Det är mycket den genomsnittliga personen inte vet om betong. Till exempel, det är poröst; det är världens mest använda material efter vatten; och, kanske mest i grunden det är inte cement.

Även om många använder "cement" och "betong" omväxlande, de hänvisar faktiskt till två olika - men relaterade - material:Betong är en komposit som är gjord av flera material, varav en är cement.

Cementproduktionen börjar med kalksten, en sedimentär sten. En gång i stenbrott, det blandas med en kiseldioxidkälla, såsom industriella biprodukter slagg eller flygaska, och får sparken i en ugn vid 2, 700 grader Fahrenheit. Det som kommer ut ur ugnen kallas klinker. Cementväxter maler klinker till ett extremt fint pulver och blanda i några tillsatser. Slutresultatet är cement.

"Cement förs sedan till platser där det blandas med vatten, där det blir cementpasta, "förklarar professor Franz-Josef Ulm, fakultetsdirektör för MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). "Om du tillsätter sand till den pastan blir det murbruk. Och om du lägger till murbruk stora aggregat - stenar med en diameter på upp till en tum - blir det betong."

Det som gör betong så stark är den kemiska reaktion som uppstår när cement och vatten blandas - en process som kallas hydratisering.

"Hydrering sker när cement och vatten reagerar, "säger Ulm." Under hydrering, klinkern löses upp i kalciumet och rekombineras med vatten och kiseldioxid för att bilda kalciumkiseldioxidhydrater. "

Kalciumkiseldioxidhydrat, eller CSH, är nyckeln till cementens soliditet. När de bildas, de kombinerar, utveckla täta bindningar som ger materialet styrka. Dessa anslutningar har en överraskande biprodukt - de gör cement otroligt poröst.

Inom utrymmena mellan bindningarna till CSH, små porer utvecklas - på skalan 3 nanometer, eller cirka 8 miljoner av en tum. Dessa är kända som gelporer. Dessutom, allt vatten som inte har reagerat för att bilda CSH under hydreringsprocessen finns kvar i cementet, skapa en annan uppsättning större porer, kallas kapillära porer.

Enligt forskning utförd av CSHub, franska nationella centrumet för vetenskaplig forskning, och Aix-Marseille University, cementpasta är så porös att 96 procent av dess porer är anslutna.

Trots denna porositet, cement har utmärkt hållfasthet och bindningsegenskaper. Självklart, genom att minska denna porositet, man kan skapa en tätare och ännu starkare slutprodukt.

Från och med 1980 -talet, ingenjörer konstruerade ett material-högpresterande betong (HPC)-som gjorde just det.

"Högpresterande betong utvecklades på 1980-talet när människor insåg att kapillärporerna delvis kan reduceras genom att minska förhållandet mellan vatten och cement, "säger Ulm." Med tillsats av vissa ingredienser också, detta skapade mer CSH och reducerade vattnet som återstod efter hydrering. Väsentligen, det minskade de större porerna fyllda med vatten och ökade materialets hållfasthet. "

Självklart, konstaterar Ulm, att minska vatten-till-cement-förhållandet för HPC kräver också mer cement. Och beroende på hur cementet produceras, detta kan öka materialets miljöpåverkan. Detta beror delvis på att när kalciumkarbonat bränns i en ugn för att producera konventionellt cement, uppstår en kemisk reaktion som producerar koldioxid (CO ₂ ).

En annan källa till cementens CO ₂ utsläppen kommer från uppvärmning av cementugnar. Denna uppvärmning måste göras med fossila bränslen på grund av de extremt höga temperaturer som krävs i ugnen (2, 700 F). Elektrifiering av ugnar studeras, men det är för närvarande inte tekniskt eller ekonomiskt genomförbart.

Eftersom betong är det mest populära materialet i världen och cement är det primära bindemedlet som används i betong, dessa två källor till CO ₂ är den främsta anledningen till att cement bidrar med cirka 8 procent av de globala utsläppen.

CSHubs verkställande direktör Jeremy Gregory, dock, ser betongens skala som en möjlighet att mildra klimatförändringarna.

"Betong är det mest använda byggmaterialet i världen. Och eftersom vi använder så mycket av det, alla minskningar vi gör av dess fotavtryck kommer att ha stor inverkan på de globala utsläppen. "

Många av de tekniker som behövs för att minska betongens avtryck finns idag, konstaterar han.

"När det gäller att minska utsläppen av cement, vi kan öka cementugnarnas effektivitet genom att öka vår användning av avfallsmaterial som energikällor snarare än fossila bränslen, "förklarar Gregory.

"Vi kan också använda blandade cement som har mindre klinker, såsom Portland kalksten cement, som blandar ouppvärmd kalksten i cementproduktionens sista slipsteg. Det sista vi kan göra är att fånga upp och lagra eller använda kolet som släpps ut under cementtillverkning. "

Kolfångst, utnyttjande, och lagring har en betydande potential att minska cement och betongs miljöpåverkan samtidigt som det skapar stora marknadsmöjligheter. Enligt Center for Climate and Energy Solutions, kolutnyttjandet i betong kommer att ha en global marknad på 400 miljarder dollar år 2030. Flera företag, som Solidia Cement och Carbon Cure, går före kurvan genom att designa cement och betong som utnyttjar och därmed avlägsnar CO ₂ under produktionsprocessen.

"Vad är klart, fastän, "säger Gregory, "är att koldioxidsnåla betongblandningar måste använda många av dessa strategier. Det betyder att vi måste tänka om hur vi utformar våra betongblandningar."

För närvarande, de exakta specifikationerna för betongblandningar föreskrivs i förväg. Även om detta minskar risken för utvecklare, det hindrar också innovativa blandningar som sänker utsläppen.

Som en lösning, Gregory förespråkar att specificera en mix prestanda snarare än dess ingredienser.

"Många föreskrivande krav begränsar möjligheten att förbättra betongens miljöpåverkan-till exempel begränsningar av förhållandet mellan vatten och cement och användningen av avfallsmaterial i blandningen, "förklarar han." Att gå över till prestationsbaserade specifikationer är en nyckelteknik för att uppmuntra till mer innovation och uppfylla mål för kostnad och miljöpåverkan. "

Enligt Gregory, detta kräver ett kulturskifte. För att övergå till prestationsbaserade specifikationer, många intressenter, som arkitekter, ingenjörer, och specifikationer, måste samarbeta för att designa den optimala mixen för sitt projekt snarare än att förlita sig på en fördesignad mix.

För att uppmuntra andra förare av koldioxidsäker betong, säger Gregory, "vi [måste] också ta itu med hinder för risk och kostnad. Vi kan minska risken genom att be producenterna att rapportera miljöpåverkan på deras produkter och genom att möjliggöra prestandabaserade specifikationer. För att hantera kostnader, vi måste stödja utvecklingen och distributionen av koldioxidutsläpp och koldioxidsnål teknik. "

Även om innovationer kan minska betongens första utsläpp, betong kan också minska utsläppen på andra sätt.

Ett sätt är genom dess användning. Användning av betong i byggnader och infrastruktur kan möjliggöra lägre utsläpp av växthusgaser över tid. Betongbyggnader, till exempel, kan ha hög energieffektivitet, medan betongbeläggningarnas yta och konstruktionsegenskaper tillåter bilar att konsumera mindre bränsle.

Betong kan också minska en del av dess första inverkan genom exponering för luften.

"Något unikt med betong är att det faktiskt absorberar kol under sitt liv under en naturlig kemisk process som kallas kolsyrning, säger Gregory.

Kolsyrning sker gradvis i betong som CO ₂ i luften reagerar med cement för att bilda vatten och kalciumkarbonat. En artikel från Nature Geoscience från 2016 fann att sedan 1930 har kolsyrning i betong har kompenserat 43 procent av utsläppen från den kemiska omvandlingen av kalciumkarbonat till klinker under cementproduktion.

Kolsyrning, fastän, har en nackdel. Det kan leda till korrosion av stålstången som ofta ligger i betong. Går framåt, ingenjörer kan försöka maximera koldioxidupptagningen av kolsyrningsprocessen samtidigt som de minimerar de hållbarhetsproblem som kan uppstå.

Kolsyrning, liksom teknik som koldioxidavskiljning, utnyttjande, och lagring och förbättrade blandningar, kommer alla att bidra till betong med lägre koldioxidutsläpp. Men för att möjliggöra detta krävs akademins samarbete, industri, och regeringen, säger Gregory.

Han ser detta som en möjlighet.

"Förändring behöver inte ske utifrån bara teknik, "konstaterar han." Det kan också hända genom hur vi arbetar tillsammans mot gemensamma mål. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.