Çimento ve beton endüstrisindeki karbondioksit emisyonlarını düşürmenin potansiyel bir yöntemi, karbondioksit ve hidrate olan çimentolu malzeme (taze halde) arasında geçen faydalı bir reaksiyonu kullanmaktır. Endüstriyel bir proses ile beton yapı ürünlerinin üretiminde bir ham madde olarak karbondioksit başarılı bir şekilde kullanılabilir. Böylece çimento üretimi sırasında yayılan karbondioksit için etkin bir şekilde “döngüyü kapatacak” yaygın bir karbon kullanımı sağlanabilir.
Çimentolu malzemelerin karbonatlaşma ile kürlenmesinin mekanizması, 1970’lerde Illinois Üniversitesi’nde sistematik olarak incelenmiştir. Çimentodaki ana kalsiyum silikat fazlarının su varlığında reaksiyona girerek hem kalsiyum karbonat (CaCO3) hem de kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) jeli oluşturduğu gösterilmiştir (Berger 1972).
3 CaO·SiO2 + (3-x) CO2 + y H2O → x CaO·SiO3·y H2O + (3-x)CaCO3
2 CaO·SiO2 + (2-x) CO2 + y H2O → x CaO·SiO3·y H2O + (2-x)CaCO3
Ayrıca, çimento hamurunda bulunan kalsiyum hidroksit (Ca(OH)2), karbondioksit ile reaksiyona girmektedir (Moorehead 1986).
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Reaksiyon, Ca2+ iyonları ile uygulanan gazki CO32- iyonları ile karşılaştığında sulu çözeltide ilerler. Karbonatlaşma reaksiyonları, trikalsiyum silikat (C3S) için 347 kJ/mol, β-dikalsiyum silikat için 184 kJ/mol (Goodbrake ve diğerleri 1979) ve kalsiyum hidroksit için 74 kJ/mol (Moorehead 1986) reaksiyon ısılarıyla ekzotermiktir. Oluşan kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) jelinin CaCO3 ile birlikte karıştığı anlaşılmaktadır (Berger 1972). 1 Atm basınçta %100 CO2‘ye maruz kalan ideal bir β-C2S ve C3S durumunda bile, oluşan karbonat miktarının reaksiyonda yer alan kalsiyum silikat miktarına tam olarak karşılık gelmediği gözlemi, bir miktar C-S-H jel oluşumunun kanıtı olarak değerlendirilmektedir (Goodbrake 1979).
Karbonatlaşma reaksiyonları, karbondioksitin karbonik asit (H₂CO₃) oluşturmak üzere suda çözünmesiyle başlayarak ilerlemektedir (Young 1974).
3CaO·SiO2 + 1.2(H2CO3) → 1.4 CaO·SiO2·0.6(H2O) + 1.2(CaCO3) + 0.6(H2O)
Karbondioksitin hidrate olan çimentolu malzeme ile reaksiyonu sırasında meydana gelen genel adımlar dizisi aşağıda özetlenmiştir (Maries 1992).
1. CO2‘nin havada difüzyonu
2. Katı fazda CO2’nin penetrasyonu
3. CO2(gaz)’nin CO2(sulu)’ye çözünmesi
4. CO2(sulu)’nin H2CO3‘e hidrasyonu (Bu yavaş ve hızı belirleyen bir adımdır.)
5. H2CO3‘ün H+, HCO3−, CO32−‘ye iyonlaşması (Bu süreç, pH’ı 3 veya daha fazla birim, tipik olarak 11’den 8’e düşürerek çok hızlı bir şekilde gerçekleşir.)
6. 3CaO⋅SiO2 ve 2CaO⋅SiO2 çimentolu fazların döngüsel, hızlı, ekzotermik ve kapsamlı çözünmesi (Kalsiyum silikat taneleri, hızla çözünen ve Ca2+ ve SiO44− iyonlarını serbest bırakan gevşek bir kalsiyum silikat hidrat jel tabakası ile kaplanmıştır. 3CaO⋅Al2O3‘ün reaksiyonu, belki de sıkı bir alümino-sülfat/karbonat tabaka nedeniyle minimum düzeydedir.)
7. CaCO3 ve C–S–H’nin çekirdeklenmesi (Çekirdeklenme, sıcaklığın arttırılması ve heterojen çekirdekler gibi davranan ince parçacıkların kullanılmasıyla desteklenir.)
8. Katı fazlar çökelir (Vaterit ve aragonitin yarı kararlı kalsiyum karbonat polimorfları oluşabilir, ancak sonunda kalsite dönerler. Nihai ürünler amorf olabilir.)
9. İkincil karbonatlaşma (Erken bir aşamada oluşan C–S–H jeli CO2 ile reaksiyona girebilir. Jel, silikat hidrat jeli ile karıştırılmış CaCO3 oluşumuna yol açacak şekilde aşamalı olarak kireçten arındırılır.)
Karbondioksitin sertleşmiş betonun mikro yapısı ile reaksiyonu; büzülme, gözenek çözeltisi pH’ının düşmesi ve karbonatlaşmanın neden olduğu korozyon gibi dayanıklılık sorunları ile ilişkilendirilebilir. Buna karşılık, beton üretimine entegre edilmiş bir karbonatlaşma reaksiyonu, sertleşmiş betonda bulunan hidratasyon fazlarından ziyade hidrate olan çimento ile reaksiyona girmek için taze betona CO2 uygular. Bu nedenle aynı etkilere sahip değildir. Ürün oluşumundan sonra prekast veya yığma betonun karbondioksite maruz bırakılmasının dayanım artışı, azaltılmış absorpsiyon, klorür geçirgenliğine ve donma-çözülmeye karşı direnç gibi faydaları tespit edilmiştir (Rostami 2012).
| Erken Karbonatlaşma | Atmosferik Karbonatlaşma |
|---|---|
| Taze betonda | Sertleşmiş betonda |
| CO2, kalsiyum karbonat (CaCO3) veya kalsit nanoparçacıkları oluşturmak için çimentonun kalsiyum silikat fazlarıyla birkaç dakika içinde hızla reaksiyona girer. Kalsiyum silikatların müteakip hidrasyonu (su ile reaksiyon) için çekirdeklenme yerleri olarak hareket ederler. Bu, betonun prizini ve dayanım kazanımını hızlandırır. | Bu reaksiyon, beton sertleştikten sonra meydana gelir. Bu durumda, CO2‘nin kaynağı, genellikle %0,04’ten daha düşük konsantrasyonlarda bulunduğu atmosferdir. Yıllar ve on yıllar boyunca, CO2 betona yavaş yavaş nüfuz eder ve çimento hidratasyonunun normal ürünleriyle reaksiyona girerek bunları daha az miktarda silika, alümina ve demir oksit içeren bir kalsit karışımına dönüştürür. Bu reaksiyon ayrıca betonun alkalitesinde (pH) bir azalma ile sonuçlanır. CO2, gömülü çelik donatıya ulaşmak için betona yeterince derin nüfuz edemedikçe, bu reaksiyon beton için mutlaka zararlı değildir. |
Terminoloji ve ilgili süreçlerdeki benzerliklere rağmen iki tip karbonatlaşma karıştırılmamalıdır. Erken karbonatlaşma sırasında, kalsiyum-silikat fazlarının yalnızca çok küçük bir miktarı (<< %1) karbonatlaşır ve oluşan hidratasyon fazları, erken yaşlardaki hidratasyon hızındaki ivmenin ötesinde etkilenmez. Sonuç olarak, oluşan hidratların niteliği ve miktarı ile betonun alkalinitesi (pH) değişmez. Erken yaşta karbonatlaşma, gömülü çeliğin davranışına zarar vermez ve atmosferik CO2 veya başka bir işlem (klorür girişi gibi) tarafından müteakip karbonatlaşma nedeniyle çelik korozyonu riskini artırmaz.
KAYNAKLAR
Berger, R.L., Young, J.F., Leung, K. (1972). “Acceleration of Hydration of Calcium Silicates by Carbon-Dioxide Treatment”. Nature: Physical Science, 240, 16-18.
Goodbrake, C. J., Young, J. F., Berger, R. L. (1979). “Reaction of Beta-Dicalcium Silicate and TricalciumSilicate with Carbon Dioxide and Water Vapor”. Journal of the American Ceramic Society, 62(3-4), 168-171.
Maries, A. (1992). “The Activation of Portland Cement by Carbon Dioxide”. Conference in Cement and Concrete Science. Institute of Materials, University of Oxford, UK, 21-22 September, 1992.
Moorehead, D.R. (1986). “Cementation by the Carbonation of Hydrated Lime.” Cement and Concrete Research, 16 (5), 700–708.
Rostami, V., Shao, Y., Boyd, A. 2012. Carbonation Curing versus Steam Curing for Precast Concrete Production. Journal of Materials in Civil Engineering. 24(9), 1221–1229.
Young, J. F., Berger, R. L., Breese, J. (1974). “Accelerated Curing of Compacted Calcium Silicate Mortars on Exposure To CO2”. Journal of the American Ceramic Society, 57(9), 394-397.
