MIT-Forscher entwickeln neue Zusatzstoffe für „grünen“ Beton

Forscher am MIT entdecken neue Wege zur Betonherstellung, die weniger Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzen.

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Beton ist das am zweithäufigsten verbrauchte Material der Welt. Wasser steht an erster Stelle. Es ist auch der Grundstein moderner Infrastruktur. Es wird zum Bau von Straßen, Brücken, Gebäuden und allem anderen verwendet, das langlebig und langlebig sein soll. Aber es gibt einen Nachteil. Bei der Herstellung von Beton entstehen große Mengen Kohlendioxid, sowohl als chemisches Nebenprodukt der Zementproduktion als auch in Form der Energie, die zum Antreiben dieser Reaktionen erforderlich ist. Jedes Jahr entstehen etwa 8 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen bei der Herstellung von Zement und Beton.

Ein Forscherteam am MIT gibt an, neue Materialien entdeckt zu haben, die die Kohlenstoffemissionen bei herkömmlichen Betonherstellungsprozessen erheblich reduzieren, ohne die mechanischen Eigenschaften von Beton zu verändern. Ihre Ergebnisse wurden am 28. März in der Fachzeitschrift PNAS Nexus in einem Artikel mit dem eingängigen Titel „Cementing CO2 into CSH: A Step into Concrete Carbon Neutrality“ veröffentlicht. Die Autoren sind die MIT-Professoren für Bau- und Umweltingenieurwesen Admir Masic und Franz-Josef Ulm, der MIT-Postdoktorand Damian Stefaniuk und der Doktorand Marcin Hajduczek. Auch James Weaver vom Wyss Institute der Harvard University leistete einen Beitrag.

Etwa die Hälfte der mit der Zementproduktion verbundenen Emissionen stammen aus der 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 enthalten. Wenn die Mineralmischung auf Temperaturen über 1.400 Grad Celsius (2.552 Grad Fahrenheit) erhitzt wird, durchläuft sie eine chemische Umwandlung von Kalziumkarbonat und Ton in eine Mischung aus Klinker (hauptsächlich bestehend aus Kalziumsilikaten) und Kohlendioxid, die dann in die Luft freigesetzt wird Luft.

In einer Pressemitteilung sagen die MIT-Forscher, dass OPC, wenn es bei der Herstellung von Beton mit Wasser, Sand und Kies vermischt wird, stark alkalisch wird, was eine scheinbar ideale Umgebung für die Sequestrierung und langfristige Speicherung von Kohlendioxid schafft die Form von Karbonatmaterialien (ein Prozess, der als Karbonisierung bekannt ist). Trotz des Potenzials von Beton, auf natürliche Weise Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu absorbieren, können diese Reaktionen, wenn sie normalerweise stattfinden – hauptsächlich im ausgehärteten Beton – 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. Diese langsamen Karbonatisierungsreaktionen im Spätstadium, die über Zeitskalen von Jahrzehnten ablaufen können, sind 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. Die von den Forschern entdeckten neuen Wege zur Kohlendioxidbindung beruhen 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 bis zu 15 % der Gesamtmenge an Kohlendioxid, die mit der Zementproduktion verbunden ist, in diesen frühen Phasen 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.“

Bildnachweis: MIT

Die andere gute Nachricht ist, dass der resultierende Beton durch die Bildung einer bisher unbeschriebenen Verbundphase viel schneller aushärtet, ohne seine mechanische Leistung zu beeinträchtigen. Dieser Prozess ermöglicht somit eine höhere Produktivität der Bauindustrie. Beispielsweise können Schalungen früher entfernt werden, was die für die Fertigstellung einer Brücke oder eines Gebäudes erforderliche Zeit verkürzen kann.

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.“

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

„Unsere neue Entdeckung könnte außerdem mit anderen jüngsten Innovationen in 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 Portland Cement Association und der Concrete Research and Education Foundation gesponsert wird.

Masic hat eine Faszination für Beton, insbesondere für den von den Römern hergestellten Beton, der mehr als 1500 Jahre überdauert hat. Er und sein Forscherteam untersuchten die Situation und stellten fest, dass römischer Beton häufig Bruchstücke von Kalziumkarbonat enthält. Früher führte man diese Brocken auf schlechte Mischtechniken zurück, aber Masic glaubt, dass sie dem Beton selbstheilende Eigenschaften verleihen. Wenn Wasser in den Beton eindringt, reagiert es mit dem Kalziumkarbonat und bildet neuen Beton, der in die durch den Alterungsprozess entstandenen Risse fließt.

Andere Forscher vermuten, dass die Römer Meerwasser und vulkanisches Material verwendeten, um die Betonstrukturen herzustellen, die an den Ozean grenzen. Einige dieser Bauwerke sind heute auch mehr als 1500 Jahre alt.

Es ist interessant darüber nachzudenken, warum das Wissen, das die Römer vor 15 Jahrhunderten besaßen, nicht an moderne Baumeister weitergegeben wurde. Das dunkle Zeitalter scheint einen Großteil des bis dahin von der Menschheit angesammelten kollektiven Wissens ausgelöscht zu haben. Jetzt kämpfen Forscher darum, zu verstehen, was im Jahr 500 n. Chr. allgemein bekannt war. Vielleicht sind wir modernen Menschen nicht halb so schlau, wie wir denken.

Steve schreibt über die Schnittstelle zwischen Technologie und Nachhaltigkeit von seinem Zuhause in Florida oder wo auch immer die Macht ihn hinführen könnte. Er ist stolz darauf, „aufgewacht“ zu sein, und es ist ihm völlig egal, warum das Glas zerbrochen ist. Er glaubt leidenschaftlich an das, was Sokrates vor 3000 Jahren sagte: „Das Geheimnis des Wandels besteht darin, seine ganze Energie nicht auf den Kampf gegen das Alte, sondern auf den Aufbau des Neuen zu konzentrieren.“

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