MITの研究者が「グリーン」コンクリート用の新しい添加剤を開発

マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、大気中の二酸化炭素の放出を少なくするコンクリートの新しい製造方法を発見しています。

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コンクリートは世界で 2 番目に多く消費されている材料です。 水が第一です。 それは現代のインフラストラクチャーの基礎でもあります。 道路、橋、建物など、耐久性があり長持ちするように設計されたあらゆるものの建設に使用されます。 しかし、欠点もあります。 コンクリートの製造では、セメント製造の化学副産物として、またこれらの反応の燃料として必要なエネルギーとして、大量の二酸化炭素が発生します。 毎年、世界の炭素排出量の約 8% が​​セメントとコンクリートの製造に関連しています。

MITの研究チームは、コンクリートの機械的特性を変えることなく、従来のコンクリート製造プロセスからの炭素排出を大幅に削減する新材料を発見したと発表した。 彼らの研究結果は、「CSH への CO2 の固定化: 具体的なカーボンニュートラルへの一歩」というキャッチーなタイトルの論文として、3 月 28 日にジャーナル PNAS Nexus に掲載されました。 著者は、マサチューセッツ工科大学（MIT）の土木・環境工学教授であるアドミール・マシック氏とフランツ・ヨーゼフ・ウルム氏、MIT博士研究員候補者のダミアン・ステファニューク氏、博士課程の学生マルシン・ハイドゥチェク氏です。 ハーバード大学ウィス研究所のジェームス・ウィーバー氏も貢献した。

セメン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）として知られるおなじみの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る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。 鉱物混合物が摂氏 1,400 度 (華氏 2,552 度) 以上の温度に加熱されると、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、その後、この混合物が体内に放出されます。空気。

MITの研究者らはプレスリリースの中で、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高アルカリ性となり、二酸化炭素の隔離と長期貯蔵に一見理想的な環境を生み出すと述べている。炭酸塩材料の形態（炭酸化として知られるプロセス）。 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る可能性があります。 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。 これらのゆっくりとした後期段階の炭酸化反応は、数十年の時間スケールで発生する可能性があり、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。 研究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い段階で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の取り込みによる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% 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。」

画像クレジット: MIT

もう 1 つの良いニュースは、得られたコンクリートが、その機械的性能に影響を与えることなく、これまで説明されていなかった複合相の形成によってはるかに速く硬化することです。 したがって、このプロセスにより、建設業界の生産性が向上します。 たとえば、型枠を早期に削除できるため、橋や建物の完成に必要な時間を短縮できます。

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ありません。 コンクリートを所望の形状に鋳造した後、二酸化炭素の吸収を促進するこのアプローチを検討している既存の企業がいくつかあります。 しかし、MITチームによる今回の発見は、二酸化炭素を隔離するコンクリートの予備硬化能力が大幅に過小評価され、十分に活用されていないという事実を浮き彫りにしている。

「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ます。 」とマシックは言う。 この研究は、ポートランド セメント協会とコンクリート研究教育財団の後援を受けている MIT のコンクリート サステナビリティ ハブによって支援されました。

Masic はコンクリート、特に 1500 年以上続くローマ人によって作られたコンクリートに魅了されています。 彼と彼の研究チームは状況を調査し、ローマンコンクリートには炭酸カルシウムの塊が多く含まれていることを発見しました。 以前は、これらの塊は混合技術が不十分なせいだと考えられていましたが、Masic 氏は、これらの塊が具体的な自己修復特性を与えていると信じています。 水がコンクリートに浸透すると、炭酸カルシウムと反応して新しいコンクリートを形成し、経年劣化によって生じた亀裂に流れ込みます。

他の研究者は、ローマ人が海に隣接するコンクリート構造物を作るために海水と火山材料を使用したと示唆しています。 それらの建造物の中には、現在 1500 年以上前のものもあります。

15 世紀前にローマ人が持っていた知識がなぜ現代の建築家に受け継がれなかったのかを考えるのは興味深いことです。 暗黒時代は、それまで人類が蓄積してきた集合的な知識の多くを消し去ったように見えます。 現在、研究者たちは、西暦 500 年に常識だったものを理解するのに苦労しています。おそらく、私たち現代人は、自分たちが思っているほど賢くないのかもしれません。

スティーブは、フロリダの自宅やフォースに導かれそうな場所から、テクノロジーと持続可能性の間のインターフェースについて書いています。 彼は「目が覚めた」ことを誇りに思っており、ガラスが割れた理由などまったく気にしていません。 彼は、3000 年前にソクラテスが言ったことを熱心に信じています。「変化の秘訣は、古いものと戦うことではなく、新しいものを構築することにすべてのエネルギーを集中することです。」

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