Vapneni cement koji krpa sam sebe

Može li vapno vezati kalcijevim kloridom umjesto kalcijevim hidroksidom? Može, ako se doda enzim – i dobije građevni materijal kojem pukotine ne smetaju.

Nenad Raos subota, 25. ožujka 2023. u 06:00

Izuzmemo li bitumen i gips, vapno je najstariji vezivni materijal – poznat Egipćanima u trećem stoljeću prije nove ere. Zašto je to tako? Odgovor leži u temperaturi, jer bitumen se tali lako, gips se peče na 130 oC, a da bi se dobilo vapno treba vapnenac grijati na najmanje 900 oC, a to je temperatura koju se ne može postići na ognjištu. Riječ je o pirolitičkoj reakciji u kojoj se vapnenac, kalcijev karbonat (CaCO3) razlaže na živo vapno, kalcijev oksid (CaO) i ugljikov dioksid, CO2. Živo vapno se zatim „gasi“ (kalcijev oksid reagira s vodom), a dobiveni kalcijev hidroksid (gašeno vapno) potom reagira s ugljikovim dioksidom iz zraka da bi od njega opet nastao kalcijev karbonat – koji povezuje čestice pijeska.

Iz toga jasno slijedi: koliko je ugljikova dioksida pri pečenju vapna izišlo iz vapnenca, toliko ga je gašeno vapno pri vezivanju upilo, pa stoga upotreba vapna ne utječe na koncentraciju CO2 u zraku ni na našu klimatsku budućnost. No nije sve tako jednostavno. Pri pečenju vapna troši se energija (toplina) koja nastaje izgaranjem fosilnih goriva. Još je gore s betonom. Računa se da 9 % sveukupne emisije CO2 potječe od proizvodnje, transporta i upotrebe betona. Gdje je rješenje?

Rješenje je u novim građevinskim materijalima, u novim vezivima, u novim cementima. I evo jednog takvog, skoro pa čudesnog – sudeći prema naslovu znanstvenog rada objavljenog u časopisu Matter: „A self-healing enzymatic construction material“. Tajna novoga materijala je u enzimu koji omogućuje da se napravi vapno, vezivo, ne od kalcijeva hidroksida nego od kalcijeva klorida. (Zašto je to važno, vidjet ćemo kasnije).

Enzim o kojem je riječ je anhidraza ugljične kiseline (carbonic anhydrase, CA). Kad sam prvi put za njega čuo, nemalo sam se začudio: „Zar i za to treba enzim?!“ „To“ je reakcija ugljikova dioksida s vodom u kojoj nastaje ugljična kiselina, ili – točnije – hidrogenkarbonatni (bikarbonatni) ion, HCO3-. Do te reakcije dolazi kad otvorimo bocu mineralne vode: ugljična kiselina se raspada i iz boce izlaze mjehurići CO2. Ta se reakcija događa i u našim plućima, no da je sve prepušteno tlaku brzo bismo se ugušili jer je reakcija  prespora za naše potrebe – pa je valja ubrzati. Za to služi navedeni enzim koji djeluje – važno je napomenuti – u oba smjera, on ubrzava i razlaganje i nastajanje ugljične kiseline.  Ovaj drugi smjer, smjer nastajanja ugljične kiseline, poslužio je autorima spomenutog istraživanja da naprave novu vrstu vapnenog veziva – vapnenog veziva bez vapna.

Njihov se građevni materijal sastoji se od pijeska, vode, želatine, kalcijeva karbonata i, dakako, enzima CA. Enzim pretvara ugljikov dioksid iz zraka u hidrogenkarbonatni ion koji potom reagirajući s kalcijevih ionima (iz kalcijeva klorida) taloži kalcijev karbonat. Pritom nastaje vrlo čvrst materijal koji puca pri tlaku od 9 MPa, što znači da stup presjeka jednog kvadratnog decimetera može izdržati teret od 10 tona, i to bez čeličnog ili bilo kakvog drugog ojačanja.

To je tek početak priče. Najvažnije svojstvo novog građevnog materijala krije se u riječi self-healing. Svatko tko je radio s betonom, pa i samo gledao što se zbiva na gradilištu, zna da se beton ne veže za beton, da novoizliveni betonski blok stoji na onom ispod njega poput kamena na kamenu. Nasuprot tome, novi se enzimski građevni materijal  (enzymatic construction material, ECM) veže za stari, već očvrsnuti materijal, a da pritom na spoju ne gubi čvrstoću. To je pokazao pokus lomljenja grede. Greda je mogla nakon saniranja loma podnijeti teret od 52 N, pratički jednak teretu prije loma (53 N). Štoviše, mogla je podnijeti šest uzastopnih lomova na istom mjestu – a da joj se pritom čvrstoća samo dvaput smanjila.

 Građevni materijal s enzimom, građevni materijal koji sam zacjeljuje (no ne tako kao kost!) i što još? Još nam ostaje neodgovoreno pitanje zašto je kalcijev klorid, CaCl2, u ekološkom smislu bolje vezivo od kalcijeva hidroksida, gašenog vapna. Kalcijev klorid nastaje kao nusprodukt pri dobivanju sode, pa za njegovu proizvodnju ne treba trošiti energiju.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 3000 znanstveno-popularnih članaka te 14 znanstveno-popularnih knjiga.