Bir Eylül günü, MIT'nin Pierce Laboratuvarı'nın içinde kar yağmaya başladı.
Araştırmacılar, sıvı karbondioksit (CO2) tankını basınçsız hale getirerek anında dondurdular ve katı pulcuklar saldılar. Bu pulcuklar çimento hamuruna karıştırıldı ve bir onluk bozuk para büyüklüğünde diskler haline getirildi; her biri suyu içinde tutmak ve havayı dışarıda tutmak için ince bir bitkisel yağ tabakasıyla kaplandı. Ekip, her bir diske lazerler yönlendirerek, CO2 enjekte edilmiş çimento hamurunun neden daha hızlı güç kazandığını açıklayabilecek geçici kimyasal tepkimeleri ilk kez gözlemledi.
Beton gibi çimento ürünlerine CO2 enjekte etmek, onu depolamanın ve atmosferden uzak tutmanın bir yoludur. Bu süreç ticari ilgi çekmiştir; giderek artan sayıda şirket CO2 enjekte edilmiş beton karışımları sunmaktadır. Ancak şimdiye kadar, temel çimento kimyası doğrudan görselleştirilmemişti.
MIT Beton Sürdürülebilirlik Merkezi ve MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü'nden Doçent Dr. Admir Masic'in liderliğindeki ve lisansüstü öğrenci Marcin Hajduczek'in ilk yazar olduğu yeni açık erişim makale, CO2'nin taze çimento hamuruyla buluştuğunda gelişen kimyasal diziyi tanımlıyor. Ortak yazarlar arasında MIT'den Santiago El Awad ve Franz-Josef Ulm ile IIT Jodhpur ve CarbonCure Technologies'den araştırmacılar bulunmaktadır.
Önceki çalışmalar, CO2 enjeksiyonunun kimyasal etkileri hakkında teorik ve dolaylı kanıtlardan bir hikaye oluşturmuştu; ana tepkimeler çok hızlı gerçekleşiyor ve tamamen kayboluyordu, bu nedenle geleneksel teknikler onları yakalayamıyordu. Raman konfokal mikroskopisi bunu yapabiliyordu — ve basit bir ilkeye dayanıyordu: Bir molekülü lazerle aydınlatın, dağılmış ışık onun kimliğini ortaya çıkarır. Işık, her malzemenin benzersiz kimyasal bağlarıyla etkileşime girer, enerji kaybederek belirgin bir spektral “parmak izi” üretir. En geçici ve amorf fazlar bile okunabilir bir iz bırakır.
“Raman spektroskopisini, Tarih boyunca en ilginç malzemelerden bazılarını daha iyi anlamak için kullandık, Ölü Deniz Parşömenlerinden Antik Roma betonuna kadar,” diyor Masic. “Çimento hamuru karşılaştırıldığında daha az göz alıcı görünebilir, ancak CO2 enjekte edilmiş çimento hamuruna lazer tutmak, daha önce görülmemiş şeyleri görselleştirmemizi sağlıyor.”
Gördükleri, 24 saatlik sürekli tarama sırasında gelişen üç perdelik bir kimyasal dramaydı.
Birinci Perde: Kalsiyumu Yakalamak
CO2 taze çimento hamuruna eklendiği anda, işe koyuluyor. Pore çözeltisine çözülüyor ve çözülmekte olan klinkerden salınan kalsiyum ile reaksiyona girerek çeşitli kalsiyum karbonat formları olarak çökeliyor. Klinker, kireçtaşı ve alüminosilikat malzemelerin bir fırında ısıtılmasıyla üretilir ve çimento yapmak için ince bir toz haline getirilmiş ana bileşeni oluşturur. Bu, ilk saat içinde gerçekleşir ve normal hidratasyon tepkimesini geçici olarak yavaşlatır; bu tepkime kalsiyum gerektirir.
CO2 yokken, çözülmekte olan klinkerden salınan kalsiyum yerel olarak mevcut kalır ve malzemenin bağlayıcı fazlarının yavaş yavaş oluşumunu destekler.
Kalsiyum olmadan bırakılan silikatlar, klinkerden salınarak pore çözeltisine çözülür ve kaynaklarından uzakta çökelir, hamur boyunca birbirine bağlanarak iç içe geçmiş bir silika jel ağı oluşturur. Bu amorf, geçici jel, sonrasını hazırlayan bir sahne kurar.
İkinci Perde: Hayalet Jel
Enjekte edilen CO2 tamamen mineralize olduğunda — karıştırmadan yaklaşık dört ila beş saat sonra — normal hidratasyon yeniden başlar. Kalsiyum hidroksit pore alanına çökmeye başlar ve bunu yaptığında, onu bekleyen silika jel ağı ile karşılaşır.
İki faz arasındaki reaksiyon hemen başlar ve kalsiyum sil
