Daha Sürdürülebilir Beton İçin Kök Sebzeleri ve Uçucu Kül Kullanımı
Beton; köprüler, kuleler ve barajlar gibi sayısız yapı için tercih edilen temel yapı malzemesi hâline geldi ancak aynı zamanda, ana bileşenlerinden biri olan çimento üretiminden kaynaklanan karbon emisyonları nedeniyle büyük bir çevresel ayak izine sahiptir. Araştırmacılar, betonu daha güçlü ve daha sürdürülebilir hâle getirip getiremeyeceğini ve hatta sokak lambalarına veya hava kirliliği sensörlerine güç sağlayıp sağlayamayacağını görmek için kök sebzeler ve betonda geri dönüştürülmüş plastikle deneyler yapıyor.
Beton, sudan sonra dünyada en çok kullanılan malzemedir. Betonun önemli bir bileşeni olan çimento üretimi, küresel karbondioksit (CO2) emisyonlarının yaklaşık %8’inden sorumludur. Üretim süreci, fosil yakıtların tipik olarak enerji kaynağı olarak kullanıldığı, yaklaşık 1.400°C’ye kadar ısıtılan fırınlarda çok sayıda mineral, kabuk, şist ve diğer bileşenlerin yakılmasını ve böylece CO2 emisyonu üretilmesini içerir.
Ek olarak, çimentonun ara ürünü olan küçük, katı topaklar olan klinker üretimi, enerji kullanımı yoğun olan yüksek sıcaklıkta meydana gelen bir kimyasal reaksiyonun sonucudur.
İspanya, Barselona’daki Katalonya Politeknik Üniversitesinde araştırmacı olan Dr. Nikola Tošić, çimento endüstrisini karbondan arındırma ve fosil yakıt kullanımından kaynaklanan ayak izini azaltma konuları üzerinde çalıştığını belirtirken tamamen farklı bir çimento türü bulunmadıkça kimyasal reaksiyonlardan kaynaklanan karbon emisyonlarının kaçınılmaz olduğunun altını çizdi.
Çimento, su ile karıştırıldığında, kum ve kırma taş gibi agregaları birbirine bağlayarak betonun sertleşmesini sağlayan ve ona mukavemet kazandıran bir forma dönüşür.
Çimentoyu güçlendirerek ihtiyaç duyulan miktarı azaltma suretiyle çevresel etkisini azaltmak, bir strateji olarak kullanılmaktadır. Lancaster Üniversitesinden Profesör Mohamed Saafi ve meslektaşları, B-SMART projesinin bir parçası olarak bu hedefe ulaşmayı istiyor.
Çimentonun kum ve kırma taşı bir arada tutabilmesi için suyla karıştırılması gerekir. Fakat işlem sırasında bütün çimento parçacıkları hidrate olmaz. Bu nedenle çoğu çimento parçacığının işlevsiz kaldığını ve israfa yol açtığını belirten Prof. Saafi, daha güçlü bir hidratasyon mekanizmasının mukavemeti önemli ölçüde artıracağının ve daha az çimento kullanımı ihtiyacını doğuracağının altını çizdi.
Kök Sebzeler
Prof. Saafi ve ekibi yardım için kök sebzelere yöneldi. Bebek maması yapmak için işlenen havuçlardan gelen atık maddelerin veya pancar şekeri ekstraksiyonundan kalan artıkların çimentoya takviye edilip edilemeyeceğini araştırdılar. Bilgisayar simülasyonlarını kullanarak, bu sebzelerden yapılan ve çimento hamuruna atılan süper ince tabakaların çimento ile nasıl etkileşime gireceğini gözlemleyip, bunların hem çimentonun hidratasyonu hem de sonuçta ortaya çıkan mekanik özellikleri üzerindeki etkilerine baktılar. Ardından, simülasyonlarından elde edilen sonuçları denemek ve doğrulamak için laboratuvarda deneyler yaptılar.
Araştırmacılar deneyleri sonucunda, bitkisel atıklardan yapılan katmanların dâhil edilmesinin çimento hidratasyonunu iyileştirebildiği olgusuna ulaştı. Bu katmanlar, suyun daha fazla çimento parçacığına ulaşmasına izin veren ve böylece bağlayıcı kabiliyetini artıran su haznesi görevi gördü. Prof. Saafi, hidratasyon sonucunda havuç nano-tabakaların bir kısmının çimento yapısını oldukça güçlendirdiğini gözlemlediklerini söyledi.
Çimentoya kök sebzelerin eklenmesinin ek faydaları olduğu da bulundu. Örneğin bir havuca baskı uygulamak, küçük bir LED ışığına veya elektronik cihazlara güç sağlayabilecek elektrik gücü üretebiliyor. Araştırmacılar, havuç nano-tabakaları çimentoya eklendiğinde, elektrik üreten beton yapabileceklerini keşfettiler. Bu teknoloji bir köprü inşa etmek için kullanılırsa, teorik olarak arabalar üzerinden geçerken veya yayaların neden olduğu titreşimler sayesinde elektrik üretilebilir. Prof. Saafi, “Betondaki bu elektriği LED’lere veya sokak lambalarına güç vermek için kullanabiliriz. Ayrıca hava kirliliğini izlemek için sensörlere güç de sağlayabilir.” dedi.
Beton tarafından üretilen elektrik, bir yapının sağlığı hakkında fikir de verebilir. Örneğin, çatlaklar varsa, üretilen voltaj değişecektir. Bu nedenle, bir binada veya köprüde elektrik çıkışını izleyen bir izleme cihazının dâhil edilmesi, bir şeylerin hangi durumlarda hatalı olduğunu ve kontrol gereksinimini belirlemeye yardımcı olabilir, böylece felaketle sonuçlanan yıkımlar önlenebilir.
Ekip, havuç çimentosu ile laboratuvarda gözlemlenenlerle aynı özelliklere sahip yapılar inşa edip edemediklerini görmek için saha testleri yürütüyor. Ayrıca, yeni nesil bu teknolojiyi kullanırken maliyetleri düşürmeyi de hedefliyorlar.
Her şey yolunda giderse, bitkisel çimentoların bir yapı inşa etmek için gereken çimento miktarını metreküp beton başına 10 kg azaltabileceği düşünülüyor. Prof. Saafi, “Umarım gelecekte bunu biraz daha iyi optimize edebilir ve gerekli çimento miktarını daha da azaltabiliriz.” dedi.
Uçucu küller
Daha sürdürülebilir beton yapmak için diğer atık malzeme türleri de test ediliyor. Uçucu kül (kömür yakıldıktan sonra kalan ince, toz malzeme) ve yüksek fırın cürufu (çelik üretiminden granüle artıklar) gibi endüstriyel yan ürünler kısmen de olsa çimentonun yerini alabilir.
GREEN-FRC adlı bir projenin parçası olarak bu yaklaşımı araştıran Dr Tošić, “Çimento miktarını %30 ila %50 oranında azaltabilir ve bunun yerine endüstriyel yan ürünleri ekleyebiliriz.” dedi.
Ekip, yapılarla beraber kaldırım gibi kentsel elemanlarda da kullanılmak üzere fiber takviyeli beton üretmeye odaklanıyor. Sürdürülebilirlik açısından optimal olanları ve mekanik özelliklerden ödün vermeyenleri bulmak adına farklı beton karışımları ile deneyler yürütmeyi planlıyor.
Daha yeşil betonların özelliklerini, bileşimlerine dayalı olarak tahmin etmek için ilk olarak matematiksel modeller kullanılacak ve ardından laboratuvar deneylerinin yapılması planlanıyor. Dr Tošić, ortaya çıkacak maddenin tipik, geleneksel betondan farklı davranmasını beklediklerini söyledi.
Plastiğin betona dâhil edilmesi de seçenekler arasında bulunuyor. Geri dönüştürülmüş plastik lifler betonarme yapılarda çelik gibi sürdürülebilir olmayan malzemelere duyulan ihtiyacı azaltabilir. 2020’de başlayan proje kapsamında ekip, betona farklı miktarlarda ve türde polipropilen plastik lifler katıyor ve uzun vadede ne kadar etkili olduğunu test ediyor. Beton, sabit bir yük etkisinde kaldığında zaman içinde sürekli olarak deforme olur, bu nedenle bileşenleri değiştiğinde nasıl davrandığını görmek oldukça önemlidir. Dr Tošić, bunu öngörebilmenin öneminin altını çizdi.
Yakında ekip, betonda çimento ikamesi olarak belirli killerin nasıl kullanılabileceğini de araştırmayı hedefliyor. Çimento, üretimi için gerekli olan ve doğal kaynaklardan elde edilen kil ve mineraller nedeniyle ek bir çevresel ayak izine sahiptir. Bunların yerine hâlihazırda kullanılan doğal malzemelerden ve endüstiyel yan ürünlerden çok daha fazla miktarlarda bulunan kireç taşı kalsiyum kili kullanmak daha sürdürülebilir bir seçenek olabilir.
Dr. Tošić, daha yeşil betonların başlangıçta kaldırımlarda, tüneller için kaplamalarda ve bina gibi yapılara nazaran daha az donatı gerektiren bina cephelerindeki panellerde kullanılacağını düşünüyor. Bazı şirketler, deneyleri için ücretsiz malzeme sağlayarak projeye şimdiden ilgilerini belirtmeye başladı. Dr. Tošić, “İnşaat şirketlerinin geçen yıl düşünce açısından değişiklik geçirdiğini fark ediyoruz.” dedi. Gelecekte piyasa kaybı yaşamamak adına sürdürülebilirliğin öneminin anlaşıldığını belirtti.
