaalin rajoitettu käyttölämpötila, joka voi hetkellisestikin olla korkeintaan < 300 C. Jos puhdistettavan kaasun karkean pölyn määrä on suuri, liitetään kuitusuodattimen eteen usein esierottimeksi sykloni. Kuitusuodattimissa voidaan erottaa kaksi päätyyppiä: letku- eli pussisuodattimet ja kasettisuodattimet. Letkusuodattimet ovat suomalaisten valimoiden yleisimpiä pölynerotuslaitteita ja niitä rakennetaan suurempina yksiköinä kuin kasettisuodattimia. Kuva 23. Letkusuodattimen halkileikkaus. Nykyisin markkinoilla olevissa letkusuodattimissa pölyinen ilma johdetaan aina letkujen ulkopuoliseen tilaan ja puhdistettu ilma virtaa letkun sisällä sen avoimen yläpään kautta pois. Jotta letku ei menisi alipaineen johdosta kasaan, täytyy sen sisällä olla tukikehys. Letkujen pituus vaihtelee 3 6 m laitteen koon mukaan. Kuva 22 esittää nykyaikaisen letkusuodattimen toimintaperiaatteen. Kuva 23 esittää letkusuodattimen poikkileikkauksen. Pölyn irrottamisessa käytetään nykyään paine- tai vastavirtamenetelmää. Ensin mainitussa menetelmässä annetaan jokaisen letkun yläpuolelle asennetun paineilmasuuttimen sopivin väliajoin puhaltaa 1-3 sekuntia kestävä paineilmasuihku letkun sisään, jolloin letku pullistuu ulospäin. Syntyvä muodonmuutos ja läpivirtaava ilma irrottavat pölyn suodatinmateriaalin pinnalta. Pöly putoaa koontasuppiloon. Vastavirtairrotuksessa ei tarvita paineilmaa. Siinä käytetään hyväksi suodattimen ilmanpuhaltimen aiheuttamaa alipainetta. Tällöin katkaistaan puhdistettavan letkuryhmän yhteys imupuolelle ja yhdistetään sen sijaan ulkopuoliseen normaalipaineeseen. Syntyvä paine-ero normaalipaineen ja laitteen oman alipaineen välillä saa aikaan letkujen pullistumisen ja Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 16

17 pölyn irtoamisen. Poistokaasujen pölypitoisuus letkusuodatuksen jälkeen laskee parhaimmillaan alueelle mg/m³. Magneettierottimet Ennen kuin kiertohiekka voidaan siirtää jatkokäsiteltäväksi, siihen jääneet metalliset aineet on poistettava. Rautametallien tapauksessa tämä onnistuu helposti magneetin avulla. Muut metallit saadaan erotettua tehokkaan seulonnan avulla. Magneettierottimina käytetään rumpu- ja pintamagneetteja. Rumpumagneetti sijoitetaan kuljetushihnan vetorummun sisään. Sen avulla saadaan poistettua aineet, jotka ovat lähellä hihnaa. Rautametallit jäävät magneettiin kiinni samalla kun hiekka pääsee putoamaan hihnan päädyssä. Pintamagneetti sijoitetaan hihnan yläpuolelle. Sillä saadaan poistettua magneettiset aineet, jotka ovat hiekan pinnassa. Pintamagneetit sopivat suuremmille hiekkamäärille kuin rumpumagneetit. Pintamagneetit ovat myös tehokkaampia - erityisesti jos ne sijoitetaan pitkittäin hihnan päälle. Tehokkaaseen erotukseen päästään yhdistämällä nämä kaksi erotintyyppiä. Kuva 24. Vasemmalla: Rumpumagneetti. Oikealla: Pintamagneetti Hiekankierto ja elvytys Valimon käyttöönsä ottama kiertohiekkajärjestelmä riippuu: valimon koosta ja sitä kautta hiekan kulutuksesta hiekan laadulle asetetuista tavoitteista käytettävistä sideaineista valettavista metalleista. Osa hiekasta palautetaan yleensä aina hiekkakiertoon ja osa poistetaan järjestelmästä - tai poistuu valukappaleiden mukana. Kun hiekkaa on palautettu takaisin kaavaukseen riittävän pitkään, se Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 17

18 enää täytä asetettuja laatuominaisuuksia. Kierrossa hiekkarakeet kuluvat ja murtuvat ja sideaineet menettävät sitomiskykyään. Tuorehiekkarakeiden päällä olevat sideainekalvot jäävät paikoilleen kidevetensä menettäneinä, sintraantuneina tai kokonaan sulaneina. Lisäksi rakeet iskostuvat yhteen ja muodostavat ylisuuria kokkareita. Kideveden menettänyttä bentoniittisideainetta kutsutaan perkipalaneeksi. Kierrossa perkipalaneet rakeet voivat perkipalaa uudelleen, jolloin rae oolitisoituu. Oolitisoitunut hiekka aiheuttaa huonon valupinnan sekä esimerkiksi kaasuvikoja. Hartsisideaineet, jotka ovat lähellä kappaleen pintaa, hajoavat tavallisesti kokonaan, mutta kauempana olevien rakeiden pintaan jää sideainekalvo. Rakeiden pinnalla olevat kalvot estävät uuden sideaineen tehokkaan vaikutuksen ja sideainekulutus kasvaa. Mitä enemmän hiekka kiertää, sitä enemmän siihen rikastuu haitallisia aineita. Siksi kiertohiekkaa on joko korvattava uudella hiekalla tai elvytettävä, jolloin siitä saadaan uuden veroista. Elvytyksellä tarkoitetaan kaavaus- ja keernahiekan käsittelyä siten, että rakeiden päällä oleva sidekalvo rikkoontuu ja poistuu muiden hiekkaan kuulumattomien ainesten kera pölynpoistojärjestelmään. Elvytysmenetelmiä on kolme: 1) mekaaninen-, 2) terminen- ja 3) märkäelvytys. Kukin näistä menetelmästä on kolmivaiheinen: hiekan esikäsittely, sideainekalvon poisto ja jälkikäsittely. Vaiheita ei voi aina yksiselitteisesti erottaa toisistaan, vaan tehokkaassa esikäsittelyvaiheessa tapahtuvassa murskauksessa hiekka myös puhdistuu. Elvytysmenetelmät eivät välttämättä tuota haluttua tulosta, jos useampaa erityyppistä hiekkaa on päässyt sekoittumaan keskenään. Kromiittihiekasta valmistetut keernat ja sitä sisältävät muotit voidaan tyhjennyksen yhteydessä laittaa kiertoon sekoitettuna kvartsihiekkaan. On katsottu, että ongelmia ei tule jos kromiittihiekan määrä ei ylitä 5 % kvartsihiekan määrästä. Tarvittaessa kromiittihiekka voidaan erottaa kvartsin joukosta voimakkaan magneetin avulla. Jos "puhdasta" kromiittihiekkaa halutaan kierrättää, on uuden hiekan lisäys luokkaa 50 %. Esikäsittely. Elvytyksen esikäsittelyvaiheessa pyritään murskaamaan hiekkakokkareet niin, että rakeet erottuvat toisistaan. Lisäksi kaikki hiekkaan kuulumattomat aineet, kuten metallit, poistetaan esimerkiksi magneettierotuksella. Ja jotta myös ei-magneettiset metallikappaleet saadaan pois, hiekkaa seulotaan. Elvytysmenetelmät. Esikäsittelyssä rakeita peittävä sideainekalvo jää pääosin paikoilleen. Sen poistotapa riippuu sideainekalvon laadusta ja elvytettävän hiekan käyttötavasta. Jos elvytettävältä hiekalta ei vaadita täydellistä puhtautta, vaan se kelpaa käyttöön uuteen hiekkaan sekoitettuna, riittää elvytysmenetelmäksi mekaaninen murskaus- tai täristyshierontakäsittely. Täristyshierontamenetelmässä sideainekalvon rikkoutuminen perustuu hiekkarakeiden liikkumiseen ja hankautumiseen toisiaan vasten. Murskausmenetelmässä kokkareinen metallisista aineista puhdistettu hiekka johdetaan murskaimeen, jossa hiekkakokkareet hankautuvat toisiaan vasten ja hienontuvat. Hienonnettu hiekka kuljetetaan seulalle. Hiekka hienontuu edelleen seuloilla pudoten aina tiheämmän seulan läpi seuraavalle. Seulojen pyöriessä ja hiekan hienontuessa hankauksen vaikutuksesta myös tehotonta sideainetta irtoaa rakeiden pinnalta. Koteloiduista laitteista syntynyt pöly on helposti imettävissä pois. Hiekka jäähdytetään tarvittaessa ennen kuin se johdetaan varastosiiloihin. Pneumaattisella hiertämisellä päästään lähes uudenveroiseen hiekkaan. Hiekka lentää suurella nopeudella paineilman vaikutuksesta puhdistuskennossa kulutusta kestävää vastinlevyä päin, jossa rakeet hiertyvät levyä ja toisiaan vasten. Laitteessa on useita sarjaan kytkettyjä puhdistuskennoja. Hiertoprosessi toistuu kunnes hiekka on kulkeutunut koko kennoston läpi. Sideainekalvo erottuu tällöin erittäin tehokkaasti. Terminen menetelmä sopii orgaanisille sideainejärjestelmille. Hiekka kuumennetaan C, jolloin sideaineet hajoavat ja hiekkarakeet puhdistuvat täydellisesti. Termisten menetelmien haitta- Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 18

19 puolena on kalliit investointi- ja käyttökustannukset verrattuna mekaanisiin ja pneumaattisiin menetelmiin. Märkäelvytysmenetelmässä syntyvän lietteen hävittäminen muodostaa ympäristöongelman. Menetelmä on myös kallis sekä hankinta- että käyttökustannuksiltaan. Esikäsitelty hiekka sekoitetaan veteen ja siipisekoittimilla. Sekoittimet saavat aikaan voimakkaan hiertoliikkeen, jonka vaikutuksesta hiekka puhdistuu. Puhdistettu hiekka johdetaan keskipakoerottimeen, jossa sen vesipitoisuus laskee n. 5-8 %:iin. Loppukuivaus suoritetaan tavallisilla hiekan kuivaimilla. Jälkikäsittelyt. Jos elvytetty hiekka on lämmintä, se on jäähdytettävä ennen kuin sitä voidaan käyttää uusien kaavaus- ja keernahiekkaseosten valmistukseen. Lisäksi hiekka on lajiteltava ja pöly poistettava, jotta hiekan raejakauma saataisiin uutta vastaavaksi. Jokainen elvytysmenetelmä synnyttää pölyä erittäin runsaasti, koska hiekan pinnalta irtautuu pieniä kappaleita hiekkarakeiden murskaantuessa. Lisäksi sideainejäämät kuoriutuvat hiekan ympäriltä. Eri sideainejärjestelmien elvytettävyys Bentoniittihiekat ovat 95 % kiertohiekkoja. Liiallinen oolitisoituminen pidetään tasapainossa lisäämällä hiekkajärjestelmään jatkuvasti uutta hiekkaa. Lisäksi katsotaan, ettei lähellä valukappaleen pintaa ollut hiekka pääse takaisin kiertoon. Elvytysmenetelmistä tuorehiekoille parhaiten sopivia ovat mekaaniset menetelmät. Furaanihartsihiekoilla mekaaninen elvytys on periaatteessa riittävä. Sillä saadaan kiertoasteeksi 90 %. Elvytettävissä furaanihartsihiekoissa pyritään yleensä käyttämään mahdollisimman niukkatyppisiä hartseja (FA/F). Happopitoisuuden lisääntyminen kiertohiekassa lyhentää hiekan käyttöikää ja huonontaa sen lujuusominaisuuksia. Fosforihappokovetteen asemesta on suositeltavaa käyttää paratolueenisulfonihappoa, koska se hajoaa osittain valun aikana eikä rikastu kuten fosforihappo. Elvytyksen on oltava niin tehokas, että hehkutushäviö ei ylitä 2,5 %. Esterikovetteisten fenolihartsihiekkojen (Alphaset) elvytettävyys on vaikeampaa kuin furaanihartsihiekkojen. Ongelmana ovat elvytetystä hiekasta kaavattujen muottien alhaiset lujuudet. Tämän katsotaan johtuvan hiekkaan jäävästä emäksisyydestä ja 500 C:een lämpötilassa muodostuvista kalium- tai natriumjäämistä. Rikastuvat aineet aiheuttavat hiekan käyttöajan lyhenemisen, alhaiset lujuusarvot ja hiekan sintraantumispisteen alenemisen. Ongelmia aiheutuu yli 0,4 % pitoisuuksilla, mutta pitoisuuden mittaaminen ei ole helppoa. On kuitenkin havaittu, että kriittistä pitoisuutta vastaa hehkutushäviön arvo 1,5 %. Jos esterikovetteisia fenolihartsihiekkoja elvytetään pelkästään mekaanisella menetelmällä (murskaus, pölynpoisto ja jäähdytys), voidaan tällä hiekalla korvata vain % uudesta hiekasta. Parhaat tulokset saadaan märkä-, termisellä ja pneumaattisella (kiertoaste n %) menetelmillä. Hartsien valmistajat ovat myös panostaneet alphasethiekkojen elvytettävyyden parantamiseen. Cold-box -hiekkojen elvytettävyys on hyvä, vastaavaa tasoa kuin furaanihiekoilla. Keernahiekka kulkee muottien purkamisen jälkeen samaa reittiä muottihiekan kanssa, koska käytännössä muu ei ole mahdollista. Keernojen valmistusmateriaalin on näin ollen sovittava yhteen muottien valmistusmateriaalien kanssa. Tuorehiekoilla käytetään aina cold-box -keernoja. Jos keernahiekan määrä jää tuorehiekassa alle 15 % tasolle, sillä ei ole merkitystä hiekan lujuusominaisuuksiin. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 19

20 Valimon ylijäämähiekkojen uusiokäyttö Ylijäämähiekoista suurin osa toimitetaan kaatopaikoille. Kiristynyt ympäristönsuojelulainsäädäntö on asettanut valimot kovien haasteiden eteen, sillä kaatopaikkamaksut ovat nousseet, kaatopaikkojen määrä on vähentynyt ja päästörajat ovat kiristyneet. Valimoiden kaatopaikoille ajautuvasta sivutuotteiden määrästä valimohiekkojen osuus on luokkaa 80 % ja sulatuskuona on määränsä puolesta selvä kakkonen. Muita syntyviä sivutuotteita ovat tulenkestävät materiaalit ja suodatinpölyt. Jätelainsäädännön mukaan jätteiden syntymistä tulisi ensinnäkin välttää, mutta koska kaiken jätteen syntymistä on mahdotonta estää, tulisi jäte hyödyntää, jos se on teknisesti mahdollista ja jos siitä ei aiheudu kohtuuttomia lisäkustannuksia verrattuna muulla tavoin järjestettyyn jätehuoltoon. Ensisijaisesti on pyrittävä hyödyntämään jätteen sisältämä aine ja toissijaisesti sen sisältämä energia. Vasta viimeisenä vaihtoehtona pitäisi olla jätteen vieminen kaatopaikalle. Luonnon raaka-aineiden korvaaminen jätteellä on siis myös jätelainsäädännön tavoitteiden mukaista. Käyttö edellyttää kuitenkin, että materiaalit osoitetaan teknisesti soveltuviksi ja ympäristölle haitattomiksi. Materiaalien käyttökelpoisuuden osoittamista varten on lainsäädännöllisiä vaatimuksia sekä niiden lisäksi on annettu suosituksia materiaalin ympäristökelpoisuuden ja teknisen soveltuvuuden tutkimuksista, joilla materiaalien käyttökelpoisuus maarakenteissa voidaan osoittaa. Sivutuotteiden ympäristökelpoisuuden arvioinnin yleiset periaatteet ovat: arvioida materiaalissa mahdollisesti esiintyvät haitta-aineet, niiden ominaisuudet ja oletettava massojen olevan tasalaatuisia sekä koostumuksen vaihteluvälin tunnettu. Lisäksi mahdolliset riskit materiaalin käytössä on tunnistettava ja tarvittaessa tutkittava soveltuvilla testeillä. Valimohiekkojen haitalliset aineet ovat reaktio- ja palamistuotteita. Hiekoissa on yleensä vähäisiä jäämiä sideaineista. Orgaanisten haittaaineiden merkitystä sijoituspaikalla arvioidaan yleensä kokonaispitoisuuksien perusteella. Haitallisten metallien ympäristövaikutukset riippuvat yleensä niiden liukoisuusominaisuuksista. Valimohiekoille tehtäviä perustestejä ovat mm. hehkutushäviö, PAH- ja fenoliyhdisteiden tutkiminen, liukoisuustesti ja ph-arvon määritys. Liukoisuustestillä (kolonnitestillä) simuloidaan sadeveden suotautumista hiekkakerroksen läpi ja sillä arvioidaan karkeasti materiaalin päästöt ympäristöön eri aikavälillä. Hehkutushäviö ja PAH-yhdisteet antavat viitteitä palamattomien sideaineiden määrästä. Jos ph-arvo on < 5, viittaa se käytetyn hapon ylijäämään. Vaikka lainsäädännön päähuomio kiinnitetään ympäristövaikutuksiin, on materiaalien tekninen kelpoisuus aina osoitettava. Tämä on tärkeää myös ympäristövaikutusten minimoimiseksi. Ylijäämähiekoille sopivia uusiokäyttökohteita ovat maarakentamisen lisäksi, asfaltin ja vuorivillan valmistus, kompostointi sekä käyttö mineraalieristeissä. Uusiokäyttökohdetta valikoitaessa täytyy ottaa huomioon, että kaikki kohteet eivät sovellu kaikille valimohiekkalaaduille. Lisäksi tulevat kysymykseen hiekkojen kuljetusmatkat ja niistä johtuvat kustannukset. Esimerkiksi Suomessa valmistetaan vuorivillaa ainoastaan muutamilla paikkakunnilla. Myös vuodenajat vaikuttavat käyttöön, sillä asfaltin valmistus on pysähdyksissä talvikaudella. Maarakentamisessa tarvitaan suuria määriä hiekkaa kerrallaan, joten hiekkojen kerääminen pidemmällä aikavälillä ja varastointi tulee ottaa huomioon. Tutkimusten perusteella hartsihiekkoja voidaan käyttää asfaltissa korvaamaan luonnonhiekkaa kulumiskestävyyden siitä kärsimättä. Ylijäämähiekkojen käyttö kompostoinnissa ei lisää valmiin kompostin raskasmetalli- tai haitallisten orgaanisten aineiden pitoisuuksia. Mikrobiologisten määritysten perusteella ylijäämätuorehiekka kompostoituu normaalisti. Sen sijaan hartsiylijäämähiekkojen käyttö lisää kompostin kompostoitumisaikaa. Briketeiksi pakattu ylijäämähiekka yhdessä alumiinipitoisen muun teollisuuden sivutuotteen (lentotuhka, teräskuona) kanssa soveltuu pienissä määrin vuorivillan valmistukseen vuorivillan laadun siitä kärsimättä. Teknisesti tuorehiekkojen käytölle kaatopaikkojen mineraalieristeissä ei ole mitään estettä. Toistaiseksi käyttö rajoitetaan kuitenkin ympäristönäkökohtien vuoksi vain kaatopaikkojen pintaeristeisiin. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 20

21 Valimohiekoista voidaan sanoa yleisesti: Tuorehiekat. Tuorehiekat eivät sovellu maarakentamiseen niiden korkeiden PAHpitoisuuksien takia, eikä niitä voida Suomen olosuhteissa käyttää asfaltissa, sillä bentoniitti heikentää asfaltin kulumiskestävyyttä nastakuormituksella. Tuorehiekat sopivat erinomaisesti kompostointiin, jossa ne vähentävät tarvittavan lannoitteen määrää sekä niitä voidaan käyttää mineraalieristeissä. Furaanihiekat. Furaanihiekat on neutraloitava ennen käyttöä maarakenteissa. Ne kuuluvat maarakentamisessa sijoituskohdeluokkaan 3. Furaanihiekkoja voidaan käyttää asfaltin ja vuorivillan valmistuksessa sekä tietyin varauksin kompostoinnissa. Alphasethiekat. Alphasethiekkoja voidaan käyttää maarakentamisessa, jossa ne kuuluvat sijoituskohdeluokkaan 3. Alphasethiekkoja voidaan käyttää asfaltin ja vuorivillan valmistuksessa sekä tietyin varauksin kompostoinnissa. Vesilasihiekat. Vesilasihiekkoja voidaan käyttää maarakentamisessa, kompostoinnissa ja vuorivillan valmistuksessa. Ne kuuluvat maarakentamisessa sijoituskohdeluokkiin 2 ja 3. Asfaltti Asfaltti on erilaisten kiviainesten ja bitumin seos. Asfaltin joukossa käytetään näiden lisäksi erilaisia lisäaineita ja täytejauhetta. Asfalttibetoneita valmistetaan useita lajeja (AB6-AB25) ja kunkin lajin kiviaineksen rakeisuudelle on useita vaihtoehtoja. Rakeisuudella tarkoitetaan raekokojen painosuhteita, jotka määritetään seulomalla kiviaines lajitteisiin. Asfalttibetonin raekoon alaraja on 0 mm ja yläraja vaihtelee välillä 6-25 mm. Mitä pienempi maksimiraekoko, sitä sileämpi ja samalla kauniimpi pinta saadaan, mutta kulutuskestävyys on huonompi ja päällyste on suuremman sideainemenekin vuoksi kalliimpi kuin karkeampi laji saman paksuisena. Bitumi on määrältään pienempi asfaltin kahdesta pääkomponentista, mutta merkitykseltään yhtä tärkeä kuin kiviaines. Asfalttibetonissa on sideainetta n. 5-7 paino-% (11-16 tilavuus-%). Kiviaines muodostaa päällysteen runkorakenteen ja siten määrällisesti valtaosan (n paino-%) päällystemassasta. Asfalttibetonin kiviaines koostuu murskeesta, luonnonhiekasta ja täytejauheesta. Kiviainekset murskataan joko kalliosta tai irtaimesta harjuaineksesta tai saadaan murskaamattomana luonnossa lähes valmiina esiintyvistä aineksesta (hiekka, sora). Kiviaineksen hienoaines koostuu murskeen ja hiekan hienoaineksista sekä erikseen lisättävistä täytejauheista. Valimohiekkojen käyttöä asfaltissa luonnonhiekan korvaajana on tutkittu sekä laboratoriossa että käytännössä muutamien viime vuosien aikana. Laboratoriotutkimuksissa haluttiin selvittää valimohiekkojen vaikutus asfaltin kulumiskestävyyteen. Käytännön asfaltointikokeista saatiin tietoa valimohiekkaa sisältävien asfalttimassojen työstettävyydestä sekä todellisesta kulumiskestävyydestä. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 21

22 Taulukko 1. Kokeissa käytettyjen asfalttimassojen koostumukset. Suhteellinen osuus massasta, % Massa I Massa II Massa III Massa IV kalkkifilleri valimohiekka luonnonhiekka kalliomurske bitumi B100/150 5,8 5,8 5,8 5,8 Laboratoriokokeet Kokeessa tutkittiin furaanihiekan käyttöä asfaltissa. Furaanihiekalla korvattiin luonnonhiekka sekä osittain että kokonaan oheisen taulukon 1 mukaisesti. Kokeessa asfalttibetonin massaksi valittiin AB 20, jonka maksimiraekoko on 20mm. Massa I oli vertailumassa, joka ei sisältänyt lainkaan valimohiekkaa. Jokaisesta massasta valmistettiin 6cm paksuinen laatta, joista viikon kuluttua irrotettiin poraamalla 6 näytettä/laatta. Kokeissa määritettiin luonnonhiekan ja valimohiekan tiheydet, jotka olivat 2689 kg/m 3 ja 2810 kg/m 3 eli valimohiekka oli hieman painavampaa kuin luonnonhiekka. Laboratoriokokeissa mitattiin mm. runkoaineksien, asfalttimassojen ja koekappaleiden tiheydet, runkoainesten rakeisuudet, päällysteiden ja kiviaineksen tyhjätilat 2. Laboratoriossa tutkittiin myös päällysteiden kulutuskestävyys sivurullakulutuslaitteella (PANK 4209). Kokeessa tutkittavaa päällystettä kulutetaan sivulta kolmella nastoitetulla kumipyörällä kahden tunnin ajan. Kokeen aikana lämpötila pidetään vakiona (+5 C) ja koepäällystettä kastellaan kokeen aikana. Päällysteen kuluminen saadaan painohäviön perusteella. Kaikilla neljällä eri koemassalla kulumiskestävyys oli normaalien hajontojen rajoissa. Eli valimohiekkojen käyttö luonnonhiekan korvaajana ei heikentänyt päällysteiden kulumiskestävyyttä. Kulumiskestävyys määräytyy suurimmaksi osaksi päällysteessä käytetyn kiviaineksen perusteella. Käytännön koe Käytännön kokeessa edellä esitetyn taulukon 1 mukaisista massoista valmistettiin koetie. Tie sijaitsee Tampereella Tasanteen kaupunginosassa (Kuva 28). Koetie tehtiin Noin 6 viikon kuluttua tiestä porattiin irti koekappaleita kulumiskestävyyskokeisiin. Jokaisesta massasta valmistetusta asfaltin pätkästä otettiin 6 näytettä. Näistä saadut tulokset vastasivat aikaisemmin tehtyjä laboratoriotutkimuksia. Myös eri massoilla valmistetuista tieosuuksista otetut tulokset olivat normaalien hajontojen sisällä. Joten valimohiekkojen käyttö ei huononna asfaltin kulumiskestävyyttä. Valimohiekoissa ei juuri ole alle 0,125 mm raekokoja kun taas luonnonhiekoissa niitä on n. 20 % ja alle 0,063mm raekokojakin n. 5 %. Tästä syystä valimohiekoista valmistetut asfalttibetonimassat sitovat vähemmän sideainetta kuin luonnonhiekkaa sisältävät massat. Koska kokeessa bitumipitoisuus oli kaikissa massoissa sama, toimi ylimääräinen bitumi valimohiekkaa sisältävissä massoissa "voiteluaineena". 2 Kokeiden tuloksista saa tarkempaa tietoa julkaisusta TKK-VAL-1/1999 "Valimoiden ylijäämähiekan hyötykäyttö- ja sijoituskelpoisuus" - Juhani Orkas (ISBN ). Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 22

23 Kuva 25. Koetien sijainti Tampereen Tasanteella. Tämän takia valimohiekkaa sisältävät massat olivat herkkäliikkeisiä ja notkeita, mikä vaikeutti massojen levittämistä (notkea massa siirtyi jyrän valssin edellä) ja pinta jäi helposti epätasaiseksi. Näiden massojen kunnollinen tiivistäminen oli hidasta, sillä massan piti antaa jäähtyä kunnolla. Taulukko 2. Uramittausten tulokset. Massa I Massa II Massa III Massa IV Urautumiskeskiarvo 4,00 mm 3,00 mm 3,25 mm 4,25 mm Urautumiskeskiarvo 5,25 mm 4,75 mm 5,80 mm 6,50 mm Koetielle on tehty uramittauksia. Alku-uramittaus tehtiin syksyllä Ensimmäinen varsinainen uramittaus tehtiin keväällä 1999 ja toinen kesällä Nämä mittaukset vahvistivat jo tiedetyn asian, ettei valimohiekan käyttö heikennä asfaltin kulumiskestävyyttä. Kompostointi Hiekkaa käytetään kompostoinnissa rakenteenantaja ja kompostin happitilan parantajana. Yleensä hiekka lisätään kompostimultaan vasta aktiivisen kompostoitumisen loppuvaiheessa, sillä hiekka lisää kompostin massaa ja siten käsittelykustannuksia. Koska kypsässä kompostimullassa orgaanisen aineksen osuus on vielä puolet koko massasta, lisätään siihen puutarhamultaa valmistettaessa hiekkaa niin, että orgaanisen aineksen osuudeksi tulee alle 20 paino-%. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 23

24 Valimon ylijäämähiekkojen käyttöä korvaamaan luonnonhiekkaa kompostoinnissa on tutkittu Suomessa vuodesta 1998 alkaen. Käytännön kokeet Ensimmäisiä käytännön kokeita tehtiin tammikuussa Kokeessa käytettiin elvyttämätöntä kokkareista alphasethiekkaa. Kokeen perusteella voidaan sanoa, että hiekan on oltava yksiraehiekkaa, sillä kokkareiden pehmeneminen kesti kauan. Alphasethiekan lisäämisellä kompostiin ei ollut vaikutusta sen raskasmetallipitoisuuteen. Pitoisuudet olivat niin merkityksettömiä, että ne eivät muodosta ongelmia kompostista valmistetun puutarhamullan myymiselle. Tämän ensimmäisen kokeilun tulokset olivat niin lupaavia, että käytännön kokeita on jatkettu. Perusteellisempia jatkotutkimuksia tehtiin Hyötykapula Oy:n kompostointilaitoksella Hyvinkäällä vuosina 1999 ja Biojätteenä kokeissa käytettiin normaalia biojätettä, joka esikompostoitiin erillisessä kompostointilaitoksessa. Tämä vaihe kesti pari viikkoa. Esikompostoitu multa siirrettiin ulos aumoihin jälkikypsymään. Tässä vaiheessa lisättiin joukkoon valimohiekkaa. Kokeessa lisättiin kolmeen eri aumaan valimohiekkoja seuraavasti: 50 t tuorehiekkaa, 50 t furaanihiekkaa ja 50 t alphasethiekkaa. Koeaumojen koostumus oli 50 % esikompostoitua biojätettä, 30 % ns. nollakuitua (paperitehtailta) ja 20 % valimohiekkaa. Koekomposteista otettiin useita näytteitä kokeen aikana, joista tutkittiin mm. hivenaine- ja raskasmetallipitoisuudet, orgaaniset haitta-aineet, kompostin kypsyys ja stabiilius 3. Lisäksi otettiin näytteitä Kasvituotannon Tarkastuskeskuksen (KTTK) tutkimuksia varten. Tulokset Ravinneainepitoisuudet (typpi, fosfori, kalium, kalsium ja magnesium) olivat valimohiekkaa sisältävissä komposteissa samalla tasolla ja tuorehiekkaa sisältävissä komposteissa jopa korkeammat kuin vertailunäytteissä. Normaalisti Hyötykapula Oy lisää valmiiseen kompostiin ravinneainepitoisuuden nostamiseksi lannoitetta. Lannoitteen käyttötarve vähenee tuorehiekkaa sisältävällä kompostilla. Kompostinäytteistä tutkittiin myös niiden PAH- ja fenolipitoisuudet. Tulosten perusteella voidaan sanoa, että ylijäämähiekkojen orgaaniset haitta-aineet häviävät kompostin mikrobitoimintojen ja luonnollisen hajoamisen ansiosta lähes olemattomiin. KTTK tutki komposteista mm. ph-arvon, enterokokkien lukumäärän, salmonellabakteerien esiintymisen, krassin siementen itävyyden ja teki ns. Jannin testin. Osa kokeiden tuloksista on esitetty taulukossa 3. Tuloksista voidaan päätellä seuraavaa: 9.6 otettujen koetulosten perusteella voidaan sanoa, etteivät koekompostit olleet ehtineet kypsyä eivätkä stabiloitua. (Huomaa enterokokkien arvot verrattuna raja-arvoon kpl/g). Jälkimmäiset näytteet osoittavat, että tuorehiekkaa sisältävä koekomposti on valmis toisinkuin furaani- ja alphasethiekkaa sisältävät kompostit. Furaanihiekkoja sisältäville komposteille suositellaan jälkikompostointia ja alphasethiekkojen kompostointia on edelleen jatkettava. Kokeiden tulokset yhteenvetona: Ylijäämähiekkojen käyttö kompostoinnissa ei lisää valmiin kompostin raskasmetalli- tai haitallisten orgaanisten aineiden pitoisuuksia. Mikrobiologisten määritysten perusteella ylijäämätuorehiekka kompostoituu normaalisti. Sen sijaan hartsiylijäämähiekkojen käyttö lisää kompostin kompostoitumisaikaa. 3 Kokeiden tuloksista saa tarkempaa tietoa julkaisusta TKK-VAL-1/2001 "Valimoiden ylijäämähiekan hyötykäyttö- ja sijoituskelpoisuus, osa 2" - Juhani Orkas (ISBN ). Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 24

25 Taulukko 3. KTTK:n tulokset tuorehiekka furaanihiekka alphasethiekka vertailunäyte ph 7,6 8,1 7,5 7,8 7,7 8,3 7,1 ei otettu enterokokit kpl/g Krassin siementen itävyys % salmonella ei ei ei ei ei ei ei muuta haju haju haju haju haju, haju home home home home ei ulkonäkö home kupliminen kupliminen muutoksia kupliminen Maarakentaminen Teollisuuden sivutuotteiden hyötykäytölle maarakenteissa on laadittu opas " Sivutuotteet maarakenteissa - käyttökelpoisuuden osoittaminen " - Ulla-Maija Mroeuh (ISBN ). Erityisesti valimohiekoille kehitetyt kelpoisuuskriteerit luotiin projektin Valimoiden ylijäämähiekan hyötykäyttö- ja sijoituskelpoisuus yhteydessä. VTT ehdotti kelpoisuuskriteereiksi maarakentamisessa maan jakamista sijoituskohteisiin ympäristön herkkyyden perusteella, joille asetetaan erilaiset tavoitearvot. Jotta sivutuote olisi ylipäätään ympäristökelpoinen maarakentamisessa, tulee sen täyttää tavanomaiselle jätteelle annetut kaatopaikkakelpoisuuskriteerit. Jätteiden maarakennuskäytön ympäristölupavelvollisuus on perustunut alkaen ympäristönsuojelulain 28.2 :n 4 kohtaan, jonka mukaan ympäristölupa on oltava "jätteen laitos- ja ammattimaiseen hyödyntämiseen tai käsittelyyn". VTT:n ehdottamat sijoituskohdeluokat Sijoituskohdeluokka 1 on vedenhankintaa varten tärkeät pohjavesialueet, luonnonsuojelualueet ja erityisesti herkät kohteet (leikkipuistot, sairaala-alueet, koulujen ja päiväkotien lähialueet ym.). Sijoituskohdeluokan 1 kohteisiin valimohiekkojen sijoitus ei ole suositeltavaa. Sijoituskohdeluokan 2 kohteisiin voidaan sijoittaa valimohiekkaa, jos epäorgaanisten ja orgaanisten haitta-aineiden pitoisuudet materiaalissa alittavat maaperän haitallisten aineiden tavoitearvot. Mikäli epäorgaanisten haitta-aineiden pitoisuudet ylittävät maaperän haitallisten aineiden rajaarvot (tai tavoitearvot, jos sijoitusympäristö on herkkä), tulisi myös aineiden liukoisuus selvittää. Valimohiekat täytyy peittää maakerroksella. Sijoitusluokan 2 kriteerit ovat: PAH-yhdisteet max. 1 mg/kg, vesiuutteen ph > 6 ja fenoli-indeksi max. 10 mg/kg. Orgaanisten aineiden skreenaus ja haitallisten metallien tutkiminen arvioidaan tapauskohtaisesti. Sijoituskohdeluokka 3 on kohde, jossa haitta-aineita joutuu tai on joutunut ympäristöön myös muista toiminnoista (esim. moottori- ja valtatiet sekä teollisuusalueet). Sijoituskohteessa veden pääsyä materiaaliin on rajoitettava peittämällä se asfaltilla (AB) tai vastaavalla heikosti vettä läpäisevällä materiaalilla. Tässä ryhmässä voidaan hyväksyä tunnistettujen haitta-aineiden pitoisuuksien vähäinen maaperän haitallisten aineiden tavoitearvojen ylittyminen. Mikäli epäorgaanisten haittaaineiden pitoisuudet ylittävät maaperän haitallisten aineiden raja-arvot, tulisi myös aineiden liukoisuus selvittää. Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 25

26 Sijoitusluokan 3 kriteerit ovat: PAH-yhdisteet max. 5 mg/kg, vesiuutteen ph > 5,5 ja fenoli-indeksi max. 10 mg/kg. Orgaanisten aineiden skreenaus ja haitallisten metallien tutkiminen arvioidaan tapauskohtaisesti. Sijoituskohdeluokka 4 on varattu erikoistapauksille. Sillä tarkoitetaan erityiskäyttökohteita tai - sijoituskohteita (esim. asfalttiin sidottu valimohiekka ja teollisuusalueet). Sijoitusluokan 4 kriteerit määritellään tapauskohtaisesti. Sidottujen valimohiekkojen (esim. asfalttiin) osalta voidaan poiketa tavoitearvoista. Esimerkiksi asfaltissa on runsaasti orgaanisia yhdisteitä, minkä perusteella valimohiekkojen sideainejäämiä voidaan pitää melko merkityksettöminä. Asfaltissa valimohiekkojen pinta-ala on lisäksi rajoitettu, jolloin liukeneminen ja altistuminen tapahtuvat ainoastaan päällysteen pinnan kautta. Mineraalieristeet Esimerkiksi kaatopaikoilla tarvitaan ympäristöteknisiä vesieristyskerroksia, joilla haitallisten aineiden pääsy pohjaveteen ja vesistöihin voidaan estää. Nämä tiiviit eristyskerrokset rakennetaan seoksilla, joissa maa-ainesta ja bentoniittijauhetta on sekoitettu keskenään. Kostuessaan bentoniitti paisuu moninkertaiseksi ja täyttää maa-aineksen huokostilan muodostaen tiiviin kerroksen. Valimohiekoista tuorehiekkojen käyttöä eristyskerroksiin on tutkittu laboratoriossa ja käytännön kokeessa. Käytännön kokeessa tehtiin Salossa Korvenmäen kaatopaikalla reunapenkereen korotuksen seinämätiivistys, jonka korkeus oli n. 2 m, paksuus n. 1 m ja pituus n. 300 m. Tiivistykseen tarvittiin massaa tonnia. Penkereelle asetetut vaatimukset olivat: vedenläpäisevyys < 1x10-9 m/s tiivistysaste > 90 % seinämänpaksuus 1 m Laboratoriokokein oli etukäteen testattu optimaalinen ylijäämätuorehiekan ja moreenin seossuhde (50 % / 50 %). Penkereen valmistukseen käytettiin yli 600 tonnia tuorehiekkaa ja saman verran moreenia. Vesipitoisuudeksi säädettiin optimaalinen 9 %. Massa tiivistettiin tärylevyä käyttäen penkereeksi. Valmiista penkereestä otettiin lukuisia näytteitä ja todettiin, että kaikki tulokset täyttivät yllä esitetyt vaatimukset. Kokeen perusteella tuorehiekkaa voidaan pitää teknisesti sopivana materiaalina mineraalieristeisiin. Vuorivilla Mineraalivilla koostuu toisiinsa kietoutuneista epäorgaanisista mineraalikuiduista ja niitä sitovasta sideaineesta. Mineraalivillat jaetaan raaka-aineidensa mukaisiin alaryhmiin: vuori- eli kivivilla, lasivilla ja kuona- eli silikaattivilla. Kuitumaiset eristemateriaalit ovat kosteutta kestäviä, biologisesti inerttejä, kemiallisesti neutraaleja ja hyviä lämmönkestävyydeltään. Erityisesti vuorivillalle on tyypillistä hyvä lämmönkestävyys sekä korkea käyttölämpötila. Sintraantuminen tapahtuu n C lämpötilassa. Lasivillalla vastaava lämpötila on n. 680 C ja kuonavillalla n. 800 C. Vuorivilla on tehty yhdestä, kahdesta tai useammasta (tavallisesti 2-4 eri kivilajista) emäksisestä luonnonkivilaadusta. Eri kivilajit sekoitetaan tietyssä suhteessa. Vuorivillassa käytettävät yleisimmät mineraalit vaihteluväleineen ovat piidioksidi (SiO2) paino-%, alumiinioksidi (Al2O3) paino-%, kalkki (CaO) paino-%, magnesiumoksidi (MgO) 2-15 paino-% ja rautaoksidi (FeO) 4-9 paino-%. Muiden komponenttien läsnäolo johtuu lähinnä luonnonkivissä olevista epä- Muokattu (Tuula Höök) - Kaavaushiekan valmistus ja uusiokäyttö - 26