Μια ένεση διοξειδίου του άνθρακα αλλάζει τον τρόπο πήξης του τσιμέντου

Snapshot

• Η έγχυση διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) στον φρέσκο τσιμεντοπολτό προκαλεί άμεση δέσμευση ασβεστίου και σχηματισμό ανθρακικού ασβεστίου, επιβραδύνοντας προσωρινά την κανονική ενυδάτωση.
• Η φασματοσκοπία Raman επέτρεψε την άμεση παρατήρηση των ταχύτατων χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε τσιμέντο με έγχυση CO₂.
• Μετά την ορυκτοποίηση του CO₂, η ενυδάτωση επανέρχεται και σχηματίζεται ένυδρο πυριτικό ασβέστιο (C
• S
• H) κατανεμημένο ομοιόμορφα στη μήτρα, βελτιώνοντας τη συγκολλητική ικανότητα του τσιμέντου.
• Η μικροδομή του τσιμέντου με CO₂ είναι πιο ανθεκτική και ομοιογενής, οδηγώντας σε αύξηση της αντοχής σε θλίψη κατά μέσο όρο 13% μέσα σε 24 ώρες.
• Η μέθοδος προσφέρει έναν τρόπο αποθήκευσης CO₂ και μειώνει τις εκπομπές του στην ατμόσφαιρα μέσω της βελτίωσης των ιδιοτήτων του σκυροδέματος.

Snapshot powered by AI

Ένα φθινοπωρινό πρωινό του Σεπτεμβρίου, άρχισε να «χιονίζει» μέσα στο εργαστήριο Pierce του MIT.

Ερευνητές αποσυμπίεσαν μια δεξαμενή υγρού διοξειδίου του άνθρακα (CO₂), το οποίο πάγωσε ακαριαία, απελευθερώνοντας στερεές νιφάδες. Αυτές αναμείχθηκαν με τσιμεντοπολτό και συμπιέστηκαν σε δισκία περίπου στο μέγεθος ενός νομίσματος του δεκαλέπτου, καθένα σφραγισμένο με ένα λεπτό στρώμα φυτικού ελαίου ώστε να διατηρείται το νερό και να αποκλείεται ο αέρας. Η ομάδα στόχευσε λέιζερ πάνω σε κάθε δείγμα, παρατηρώντας για πρώτη φορά την παροδική χημική αντίδραση που ίσως εξηγεί γιατί ο τσιμεντοπολτός με έγχυση CO₂ αποκτά ταχύτερα αντοχή.

Η έγχυση CO₂ σε τσιμεντοειδή προϊόντα όπως το σκυρόδεμα είναι ένας τρόπος αποθήκευσής του και αποτροπής της εκπομπής του στην ατμόσφαιρα. Η διαδικασία έχει προσελκύσει εμπορικό ενδιαφέρον, με ολοένα και περισσότερες εταιρείες να προσφέρουν μίγματα σκυροδέματος με έγχυση CO₂. Ωστόσο, μέχρι τώρα η υποκείμενη χημεία του τσιμέντου δεν είχε αποτυπωθεί άμεσα.

Μια νέα ανοικτής πρόσβασης μελέτη στο Journal of the American Ceramic Society — υπό την καθοδήγηση του αναπληρωτή καθηγητή Αντίρ Μαζικ (Admir Masic) και με πρώτο συγγραφέα τον μεταπτυχιακό φοιτητή Μαρσίν Χαϊντουτσέκ (Marcin Hajduczek), και οι δύο από το MIT Concrete Sustainability Hub και το Τμήμα Πολιτικών και Περιβαλλοντικών Μηχανικών του MIT — περιγράφει τη χημική αλληλουχία που εκτυλίσσεται όταν το CO₂ έρχεται σε επαφή με φρέσκο τσιμεντοπολτό. Συν-συγγραφείς είναι οι Σαντιάγκο Ελ Αουάντ και Φραντς-Γιόζεφ Ουλμ από το MIT, μαζί με ερευνητές από το IIT Jodhpur και την CarbonCure Technologies.

Προηγούμενες μελέτες είχαν συνθέσει μια εικόνα για τις χημικές επιπτώσεις της έγχυσης CO₂ μέσω θεωρίας και έμμεσων ενδείξεων· οι βασικές αντιδράσεις όμως ήταν τόσο γρήγορες και εξαφανίζονταν τόσο πλήρως, που οι συμβατικές τεχνικές δεν μπορούσαν να τις «πιάσουν» εν δράσει. Η μικροσκοπία Raman confocal μπορούσε — και βασίζεται σε μια απλή αρχή: φωτίζεις ένα μόριο με λέιζερ και το σκεδαζόμενο φως αποκαλύπτει την ταυτότητά του. Το φως αλληλεπιδρά με τους μοναδικούς χημικούς δεσμούς κάθε υλικού, μετατοπίζεται ενεργειακά και παράγει ένα χαρακτηριστικό «δακτυλικό αποτύπωμα» φάσματος. Ακόμη και οι πιο φευγαλέες και άμορφες φάσεις αφήνουν ανιχνεύσιμο ίχνος.

«Έχουμε χρησιμοποιήσει τη φασματοσκοπία Raman για να κατανοήσουμε μερικά από τα πιο ενδιαφέροντα υλικά στην ιστορία, από τους Χειρόγραφους της Νεκράς Θάλασσας έως το αρχαίο ρωμαϊκό σκυρόδεμα», λέει ο Μαζικ. «Ο τσιμεντοπολτός μπορεί να φαίνεται λιγότερο “λαμπερός” σε σύγκριση, αλλά αν στρέψουμε ένα λέιζερ σε τσιμεντοπολτό με έγχυση CO₂ καθώς σκληραίνει, μπορούμε να οπτικοποιήσουμε πράγματα που δεν είχαν ξαναφανεί».

Αυτό που είδαν, ξεδιπλούμενο μέσα σε 24 ώρες συνεχούς σάρωσης, ήταν ένα τριπλό χημικό δράμα.

Πράξη πρώτη: Δέσμευση του ασβεστίου

Τη στιγμή που προστίθεται CO₂ στον φρέσκο τσιμεντοπολτό, ξεκινά αμέσως η δράση του. Διαλύεται στο πορώδες διάλυμα και αντιδρά με το ασβέστιο που απελευθερώνεται από την αποσύνθεση του κλίνκερ, σχηματίζοντας διάφορες μορφές ανθρακικού ασβεστίου. Το κλίνκερ παράγεται με θέρμανση ασβεστόλιθου και αργιλοπυριτικών υλικών σε κλίβανο και αποτελεί το βασικό συστατικό που αλέθεται σε λεπτή σκόνη για την παραγωγή τσιμέντου. Αυτό συμβαίνει μέσα στην πρώτη ώρα, επιβραδύνοντας προσωρινά την κανονική αντίδραση ενυδάτωσης, η οποία χρειάζεται ασβέστιο για να προχωρήσει.

Αντίθετα, όταν δεν υπάρχει CO₂, το ασβέστιο που απελευθερώνεται από το κλίνκερ παραμένει διαθέσιμο τοπικά, υποστηρίζοντας τη σταδιακή δημιουργία των δεσμευτικών φάσεων του υλικού κατά τη σκλήρυνσή του.

Χωρίς διαθέσιμο ασβέστιο, τα πυριτικά που απελευθερώνονται από το κλίνκερ διαλύονται στο πορώδες διάλυμα και κατακρημνίζονται μακριά από την πηγή τους, συνδεόμενα σε αλυσίδες που σχηματίζουν ένα διασυνδεδεμένο δίκτυο πυριτικής γέλης μέσα στον πολτό. Αυτή η άμορφη, παροδική γέλη θέτει τις βάσεις για ό,τι ακολουθεί.

Πράξη δεύτερη: Η φασματική «φαντασματική» γέλη

Μόλις το εγχυμένο CO₂ έχει πλήρως ορυκτοποιηθεί — περίπου τέσσερις έως πέντε ώρες μετά την ανάμιξη — η κανονική ενυδάτωση επανεκκινείται. Το υδροξείδιο του ασβεστίου αρχίζει να κατακρημνίζεται στους πόρους και, όταν συμβαίνει αυτό, συναντά το δίκτυο της πυριτικής γέλης που έχει απομείνει.

Η αντίδραση μεταξύ των δύο φάσεων ξεκινά άμεσα, παράγοντας ένυδρο πυριτικό ασβέστιο (C-S-H), την ένωση που δίνει στο τσιμέντο τη συγκολλητική του ικανότητα. Αυτό που κάνει αυτή τη μορφή C-S-H διαφορετική είναι το πού και πώς σχηματίζεται: όχι συγκεντρωμένη γύρω από τα σωματίδια κλίνκερ όπως στην κλασική ενυδάτωση, αλλά κατανεμημένη σε ολόκληρη τη μήτρα, εκεί όπου είχε εξαπλωθεί η πυριτική γέλη.

Το CO₂ είχε προσωρινά καταστείλει την αλκαλικότητα του πολτού και αυτό το χαμηλότερο pH ήταν το μόνο που κρατούσε σταθερή τη γέλη. Καθώς η ενυδάτωση επανέρχεται και παράγονται τα συνηθισμένα προϊόντα, δηλαδή C-S-H και υδροξείδιο του ασβεστίου, το τελευταίο ανεβάζει ξανά το pH σε φυσιολογικά επίπεδα μέσα σε έναν αυτοενισχυόμενο κύκλο· η πυριτική γέλη αντιδρά με το υδροξείδιο του ασβεστίου μέσω μιας λεγόμενης ποζολανικής αντίδρασης. Μέσα σε οκτώ ώρες, η γέλη έχει σχεδόν εξαφανιστεί — το δίκτυο μετατρέπεται γρήγορα σε επιπλέον C-S-H σε αυτό το κρίσιμο πρώιμο παράθυρο.

«Στην αρχή, η φευγαλέα φύση της πυριτικής γέλης έμοιαζε με σφάλμα στα δεδομένα Raman. Αλλά γρήγορα έγινε σαφές ότι η ξαφνική εξαφάνισή της ήταν ένα σταθερό, αδιαμφισβήτητο χαρακτηριστικό σε όλα τα δείγματα με CO₂», λέει ο Χαϊντουτσέκ.

Πράξη τρίτη: Μια ανασχεδιασμένη μήτρα

Με τη γέλη να έχει καταναλωθεί, ο πολτός περνά σε συμβατική ενυδάτωση, αλλά αυτό που αφήνει πίσω του είναι μετρήσιμα διαφορετικό. Επειδή το νέο συνδετικό υλικό είχε κατανεμηθεί πιο ομοιόμορφα μέσα στη μήτρα του τσιμέντου, η τελική μικροδομή είναι πιο ανθεκτική και πιο ομοιογενής σε πρώιμο στάδιο. Στη μελέτη, πολτός με 1% CO₂ κατά βάρος τσιμέντου πέτυχε κατά μέσο όρο 13% υψηλότερη αντοχή σε θλίψη στις 24 ώρες, σε σύγκριση με τα δείγματα αναφοράς.