Voiko betoni olla vähähiilisempää?
Maailman suosituimman rakennusmateriaalin pääkomponentin valmistus aiheuttaa yhtä paljon hiilidioksidipäästöjä kuin koko maailman lentoliikenne. Voisiko sitä kuitenkin valmistaa ympäristöystävällisemmin? Tutkimusryhmä selvitti, miten betonin valmistus onnistuisi vähäpäästöisemmän materiaalin avulla.
Johdanto
Betoni on olennainen osa modernia elämää. Jokaisessa kaupungissa ympäri maailmaa se muodostaa perustan rakennuksille, teille ja silloille, ja sen vahvuus ja kestävyys tekevät siitä suosituimman rakennusmateriaalin. Ympäristövaikutusten kannalta betonin suosio on kuitenkin ongelmallinen. Tiesitkö, että betonin valmistuksen pääkomponentin, Portland-sementin, tuotanto aiheuttaa noin 8 % ihmiskunnan kaikista hiilidioksidipäästöistä? Tämä on suunnilleen saman verran kuin koko maailman lentoliikenne.Portland-sementti valmistetaan kuumentamalla kalkkikiveä erittäin korkeassa lämpötilassa, mikä vaatii valtavasti energiaa ja tuottaa suuria määriä hiilidioksidia. Päästöjä syntyy kahdesta lähteestä: polttoaineiden käytöstä, joka kuumentaa kalkkikiven, ja itse kalkkikivestä, joka vapauttaa hiilidioksidia muuttuessaan sementissä käytettäväksi kalsiumoksidiksi. Ilmastonmuutoksen torjumiseksi rakennusalalla on siis tarve löytää ratkaisuja pienentää betonin valmistuksen hiilijalanjälkeä. Myös EU tukee sekä ohjaa tätä kehitystä vihreän kehitysohjelmansa kautta, joka asettaa kunnianhimoisia tavoitteita rakennusalan hiilineutraaliudelle.1
Tutkijat ympäri maailmaa etsivätkin tapoja tehdä betonista ekologisempaa korvaamalla osan Portland-sementistä muilla, vähäpäästöisemmillä materiaaleilla.2 Eräs lupaava keino on hyödyntää teollisuuden sivuvirtoja, kuten masuunikuonaa ja basalttilasia, jotka muuten olisivat jätettä. Näillä materiaaleilla voidaan korvata osa sementin aineksista, mikä vähentää betonin valmistuksessa syntyviä päästöjä.Ongelma kuitenkin on, että nämä korvaavat materiaalit eivät reagoi emäksisessä ympäristössä yhtä tehokkaasti kuin Portland-sementti. Jotta betonin sitoutuminen ja lujuus olisivat riittäviä, näitä teollisuuden sivutuotteita täytyy käsitellä siten, että ne liukenevat paremmin ja vapauttavat tarvittavia yhdisteitä betonin rakenteen muodostumiselle. Tähän liittyen tutkimuksessamme käytimme 3,4-dihydroksibentsoehappoa (DHBA), joka voi nopeuttaa masuunikuonan ja basalttilasin liukenemista. Näin nämä sivuvirrat saadaan reagoimaan tehokkaammin ja ne voivat toimia paremmin sementin korvikkeina. Tässä työssä pyrimme selvittämään, voiko DHBA lisäaineena auttaa vähentämään Portland-sementin tarvetta betonin valmistuksessa ja siten vähentämään tämän välttämättömän rakennusmateriaalin hiilijalanjälkeä.
Miten tutkimus tehtiin?
Tutkimuksessa käytimme useita analyysimenetelmiä selvittääksemme, kuinka DHBA vaikuttaa masuunikuonan ja basalttilasin käyttäytymiseen betonin emäksisissä olosuhteissa. Näitä materiaaleja lisätään betoniseokseen, jossa ne joutuvat tekemisiin hyvin emäksisen nesteen kanssa, sillä betoni itsessään on erittäin emäksinen, eli sen pH on korkea (12–14). Tällaisessa ympäristössä monet kemialliset reaktiot tapahtuvat eri tavalla kuin neutraaleissa olosuhteissa, joten on tärkeää tutkia, miten aineet käyttäytyvät juuri näissä olosuhteissa.
Ensimmäinen vaihe oli sekoittaa DHBA-lisäainetta masuunikuonan ja basalttilasin kanssa emäksisessä liuoksessa. Halusimme nähdä, miten hyvin nämä teollisuuden sivutuotteet liukenevat ja reagoivat tässä ympäristössä, kun mukana on DHBA. Vertailun vuoksi teimme myös saman kokeen ilman DHBA:ta, jotta näkisimme, onko tällä lisäaineella merkittävä vaikutus liukenemiseen.
Tutkimme syntyviä yhdisteitä erilaisilla analyysimenetelmillä. Yksi tärkeimmistä menetelmistä oli ydinmagneettinen resonanssispektroskopia (NMR), jolla voimme saada tietoa siitä, miten DHBA sitoutuu erilaisiin metalleihin, kuten alumiiniin ja rautaan, ja pysyykö se liuoksessa vai kertyykö se materiaalin pinnalle, mikä hidastaisi liukenemista. Tämä menetelmä antaa meille tarkkaa tietoa atomitasolla siitä, miten DHBA vuorovaikuttaa metallien kanssa.
Toinen tärkeä menetelmä oli ICP-MS (massaspektroskopian yksi muoto), jonka avulla voimme mitata tarkasti, kuinka paljon tiettyjä alkuaineita, kuten alumiinia, kalsiumia ja rautaa, liukenee liuokseen. Tämä auttaa ymmärtämään, kuinka tehokkaasti DHBA pystyy pitämään nämä metallit liukoisessa muodossa, jolloin ne pysyvät betonin rakenteessa eivätkä kerry materiaalin pinnalle hidastaen sen reaktioita.
Lisäksi käytimme elektronimikroskopiaa, jonka avulla saimme tarkkoja kuvia masuunikuonan ja basalttilasin pinnoista ennen ja jälkeen DHBA-käsittelyn. Näin voimme konkreettisesti nähdä, onko DHBA vaikuttanut siihen, miten metallit asettuvat materiaalien pinnalle, ja syntyykö pinnalle uusia yhdisteitä. Elektronimikroskoopilla otetuilla kuvilla nähdään yksityiskohtia, joita paljaalla silmällä ei voi nähdä, ja ne auttavat ymmärtämään, miten nämä aineet käyttäytyvät betonin emäksisissä olosuhteissa.
Mitä tutkimuksessa löydettiin?
Tutkimuksemme osoitti, että DHBA voi lisäaineena nopeuttaa masuunikuonan ja basalttilasin liukenemista, mikä tekee näistä teollisuuden sivuvirroista käyttökelpoisempia sementin korvikkeina. Tämä johtuu DHBA:n kyvystä sitoa metalleja, kuten alumiinia ja rautaa, ja pitää ne liuoksessa, jolloin ne voivat aktiivisesti osallistua betonin sitoutumisprosessiin. Ilman tätä lisäainetta kyseiset metallit voisivat hidastaa reaktioita betonin valmistuksessa. Tämän kompleksimuodostuksen avulla Portland-sementtiä voidaan osittain korvata vähäpäästöisemmillä materiaaleilla, mikä pienentää merkittävästi betonin hiilijalanjälkeä ja tukee ympäristöystävällisempää rakentamista.
DHBA:n käytöllä saavutetaan myös muita hyötyjä. Nopeampi liukeneminen ja reaktioiden tehokkuus parantavat sementtimateriaalien alkuvaiheen lujuuden kehitystä ja lyhentävät betonin kovettumisaikaa, mikä voi nopeuttaa rakennusprojekteja ja vähentää kustannuksia. Lisäksi DHBA:n käyttö voi parantaa rakenteiden kestävyyttä, sillä sen muodostamat stabiilit kompleksit vähentävät haitallisten ionien liukenemista. Tämä voi pidentää rakenteiden elinkaarta ja erityisesti parantaa raudoitetun betonin korroosionkestävyyttä, mikä lisää rakennusten turvallisuutta ja vähentää huoltokustannuksia.
Ympäristön näkökulmasta DHBA:n käyttö sementin lisäaineena tukee resurssitehokkuutta ja kiertotaloutta, sillä se mahdollistaa teollisuuden sivutuotteiden laajemman hyödyntämisen. Sivutuotteiden käyttö vähentää luonnonvarojen kulutusta ja pienentää syntyvän jätteen määrää, mikä tukee kestävää kehitystä rakennusalalla.
Käytettyjen menetelmien avulla saimme kattavan kuvan siitä, miten DHBA vaikuttaa masuunikuonan ja basalttilasin liukenemiseen, reaktiokykyyn betonin kaltaisessa ympäristössä ja arvioimaan syntyvien liukoisten kompleksien rakennetta. DHBA voi todellakin auttaa näitä teollisuuden sivuvirtoja toimimaan paremmin sementin korvikkeena ja siten vähentää betonin hiilidioksidipäästöjä.
Lopuksi
Tutkimus osoittaa, että DHBA:lla voi olla merkittävä rooli vähähiilisen betonin valmistuksessa. Se auttaa hyödyntämään teollisuuden sivuvirtoja, jotka muuten olisivat jätettä, ja vähentämään sementin tarvetta, mikä on iso askel kohti kestävämpää rakennusalaa. Lisätutkimuksia kuitenkin tarvitaan ennen kuin DHBA-lisäainetta voidaan käyttää laajemmin käytännön rakennusprojekteissa, sillä tämä tutkimus on toistaiseksi toteutettu vain laboratorio-olosuhteissa. Näin ollen sen käyttö teollisessa mittakaavassa on vielä osoittamatta. Lisäksi on tarkasteltava DHBA:n vaikutuksia betonin ominaisuuksiin pitkällä aikavälillä, varmennettava mahdolliset ympäristövaikutukset rakenteiden elinkaaren aikana sekä arvioitava kustannustehokkuus, jotta se voitaisiin ottaa osaksi rakennusteollisuuden rutiinikäyttöä.