Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Инженеры открывают новые пути карбонизации для создания более экологически чистого бетона

Инженеры открывают новые пути карбонизации для создания более экологически чистого бетона

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.

Инженеры открывают новые пути карбонизации для создания более экологически чистого бетона

В тренде