Цемент – один з ключових для цивілізації матеріалів, що за свою майже 2000-літню історію використовувався при будівництві найрізноманітніших споруд - від римського Колізею до сучасних хмарочосів і автострад. На жаль, виробництво найпоширенішого виду цементу, відомого як портландцемент, завдає значної загрози довкіллю, адже при отриманні однієї його тонни в атмосферу викидається майже тонна діоксиду вуглецю, що сумарно складає близько 5% усіх техногенних викидів парникових газів.
Як не дивно, попри широку поширеність, цемент є одним з найскладніших продуктів у матеріалознавстві. Як зазначає Гемлін Дженнігс (Hamlin Jennings), директор Лабораторії з вивчення тривкості цементу (Cement Sustainability Hub, CSHub) при Массачусетському технологічному інституті, «починаючи зі складу цементу й закінчуючи його хімічною реакцією з водою, багато важливих питань досі без відповіді».
Торгівля квотами викидів парникових газів та перспектива запровадження «вуглецевого податку» спонукала уряди та промислові групи багатьох країни світу всерйоз зайнятися пошуком екологічніших альтернатив традиційному цементу.
Зазначимо, що виробництво цементу розпочинається зі змішування вапняку та алюмосилікатної глини, які «запікаються» при температурі 1500 С. В результаті утворюється сіра, мармуроподібна суміш, що називається клінкер. До складу клінкеру входить залізо, кремній та оксиди алюмінію і кальцію, які утворюються, коли під дією температури з вапняку виділяється вуглекислий газ, який власне і є одновним промисловим викидом під час виробництва цементу (іншим викидом є СО2, що утворюється при згоранні палива для нагрівання печі). Коли клінкер остигає, його змішують з гіпсом (кількість якого визначає швидкість застигання цементу), дрібнять до консистенції муки та фасують.
Під час будівництва цемент змішують з водою, кількість якої залежить від типу будівництва (для мурування стін потрібні одні пропорції, а для мощення тротуару, наприклад, – зовсім інші). Найважливішою етапом є гідратація цементу – хімічна реакція, внаслідок якої вода та порошкоподібний клінкер перетворюються на штучний камінь. Коротко цей процес можна зобразити формулою: CaO–SiO2–H2O або C–S–H.
Як уже було сказано, найактуальнішою проблемою, яку намагаються вирішити вчені, є зниження атмосферних викидів СО2 під час виробництва цементу. Теоретично можна знизити температуру «запікання» й, отже, зменшити кількість палива, необхідного для розжарювання печей. Перспективною сферою досліджень у цій галузі є мінерали аліт та ларніт, які входять до складу клінкеру та «запускають» реакцію C–S–H. Аліт (Ca3SiO5) – хімічно активніший, однак утворюється при більшій температурі, ніж ларніт (Ca2SiO4). Хіміки з CSHub, відтак, намагаються знайти кристали ларніту, які були б такі ж хімічно активні, як кристали аліту, однак формувалися б при нижчій температурі, заощаджуючи паливо. Це можна зробити лише дослідивши атомну структуру цих матеріалів, тож вченим з СSHub довелося звернутися до квантових обчислень. Вони виявили, що одна з граней кристалів аліту приєднує воду краще, ніж інші, тоді як у ларніту усі грані однакові, і він розчиняється у воді гірше, ніж аліт. Інший їхній висновок полягає в тому, що окремі метали, зокрема магній, полегшують розчинність ларніту. Якщо досліди підтвердять правильність їхніх дослідів, то в майбутньому, можливо, використовуватиметься екологічно чистіший цемент лише на основі ларніту.
Альтернативою дослідженням CSHub є нестандартні рішення компанії Ceratech з Вірджинії. За приклад хіміки Ceratech обрали цемент, який використовували у Стародавньому Римі близько 2.000 років тому. Клінкер тоді заміняв пуцолан – багатий кремнеземом вулканічний попіл природного походження. Замість пуцолану компанія Ceratech пропонує використовувати летючу золу – особливий пил, який утворюється під час спалювання вугілля у теплоелектростанціях. У самих лиш США щороку утворюється 70 мільйонів тонн такого пилу, який не попадає в атмосферу, а вловлюється спеціальними фільтрами. Змішавши летючу золу з рідкими добавками, Ceratech отримала цемент не гіршої якості за клінкерний. Нагрівання при цьому взагалі непотрібне, що робить процедуру одержання такого цементу цілком екологічно чистою. Інженери компанії стверджують, що при будівництві триповерхового будинку площею 4.600 кв. м. використання цементу на основі летючої золи дасть змогу зменшити об’єм бетону на 183 кубічних метри, а масу несучих сталевих конструкцій – на 34 тонни.
Наскільки надійні та довговічні ці розробки, покаже час. Навіть якщо вони й не гіршої якості, інженери та будівельники у всьому світі, які споруджують житлові будинки, мости та автостради, ще довго використовуватимуть традиційний, перевірений часом цемент. А тим часом, впродовж 8 хвилин, які пройшли з початку читання цієї статті, виробники цементу встигнули викинути в атмосферу 30.000 тонн СО2.
21.02.2013