Новые добавки могут превратить бетон в эффективный поглотитель углерода

May 07, 2023

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике в соответствии с некоммерческой лицензией Creative Commons «С указанием авторства». Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Несмотря на многие преимущества бетона как современного строительного материала, в том числе его высокую прочность, низкую стоимость и простоту производства, на его производство в настоящее время приходится около 8 процентов мировых выбросов углекислого газа.

Недавние открытия команды Массачусетского технологического института показали, что внедрение новых материалов в существующие процессы производства бетона может значительно сократить выбросы углекислого газа без изменения 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.

После воды бетон является вторым наиболее потребляемым материалом в мире 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 в результате сжигания ископаемого топлива, такого как нефть и природный газ, которое используется для нагрева смеси известняка и глины, которая в конечном итоге превращается в знакомый серый порошок, известный как обычный портландцемент (ОПЦ). . Хотя энергия, необходимая для этого процесса нагрева, в конечном итоге может быть заменена электроэнергией, вырабатываемой из возобновляемых солнечных или ветровых источников, другая половина выбросов присуща самому материалу: поскольку минеральная смесь нагревается до температуры выше 1400 градусов по Цельсию (2552 градуса). 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 углекислого газа в форме карбонатных материалов (процесс, известный как карбонизация). Несмотря на способность бетона естественным образом поглощать углекислый газ из атмосферы, когда эти реакции обычно происходят, в основном внутри затвердевшего бетона, они могут как ослабить материал, так и снизить внутреннюю щелочность, что ускоряет коррозию арматурного стержня. 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 этих реакций карбонизации после отверждения, — говорит Масик, — заключается в том, что вы нарушаете структуру и химический состав цементирующей матрицы, которая очень эффективно предотвращает коррозию стали, которая приводит к ее деградации».

Напротив, новые пути секвестрации углекислого газа, открытые 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 затвердевания 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 общего количества углекислого газа, связанного с производством цемента, может быть минерализовано на этих ранних стадиях — достаточно, чтобы потенциально существенно повлиять на глобальный углеродный след материала.