Sürdürülebilir çimento arayışı ve doğadan ilham

Beton inşa aşamasında çokça tercih edilen insan yapımı inşaat malzemesidir. Yıllık olarak 4,4 milyar ton Portland çimentosu üretilmektedir. Portland çimentosu ucuz ve dayanıklı bir seçenek olarak görülse de gerek üretimindeki enerji harcama yoğunluğu gerekse karbondioksit emisyonuna katkı sağlaması nedeniyle sürdürülebilir değildir. Bu yüzden yeni çimento malzemelerine olan talep giderek artmaktadır.¹

Bu bağlamda bilim insanları bu talebi doğayı referans alarak karşılamayı düşünmüşlerdir. Doğada bunun örneklerinden biri istiridyelerdir. İstiridyeler resif toplulukları oluşturmak amacıyla birbirlerine çimentoyla yapışırlar. Bu şekilde oluşturulan çimento hem organik hem inorganik bileşiklerden oluşmuş olur. Doğada gözlenen bu bilgilerle yapılan çıkarımlardan elde edilen bilgiler yüksek performanslı malzemelerin geliştirilmesine katkı sağlayabilir.

İstiridyelerden biyomimetik çimentolara

Bu çalışmadan önce yapılan çalışmalarda istiridye çimentosunda proteinler veya lipidler üzerinde bulunan fosfat gruplarının varlığına işaret edilmiştir. Fosfat içeren asit zengini proteinlerin, kalsiyum iyonlarını şelatlayarak kemik, diş ve kabuk oluşumunda biyomineralizasyonu tetiklediği gösterilmiştir. İstiridyelerde henüz katekol keşfedilmemiş olsa da istiridye çimentosunun su altı bağlama özelliği, bizi bu bağlamda katekolü de keşfetmeye itmiştir.

Polimer modifiyeli çimentolar (PMC’ler) çimentoya sentetik polimerler eklenerek iyileştirilebilir. Akrilat omurgasındaki değişiklikler, fonksiyonel gruplar, partikül boyutu ve kürleşme sıcaklığı incelendikten sonra bir “konsensüs sistem” (ideal sistem) bulunmuştur.

Ticari ürünleri geride bırakan yüksek performans

Yeni geliştirilen biyomimetik çimento, üç yaygın ticari harç ve beton onarım ürünüyle aynı koşullarda karşılaştırılmıştır. Elde edilen bu kıyaslama verilerine göre 24 saatlik kürleşmede yeni biyomimetik PMC, açık ara en güçlüsüdür.

Bu biyomimetik polimer ticari bir harç karışımına (Quikrete Mortar Mix) eklendiğinde ise malzemenin yapışma kabiliyetini tam 15 kat artırmıştır. Ayrıca bu yeni PMC sistemi, geleneksel ticari malzemeye kıyasla iki kattan fazla (28 günde 2,6 MPa’ya karşı 6,3 MPa) bir basınç dayanımı sergilemektedir.² Pratik bir uygulama örneği olarak; %13 MePhos-Ac-NaAc katkılı bu harç sistemiyle iki kırmızı tuğla birleştirilmiş ve sadece 2 saatlik kısa bir kürleşme süresi sonunda, sistem üstteki tuğladan tutularak kaldırılabilecek kadar yüksek bir mukavemet ve üstün yapışma performansı göstermiştir. Bu sonuç, yeni PMC’nin ticari malzemeye göre iki kattan fazla basınç dayanımı sergilediğini göstermektedir. Pratik bir uygulama örneği olarak, iki kırmızı tuğla bu sistemle yapıştırılmış ve sadece 2 saatlik kürleşme sonunda üstteki tuğladan tutularak kaldırılabilecek kadar güçlenmiştir.

Bu çalışma, istiridye çimentosunun karakterizasyonundan elde edilen bilgilerle tasarlanan yeni bir polimer modifiyeli çimento sınıfını sunmaktadır. Polimer omurgası, fonksiyonel gruplar ve yükleme oranları üzerinde yapılan değişiklikler; mevcut ticari duvar sızdırmazlık ürünlerine ve harçlara göre hem yapışma hem de basınç dayanımında belirgin iyileşmeler sağlamıştır. Kabuklu deniz canlılarından yola çıkan bu malzeme tasarım stratejisi, dünyanın en yaygın kullanılan malzemelerinden birine daha yüksek performans getirme potansiyeline sahiptir.

Kaynaklar

1. Tiemann, J. S., Stodola, A. P., & Stodola, K. W. (2017). Northern Riffleshell and Clubshell Reintroduction Project-Summary of Activities for 2017. Technical Report INHS 2017 (36).
2. Mitchell E. Meger et al, Mimicking Oyster Reefs to Generate Cements with Enhanced Performance, Chemistry of Materials (2026). https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.5c03115