Производство цемента, используемого в бетоне, является основным источником выбросов парниковых газов, поэтому инженеры активно пытаются заменить его летучей золой. Новая технология делает эту летучую золу более экологичной, в результате чего и сам бетон становится не только прочнее, но и безопаснее для окружающей среды.
При производстве широко используемого в строительстве портландцемента кальций и другие ингредиенты необходимо нагревать до очень высоких температур. Было подсчитано, что процессы, посредством которых вырабатывается это тепло, ответственны за от 5% до 8% всех антропогенных выбросов CO2.
Помня об этой проблеме, ученые попытались заменить часть цемента, используемого в бетонных смесях, летучей золой (другими ингредиентами являются песок и/или гравий и вода).
Летучая зола является отходом, оставшимся после сжигания угля, и, хотя по своим свойствам она аналогична свойствам цемента, это вещество также содержит токсичные тяжелые металлы. Если бетон, содержащий эту золу, будет использоваться на дорогах или тротуарах, вполне возможно, что эти металлы могут постепенно выщелачиваться из него в окружающую среду.
Стремясь устранить этот недостаток, ученые из Университета Райса в Техасе разработали процесс, который начинается со смешивания летучей золы с электропроводящим порошком технического углерода. С помощью метода, известного как мгновенный джоулев нагрев, эта смесь затем помещается между двумя медными или графитовыми электродами (подключенными к конденсатору), которые подают на материал короткий электрический импульс. Применение этого тока приводит к быстрому нагреву смеси до температуры около 3000 ºC, в результате чего тяжелые металлы испаряются в пар, который улавливается в вакуумной камере.
«Используя этот метод, мы можем удалить тяжелые металлы из летучей золы угля с очень высокой эффективностью. Для различных тяжелых металлов, таких как мышьяк, кадмий, кобальт, никель и свинец, эффективность удаления составляет от 70% до 90% всего за одну секунду», — рассказал научный сотрудник с докторской степенью Бинг Денг, соавтор исследования.
В качестве дополнительного преимущества бетон, изготовленный из очищенной летучей золы, также прочнее, чем бетон, изготовленный из чистого цемента. В частности, когда ученые заменили 30% цемента в бетонной смеси золой, полученный бетон оказался на 51% прочнее и на 28% эластичнее, чем контрольные образцы.
«Это очень важно для проектирования конструкций и строительной отрасли, потому что более прочные конструкции можно построить с меньшим количеством цемента», — отметил научный сотрудник с докторской степенью Вэй Мэн, еще один соавтор.