İnşaat Sektöründe Devrim: Sürdürülebilir Betonlar
Fotoğraf: Beton, küresel sera gazı emisyonlarının% 8’inden sorumludur ve dünyada en çok kullanılan ikinci maddedir. (Harry Dona / Unsplash)
Beton; köprüler, kuleler ve barajlar gibi sayısız yapı için tercih ettiğimiz bir malzemedir. Ancak temel bileşenlerinden biri olan çimentonun üretilmesi sırasında açığa çıkan emisyonlar nedeniyle büyük bir karbon ayak izine sahiptir. Araştırmacılar, kök sebzeleri ve geri dönüştürülmüş plastiği kullanarak betonu daha güçlü ve sürdürülebilir hale getirmeye çalışıyorlar. Bununla birlikte sokak lambalarına veya hava kirliliği sensörlerine güç verip vermeyeceğini görmek için de çalışmalarını sürdürüyorlar.
Beton, sudan sonra dünyada en çok kullanılan maddedir. Temel bileşen olan çimentonun üretiminde 1.400 °C ye ısıtılmış fırınlar kullanılarak mineral, kabuk, şist ve diğer bileşenler yakılır. Bu olay çimentonun küresel karbondioksit (CO2) emisyonlarının yaklaşık % 8’inden sorumlu olmasına neden olur.
Ek olarak, çimento ara ürünü olan klinkerin (küçük, katı topaklar) oluşumu da yüksek sıcaklıkta gerçekleşen kimyasal reaksiyonun sonucudur.
İspanya, Barselona’daki Katalonya Politeknik Üniversitesi’nde araştırmacı olan Dr. Nikola Tošić, “Çimento endüstrisi fosil yakıtların karbondan arındırılması ve karbon ayak izinin azaltılması üzerinde çalışıyor. Ancak (tamamen) farklı çimento türleri bulmazsak, karbondioksit emisyonları kaçınılmazdır.” dedi.
Çimento, su ile karıştırıldığında, kum ve kırma taş gibi agregaları birbirine bağlayarak betonun sertleşmesini sağlayan ve ona mukavemet ve yapı kazandıran bir macun oluşturur.
İngiltere’deki Lancaster Üniversitesi’nden Profesör Mohamed Saafi ve meslektaşları, B-SMART isimli projelerinde çimentonun güçlendirilmesini sağlayarak daha az çimentoya ihtiyaç duymayı ve çevresel etkisini azaltmayı hedefliyorlar.
Çimentonun su ile birleştirilmesi gerekir, böylece kuma ve kırma taşa yapışır ve bu maddeleri birbirine bağlar. Ancak, işlem sırasında bütün çimento partikülleri hidratlaşmaz. Prof. Saafi, “Partiküllerin çoğu hidratlaşmaya uğramaz. Bu hidratasyon mekanizmasını geliştirebilirsek, çimentonun gücü önemli ölçüde artacaktır böylece daha az çimento kullanabiliriz.” dedi.
Kök Sebzeler
Prof. Saafi ve ekibi de çimentonun güçlendirilmesi için kök sebzelere yöneldi. Bebek maması yapmak için kullanılan işlenmiş havuç artıklarını veya pancar şekeri ekstraksiyonundan arta kalan atıkların, çimentoyu güçlendirmek için eklenip eklenemeyeceğini araştırdılar. Bilgisayar simülasyonlarını kullanarak, bu sebzelerden yapılan ve çimento hamuruna atılan süper ince tabakaların çimento ile nasıl etkileşime girdiğini, hidratasyonu ve mekanik özellikler üzerindeki etkilerini incelediler. Daha sonra, simülasyonlarından elde edilen sonuçları denemek ve doğrulamak için laboratuvarda deneyler yaptılar.
Araştırmacılar, sebze atıklarından yapılan tabakaların çimentoya eklenmesiyle hidratasyonun daha iyi olduğunu keşfettiler. Tabakalar, suyun daha fazla çimento partikülüne ulaşmasına izin veren ve böylece bağlanma kabiliyetini artıran hazne görevi gördü. Prof. Saafi, “Aynı zamanda, hidratasyon bittiğinde bu havuç nano yapraklarının bir kısmı çimento içinde kalıyor ve yapısını çok güçlü hale getiriyor. Bunu daha önce görmedik ve bu gerçekten inanılmaz bir keşif.” dedi.
Bu keşfin yanı sıra çimentoya kök sebzelerin eklenmesinin ek faydaları olduğu da bulundu. Örneğin bir havuç küçük bir LED ışığına veya elektronik cihazlara güç verebilecek elektrik gücün üretilmesinde kullanılabilir. Böylece Prof. Saafi ve meslektaşları, havuç tabakalarını çimentoya ekleyerek elektrik üreten beton üretebileceklerini keşfettiler. Örneğin beton köprülerde arabalar geçerken veya yayaların neden olduğu hareket sayesinde elektrik üretilebilir. Prof. Saafi, “Betondan elde edilen bu elektriği LED’lere veya sokak lambalarına güç sağlamak için kullanabiliriz. Aynı zamanda hava kirliliğini izlemek için sensörlere de güç sağlayabilir.” dedi.
Betondan üretilen elektrik, bir yapının sağlığı hakkında da fikir verebilir. Örneğin, çatlaklar varsa üretilen voltaj değişir. Bir bina veya köprüdeki elektrik çıkışının kontrolünü sağlayan bir izleme cihazı ile meydana gelebilecek sorunların belirlenmesi ve arızaların önlenmesi sağlanabilir. Ekip şu anda laboratuvarda gözlemlenen aynı özelliklere sahip havuç çimentosu ile yapılar inşa edip edemeyeceklerini görmek için saha testleri yapıyor. Aynı zamanda maliyetleri düşürmeye yardımcı olmak için değiştirilmiş betonlarını üretirken mevcut süreçleri de kullanmayı hedefliyorlar.
Her şey yolunda giderse bitkisel çimentoların bir yapı inşa etmek için gereken çimento miktarını metreküp beton başına 10 kg azaltmasını bekleniyor. Prof. Saafi, “Umarım gelecekte onu biraz daha iyi optimize edebilir ve (ihtiyaç duyulan) çimento miktarını daha da azaltabiliriz” dedi.
Uçucu Kül
Daha sürdürülebilir beton yapmak için diğer atık malzeme türleri de test ediliyor. Uçucu kül gibi endüstriyel yan ürünler- kömür yakıldıktan sonra kalan ince, toz halindeki malzeme- ve yüksek fırın cürufu- çelik üretiminden kalan granül artıkları – çimentoda kullanılabilir.
GREEN-FRC adlı bir projenin parçası olarak bu yaklaşımı araştıran Dr. Tošić “Çimentoyu (miktarını) % 30 ila % 50 azaltabilir ve bu endüstriyel yan ürünleri azalan miktarlar yerine ekleyebiliriz.” dedi.
Ekip, kentsel ortamlarda kullanılmak üzere kaldırım ve binalar için fiberle güçlendirilmiş beton üretmeye odaklanıyor. Sürdürülebilirlik perspektifinden en uygun olanları ve mekanik özelliklerin tehlikeye atılmadığı yerleri bulmak için farklı beton karışımlarını deneyecekler.
Matematiksel modeller, başlangıçta, daha yeşil betonlarının özelliklerini, kompozisyonlarına göre tahmin etmek için kullanılacak ve bunu laboratuvar testleri takip edecek. Dr. Tošić, “Tipik, geleneksel betondan farklı davranacaklarını umuyoruz” dedi.
Merak edilen bir diğer konu da plastiğin betona dahil edilmesidir. Geri dönüştürülmüş plastik elyaflar betonu güçlendirmek için kullanılabilir ve çimento takviyesi için kullanılan çelik gibi sürdürülemez bileşenlerde bir azalma sağlayabilir. Ekip 2020’nin başlarından itibaren devam eden projelerinde, betona farklı miktarlarda ve türlerde polipropilen plastik elyaflar ekliyor ve uzun vadede nasıl performans gösterdiğini test ediyor. Beton, sabit bir yük altına girdiğinde sürekli olarak deforme olur. Bu nedenle bileşimin değişmesinin önemli olduğunu düşünen Dr. Tošić, “Bunu tahmin edebilmemiz gerekiyor.” dedi.
Ekibin gelecek çalışmaları arasında, betondaki çimentonun kısmen yerini almak için killi maddelerin nasıl kullanılabileceğini de var. Çimentoyu yapmak için gerekli killer ve mineraller doğal kaynaklardan kaynaklanan ek bir karbon ayak izine sahiptir. Ancak bunun yerine kireçtaşı kalsiyum kili kullanmak, geleneksel çimento yapımında kullanılan diğer doğal malzemelerden ve endüstriyel yan ürünler gibi diğer alternatiflerden çok daha fazla olduğundan daha sürdürülebilir bir seçenek olabilir.
Dr. Tošić, daha sürdürülebilir betonlarının başlangıçta kaldırımlarda, tünel kaplamalarında, bina cephelerinde ve bina gibi yapılara göre daha az güçlendirme gerektiren panellerde kullanılacağını düşünüyor. Bazı inşaat şirketleri, deneyleri için ücretsiz malzeme sağlayarak projeye şimdiden ilgi duyuyorlar. Dr. Tošić, “Geçen yıl, inşaat şirketlerinin düşünce açısından bir değişiklik veya değişim yaptığını fark ettik. Sürdürülebilirliğin kendileri için gelecekte gerekli olduğunu, aksi takdirde bir pazar kaybedeceklerini görüyorlar.” dedi.
Kaynak: phys.org
