Зола вместо цемента: создан новый экологичный бетон

Химики разработали смесь на основе золы, которая способна заменить цемент в составе бетона. Новая технология позволяет убить двух зайцев одним выстрелом: утилизировать отходы тепловых электростанций и уменьшить экологический вред от производства цемента. Достижение описано в научной статье, опубликованной в издании Journal of the American Ceramic Society Суном Хуаном (Sung Hwang) и Роузбехом Шахсавари (Rouzbeh Shahsavari) из Университета Райса в США.

Ежегодно в мире производится более 20 миллиардов тонн бетона. При этом в качестве связующего вещества в нём, как правило, используется портландцемент. Между тем производство этого реактива отнюдь не безобидно с экологической точки зрения. В частности, оно обеспечивает 5–10% мировых выбросов углекислого газа. По этому печальному показателю цементная промышленность находится на третьем месте среди отраслей экономики после транспорта и энергетики. Всё дело в том, что изготовление цемента требует высокой температуры, а она достигается за счёт сжигания ископаемого топлива.

Поэтому химики во многих лабораториях мира бьются над созданием экологичной замены этому строительному материалу. Многие специалисты обратили в связи с этим своё внимание на летучую золу, которая образуется при сжигании угля на тепловых электростанциях и котельных. Её всё равно нужно утилизировать, так почему бы не пустить отходы в дело?

"Производители обычно подмешивают в цемент от 5 до 20 процентов летучей золы, чтобы сделать его "зелёным", но значительная часть смеси по-прежнему остаётся цементом", – рассказывает Шахсавари в пресс-релизе исследования.

Увеличить этот показатель и сделать при этом экономически рентабельный продукт до сих пор никому не удавалось. Дело в том, что при использовании в качестве связующего вещества зола требует большого количества химических активаторов на основе натрия. В итоге смесь оказывается неоправданно дорогой.

К тому же до сих пор использовалась зола только лучших сортов твёрдого топлива.

"В большинстве предыдущих работ основное внимание уделялось так называемой летучей золе типа F, которая получается при сжигании на электростанциях антрацита или битуминозных углей и содержит мало кальция, – объясняет Шахсавари. – Но во всём мире есть значительные источники угля более низкого качества, такого как лигнит или суббитуминозные угли. При сжигании они приводят к образованию золы типа C с высоким содержанием кальция, которую сложнее активировать".

Микрофотографии частиц летучей золы типа С, богатой кальцием. Она образуется при сгорании угля низкого качества.
Иллюстрация Multiscale Materials Laboratory.

Исследователи переломили обе тенденции, создав смесь, которая состоит из золы на 76,4–80,3%. Остальная доля состава приходится на оксид кальция, наночастицы кремнезёма и химические активаторы на основе натрия. Из последних новый материал состоит менее чем на 5%, что делает его недорогим.

Такого результата исследователи достигли, использовав изощрённый вычислительный инструментарий. В числе прочего они применили статистический аппарат, известный как методы Тагути (Taguchi methods). Это позволило значительно сократить число вариантов состава, которые было необходимо проверить как потенциально перспективные.

Полученная смесь уже прошла первые испытания. Изготовленный бетон после недельной выдержки приобрёл прочность на сжатие около 16 мегапаскалей. То есть по этому показателю новый материал сравним со старым добрым цементом, отличаясь от него своими экологическими преимуществами.

"Наша работа предоставляет жизнеспособный метод эффективной и рентабельной активации этого типа летучей золы с высоким содержанием кальция, прокладывая путь для экологически ответственного производства бетона", – резюмирует Шахсавари.

В будущих исследованиях планируется оценить поведение материала в течение длительного времени, в частности, его долговечность.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) не раз писали о перспективных материалах, созданных из отходов. Например, мы рассказывали о пластике из опилок и крабовых панцирей и электронике из опавших листьев. Не обошли мы вниманием и строительную сферу, рассказав о бетоне, который защищает здания от землетрясений и превращает стены в сады.