新しい添加剤はコンクリートを効果的な炭素吸収源に変える可能性がある

Mar 21, 2023

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現代の建築材料としてのコンクリートには、高強度、低コスト、製造の容易さなど多くの利点があるにもかかわらず、その生産量は現在、世界の二酸化炭素排出量の約 8% を占めています。

MIT のチームによる最近の発見により、既存のコンクリート製造プロセスに新しい材料を導入すると、コンクリートのバルク機械的特性を変えることなく、この二酸化炭素排出量を大幅に削減できる可能性があることが明らかになりました。

この研究結果は、MITの土木・環境工学教授アドミール・マシック氏とフランツ・ヨーゼフ・ウルム氏、MIT博士研究員ダミアン・ステファニューク氏と博士課程学生マルシン・ハイデュチェク氏、ハーバード大学ウィス研究所のジェームズ・ウィーバー氏らによる論文として、本日ジャーナルPNAS Nexusに発表された。

コンクリートは水に次いで世界で 2 番目に多く消費されている材料であり、現代のインフラの基礎となっています。 しかし、その製造中に、セメント製造の化学副産物として、またこれらの反応を促進するのに必要なエネルギーとして、大量の二酸化炭素が放出されます。

コンクリート製造に伴う排出量の約半分は、石油や天然ガスなどの化石燃料の燃焼によるもので、石灰石と粘土の混合物を加熱するために使用され、最終的に普通​​ポルトランドセメント（OPC）として知られるよく知られた灰色の粉末になります。 。 この加熱プロセスに必要なエネルギーは、最終的には再生可能な太陽光や風力源から生成された電力で代替できる可能性がありますが、排出量の残りの半分は材料自体に固有のものです。華氏）になると、炭酸カルシウムと粘土からクリンカー（主にケイ酸カルシウムで構成される）と二酸化炭素の混合物に化学変化が起こり、後者は空気中に逃げます。

コンクリートの製造中に OPC が水、砂、砂利材料と混合されると、OPC は高アルカリ性となり、二酸化炭素を炭酸塩材料の形で隔離および長期貯蔵するのに一見理想的な環境を作り出します (これは、炭酸塩材料として知られるプロセスです)。炭酸）。 コンクリートは大気から二酸化炭素を自然に吸収する可能性があるにもかかわらず、これらの反応が通常、主に硬化コンクリート内で発生すると、材料が弱くなり、内部のアルカリ度が低下し、鉄筋の腐食が促進されます。 これらのプロセスは最終的に建物の耐荷重能力を破壊し、長期的な機械的性能に悪影響を及ぼします。 そのため、数十年の時間スケールで発生する可能性のあるこれらの遅い後期炭酸化反応は、コンクリートの劣化を促進する望ましくない経路として長い間認識されてきました。

「これらの硬化後の炭酸化反応の問題は、鋼材の腐食を防ぐのに非常に効果的なセメンティングマトリックスの構造と化学的性質を破壊し、劣化を引き起こすことです」とマシック氏は言う。

対照的に、著者らによって発見された新しい二酸化炭素隔離経路は、材料が硬化する前の、コンクリートの混合および注入中の非常に早期の炭酸塩の形成に依存しており、これにより、材料が硬化した後の二酸化炭素摂取の悪影響が大幅に排除される可能性がある。

新しいプロセスの鍵は、重曹としても知られる重炭酸ナトリウムという、シンプルで安価な成分を 1 つ加えることです。 重炭酸ナトリウムの代替を使用した実験室テストで、研究チームは、セメント製造に伴う二酸化炭素の総量の最大 15 パーセントが初期段階で鉱化される可能性があることを実証しました。これは、材料の地球規模の二酸化炭素排出量を大幅に削減する可能性があるのに十分です。

「すべてが非常にエキサイティングです」とマシック氏は言います。「なぜなら、私たちの研究は、製造および鋳造中に二酸化炭素の無機化によるさらなる利点を組み込むことによって、多機能コンクリートの概念を前進させるからです。」

さらに、得られたコンクリートは、その機械的性能に影響を与えることなく、これまでに説明されていない複合相の形成によってはるかに速く硬化します。 このプロセスにより、建設業界の生産性が向上します。型枠を早期に撤去できるため、橋や建物の完成に必要な時間が短縮されます。

この複合材料は炭酸カルシウムとカルシウムケイ素水和物を混ぜたもので、「全く新しい材料だ」とマシック氏は言う。 「さらに、その形成により、初期段階のコンクリートの機械的性能を2倍にすることができます。」 ただし、この研究はまだ進行中の取り組みであると彼は付け加えた。 「これらの新しい相の形成がコンクリートの長期性能にどのような影響を与えるかは現時点では不明ですが、これらの新しい発見は、カーボンニュートラルな建築材料の開発に楽観的な未来を示唆しています。」

初期段階のコンクリート中性化のアイデアは新しいものではなく、コンクリートを目的の形状に鋳造した後に二酸化炭素の吸収を促進するこのアプローチを現在検討している既存の企業がいくつかありますが、MIT チームによる現在の発見は、二酸化炭素を隔離するコンクリートの予備硬化能力は、大幅に過小評価され、十分に活用されていません。

「我々の新たな発見は、二酸化炭素排出量のより低いコンクリート混和剤の開発における他の最近のイノベーションとさらに組み合わせることで、より環境に優しく、さらにはカーボンネガティブな建築材料を建築環境に提供し、コンクリートを問題から解決策の一部に変えることができるでしょう」 」とマシックは言う。

この研究は、Concrete Advancement Foundation と Portland Cement Association から後援を受けている MIT の Concrete Sustainability Hub によって支援されました。

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