Cement bardziej ekologiczny
Całe współczesne budownictwo stoi na elemencie znanym już starożytnym Rzymianom: betonie. Od czasu wynalezienia cementu portlandzkiego niemal 200 lat temu niemal nic się w tej technologii nie zmieniło aż do dziś. Nie sposób wyobrazić sobie współczesnej cywilizacji bez cementu i nie sposób zmniejszyć na niego zapotrzebowania. Tymczasem, po elektrowniach, przemysł cementowy jest drugim największym producentem gazów cieplarnianych, odpowiadając za 5% światowej emisji dwutlenku węgla. To sprawia, że cementownie stają na celowniku inicjatyw proekologicznych i boleśnie odczuwają restrykcje w emisji gazów cieplarnianych.
Żeby oszacować wpływ cementowni na środowisko dość powiedzieć, że wyprodukowanie każdej tony cementu uwalnia do atmosfery pół tony dwutlenku węgla (pochodzącego z reakcji rozkładu węglanu wapnia), niemal drugie tyle CO2 uwalniane jest w procesie podgrzewania półproduktów do temperatury ponad 1600º C. A zapotrzebowanie samych Chin to ponad miliard ton rocznie.
Przez te lata niewiele podejmowano prób udoskonalenia receptury lub technologii, jedne z nielicznych to dodawanie żużlu (produktu ubocznego wytopu rud metali) lub popiołów (odpadu z elektrowni węglowych). Dopiero właśnie presja rozporządzeń proekologicznych skłoniła największych producentów na świecie do poszukiwania nowych rozwiązań i sformowania wspólnie z MIT (Massachusetts Institute of Technology) Concrete Sustainability Hub.
Kristen Van Vliet, inżynier materiałowy rozpoczął od przeprowadzenia dokładnej analizy cementu, jego struktury, wiązań chemicznych, itd. Może się to wydawać nieco dziwne, ale do tej pory szczegółowych badań tego materiału nie prowadzono. Uczony wykorzystał aż tak zaawansowane narzędzia, jak mikroskop sił atomowych, żeby poznać ułożenie atomów poszczególnych pierwiastków wchodzących w skład cementu.
Okazało się, że cement ma w istocie strukturę żelu, w którym wszystko trzyma się razem dzięki wodzie. Twardość i małą ściśliwość zawdzięcza on zaś temu, że molekuły wody nie mają możliwości zmiany swojego położenia.
Uzyskane informacje Rouzbeh Shahsavari wykorzystał do stworzenia komputerowej symulacji, dzięki której można było „na sucho" przeanalizować dowolną ilość modyfikacji, zmian składu, itd. Obmyślone udoskonalenia były produkowane i sprawdzane w działaniu przez portugalską firmę CIMPOR, głównego sponsora badań.
Rezultatem była znacząca zmiana technologii, dzięki której nowy rodzaj cementu osiąga maksymalną wytrzymałość znacznie mniejszym kosztem i - przede wszystkim - ze znacznie mniejszym obciążeniem dla środowiska. Dodatkowo nie potrzeba zmieniać składu, ani istniejącej infrastruktury. Autorzy uważają, że to wręcz przełom w tej dziedzinie, ale na razie nie ujawniają szczegółów, traktując je jako tajemnicę produkcyjną.
Nie jest to jedyna próba udoskonalenia produkcji cementu podejmowana w ostatnich latach. Przykładowo angielska firma Novacem wytwarza cement, który twardniejąc pochłania dwutlenek węgla z atmosfery, redukując „ślad ekologiczny". Jak do tej pory jednak żadne z nowych rozwiązań nie wyparło niemaldwustuletniej technologii produkcji „portlandu", jak będzie tym razem - zobaczymy.
Komentarze (8)
hudy, 4 grudnia 2010, 07:30
Faktycznie ciężko znaleźć zastępstwo dla cementu, ale po pierwsze od dawna odchodzi się od CEM-I, czyli właśnie cementu złożonego w całości z klinkieru na rzecz CEM-III, czyli cementu z dużym dodatkiem żużli wielkopiecowych (co jest świetnym zagospodarowaniem tego odpadu z hut). A patrząc ponad sam cement to i teraz mniej się go dodaje do mieszanki betonowej ze względu na stosowane domieszki i dodatki.
Poza tym cementownie w większości krajów cywilizowanych są bardzo nowoczesne (tutaj Polacy mogą się pochwalić znakomitymi zakładami na skalę światową) i w odróżnieniu od elektrowni węglowych włożyły makabryczne pieniądze w zmniejszenie emisji CO2. W końcu prądu ludzie zawsze będą potrzebowali, a cementownie można zamykać jak za bardzo brudzi.
siewca77, 4 grudnia 2010, 10:20
Tak się zastanawiam, czy cement w czasie wiązaniami, nie pochłania dwutlenku węgla z atmosfery?
MaG, 4 grudnia 2010, 11:32
Też tak myślałem, ale ciotka Wiki rzuciła wzorami, w których nie ma dwutlenku węgla
6 CaO·SiO2 + 9 H2O → 6 CaO·SiO2·9 H2O
3 CaO·Al2O3 + 12 H2O → 3 CaO·Al2O3·12 H2O
Tomek, 4 grudnia 2010, 16:35
Moim zdaniem największą przyczyną CO2 jest nadmierne wycinanie lasów Amazońskich (już 17%), więc gaz nie ma po prostu co absorbować.
kinsl4yer, 5 grudnia 2010, 01:46
Pochłania, tylko nie w czasie wiązania, lecz już w czasie wegetacji przez proces karbonatyzacji (zobojętniania betonu). Proces ten jest jednak bardzo powolny, no i ostatecznie niekorzystny dla stali zbrojeniowej. Korzystny tylko dla betonu bez metali, ale takie betony są rzadko stosowane.
Nie wiem czy są to udoskonalenia, raczej dostosowywanie składu do wymagań budowlanych. Żużle do produkcji betonów lekkich, a popioły dzięki aktywności pucolanowej, ze względów czysto ekonomicznych. Tak w skrócie. Jest też cała grupa różnych domieszek zmieniających charakterystykę betonu. Nie jest z chemią cementu na świecie tak źle jak to opisują
Takim symulatorem bawiłem się na pierwszych zajęciach z chemii budowlanej, z tym że program był co prawda wersją beta, ale z tego co mi wiadomo działa już jakiś czas i jest autorstwa profesora prowadzącego laboratorium
(Politechnika Warszawska) Nie jest też to pierwszy program stosowany przez naszych studentów. Wcześniej symulacje przeprowadzano na amerykańskim programie z 1993 roku. Ciekawe więc, czym różni się od tego z MIT.
Chemik_Mlody, 5 grudnia 2010, 21:28
Na początek:
@kinsl4yer - chodzi może o profesora Szafrana? Z tego co pamiętam, to jest wielki fan procesów towarzyszących przetwórstwie cementu, no i osoba dobrze obeznana w temacie
To nie jest tak, że nie prowadzono badań nad strukturą, ale są i będą one bardzo utrudnione. Z kilku przyczyn.
1. Do wyrobu cementu, wykorzystuje się surowce których skład nie jest ściśle określony i ma pewne wahania, tak naprawdę każda partia cementu trochę się od siebie różni. więc co uznajemy za modelowy związek którego skład modyfikujemy?
2. Czas, przyjmuje się że około 90-98% wytrzymałości beton osiąga po 28 dniach, i jest to bardzo umowna granica. Z drugiej spotkałem się z opinią z jednego z doktorów, że aby uzyskać dobry materiał do badań wytrzymałościowych, aby rzeczywiście zbadać jego wytrzymałość, należy próbkę sezonować około dwóch lat.
I tutaj się pojawia pierwsze pytanie, po jakim czasie ta struktura żelu występuje? Czy jest ona trwała, czy czasem nie ulega ona dalszym przemianom w miarę upływu czasu, czy też po prostu zmiany wilgotności i temperatury? Już dokładnego nazwiska nie podam, ale przemiany zachodzące w betonie nie ustają po upływie nawet kilku latach, zostało dowiedzione, że w betonie po 10 latach od wylania nadal zachodzą pewne zmiany chemiczne i strukturalne. Nie są one już może tak gwałtowne jak w początkowym okresie, ale nadal powodują zmianę wytrzymałości oraz objętości materiału(!).
Wszystko gra, jak robisz sobie wylewkę z betonu, która ma kilka-kilkanaście metrów kwadratowych. ale jak wylewasz coś, co ma tych metrów kilkadziesiąt lub kilkaset, to wpływ zmian objętości na wymiary obiektu nie jest już pomijalny. Cement typu portlandzkiego jest używany tak chętnie ponieważ jest on już w miarę dobrze scharakteryzowany pod względem szybkości wiązania i późniejszego "dojrzewania".
Inna sprawa, to należy bardzo ostrożnie podchodzić do danych otrzymanych z AFM przy badaniu próbek rzeczywistych, a nie modelowych. Ponieważ bada się tak naprawdę jedynie bardzo mały wycinek powierzchni materiału. Co może po prostu wprowadzać w błąd jak się ma pecha.
pio, 6 grudnia 2010, 18:41
mikroskopia sil atomowych nie pokaze ulozenia atomow (nie ta skala problemu), a jedynie 'fakture' materialu. zreszta w oryginale napisali: '(...) revealed the messy structure of the material at the atomic scale.' jesli chcemy poznac wzajemne polozenie atomow, to mozna uzyc np. exafs http://pl.wikipedia.org/wiki/Exafs
kinsl4yer, 6 grudnia 2010, 23:44
@Chemik_mlody: Mówiłem o doktorze Łukowskim z KIMB Wydziału Inżynierii Lądowej