Trotz der vielen Vorteile von Beton als modernes Baumaterial, einschließlich seiner hohen Festigkeit, niedrigen Kosten und einfachen Herstellung, macht seine Produktion derzeit etwa 8 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen aus.
Jüngste Entdeckungen eines Teams am MIT haben gezeigt, dass die Einführung neuer Materialien in bestehende Betonherstellungsverfahren diesen CO2-Fußabdruck erheblich reduzieren könnte, ohne die mechanischen Masseneigenschaften des Betons zu verändern.
Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift veröffentlicht PNAS-Nexusin 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.
Nach Wasser ist Beton das am zweithäufigsten verbrauchte Material der Welt und stellt den Eckpfeiler der modernen Infrastruktur dar. Bei seiner Herstellung werden jedoch große Mengen Kohlendioxid freigesetzt, sowohl als chemisches Nebenprodukt der Zementherstellung als auch in der Energie, die zum Befeuern dieser Reaktionen benötigt wird.
Etwa die Hälfte der mit der Betonherstellung verbundenen Emissionen stammen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, die zum Erhitzen einer Mischung aus Kalkstein und Ton verwendet werden, die schließlich zu dem bekannten grauen Pulver wird, das als gewöhnlicher Portlandzement (OPC) bekannt ist. . Während die für diesen Erwärmungsprozess benötigte Energie irgendwann durch Strom aus erneuerbaren Sonnen- oder Windquellen ersetzt werden könnte, ist die andere Hälfte der Emissionen materialinhärent: Da das Mineralgemisch auf Temperaturen über 1.400 Grad Celsius (2.552 Grad Celsius) erhitzt wird Fahrenheit) durchläuft es eine chemische Umwandlung von Calciumcarbonat und Ton in eine Mischung aus Klinker (hauptsächlich bestehend aus Calciumsilikaten) und Kohlendioxid – wobei letzteres in die Luft entweicht.
Wenn OPC während der Betonherstellung mit Wasser, Sand und Kiesmaterial vermischt wird, wird es stark alkalisch und schafft eine scheinbar ideale Umgebung für die Abscheidung und Langzeitspeicherung von Kohlendioxid in Form von Karbonatmaterialien (ein Prozess, der als Kohlensäure). Trotz dieses Potenzials von Beton, Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf natürliche Weise zu absorbieren, können diese Reaktionen, wenn sie normalerweise auftreten, hauptsächlich in ausgehärtetem Beton, sowohl das Material schwächen als auch die innere Alkalinität verringern, was die Korrosion des Bewehrungsstabs beschleunigt. Diese Prozesse zerstören letztendlich die Tragfähigkeit des Gebäudes und beeinträchtigen seine mechanische Dauerleistung. Daher sind diese langsamen Carbonatisierungsreaktionen im Spätstadium, die über Jahrzehnte hinweg auftreten können, seit langem als unerwünschte Pfade anerkannt, die die Betonverschlechterung beschleunigen.
„Das Problem bei diesen Nachhärtungskarbonisierungsreaktionen“, sagt Masic, „besteht darin, dass Sie die Struktur und Chemie der Zementierungsmatrix stören, die sehr effektiv bei der Verhinderung von Stahlkorrosion ist, die zu einer Verschlechterung führt.“
Im Gegensatz dazu beruhen die von den Autoren entdeckten neuen Kohlendioxidbindungswege auf der sehr frühen Bildung von Karbonaten während des Betonmischens und -gießens, bevor das Material abbindet, was die nachteiligen Auswirkungen der Kohlendioxidaufnahme nach dem Aushärten des Materials weitgehend eliminieren könnte.
Der Schlüssel zu dem neuen Verfahren ist die Zugabe einer einfachen, kostengünstigen Zutat: Natriumbikarbonat, auch bekannt als Backpulver. In Labortests unter Verwendung von Natriumbicarbonat-Substitution zeigte das Team, dass bis zu 15 Prozent der Gesamtmenge an Kohlendioxid im Zusammenhang mit der Zementproduktion in diesen frühen Stadien mineralisiert werden könnten – genug, um möglicherweise den globalen CO2-Fußabdruck des Materials erheblich zu beeinträchtigen.
„Es ist alles sehr aufregend“, 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 zuvor nicht beschriebenen Verbundphase viel schneller aus, ohne seine mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Dieses Verfahren ermöglicht somit der Bauindustrie eine höhere Produktivität: Schalungen können früher entfernt werden, wodurch die Zeit für die Fertigstellung einer Brücke oder eines Gebäudes verkürzt wird.
Der Verbundstoff, eine Mischung aus Kalziumkarbonat und Kalziumsiliziumhydrat, „ist ein völlig neues Material“, sagt Masic. „Außerdem können wir durch seine Bildung die mechanische Leistung des Betons im Frühstadium verdoppeln.“ Er fügt jedoch hinzu, dass diese Forschung immer noch andauert. „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.“
Die Idee der Betonkarbonisierung im Frühstadium ist zwar nicht neu, und es gibt mehrere bestehende Unternehmen, die derzeit diesen Ansatz untersuchen, um Kohlendioxid zu fördernAufnahme, nachdem der Beton in die gewünschte Form gegossen wurde, unterstreichen die aktuellen Entdeckungen des MIT-Teams die Tatsache, dass die Vorhärtungskapazität von Beton, Kohlendioxid zu binden, weitgehend unterschätzt und zu wenig genutzt wurde.
„Unsere neue Entdeckung könnte ferner 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 Beton von einem Problem zu einem Teil einer Lösung zu machen “, sagt Masik.
Die Forschung wurde vom Concrete Sustainability Hub am MIT unterstützt, das von der Portland Cement Association und der Concrete Research and Education Foundation gesponsert wird.
