Alternatif Malzemeler Betonun Karbon Ayak İzini Azaltabilir

Çimento üretimi dünyadaki antropojenik CO₂ salınımının %8’inden sorumludur. Yeni formülasyonlar bu sayıyı yarıya kadar indirebilir.

En çok kullanılan malzemeler listesinde ilk sırada olmaması, betonun önemsiz olduğu anlamına gelmez. Dünyada kullanım miktarı bakımından sudan sonra gelen bu yaygın malzemenin imalat miktarı oldukça büyük. Endüstri raporlarına göre, yaklaşık 30 milyar ton beton her yıl köprü, yol, otoban, gökdelen, kanalizasyon sistemleri ve daha birçok yapının inşasında kullanılıyor.

Yıllar boyu milyarlarca ton miktarında imalatı yapılan çimento, betonu bağlayan bir bağlayıcı görevi üstlenmenin yanı sıra modern dünyanın büyük bir kısmını bir arada tutuyor: Köprüler, barajlar, gökdelenler, gözden uzak altyapı ancak, dünya genelinde imal edilen ve hayati önem taşıyan bu malzeme, atmosfere küresel antropojenik CO2  emisyonlarının %8 kadarını yayıyor. Sonuç olarak, araştırmacılar bu sera gazı emisyonlarını dizginleyecek alternatif çimento formülasyonları ve prosedürleri bulmak istiyor. Bazıları ticarileştirilmeye başlayan bu girişimlerin arasında, başka sanayilerin atık ürünlerini kullanmak ve imalat sırasında COsalınımına sebep olacak tepkimelere maruz bırakılmayacak, standart olmayan çimento bileşenleri kullanmak bulunuyor.

Şüphesiz ki bu yapay taş malzeme modern dünyanın çoğununun ağırlığını kaldırıyor. Aynı zamanda dünyadaki sera gazı emisyonlarının birçoğundan da sorumlu. Çimento imalatı yüksek ısı üreten bir süreçtir. Çok önemli olan ve betonun bileşenlerini bağlayan bu yapıştırıcı, dünyadaki antropojenik karbondioksit emisyonlarının aşağı yukarı %8’inden sorumlu. Bunun yanı sıra, Uluslararası Enerji Ajansına göre küresel enerji ikmalinin %2 veya 3’ünü de tüketiyor.

Georgia Teknoloji Enstitüsünde çalışan, inşaat mühendisi ve beton uzmanı Kimberly E. Kurtis “Beton çok işe yarar bir malzeme ve bu yüzden çok fazla kullanıyoruz. Her zamankinden daha fazla beton kullanmakla kalmıyor, her zamankinden daha fazla kişi başı beton kullanıyoruz.” diyor ve geçtiğimiz 40 yılda kişi başı tüketimin neredeyse üçe katlandığının da altını çiziyor.

Bu akımın azaldığı da yok. Asya ve Afrika’daki ülkeler yeni inşaat projeleri ortaya çıktıkça ve Avrupa ile Amerika kıtalarındaki ülkeler eskiyen altyapıyı yeniledikçe, beton talebi gittikçe yükselmeye devam ediyor. Bu artan kullanım daha ciddi çevresel etkilere sebep olabilir, tabii eğer imalatçılar hayati önem taşıyan bu malzemenin üretiminde değişiklikler yapmaya başlamazsa.

Değişikler yapılmaya şimdiden başlandı. Mesela Dünya Çimento Birliği CEO’su Ian Riley, çimento imalatçılarının çimento yapımında kullanılan malzemelerin yakılarak işlenmesini sağlayan devasa fırınların enerji verimliliklerini, mühendislikte yapılan yeni gelişmeleri kullanarak arttırdığını söyledi. Enerji verimliliğini artırmak yakıt kullanımını, böylece CO2 emisyonlarını azaltır. Bu emisyonları yakalamak da işe yarar tabii ki. Bazı çimento imalatçıları net CO2 emisyonlarını, katı emici maddeler kullanarak veya katılaşıp sertleşmeden önce direkt betonun içindeki gazları ayırarak karbon yakalama teknolojisi aracılığıyla azaltıyor.

Her zamankinden daha fazla beton kullanmakla kalmıyor, her zamankinden daha fazla kişi başına beton kullanıyoruz.

Kimberly E. Kurtis,  İnşaat Mühendisi ve Beton Uzmanı, Georgia Teknoloji Enstütüsü

Betonun CO2 sorununa karşı alınabilecek başka bir önlem ise geleneksel imalat yöntemlerinde kullanılan çimentolar yerine, çimentoları daha az CO2 emisyonu üreten benzer malzemeler ile yeniden formüle etmek ve onları kullanmak. Bir başka seçenek ise imalatçıların daha az CO2 üreten bileşenler kullanmasını sağlayacak malzemeler bulmak.

Çimentoyu yeniden formüle etme isteği yeni ortaya çıkmadı. Ancak iklim değişikliğinin oluşturduğu tehdidin gün geçtikçe artmasıyla, konu üzerindeki ilgi arttı. Kolayca bulunup bulunamadıklarını, ucuz olup olmadıklarını, standart ekipmanlar ve uygulamalarla uyumlu olup olmadıklarını, dayanıklı ve sert ürünler ortaya çıkarıp çıkaramayacağını belirleyebilmek için sanayideki ve akademik çevredeki bilim insanları bu alternatif malzemeleri baştan aşağı değerlendiriyor.

ÇİMENTO VE BETON NEDİR?

RAKAMLARA GÖRE ÇİMENTO VE BETON

~8%:

Çimento imalatı sebebiyle etrafa yayılan küresel antropojenik CO2.

~30 milyar  ton:

Dünyada üretilen yıllık beton miktarı

1,450 °C:

Çimento işlemek için kullanılan fırınların ısısı

25–50%:

2050 yılında kürsesel beton talebindeki tahmini artış

Kaynak: Uluslararası Enerji Ajansı; Nat. Mater. 2017, DOI: 10.1038/nmat4930.

Günümüz çimento şirketlerinin yaptığı standart ürün, portland çimentosu olarak geçiyor. Yapılmasında kullanılan prosedür 200 yıl kadar önce İngiltere’de geliştirildi, o zamandan beri çok bir değişime uğramadı. Sertleşmiş malzemenin ismi, İngiltere’nin Portland Adası’nın taş ocaklarından çıkarılan kayalara olan benzerliğinden geliyor.

Bu yöntem, hem yaygın hem de ucuz malzemeler olan toz kalker ve kili 1.450 °C bir fırında ısıtmakla başlıyor. Kalsinasyon olarak bilinen bu süreç, kalkerin asıl bileşeni kalsiyum karbonatı (CaCO3) kalsiyum oksite (CaO) yani kalkere çevirir. Bu sayede CO2 salınmış olur.

Ohio Eyalet Üniversitesinde çalışan Beton Uzmanı ve İnşaat Mühendisi Lisa E. Burris’in dediğine göre çimento yapımının en önemli unsuru olan bu basit tepkime hem çimento imalatında üretilen CO2  emisyonlarının neredeyse yarısının kaynağı hem de emisyonları azaltmayı zorlaştıran sebeplerin en büyüğü. Kalan emisyonların büyük bir çoğunluğunun sebebi ise başta kömür olmak üzere fırınları ısıtmak için yakılan fosil yakıtlar.

Çimento imal etmek için imalatçılar, kalsinasyon sürecinden çıkan klinker adlı ürünü öğütürler, sonra da topaklanmayı engellemek ve sertleşme hızını  kontrol etmek için kalsiyum sülfat minerali olan alçıyla karıştırırlar. Bu süreç genel olarak imal edilen her ton çimento başına 800 kg’den fazla COüretiyor.

Beton yapmak için, tedarikçiler çimento tozunu kum, çakıl ve suyla karıştırıyor. Böylece karmaşık bir kimyasal tepkime dizisini tetikliyorlar. Bu tepkimeler de hamurumsu kütleyi inşaatta çok kullanılan kaya gibi sert hâline getiriyor. Önemli tepkimelerden biri trikalsiyum silikatın çimento içindeyken hidratasyona uğraması. Bu ısıveren süreç, kalsiyum ve hidroksit iyonları üretip kalsiyum silikat hidratı oluşturur. Bu aşama, sentetik kayayı güçlendirir.  Dikalsiyum silikat kullanılarak elde edilen benzer bir tepkime ise betonu güçlendirir.

ÇİMENTO 101

Öğütülmüş kalker ile kili döner fırında yüksek ısı eşliğinde karıştırmak CO2  salar ve klinker üretir. Klinker de çimento elde etmek için alçıyla karıştırılır. Farklı girdi malzemelerCO2 emisyonlarını azaltabilir.

Kaynak: Yang H. Ku/C&EN/Shutterstock

ATIK FIRSATLARI

Çimento yapımında üretilen emisyonları azaltmanın bir yolu kalkerleri CO2 üretmeyen çimentoya benzer malzemeler ile karıştırıp kalker kullanımını azaltmaktır. En iyi örnek kömür yakmanın bir yan ürünü olarak ortaya çıkan uçucu küldür. Bu malzeme genellikle yüksek oranda silis, aluminat ve demir oksit içerir. Pahalı bir malzeme olduğu da doğrudur. Su ile karıştırıldığında çimento benzeri özelliklere sahip bileşenler ortaya çıkarır.

Mikroskobik çimento partiküllerinin X-ray tomografi görüntülemesi, çimentoyu serleştiren hidratasyon süreci sırasında daha büyük olan partiküllerin genişlemeye meyilli olduğunu gösteriyor. Daha küçük partiküller ise sabit bir şekilde çözülmeye başlıyor. Yeşil, çözülmüş mineralleri ve düşük kütleli bölgeleri gösteriyor. Koyu gri ise katıları gösteriyor.
Kaynak: Constr. Build. Mater.

Burris’e göre yıllar boyu yapılmış olan araştırmalar, hem uçucu külün betondaki karbon ayak izini düşürüeceğini gösteriyor hem de dayanımını ve işlenebilirliğini, yani yerleşme akıcılığını arttırdığını gösteriyor. Mesela hızlı sertleşme gerektirmeyen bazı uygulamalarda portland çimentosu %40 veya 50 oranına ulaşabilecek kadar uçucu kül ile karıştırılabilir. Bunun sonucunda hem emisyon üretimi aşağı yukarı aynı miktarda azaltılır hem de maliyet düşer.

Kurtis’e göre uçucu kül sadece imalat sırasında, fayda sağlamakla kalmıyor. Aynı zamanda betonu daha dayanıklı yaparak fayda sağlıyor. Malzemenin ömrünü uzatmak, yapıları onarmak ya da yeniden yapmak için kullanılan enerjiyi ve üretilen emisyonları azaltıyor.

Gerçekte etrafta çok fazla atık kül mevcut. On yıllardır kömür ile beslenen elektrik santrallerinin sonucu bu malzeme ile dolu devasa göletler oluştu, Burris’e göre bu seviyede kullanılmaya devam edilirse uçucu kül, sanayiyi 130 yıl daha ikmal edebilir durumda. Dahası ise kömür santralleri etrafında yaşayan insanlar bu atığın uzaklaşmasını istiyor çünkü ciddi oranda çevre kirliliğine sebep olmakta ancak birkaç sebepten ötürü çimentoya eklenmek için kullanılan uçucu kül temininde sıkıntı mevcut. Kömür ile beslenen elektrik santrallerinin sayısı, doğal gaz kullanan santrallere göre gittikçe azalmaya başladı, bu yüzden üretilen uçucu kül miktarı da azalmaya başladı. Uçucu külün kimyasal yapısı kömürün cinsine göre ve yanma sürecinin detaylarına göre değiştiği için kömür santrallerinden çıkan atık malzemelerin hepsi çimento sanayisinin gereksinimlerini ya da Uluslararası ASTM gibi kuruluşların belirlediği standartları karşılamıyor. Mesela yüksek oranda karbon içeren (%10 üstünde) uçucu kül, hapsolmuş hava cepleri yüzünden zayıf ve boşluklu betonlara sebep olabilir.

Uzun vadeli saklama göletlerinden toplanan malzemeleri kullanmak da çok basit değil. Küller başka kömür yanması sonucu oluşan yan ürünlerle karışmış olabilir veya on yıllar süren depolanma sürecinde kimyasal değişimlere uğramış olabilir. Bu da çimento hidratasyonunu etkileyebilir. Kurtis, “Uçucu külü betonla kullanmada çok büyük bir fırsat var ama ilk önce en iyi şekilde nasıl kullanacağımızı anlamamız gerek.” diyor.

Burris, Kurtis ve başka araştırmacılar hem uçucu külün sahip olması gereken kimyasal ve fiziksel özellikleri hem de istenilen performansı elde etmek için portland çimentosuyla ne kadar karıştırılabileceğini sistematik bir şekilde değerlendiriyorlar. Malzeme zaten betonlarda kullanılıyor ama bu araştırmacılar kullanımını genişletmeyi hedefliyor. Sanayi, bu atık  malzemeleri kullanmakta hemfikir olsun ve bu malzemenin ortaya çıkardığı beton ürünleri yıllarca iyi performans sağlasın diye uçucu kül standartlarını güncellemekle uğraşıyor.

Çimento imalatçıları aynı zamanda çelik yapımı sırasında eritilen demir cevherlerinin kalsiyum alüminosilikat yan ürünü olan yüksek fırın cürufunu da kullanıyor. Uçucu külde olduğu gibi, toz hâlindeki cüruf ile suyu karıştırmak COüretmeyen ve çimentoya benzer ürünlerin ortaya çıkmasını sağlayan kimyasal tepkimelere sebep oluyor. Yani cürufla portland çimentosunu karıştırmak çimentodaki CO2 salan bileşenlerin oluşmasını önlüyor. Böylece sera gazı emisyonları azalmış oluyor.

Bazı imalatçılar cüruf ve uçucu kül barındıran ticari beton ürünlerini satıyor. Portland çimentosunu bu atık ürünler ile ikame ederek geleneksel çimentoya göre %30-%60 oranında CO2 azaltımı sağlayabiliyor ancak İsveç Malzeme Bilimi ve Teknolojileri Federal Laboratuvarında (EMPA) çimento kimyası ekip liderliği yapan Frank Winnefeld’a göre bu yan ürünlerden sanayinin devasa taleplerini karşılayacak kadar yok. Bu yüzden Winnefeld ve ekibi başka seçenekleri araştırıyor.

EMPA ekibi, elektronik atık kaynağına sebep olup, büyümeye devam edeceği kesin olan, metalurjik süreçler kullanarak cep telefonlarını geri dönüştüren Avrupa’lı bir şirketle iş birliğine girdi. Winnefield’ın dediğine göre değerli metaller çıkarıldığı zaman kalıntı, kalsiyum, silikon, alüminyum ve demir içerip CO2 üretmeyen bir çimento bağlayıcısı görevi görüyor. Ekip çimento formüllerinde bu malzemenin en iyi nasıl kullanılacağını araştırıyor.

ALTERNATİF YEŞİL ÇİMENTOLAR

Biliminsanları, betondaki karbon ayak izini düşürmek için geleneksel portland modelinin yanı sıra birçok çimento modeli araştırdı. Isıtılmış kil baz alan bir örnek de dâhil olmak üzere bu alternatif çimentolardan bazıları ciddi dikkat çekti.

Lozan’daki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsünde (EPFL) araştırmacı bir ekibin liderliğini yapan Karen Srivener’in açıklamasına göre killer, sıradan çimentoyu ısıtmak için gereken 1.450 °C dereceden çok daha düşük olan 800 °C  derecede ısıtılınca veya kalsine edilince aktif çimento benzeri malzemelere dönüşür. Killeri kalsine etmek daha az CO2 üreten yakıt kullanmakla kalmıyor, aynı zamanda geleneksel çimento hazırlama sürecinde çok büyük bir gaz kaynağı olan kalker ayrıştırmayı da kullanmıyor. Scrivener’ın dediğine göre kil bazlı çimento az da olsa ısıtılmamış kalker içeriyor.

Nükleer manyetik rezonans çalışmaları ve hesaplamaları sayesinde araştırmacılar çimento ve betonu güçlendirmek için kullanılan en önemli hidratasyon ürünlerinden biri olan kalsiyum aluminat silikat hidrattaki aliminyum ve kalsiyumun nasıl bağlandığını belirledi (Al = gri; Ca = turkuaz; Si = mavi dört yüzlü piramit; O = kırmızı; H = beyaz). Kaynak: J. Am. Chem. Soc.

Kalker kalsineli kil çimento ürünü, diğer adıyla LC3, portland çimentosuyla karıştırılır ve Scrivener’in dediğine göre geleneksel malzeme ile aşağı yukarı aynı özelliklere sahiptir. Ancak LC3’ün karbon ayak izi geleneksel çimentodan %40 oranında daha küçük. Aynı zamanda LC3’ü tercih edenlerden olan Kurtis, LC3’ün saf olmayan  kil kullanılarak da imalatının yapılabileceğini söyledi. Böylece hem pratik hem de ekonomik olacak.

LC3 başarılı olmaya başladı. Scrivener Hindistan ve Küba’da tam ölçekli deneyler yaptıklarını söyledi. Kolombiya’da bir LC3 ürününün ticarileştirildiğini ve Fildişi Sahili’nde büyük çaplı bir kalsine santrali açılacağını da ekledi.

Karmaşık çimento türlerinin arasında kalsiyum sülfoaluminat (KSA), çevre dostu olmasından dolayı ciddi dikkat çekiyor. KSA standart çimento hazırlanmasıyla karşılaştırıldığında işlenirken neredeyse yarısından daha (bazen %20’den bile daha az) az CO2 üretiyor çünkü işlenmemiş malzeme karışımındaki kalker miktarı daha az ve işleme ısısı 200 °C  derece daha soğuk.

Winnefeld’in dediğine göre KSA çimentoları ticari olarak sayılı uygulamalarda kullanılıyor, standart portland modelinden daha hızlı sertleşiyor ve daha pahalı oluyor. Hızlı sertleşen doğası KSA çimentolarını tamir işleri için ideal fakat inşaat için kullanışsız yapıyor.

Beton olmazsa olmaz ancak ürettiği ciddi miktardaki emisyonlar olmadan da üretilebilir.

Karen Scrivener, Araştırma Ekibi Lideri, İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü, Lozan (EPFL)

Bu malzemeler Zürih Havaalanında, hava trafiğinde geçici bir sakinleşme olduğu zaman tek gece süren uçak pisti tamirlerinde kullanılmakta. Burris ise Illinois otobanında sabah trafiğinde açılan ama akşam trafiğine kadar KSA çimentosuyla kapatılan obruku anlatıyor. Burris’e göre “Portland çimentosuyla yapmak imkânsız olurdu” çünkü sertleşmesi için en az birkaç gün gerekiyor. Araştırmacılar KSA’nın hidratasyon kinetiklerini yavaşlatıp, çevre dostu çimentonun daha geniş çapta kullanılması için araştırmalar yapıyor.

Gündemde olan ve az CO2 üreten bir başka çimento kategorisi ise jeopolimerler.  Zampini’nin dediğine göre klinkersiz olan ve bağlayıcı rolü gören bu jeopolimer beton, alkali aktif alumina siklat matrisine sahip. Bu malzeme geleneksel çimentoya göre CO2 emisyonlarını %70 oranında düşürüyor ve yüksek ısı ile işlemeye ihtiyaç duymuyor.

MOLEKÜLER DÜZEYDE ÇİMENTO

Araştırmacıların çimento formülasyonlarını daha çevre dostu hâle getirmek için çimentonun moleküler düzeyde nasıl işlediğini daha iyi anlamaları gerekiyor. İş çimento kimyasına gelince Zampini “Roket bilimi değil sonuçta, kaya bilimi” demekten hoşlanıyor.

Bu dediği temel öğelerin basit ve köklü olduğunu düşündürtebilse de, gerçek öyle değil. Araştırmacılar on yıllar boyu çimento ve betonu güçlendiren merkezi hidratasyon tepkimesiyle uğraştıkları hâlde birçok detay hala bilinmiyor. Yakın zamanda yapılan iki çalışma biliminsanlarının bu kayıp detayları ortaya çıkarmak için güçlü analitik yöntemler kullandığını gösteriyor.

Bir çalışmada, Oklahoma Eyalet Üniversitesinden Masoud Moadian ile Princeton Üniversitesinden ve Argonne Ulusal Laboratuvarından çalışma arkadaşları, portland çimentosundan alınan bir örnekte 60.000 partikülün hidratasyonun ilk 16 saati boyunca nano boyutta yaşadığı evrimi inceleyebilmek için X ışını tomografisi çekti. Analizler büyük partiküllerin örnekteki ağır mineralleri toplayarak iyice büyüdüğünü, küçük partiküllerin ise sabit bir şekilde eridiğini gösterdi. Moradian’ın dediğine göre bu süreci daha iyi anlamak beton dayanıklılığı alanında gelişmeler kat edilmesini sağlayabilir.

Diğer çalışmada ise EPFL biliminsanları Scrivener, Aslam Kunhi Mohamed ve Lyndon Emsley’nin de dahil olduğu araştırma ekibi, kalsiyum aluminat silikatın, az CO2 üreten çimentolarda görülen hidratasyon fazındaki atom düzeyinin yapısını anlamak için hesaplama yöntemleri ve nükleer manyetik rezonans spektroskopisini birlikte kullandı.

Scrivener’in dediğine göre dayanımın ve diğer çeşitli çimento özelliklerinin gelişmesi bu faza bağlı. “Uzun zaman boyunca yapısı gizem altındaydı. Çimentonun nasıl geliştiğini anlarsak çevreyi nasıl daha az kirletmesini sağlayacağımızı da anlamış oluruz.”

Her yıl milyarlarca ton beton üretiliyor ve modern dünyanın vazgeçilmez malzemesi. Kurtis, “Çok ilginç bir malzeme, toplum için de hayati önem taşıyor. Ancak ürettiği sera gazı emisyonlarının dizginlenmesi lazım.” diyor. Scrivener ise “Beton olmazsa olmaz ancak ürettiği ciddi miktardaki emisyonlar olmadan da üretilebilir.” diyor.

Kaynak: https://cen.acs.org/materials/inorganic-chemistry/Alternative-materials-shrink-concretes-giant/98/i45

 20 okuma

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

İlginizi Çekebilir
Dalgalı ahşap dış cephesi ve beton zemini ile Ashen Kabin…
Cresta Posts Box by CP