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 и Роузбехом Шахсавари из Университета Райса в США.
Ежегодно в мире производится более 20 млрд. т бетона. При этом в качестве связующего вещества в нем, как правило, используется портландцемент. Производство этого реактива отнюдь не безобидно с экологической точки зрения. В частности, оно обеспечивает 5-10% мировых выбросов углекислого газа. По этому показателю цементная промышленность находится на третьем месте среди отраслей экономики после транспорта и энергетики. Все дело в том, что изготовление цемента требует высокой температуры, а она достигается за счет сжигания ископаемого топлива. Поэтому химики во многих лабораториях мира бьются над созданием экологичной замены этому строительному материалу. Многие специалисты обратили в связи с этим свое внимание на летучую золу, которая образуется при сжигании угля на тепловых электростанциях и котельных. Ее все равно нужно утилизировать, так почему бы не пустить отходы в дело?
“Производители обычно подмешивают в цемент от 5% до 20% летучей золы, чтобы сделать его “зеленым”, но значительная часть смеси по-прежнему остается 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 твердого 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 всем 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”.
Исследователи переломили обе тенденции, создав смесь, которая состоит из золы на 76,4-80,3%. Остальная доля состава приходится на оксид кальция, наночастицы кремнезема и химические активаторы на основе натрия. Из последних новый материал состоит менее чем на 5%, что делает его недорогим.
Такого результата исследователи достигли, использовав изощренный 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 прошла первые испытания. Изготовленный бетон после недельной выдержки приобрел прочность на сжатие около 16 мегапаскалей. То есть по этому показателю новый материал сравним с 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. (nangs.org/Химия Украины и мира)