Новые добавки могут превратить бетон в эффективный поглотитель углерода

Несмотря на многочисленные преимущества бетона как современного строительного материала, включая его высокую прочность, низкую стоимость и простоту изготовления, на его производство в настоящее время приходится около 8 процентов глобальных выбросов углекислого газа.

Недавние открытия, сделанные группой специалистов Массачусетского технологического института, показали, что введение новых материалов в существующие процессы производства бетона может значительно снизить этот углеродный след, не изменяя при этом основных механических свойств бетона.

Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале PNAS Nexus в работе профессоров гражданского и экологического строительства 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.

После воды бетон является вторым по потреблению материалом в мире и представляет собой краеугольный камень современной инфраструктуры. Однако в процессе его производства выделяется большое количество углекислого газа, как в качестве химического побочного продукта при производстве цемента, так и в виде энергии, необходимой для этих реакций.

Примерно половина выбросов, связанных с производством бетона, приходится на сжигание ископаемых видов топлива, таких 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 (ОПЦ). Хотя энергия, необходимая для этого процесса нагревания, в конечном итоге может быть заменена электричеством, получаемым из возобновляемых солнечных или ветровых источников, вторая половина выбросов заложена в самом материале: При нагревании минеральной смеси до температуры выше 1 400 градусов Цельсия (2 552 градуса по Фаренгейту) происходит химическое превращение карбоната кальция и глины в смесь клинкера (состоящего в основном из силикатов кальция) и углекислого газа, который улетучивается в воздух.

Когда OPC смешивается с водой, песком и гравием при производстве бетона, он становится сильно щелочным, создавая, казалось бы, идеальную среду для поглощения и долгосрочного хранения углекислого газа в виде карбонатных материалов (процесс, известный как карбонизация). Несмотря на этот потенциал бетона для естественного поглощения углекислого газа из атмосферы, когда эти реакции происходят в обычных условиях, в основном в затвердевшем 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 происходить в течение десятилетий, уже давно признаны нежелательными путями, ускоряющими разрушение бетона.

"Проблема с этими реакциями карбонизации после отверждения", - говорит Масич, - "заключается в том, что вы нарушаете структуру и химию цементирующей матрицы, которая очень эффективна для предотвращения коррозии стали, что приводит к деградации".

В отличие от этого, новые пути поглощения углекислого газа, открытые авторами, основаны на очень раннем образовании карбонатов во время смешивания и заливки бетона, до того, как материал застынет, что может в значительной степени устранить пагубное воздействие поглощения углекислого газа после затвердевания материала.

Ключом к новому процессу является добавление одного простого и недорогого ингредиента: бикарбоната натрия, известного также как пищевая сода. В лабораторных испытаниях с использованием бикарбоната натрия команда продемонстрировала, что до 15 процентов от общего количества углекислого газа, связанного с производством цемента, может быть минерализовано на этих ранних стадиях - достаточно, чтобы потенциально внести значительную лепту в глобальный углеродный след материала.

"Все это очень интересно", - говорит Масич, - "потому что наше исследование продвигает концепцию многофункционального бетона путем включения дополнительных преимуществ минерализации углекислого газа во время производства и заливки".

Кроме того, полученный бетон застывает гораздо быстрее благодаря образованию ранее не описанной композитной фазы, что не влияет на его механические характеристики. Таким образом, этот процесс позволяет строительной отрасли быть более продуктивной: Опалубка может быть удалена раньше, что сокращает время, необходимое для завершения строительства моста или здания.

Композит, представляющий собой смесь карбоната кальция и гидрата кремния кальция, "является совершенно новым материалом", - говорит Масич. "Более того, благодаря его образованию мы можем удвоить механические характеристики бетона ранних стадий". Однако, добавляет он, эти исследования все еще продолжаются. "Хотя в настоящее время неясно, как образование этих новых фаз повлияет на долгосрочные характеристики бетона, эти новые открытия позволяют предположить оптимистичное будущее для разработки углеродно-нейтральных строительных материалов".

Хотя идея карбонизации бетона на ранних стадиях не нова, и существует несколько компаний, которые в настоящее время изучают этот подход для облегчения поглощения углекислого газа после заливки бетона в нужную форму, нынешние открытия команды Массачусетского технологического института подчеркивают тот факт, что способность бетона к связыванию углекислого газа была в значительной степени недооценена и недостаточно использована.

"Наше новое открытие может быть в дальнейшем объединено с другими недавними инновациями в разработке добавок для бетона с меньшим углеродным следом, что позволит создать гораздо более экологичные и даже углеродно-отрицательные строительные материалы для окружающей среды, превратив бетон из проблемы в часть решения", - говорит Масич.

Исследование проводилось при поддержке Центра устойчивого развития бетона при Массачусетском технологическом институте, спонсорами которого являются Ассоциация портландцемента и Фонд исследований и образования в области бетона.

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