دی‌اکسید کربن بتن را ۱۳ درصد مقاوم‌تر می‌کند

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست موفق شده‌اند برای نخستین بار واکنش‌های شیمیایی پنهانی را که در اثر تزریق دی‌اکسید کربن به سیمان رخ می‌دهد به‌طور مستقیم مشاهده کنند؛ فرآیندی که نه‌تنها به جذب و ذخیره کربن کمک می‌کند بلکه استحکام اولیه بتن را نیز به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.

به گزارش ساینس دیلی، سال‌هاست شرکت‌های ساختمانی از فناوری تزریق دی‌اکسید کربن به بتن برای کاهش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و بهبود عملکرد اولیه این ماده استفاده می‌کنند اما سازوکار دقیق این اثرات تاکنون به‌خوبی شناخته نشده بود. اکنون محققان MIT با بهره‌گیری از فناوری تصویربرداری مبتنی بر لیزر توانسته‌اند واکنش‌های سریع و پیچیده‌ای را که در نخستین ساعات سخت شدن سیمان رخ می‌دهد به‌صورت لحظه‌ای ثبت و تحلیل کنند.

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد تزریق دی‌اکسید کربن یک مسیر شیمیایی موقت اما بسیار مهم ایجاد می‌کند که نحوه سخت شدن سیمان را تغییر می‌دهد. این فرآیند در نهایت ساختاری یکنواخت‌تر در ماده ایجاد کرده و استحکام اولیه آن را افزایش می‌دهد.

مشاهده واکنش‌هایی که پیش‌تر قابل ردیابی نبودند

این مطالعه توسط محققان مرکز پایداری بتن و دانشکده مهندسی عمران و محیط‌زیست MIT انجام شده است. پژوهشگران برای بررسی فرآیند‌های شیمیایی از فناوری میکروسکوپ رامان کانفوکال استفاده کردند که می‌تواند از طریق تحلیل نحوه تعامل نور لیزر با پیوند‌های شیمیایی ترکیبات مختلف را شناسایی کند.

محققان نمونه‌های خمیر سیمان را در طول ۲۴ ساعت نخست فرآیند عمل‌آوری به‌طور مداوم تحت نظر قرار دادند. به گفته آنان مطالعات قبلی عمدتا بر مدل‌های نظری و اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم تکیه داشتند، زیرا واکنش‌های موردنظر با سرعتی رخ می‌دادند که ابزار‌های متداول قادر به ثبت آنها نبودند.

ادمیر ماسیک استاد دانشگاه MIT در این باره گفت: ما پیش از این از طیف‌سنجی رامان برای مطالعه برخی از جالب‌ترین مواد تاریخ از طومار‌های دریای مرده گرفته تا بتن روم باستان استفاده کرده‌ایم. اگرچه خمیر سیمان در مقایسه با آنها کمتر جذاب به نظر می‌رسد، اما تاباندن لیزر به سیمان حاوی دی‌اکسید کربن در حال سخت شدن، امکان مشاهده پدیده‌هایی را فراهم کرد که تاکنون دیده نشده بودند.

شکل‌گیری یک شبکه موقتی و نامرئی

بررسی‌ها نشان داد هنگامی که دی‌اکسید کربن به سیمان تازه افزوده می‌شود در ابتدا کلسیم آزادشده در جریان حل شدن ذرات سیمان را جذب می‌کند. این اتفاق به‌طور موقت روند طبیعی هیدراتاسیون سیمان را کند کرده و شرایط شیمیایی داخل خمیر سیمان را تغییر می‌دهد.

در نتیجه این تغییر ترکیبات سیلیکاتی محلول فرصت پیدا می‌کنند در سراسر ماده پراکنده شوند و یک شبکه به‌هم‌پیوسته از ژل سیلیکا تشکیل دهند. این ساختار تنها برای مدت کوتاهی پایدار باقی می‌ماند و سپس از بین می‌رود.

چند ساعت بعد زمانی که دی‌اکسید کربن تزریق‌شده به‌طور کامل معدنی می‌شود فرآیند معمول هیدراتاسیون دوباره آغاز می‌شود. در این مرحله هیدروکسید کلسیم تشکیل شده و بلافاصله با شبکه ژل سیلیکا واکنش می‌دهد. حاصل این واکنش تشکیل هیدرات سیلیکات کلسیم یا C-S-H است؛ ترکیبی که عامل اصلی استحکام و چسبندگی سیمان محسوب می‌شود.

توزیع یکنواخت‌تر عامل استحکام در بتن

به گفته پژوهشگران تفاوت مهم این فرآیند با سیمان معمولی در نحوه شکل‌گیری C-S-H است. در سیمان‌های رایج این ماده عمدتاً در اطراف ذرات سیمان تشکیل می‌شود، اما در نمونه‌های حاوی دی‌اکسید کربن C-S-H در سراسر ساختار سیمان به‌صورت یکنواخت توزیع می‌شود.

مارسین هایدوچک دانشجوی تحصیلات تکمیلی و از نویسندگان این پژوهش گفت: در ابتدا تصور می‌کردیم مشاهده ژل سیلیکا در داده‌های رامان یک خطای اندازه‌گیری باشد، اما خیلی زود مشخص شد ناپدید شدن ناگهانی این ژل یک ویژگی ثابت و تکرارشونده در تمام نمونه‌های حاوی دی‌اکسید کربن است.

افزایش ۱۳ درصدی استحکام بتن

آزمایش‌های مکانیکی نشان داد نمونه‌هایی که مقدار دی‌اکسید کربن تزریق‌شده به آنها معادل یک درصد وزن سیمان بود پس از ۲۴ ساعت به‌طور متوسط ۱۳ درصد استحکام فشاری بیشتری نسبت به نمونه‌های مرجع داشتند.

این یافته همچنین برخی فرضیات قبلی درباره نقش کربنات کلسیم را به چالش می‌کشد. پژوهشگران دریافتند ذرات کربنات کلسیم برخلاف تصور گذشته، نقش اصلی در افزایش استحکام ایفا نمی‌کنند و بیشتر به‌عنوان محصول جانبی فرآیند عمل می‌کنند.

ماسیک در این زمینه گفت: سال‌ها دی‌اکسید کربن را به محصولات سیمانی تزریق می‌کردیم، بدون آنکه دقیقاً بدانیم درون ماده چه اتفاقی رخ می‌دهد. اکنون که سازوکار این فرآیند را درک کرده‌ایم، می‌توانیم آن را کنترل و بهینه‌سازی کنیم.

پژوهشگران تاکید می‌کنند میزان دی‌اکسید کربن تزریق‌شده باید با دقت کنترل شود، زیرا مقادیر بیش از حد آن می‌تواند مقدار زیادی از کلسیم را درگیر کرده و مانع وقوع واکنش‌های مفید شود.

با این حال نتایج این مطالعه مسیر جدیدی را برای طراحی نسل آینده سیمان‌ها و بتن‌های کم‌کربن فراهم می‌کند؛ موادی که علاوه بر ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن از استحکام و عملکرد بهتری نیز برخوردار هستند و می‌توانند در پروژه‌های زیربنایی آینده نقش مهمی ایفا کنند.

نتایج این پژوهش در نشریه Journal of the American Ceramic Society منتشر شده است.