Aske til beton

Kulaske er det mindre berygtede biprodukt af kulkraftværker. Det er det resterende faste affald, der kommer fra afbrænding af kul. Selvom det ikke har det samme skadelige ry som sine luftbårne kolleger, titusinder af millioner aske fylder hvert år på lossepladser. Nu mener forskere fra Drexel University, at de har fundet en anvendelse til den pulverformige rest-en der kunne bidrage til at gøre beton mere holdbar og revnefri.

For nylig rapporteret i tidsskriftet Cement and Concrete Composites, deres opdagelse er en metode til at omdanne affaldsaske til et specielt betontilsætningsstof, der hjælper med at styrke dens indre struktur ved at fremme en ensartet hærdningsproces indefra og ud. Dette tilsætningsstof-et højtydende, funktionelt aggregat - kan forkorte den tid, det tager for beton at hærde og forbedre dets holdbarhed ved at reducere potentialet for revnedannelse, ifølge forskerne.

Bare den rigtige blanding

Beton er fremstillet af en blanding af fint pulver og grove stenpartikler, kaldes aggregater, bundet af en mineralsk lim kaldet en "cementeringsmatrix, "lavet af cement og vand. Aggregaterne danner betonens stærke indre struktur, når cementeringsmatricen hærder for at binde ingredienserne sammen i en proces kaldet hærdning. For at beton når sin maksimale holdbarhed, cementen skal blandes grundigt med vand under hærdningsprocessen, så det hele tørrer - og hærder - på samme tid.

"Dette er en meget vigtig del af processen, for hvis betonen tørrer for hurtigt under dens hærdning, på grund af øget vandmangel, det kan danne revner og andre fejl. Disse tørringsskrumper forårsager, at overfladen er modtagelig for aggressiv væskeindtrængning, hvilket skaber konkrete holdbarhedsproblemer, såsom korrosion, saltskade, eller fryse-optø skade, "sagde Yaghoob Farnam, Ph.d., en adjunkt i Drexels ingeniørhøjskole og principforsker af forskningen.

For at sikre en ensartet hærdning er der en række ting, som konkrete entreprenører måske skal gøre, herunder konstant sprøjtning af betonen, dækker den med en membran for at holde den fugtig, nedsænke det i vand eller skabe pools af vand på overfladen. Alle disse strategier bruger tid og ressourcer og er komplekse nok til, at fejl kan snige sig ind i processen. For at forhindre dette, i det sidste årti har forskere udviklet et internt hærdningskoncept, der bruger porøst letvægtsaggregat til at hjælpe med hærdningsprocessen. Aggregatet kan opretholde et konsistent niveau af fugt inde i betonen for at hjælpe det med at hærde jævnt indefra og ud.

"Anvendelsen af ​​et højtydende letvægtsaggregat i beton kan være en løsning til korrekt at tilvejebringe tilstrækkelige vandreservoirer inde i beton, da vand er nødvendigt over tid til at hærde cementbaseret matrix, "Sagde Farnam.

At arbejde med beton er hårdt

Beton er et af de mest anvendte byggematerialer i verden. Det er det foretrukne materiale til de fleste nye veje med stor volumen, bygninger, broer og mange andre strukturer på grund af dets holdbarhed og relative brugervenlighed.

Men en ulempe ved at bruge beton er, at det kræver de helt rigtige atmosfæriske forhold for at muliggøre korrekt blanding og endda hærdning - ikke for varmt, ikke for koldt, ikke for tørt.

Det er svært at få den nøjagtige mængde fugt inde i beton, fordi pulveret og aggregaterne danner en tæt cementeringsmatrix, der er vanskelig at trænge igennem, når den begynder at tørre. Hvis betonens yderside tørrer ud inden indersiden hærder, kan det resultere i en svagere struktur. Som resultat, entreprenører har dybest set ét skud for at få forholdet mellem væske og fast stof helt rigtigt, bland det hurtigt og grundigt og hæld betonen inden det begynder at tørre.

"Dette er et almindeligt problem i beton, såkaldt 'betontørring, 'skaber tørrevner og lavere betonstyrke og holdbarhed, "sagde Mohammad Balapour, en forsker i Farnams laboratorium og hovedforfatter af papiret.

At finde en kur

For at give entreprenører mere spillerum i processen, Farnams hold, i samarbejde med fakultetsmedlemmer i Drexel's Civil, Arkitektonisk, og miljøteknisk afdeling, Grace Hsuan, Ph.d., og Sabrina Spatari, Ph.d., samt E.J. Garboczi, Ph.d., fra National Institute of Standards and Technology, set på, hvordan funktionelle letvægtsaggregater kan udvikles fra kulaske og bruges i beton.

Betonindustrien har begrænset adgang til naturlige eller syntetiske letvægtsaggregater, ifølge Farnam, på grund af dets afhængighed af begrænsede kilder til aggregatmateriale. Farnams laboratorium ønskede at designe et samlet produkt, der havde optimale egenskaber til blanding, styrke og porøsitet - og find en måde at gøre det ud af et rigeligt affaldsmateriale.

"Den løsning, vi fandt på, indebar genbrug af dette affaldsprodukt, kulaske, ind i en porøs, letvægtsaggregat med fremragende ydeevneegenskaber, der kunne produceres til en lavere pris end nuværende naturlige og syntetiske muligheder, "Farnam sagde." Dette materiale og denne proces ville ikke kun gavne betonindustrien ved at forbedre kvaliteten af ​​deres produkter, men det kan også hjælpe med at holde kulaske ude af lossepladserne. "

Materialet, de fandt på, kaldes "sfærisk porøst reaktivt aggregat" - SPoRA, for kort. Det fremstilles ved at kombinere asken med kemikalier, der letter aggregat sintring og binding, form dem til små kugler og bag dem derefter ved 1, 160 grader Celsius i et par minutter.

Slutproduktet er en samlet pellet, der kan holde næsten halvdelen af ​​sin vægt i vand, hvilket er bedre end traditionelle letvægtsaggregater. Og, så vigtigt, det kan frigive vandet med en regelmæssig hastighed indefra til cementeringsmatricen, når det hærder.

I avisen rapporterer de, at to typer SPoRA klarer sig bedre end nogle traditionelle letvægtsaggregatmaterialer - skifer, ler og skifer, og skumglas - på målinger af form, porøsitet, relativ vægt og evne til at absorbere og frigive vand. Disse er alle nøgletal relateret til dets evne til at integrere med cementblandingen og frigive dens fugtighed på det rigtige tidspunkt og i den rigtige del af strukturen, når den dannes.

"Da betonen begynder at hærde på ydersiden, de samlede pellets frigiver også deres fugtighed for at hjælpe den med at hærde indefra og ud, "Balapour sagde." Denne fremgangsmåde kan bidrage til at maksimere betonens holdbarhed. Og SPoRA-fremstillingsprocessen er enkel nok til at producere aggregater af enhver størrelse og vandkapacitet, så vi tror, ​​at det kan bruges til en række applikationer i byggeindustrien. "

Genbrug af et affaldsprodukt som kulaske reducerer ikke kun omkostningerne ved fremstilling af letvægtsaggregat, men det sikrer også, at betonproducenter får adgang til det.

"At tage noget, der er et affaldsprodukt - med bjerge af det på lossepladser - og gøre det til et nyttigt produkt, er et glimrende eksempel på, hvordan videnskab kan hjælpe med at finde bæredygtige løsninger på samfundets udfordringer, " Farnam said. "Not only does this help protect our natural environment but will also help to improve our built environment."