Бетон стал наиболее предпочтительным строительным материалом для бесчисленных конструкций, таких как мосты, башни и плотины. Но он также оказывает огромное влияние на окружающую среду, в основном из-за выбросов углекислого газа при производстве цемента – одного из его основных компонентов. В настоящее время исследователи экспериментируют с корнеплодами и переработанным пластиком в бетоне, чтобы увидеть, может ли это сделать его более прочным и экологически безопасным и даже привести в действие уличные фонари или датчики загрязнения воздуха.

После воды бетон является самым широко используемым веществом в мире. На производство цемента, ключевого компонента бетона, приходится около 8% мировых выбросов диоксида углерода (CO2). Он включает сжигание большого количества минералов, оболочек, сланца и других компонентов в печах, нагретых до примерно 1400 ° C, где ископаемое топливо обычно используется в качестве источника энергии, что приводит к выбросам CO2.

Кроме того, производство клинкера – небольших твердых кусков, которые являются промежуточным продуктом цемента – является результатом высокотемпературной химической реакции, которая также требует больших затрат энергии.

«Цементная промышленность работает над обезуглероживанием и сокращением воздействия ископаемого топлива», – сказал доктор Никола Тошич, исследователь Политехнического университета Каталонии в Барселоне, Испания. «Но химическая составляющая выбросов углекислого газа неизбежна, если мы не разработаем другие типы цемента».

Когда цемент смешивается с водой, он образует пасту, которая связывает компоненты, такие как песок и щебень, позволяя бетону затвердеть и придать ему прочность и структуру.

Укрепление цемента с тем, чтобы его было меньше, – одна из стратегий снижения его воздействия на окружающую среду. Профессор Мохамед Саафи из Ланкастерского университета в Великобритании и его коллеги стремятся достичь этой цели в рамках проекта B-SMART.

Цемент необходимо смешивать с водой, чтобы он прилипал к песку и щебню и связывал их вместе. Однако не все частицы цемента при этом гидратируются. «Большинство из них по сути остаются сидеть и ничего не делать, что является пустой тратой», – сказал профессор Саафи. «Если мы сможем усилить этот механизм гидратации, его прочность значительно увеличится, и, следовательно, мы сможем использовать меньше цемента».

 

Корнеплоды

Проф. Саафи и его команда обратились за помощью к корнеплодам. Они исследовали, можно ли добавить в цемент отходы моркови, перерабатываемые для производства детского питания, или остатки от экстракции свекловичного сахара, чтобы укрепить его. Используя компьютерное моделирование, они смогли увидеть, как сверхтонкие листы, сделанные из этих овощей и брошенные в цементную пасту, будут взаимодействовать с цементом, изучив их влияние как на гидратацию цемента, так и на его механические свойства. Затем они провели эксперименты в лаборатории, чтобы проверить результаты своих симуляций.

Исследователи обнаружили, что использование листов из растительных отходов может улучшить гидратацию цемента. Листы действовали как резервуары, которые позволяли воде достигать большего количества частиц цемента и, таким образом, улучшали его связывающую способность. «В то же время, как только гидратация закончится, некоторые из этих морковных нанолистов остаются в цементе и делают его структуру очень прочной», – сказал профессор Саафи. «Мы не видели этого раньше, и это действительно удивительное открытие».

Было обнаружено, что добавление корнеплодов в цемент также дает дополнительные преимущества. Например, при надавливании на морковь вырабатывается электроэнергия, которая может питать небольшую светодиодную лампу или электронные устройства. Когда к цементу были добавлены морковные нанолисты, профессор Саафи и его коллеги обнаружили, что они могут делать бетон, производящий электричество. Например, при строительстве моста электричество может вырабатываться при проезде по нему автомобилей или из-за вибрации или движения, вызванного пешеходами. «Мы можем использовать это электричество из бетона для питания светодиодов или уличных фонарей», – сказал профессор Саафи. «Он также может питать датчики для мониторинга загрязнения воздуха».

Электроэнергия, производимая бетоном, также может дать представление о состоянии конструкции. Генерируемое напряжение изменится, например, при появлении трещин. Таким образом, включение устройства мониторинга, отслеживающего электрическую мощность в здании или мосту, может помочь определить, когда что-то не так и нужно проверить конструкцию, что предотвратит катастрофический отказ.

В настоящее время команда проводит полевые испытания, чтобы увидеть, смогут ли они построить конструкции из морковного цемента, которые будут иметь те же свойства, что и в лаборатории. Они также стремятся использовать существующие процессы при производстве модифицированного бетона, чтобы снизить затраты.

Если все пойдет хорошо, команда ожидает, что их растительный цемент может сократить количество цемента, необходимого для строительства конструкции, на 10 кг на кубический метр бетона.

«Надеюсь, что в будущем мы сможем немного оптимизировать его и еще больше сократить количество цемента (необходимое)», – сказал профессор Саафи.

 

Летучая зола

Другие типы отходов проходят испытания, чтобы сделать бетон более экологичным. Промышленные побочные продукты, такие как зола-унос – мелкодисперсный порошкообразный материал, который остается после сжигания угля, – и доменный шлак – гранулированные остатки от производства стали – могут частично заменить цемент.

«Мы можем сократить (количество) цемента на 30–50% и вместо этого добавить эти побочные промышленные продукты», – сказал доктор Тошич, который изучает этот подход в рамках проекта под названием GREEN-FRC.

Команда сосредоточена на производстве армированного волокном бетона для использования в городских условиях, например, для изготовления тротуаров и зданий. Они будут экспериментировать с различными бетонными смесями, чтобы найти те, которые являются оптимальными с точки зрения устойчивости и в которых механические свойства не ухудшаются.

Первоначально математические модели будут использоваться для прогнозирования свойств более экологически чистых бетонов на основе их состава, после чего будут проведены лабораторные испытания. «Мы ожидаем, что они будут вести себя не так, как обычный традиционный бетон», – сказал доктор Тошич.

Также представляет интерес включение пластика в бетон. Переработанные пластиковые волокна в конечном итоге могут быть использованы, чтобы сделать его более прочным, что, возможно, позволит сократить количество неустойчивых компонентов, таких как сталь, используемая для армирования цемента.

С тех пор, как проект стартовал в начале 2020 года, команда внедряла в бетон различные количества и типы полипропиленовых пластиковых волокон и тестировала его на долгосрочную перспективу. Бетон постоянно деформируется с течением времени при постоянной нагрузке, поэтому они хотят видеть, как он себя ведет при изменении его состава.

«Мы должны уметь это предсказать», – сказал доктор Тошич.

Вскоре команда  начнет изучать, как можно использовать определенные глины для частичной замены цемента в бетоне. Цемент оказывает дополнительное воздействие на окружающую среду, которое связано с природными ресурсами, такими как глины и минералы, которые необходимы для его производства. Но использование известняковой кальциевой глины вместо этого может быть более устойчивым вариантом, поскольку ее гораздо больше, чем других природных материалов, используемых для производства традиционного цемента, а также других альтернатив, таких как промышленные побочные продукты.

Доктор Тошич считает, что их более экологичный бетон первоначально будет использоваться в дорожных покрытиях, облицовке туннелей и панелях для фасадов зданий, которые требуют меньшего армирования, чем такие конструкции, как здания.

Некоторые строительные компании уже проявляют интерес к проекту, предоставляя бесплатные материалы для своих экспериментов.

«В прошлом году мы заметили, что строительные компании вносят изменения или сдвиги в мышлении», – сказал д-р Тошич. «Они видят, что устойчивость необходима им в будущем, иначе они потеряют рынок».

Источник: horizon-magazine.eu