A beton az egyik legrégebbi és legsokoldalúbb ismert építőanyag. Az ókori rómaiak betonból építettek vízvezetékeket, utakat és olyan ma is álló építményeket, mint a Colosseum és a Pantheon. Ma a betont szilárdsága, tartóssága és sokoldalúsága miatt gyakorlatilag mindenféle építési típusban használják.

Épületeink alapjainak, falainak, mennyezetének és padlójának kialakításához is a betont használjuk. A beton a világ néhány legmagasabb épületének, például a Burj Khalifa, a Shanghai Tower és a One World Trade Center szerkezeti magjaként szolgál. Parkolóházakat, járdákat, hidakat, repülőtéri kifutópályákat, autópályákat, gátakat és csatornákat építünk ebből az anyagból. Az egyetlen dolog, amiből az emberek évente többet használnak, mint a betonból, az a víz.

A betonnal az a probléma, hogy az ember által okozott szén-dioxid (CO2) kibocsátás egyik nagy szeletét pont a beton, pontosabban, a cementgyártás adja, a cement, ami a betonnak a kötőanyaga, amelyet a betonhoz adalékanyaggal és vízzel kevernek össze, az ember által kibocsátott CO2 körülbelül 7%-áért felelős évente.

A cementgyártás kétféle módon okoz CO2-kibocsátást. Először is, hatalmas mennyiségű fosszilis tüzelőanyagot égetnek el, hogy a kemencéket 1300 és 1650 °Celsius-fok közötti hőmérsékletre fűtsék. A második CO2 kibocsátási folyamat a gyártás során végbemenő, kalcinálásnak nevezett kémiai folyamatkor keletkezik.

A portlandcementet általában szilícium-dioxid, alumínium-oxid, kalciumvegyületek és vas-oxidot tartalmazó mészkő és agyag felhasználásával állítják elő. A kemencében a magas hőmérséklet hatására az összetevők összekeverednek, és ezáltal új vegyületek keletkeznek, amelyet klinkernek neveznek, és szilárd pellet formában jönnek létre. Amikor a cementkészítéshez felhasznált mészkő eléggé felforrósodik, akkor kalcium-karbonátra (CaCO3), CO2-ra, és kalcium-oxidra (CaO) válik szét.

Ha hozzáadjuk a nyersanyagok begyűjtéséhez, a cementgyárba szállításához, majd a késztermék elszállításához szükséges berendezések és járművek CO2-kibocsátását, akkor látható hogy a cementgyártás nagy mértékben járul hozzá az építőiparban keletkező CO2 szint növeléséhez.

A beton és cementgyártás szén-dioxid-kibocsátásának csökkentése érdekében a kutatók azt vizsgálják, hogyan lehetne csökkenteni a cementgyártáshoz felhasznált mészkő mennyiségét, ami csökkentené a CO2-kibocsátást, és hogyan lehetne a betont erősebbé tenni, úgy, hogy kevesebb kelljen belőle az építkezések során.

Íme néhány példa arra, hogy milyen fejlesztéseken dolgoznak, hogy környezetbarátabb, és fenntarthatóbb betont tudjanak előállítani.

Grafén hozzáadása a betonhoz

Az Exeteri Egyetem kutatói úgy találták, hogy a grafén beépítése a betonba erősebbé teszi azt. A grafén a szén egyetlen rétegben, hatszögletes rácsba rendezett atomokból álló szénforma. A grafén, amely 200-szor erősebb, mint az acél, rendkívül könnyű és rugalmas, kiváló hő és áramvezető, és gyakorlatilag áthatolhatatlan. Az új, „grafénes” beton kétszer olyan erős, mint a normál beton, és négyszer vízállóbb. A kutatócsoport nanotechnológiát alkalmazott, hogy a betonkeverékhez használt vízben grafént szuszpendáljon. 

Gyökérzöldségek

A Lancaster Egyetem kutatói gyökérzöldségeket, például cukorrépát és sárgarépát használnak arra, hogy a betont erősebbé és tartósabbá tegyék. Az egyetem B-SMART projektjét az Európai Unió finanszírozza azzal a céllal, hogy új, intelligens cementtartalmú nanokompozitokat fejlesszenek ki a többfunkciós épített infrastruktúra számára.

A kutatócsoport a hagyományos portlandcementet a sárgarépa és a cékla rostjaiból vett nanoplateletekkel kombinálja. Amikor a nanoplateleket a portlandcementhez adják, az növeli a kalcium-szilikát-hidrát mennyiségét, amely a beton szilárdságáért felelős. Azáltal, hogy a beton erősebbé válik, kevesebb portlandcementre van szükség.

Amellett, hogy erősebb lesz, a cement mikroszerkezete is sűrűbb lesz, ami tartósabb és fenntarthatóbb betont eredményezhet. Az élelmiszeriparban keletkező hulladékanyagok felhasználásával a gyökérzöldség nanoplateletek beszerzése olcsóbb lenne, mint az olyan adalékanyagoké, mint a grafén.

Szénpernye felhasználásával készült beton

A Washingtoni Egyetemen a kutatók megtalálták a módját annak, hogy szénpernyéből olyan beton-összetevőt készítsenek, amelyhez nem szükséges a cement jelenléte. A szénpernye olyan hulladékanyag, amely akkor keletkezik, amikor a szénport energiatermelés céljából elégetik az erőművekben.

A kutatócsoport grafén-oxid segítségével manipulálta, és átrendezte a szénpernye atomjait és molekuláit. A módosított pernyét nátrium-szilikáttal és kalcium-oxiddal kombinálták, hogy egy szervetlen polimert hozzanak létre, amely kötőanyagként működik a cement helyett.