Van jobb a jó öreg cementnél?

Egy tonna cement legyártása miatt egy tonna üvegházgáz kerül a levegőbe. Több kutatócsoport dolgozik zöldebb cementek előállításán. Valószínűleg a régi római cement a jó megoldás, de csak akkor, ha többet tudunk meg a mesterséges kőről, közismert nevén a betonról. 

Ha mind Budapestre zúdítanánk azt a 3,4 milliárd tonna cementet, amit várhatóan 2013-ban előállítunk a Földön, a fővárost mintegy másfél méter vastagon borítaná be. Jövőre még vastagabb lenne ez a réteg, mert a feltörekvő államokban, Indiában és Kínában a rengeteg építkezés miatt hatalmas az igény a cementre. Ezért nagyon nem mindegy, hogy a gyártása miatt mennyi üvegházhatású szén-dioxid kerül a légkörbe.

Ennyi füstöt okád egy cementgyár Kínában Forrás: AFP

A leginkább elterjedt - szakkifejezéssel portland - cement porrá őrölt mészkő hevítésével készül, kevés ásványi anyag, például agyag hozzáadásával. Az égetőkemencék 1500 Celsius-fokon működnek. Egy tonna cement legyártása szinte egy tonna szén-dioxid kibocsátásával jár a magas hőfok miatt. Ha ezt beszorozzuk az évi többmilliárd tonnás termeléssel, azt kapjuk, hogy az emberiség üvegházgáz-kibocsátásának 5 százalékáért a cementgyárak a felelősek.

Hogyan lehetne visszafogni ezt az óriási környezetterhelést? A válasz nem könnyű, mert a cement és a beton viselkedése az anyagtudományok legbonyolultabb feladványai közé tartozik. "Élénk vita zajlik arról, hogy pontosan mi is történik akkor, amikor a cement vízzel elegyedik. Szinte vallásháborúról beszélhetünk a szakmán belül, akkorák az eltérések a különböző felfogások között" - mondta Kenneth Snyder, az amerikai kormány szabványügyi és technológiai hivatalának (NIST) építőanyag-szakértője a Nature-nek.

Az öt legnagyobb cementgyártó közül háromnak a központja van az EU-ban: a Lafarge-é Franciaországban, a HeidelbergCementé Németországban és az Italcementié Olaszországban. (A negyedik legnagyobb gyártó a svájci Holcim, az ötödik a mexikói Cemex.) A cementgyártásra vonatkozó környezetvédelmi előírások egyre szigorodnak. Az iparág szereplőinek az Európai Unióban meg kell vásárolniuk a szén-dioxid-kibocsátás jogát, így érdekükben áll csökkenteni a CO₂ mennyiségét.

Amerikai és kanadai gyártók a Massachusetts Institute of Technologyn, az USA legjobb műszaki egyetemén alapítottak kutatóközpontot a cement vizsgálatára. A CSHub legfrissebb eredményeit a Nature csütörtöki száma ismerteti.

Miért szilárdul meg a beton?

A problémák már az alapanyagoknál kezdődnek. A mészkő és az agyag számos szennyeződést tartalmaz, amikor úgynevezett nyerslisztté őrölve az égetőkemencébe kerül. 1500 Celsius-fokos hőmérsékleten számos, nem kellően ismert reakció zajlik le, miközben az anyag képlékennyé válik, majd golyókká áll össze (ezt a granulátumot hívják klinkernek).

Az sem mindegy, hogy a dolgozókat mekkora porszennyezés éri Forrás: AFP

A mészkő fő összetevője a kalcium-karbonát, amely hevítéssel kalcium-oxiddá alakul a szén-dioxid távozása mellett. Főleg e folyamat miatt kerül annyi CO₂ a légkörbe a cementgyárakból; a többi a hevítéshez használt fosszilis energiahordozók elégetésével szabadul fel (a kettő közötti arány 63:37 az előbbi javára). A klinkert hűtés után gipsszel keverve a cementmalomban őrlik meg. Ez is jelentős energiafelhasználással és szén-dioxid kibocsátással jár. A cementport elraktározzák, majd jöhetnek a betonkeverők.

Anyagtudományi szempontból azok a reakciók a legérdekesebbek, amelyek a vízzel, homokkal, kaviccsal kevert cement megszilárdulását biztosítják. Számos tényező befolyásolja a folyamatot az alapanyagok minőségétől kezdve a kalcium-szilícium arányon és a víz mennyiségén keresztül a különböző adalékanyagokig, szennyeződésekig. A reakciókban ráadásul szerepe van a környezet és a beton hőmérsékletének, valamint a levegő páratartalmának is a CSHub kutatásai szerint.

Alacsonyabb hőfok

A cementgyártás szén-dioxid-kibocsátását az égetési hőmérséklet csökkentésével lehet csökkenteni. Ehhez viszont elemezni kell a beton fő tulajdonságait meghatározó kristályos alkotórészek viselkedését. A beton kezdeti megszilárdulásárt a trikalcium-szilikát (Ca₃SiO₅) felelős, míg a dikalcium-szilikát (Ca₂SiO₄) több nap vagy akár hónap után kezd összeállni. Az előbbi akkor jön létre, ha 1500 fokra hevítik a cement alapanyagait, míg az utóbbi 1200 fokos hőmérsékleten alakul ki.

A megoldás elvileg az lehet, hogy a cement tartalmazzon nagyobb arányban dikalcium-szilikátot a trikalcium-szilikát rovására, mert akkor máris kevésbé kell felfűteni az égetőművet. Az ilyen beton viszont csak nagyon lassan kötne meg. Roland Pellenq, az MIT és a CSHub kémiai fizikusa úgy találta, hogy magnézium hozzáadásával jobban oldódik vízben a dikalcium-szilikát, és gyorsabban is szilárdul. A megoldás hátránya, hogy az így kialakuló klinker keményebb, vagyis az őrlés több energiát fog igényelni.

A római típusú cement már kibírt kétezer évet Forrás: AFP/Photononstop

Pernye a vulkáni hamu helyett

Alacsony környezetterhelésű cementet keresve a római építőmesterek módszeréhez tértek vissza a Ceratech amerikai cementipari vállalat kutatói. A rómaiak vízzel elegyített üledékes tufát, vulkáni hamut használtak a cementhez. A Ceratechnél a hőerőművek égéstermékéből kiszűrt lebegő pernyét keverik saját fejlesztésű, folyékony adalékanyagokkal, majd szárítás után kész a cement. Mivel a folyamathoz nem szükséges égetni, a cég szerint szén-dioxid-semleges eljárásról van szó.

A pernyecementből ráadásul erősebb betont lehet önteni: egy háromemeletes, 4600 négyzetméteres épülethez 183 tonnával kevesebb kell az új cementből, mint hagyományosból Mark Wasilko, a cég alelnöke szerint. Az építőipari cég most próbaöntéseket végez a cementből, hogy meggyőzze a tervezőket és a döntéshozókat arról, hogy megbízható a zöld cementtel kevert beton.

"Akármilyen cementről is legyen szó, lényegében az történik, hogy a kőzetet porrá őröljük, majd mesterséges kővé alakítjuk. Ehhez hagyományosan valami erősen maró, lúgos kémhatású anyag szükséges, mint amilyen az égetett mész" - mondja Alex Moseson, a philadelphiai Drexler Egyetem mérnökkutatója. Kollégáival abból indult ki, hogy a folyamat ipari szóda (nátrium-karbonát) jelenlétében is végbemegy. Katalizátorként a vasércből hátramaradt salakot vagy a hőerőművek pernyéjét használták. Moseson kutatócsoportjának zöld cementje 68 százalékban tartalmaz mészkőt. A folyamat szintén égetés nélkül zajlik.

A zöld cementek engedélyeztetési eljárás alatt állnak az Egyesült Államokban. A környezet biztosan jól jár azzal, ha minél előbb elterjednek. A körülbelül négy perc alatt, ameddig ön ezt a cikket elolvasta, a cementgyárak újabb 15 ezer tonna üvegházgázt engedtek a légkörbe szerte a világon.