Dünyadaki yıllık CO2 emisyonlarının %8’inin çimento üretimine bağlı olduğu tahmin edilmektedir [1]. Endüstri, 2050 yılına kadar emisyonları 2006 yılına oranla %50 azaltmak için çimento ve beton özelinde bir dizi inovatif yaklaşımı araştırmakta ve bazılarını uygulamaktadır [2]. Bununla birlikte, bu önlemlerin etkileri üzerindeki pratik sınırların, hedefe ulaşmanın zor olacağı anlamına geldiği açıktır [3].
En güncel uygulamalardan birisi ise beton üretiminde CO2 kullanımıdır. Yazının başlığında belirtildiği gibi artık CO2, adeta kimyasal katkı gibi bir beton bileşeni olarak beton üretiminde kullanılabilmektedir.
Hidrate olmuş çimentonun karbonatlaşma mekanizması 1970’lerde Illinois Üniversitesi’nde sistematik olarak incelenmiştir [4]. Çimentodaki ana kalsiyum silikat fazlarının su varlığında karbondioksit ile reaksiyona girdiği, aşağıdaki denklemlerde görüldüğü gibi kalsiyum karbonat ve kalsiyum silikat hidrat jeli oluşturduğu tespit edilmiştir.
Ayrıca, çimento hamurunda bulunan kalsiyum hidroksit, yine ortamda su bulunduğunda, aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi karbondioksit ile reaksiyona girmektedir.
Karbonatlaşma reaksiyonları ekzotermiktir. Çimento fazlarından gelen Ca2 iyonları, betona nüfus edip su içerisinde çözünen karbondioksitin olduşturduğu CO3 iyonları ile etkileşime girmektedir. Ana kalsiyum silikat fazları için karbonatlaşma ısıları C3S için 347 kJ/mol, C2S için 184 kJ/mol [4] ve Ca (OH)2 için 74 kJ/mol’dür [5].
Kalsiyum silikatlar karbonatlaştığı zaman, oluşan CaCO3‘ün kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) jeli ile karıştırıldığı anlaşılmaktadır [6].
Karbondioksitin olgunlaşmış beton mikro yapısı ile reaksiyonunun geleneksel olarak karbonatlaşmaya neden olduğu ve bunun sonucunda beton içindeki donatıda oluşan korozyon nedeniyle bir dayanıklılık sorunu meydana geleceği kabul edilmektedir. Buna karşılık, beton üretimine entegre edilen bir karbonatlaşma reaksiyonu, CO2‘yi betonda bulunan hidrasyon fazlarından ziyade yeni hidrate olmuş çimento ile reaksiyona sokmaktadır ve aynı etkilere sahip değildir. Aksine, yeni karıştırılan betona gaz halinde CO2 ilave edilmesi sayesinde karbonatlaşma reaksiyonu ürünlerinin yerinde oluşması beklenir, ayrıca nano ölçekli ve homojen olarak dağılır [7].
Karbon Kür Teknolojisi
Karbon kür teknolojisi en basit şekilde karbondioksit gazının betona karıştırma esnasında ilave edilmesi olarak özetlenebilir. Bu sayede CO2’in çimento ile reaksiyona girip nano-kristal CaCO3 oluşturması sağlanır. Betona CO2 ilave edilmesi beton performansında ve maliyetinde olumlu neticeler vermekten öte en büyük faydası çevreci bir üretime neden olmasıdır. Çimento üretimi başta olmak üzere beton üretiminde açığa çıkan CO2 emisyonu bu sayede bir miktar düşürülebilmektedir. Karbon kür teknolojisi ABD ve Kanada’da etkin bir şekilde uygulanmaktadır.
Karbon Kür Teknolojisinin Beton Performansına Etkisi
Bu konuda verilen bilgiler CarbonCure isimli firmanın web sitesinde yer alan bilgilerdir. Akademik çalışmalar ile desteklenmesi gerektiği unutulmamalıdır.
CarbonCure sistemi kullanılarak betona hassas bir şekilde karbondioksit enjekte edilmesi sonucu betonun 28 günlük basınç dayanımında %10’luk bir artış görülmektedir.
Karbon ile kür edilmiş ve çimento içeriği %7 azaltılmış betonun dayanım performansı karbondioksit içermeyen kontrol beton dayanımı ile eşdeğerdir.
Kaynaklar
[1]Making Concrete Change: Innovation in Low-carbon Cement and Concrete, Chatham House Report, 13 June 2018, https://www.chathamhouse.org/publication/making-concrete-change-innovation-low-carbon-cement-and-concrete [2] IEA, Cement Technology Roadmap: Carbon Emissions Reductions up to 2050, OECD Publishing, 2009. http://www.oecd-ilibrary.org/energy/cement-technology-roadmap-carbon-emissions-reductions-up-to-2050_9789264088061-en [3] L. Barcelo, J. Kline, G. Walenta, E. Gartner, Cement and carbon emissions, Mater. Struct. 47 (2014) 1055e1065, http://dx.doi.org/10.1617/s11527-013-0114-5. [4] C.J. Goodbrake, J.F. Young, R.L. Berger, Reaction of beta-dicalcium silicate and tricalcium silicate with carbon dioxide and water vapor, J. Am. Ceram. Soc. 62 (1979) 168e171, http://dx.doi.org/10.1111/j.1151-2916.1979.tb19046.x. [5] D.R. Moorehead, Cementation by the carbonation of hydrated lime, Cem. Concr. Res. 16 (1986) 700e708, http://dx.doi.org/10.1016/0008-8846(86) 90044-X. [6] R.L. Berger, J.F. Young, K. Leung, Acceleration of hydration of calcium silicates by carbon-dioxide treatment, Nat. Phys. Sci. 240 (1972)16e18, http://dx.doi.org/10.1038/physci240016a0. [7] https://info.carboncure.com/hubfs/Downloads/White%20Paper%20Downloads%20-%20New%20Website/Properties%20and%20Durability%20of%20Concrete%20Produced%20Using%20CO2%20as%20an%20Accelerating%20Admixture.pdf
