Cement kontra beton:Deres forskelle, og muligheder for bæredygtighed

Der er meget, den gennemsnitlige person ikke ved om beton. For eksempel, det er porøst; det er verdens mest anvendte materiale efter vand; og, måske mest grundlæggende det er ikke cement.

Selvom mange bruger "cement" og "beton" i flæng, de refererer faktisk til to forskellige - men beslægtede - materialer:Beton er en sammensat fremstillet af flere materialer, den ene er cement.

Cementproduktion begynder med kalksten, en sedimentær sten. En gang brudt, det blandes med en silica kilde, såsom industrielle biprodukter slagge eller flyveaske, og bliver fyret i en ovn på 2, 700 grader Fahrenheit. Det, der kommer ud af ovnen, kaldes klinker. Cementplanter sliber klinker ned til et ekstremt fint pulver og bland et par tilsætningsstoffer. Det endelige resultat er cement.

"Cement bringes derefter til steder, hvor det blandes med vand, hvor det bliver til cementpasta, "forklarer professor Franz-Josef Ulm, fakultetsdirektør for MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). "Hvis du tilføjer sand til den pasta, bliver det til mørtel. Og hvis du tilføjer til mørtlen store aggregater - sten med en diameter på op til en tomme - bliver det til beton."

Det, der gør beton så stærkt, er den kemiske reaktion, der opstår, når cement og vand blandes - en proces kendt som hydrering.

"Hydrering opstår, når cement og vand reagerer, "siger Ulm." Under hydrering, klinkeren opløses i calciumet og rekombineres med vand og silica til dannelse af calciumsiliciumhydrat. "

Calciumsilica -hydrater, eller CSH, er nøglen til cementens soliditet. Når de dannes, de kombinerer, udvikle tætte bindinger, der giver materialet styrke. Disse forbindelser har et overraskende biprodukt - de gør cement utrolig porøs.

Inden for mellemrummene mellem bindinger af CSH, små porer udvikler sig - på en skala fra 3 nanometer, eller omkring 8 milliontedele af en tomme. Disse er kendt som gelporer. Oven i købet, alt vand, der ikke har reageret for at danne CSH under hydreringsprocessen, forbliver i cementen, skabe et andet sæt større porer, kaldes kapillære porer.

Ifølge forskning foretaget af CSHub, det franske nationale center for videnskabelig forskning, og Aix-Marseille University, cementpasta er så porøs, at 96 procent af dets porer er forbundet.

På trods af denne porøsitet, cement har fremragende styrke og bindingsegenskaber. Selvfølgelig, ved at reducere denne porøsitet, man kan skabe et tættere og endnu stærkere slutprodukt.

Fra 1980'erne, ingeniører designede et materiale-højtydende beton (HPC)-der gjorde netop det.

"Beton med høj ydeevne udviklet i 1980'erne, da folk indså, at kapillærporerne delvis kan reduceres ved at reducere forholdet mellem vand og cement, "siger Ulm." Også med tilsætning af visse ingredienser, dette skabte mere CSH og reducerede det vand, der blev tilbage efter hydrering. I det væsentlige, det reducerede de større porer fyldt med vand og øgede materialets styrke. "

Selvfølgelig, bemærker Ulm, at reducere forholdet mellem vand og cement for HPC kræver også mere cement. Og afhængigt af hvordan cementen produceres, dette kan øge materialets miljøpåvirkning. Dette skyldes dels, at når calciumcarbonat fyres i en ovn for at producere konventionel cement, der opstår en kemisk reaktion, der producerer kuldioxid (CO ₂ ).

En anden kilde til cementens CO ₂ emissioner kommer fra opvarmning af cementovne. Denne opvarmning skal udføres ved hjælp af fossile brændstoffer på grund af de ekstremt høje temperaturer, der kræves i ovnen (2, 700 F). Elektrificering af ovne undersøges, men det er i øjeblikket ikke teknisk eller økonomisk muligt.

Da beton er det mest populære materiale i verden, og cement er det primære bindemiddel, der bruges i beton, disse to kilder til CO ₂ er hovedårsagen til, at cement bidrager med omkring 8 procent af de globale emissioner.

CSHub's administrerende direktør Jeremy Gregory, imidlertid, ser betonens skala som en mulighed for at afbøde klimaforandringer.

"Beton er det mest anvendte byggemateriale i verden. Og fordi vi bruger så meget af det, enhver reduktion, vi foretager i dens fodaftryk, vil have stor indflydelse på de globale emissioner. "

Mange af de teknologier, der er nødvendige for at reducere betons fodaftryk, findes i dag, bemærker han.

"Når det kommer til at reducere emissionerne af cement, vi kan øge effektiviteten af ​​cementovne ved at øge vores anvendelse af affaldsmaterialer som energikilder frem for fossile brændstoffer, "forklarer Gregory.

"Vi kan også bruge blandede cement, der har mindre klinker, såsom Portland kalksten cement, som blander uopvarmet kalksten i cementproduktionens sidste slibningstrin. Det sidste, vi kan gøre, er at fange og gemme eller udnytte det kulstof, der udledes under cementproduktion. "

Carbon capture, udnyttelse, og opbevaring har et betydeligt potentiale for at reducere cement og betons miljøpåvirkning og samtidig skabe store markedsmuligheder. Ifølge Center for Klima- og Energiløsninger, kulstofudnyttelse i beton vil have et globalt marked på 400 milliarder dollars inden 2030. Flere virksomheder, som Solidia Cement og Carbon Cure, er ved at komme foran kurven ved at designe cement og beton, der udnytter og følgelig opsamler CO ₂ under produktionsprocessen.

"Hvad er klart, selvom, "siger Gregory, "er, at lavkulstofbetonblandinger bliver nødt til at bruge mange af disse strategier. Det betyder, at vi skal gentænke, hvordan vi designer vores betonblandinger."

I øjeblikket, de nøjagtige specifikationer for betonblandinger er foreskrevet på forhånd. Selvom dette reducerer risikoen for udviklere, det hindrer også innovative blandinger, der reducerer emissioner.

Som en løsning, Gregory går ind for at specificere en blandings ydeevne frem for dens ingredienser.

"Mange forskriftsmæssige krav begrænser evnen til at forbedre betons miljøpåvirkning-såsom begrænsninger på forholdet mellem vand og cement og brugen af ​​affaldsmaterialer i blandingen, "forklarer han." Skift til præstationsbaserede specifikationer er en nøgleteknik til at tilskynde til mere innovation og opfylde omkostnings- og miljøpåvirkningsmål. "

Ifølge Gregory, dette kræver et kulturskifte. For at overgå til præstationsbaserede specifikationer, mange interessenter, såsom arkitekter, ingeniører, og angivere, bliver nødt til at samarbejde om at designe den optimale blanding til deres projekt frem for at stole på et foruddesignet mix.

For at opmuntre andre drivere af lav-kulstofbeton, siger Gregory, "vi [også] er nødt til at håndtere risiko- og omkostningsbarrierer. Vi kan afbøde risikoen ved at bede producenterne om at rapportere deres produkters miljøaftryk og ved at muliggøre præstationsbaserede specifikationer. For at imødegå omkostninger, vi er nødt til at støtte udviklingen og implementeringen af ​​CO2-opsamling og kulstoffattige teknologier. "

Selvom innovationer kan reducere betonens oprindelige emissioner, beton kan også reducere emissioner på andre måder.

En måde er gennem dens brug. Anvendelse af beton i bygninger og infrastruktur kan muliggøre lavere drivhusgasemissioner over tid. Betonbygninger, for eksempel, kan have høj energieffektivitet, mens overfladen og strukturelle egenskaber ved betonbelægninger tillader biler at forbruge mindre brændstof.

Beton kan også reducere en del af dets indledende påvirkning gennem eksponering for luften.

"Noget unikt ved beton er, at det faktisk absorberer kulstof i løbet af sit liv under en naturlig kemisk proces kaldet kulsyre, "siger Gregory.

Kulsyre sker gradvist i beton som CO ₂ i luften reagerer med cement for at danne vand og calciumcarbonat. En artikel fra Nature Geoscience fra 2016 fandt ud af, at siden 1930 har kulsyre i beton har opvejet 43 procent af emissionerne fra den kemiske transformation af calciumcarbonat til klinker under cementproduktion.

Kulsyre, selvom, har en ulempe. Det kan føre til korrosion af stålstangen, der ofte er sat i beton. Fremadrettet, ingeniører kan søge at maksimere kulstofoptagelsen af ​​kulsyreprocessen og samtidig minimere de holdbarhedsproblemer, det kan udgøre.

Kulsyre, samt teknologier som kulstofopsamling, udnyttelse, og opbevaring og forbedrede blandinger, vil alle bidrage til lavere kulstofbeton. Men at gøre dette muligt vil kræve samarbejde mellem den akademiske verden, industri, og regeringen, siger Gregory.

Han ser dette som en mulighed.

"Forandringer behøver ikke at ske baseret på bare teknologi, "bemærker han." Det kan også ske ved, hvordan vi arbejder sammen mod fælles mål. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.