Химически обрат: Как въглеродният диоксид пренарежда втвърдяването на цимента

Инжектирането на въглероден диоксид (CO₂) в циментови продукти като бетон се утвърди като обещаващ метод за постоянно съхранение на парникови газове извън атмосферата. Въпреки че индустриалният интерес към тази технология нараства и компании като CarbonCure вече предлагат комерсиални смеси, фундаменталната химия зад този процес оставаше до голяма степен невидима.

В ново изследване, публикувано в Journal of the American Ceramic Society, учени от Центъра за устойчивост на бетона към Масачузетския технологичен институт (MIT) визуализираха за първи път в реално време бързите реакции, които протичат в първите часове на втвърдяване [1]. Благодарение на съвременна Раманова спектроскопия екипът откри, че CO₂ не просто се минерализира, а фундаментално променя начина, по който циментът изгражда своята свързваща структура [1].

Авторско изображение: Сравнение на процеса на втвърдяване с и без CO₂

Експеримент с изкуствен сняг и лазери

Традиционните методи за изследване на цимент не позволяват улавянето на ранните химични фази, тъй като те протичат изключително бързо и изчезват напълно в рамките на часове. За да преодолеят това ограничение, изследователите в лабораторията Pierce на MIT прилагат нетрадиционен подход [1].

Под ръководството на доцент Адмир Машич и докторанта Марчин Хайдучек, екипът декомпресира резервоар с течен въглероден диоксид, превръщайки го моментално в твърди снежинки сух лед [1]. Тези снежинки са смесени директно с циментова паста и притиснати в тънки дискове с размера на монета от десет цента. За да се запази водното съдържание и да се предотврати навлизането на въздух, всеки диск е запечатан с фин слой растително масло.

Насочените лазери на конфокалния Раманов микроскоп сканират пробите непрекъснато в продължение на 24 часа. Тъй като разсеяната лазерна светлина реагира с уникалните химични връзки на всяко вещество, тя оставя специфичен спектрален „отпечатък“, позволяващ прецизно идентифициране дори на най-краткотрайните аморфни структури [1].

Триактовата химическа драма

Наблюденията разкриват последователност от три основни фази, които пренаписват познатата ни химия на Портланд цимента [1].

Акт 1: Улавяне на калция

В момента, в който въглеродният диоксид влезе в контакт с прясната циментова паста, той се разтваря в порния разтвор. Там той реагира с калциевите йони, освободени от разтварящия се клинкер (основната съставка на цимента, получена чрез изпичане на варовик), и бързо се утаява под формата на различни модификации на калциев карбонат.

Тъй като наличното количество свободен калций е блокирано от карбонатизацията, стандартната реакция на хидратация временно спира. Силикатите, освободени от клинкера, остават без калциеви партньори. Те се свързват помежду си в дълги вериги, формирайки сложна, взаимосвързана мрежа от силикатен гел в цялата паста. При нормални условия този гел не се образува, тъй като калцият веднага се свързва със силикатите около самите клинкерни частици.

Акт 2: Призрачният гел

След около четири до пет часа инжектираният CO₂ се минерализира напълно и нормалната хидратация се възобновява. Нивата на рН в системата започват да се покачват, а от клинкера се отделя нов калциев хидроксид.

В този момент се активира пуцоланова реакция: калциевият хидроксид реагира директно със силикатната гел мрежа, която служи като готов шаблон. Тъй като гелът вече е разпределен равномерно в цялото междучастично пространство, новият калциев силикат хидрат (C-S-H) — съединението, отговорно за здравината и свързващите свойства на цимента — започва да се образува навсякъде, където се е разпрострял силикатният гел. В рамките на осем часа от началото на процеса временният силикатен гел е напълно консумиран и заменен от C-S-H.

Акт 3: Пренаредена микроструктура

Тъй като свързващият гел C-S-H се формира равномерно в матрицата, а не само натрупан около клинкерните зърна, получената микроструктура е значително по-хомогенна и плътна.

Резултатите от изследването показват, че циментова паста, смесена с CO₂ в количество от 1% от теглото на цимента, постига средно 13% по-висока якост на натиск след 24 часа в сравнение с контролните референтни проби [1]. Това опровергава досегашната теория, че кристалите от калциев карбонат служат като „зародиши“ за растежа на C-S-H. Всъщност те се оказват пасивни наблюдатели, просто вградени в шаблона на силикатния гел.

Граници на дозирането и потенциал за декарбонизация

Откриването на този механизъм дава възможност за прецизен контрол над процеса, но изследователите предупреждават, че дозирането е критично [1]. Ако системата се претовари с твърде много въглероден диоксид, твърде голяма част от калция ще бъде трайно заключена в калциев карбонат, преди силикатният гел да успее да се образува и реагира нормално, което би отслабило крайния материал.

При оптимални условия технологията може теоретично да позволи съкращаване на емисиите от производството на цимент с до 40% (без да се включват емисиите от изкопаеми горива за пещите) благодарение на спестения суров материал и повишената ранна якост [1]. В реални условия спестените емисии ще бъдат по-ниски, но все пак представляват значителна стъпка към разработването на цимент с нулева емисия.

Сега, когато химическият път е напълно разкрит, учените планират да изследват директно механичните свойства на новополучените C-S-H фази в наномащаб, за да оптимизират допълнително бетоновите смеси на бъдещето.

Източници:

[1]: A shot of carbon dioxide rewires how cement sets - MIT News
[2]: In Situ Raman Spectroscopy of a Silica Gel-Templated Hydration Pathway in CO2-Activated Cement - Journal of the American Ceramic Society