CO₂ enjeksiyonu, %13 daha güçlü erken mukavemetin ardındaki gizli çimento kimyasını ortaya çıkarıyor

Bir Eylül günü MIT’nin Pierce Laboratuvarı’nda kar yağmaya başladı. Araştırmacılar bir sıvı karbondioksit (CO) tankının basıncını boşalttı.₂), anında dondurur ve katı pullar bırakır. Bunlar çimento hamuruyla karıştırıldı ve kabaca bir kuruş büyüklüğünde diskler halinde preslendi; her biri suyu içeride ve havayı dışarıda tutmak için ince bir bitkisel yağ tabakasıyla kapatıldı. Ekip, CO2’nin nedenini açıklayabilecek geçici kimyasal reaksiyonu ilk kez gözlemleyerek her biri üzerinde lazerler eğitti.₂Enjekte edilen çimento hamuru daha hızlı dayanım kazanır.

CO enjekte etme₂ Beton gibi çimento ürünlerine dönüştürülmesi, onu depolamanın ve atmosferden uzak tutmanın bir yoludur. CO sunan şirketlerin sayısının artmasıyla süreç ticari ilgiyi çekti₂-enjekte edilmiş beton karışımları. Ancak şimdiye kadar altta yatan çimento kimyası doğrudan görselleştirilmemişti.

Yeni bir makale Amerikan Seramik Derneği Dergisi— doçent Admir Masic’in liderliğindeki ve ilk yazarı MIT Beton Sürdürülebilirlik Merkezi ve MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü’nden yüksek lisans öğrencisi Marcin Hajduczek tarafından yazılan — CO sonrası ortaya çıkan kimyasal diziyi anlatıyor₂ taze çimento hamuruyla buluşuyor. Ortak yazarlar arasında MIT meslektaşları Santiago El Awad ve Franz-Josef Ulm’un yanı sıra IIT Jodhpur ve CarbonCure Technologies’den araştırmacılar yer alıyor.

Önceki çalışmalar CO ile ilgili bir hikayeyi bir araya getirmişti₂ teoriden ve dolaylı kanıtlardan enjeksiyonun kimyasal etkileri; temel tepkiler çok hızlı ilerledi ve geleneksel tekniklerin onları iş başında yakalayamayacağı kadar tamamen ortadan kayboldu. Raman eş odaklı mikroskopi bunu yapabilir ve basit bir prensiple çalışır: Bir molekülü lazerle aydınlatırsanız, saçılan ışık onun kimliğini ortaya çıkaracaktır. Işık, her malzemenin benzersiz kimyasal bağlarıyla etkileşime girerek, farklı bir spektral “parmak izi” oluşturmak için enerjide değişiklik yapar. En kısacık ve şekilsiz aşamalar bile okunabilir bir iz bırakır.

Masic, “Ölü Deniz Parşömenlerinden Antik Roma betonuna kadar tarihteki en ilginç malzemelerden bazılarını daha iyi anlamak için Raman spektroskopisini kullandık” diyor. “Çimento macunu karşılaştırıldığında daha az gösterişli görünebilir, ancak CO2’ye lazer işaretliyoruz₂-enjekte edilen çimento hamuru sertleştikçe daha önce görülmemiş şeyleri görselleştirmemize olanak sağlıyor.”

24 saat süren sürekli tarama sırasında gördükleri şey, üç perdelik bir kimyasal dramdı.

Birinci eylem: Kalsiyum yakalamak

Şu an CO₂ Taze çimento hamuruna eklenir, işe yarar. Gözenek çözeltisinde çözünür ve çözünen klinker tarafından salınan kalsiyum ile reaksiyona girerek çeşitli kalsiyum karbonat formları halinde çöker. Klinker, kireç taşı ve alüminosilikat malzemelerinin bir fırında ısıtılması ve çimento yapmak için ana bileşen öğütülmesinin ince bir toz haline getirilmesiyle üretilir. Bu, ilk saat içinde gerçekleşir ve kalsiyumun ilerlemesini gerektiren normal hidrasyon reaksiyonunu geçici olarak yavaşlatır.

Buna karşılık CO₂ mevcut olmadığında, çözünen klinker tarafından salınan kalsiyum yerel olarak mevcut kalır ve malzemenin sertleştikçe bağlanma fazlarının kademeli olarak oluşmasını destekler.

Kalsiyum olmadan bırakıldığında, klinker tarafından salınan silikatlar gözenek çözeltisi içinde çözünür ve kaynaklarından uzakta çökelerek macun boyunca birbirine bağlı bir silika jel ağı oluşturan zincirler halinde birbirine bağlanır. Bu amorf, geçici jel, bundan sonra olacakların zeminini hazırlıyor.

İkinci Perde: Hayalet jel

CO enjekte edildikten sonra₂ tamamen mineralize olduğunda (karıştırmadan yaklaşık dört ila beş saat sonra) normal hidrasyon devam eder. Kalsiyum hidroksit gözenek boşluğuna çökelmeye başlar ve çöktüğünde kendisini bekleyen silika jel ağıyla karşılaşır.

İki faz arasındaki reaksiyon hemen başlar ve çimentoya bağlanma kabiliyetini veren bileşik olan kalsiyum silikat hidrat (CSH) üretilir. CSH’nin bu formunu farklı kılan şey, nerede ve nasıl oluştuğudur: geleneksel hidrasyonda olduğu gibi klinker parçacıklarının etrafında kümelenmez, silika jelin yayıldığı her yerde matrisin tamamı boyunca dağılır.

CO₂ macunun alkalinitesini geçici olarak baskılamıştı ve silika jeli sağlam tutan tek şey bu düşük pH’tı. Hidrasyon kendini yeniden kanıtladıkça ve standart hidrasyon ürünleri, yani CSH ve kalsiyum hidroksit ürettiğinde, ikincisi, kendi kendini güçlendiren bir döngü içinde pH’ı tipik seviyelere geri getirir; silika jeli, puzolanik reaksiyon adı verilen bir reaksiyon yoluyla kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girer. Sekiz saat içinde silika jel neredeyse tamamen yok oluyor; daha önce iyi dağılmış olan jel ağı, bu kritik erken pencere sırasında hızla ek CSH’ye dönüşüyor.

“İlk başta, silika jelin geçici doğası Raman verilerindeki bir rastlantı gibi görünüyordu. Ancak aniden ortadan kaybolmasının her CO2’nin tutarlı, yadsınamaz bir özelliği olduğu kısa sürede anlaşıldı.₂-enjekte edilmiş örnek” diyor Hajduczek.

Üçüncü Perde: Yeniden düzenlenmiş bir matris

Silika jelin tüketilmesiyle macun geleneksel hidrasyona dönüşür ancak geride bıraktığı şey ölçülebilir derecede farklıdır. Yeni bağlayıcının çimento matrisi boyunca daha eşit bir şekilde dağılması nedeniyle ortaya çıkan mikro yapı erken yaşta daha güçlü ve daha tekdüzedir. Çalışmada CO ile karıştırılan macun₂ Çimento ağırlığına göre %1 oranında, referans karışımlarla karşılaştırıldığında 24 saatte ortalama %13 daha yüksek basınç dayanımı elde edildi.

“CO enjekte ediyoruz₂ Yıllarca içeride ne yaptığını tam olarak anlamadan çimento ürünlerine dönüştürdü. Artık bunu görebildiğimize ve performansın artmasına yol açan temel mekanizmayı anladığımıza göre, onu kontrol etmeye başlayabiliriz. Ve zorlanacak çok yer var” diyor Masic.

Bulgular aynı zamanda CO için önde gelen bir açıklamayı da geliştiriyor₂Enjekte edilen çimento hamurunun erken yaşta daha yüksek mukavemeti: Daha önce CSH büyümesini tohumladığından şüphelenilen kalsiyum karbonat kristallerinin, CSH oluşturmak üzere reaksiyona girmek yerine, silika jel şablonuna gömülü pasif seyirciler olduğu ortaya çıktı.

Kimyanın bundan sonra nereye gideceği

Mekanizmayı bilmek araştırmacılara takip edecekleri daha spesifik sorular verir. Silika jel şablonu yeni CSH’nin dağılımını açıklıyor ancak mekanik özelliklerinin doğrudan ölçülmesi bir sonraki adım olarak kalıyor.

Pratik açıdan dozaj önemlidir: sistemi çok fazla CO ile doldurun₂ ve kalsiyum, jel oluşup reaksiyona girmeden önce karbonata kilitlenir. Burada kullanılan macun bol miktarda CSH oluşturuyorsa, süreçte kullanılan fosil yakıtlarla ilişkili emisyonlar hariç, çimento üretiminden kaynaklanan karbon emisyonlarının %40’ına kadar teorik olarak dengelenebilir. Ancak uygulamada, ulaşılabilir dengeleme muhtemelen bu değerin sadece bir kısmı olacaktır, ancak yine de potansiyel olarak önemli düzeydedir.

Ancak bu açık sorulara rağmen hayaletimsi jel yakalandı. Artık araştırmacılar ne arayacaklarını bildiklerine göre, ilk sekiz saatte ortaya çıkan kimya artık görünmez değil.