Karbondioksit Enjeksiyonu Çimentonun Sertleşme Şeklini Yeniden Düzenliyor

Yeni bir araştırma, çimento pastasına CO₂ enjeksiyonunun tetiklediği kimyasal diziyi ortaya koyuyor ve gerçek zamanlı Raman spektroskopisi kullanarak ilk kez geçici bir ara reaksiyonu yakalıyor.

Bir Eylül günü, MIT’nin (Massachusetts Institute of Technology) Pierce Laboratuvarı’nın içinde kar yağmaya başladı.

Araştırmacılar, sıvı karbondioksit (CO₂) dolu bir tankın basıncını düşürerek anında dondurdular ve katı pullar oluşturdular. Bunlar çimento pastasına karıştırıldı ve madeni para büyüklüğünde diskler hâline getirildi; her biri suyu içeride tutmak ve havayı dışarıda bırakmak için ince bir bitkisel yağ tabakasıyla kapatıldı. Ekip, her birine lazer ışınları tutarak, CO₂ enjekte edilmiş çimento pastasının neden daha hızlı mukavemet kazandığını açıklayabilecek geçici kimyasal reaksiyonu ilk kez gözlemledi.

Beton gibi çimento ürünlerine CO₂ enjekte etmek, onu depolamanın ve atmosferden uzak tutmanın bir yoludur. Bu süreç, CO₂ enjekte edilmiş beton karışımları sunan şirketlerin sayısının artmasıyla ticari ilgi çekmiştir ancak şimdiye kadar, altta yatan çimento kimyası doğrudan görselleştirilmemişti.

Amerikan Seramik Derneği Dergisi’nde yayımlanan yeni bir açık erişimli makale, MIT Beton Sürdürülebilirlik Merkezi ve MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü’nden Doçent Admir Masic liderliğinde ve yüksek lisans öğrencisi Marcin Hajduczek’in ilk yazarlığıyla, CO₂’nin taze çimento pastasıyla karşılaşmasının ardından ortaya çıkan kimyasal diziyi açıklıyor. Ortak yazarlar arasında MIT’den Santiago El Awad ve Franz-Josef Ulm’un yanı sıra IIT Jodhpur ve CarbonCure Technologies’ten araştırmacılar da yer alıyor.

Önceki çalışmalar, teori ve dolaylı kanıtlardan yola çıkarak CO2 enjeksiyonunun kimyasal etkileri hakkında bir altyapı oluşturmuştu; temel reaksiyonlar çok hızlı gerçekleşiyor ve geleneksel tekniklerin onları yakalayamayacağı kadar tamamen ortadan kayboluyordu. Raman konfokal mikroskobu bunu başarabiliyor ve basit bir prensibe dayanıyor: Bir molekülü lazerle aydınlattığınızda, saçılan ışık onun kimliğini ortaya çıkarıyor. Işık, her malzemenin benzersiz kimyasal bağlarıyla etkileşime girerek, farklı bir spektral “parmak izi” üretmek için enerjide kayma gösteriyor. En geçici ve amorf fazlar bile okunabilir bir iz bırakıyor. Masic, “Ölü Deniz Parşömenlerinden Antik Roma betonuna kadar tarihin en ilginç malzemelerinden bazılarını daha iyi anlamak için Raman spektroskopisi kullandık. Çimento pastası buna kıyasla daha az göz alıcı görünebilir, ancak sertleşirken CO2 enjekte edilmiş çimento pastasına lazer tutmak, daha önce görülmemiş şeyleri görselleştirmemizi sağlıyor.” diyor.

24 saatlik sürekli tarama sırasında ortaya çıkan şey, üç perdelik bir kimyasal süreçti.

Birinci Perde: Kalsiyumun yakalanması

CO₂ taze çimento pastasına eklendiği anda, çalışmaya başlar. Gözenek çözeltisine karışır ve çözünen klinker tarafından salınan kalsiyum ile reaksiyona girerek çeşitli kalsiyum karbonat formları olarak çökelir. Klinker, kireç taşı ve alüminosilikat malzemelerinin bir fırında ısıtılmasıyla üretilir ve çimento yapmak için ince bir toz hâline getirilmiş ana bileşeni oluşturur. Bu, ilk saat içinde gerçekleşir ve kalsiyumun ilerlemesi gereken normal hidratasyon reaksiyonunu geçici olarak yavaşlatır.

Bunun aksine, CO₂ mevcut olmadığında, çözünen klinker tarafından salınan kalsiyum yerel olarak kullanılabilir durumda kalır ve malzemenin sertleşmesi sırasında bağlayıcı fazların kademeli oluşumunu destekler.

Kalsiyum olmadan, klinker tarafından salınan silikatlar gözenek çözeltisine karışır ve kaynaklarından uzakta çökelerek, pasta boyunca birbirine bağlı bir silika jel ağı oluşturan zincirler hâlinde birleşir. Bu amorf, geçici jel, bundan sonra olacaklar için zemin hazırlar.

İkinci Perde: Hayalet jel

Enjekte edilen CO₂ tamamen mineralize olduktan sonra -karıştırmadan yaklaşık dört ila beş saat sonra- normal hidrasyon yeniden başlar. Kalsiyum hidroksit gözenek boşluğuna çökelmeye başlar ve çökeldiğinde, onu bekleyen silika jel ağıyla karşılaşır.

İki faz arasındaki reaksiyon hemen başlar ve çimentoya bağlayıcı özelliğini veren bileşik olan kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) üretir. Bu C-S-H formunu farklı kılan şey, nerede ve nasıl oluştuğudur: Geleneksel hidratasyonda olduğu gibi klinker parçacıklarının etrafında kümelenmez, aksine silika jelin yayıldığı her yerde, tüm matris boyunca dağılır.

CO₂, macunun alkaliliğini geçici olarak bastırmıştı ve bu düşük pH, tek çözümdü.

Silika jelin bütünlüğünü korumak önemlidir. Hidrasyon yeniden kendini gösterip standart hidrasyon ürünleri olan C-S-H ve kalsiyum hidroksit ürettiğinde, ikincisi pH’ı kendi kendini güçlendiren bir döngü içinde tipik seviyelere geri yükseltir; silika jel, puzolanik reaksiyon adı verilen bir reaksiyon yoluyla kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girer. Sekiz saat içinde silika jel neredeyse tamamen yok olur – daha önce iyi dağılmış olan jel ağı, bu kritik erken dönemde hızla ilave C-S-H’ye dönüşür.

Hajduczek, “Başlangıçta, silika jelin geçici doğası Raman verilerinde bir tesadüf gibi görünüyordu ancak, ani kayboluşunun her CO₂ enjekte edilmiş numunenin tutarlı, inkâr edilemez bir özelliği olduğu hızla anlaşıldı.” diyor.

Üçüncü Perde: Yeniden düzenlenmiş bir matris

Silika jel tüketildikten sonra, pasta geleneksel hidrasyona yerleşir, ancak geride bıraktığı şey ölçülebilir derecede farklıdır. Yeni bağlayıcı, çimento matrisi boyunca daha eşit bir şekilde dağıtıldığı için, ortaya çıkan mikro yapı erken yaşta daha güçlü ve daha homojendir. Çalışmada, çimento ağırlığının %1’i oranında CO₂ ile karıştırılmış macun, referans karışımlara kıyasla 24 saatte ortalama %13 daha yüksek basınç dayanımı elde etmiştir.

Masic, “Yıllardır çimento ürünlerine CO₂ enjekte ediyorduk, ancak içeride ne yaptığını tam olarak anlamıyorduk. Şimdi bunu görebiliyor ve performans artışına yol açan altta yatan mekanizmayı anlayabiliyoruz. Bu nedenle kontrol etmeye başlayabiliriz ve daha da geliştirebileceğimiz çok alan var.” diyor.

Bulgular ayrıca, CO₂ enjekte edilmiş çimento hamurunun daha yüksek erken yaş dayanımına ilişkin önde gelen bir açıklamayı da iyileştiriyor: Daha önce C-S-H büyümesini başlattığı düşünülen kalsiyum karbonat kristalleri, C-S-H oluşturmak için reaksiyona girmek yerine, silika jel şablonuna gömülü pasif gözlemciler olarak ortaya çıkıyor.

Kimyanın bir sonraki adımı

Mekanizmayı bilmek, araştırmacılara daha spesifik bir dizi soru sunuyor. Silika jel şablonu, yeni C-S-H’nin dağılımını açıklıyor, ancak mekanik özelliklerini doğrudan ölçmek bir sonraki adım olmaya devam ediyor.

Pratik açıdan, dozaj önemlidir: Sistemi çok fazla CO₂ ile doldurursanız, jel oluşup reaksiyona girmeden önce kalsiyum karbonata kilitlenir. Eğer burada kullanılan hamur bol miktarda C-S-H oluşturuyorsa, teorik olarak çimento üretiminden kaynaklanan karbon emisyonlarının %40’ına kadarını telafi edebilir. Bu, süreçte kullanılan fosil yakıtlarla ilişkili emisyonları hariç tutar ancak pratikte, elde edilebilecek telafi muhtemelen bu değerin sadece bir kısmı olacaktır, yine de potansiyel olarak önemli olabilir.

Bu açık sorulara rağmen, hayaletimsi jel yakalandı ve artık araştırmacılar neye bakacaklarını bildiklerine göre, ilk sekiz saatte ortaya çıkan kimya artık görünmez değil.

Kaynak: https://news.mit.edu/2026/carbon-dioxide-rewires-how-cement-sets-0611