Вчені MIT пояснили, як CO₂ зміцнює бетон
Вчені MIT розкрили таємницю зміцнення бетону за допомогою CO₂
Багато років будівельні компанії додавали вуглекислий газ до бетону, щоб зменшити викиди та покращити його властивості. Цей метод набув поширення в галузі, хоча фахівці досі не могли пояснити механізм його дії. Тепер науковці з Массачусетського технологічного інституту (MIT) стверджують, що їм вдалося вперше спостерігати за цими хімічними процесами в реальному часі. Результати дослідження опубліковані в Journal of the American Ceramic Society.
Використовуючи лазерну візуалізацію, команда зафіксувала швидкі реакції, які відбуваються при контакті вуглекислого газу зі свіжою цементною пастою. Спостереження виявили тимчасовий хімічний шлях, що змінює процес твердіння матеріалу. Цей процес створює рівномірнішу зв’язувальну структуру та підвищує початкову міцність бетону.
Отримані дані можуть допомогти інженерам точніше налаштовувати низьковуглецеві технології виробництва бетону, які вже впроваджуються в США. Дослідження також дає чіткіше уявлення про те, як цемент — один з найбільш вуглецеємних матеріалів у світі — може поглинати вуглець без втрати експлуатаційних характеристик.
Відстеження прихованих реакцій
Дослідники з Центру сталого розвитку бетону MIT та кафедри цивільної й екологічної інженерії застосували конфокальну раманівську мікроскопію для безперервного спостереження за зразками цементу протягом перших 24 годин твердіння. Цей метод ідентифікує матеріали шляхом аналізу взаємодії лазерного світла з хімічними зв’язками. Кожна сполука залишає унікальний спектральний підпис.
«Ми використовували раманівську спектроскопію для вивчення одних з найцікавіших матеріалів в історії — від сувоїв Мертвого моря до давньоримського бетону», — зазначив доцент Адмір Масіч.
Попередні дослідження базувалися переважно на теоретичних моделях та непрямих вимірюваннях, оскільки реакції відбувалися надто швидко для традиційних інструментів.
«Цементна паста може здаватися не такою захопливою, але спрямування лазера на неї з ін’єкцією CO₂ під час твердіння дозволяє побачити те, чого раніше ніхто не фіксував», — додав Масіч.
Команда виявила, що вуглекислий газ спочатку зв’язує кальцій, який вивільняється під час розчинення цементу. Цей тимчасовий процес уповільнює звичайну гідратацію та змінює хімічне середовище всередині цементної пасти.
Швидкоплинний силікагель
Коли кальцій зв’язується, розчинені силікати поширюються по матеріалу та формують взаємопов’язану мережу силікагелю. Цей гель існує лише короткий час. Після мінералізації всього введеного вуглекислого газу (протягом кількох годин) відновлюється звичайна гідратація. Утворюється гідроксид кальцію, який одразу реагує із силікагелевою мережею, формуючи гідросилікат кальцію (C-S-H) — сполуку, відповідальну за міцність цементу.
«Спочатку швидкоплинна природа силікагелю здавалася аномалією в раманівських даних», — розповів аспірант Марцін Хайдучек.
Однак, на відміну від звичайного цементу, новий C-S-H розподіляється рівномірно по всьому матеріалу, а не концентрується навколо частинок цементу.
«Згодом стало очевидно, що його раптове зникнення є стабільною особливістю кожного зразка з ін’єкцією CO₂», — підкреслив Хайдучек.
Міцніший бетон та нові перспективи
Змінений шлях реакції формує одноріднішу внутрішню структуру. Під час випробувань цементна паста з додаванням вуглекислого газу в кількості 1% від маси цементу продемонструвала на 13% вищу міцність на стиск через 24 години порівняно з контрольними зразками. Результати також спростовують попередні припущення: частинки карбонату кальцію відіграють роль спостерігачів, а не рушійної сили зміцнення.
«Ми впорскуємо CO₂ у цементні вироби вже багато років, не розуміючи до кінця, як це працює. Тепер, коли ми знаємо механізм, можемо контролювати його», — пояснив Масіч.
Дослідники наголошують, що дозування CO₂ залишається критично важливим. Надмірна кількість може зв’язати забагато кальцію та порушити корисні реакції. Попри це, робота відкриває шлях до створення міцніших і менш вуглецеємних цементних матеріалів для майбутніх інфраструктурних проєктів.
