Yeni Katkı Maddeleri Betonu Etkili Bir Karbon Yutucuya Dönüştürebilir

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (Massachusetts Institute of Technology) mühendisleri daha çevre dostu beton üretmek için yeni karbonatlaşma yolları keşfediyor.

Modern bir inşaat malzemesi olarak betonun yüksek mukavemeti, düşük maliyeti ve üretim kolaylığı gibi birçok avantajına rağmen, betonun üretimi kullanılan çimentodan dolayı şu anda küresel karbondioksit emisyonlarının yaklaşık yüzde 8’ini oluşturmaktadır.

MIT’deki bir ekibin son keşifleri, mevcut beton üretim süreçlerine yeni malzemelerin eklenmesinin, betonun mekanik özelliklerini değiştirmeden karbon ayak izini önemli ölçüde azaltabileceğini ortaya çıkardı.

Bulgular PNAS Nexus dergisinde, MIT inşaat ve çevre mühendisliği profesörleri Admir Masic ve Franz-Josef Ulm, MIT doktora sonrası öğrencisi Damian Stefaniuk ve doktora öğrencisi Marcin Hajduczek ve Harvard Üniversitesi Wyss Enstitüsünden James Weaver tarafından hazırlanan bir makalede yayımlandı.

Beton, sudan sonra dünyanın en çok tüketilen ikinci malzemesidir ve modern altyapının temel taşını temsil eder ancak üretimi sırasında, hem çimento üretiminin kimyasal bir yan ürünü olarak hem de bu reaksiyonları beslemek için gereken enerji olarak büyük miktarlarda karbondioksit açığa çıkar.

Beton üretimiyle ilişkili emisyonların yaklaşık yarısı, Portland çimentosu (OPC) olarak bilinen, gri toza dönüşen kireç taşı ve kil karışımını ısıtmak için kullanılan petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtların yakılmasından kaynaklanmaktadır. Bu ısıtma işlemi için gereken enerjinin yerine yenilenebilir güneş veya rüzgâr kaynaklarından üretilen elektrik geçebilecekken, emisyonların diğer yarısı malzemenin kendisinden kaynaklanmaktadır. Mineral karışımı 1.400 santigrat derecenin üzerindeki sıcaklıklara ısıtıldığında, kalsiyum karbonat ve kil karışımı klinkere dönüşür ve bu sırada ortaya çıkan karbondioksit havaya karışır. OPC, beton üretimi sırasında su, kum ve çakıl malzemesi ile karıştırıldığında oldukça alkali hâle gelir ve karbondioksitin karbonat malzemeleri formunda uzun süreli depolanması ve tutulması için ideal bir ortam yaratır (karbonatlaşma). Betonun atmosferden karbondioksiti doğal olarak absorbe etme potansiyeline rağmen, bu reaksiyonlar kürlenmiş betonda meydana geldiğinde, hem malzemeyi zayıflatabilir hem de iç alkaliniteyi düşürebilir, bu da donatının korozyonunu hızlandırır. Bu süreçler sonuçta binanın yük taşıma kapasitesini azaltır ve uzun vadeli mekanik performansını olumsuz etkiler. Bu nedenle, onlarca yıllık zaman aralıklarında meydana gelebilen bu yavaş karbonatlaşma reaksiyonları, betonun bozulmasını hızlandıran istenmeyen bir durum olarak uzun süredir kabul edilmektedir.

Masic, bu kürleme sonrası oluşan karbonatlaşma reaksiyonlarıyla ilgili sorunun, çeliğin korozyonunu önlemede çok etkili olan çimento matrisinin yapısını ve kimyasını bozmamız olduğunu söylüyor.

Buna karşılık, yazarlar tarafından keşfedilen yeni karbondioksit tutma yolları, betonun karıştırılması ve dökülmesi sırasında, malzeme sertleşmeden önce çok erken karbonat oluşumuna dayanmaktadır. Bu, malzeme kürlendikten sonra karbondioksit alımının zararlı etkilerini büyük ölçüde ortadan kaldırabilir.

Yeni sürecin anahtarı, sodyum bikarbonat diğer adıyla kabartma tozu olan basit ve ucuz bir bileşenin eklenmesidir. Ekip, sodyum bikarbonat ikamesi kullanılan laboratuvar testlerinde, çimento üretimiyle ilişkili toplam karbondioksit miktarının yüzde 15’e kadarının bu erken aşamalarda mineralize edilebileceğini gösterdi. Bu malzemenin küresel karbon ayak izinde potansiyel olarak önemli bir azalma oluşturmaya yetecek miktardaydı.

Masic şöyle diyor: “Her şey çok heyecan verici, çünkü araştırmamız, üretim ve döküm sırasında karbondioksit mineralizasyonunun ek faydalarını da dâhil ederek çok işlevli beton konseptini geliştiriyor.”

Ayrıca, elde edilen beton daha önce açıklanmayan bir kompozit fazın oluşması yoluyla, mekanik performansını etkilemeden çok daha hızlı priz alıyor. Böylece bu süreç inşaat sektörünün daha üretken olmasını sağlayabilir. Kalıplar daha erken alınabilir, böylece bir köprünün veya binanın tamamlanması için gereken süre azalır.

Masic, kalsiyum karbonat ve kalsiyum silikon hidrat karışımından oluşan kompozitin “tamamen yeni bir malzeme” olduğunu söylüyor. “Ayrıca oluşumu sayesinde erken aşama betonun mekanik özelliklerini ikiye katlıyoruz.” Ancak bunun gelişen ve öğrenmeyi hâlâ sürdüren bir çaba olduğunu da ekliyor. “Bu yeni fazların oluşmasının betonun uzun vadeli performansını nasıl etkileyeceği şu anda belirsiz olsa da, gelişmeler karbon nötr inşaat malzemeleri için iyimser bir gelecek öneriyor.”

Erken aşama beton karbonatlaşması fikri yeni değildir ve beton istenilen şekle getirildikten sonra karbondioksit alımını kolaylaştırmak için şu anda bu yaklaşımı araştıran birkaç mevcut şirket mevcuttur. MIT ekibine göre betonun karbondioksiti yutma kapasitesi bugüne kadar büyük ölçüde hafife alınmış ve yeterince değerlendirilememiştir.

Masic, “Yeni keşfimiz, çevre için çok daha yeşil ve hatta karbon negatif inşaat malzemeleri sağlamak, betonu bir sorun olmaktan çıkarıp çözümün bir parçası haline getirmek için daha düşük karbon ayak izine sahip beton katkılarının geliştirilmesindeki diğer son yeniliklerle de birleştirilebilir.” diyor.

Araştırma, Beton Geliştirme Vakfı ve Portland Çimento Birliğinin sponsorluğunda bulunan MIT’deki Beton Sürdürülebilirlik Merkezi tarafından desteklenmiştir.

Kaynak: https://news.mit.edu/2023/new-additives-concrete-effective-carbon-sink-0328