Многие факторы, способствующие глобальному потеплению, такие как двигатель внутреннего сгорания, выводятся из эксплуатации. Другие, такие как бетон, на долю которого приходится 8 % всех выбросов парниковых газов, — нет.

Это потому, что нет реальной альтернативы материалу, который лежит в основе всего, от стены Адриана до Бурдж-Халифа. Бетон и цемент, который играет решающую роль в его характеристиках, никуда не денутся.

Однако многолетний опыт работы с цементом и бетоном привел к постоянному совершенствованию. Это, в сочетании с естественным консерватизмом в отрасли, затрудняет технологический прогресс.

«Портландцемент — удивительный материал, — говорит Тео Ханейн, исследователь цементных материалов на факультете материаловедения и инженерии Шеффилдского университета. «Нет причин уходить от него, кроме его влияния на планету».

Отсутствие устойчивости цемента хорошо известно. При производстве клинкера — предшественника цемента — в процессе обжига карбонат кальция превращается в оксид кальция с выделением углекислого газа. Кроме того, сама реакция протекает при температуре около 1400°C, что предполагает сжигание большого количества ископаемого топлива.

Зрелость цемента и бетона не остановила исследователей в поисках дальнейших усовершенствований. К ним относятся способы повышения прочности, упрощения производства и включения диагностических возможностей. Тем не менее, каждый из них идет рука об руку с необходимостью повышения устойчивости в то же время.

Ханейн недавно стал соавтором статьи в Energy & Environmental Science, в которой предлагается химическая альтернатива кальцинированию. Вместо того, чтобы вырывать CO2 из карбоната кальция при высокой температуре, он предлагает реагировать на минерал с гидроксидом натрия при комнатной температуре и давлении. При этом образуется гидроксид кальция, который можно использовать для производства клинкера, и карбонат натрия, который «запирает» CO2, а не выделяет его.

На данный момент технология не такая «зеленая», как кажется, поскольку производство гидроксида натрия очень энергоемко. «Это изменилось бы, если бы мы использовали экологически чистое электричество», — говорит Ханейн.

Аналогичный процесс, хотя и осуществляемый «механически», был предложен исследователями из Университета Иоганна Гутенберга (JGU) в Германии.

В статье в Advanced Functional Materials исследователи предложили объединить карбонат кальция и силикат натрия в ударопрочной шаровой мельнице. Это позволяет избежать необходимости прокаливания с его высокими затратами энергии и дает промежуточное соединение, которое можно использовать в производстве цемента. Опять же, CO2, который высвобождается во время прокаливания, «улавливается» внутри неорганического минерала.

Подобные «твердотельные» реакции могут сбивать с толку нехимиков, но Вольфганг Тремель, профессор химии JGU, объясняет, что это достигается за счет уменьшения размера частиц и увеличения площади поверхности. Это в сочетании с теплом, выделяемым в мельнице, ускоряет химическую реакцию. «Пока мы делали это только в небольших масштабах, — говорит Тремел. Теперь задача состоит в том, чтобы заставить его работать в большем масштабе.

«Я думаю, что любой патент, который будет успешным, должен будет настроить процесс производства цемента в масштабе таким образом», — говорит он.

Хотя в цементной промышленности широко используются шаровые мельницы, он говорит, что они обычно не уменьшают размер частиц настолько, чтобы обеспечить реакцию, которую он описывает. «Мельницы не имеют достаточно высокого влияния».

Тремел говорит, что измельчение все чаще используется как «зеленый» метод в химической промышленности, поскольку он может помочь избежать использования растворителей. Это, по его словам, может способствовать его внедрению в других отраслях, таких как производство цемента, но на это потребуется время.

«Выполнение этого в техническом масштабе заняло бы много лет и не обеспечило бы краткосрочного или среднесрочного решения проблемы выбросов CO2», — отмечает он.

Вернувшись в Шеффилдский университет, Ханейн изучает другие способы улучшения характеристик цемента. Он возглавляет проект под названием FeRICH, целью которого является использование отходов сталелитейной промышленности в качестве сырья для производства цемента.

«Мы стремимся производить цементы с высоким содержанием железа и использовать меньше кальция», — говорит он. Эти типы цемента будут иметь меньшую потребность в прокаливании. Более того, использование стального шлака в качестве сырья сократит потребность в первичном известняке (карбонате кальция).

Железосодержащая ферритовая фаза также способствует снижению температуры образования клинкера примерно с 1500°C до 1350°C. «В печи он создает поток, который ускоряет кинетику реакции», — объясняет он. «Это помогает легче формировать клинкерную фазу».

Клинкер имеет несколько «фаз», каждая из которых основана на различном металле. Одной из них является ферритовая фаза, но она относительно незначительна. «Это наименее изученная фаза, потому что она самая маленькая», — говорит Ханейн. «Нам нужно лучше понять ферритовую фазу».

Частью цели FeRICH является понимание основ ферритовой фазы, например, как она гидратируется, для производства цементов с высоким содержанием железа. Проект стартует в конце этого года и продлится три года. Ханейн считает, что цементные смеси с высоким содержанием феррита можно разработать всего за пять лет. По его оценке, полная коммерциализация — после различных согласований — может произойти через 7-10 лет, хотя и отмечает, что текущий уровень готовности технологии (показатель зрелости технологии) «достаточно низок».

Помимо угла устойчивости, еще одним потенциальным преимуществом повышения содержания феррита может быть придание бетону электрических и магнитных свойств. Хотя на данном этапе это только идея, Ханейн говорит, что это может позволить создать «интеллектуальную инфраструктуру». Это будет рассмотрено в последний год реализации проекта. «Он может определить, какие области нуждаются в ремонте, где есть трещины», — говорит он. «Его можно было бы даже использовать для создания парковки для подзарядки автомобилей».

Добавление электрических свойств к цементу рассматривалось и в других местах, в том числе в Университете Чалмерса в Швеции, где исследователи разработали концепцию создания перезаряжаемой батареи на основе цемента.

Это может позволить 20-этажному зданию накапливать энергию, добавляя углеродные волокна в цемент и электроды в структуру здания.

«Ранее исследования технологии бетонных аккумуляторов показали очень низкую производительность, поэтому нам пришлось придумать другой способ производства электрода», — говорит Эмма Чжан, соавтор статьи об этой концепции в Buildings.

В документе объясняется лабораторное доказательство концепции. Цементная смесь включает около 0,5% по весу коротких углеродных волокон, которые повышают проводимость и прочность на изгиб. Затем в смесь внедряют сетку из углеродного волокна с металлическим покрытием, железным анодом и никелевым катодом.

Средняя плотность энергии составляет 7 Втч/м2 за шесть циклов зарядки и разрядки, что, по словам Чжана, примерно в 10 раз больше, чем у других конкретных концепций батарей. Хотя плотность энергии низкая по сравнению с коммерческими батареями, это ограничение может быть преодолено благодаря их огромному объему при использовании в качестве части здания.

Чжан видит несколько потенциальных применений такой батареи, включая хранение энергии, мониторинг и такие приложения, как обеспечение соединений 4G в удаленных районах или защита от коррозии в бетонной инфраструктуре.

«Он также может быть соединен с солнечными панелями для обеспечения электричеством и стать источником энергии для систем мониторинга на автомагистралях или мостах, где датчики, работающие от бетонной батареи, могут обнаруживать трещины или коррозию», — говорит она.

Идея все еще далека от коммерциализации, и многие технические вопросы еще предстоит решить, такие как продление срока службы и разработка методов переработки.

«Поскольку бетонная инфраструктура обычно строится на 50 или даже 100 лет, батареи необходимо будет усовершенствовать, чтобы они соответствовали этому сроку — или чтобы их было легче заменять и перерабатывать», — объясняет она.

Британские исследователи разработали способ уменьшить углеродный след бетона, а также укрепить его.

Процесс секвестрации, разработанный Concrete4Change (C4C), был продемонстрирован на прошлогодней конференции COP26 в Глазго. Он основан на закачке газа CO2, собранного из различных источников, в специальные «носители», которые добавляются в цемент. В течение относительно короткого периода времени поглощенный CO2 вызовет химические реакции, которые сделают бетон более прочным.

«Этот процесс, называемый карбонизацией, происходит естественным образом в бетоне, но занимает очень много времени», — объясняет Сид Пурфала, генеральный директор C4C.

Когда цемент гидратируется, одним из многих образующихся химических веществ является гидроксид кальция. Он может в дальнейшем реагировать с углекислым газом с образованием карбоната кальция, который помогает сформировать более прочную структуру.

Хотя бетон может поглощать до 30 процентов своего веса CO2, этот процесс может занять до 100 лет, говорит Пурфала. «Для этого потребуются определенная температура и влажность, а это невозможно контролировать», — говорит он. «Кроме того, поглощение происходит только на поверхности».

C4C разработала твердотельный «носитель» — полимерную добавку, которая может поглощать CO2 и переносить его в цементную смесь. Это распределяет CO2 по всему цементу, позволяя карбонизации происходить на любой глубине.

«Мы сокращаем процесс карбонизации со 100 лет до 100 часов», — говорит Пурфала.

Обычный план сокращения содержания углекислого газа в атмосфере – улавливание и хранение углерода, при котором CO2 улавливается в результате промышленного процесса и закапывается. Недавнее усовершенствование этого метода — улавливание и утилизация углерода. Здесь CO2 не просто закапывают, а каким-то образом используют. В случае C4C он впитывается в цемент и «постоянно минерализуется».

Сам носитель «на основе полимера» — но он не рассматривается как единое вещество. Пурфала говорит, что идея состоит в том, чтобы сделать разные держатели из материалов, доступных на каждом местном рынке, но все они будут выполнять одну и ту же работу.

Одним из преимуществ более прочного цемента является то, что его требуется меньше для производства бетона. Это эффективный способ уменьшить углеродный след, потому что в цементе содержится гораздо больше углерода, чем в заполнителе, с которым он смешивается для образования бетона. Пурфала говорит, что это более эффективное долгосрочное решение, чем другие подходы, такие как использование летучей золы в качестве добавки. Это связано с тем, что летучая зола поступает от угольных электростанций, количество которых сокращается.

Любые модификации цемента должны быть тщательно оценены, чтобы гарантировать, что эти изменения не повлияют на качество бетона. По этой причине C4C работает с Уорикским университетом над обширной программой испытаний.

«Каждый раз, когда вы возитесь с химией бетона, вы хотите знать, как это может повлиять на свойства», — говорит Рейес Гарсия, доцент кафедры проектирования конструкций в Уорикском университете.

Например, карбонизация — процесс, который использует C4C — может изменить рН цемента и сделать его немного более кислым. Когда карбонизация происходит естественным образом, это может привести к более быстрой коррозии внутренних стальных конструкций.

По его словам, на сегодняшний день результаты являются многообещающими в отношении таких ключевых характеристик, как прочность и долговечность.

«Мы используем очень небольшое количество носителя и можем увеличить прочность на 20 процентов», — говорит он. «Это позволило бы нам уменьшить количество цемента, используемого в бетоне».

Однако, поскольку отрасль очень консервативна, команде необходимо провести множество испытаний, позволяющих проводить сравнения со «стандартным» бетоном. Сюда входит отливка и испытание небольших образцов, а также анализ микроструктуры.

«Мы обнаружили, что добавки смешиваются однородно и не образуют комков, которые могут повлиять на долгосрочное поведение», — объясняет Гарсия.

C4C стремится разработать ряд продуктов после завершения тестирования. По словам Пурфалы, первое поколение, которое может появиться на рынке через два года, должно снизить выбросы на 20% и снизить стоимость примерно на 10%.

Строительный сектор вынужден сокращать выбросы углекислого газа. Постоянное совершенствование технологии производства цемента и бетона, осуществляемое с заботой об окружающей среде, может привести к повышению экологической устойчивости.

Источник: eandt.theiet.org