Sementtikemian läpimurto - merkittävä askel kohti hiilineutraalin sementin valmistusta

Oulun yliopiston kuitu- ja partikkelitekniikan tutkimusyksikön tutkijat ovat löytäneet todisteita uuden magnesiumsilikaattisideaineen muodostumisesta. Uuden sementtimäisen sideaineen kemiallinen koostumus eroaa tavallisesta kalsiumpohjaisesta sementistä tavalla, joka voi mahdollistaa sementin valmistuksen tulevaisuudessa ilman raaka-aineisiin liittyviä hiilidioksidipäästöjä.

Nykyinen kalsiumpohjainen sementtiteollisuus tuottaa jopa 8 prosenttia maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä, joista puolet on vaikeasti vähennettäviä raaka-aineisiin liittyviä päästöjä. Nyt tehty sideainelöytö vie hiilineutraalin sementin tutkimusta merkittävästi eteenpäin. Tutkimustyötä rahoittivat Euroopan unionin tutkimus- ja innovaatio-ohjelma Horisontti 2020 ja Suomen Akatemia.

Teollisuuden prosesseihin on aktiivisesti kehitetty menetelmiä hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi, jotta väistämättömältä tuntuva ilmaston lämpeneminen saataisiin torjuttua. Kalsium-pohjainen Portland-sementtiteollisuus on rakennusteollisuuden suurin hiilidioksidipäästöjen aiheuttaja. Parin seuraavan vuosikymmenen aikana sementin kulutuksen odotetaan kasvavan merkittävästi kehitysmaiden suuren kysynnän vuoksi. Tämä tekee sementinvalmistukseen liittyvien hiilidioksidipäästöjen vähentämisen entistä kiireellisemmäksi.

Rakentamiseen ja sementinvalmistukseen liittyvän hiilijalanjäljen pienentäminen on Oulun yliopiston kuitu- ja partikkelitekniikan tutkimusyksikön ensisijaisia tutkimusaiheita. Väitöstutkija Harisankar Sreenivasan työskentelee tutkimusaiheen parissa, päävastuullisena ohjaajanaan apulaisprofessori Päivö Kinnunen. Sreenivasanin väitöskirja keskittyy magnesiumia sisältäviin vaihtoehtoisiin sementtimateriaaleihin, joiden hiilipäästöt ovat merkittävästi totuttua pienemmät.

Tutkimusta tehdään yhteistyössä Sheffieldin yliopiston (professori John Provis) sekä Oulun yliopiston NANOMO-yksikön kanssa (dosentti Wei Cao). Väitöskirjatyö rahoitetaan Euroopan unionin tutkimukseen ja innovaatioihin keskittyneestä Marie Skłodowska-Curie COFUND -ohjelmasta (Horisontti 2020), ja se kuuluu myös osaksi teollisten sivuvirtojen hyödyntämiseen keskittynyttä InStreams-osaamiskeskusta.

Tutkimuksen aikana tutkijat saivat todisteita rakenteeltaan amorfisen magnesiumsilikaattifaasin (AMS) muodostumisesta. Tämän faasin muodostuminen vahvistettiin käyttäen apuna edistyneitä karakterisointitekniikoita, kuten pyyhkäisyelektronimikroskopialla (SEM) ja NMR-spektroskopialla (kuvio 1). Sideainefaasin olemassaolosta on spekuloitu tieteellisessä kirjallisuudessa, mutta sen olemassaoloa ja ominaisuuksia ei ole aiemmin suoraan havaittu. Faasin pääkomponentit ovat magnesium ja pii, joilla on merkittäviä etuja kalsiumpohjaisiin sementteihin verrattuna. Suomessa on valtavia määriä magnesiumia ja piitä sisältäviä teollisia sivuvirtoja. Lisäksi nämä sivuvirrat eivät ole karbonaattipohjaisia, jolloin niiden hyödyntäminen raaka-aineina mahdollistaisi sementtisen sideaineen tuotannon ilman raaka-aineisiin liittyviä hiilipäästöjä, samalla kun jatkohyödynnettäisiin teollisuusjätettä. 

Tutkimustyö julkaistiin sementtitutkimukseen keskittyvässä, alan arvostetuimmassa tieteellisessä lehdessä Cement and Concrete Research.

"Tämä on jännittävää!", Kinnunen toteaa. "Vaikka se ei johtaisi käytännön sovelluksiin, on löytö esimerkki pienistä voitoista, joita tarvitaan taistelussa ilmastokriisiä vastaan. Hiilineutraalin ja hiiltä sitovan betonin tutkimus on lisääntynyt valtavasti lyhyessä ajassa ja sovellukset, jotka vielä viisi vuotta sitten tuntuivat lähes mahdottomilta, ovat nyt siirtymässä käytäntöön. Nyt mielestäni on erittäin mahdollista, että sementti- ja betoniteollisuus ovat ilmastoneutraaleja vuoteen 2035 mennessä ja jopa hiilen nettositojia pidemmällä aikavälillä.”

Tutkimusta on kuitenkin jatkettava sen ymmärtämiseksi, miten magnesiumsilikaattifaasi vaikuttaa toivottuihin ominaisuuksiin. Faasi havaittiin osana monimutkaista materiaalia, ja koska tutkimus sen osalta on vasta alussa, ei ole vielä täysin selvää, että onko siitä hyötyä käytännön sovelluksissa. Muun muassa lujuuden kehitys, kemiallinen kestävyys, kutistuminen ja pitkäikaiskestävyys ovat betonille äärimmäisen tärkeitä ominaisuuksia, jotka tulee vielä selvittää löydetyn materiaalin suhteen.