Backpulver rettet die Welt: Neuer Zusatzstoff in Betonmischung könnte Kohlenstoffemissionen senken

Mar 13, 2023

Von David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology, 11. April 2023

Eine MIT-Studie zeigt, dass die Einführung von Zusatzstoffen in Betonherstellungsprozessen den CO2-Fußabdruck des Materials erheblich reduzieren könnte, ohne seine mechanischen Eigenschaften zu verändern.

MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT-Ingenieure entdecken neue Karbonisierungswege zur Herstellung umweltfreundlicheren Betons.

Laut MIT-Forschern könnte der CO2-Fußabdruck von Beton um 15 % reduziert werden, wenn Natriumbicarbonat in den frühen Phasen des Mischens hinzugefügt wird. Die Zugabe der üblichen Haushaltszutat trägt dazu bei, beim Mischen und Gießen Karbonate zu erzeugen, was die Menge an Kohlendioxid, die während der Produktion in die Atmosphäre freigesetzt wird, drastisch reduzieren könnte. Dieser Prozess ermöglicht eine produktivere Bauausführung, da die Schalungsarbeiten früher entfernt werden können, wodurch die für die Fertigstellung eines Gebäudes oder einer Brücke erforderliche Zeit verkürzt wird.

Trotz der vielen Vorteile von Beton als modernem Baumaterial, einschließlich seiner hohen Festigkeit, niedrigen Kosten und einfachen Herstellung, ist seine Produktion derzeit für etwa 8 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich.

Jüngste Entdeckungen eines Teams am MIT haben gezeigt, dass die Einführung neuer Materialien in bestehende Betonherstellungsprozesse diesen CO2-Fußabdruck erheblich reduzieren könnte, ohne die mechanischen Eigenschaften des Betons zu verändern.

Die Ergebnisse werden am 28. März in der Zeitschrift PNAS Nexus in einem Artikel der MIT-Professoren für Bau- und Umweltingenieurwesen Admir Masic und Franz-Josef Ulm, MIT-Postdoc Damian Stefaniuk und Doktorand Marcin Hajduczek sowie James Weaver vom Wyss Institute der Harvard University veröffentlicht .

Beton ist nach Wasser das am zweithäufigsten verbrauchte Material der Welt und der Grundstein moderner Infrastruktur. Bei der Herstellung werden jedoch große Mengen Kohlendioxid freigesetzt, sowohl als chemisches Nebenprodukt der Zementherstellung als auch in Form der Energie, die für diese Reaktionen benötigt wird.

Approximately half of the emissions associated with concrete production come from the burning of fossil fuels such as oil and natural gas, which are used to heat up a mix of limestone and clay that ultimately becomes the familiar gray powder known as ordinary Portland cement (OPC). While the energy required for this heating process could eventually be substituted with electricity generated from renewable solar or wind sources, the other half of the emissions is inherent in the material itself: As the mineral mix is heated to temperatures above 1,400 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Celsius (2,552 degrees FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit) durchläuft es eine chemische Umwandlung von Kalziumkarbonat und Ton zu einer Mischung aus Klinker (hauptsächlich bestehend aus Kalziumsilikaten) und Kohlendioxid – wobei letzteres in die Luft entweicht.

Wenn OPC bei der Herstellung von Beton mit Wasser, Sand und Kies vermischt wird, wird es stark alkalisch und schafft so eine scheinbar ideale Umgebung für die Bindung und langfristige Speicherung von Kohlendioxid in Form von Karbonatmaterialien (ein Prozess, der als bekannt ist). Karbonisierung). Trotz des Potenzials von Beton, auf natürliche Weise Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu absorbieren, können diese Reaktionen, wenn sie normalerweise, hauptsächlich im ausgehärteten Beton, auftreten, sowohl das Material schwächen als auch die innere Alkalität verringern, was die Korrosion des Bewehrungsstahls beschleunigt. Diese Prozesse zerstören letztendlich die Tragfähigkeit des Gebäudes und wirken sich negativ auf seine langfristige mechanische Leistung aus. Daher sind diese langsamen Karbonisierungsreaktionen im Spätstadium, die über Zeitskalen von Jahrzehnten ablaufen können, seit langem als unerwünschte Wege bekannt, die den Betonverfall beschleunigen.

„Das Problem bei diesen Karbonisierungsreaktionen nach dem Aushärten besteht darin, dass die Struktur und Chemie der Zementierungsmatrix gestört wird, die sehr effektiv Stahlkorrosion verhindert, was zu einer Verschlechterung führt“, sagt Masic.

Im Gegensatz dazu beruhen die von den Autoren entdeckten neuen Wege zur Kohlendioxidbindung auf der sehr frühen Bildung von Karbonaten beim Mischen und Gießen des Betons, bevor das Material aushärtet, wodurch die schädlichen Auswirkungen der Kohlendioxidaufnahme nach dem Aushärten des Materials weitgehend beseitigt werden könnten.

Der Schlüssel zum neuen Verfahren ist die Zugabe einer einfachen, kostengünstigen Zutat: Natriumbicarbonat, auch bekannt als Backpulver. In Labortests mit Natriumbikarbonat-Substitution zeigte das Team, dass in diesen frühen Phasen bis zu 15 Prozent der Gesamtmenge an Kohlendioxid, die mit der Zementproduktion einhergeht, mineralisiert werden könnte – genug, um möglicherweise den globalen CO2-Fußabdruck des Materials erheblich zu beeinträchtigen.

„Das ist alles sehr spannend“, sagt Masic, „weil unsere Forschung das Konzept des multifunktionalen Betons vorantreibt, indem sie die zusätzlichen Vorteile der Kohlendioxidmineralisierung während der Produktion und des Gießens einbezieht.“

Darüber hinaus härtet der resultierende Beton durch die Bildung einer bisher unbeschriebenen Verbundphase viel schneller aus, ohne dass seine mechanische Leistung beeinträchtigt wird. Dieser Prozess ermöglicht somit eine höhere Produktivität der Bauindustrie: Schalungsarbeiten können früher entfernt werden, wodurch sich die Zeit verkürzt, die für die Fertigstellung einer Brücke oder eines Gebäudes erforderlich ist.

Der Verbundwerkstoff, eine Mischung aus Kalziumkarbonat und Kalziumsilikonhydrat, „ist ein völlig neues Material“, sagt Masic. „Außerdem können wir durch seine Bildung die mechanische Leistung des Frühbetons verdoppeln.“ Er fügt jedoch hinzu, dass diese Forschung noch eine laufende Anstrengung sei. „Während derzeit unklar ist, wie sich die Bildung dieser neuen Phasen auf die langfristige Leistung von Beton auswirken wird, deuten diese neuen Entdeckungen auf eine optimistische Zukunft für die Entwicklung klimaneutraler Baumaterialien hin.“

Während die Idee der Karbonisierung von Beton im Frühstadium nicht neu ist und es mehrere bestehende Unternehmen gibt, die derzeit diesen Ansatz untersuchen, um die Kohlendioxidaufnahme zu erleichtern, nachdem Beton in die gewünschte Form gegossen wurde, unterstreichen die aktuellen Entdeckungen des MIT-Teams die Tatsache, dass dies der Fall ist Die Vorhärtungsfähigkeit von Beton, Kohlendioxid zu binden, wurde weitgehend unterschätzt und nicht ausreichend genutzt.

„Unsere neue Entdeckung könnte außerdem mit anderen jüngsten Innovationen bei der Entwicklung von Betonzusatzmitteln mit geringerem CO2-Fußabdruck kombiniert werden, um viel umweltfreundlichere und sogar CO2-negative Baumaterialien für die bebaute Umwelt bereitzustellen und so Beton von einem Problem zu einem Teil einer Lösung zu machen.“ ,“ sagt Masic.

Referenz: „Cementing CO2 into CSH: A Step into Concrete Carbon Neutrality“ von Damian Stefaniuk, Marcin Hajduczek, James C Weaver, Franz J Ulm und Admir Masic, 28. März 2023, PNAS Nexus.DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad052

Die Forschung wurde vom Concrete Sustainability Hub am MIT unterstützt, der von der Portland Cement Association und der Concrete Research and Education Foundation gesponsert wird.