Yüksek mukavemeti, düşük maliyeti ve üretim kolaylığı da dahil olmak üzere modern bir inşaat malzemesi olarak betonun birçok avantajına rağmen, üretimi küresel karbondioksit emisyonlarının yaklaşık %8’ini oluşturmaktadır.
Massachusetts Institute of Technology (MIT) ekibi tarafından yapılan son araştırmalar, mevcut beton üretim süreçlerine yeni malzemeler eklemenin, betonun temel mekanik özelliklerini değiştirmeden mevcut karbon ayak izini önemli bir miktarda azaltabileceğini göstermiştir.
Yapılan çalışmanın sonuçları PNAS Nexus dergisinde MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği profesörleri Admir Masic ve Franz-Josef Ulm, doktora sonrası araştırmacısı Damain Stefaniuk ve doktora öğrencisi Marcin Hajduczek ve Harvard Üniversitesi Wyss Enstitüsünden James Weaver tarafından kaleme alınan bir makalede yayınlandı.
Beton, sudan sonra dünyada en çok tüketilen malzeme ve modern altyapının temel taşıdır. Üretimi sırasında, özellikle ana bağlayıcı bileşeni çimentonun üretiminde reaksiyonların başlaması için çok fazla enerji gerekmekte ve büyük miktarda karbondioksit açığa çıkmaktadır.
Beton üretimiyle ilgili emisyonların yaklaşık yarısı, sıradan Portland çimentosu (OPC) olarak bilinen tanıdık gri toza dönüşen bir kireçtaşı ve kil karışımını ısıtmak için kullanılan petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardan kaynaklanmaktadır. Bu ısıtma işleminde ihtiyaç duyulan enerji, yenilenebilir güneş veya rüzgar kaynakları tarafından üretilen elektrikle değiştirilebilir, ancak emisyonların diğer yarısı malzemenin kendi yapısında bulunur. Yapıdaki mineral karışım 1.400 oC üzerindeki sıcaklıklarda ısıtıldığında havaya karbondioksit salınımı gerçekleşir.
OPC, beton üretimi sırasında su, kum ve çakıl malzeme ile karıştırıldığında oldukça alkali hale gelir ve karbondioksit depolaması ve karbonat malzemeleri (karbonatlaşma olarak bilinen süreç) şeklinde uzun süreli depolama için ideal ortam sağlar. Betonun atmosferde artan karbondioksiti doğal olarak takip etmesi yani daha fazla CO2 absorbe etmesi betonu etkilemezken donatının (çelik) korozyonunu hızlandırır. Betonun karbonatlaşması olarak bilinen bu süreç çimento ve suyun reaksiyonu sonucu oluşan hidratasyon reaksiyonlarının, karbondioksit ile etkileşime girmesidir.
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (Karbonatlaşma)
Bu süreçler binanın yük kapasitesini yok eder ve uzun vadede mekanik performansını olumsuz etkiler. Bu nedenle, on yıllar boyunca meydana gelen bu yavaş, geç karbonatlaşma reaksiyonları, beton bozulmasını hızlandıran istenmeyen bir etki olarak kabul edilir.
Masic, “Betonun sertleşmesi ile beraber karbonatın, çimentolama matrisinin yapısını değiştirmesi veya betonun içindeki kalsiyum hidroksitlerin [Ca(OH)2] tükenmesi sonucu matrisin kimyası bozulur. Bu durum, çelik donatıyı etkileyerek korozyonu önlemede önemli bir rol oynayabilir.”
Buna karşılık, araştırmacılar tarafından keşfedilen yeni karbondioksit tutma yolu, beton karıştırma ve dökme sırasında, malzeme sertleşmeden çok erken karbonat oluşumuna dayanmaktadır. Bu, malzeme sertleştikten sonra karbondioksit emiliminin zararlı etkilerini büyük ölçüde ortadan kaldırır.
Yeni sürecin anahtarı, basit ve ucuz bir bileşenin eklenmesidir: Kabartma tozu olarak da bilinen sodyum bikarbonat (NaHCO3). Sodyum bikarbonat kullanılan laboratuvar testlerinde ekip, çimento üretiminden kaynaklanan toplam karbondioksitin %15’e kadarının bu erken aşamalarda mineralize edebileceğini gösterdi. Bu, malzemelerin küresel karbon ayak izini düşürebilir. Bunların hepsi çok heyecan verici diyen Masic ekliyor; araştırmamız, üretim ve döküm sırasında karbondioksit mineralizasyonunun ek faydalarını birleştirerek çok işlevli beton kavramını geliştiriyor.
Çalışmada üretilen betonlar, önceden tanımlanamayan kompozit fazların oluşumu nedeniyle mekanik performanslarından ödün vermeden çok daha hızlı kürlenir (sertleşir). Dolayısıyla bu yöntem inşaat sektöründe verimliliği artırmaktadır.
Masic, dolgu malzemesi olmasıyla beton gözeneklerini doldurarak betonun dayanımını artıran kalsiyum karbonat ve betona yüksek mukavemet, su geçirmezlik ve yangına karşı dayanıklılık sağlayan amorf yapıdaki kalsiyum silikon hidrat (E552) karışımından oluşan kompozitin “tamamen yeni bir malzeme” olduğunu söyledi. Ayrıca geometrisi sayesinde betonun mekanik performansını erken aşamalarda ikiye katlamaktır. Araştırmaların devam ettiğini belirtmektedir. Masic, “Bu yeni araştırmaların betonun uzun vadeli performansını nasıl etkilediği şu anda bilinmese de, bu yeni bulgular karbon nötr yapı malzemelerinin geliştirilmesine katkı sağlayacaktır.
Betonun erken aşamada karbonasyon fikri yeni olmasa da birkaç şirket şu anda beton döküldükten sonra yapıya karbondioksitin emilimini kolaylaştırdığından bu yaklaşımı araştırıyor. MIT ekibi tarafından yapılan mevcut araştırmalar, betonun karbondioksiti tecrit etme kapasitesinin büyük ölçüde hafife alındığını ve yeterince kullanılmadığını vurgulamaktadır.
Masic, “Yeni keşfimiz, daha düşük karbon ayak izi sağlayan yeni beton karışımlarının geliştirilmesi ile birleştirilerek, çevre için daha yeşil hatta karbon negatif inşaat malzemeleri sağlayarak, betonu bir sorun olmaktan çok çözümün bir parçası haline getirebilir.” diyor.
Kaynak
https://techxplore.com/news/2023-03-carbonation-pathways-environmentally-friendly-concrete.html