Neue Zusatzstoffe könnten Beton zu einem wirksamen Kohlenstoffspeicher machen

Mar 21, 2023

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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 heute in der Zeitschrift PNAS Nexus in einem Artikel der MIT-Professoren für Bau- und Umweltingenieurwesen Admir Masic und Franz-Josef Ulm, dem MIT-Postdoc Damian Stefaniuk und dem Doktoranden 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.

Ungefähr die Hälfte der mit der Betonproduktion verbundenen Emissionen entstehen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, die zum Erhitzen einer Mischung aus Kalkstein und Ton verwendet werden, die letztendlich zu dem bekannten grauen Pulver wird, das als gewöhnlicher Portlandzement (OPC) bekannt ist. . Während die für diesen Heizprozess benötigte Energie irgendwann durch Strom aus erneuerbaren Sonnen- oder Windquellen ersetzt werden könnte, ist die andere Hälfte der Emissionen im Material selbst verankert: Da die Mineralienmischung auf Temperaturen über 1.400 Grad Celsius (2.552 Grad Celsius) erhitzt wird 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 erforschen, um die Kohlendioxidaufnahme zu erleichtern, nachdem Beton in die gewünschte Form gegossen wurde, unterstreichen die aktuellen Entdeckungen des MIT-Teams die Tatsache, dass die Die Vorhärtungskapazität von Beton zur Bindung von Kohlendioxid 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.

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

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