Er is veel dat de gemiddelde persoon niet weet over beton. Bijvoorbeeld, het is poreus; het is 's werelds meest gebruikte materiaal na water; en, misschien wel het meest fundamenteel, het is geen cement.

Hoewel velen "cement" en "beton" door elkaar gebruiken, ze verwijzen eigenlijk naar twee verschillende, maar verwante materialen:beton is een composiet gemaakt van verschillende materialen, waarvan er één cement is.

Cementproductie begint met kalksteen, een sedimentair gesteente. Eenmaal gedolven, het wordt gemengd met een silicabron, zoals industriële bijproducten slakken of vliegas, en wordt om 2 uur in een oven gebakken, 700 graden Fahrenheit. Wat uit de oven komt, wordt klinker genoemd. Cementfabrieken vermalen klinker tot een uiterst fijn poeder en mengen er enkele additieven bij. Het uiteindelijke resultaat is cement.

"Cement wordt vervolgens naar plaatsen gebracht waar het wordt gemengd met water, waar het cementpasta wordt, " legt professor Franz-Josef Ulm uit, faculteitsdirecteur van de MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). "Als je zand aan die pasta toevoegt, wordt het mortel. En als je aan de mortel grote aggregaten toevoegt - stenen met een diameter van wel een inch - wordt het beton."

Wat beton zo sterk maakt, is de chemische reactie die optreedt wanneer cement en water zich vermengen - een proces dat bekend staat als hydratatie.

"Hydratatie treedt op wanneer cement en water reageren, " zegt Ulm. "Tijdens hydratatie, de klinker lost op in het calcium en recombineert met water en silica om calciumsilicahydraten te vormen."

Calciumsiliciumhydraten, of CSH, zijn de sleutel tot de stevigheid van cement. Zoals ze zich vormen, zij combineren, het ontwikkelen van hechte verbindingen die het materiaal kracht geven. Deze verbindingen hebben een verrassend bijproduct:ze maken cement ongelooflijk poreus.

Binnen de ruimtes tussen de bindingen van CSH, er ontstaan ​​kleine poriën - op de schaal van 3 nanometer, of ongeveer 8 miljoenste van een inch. Deze staan ​​bekend als gelporiën. Daar bovenop, al het water dat tijdens het hydratatieproces niet heeft gereageerd om CSH te vormen, blijft in het cement, het creëren van een andere reeks grotere poriën, capillaire poriën genoemd.

Volgens onderzoek uitgevoerd door CSHub, het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, en de universiteit van Aix-Marseille, cementpasta is zo poreus dat 96 procent van de poriën met elkaar verbonden zijn.

Ondanks deze porositeit, cement bezit uitstekende sterkte en bindende eigenschappen. Natuurlijk, door deze porositeit te verminderen, men kan een dichter en nog sterker eindproduct creëren.

Vanaf de jaren 80, ingenieurs ontwierpen een materiaal - hoogwaardig beton (HPC) - dat precies dat deed.

"Beton met hoge prestaties, ontwikkeld in de jaren 80 toen mensen zich realiseerden dat de capillaire poriën gedeeltelijk kunnen worden verkleind door de water-cementverhouding te verminderen, ", zegt Ulm. "Ook door de toevoeging van bepaalde ingrediënten, dit zorgde voor meer CSH en verminderde het water dat achterbleef na hydratatie. Eigenlijk, het verkleinde de grotere poriën gevuld met water en verhoogde de sterkte van het materiaal."

Natuurlijk, merkt Ulm op, het verminderen van de water-tot-cementverhouding voor HPC vereist ook meer cement. En afhankelijk van hoe dat cement wordt geproduceerd, dit kan de milieu-impact van het materiaal vergroten. Dit komt deels doordat wanneer calciumcarbonaat in een oven wordt gebakken om conventioneel cement te produceren, er vindt een chemische reactie plaats waarbij koolstofdioxide (CO ₂ ).

Een andere bron van CO . van cement ₂ emissies zijn afkomstig van het verwarmen van cementovens. Deze verwarming moet gebeuren met fossiele brandstoffen vanwege de extreem hoge temperaturen die nodig zijn in de oven (2, 700 F). De elektrificatie van ovens wordt bestudeerd, maar het is momenteel technisch of economisch niet haalbaar.

Aangezien beton het meest populaire materiaal ter wereld is en cement het primaire bindmiddel is dat in beton wordt gebruikt, deze twee bronnen van CO ₂ zijn de belangrijkste reden dat cement bijdraagt ​​aan ongeveer 8 procent van de wereldwijde uitstoot.

CSHub's uitvoerend directeur Jeremy Gregory, echter, ziet de schaal van beton als een kans om de klimaatverandering tegen te gaan.

"Beton is het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld. En omdat we er zoveel van gebruiken, elke reductie die we in zijn voetafdruk maken, zal een grote impact hebben op de wereldwijde uitstoot."

Veel van de technologieën die nodig zijn om de voetafdruk van beton te verkleinen, bestaan ​​tegenwoordig, merkt hij op.

"Als het gaat om het verminderen van de uitstoot van cement, we kunnen de efficiëntie van cementovens verhogen door meer gebruik te maken van afvalmaterialen als energiebronnen in plaats van fossiele brandstoffen, ’ legt Gregorius uit.

"We kunnen ook gemengde cementen gebruiken die minder klinker bevatten, zoals Portland kalksteencement, die onverwarmde kalksteen mengt in de laatste maalstap van de cementproductie. Het laatste wat we kunnen doen is de koolstof die vrijkomt bij de cementproductie opvangen en opslaan of gebruiken."

Koolstofopname, gebruik, en opslag heeft een aanzienlijk potentieel om de milieu-impact van cement en beton te verminderen en tegelijkertijd grote marktkansen te creëren. Volgens het Center for Climate and Energy Solutions, het gebruik van koolstof in beton zal tegen 2030 een wereldwijde markt van $ 400 miljard hebben. Verschillende bedrijven, zoals Solidia Cement en Carbon Cure, lopen voorop door cement en beton te ontwerpen die CO . gebruiken en bijgevolg vasthouden ₂ tijdens het productieproces.

"Wat is duidelijk, Hoewel, " zegt Gregorius, "is dat koolstofarme betonmengsels veel van deze strategieën zullen moeten gebruiken. Dit betekent dat we moeten heroverwegen hoe we onze betonmengsels ontwerpen."

Momenteel, de exacte specificaties van betonmengsels worden vooraf voorgeschreven. Hoewel dit het risico voor ontwikkelaars vermindert, het belemmert ook innovatieve mixen die de uitstoot verlagen.

Als oplossing, Gregory pleit ervoor om de prestaties van een mix te specificeren in plaats van de ingrediënten.

"Veel prescriptieve vereisten beperken het vermogen om de milieu-impact van beton te verbeteren, zoals limieten voor de water-cementverhouding en het gebruik van afvalstoffen in het mengsel, "legt hij uit. "Overschakelen naar op prestaties gebaseerde specificaties is een belangrijke techniek om meer innovatie aan te moedigen en de doelstellingen voor kosten en milieu-impact te halen."

Volgens Gregorius, daarvoor is een cultuuromslag nodig. Om over te stappen op prestatiegebaseerde specificaties, tal van belanghebbenden, zoals architecten, ingenieurs, en bestekschrijvers, zullen moeten samenwerken om de optimale mix voor hun project te ontwerpen in plaats van te vertrouwen op een vooraf ontworpen mix.

Om andere bestuurders van koolstofarm beton aan te moedigen, zegt Gregorius, "we moeten [ook] de risico- en kostenbarrières aanpakken. We kunnen de risico's beperken door producenten te vragen de ecologische voetafdruk van hun producten te rapporteren en door prestatiegebaseerde specificaties mogelijk te maken. Om de kosten aan te pakken, we moeten de ontwikkeling en toepassing van koolstofafvang en koolstofarme technologieën ondersteunen."

Hoewel innovaties de initiële uitstoot van beton kunnen verminderen, beton kan ook op andere manieren de uitstoot verminderen.

Een manier is door het gebruik ervan. De toepassing van beton in gebouwen en infrastructuur kan op termijn een lagere uitstoot van broeikasgassen mogelijk maken. betonnen gebouwen, bijvoorbeeld, kan een hoge energie-efficiëntie hebben, terwijl het oppervlak en de structurele eigenschappen van betonnen trottoirs ervoor zorgen dat auto's minder brandstof verbruiken.

Beton kan ook een deel van zijn aanvankelijke impact verminderen door blootstelling aan de lucht.

"Iets unieks aan beton is dat het tijdens zijn leven koolstof opneemt tijdens een natuurlijk chemisch proces dat carbonatatie wordt genoemd. ' zegt Gregorius.

Carbonatatie treedt in beton geleidelijk op als CO ₂ in de lucht reageert met cement om water en calciumcarbonaat te vormen. Een artikel uit 2016 in Nature Geoscience ontdekte dat sinds 1930, carbonatatie in beton heeft 43 procent van de emissies gecompenseerd door de chemische omzetting van calciumcarbonaat in klinker tijdens de cementproductie.

Carbonatatie, Hoewel, heeft een nadeel. Het kan leiden tot corrosie van de stalen wapening die vaak in beton zit. Vooruit gaan, ingenieurs kunnen proberen de koolstofopname van het carbonatatieproces te maximaliseren en tegelijkertijd de duurzaamheidsproblemen die het kan opleveren, te minimaliseren.

Carbonatatie, evenals technologieën zoals koolstofafvang, gebruik, en opslag en verbeterde mixen, zullen allemaal bijdragen aan koolstofarm beton. Maar om dit mogelijk te maken, is de medewerking van de academische wereld vereist, industrie, en de regering, zegt Gregorius.

Hij ziet dit als een kans.

"Verandering hoeft niet te gebeuren op basis van alleen technologie, " merkt hij op. "Het kan ook gebeuren door hoe we samenwerken aan gemeenschappelijke doelstellingen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.