Несмотря на многие преимущества бетона как современного строительного материала, в том числе высокую прочность, низкую стоимость и простоту изготовления, на его производство в настоящее время приходится примерно 8% мировых выбросов углекислого газа.
Недавние открытия, сделанные группой из Массачусетского технологического института, показали, что внедрение новых материалов в существующие процессы производства бетона может значительно уменьшить этот углеродный след , не изменяя объемных механических свойств бетона.
Результаты опубликованы сегодня в журнале PNAS Nexus, в статье профессоров гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Адмира Масича и Франца-Йозефа Ульма, постдока Массачусетского технологического института Дамиана Стефанюка и докторанта Марцина Хайдучека, а также Джеймса Уивера из Института Висса Гарвардского университета.
Бетон является вторым наиболее потребляемым материалом в мире после воды и представляет собой краеугольный камень современной инфраструктуры. Однако во время его производства выделяется большое количество углекислого газа как в качестве химического побочного продукта производства цемента, так и в виде энергии, необходимой для подпитки этих реакций.
Примерно половина выбросов, связанных с производством бетона, происходит от сжигания ископаемого топлива, такого как нефть и природный газ , которые используются для нагревания смеси известняка и глины, которая в конечном итоге превращается в знакомый серый порошок, известный как обычный портландцемент (OPC). . В то время как энергия, необходимая для этого процесса нагрева, может быть в конечном итоге заменена электричеством, вырабатываемым из возобновляемых источников солнца или ветра, другая половина выбросов связана с самим материалом: поскольку минеральная смесь нагревается до температуры выше 1400 градусов по Цельсию (2552 градуса по Цельсию). по Фаренгейту), он претерпевает химическое превращение из карбоната кальция и глины в смесь клинкера (состоящего в основном из силикатов кальция) и углекислого газа, причем последний улетучивается в воздух.
Когда OPC смешивается с водой, песком и гравийным материалом во время производства бетона, он становится сильно щелочным, создавая, казалось бы, идеальную среду для секвестрации и длительного хранения двуокиси углерода в виде карбонатных материалов (процесс, известный как карбонизация). Несмотря на способность бетона естественным образом поглощать углекислый газ из атмосферы, когда эти реакции обычно происходят, в основном, в отвержденном бетоне, они могут как ослабить материал, так и снизить внутреннюю щелочность, что ускоряет коррозию арматуры. Эти процессы в конечном итоге разрушают несущую способность здания и негативно влияют на его долгосрочные механические характеристики. Таким образом, эти медленные реакции карбонизации на поздних стадиях, которые могут протекать в течение десятилетий,
«Проблема с этими реакциями карбонизации с последующим отверждением, — говорит Масик, — заключается в том, что вы нарушаете структуру и химический состав цементирующей матрицы, которая очень эффективно предотвращает коррозию стали, что приводит к деградации».
Напротив, новые пути связывания углекислого газа, обнаруженные авторами, основаны на очень раннем образовании карбонатов во время смешивания и заливки бетона, до того, как материал схватится, что может в значительной степени устранить пагубные последствия поглощения углекислого газа после отверждения материала.
Ключом к новому процессу является добавление одного простого и недорогого ингредиента: бикарбоната натрия , также известного как пищевая сода. В ходе лабораторных испытаний с использованием замены бикарбоната натрия команда продемонстрировала, что до 15 процентов от общего количества углекислого газа, связанного с производством цемента, может быть минерализовано на этих ранних стадиях — этого достаточно, чтобы потенциально значительно снизить глобальный углеродный след материала.
«Все это очень интересно, — говорит Масик, — потому что наше исследование продвигает концепцию многофункционального бетона за счет включения дополнительных преимуществ минерализации углекислого газа во время производства и заливки».
Кроме того, полученный бетон схватывается намного быстрее за счет образования ранее неописанной композитной фазы, не влияя на его механические характеристики. Таким образом, этот процесс позволяет строительной отрасли быть более продуктивной: опалубку можно снять раньше, что сокращает время, необходимое для завершения строительства моста или здания.
Композит, представляющий собой смесь карбоната кальция и гидрата кальция и кремния, «представляет собой совершенно новый материал», — говорит Масик. «Кроме того, за счет его формирования мы можем удвоить механические характеристики бетона на ранней стадии». Однако, добавляет он, это исследование все еще продолжается. «Хотя в настоящее время неясно, как образование этих новых фаз повлияет на долгосрочные характеристики бетона, эти новые открытия предполагают оптимистичное будущее для разработки углеродно-нейтральных строительных материалов».
Хотя идея карбонизации бетона на ранней стадии не нова, и в настоящее время существует несколько компаний, которые изучают этот подход, чтобы облегчить поглощение углекислого газа после того, как бетон отлит в желаемую форму, текущие открытия, сделанные командой Массачусетского технологического института, подчеркивают тот факт, что Предварительная способность бетона поглощать углекислый газ была в значительной степени недооценена и недостаточно использована.
«Наше новое открытие может быть дополнительно объединено с другими недавними инновациями в разработке добавок к бетону с более низким углеродным следом, чтобы обеспечить гораздо более экологичные и даже углеродно-отрицательные строительные материалы для застроенной среды, превращая бетон из проблемы в часть решения. «, — говорит Масик.
