Gulerodscement:Hvordan rodfrugter og aske kunne gøre beton mere bæredygtig

Beton er blevet vores foretrukne byggemateriale til utallige konstruktioner såsom broer, tårne ​​og dæmninger. Men det har også et enormt miljømæssigt fodaftryk, hovedsagelig på grund af kuldioxidemissioner fra produktionen af ​​cement - en af ​​dens hovedbestanddele. Forskere eksperimenterer nu med rodfrugter og genbrugsplast i beton for at se, om dette kan gøre det stærkere - og mere bæredygtigt - og endda drive gadelygter eller luftforureningssensorer.

Efter vand, beton er det mest udbredte stof i verden. Fremstilling af cement, en nøglekomponent i beton, er ansvarlig for omkring 8 % af den globale kuldioxid (CO ₂ ) emissioner. Det involverer forbrænding af en masse mineraler, skaller, skifer og andre komponenter i ovne opvarmet til ca. 400°C, hvor fossile brændstoffer typisk bruges som energikilde, derved producerer CO ₂ emissioner.

Ud over, producerer klinker - små, faste klumper, der er et mellemprodukt af cement - er resultatet af en højtemperatur kemisk reaktion, der også er energikrævende.

"Cementindustrien arbejder på at dekarbonisere og sænke fodaftrykket fra fossile brændstoffer, " sagde Dr. Nikola Tošić, en forsker ved det polytekniske universitet i Catalonien i Barcelona, Spanien. "Men den kemiske del af udledningen af ​​kuldioxid er uundgåelig, medmindre vi kommer med (helt) forskellige typer cement."

Når cement blandes med vand, det danner en pasta, der binder tilslag som sand og knust sten sammen, lader beton hærde og giver den styrke og struktur.

At gøre cement stærkere, så der er brug for mindre af det, er en strategi til at reducere dens miljøpåvirkning. Professor Mohamed Saafi fra Lancaster University i Storbritannien og hans kolleger sigter mod at nå dette mål som en del af B-SMART-projektet.

Cement skal kombineres med vand, så det klæber til sand og knust sten og binder dem sammen. Imidlertid, ikke alle cementpartikler bliver hydreret under processen. "De fleste af dem bliver i det væsentlige siddende der og laver ingenting, som er spild, " sagde Prof. Saafi. "Hvis vi kan forstærke denne hydreringsmekanisme, dens styrke vil stige betydeligt, og derfor kan vi bruge mindre cement."

Rodfrugter

Prof. Saafi og hans team henvendte sig til rodfrugter for at få hjælp. De undersøgte, om affaldsmateriale fra gulerødder forarbejdet til fremstilling af babymad, eller rester fra ekstraktion af roesukker kan tilsættes cement for at styrke det. Ved at bruge computersimuleringer, de var i stand til at se, hvordan supertynde plader lavet af disse grøntsager og smidt ind i cementpastaen ville interagere med cement, ser på deres effekt på både hydreringen af ​​cement og dens resulterende mekaniske egenskaber. Derefter udførte de eksperimenter i laboratoriet for at prøve at validere resultater fra deres simuleringer.

Forskerne fandt ud af, at inkorporering af plader lavet af vegetabilsk affald var i stand til at forbedre cementhydreringen. Arkene fungerede som reservoirer, der gjorde det muligt for vand at nå flere cementpartikler og dermed forbedre dets bindingsevne. "På samme tid, når hydreringen er overstået, forbliver nogle af disse gulerodsnanoark i cementen og gør dens struktur meget stærk, " sagde Prof. Saafi. "Vi har ikke set dette før, og det er virkelig en fantastisk opdagelse."

Tilføjelse af rodfrugter til cement viste sig også at have yderligere fordele. At lægge pres på en gulerod, for eksempel, producerer elektrisk strøm, der kan drive et lille LED-lys eller elektroniske enheder. Når gulerods nanoplader blev tilføjet til cement, Prof. Saafi og hans kolleger fandt ud af, at de kunne lave beton, der producerer elektricitet. Hvis det bruges til at bygge en bro, for eksempel, elektricitet kan genereres, når biler passerer over den eller på grund af vibrationer eller bevægelser forårsaget af fodgængere. "Vi kan bruge denne elektricitet fra betonen til at drive LED'er eller gadelygter, " sagde Prof. Saafi. "Det kunne også drive sensorer til at overvåge luftforurening."

Elektricitet produceret af beton kunne også give indsigt i en konstruktions sundhed. Den genererede spænding vil ændre sig, hvis der er revner, for eksempel. Inkorporering af en overvågningsenhed, der sporer elektrisk output i en bygning eller bro, kan derfor hjælpe med at afgøre, hvornår noget er galt, og en struktur skal kontrolleres, dermed forhindre katastrofale fejl.

Holdet udfører nu feltforsøg for at se, om de kan bygge strukturer med deres gulerodscement, der har de samme egenskaber som observeret i laboratoriet. De sigter også mod at bruge eksisterende processer, når de producerer deres modificerede beton for at hjælpe med at reducere omkostningerne.

Hvis alt går godt, holdet forventer, at deres vegetabilske cement kan reducere mængden af ​​cement, der er nødvendig for at bygge en struktur, med 10 kg pr. kubikmeter beton. "Forhåbentlig kan vi i fremtiden optimere det lidt bedre og yderligere reducere mængden af ​​cement (nødvendigt), " sagde Prof. Saafi.

Flyveaske

Andre typer affaldsmateriale bliver testet for at lave mere bæredygtig beton. Industrielle biprodukter såsom flyveaske - en fin, pulverformigt materiale, der bliver tilbage efter kul er brændt - og højovnsslagge - granulerede rester fra stålproduktion - kan delvist erstatte cement.

"Vi kan reducere (mængden af) cement med 30 % til 50 % og tilføje disse industrielle biprodukter (i stedet), " sagde Dr. Tošić, der udforsker denne tilgang som en del af et projekt kaldet GREEN-FRC.

Holdet fokuserer på at producere fiberarmeret beton til brug i bymiljøer, at lave fortove og bygninger for eksempel. De vil eksperimentere med forskellige betonblandinger for at finde dem, der er optimale ud fra et bæredygtighedsperspektiv, og hvor de mekaniske egenskaber ikke kompromitteres.

Matematiske modeller vil i første omgang blive brugt til at forudsige egenskaberne af deres grønnere beton baseret på deres sammensætning, som vil blive fulgt op af laboratorietests. "Vi forventer, at de vil opføre sig anderledes end normalt, traditionel beton, " sagde Dr. Tošić.

Det er også interessant at inkorporere plast i beton. Genanvendte plastfibre kunne med tiden bruges til at gøre det stærkere, måske muliggør en reduktion af uholdbare komponenter såsom stål, der bruges til at forstærke cement. Siden projektet startede i begyndelsen af ​​2020, holdet har inkorporeret forskellige mængder og typer af polypropylenplastfibre i beton og testet, hvordan det klarer sig på lang sigt. Beton deformeres konstant over tid, når den udsættes for konstant belastning, så de vil se, hvordan den opfører sig, når dens sammensætning ændres. "Vi skal være i stand til at forudsige dette, " sagde Dr. Tošić.

Snart, holdet vil også begynde at se på, hvordan visse lertyper kan bruges til delvist at erstatte cement i beton. Cement har et ekstra miljømæssigt fodaftryk, som stammer fra naturressourcer såsom ler og mineraler, der er nødvendige for at fremstille det. Men at bruge kalkstenscalciumler i stedet kunne være en mere bæredygtig mulighed, da det er meget mere rigeligt end andre naturlige materialer, der bruges til at fremstille traditionel cement, samt andre alternativer såsom industrielle biprodukter.

Dr. Tošić mener, at deres grønnere beton i første omgang vil blive brugt i fortovet, beklædning til tunneler og paneler til bygningsfacader, som kræver mindre forstærkning end strukturer som f.eks. bygninger. Nogle byggefirmaer interesserer sig allerede for projektet ved at levere gratis materialer til deres eksperimenter. "I det sidste år, vi bemærker, at byggefirmaer foretager en ændring eller et skift i tankegangen, " sagde Dr. Tošić. "De ser, at bæredygtighed er nødvendig for dem i fremtiden, ellers vil de miste et marked."