Kryształy X-SEED zmniejszające emisję CO2

W tej ważnej dziedzinie firmie BASF udało się opracować nowy, znaczący produkt nazwany X-Seed. Dzięki temu przyspieszaczowi twardnienia można szybciej wytwarzać lepszej jakości prefabrykaty betonowe, zmniejszając w ten sposób zużycie energii, a tym samym emisję gazu cieplarnianego CO₂.

Jak to działa? Najważniejszym składnikiem betonu jest cement. Do jego produkcji najpierw wypala się wapień, glinę i minerały w wysokich temperaturach do postaci tzw. klinkieru cementowego. Wymaga to dużych ilości energii. Gruboziarnisty klinkier miele się następnie do postaci szarego proszku cementowego, który twardnieje po zmieszaniu z wodą. Z chemicznego punktu widzenia twardnienie to polega na tym, że hydrat krzemianu wapnia (CSH) i inne związki chemiczne zawarte w cemencie, krystalizując się tworzą zbity, sztuczny kamień, w którym osadzone są dodatki zawarte w betonie, takie jak piasek lub żwir.

Przy produkcji prefabrykatów betonowych wylewa się płynny jeszcze beton do formy z drewna, metalu lub tworzywa sztucznego. Otworzyć formę i wyjąć prefabrykat można dopiero po wystarczającym stwardnieniu betonu. W temperaturze otoczenia około 20 stopni Celsjusza trzeba średnio około dwunastu godzin, aż beton będzie wystarczająco twardy – cenny czas, w którym formy nie mogą być używane. Dlatego płynny beton jest często podgrzewany za pomocą pary wodnej. Przyspiesza to wprawdzie twardnienie, lecz wymaga dodatkowej energii. Poza tym takie działania mogą prowadzić do wewnętrznych naprężeń termicznych, przebarwień i bardziej chropowatych powierzchni gotowych prefabrykatów betonowych.

– X-Seed sprawia, że dodatkowe podgrzewanie ze wszystkimi jego wadami staje się w dużej mierze niepotrzebne – wyjaśnia dr Michael Kompatscher, odpowiedzialny w firmie BASF za europejski rynek prefabrykatów betonowych. – Z jego pomocą beton w temperaturze 20 stopni Celsjusza twardnieje tak samo szybko, jak bez dodatku X-Seed w temperaturze 60 stopni Celsjusza. Działa to w genialnie prosty sposób: dodaje się tylko związek, który i tak jest już zawarty w betonie: hydrat krzemianu wapnia.

Dokładnie mówiąc, są to miliony maleńkich kryształków CSH o średnicy kilku nanometrów, zawieszonych w cieczy X-Seed. Ze względu na ich nanorozmiary można przy takiej samej masie zmieścić dużo więcej bardzo jednorodnie rozłożonych jąder krystalizacji, a tym samym zapewnić szybsze tworzenie się kryształów. Do tych zalążków CSH mogą następnie dołączyć w procesie twardnienia betonu inne cząsteczki zawarte w cemencie. Tak powstające kryształy zagęszczają się i zazębiają w zbity kamień cementowy.

Mechanizm działania przyspieszacza utwardzania wyjaśnia profesor Horst-Michael Ludwig z Bauhaus-Universität Weimar: – Dostępność takich jąder krystalizacji, tak samo jak temperatura, ma decydujący wpływ na szybkość tworzenia się kryształów, a więc na szybkość procesu twardnienia. Zazwyczaj jądra CSH muszą się najpierw tworzyć spontanicznie z wielu uwolnionych z cementu cząsteczek, które zderzają się losowo. X-Seed omija ten pierwszy próg krystalizacji w ten sposób, że dostarcza tych malutkich jąder krystalizacji aż w nadmiarze.

Dodatkowa zaleta polega na tym, że kryształy CSH są równomiernie rozłożone, twierdzi ekspert od materiałów budowlanych, który już od dawna zajmował się tą tematyką. – Bez dodatkowych zarodków kryształy tworzą się najpierw na powierzchni ziaren cementu. W ten sposób ziarna zostają otoczone warstwą krystaliczną, która spowalnia wymianę wody i uwolnionych z klinkieru cząsteczek, a tym samym opóźnia dalsze twardnienie.

Obydwa efekty, uzyskiwane dzięki syntetycznym jądrom kryształów, skracają czas oczekiwania na zdjęcie formy przy 20 stopniach Celsjusza z około dwunastu do sześciu godzin, a w produkcie końcowym nie widać żadnych różnic jakościowych. W teorii brzmi to prosto, przyznaje zatrudniony w BASF naukowiec dr Luc Nicoleau, który znacząco przyczynił się do opracowania X-Seed: – W rzeczywistości utrzymanie przez długi czas w zawieszeniu syntetycznych kryształów CSH o wielkości tylko kilku nanometrów było dużym wyzwaniem. Chodziło o to, aby kryształy się nie zbijały, bo wówczas tracą skuteczność. Ten wyczyn inżynierii procesowej udał się w końcu ekspertom BASF dzięki ich wieloletniemu doświadczeniu w tworzeniu dyspersji.

Gdy w 2009 r. produkt X-Seed, który można po prostu dodać do betoniarki razem z innymi składnikami, wszedł ostatecznie na rynek, od razu pokazał swoje ogromne możliwości zastosowania. Oprócz korzyści dla dużego rynku prefabrykatów betonowych, których producenci mogą obecnie wytwarzać je wydajniej i elastyczniej, a do tego lepiej radzą sobie z wahaniami popytu, ten innowacyjny przyspieszacz twardnienia ma wiele zalet także w innych zastosowaniach. Jako produkt nanotechnologii X-Seed skraca czas budowy dróg, tuneli i pasów startowych, i to nawet zimą. Oznacza to nie tylko oszczędność kosztów, ale również bardzo pozytywny wpływ na bilans energii i klimatu, a tym samym na ekologiczność betonu jako surowca (patrz ramka informacyjna).