Hiilensidontaolosuhteet betonimurskemassassa
Betonin hydratoitunut sementti sitoo ilmakehästä hiilidioksidia. Tätä reaktiota kutsutaan karbonatisaatioksi ja se varastoi hiilen pysyvästi betoniin. Hiilidioksidi tunkeutuu betoniin kappaleen pinnasta ja ilmiö hidastuu ajan funktiona, kunnes käytännössä pysähtyy noin 40 vuodessa. Betonikerrostalo sitoo käyttöikänsä aikana 10–15 % kalsinoinnissa vapautuneesta hiilidioksidista. Kun betonirakenne puretaan, se useimmiten murskataan. Tässä paljastuu yli 1000-kertaisesti ”tuoretta” betonipintaa, joka pääsee reagoimaan ilman hiilidioksidin kanssa. Karbonatisoituminen on hyvin olosuhdeherkkä ilmiö ja käytännössä oleellisimmat asiat ovat ilmakontakti (hiilidioksidi) sekä betonin sisäinen suhteellinen kosteus (korreloi ilman suhteellisen kosteuden kanssa). Betonin hiilensidontaa on tutkittu jonkin verran ja kierrätysvaihe on tunnistettu edellä mainitusta syystä hyvin oleelliseksi; kuitenkin tutkimustieto karbonatisaatioon vaikuttavista olosuhteista murskemassan sisällä on suhteellisen kevyttä, vaikka itse ilmiö on hyvinkin tunnettu.
(https://concretesolution.fi/tutkimustuloksia-maailmalta-betoni-on-hiilinielu/)
Betonimurskemassan sisällä olevat hiilensidonnalle oleelliset olosuhteet (hiilidioksidipitoisuus, kosteus) ovat olleet enemmän tai vähemmän tuntemattomia. Tämä on oleellinen tieto, kun optimoidaan kierrätysbetonin varastointia ja käyttöä myös hiilinieluna. Turun Topinojan kierrätyskeskukselle kasattiin tutkimusympäristö, jossa selvitettiin näitä olosuhteita murskemassassa sekä miten näitä olosuhteita voisi helposti parantaa.
Neljästä erilaisesta kasasta mitattiin mm. hiilidioksidipitoisuutta sekä kosteutta, kustakin neljältä eri syvyydeltä. Käytetyt murskeet olivat 0–90 mm sekä 20–90 mm ja kaksi kasoista oli suojattu suoralta sateelta. Kaksi metriä korkeissa kasoissa mittauspisteet olivat 0,25 m, 0,5 m, 1 m ja 2 m etäisyydellä kasan yläpinnasta. Järjestely suoritti mittausta 9/2021–11/2022.
Tavanomaisen 0–90 mm murskekasan sisäinen hiilidioksidipitoisuus oli mittaussyvyydestä riippuen välillä 20–130 ppm, eli odotetun selkeästi ilmasta mitatun referenssipitoisuuden alapuolella. Syvyyksillä 0,25 m-1 m CO₂-pitoisuus pysyi 100 ppm:n tuntumassa ja aivan kasan pohjallakin oli selkeästi hiilidioksidia. Karbonatisaatiolle oleellinen hiilidioksidi siis löytyy myös syvältä murskemassasta, vaikka alhainen pitoisuus hidastaakin reaktiota. 20 ppm:n pitoisuus voikin vastata n. 20 % karbonatisaationopeutta suoraan ilmakontaktiin verrattuna.
Seulotussa murskekasassa (20–90 mm) ilma kiertää selkeän tehokkaasti ja kaikilta syvyyksiltä mitatut CO₂-pitoisuudet ovat lähellä referenssiä. Kun hienompi aines on seulottu pois, käytännössä kaikki partikkelit ovat ilmakontaktissa ja näin optimiolosuhteissa hiilensidonnan kannalta.
Seulottujen kasojen kuvaajista etenkin, on huomattavissa mittauksen alun ”tiheän imun vaihe”, jossa tuore betonimurske reagoi todella herkästi sitoen ilmakehän hiilidioksidia, jolloin pitoisuus putoaa väliaikaisesti lähelle nollaa. Kun uusi ilmamassa taas tuulen mukana pääsee kiertämään kasaan, nousee CO₂-pitoisuus taas hetkeksi, kunnes betoni sitoo sen itseensä. Tämä vaihe kesti n. kuukauden, jonka jälkeen pitoisuudet stabiloituvat vakiotasolle.
Mittausantureiden kosteutta mittaava toiminto näytti käytännössä koko tutkimuksen ajan 100 %:n suhteellista kosteutta, mikä olisi viitannut partikkeleiden välitilan täydelliseen saturoitumiseen. Tämä ei ollut oletettava olosuhde ja purussa saatiinkin visuaalinen todiste, että seulotut murskekasat olivat sisältä kuivia, kuten olettaa saattaakin. Hienoaineksen sisältävän massan kosteusolosuhteet kaipaavat kuitenkin lisätutkimusta, koska karbonatisaatiolle tämä on hyvin oleellinen parametri.
Kaikkiin mittapisteisiin oli asetettu tunnettu betoninäyte, josta mitattiin karbonatisoituneen kalsium karbonaatin pitoisuus. Altistumisaika näille näytteille oli varsin lyhyt ja näytteitä oli vähän mutta saatu data tukee olosuhdemittausten tulosta. Seulottujen kasojen referenssinäytteet olivat sitoneet enemmän hiilidioksidia kuin hienoaineksen sisältävien kasojen. Sadesuojauksella näytti olevan vähemmän vaikutusta tähän mittaukseen, mikä osaltaan viittaa myös kasan sisäisen kosteuden olevan suoraa sadekontaktia pienempi (sekä mitatun 100 %:n kosteuden olevan virhemittaus).
Manipuloimalla betonimurskeen partikkelijakaumaa suuressa massassa pystytään vaikuttamaan kasan sisäisiin olosuhteisiin ja näin edistämään karbonatisaatiota. Myös tavanomaisessa murskeessa, jossa koko partikkelijakauma on läsnä, hiilidioksidia on massan syvemmissäkin kerroksissa selkeästi, joskin karbonatisoituminen on hitaampaa. Seulottu massa kuivuu nopeasti, joten suoralta sateelta suojaaminen voi olla suhteessa kustannuksiin kannattamatonta. Tavallisen murskeen kosteusolosuhteet jäivät vielä kysymykseksi. Saatujen tulosten perusteella on hyvä lähteä laskemaan, miten mursketta voisi käyttää ja varastoida ja miten se vaikuttaisi kierrätysbetonin hiilensidontaan.