Natriumin hyödyntäminen betonin hiilidioksidin sitomisessa
Betoni on maailman rakennusmateriaaleista käytetyin, sillä sitä valmistetaan noin 13 miljardia kuutiota vuodessa. Betonin suosio rakentamisessa perustuu sen kehittämään lujuuteen, jäykkyyteen, kosteudenkestävyyteen, turvallisuuteen, muokattavuuteen ja edulliseen hintaan. Maailmanlaajuisesti betoni kuitenkin aiheuttaa 8 % kaikista hiilidioksidipäästöistä. Betonin päästöistä taas 90 % johtuu betonin raaka-aineen, sementin, valmistuksesta syntyvistä hiilidioksidipäästöistä. (Skinner & Lalit 2023.) Betoniteollisuuden on vastattava ympäristöhaasteisiin ja pyrittävä löytämään ratkaisuja pienentämään päästöjään.
Betonilla on luontainen tapa sitoa itseensä hiilidioksidia. Tätä reaktiota kutsutaan karbonatisoitumiseksi. Karbonatisoitumisessa sementin ja veden muodostamat yhdisteet reagoivat ilmakehän hiilidioksidin kanssa. (Al-Neshawy 2022.) Carbonaide-yritys on kehittänyt teknologian, joka hyödyntää tätä betonin luontaista tapaa sitoa hiilidioksidia. Teknologiassa betonikappaleet kovetetaan hiilidioksidikammioissa, joissa säädellään hiilidioksidipitoisuutta, lämpötilaa sekä kosteutta ja näissa olosuhteissa betoni sitoo itseensä hiilidioksidia. Hiilidioksidin sitoutuminen betoniin parantaa betonin mekaanisia ominaisuuksia. Hiilidioksidin antamien parempien mekaanisten ominaisuuksien vuoksi voidaan betonin sementin määrää vähentää ja näin pienentää betonin hiilijalanjälkeä. Betoniin mineralisoituva hiilidioksidi sitoutuu pysyvästi betonirakenteeseen. (Partanen 2023.)
Natriumhydroksidin käyttö betonin karbonatisoitumisen parantamisessa
Natriumyhdisteitä käytettäessä betonin lisäaineena, saadaan betonin karbonatisoitumista parannettua. Natriumyhdisteet nostavat alussa betonin pH:ta, jonka seurauksena hiilidioksidin sitoutuminen lisääntyy. Lisäksi natriumyhdisteiden läsnäolo betonimassassa kiihdyttää betonin kovettumisessa syntyvien tuotteiden muodostumista. Valmistamalla betonimassaa ja kovettamalla se hiilidioksidikammioissa saadaan betonin mekaanisia ominaisuuksia parannettua sitomalla siihen hiilidioksidia. Kun betoniin lisätään vielä natriumhydroksidia lisäaineena, saadaan hiilidioksidin sitoutumista betoniin kiihdytettyä.
Karbonatisoitumisen testaaminen ja tutkimus
Natriumhydroksidin vaikutusta betonin karbonatisoitumisessa tutkittiin valmistamalla betonimassoja, joihin lisättiin eri määriä natriumhydroksidia. Natriumhydroksidin määrä lisättiin prosentteina sementin määrästä. Näytteet kovetettiin hiilidioksidikammiossa ja rinnakkaiset näytteet normaalioloissa. Valmistetuista näytteistä arvioitiin mekaanisia ominaisuuksia, määritettiin sitoutuneen hiilidioksidin määrä sekä karbonatisoitumissyvyys.
Näytteisiin sitoutuneen hiilidioksidin määrä määritettiin titraamalla. Titrauksessa hiilidioksidikovetettuja kappaleita verrattiin normaalioloissa kovetettuihin kappaleisiin, jolloin saatiin laskettua niiden karbonatisoitumisaste. 1,0 % natriumhydroksidi lisäyksellä saatiin kasvatettua betonin karbonisoitumisastetta 4,32 % referenssibetonimassaan verrattuna. Muissa näytteissä karbonisoitumisaste jäi kuitenkin heikommaksi. Titrauksena haasteena oli näytteiden käsinjauhatus, mikä vaikutti näytteyden partikkelikokoon ja sitä kautta titrauksen tuloksiin.
Näytteiden mekaanisia ominaisuuksia arvoitiin testaamalla puristuslujuuksia. Näytteet, joihin oli lisätty 0,50 % ja 1,0 % natriumhydroksidia kehittivät hieman suuremmat puristuslujuudet kuin muut näytteet vaikka muuten puristustuloksissa ei ollut suurempia eroja. Normaalioloissa kovetetut kappaleet kehittivät lujuutta odotetusti huomattavasti heikommin kuin hiilidioksidissa käsitellyt kappaleet. Näytteet, joihin oli lisätty 0,50 % natriumhydroksidia kehittivät parhaimmat lujuudet omassa sarjassaan.
Karbonatisoitumissyvyys-testauksessa kaikkiin näytteisiin muodostui selkeä pH-raja lähelle kappaleen ulkopintoja. Hiilidioksidin sitoutuminen on siis ollut voimakkainta kappaleen pinnoilla, mutta karbonatisoitumista oli havaittavissa lisäksi syvemmällä kappaleen sisällä. Tämän pystyi arvioimaan fenoliftaleiini-indikaattorin aiheuttamasta värin muutoksesta.
Natriumhydroksidin käyttö betonin karbonatisoitumisen parantamisessa vaatii vielä lisätutkimusta ja sen todellinen hyöty voi tulla esiin vasta märkäbetonin kanssa suoritetuissa tutkimuksissa. Märkämassa ei luontaisesti sido itseensä hiilidioksidia, mutta natriumhydroksidin avulla hiilidioksidin diffuusiota voitaisiin saada parannettua. Natriumhydroksidin toimintaa voitaisiin tehostaa lisäksi muiden natriumhydroksidiyhdisteiden avulla, kuten natriumkloridin.
Lähteet
Al-Neshawy, F. 2022. Betonisanasto – Glossary of concrete terms.
Partanen, L. 2023. VTT:ltä spinnaava Carbonaide rakentaa Hollolassa maailman ensimmäistä hiilinegatiivisen betonin mahdollistavaa teollista pilot-tuotantolinjastoa. Viitattu 22.5.2024. https://www.vttresearch.com/fi/uutiset-ja-tarinat/vttlta-spinnaava-carbonaide-rakentaa-hollolassa-maailman-ensimmaista
Skinner, B & Lalit, R. 2023. Concrete: 8% of global emissions and rising. Which innovations can achieve net zero by 2050?. Viitattu 22.5.2024. https://energypost.eu/concrete-8-of-global-emissions-and-rising-which-innovations-can-achieve-net-zero-by-2050/
Artikkelin pääkuva: Pixabay / @MabelAmber