قدرة الخرسانة لتكون بمثابة “حوض كربون” طبيعي.. إنشاء هياكل متينة ومقاومة للتآكل وتقليل انبعاثات الكربون

داميان ستيفانيوك هو باحث ما بعد الدكتوراة في مركز MIT لاستدامة الخرسانة (CSHub)، يعمل مع أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فرانز جوزيف أولم وأدمير ماسيك من قسم الهندسة المدنية والبيئية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (CEE) للتحقيق في الخرسانة متعددة الوظائف.

يقدم لمحة عامة عن الكربنة في المنتجات القائمة على الأسمنت، وشرحًا موجزًا ​​عن سبب كون فهم الكربنة في دورة حياة منتجات الأسمنت أمرًا أساسيًا لتقييم تأثيرها على البيئة ، وتحديثًا للبحث الحالي لتعزيز العملية.

س: ما هو الكربنة ولماذا من المهم التفكير في الخرسانة من منظور دورة الحياة؟
ج: الكربنة هي التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) ومركبات معينة في المنتجات القائمة على الأسمنت ، والتي تحدث أثناء مرحلة استخدامها ونهاية عمرها. إنه يشكل كربونات الكالسيوم (CaCO 3 ) وله آثار مهمة في تحييد انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحقيق حيادية الكربون في دورة حياة الخرسانة.

أولاً ، يتسبب الكربنة في أن تعمل المنتجات القائمة على الأسمنت كمصارف طبيعية للكربون ، وعزل ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتخزينه بشكل دائم. يساعد ذلك في التخفيف من انبعاثات الكربون المرتبطة بإنتاج الأسمنت ، مما يقلل من انبعاثات الكربون الإجمالية.

ثانيًا ، الكربنة تؤثر على خصائص الخرسانة، قد تزيد الكربنة في المراحل المبكرة من قوة الضغط للمنتجات القائمة على الأسمنت ، مما يعزز متانتها وأدائها الهيكلي. ومع ذلك ، يمكن أن تؤثر الكربنة في المرحلة المتأخرة على مقاومة التآكل في الخرسانة المسلحة بالفولاذ بسبب انخفاض القلوية.

يعتبر اعتبار الكربنة في دورة حياة المنتجات القائمة على الأسمنت أمرًا بالغ الأهمية لتقييم تأثيرها البيئي بدقة، يمكن أن يساعد فهم الكربنة والاستفادة منها في تقليل انبعاثات الكربون وزيادة إمكانات عزل الكربون، يساعد الاهتمام الشديد بها في عملية التصميم في إنشاء هياكل متينة ومقاومة للتآكل، مما يساهم في إطالة العمر والاستدامة الشاملة.

س: ما هي بعض الجهود العالمية الجارية لفرض الكربنة؟

ج: تتضمن بعض الجهود الجارية لفرض الكربنة في الخرسانة زيادة مصطنعة لكمية غاز ثاني أكسيد الكربون الموجودة خلال المرحلة المبكرة من ترطيب الخرسانة. تهدف هذه العملية ، المعروفة باسم الكربنة القسرية ، إلى تسريع تفاعل الكربنة والفوائد المرتبطة به.

عادةً ما يتم تطبيق الكربنة القسرية على عناصر الخرسانة مسبقة الصب التي يتم إنتاجها في بيئات غنية بغاز ثاني أكسيد الكربون. من خلال تعريض الخرسانة الطازجة لتركيزات أعلى من ثاني أكسيد الكربون أثناء المعالجة ، يمكن تسريع عملية الكربنة ، مما يؤدي إلى تحسينات محتملة في القوة ، وتقليل امتصاص الماء ، وتحسين مقاومة نفاذية الكلوريد ، وتحسين الأداء أثناء تجميد الذوبان.

في الوقت نفسه ، قد يكون من الصعب تحديد كمية ثاني أكسيد الكربون التي يتم امتصاصها وإطلاقها بسبب هذه العملية.

تمثل هذه الجهود للحث على الكربنة في مرحلة مبكرة من خلال الكربنة القسرية تركيز الصناعة على تحسين أداء الخرسانة والآثار البيئية. من خلال استكشاف طرق لتعزيز عملية الكربنة ، يسعى الباحثون والممارسون إلى الاستفادة بشكل أكثر كفاءة من فوائدها ، مثل زيادة القوة وعزل ثاني أكسيد الكربون .

من المهم ملاحظة أن الكربنة القسرية تتطلب التنفيذ الدقيق والرصد لضمان النتائج المرجوة. تختلف الإجراءات والشروط المحددة بناءً على التطبيق والأهداف المقصودة ، مما يبرز الحاجة إلى الخبرة والبيئات الخاضعة للرقابة.

بشكل عام ، تساهم الجهود المستمرة في الكربنة القسرية في التطوير المستمر لتكنولوجيا الخرسانة ، بهدف تحسين خصائصها وتقليل البصمة الكربونية طوال دورة حياة المادة.

س: ما هو كربونات المعالجة المسبقة المستحثة كيميائيًا ، وما هي آثارها؟

ج: كربنة المعالجة المسبقة المستحث كيميائيًا (CIPCC) هي طريقة طورها معهد MIT CSHub للتمعدن وتخزين ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم في الأسمنت. على عكس طرق الكربنة القسرية التقليدية ، يدخل CIPCC ثاني أكسيد الكربون في خليط الخرسانة كمسحوق صلب ، على وجه التحديد بيكربونات الصوديوم. يعالج هذا النهج بعض القيود المفروضة على تقنيات التقاط الكربون الحالية واستخدامها.

الآثار المترتبة على CIPCC كبيرة. أولاً ، يوفر الراحة للتطبيقات المصبوبة في المكان ، مما يسهل دمج استخدام ثاني أكسيد الكربون في المشاريع الخرسانية. على عكس بعض الأساليب الأخرى، يسمح CIPCC بالتحكم الدقيق في كمية ثاني أكسيد الكربون المحبوس في الخرسانة.

وهذا يضمن كربنة دقيقة ويسهل إدارة أفضل لعملية التخزين. يعتمد CIPCC أيضًا على الأبحاث السابقة المتعلقة بمراحل الماء غير المتبلور ، مما يوفر آلية إضافية لعزل ثاني أكسيد الكربون في المنتجات القائمة على الأسمنت. هذه المراحل كربونات من خلال CIPCC ، مما يساهم في قدرة عزل الكربون الكلية للمادة.

علاوة على ذلك ، فإن الكربنة في مرحلة مبكرة من المعالجة المسبقة تبشر بالخير كمسار للخرسانة لعزل كمية محددة ودقيقة من ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم، يقترح بحثنا الأخير في PNAS Nexus أنه يمكن نظريًا تعويض ما لا يقل عن 40 ٪ من انبعاثات التكليس المرتبطة بإنتاج الأسمنت ، عند توقع حدوث تقدم في إنتاج انبعاثات منخفضة لبيكربونات الصوديوم.

وجدنا أيضًا أنه يمكن استبدال ما يصل إلى 15٪ من الأسمنت (بالوزن) ببيكربونات الصوديوم دون المساس بالأداء الميكانيكي لمزيج معين. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتقييم الآثار طويلة المدى لهذه العملية لاستكشاف المدخرات المحتملة في دورة الحياة وآثار الكربنة.

لا تقدم CIPCC فوائد بيئية فقط من خلال تقليل انبعاثات الكربون ، ولكن أيضًا مزايا عملية. يمكن أن تؤدي الزيادة المبكرة في القوة التي لوحظت في تطبيقات العالم الحقيقي إلى تسريع الجداول الزمنية للبناء من خلال السماح للخرسانة بالوصول إلى قوتها الكاملة بشكل أسرع.

بشكل عام ، يوضح CIPCC إمكانية عزل ثاني أكسيد الكربون بشكل أكثر كفاءة وتحكمًا في الخرسانة، إنه يمثل تطورًا مهمًا في الاستدامة الملموسة ، مع التركيز على الحاجة إلى مزيد من البحث والنظر في تأثيرات دورة حياة المواد.