Betonun Karbon Ayak İzini Azaltmak için Araştırmalar Yapılıyor
Betonun karbon ayak izi, esasında temel bileşenlerinden biri olan Portland çimentosunun kimyasından kaynaklanmaktadır. Toronto Üniversitesi mühendislik profesörü Doug Hooton (CivMin) tarafından yapılan araştırma, birkaç basit ikamenin bu karbon ayak izini yarıya indirebileceğini gösteriyor. Profesör Doug Hooton (CivMin), bu konuda asıl zorluğun kimya veya mühendislikten ziyade güven olduğunu ortaya atıyor.
Profesör Doug Hooton, “İnşaat çok muhafazakâr bir sektör ve merkezi bir yönetime sahip değil. Bina sahipleri, mimarlar, yapı mühendisleri ve müteahhitler var. Hiçbiri daha önce yapılanlardan farklı bir şey yaparak risk almak istemiyor.” diyor.
Hooton ve ekibi, on yıldan fazla bir süredir, beton formülasyonunda yapılacak birkaç basit ayarlamanın, maliyetini veya performansını etkilemeden çevresel etkisini önemli ölçüde azaltabileceğini gösteriyor.
On yıllık süreçte birçok kapsamlı saha denemeleri yaptılar. Hooton’un bu modifiye edilmiş malzemelerin kullanımını teşvik etmek için yazılı standartları bile mevcut, ama süreç yavaş ilerliyor.
Betonla ilgili zorluklar, temel bileşenlerinden birinin kimyasıyla başlıyor: Portland çimentosu. Bunu elde etmek için üreticiler, çoğunlukla kalsiyum karbonat olan kireç taşını çeşitli kil mineralleri ile karıştırır ve çok yüksek sıcaklıklarda bir fırında işler.
Fırında kalsiyum, karbonunu dışarıya CO2 gazı olarak salar ve ardından kildeki silika, alümina ve diğer elementlerle birleşerek çimentonun ham maddesi olan klinkeri oluşturur. Portland çimentosu daha sonra klinkerin alçı ile birlikte öğütülmesiyle yapılır.
Fırın reaksiyonları sırasında yayılan karbondioksit gazı, fırını ısıtmak için yakılan fosil yakıtlardan kaynaklanan emisyonlarla birleştiğinde, üretilen her bir kilogram çimento klinkeri için neredeyse aynı miktarda CO2 salınır.
Bunun üstesinden gelmenin bir yolu, bağlayıcı malzemelerinin formülasyonlarını karbon ayak izlerini azaltacak şekilde değiştirmektir. Hooton, nihai çimentonun %15’ini öğütülmüş ham kireç taşı ile değiştiren, Portland-kireç taşı çimentosu olarak bilinen bir malzeme için ulusal ve uluslararası standartları desteklemiştir.
Ortaya çıkan malzeme, betondaki Portland çimentosunun yerini alır ve Hooton’un laboratuvar deneyleri ve saha denemeleriyle gösterdiği, gibi aynı performans standartlarını karşılayabilmektedir.
“Örneğin, endişelerden biri, bu tip çimentonun sülfatların saldırısına karşı zayıf kalabileceğidir. Sülfat mineralleri Batı Kanada’da oldukça yaygındır ve buna göre tasarlanmadıkları takdirde bazı beton türlerini bozabilir.”
Hooton, NSERC/Kanada Beton Birliği Dayanıklılık ve Sürdürülebilirlik Endüstriyel Araştırma Başkanı aracılığıyla, an itibarıyla 11 yıldır devam eden bir saha denemesi başlattı. Ekip, bazıları geleneksel Portland çimentosu ve diğerleri de Portland-kireç taşı çimentosu ile yapılmış olmak üzere 1.000’den fazla beton kiriş numunesi döktü. Bütün kirişler daha sonra agresif sülfat çözeltilerine maruz bırakıldı.
2010 yılına ait bu fotoğrafta, o zamanki yüksek lisans öğrencisi Reza Ahani (CivMin PhD 1T9), test için çeşitli formülasyonlarla yapılmış beton numuneler hazırlıyor.
Hooton, süreci “Numuneleri her yıl çıkarıp bakıyoruz. Portland-kireç taşı çimentosu ile yapılanlar gayet iyi, hatta sülfatlara dayanacak şekilde özel olarak tasarlanmış birçok geleneksel betondan daha iyi performans gösteriyor.” şeklinde açıklıyor.
Hooton ve ekibi, saf kireç taşına ek olarak, betonda kullanım için diğer potansiyel çimento klinker değişimlerini de test etti. Bunlardan biri, demir-çelik endüstrisinin atık ürünü olan ve yüksek fırın cürufu olarak bilinen ve Portland çimentosu ve Portland-kireç taşı çimentosu ile %75’e varan oranlarda karıştırılabilen bir maddedir. Bu, kullanılan toplam çimento miktarını azaltarak CO2 emisyonlarını orantılı olarak düşürür.
Hooton, “Portland-kireç taşı çimentosuna geçiş ve ardından %35 ila %40 cüruf ikamesi, ortaya çıkan betonun karbon ayak izini yaklaşık yarı yarıya azaltacaktır.” diyor.
Hooton, cüruf kullanımıyla ilgili endişelerden birinin, yüksek ikame seviyelerinde betonun dayanım kazanması için gereken süreyi yavaşlatması olduğunu da ekliyor. Bu, nihai mukavemet aynı olmasına rağmen, farklı inşaat ihtiyaçları için gerekebilecek erken yaş mukavemetini etkiler.
Hooton, “Sadece birkaç hafta değil, 100 yıl dayanacak yapılar inşa ediyoruz. Yani önemli olan 90 günde ulaştığınız son dayanımdır. Bu zaman çizelgesinde, kireç taşındaki karbon ve cüruftaki alümina bileşikleri arasında meydana gelen reaksiyonlar nedeniyle Portland-kireç taşı çimentosu ile karıştırılan yüksek fırın cürufunun aslında Portland çimentosundan daha iyi çalıştığını gösterdik.” diyor.
Hooton ve ekibi, erken yaştaki dayanım sorunuyla başa çıkmak için gelişmiş test yöntemleri üzerinde araştırma yaptı. Şu anda, çimento ve beton için çoğu standart, 28 gün sonra malzemenin mukavemetini test etmeye dayanmaktadır.
Yukarıda belirtildiği gibi, geleneksel Portland çimentosunun özelliklerini geliştirmesi için bu yeterli bir süre olsa da bazı çimento ikameleri bu süreci uzatabilir. Şartname yetkilileri, alışık olduklarından iki veya üç kat daha uzun sürecek yeni protokolleri benimsemeye karşı bir duruş sergiliyor.
Hooton, “Beton sıcaklığını artırarak test sürecini hızlandırabiliriz. Bunu nasıl yapacağımızı onlarca yıldır biliyoruz. 28 gün içinde 90 günde ne olacağına dair iyi bir gösterge verebilirsek, bu alternatif malzemelerin daha yaygın olarak benimsenmesi daha mümkün hâle gelebilir.” diyor.
CSA Grubu’nun Beton Malzemeleri ve Beton Yapı Metotları Komitesinin, ASTM International Çimento Komitesinin ve Amerikan Beton Enstitüsünün Betonun Dayanıklılığı Komitesinin Başkanı olarak görev yapan Hooton’un görüşleri ve kanıtları sektörde oldukça önem taşıyor, ancak, uygulamada kullanılan düşük karbon ayak izine sahip malzeme kullanımı için sadece standartlar oluşturmanın yeterli olmadığına dikkat çekiliyor. Bu amaçla, Hooton Kuzey Amerika beton endüstrisinde karbon azaltma teknolojilerinin hızla benimsenmesinin önündeki engelleri belirlemeyi amaçlayan yeni bir girişimde uzmanlardan oluşan bir ekiple ortaklık kurdu.
İş birliği, bir Amerikan mühendislik danışmanlık firması olan NCE’den Dr. Tom Van Dam, Michigan Teknoloji Üniversitesinden Profesör Larry Sutter ve dünyanın önde gelen yapı malzemeleri üreticilerinden biri olan Lafarge-Holcim’in Eski Başkan Yardımcısı Al Innis’i içeriyor.
Hooton, “Bu projenin 1. aşamasında, üretildiği yerden kullanıldığı yere kadar çimentoların genel akışına bakıyoruz ve bu zincir boyunca her noktada daha sürdürülebilir çimentolu malzemelerin benimsenmesinin önündeki engelleri belirliyoruz. Sonrasında, bu engelleri sistematik olarak ele almak için bir plan geliştireceğiz. Bazı eğitim ve teknoloji transferlerinin inşaatta çeşitli tarafların güvenini artıracağı ve en fazla etkiyi yaratacağı yerler gibi, etkili ortamlarda süreci ilerletmeyi planlıyoruz.” şeklinde açıklıyor.