Daha Yeşil Bir Betona Giden Yol: Çimentoda Kil Kullanımı

Isıtılmış kilden yapılan çimento, inşaatı daha çevre dostu yapma yolları arasında öne çıkıyor.

Kolombiya, Rioclaro’da bulunan Argos fabrikası, yılda 2,3 milyon tona kadar çimento üretebiliyor. Bu Argos’u Kolombiya’nın en büyük çimento üreticisi yaparken, aynı zamanda önemli bir karbondioksit emisyon kaynağı olmasına yol açtı.

Argos’un CEO’su, akademisyen Karen Scrivener ile tanıştığında Rioclaro’da hâlihazırda 20 yılı aşkın süredir durmaksızın çimento ve tabii ki CO₂ üretiliyordu. Scrivener, karbon ayak izini düşürmek adına çimento karışımına kil eklemeyi önerdi. Buna LC3 veya “kireç taşlı- kalsine edilmiş kil çimentosu” adını verdi.

Dört yıllık geliştirme sürecinin ardından, Rioclaro’daki yenilenen tesis bu yıl faaliyete geçti. Tesis, yaklaşık 15 km uzaklıktan çıkarılan kili yeni inşa edilmiş bir fırında işliyor. Argos, teknolojinin enerji tüketimini %30 azalttığını ve karbon üretimini neredeyse yarı yarıya indirdiğini söylüyor. Gelişmeler hakkında şirketin Kolombiya Direktörü Tomás Restrepo, “Daha az CO₂, daha az kömür veya yakıt anlamına gelir, bu nedenle daha kârlı. Çevresel değişim, ekonomik bir teşvik de mevcut olduğunda en iyi şekilde gerçekleşir.” dedi.

Çimento endüstrisini daha yeşil hâle getirmenin önemini azımsayamayız. İnsanlar, gıda kadar çimento tüketiyor -yılda 4 milyar ton- ve bu üretim, küresel karbon emisyonunun yaklaşık %7’sinden sorumlu. Bu çapta bir proje, çimento fabrikalarının karbon çıktısının azaltılmasından binaların yapısal ihtiyaçlarını daha gerçekçi bir şekilde ele almak için yönetmelikleri revize etmeye kadar sayısız küçük adımla mümkün olacaktır. Bazı tahminlere göre, küresel çimento tüketimi, kullanım amacına  göre doğru çimento seçimi yapılarak ve kullanılan beton miktarına dikkat edilerek kolayca yarıya indirilebilir.

İsviçre, Lozan’da Ecole Polytechnique Fédérale’de profesör olan Scrivener, betonun maliyetinin çok ucuz olmasından dolayı insanların daha çok kullanabildiklerini söyleyerek “Çimento üretiminde, betona koyduğumuz çimentoda ve binadaki beton oranında azalmaya gitmemiz mümkün.” dedi.

Elbette bazı alternatifler mevcut: Norveç’te 280 metrelik bir ahşap kule inşa edildi. Araştırmacılar daha çevre dostu yapı malzemeleri geliştirmek için bambu, geri dönüştürülmüş inşaat atıkları ve hatta mantarlarla bile deneyler yapıyorlar ancak özellikle Çin, Hindistan ve Nijerya gibi büyümenin büyük bir kısmının önümüzdeki yıllarda gerçekleşeceği yerleri düşününce, yapılacak olan konut, hastane ve otoyol gibi yapılarda kullanılmak üzere çimentonun yerine geçecek bir malzeme bulmak çok gerçekçi değil. Sheffield Üniversitesinde malzeme bilimi profesörü olarak görev yapan John Provis, “Çimento kullanılmayacağını söylemekle, “ulaşıma devam edebilirsiniz, fakat tekerleksiz olarak”, demenin arasında bir fark yok. Çimento yapımını daha etkili hâle getirmeliyiz.” şeklinde belirtti.

Çimento, pulverize kireç taşının başka bileşenlerle karıştırılması ve 1.450 santigrat derecede yakılmasıyla elde edilir. Sonuç, mangalda kullanılan kömür briketlerine benzeyen, klinker adı verilen küçük taşlardır. Klinker toz hâline getirilir ve çimento üretmek için başka birkaç mineralle birleştirilir.

İngiliz duvar ustası Joseph Aspdin’in 1824’te Portland çimentosu patentini almasından bu yana çok az değişen bu süreç, CO₂ çıkışı açısından çifte sorun anlamına geliyor. Hem fırınları ateşlemek için kullanılan yakıt hem de milyonlarca yıl önce deniz mercanlarından ve kabuklu deniz hayvanlarından oluşan kireç taşının kendisi, yakıldığında karbondioksit salmaktadır. Üretilen her bir ton çimento için atmosfere 600-800 kilo CO₂ salınıyor.

Beton ise, basitçe çimentonun kum ve taşlar ile birleştirilmesi ve ardından kimyasal reaksiyonu başlatacak kadar su eklenmesi ile  elde edilir. Aspdin, zamanında İngiltere’de popüler olan Portland taşına benzettiği için ortaya çıkan ürüne bu ismi verdi. Aspdin’in bulduğu karışım inşaatçıların kullandıkları büyük kaya parçalarının yerini aldı. Böylelikle hemen her yerde kullanılabilen ve her şekle girebilen beton, kaldırımlardan otoyollara, köprülere, bina temellerine, duvarlara ve tavanlara kadar, sanayileşmiş dünyadaki hemen yer yapının yapı taşlarından biri oldu.

LC3 endüstrinin karbon ayak izini iki şekilde azaltabilir: Yalnızca 800 santigrat derecede ısıtıldığından nispeten az yakıt gerektiren kil aynı zamanda oldukça az karbon içerir, böylelikle yakıldığında neredeyse hiç salım yapmaz. Lausanne ofisinden konuşan Scrivener, kireç taşının birincil karbon emisyonu kaynağı olduğuna dikkat çekerek “LC3 fazla kireç taşı kullanımı gerektirmiyor. Isı tabii ki de hâlâ gerekli, fakat Portland çimentosuna göre miktarı oldukça düşük.” dedi.

Scrivener, karbon vergilerinin ve ticaret planlarının getirilmesinin bu gibi alternatiflerin benimsenmesini artıracağını söylüyor. Avrupa’da çelik ve çimento fabrikaları gibi sanayi sitelerinin belirli miktarda karbon salmasına izin veriliyor. Emisyon oranlarının sınırın altında olduğu durumlarda daha fazla satış yapabilirken sınırı aşarlarsa başka bir üreticiden kota satın almak durumunda kalıyorlar. Son üç yılda Avrupa’da karbon fiyatları neredeyse üçe katlandı ve AB sınırlarını zorlarken fiyatların daha da yükselmesi bekleniyor.

Dünya Çimento Birliği CEO’su Ian Riley, Avrupa’daki regülasyonların daha katı hâle geleceğini ve bunun karar alma aşamalarını etkilemesini beklediğini belirterek “LC3 bize zaman kazandırabilir, fakat daha fazla alternatife ihtiyacımız var.” diye konuştu.

Dünya çapında neredeyse sınırsız kil kaynağı var. Kâğıt endüstrisi ve seramik endüstrisi tarafından kullanımı reddedildiğinden çoğunlukla çıkarılmış ve kullanıma hazır durumdadır. Birçok beton üreticisinin ocaklarında kum ve çakılın yanında bekleyen tonlarca kil mevcut.

Scrivener’in EPFL’deki laboratuvarında öğrenciler rutin olarak çimento yığınlarını karıştırıyor ve taramalı elektron mikroskopları ve spektrometre gibi hassas ölçüm aletleriyle değerlendiriyor. Laboratuvarın ilk görevlerinden biri, İsviçre’deki hidroelektrik barajları için kullanılacak malzemeleri test etmekti, bu nedenle bir köşede nasıl dayandıklarını görmek için on yıllardır havuzda bekletilen beton numuneleri duruyor. Şilili yüksek lisans öğrencisi Franco Zunino dört yıldır iyi gittiklerini söyledi. Uzun vadeli dayanıklılığı incelemek için yaşlandırma sürecini hızlandıran bir sıcak oda bulunuyor. Bodrum katında, devasa makineler güçlerini test etmek için numuneleri sıkıştırıp parçalıyor.  

Zunino, LC3 bağlamında bu testlerin az klinker ile daha yüksek dayanımlı  çimento elde edebileceğini kanıtladığını belirtti.

Argos tesisi, ilk büyük ölçekli kalsine edilmiş kil üretim tesisidir. Bu tip tesislerin dünya çapında inşası devam ediyor. Portekiz merkezli Cimpor, Fildişi Sahili’ndeki bir LC3 tesisinde test çalışmalarına başladı. Avrupa’nın en büyük üreticisi Lafarge-Holcim, gelecek yıl Fransa ve İsviçre’deki fabrikalarına kil fırınları eklemeyi planlıyor. On yılı aşkın süredir bu fikir ile uğraşan Kübalı mühendislik profesörü Fernando Martirena, Küba’da şantiyelerde standart çimento ile harmanlanabilen bir kil karışımı üretecek 20’den fazla küçük tesisin inşa edilmeye başlandığını söyleyerek “Bu tip çimentoyu mümkün olan her şekilde kullandık: Beton bloklar, cilalı beton zeminler, hatta bütün bir ev.” diye konuştu.

Scrivener, kalsine edilmiş kili, oldukça yavaş bir şekilde değişim geçiren endüstrinin tek gerçek umudu olarak görüyor.

Fakat herkes bu kadar hevesli değil. São Paulo Üniversitesinde yapı malzemeleri profesörü Vanderley John, LC3 ile elde edilen betonun genellikle ilk 7 günde standart formüllere kıyasla daha az dayanım verdiğini söylüyor. Betonun tamamen sertleşmesi bir ay veya daha uzun süre alabileceğinden, dayanım sonradan gelişebilir ve katkı maddeleri veya daha yüksek kaliteli kil ile arttırılabilir fakat gecikmeler maliyetlidir. John, “inşa süresi ne kadar kısa olursa yatırımcıların geri dönüşü o kadar iyi olur.” diyor.

Brezilya merkezli Votorantim Cimentos, LC3’e benzer bir teknoloji kullandıkları programın uygun kil eksikliğinden dolayı yavaşladığını söylüyor. Almanya Federal Malzeme Araştırma ve Test Enstitüsü’nde mühendis olan Wolfram Schmidt, kil bulmanın Karen’in söylediği kadar kolay olmadığını ve her kilin farklı olduğunu belirtti.

Scrivener bile LC3’ün yalnızca kısmi bir çözüm olduğunu kabul ediyor. Bu nedenle dünya çapında araştırmacılar endüstrinin karbon emisyonunu azaltmak adına alternatif yollar aramaya devam ediyor. Volkanik kül bir seçenek olarak öne çıkıyor. Romalıların yapılarda betonun yapı taşı olarak kullandıkları materyal, İtalya’nın Pozzuolli şehrinden esinlenerek pozzolana ismini aldı. Şirketler hâihazırda klinkerin bir kısmını, demir eritmeden elde edilen cüruf atıkları veya kömür santrallerinden gelen kül ile değiştirdi. HeidelbergCement Araştırma Direktörü Wolfgang Dienemann, iki materyalin de iyi çalıştığını ancak kaynakların azaldığını belirterek “Kalsine edilmiş kilin giderek daha önemli olduğu noktaya geliyoruz.” dedi.

Lafarge-Holcim’in Fransa’nın Lyon kentinin hemen dışındaki araştırma laboratuvarında, bir zamanlar Scrivener’in de içinde bulunduğu 200 kadar bilim insanı, şirketin CO₂ emisyonlarını 2030 yılına kadar %15 kadar azaltmak için çalışıyor. Ekip lideri Edelio Bermejo, Lafarge’ın 1.300 adet çimento ve beton üretimi patentinden beşte ikisinin karbon çıktısını azaltmaya yönelik olduğunu belirterek “Kaliteden taviz vermeden daha çevre dostu çözümleri teşvik etmeliyiz.” diye konuştu.

Laboratuvarın, çöp ve eski lastikleri yakma gibi çimento fırınlarını ısıtmanın alternatif yollarından, beton materyallerini 3D olarak basmaya kadar üzerinde çalıştığı birçok proje var. Bir grup daha az su gerektiren beton üzerinde çalışırken başka bir tanesi karışıma talaş ekliyor. Üçüncü bir grup beton üretimindeki çimento ihtiyacını azaltmak için kum ve çakılları öğütmenin daha etkili yollarını araştırıyor. 

Depo benzeri bir odada, Vincent Meyer ve ekibi betonla ilgili süregelen bir sorunu çözüme dönüştürmeye çabalıyor. Zamanla beton, çimento üretiminde salınan CO₂’nin bir kısmını yeniden emerek bünyesini daha asidik bir hâle getirip içerideki çelik çubukların korozyonuna  sebep olabiliyor. Meyer, fabrika bacalarından çıkan karbonu ortadan kaldırmak için yıkılmış binalardan gelen molozları kullanıyor. Bir ton geri dönüştürülmüş betonun 50 kilo CO₂ emebileceğine dikkat çekiyor.

Endüstrinin karbon yakalama ve depolama olarak nitelendirdiği, Meyer’in çalışmalarına benzer bir projeye olan ihtiyacın artması bekleniyor. Fikrin özünde karbondioksiti ayrıştırmak, sıkıştırmak ve petrol ve gaz kuyuları gibi derin yerlerde muhafaza etmek yatıyor. Teknolojinin henüz çok daha yeni olmasına rağmen, Uluslararası Enerji Ajansı karbon yakalama tekniğinin 2070’e kadar çimento endüstrisi kaynaklı karbon emisyonlarını %60’a kadar azaltabileceğini söyledi.

Scrivener her ne kadar çimentoda kil kullanımı hakkında umutlu olsa da temel bir sorunla karşı karşıya kaldı: Elde edilen beton geleneksel yöntemlerle yapılan varyasyonları kadar güçlü değildi. Scrivener nihayet 2009’da “Evreka” anını yaşadı. Kil ve klinker karışımına az miktarda ısıtılmamış kireç taşı ekleyerek reaksiyonu güçlendirebileceğini ve betonunun gücünü artırabileceğini keşfetti. “Sansasyonel” olarak değerlendirdiği bu buluş sonrasında bir sonraki adımlarını düşünmeye başladı.

Bulguları hakkında konferans ve fuarlarda üreticilerle konuşmaya başladı. Aldığı ilk tepkiler şüpheliydi. Endüstrideki yoğun rekabet, kâr marjlarını aşağı çekti ve birçok üreticiyi araştırma laboratuvarlarını kapatmaya itti, bu nedenle çok azı maliyeti artırabilecek herhangi bir şeye sıcak bakıyordu. Scrivener sonunda Küba ve Hindistan’da konuyla ilgilenecek birkaç grup ve üretici buldu.

Hindistan’da Kırsal Teknoloji ve Aksiyon isimli sivil toplum kuruluşunda araştırmacı olarak görev yapan ve ülkenin önde gelen LC3 savunucularından Soumen Maity, Scrivener’i “akıl hocaları” ve “rehberleri” olarak tanımlayarak “O lokomotifimizin motoru iken bizler onun arkasında toplanıp ek buhar sağlıyoruz.” dedi.

Ürünün gelişimi sırasında Scrivener bir dizi sorunla karşılaştı. Bunlardan bir tanesi kilin betona kırmızımsı bir renk vermesiydi. Bazı alıcılar bundan hoşlansa da herkesin alışık olduğu griden farklıydı. Ekip sorunu çözmek adına asırlık tuğla yapım yöntemlerinden yararlanarak ısıtma sonrasında kili soğutma yöntemlerinde değişikliğe gitti.

Üreticiler çabalarından sonra gerekli kile sahip olmadıklarına karar verdiler. Bunun üzerine Scrivener, dünyanın her yerinden herhangi biri tarafından gönderilecek olan kili değerlendirmek için bir program geliştirdi. Yaklaşık 20 şirketten 50 başvuru ve numune aldı ve hemen hemen hepsinde, kili yapışkan hâle getiren mineral olan kaolinin, , yeterli düzeyde bulunduğunu gözlemleyen Scrivener, “Killer farklı özelliklere ve karmaşık yapılara sahip olmalarına rağmen hepsine uygulayabileceğimiz, belirleyici bir parametre var: Kaolin içeriği.” dedi.

Scrivener Martirena’nın Küba’daki ekibi ile çalışıyordu. Ekip çıkardığı 300 ton kili Siguaney’deki Sovyet yapımı bir çimento fabrikasına sevk etti. Kil geldiğinde bölge kuraklık içindeydi ve işlenecek yeterli su bulunamadı. Sonrasında vuran kasırgayla bölge sular altında kaldı. Martirena aylar sonra nihayet kili yakmaya başladığında fırının içindeki koruyucu kaplama tuğlalar düşmeye başladı. Scivener yanan kilin içindeki büyük tuğla parçalarını gördüğünde deneyin başarısız olduğuna kanaat getirdi. Ama ekip bir şekilde karışımı, tuğlaları ve diğer her şeyi öğüterek kullanılabilir bir çimento elde etmeyi başardı ve Scivener, “Eğer bu durumda mümkün olduysa, her yerde mümkündür.” dedi.

Kaynak: https://www.bloomberg.com/news/features/2020-10-01/lc3-clay-cuts-cement-industry-co2-emissions