Jak vyrobit silnější a „zelenější“ cement

29. 09. 2014 14:00:00
Beton je nejpoužívanějším stavebním materiálem na světě, a vedoucím přispěvatelem ke globálnímu oteplování, produkuje až jednu desetinu průmyslově generovaných emisí skleníkových plynů. Nyní nová studie naznačuje způsob, jakým by mohla být snížena více než polovina těchto emisí - a výsledkem by byl ještě silnější, a odolnější materiál.

Zjištění pocházejí z nejpodrobnější molekulární analýzy dosud komplexní struktury betonu, což je směs písku, štěrku, vody a cementu. Cement se vyrábí vařením materiálu bohatým na vápník, obvykle vápence, s materiálem bohatým na křemík - typicky jílem - při teplotě 1500 stupňů Celsia, čímž se získá pevná hmota s názvem "slínek". Ta je potom rozemleta na prášek. Dekarbonizace vápence a ohřev cementu jsou zodpovědné za většinu emisí skleníkových plynů z materiálu (2).

Nová analýza naznačuje (1), že snížení poměru vápníku ke křemičitanu by nejen snížilo tyto emise, ale vyrobil by se skutečně lepší, silnější beton. Tyto nálezy jsou popsány v časopise Nature Communications odborníky a profesory z Massachusetského institutu technologií (MIT) v Cambridgi.

Cement je nejpoužívanější materiál na světě - jeho současné použití se odhaduje na trojnásobek používaného množství oceli ve světě (3). Neexistuje jiné řešení k ukrytí lidstva trvalým způsobem, než otočením tekutiny do kamene za 10 hodin, snadno, při pokojové teplotě... To je kouzlo cementu.

U běžných cementů se poměr vápníku k oxidu křemičitému pohybuje kdekoli od 1,2 do 2,2, přičemž 1,7 se akceptuje jako standard. Avšak výsledné molekulární struktury nebyly nikdy porovnány v detailu. Vědci sestavili databázi všech těchto chemických přípravků a shledali, že optimální směs není ta obvykle dnes používaná, ale spíše v poměru asi 1,5.

Jak se poměr mění, molekulární struktura tvrzeného materiálu postupuje z pevně objednané krystalické struktury do neuspořádané sklovité struktury. Nalezený poměr 1,5 dílů vápníku pro každý jeden díl křemene se ukázal být "magickým poměrem", protože v tomto bodě materiál může dosáhnout dvojnásobku odolnosti běžného cementu, mechanické odolnosti vůči zlomu, s určitým molekulárním měřítkem designu. Tímto zjištěním byly validovány velké skupiny experimentálních dat. Vzhledem k tomu, že emise z výroby betonu se odhadují ve výši 5 až 10 procent z celkových průmyslových emisí skleníkových plynů, jakékoliv snížení obsahu vápníku v cementové směsi bude mít dopad na CO2. Ve skutečnosti by mohlo snížení emisí uhlíku dosáhnout až 60 procent.

Práce je vyvrcholením pěti let výzkumu a spolupráce týmu z MIT a CNRS (Marseille, Francie). Obě instituce mají společné pracoviště na MIT s názvem Multi-Scale Materials Science for Energy and Environment.

Kromě celkového zlepšení mechanické pevnosti, by byl materiál skelný a méně krystalický, takže by nebylo žádné zbytkové napětí v materiálu, a byl by více rezistentní vůči zlomeninám.

Vzhledem k jeho lepší odolnosti vůči mechanickému namáhání, vědci předpokládají, že revidované složení přípravku by mohlo být předmětem zvláštního zájmu ropného a plynárenského průmyslu, kde cement má zásadní význam pro zamezení úniku a prasknutí. Zatím vědecká práce zůstala na molekulární úrovni analýzy. Dále se vědci musí ještě ujistit, že vlastnosti těchto nanočástic lze přeložit do středně velkého měřítka - to znamená, na žádosti inženýrské úrovně pro infrastrukturu, bydlení a jiná využití (4).

vyroba_stavebnich_hmot_env_892.jpg

Graf Podíl výroby stavebních hmot na emisích oxidů dusíku, prachových částic a oxidu uhelnatého, 2011 v %.

Poznámky:

1) M.J. Abdolhosseini Qomi, K.J. Krakowiak, M. Bauchy, K.L. Stewart, R. Shahsavari, D. Jagannathan, D.B. Brommer, A. Baronnet, M.J. Buehler, S. Yip, F.-J Ulm, K.J. Van Vliet, R.J-.M. Pellenq. Combinatorial molecular optimization of cement hydrates. Nature Communications, 2014; 5: 4960 DOI: 10.1038/ncomms5960

2) Průmysl výroby stavebních hmot zpracovává velké objemy surovin a bývá proto umisťován v blízkosti jejich těžby. Toto odvětví je charakteristické vysokou prašností, která vzniká přímo při výrobě nebo manipulaci a dopravě surovin (písek, kámen, štěrk a vápenec) a výsledných produktů. Kromě samotné těžby má podstatné dopady na životní prostředí především výroba cementu a vápna, při níž vznikají emise skleníkových plynů a která je navíc energeticky velice náročná. Pro výrobu cementu je totiž potřeba velmi vysoké teploty (cca 1500 stupňů Celsia, vápno se vypaluje okolo 1000 stupňů Celsia), které se dosahuje v pecích. Spalováním paliva, které z cca 60 procent tvoří černé uhlí, a vypalováním vápence dochází ke vzniku emisí oxidu uhličitého a ke znečišťování ovzduší dalšími látkami (oxidy dusíku, prachovými částicemi). Celkově cementárny v ČR produkují okolo 3,5 milionu tun CO2 ročně (3,1 %). Výrobou vápna ve vápenkách, kde probíhají podobné procesy, jako při výrobě cementu, vzniká okolo 1,5 milionu tun CO2 ročně. Dohromady se výroba stavebních hmot podílí na celkové produkci skleníkových plynů v ČR cca 4 procenty.

Výroba každé tuny tradičního portlandského cementu vede k uvolnění jedné tuny oxidu uhličitého do ovzduší. Na celém světě se každý rok vyrobí zhruba 2,5 miliardy tun cementu, a stavebnictví se tak podílí na celkových emisích CO2 zhruba pěti procenty.

3) Cementy jsou v současnosti nejpoužívanějším pojivem ve stavebnictví. Podle ČSN EN 197-1 (72 2101) je cement hydraulické pojivo, tj. jemně mletá anorganická látka, která po smíchání s vodou vytváří kaši, která tuhne a tvrdne v důsledku hydratačních reakcí a procesů. Po zatvrdnutí zachovává svoji pevnost a stálost také ve vodě. Hydraulické tvrdnutí cementu je důsledkem hydratace vápenatých silikátů (křemičitanů) a aluminátů (hlinitanů). Účinnými hydraulickými složkami cementů jsou tedy sloučeniny CaO s SiO2, Al2O3 a Fe2O3, popřípadě jiné sloučeniny podobného typu. Celkový obsah aktivního oxidu vápenatého (CaO) a aktivního oxidu křemičitého (SiO2) musí být v cementu CEM nejméně 50 % hmotnosti. Podle chemického hlediska (převažující aktivní složky) je možno rozdělit různé druhy cementů do tří skupin:

- křemičitanové (silikátové) cementy, jejichž nejvýznamnějším zástupcem je cement portlandský (s převahou křemičitanů vápenatých),

- hlinitanové (aluminátové) cementy, s převahou hlinitanů vápenatých,

- jiné (ostatní) cementy, např. železitanové, barnaté apod.

Cementy vznikají drcením, mletím a homogenizací surovin vhodného složení (vápence, slínovce) a následným výpalem připravené surovinové směsi nad mez slinutí (teplota výpalu je zhruba 1450 oC), čímž vzniká „meziprodukt“ – slínek. Ten se po ochlazení a odležení rozemele s přísadami a příměsmi (sádrovcem, struskou, popílkem) na jemnou moučku o měrném povrchu minimálně 225 m2.kg-1, tj. na výsledný produkt – cement.

4) Závěrem je dobré dodat, že se nejedná o první snahu a pokus, jak vyrobit ekologický cement či stavební hmoty. Již před mnoha lety, konkrétně v roce 2008, přišel s originálním nápadem profesor Stanfordské univerzity Brent Constantz. Nový cement napodobuje proces, jakým koráli vytvářejí své vápenaté schránky, využívá tedy hořčík a vápník obsažený v mořské vodě k tvorbě karbonátů - odebírá spaliny z tepelné elektrárny Dynegy a nechává je probublávat mořskou vodou čerpanou na nedalekém pobřeží. V každé tuně jím vyrobeného cementu se daří uložit zhruba půl tuny emisí.

Autor: Kateřina Březová | pondělí 29.9.2014 14:00 | karma článku: 18.05 | přečteno: 1832x

Další články blogera

Kateřina Březová

Jezte hmyz a falešné maso, abyste snížili dopad hospodářských zvířat na planetu

Změny ve stravě jsou zásadní pro snížení emisí skleníkových plynů a odlesňování způsobené rostoucí chutí na maso ve světě, říkají vědci.

7.5.2017 v 18:45 | Karma článku: 11.45 | Přečteno: 591 |

Další články z rubriky Životní prostředí a ekologie

Jan Ferenc

Co dál? Změna mimo?

Stávkující davy pátečníků se rozrostly na hezkých pár milionů. Úměrně s tím stoupá jejich agresivita. Apely na politiky se mění v ultimativní požadavky na konkrétní akce v konkrétním termínu: ihned.

16.10.2019 v 8:52 | Karma článku: 19.87 | Přečteno: 448 | Diskuse

Valtr Sodomka

Je kusové dřevo obnovitelný zdroj aneb 336 dvacetiletých stromů

Zamyšlení nad smysluplností pojmu obnovitelný zdroj energie ve vztahu k využití kusového dřeva, a to na příkladu "obnovitelného" zdroje pro jeden rodinný dům.

14.10.2019 v 19:14 | Karma článku: 22.60 | Přečteno: 707 | Diskuse

Luděk Niedermayer

Co papír snese?

Populární motoristický časopis Svět motorů se stále více zabývá elektromobilitou. Což vítám. Ovšem jeho texty někdy přinesou dost velká překvapení.

14.10.2019 v 18:00 | Karma článku: 10.78 | Přečteno: 578 | Diskuse

Dušan Póč

Vsetín má sice Oscara, ale…

Vratné kelímky a Vsetín rovná se jedno a totéž! Město je totiž držitelem Ekologického oscara v kategorii Obec. Záznam z jejího předávání vysílala v sobotu televize. Sluší se tedy pogratulovat a já tak činím rád. Jsem Vsetíňan!

14.10.2019 v 17:34 | Karma článku: 14.69 | Přečteno: 238 |

Vítězslav Kremlík

Rebelie proti neexistujícímu „šestému masovému vymírání"

Gail Bradbrooková říká, že nápad založit Extinction Rebellion dostala, když byla zdrogovaná, tedy pod vlivem psychedelik. Dnes volá po tom, aby se rebelové masivně zfetovali halucinogenními látkami. Což mnohé vysvětluje.

11.10.2019 v 9:23 | Karma článku: 35.30 | Přečteno: 1097 | Diskuse
Počet článků 192 Celková karma 0.00 Průměrná čtenost 1617
Pracuje jako poradkyně v ochraně životního prostředí a ekologii. Máma s jedním dítětem s mnoha zájmy - hlavně příroda, ekologie, cestování, knihy ... Více viz: http://ekoporadenstvi.ic.cz

Najdete na iDNES.cz