Biyokömür, Daha Dayanıklı ve Daha Düşük Karbonlu Çimento Üretimine Katkı Sağlayabilir

Araştırma, çimento harçlarının dayanımını artırırken karbon ayak izini azaltmada en etkili biyokömür özelliklerini ortaya koymaktadır.

Beton, yollardan köprülere, evlerden hastanelere ve yüksek binalara kadar her yerde karşımıza çıkmaktadır, ancak betonu bir arada tutan çimentonun üretimi önemli ölçüde iklimsel maliyet yaratmaktadır. Çimento üretimi, küresel karbondioksit emisyonlarının önemli bir bölümünden sorumludur. Bunun temel nedeni, çimento üretiminde kullanılan kireç taşının çok yüksek sıcaklıklarda ısıtılmasının gerekmesidir.

“Biochar” dergisinde yayımlanan bir çalışma, düşük oksijenli ortamda biyokütlenin ısıtılmasıyla elde edilen karbon açısından zengin bir malzeme olan biyokömürün, çimento esaslı malzemelerin karbon ayak izini azaltırken mekanik performanslarını koruyabileceğini göstermektedir. Bazı durumlarda ise dayanımı artırabileceği belirtilmektedir.

Colorado Maden Okulu ve Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarından araştırmacılar, yumuşak ağaç, sert ağaç ve tarımsal ham maddelerden üretilmiş ticari ölçekteki 16 farklı biyokömürü test etmiştir. Her biyokömür ince öğütülerek harç karışımlarında çimento kütlesinin %10’u oranında ikame malzemesi olarak kullanılmıştır. 28 günlük kür süresinin ardından, tüm biyokömürlü çimento harçları kontrol harcına kıyasla benzer veya daha yüksek basınç dayanımı göstermiştir. Biyokömür türlerinden biri, dayanımda %48’in biraz üzerinde bir artış sağlamıştır.

Makalenin sorumlu yazarı olan Colorado Madencilik Okulu’ndan Lori E. Tunstall, “Biyokömür çoğu zaman yalnızca bir karbon depolama malzemesi olarak görülmektedir, ancak sonuçlarımız, uygun biyokömürün çimento esaslı malzemelerin mühendislik performansına da katkı sağlayabileceğini göstermektedir. Önemli olan, tüm biyokömürleri aynı kabul etmek yerine hangi özelliklerin etkili olduğunu anlamaktır.” dedi.

Daha önceki araştırmalar biyokömürün, çimentonun %2–5’inden daha yüksek oranlarda ikame edilmesi durumunda dayanım kayıpları görüldüğünü rapor etmiştir. Bu durum, daha yüksek biyokömür kullanım oranlarının beton uygulamalarında benimsenmesini sınırlamıştır. Yeni çalışma ise aynı karışım tasarımı altında çok çeşitli biyokömürleri karşılaştırarak ve fiziksel-kimyasal özelliklerini ayrıntılı biçimde analiz ederek bu sorunu ele almaktadır.

Araştırmacılar daha sonra, harç dayanımındaki farklılıkları en iyi açıklayan biyokömür özelliklerini belirlemek için istatistiksel analiz ve makine öğrenmesi yöntemlerinden yararlanmıştır. Üç özellik öne çıkmıştır: Başlangıç doygunluk yüzdesi, oksijen/karbon oranı, suda çözünebilen silisyum konsantrasyonu.

Başlangıç doygunluk yüzdesi, biyokömürün su tutma kapasitesinin çimento karışımına girmeden önce ne kadarının zaten dolu olduğunu gösterir. Daha düşük başlangıç doygunluğuna sahip biyokömürler daha iyi performans göstermiştir. Bunun nedeni, bu biyokömürlerin karışım suyunu absorbe edecek daha fazla kapasiteye sahip olmaları ve kür sürecinde bu suyu kademeli olarak geri salabilmeleridir. Bu durum, biyokömürün bir iç kürleme ajanı (internal curing agent) gibi davranarak çimento matrisinde hidratasyon ürünlerinin oluşumunu desteklediği görüşünü güçlendirmektedir.

Suda çözünebilen silisyum ile dayanım arasında pozitif bir ilişki tespit edilmiştir. Çimento kimyasında silisyum, betonun dayanımından sorumlu temel bağlayıcı faz olan kalsiyum silikat hidratın (C-S-H) oluşumunu destekler. Bu nedenle daha fazla çözünür silisyum salan biyokömürlerin çevresindeki çimento matrisini güçlendirebildiği düşünülmektedir.

Buna karşılık, daha yüksek oksijen/karbon oranı, daha düşük mukavemet ile ilişkilendirilmiştir. Araştırmacılar, bu oranın yüzey fonksiyonelleştirmesini ve polaritesini yansıtabileceğini ve bunun da biyokömürün yüksek alkaliniteye sahip çimento ortamıyla etkileşimini etkileyebileceğini öne sürmektedir.

Çalışma ayrıca biyokömür hazırlama yönteminin önemine de dikkat çekmektedir. Tüm biyokömürler yaklaşık 10–15 mikrometre ortalama partikül boyutuna kadar öğütülmüştür. Bu ince tane boyutu, biyokömürün harç içerisinde daha etkin şekilde dağılmasını sağlamıştır. Araştırmacılar, biyokömür özelliklerinin kullanılan ham maddeye ve piroliz koşullarına bağlı olarak büyük değişkenlik gösterebildiğini, bu nedenle gelecekteki beton uygulamalarında biyokömür özelliklerinin raporlanması ve kontrol edilmesinin kritik olduğunu vurgulamaktadır.

Optimize edildiğinde, biyokömür-çimento malzemeleri iki yönlü bir fayda sağlayabilir: Uzun ömürlü yapı malzemelerinde kararlı karbon depolarken, gerekli çimento miktarını da azaltabilir. Kullanılan çimento miktarının azaltılması sayesinde daha düşük karbon emisyonu. Çalışmadaki karışım tasarımında, çimento kütlesinin %10’unun biyokömür ile ikame edilmesinin, biyokömür içermeyen eş değer karışıma kıyasla harcın karbon ayak izini yaklaşık %32 oranında azaltabileceği hesaplanmıştır.

Tunstall,“Bulgularımız pratik bir yol haritası sunuyor. Düşük başlangıç doygunluğuna, düşük oksijen/karbon oranına ve faydalı düzeyde çözünür silisyum içeriğine sahip biyokömürlerin seçilmesi veya üretilmesiyle, dayanımdan ödün vermeden çimento sistemlerinde daha yüksek oranlarda biyokömür kullanımına ulaşabiliriz.” diyor.

Araştırmacılar, biyokömürün yüksek mukavemetli, düşük karbonlu ve gelecekte karbon nötr beton üretimine giden yolda güçlü bir potansiyel taşıdığı sonucuna varmaktadır ancak büyük ölçekli uygulamalara geçilmeden önce, farklı biyokömür türleri ve beton sistemleri üzerinde ek doğrulama çalışmalarına ihtiyaç olduğu belirtilmektedir.

Kaynak: www.eurekalert.org/news-releases/1128884