Продукт на основе угля может заменить песок в бетоне

Открытие может стать частью решения надвигающегося «песчаного кризиса»

Источник: Университет Райса

Краткое содержание: Новое исследование показало, что графен, полученный из металлургического кокса, продукта на основе угля, посредством мгновенного джоулева нагрева, может служить не только армирующей добавкой в цемент, но и заменой песка в бетоне.

Зависимость мира от бетона, второго наиболее потребляемого материала после воды, приводит к экологическому и ресурсному кризису, при этом темпы добычи песка превышают естественное пополнение запасов.

Исследование исследователей из Университета Райса показало, что графен, полученный из металлургического кокса, продукта на основе угля, может служить не только армирующей добавкой в цемент, но и заменой песка в бетоне.

«Это может оказать серьезное влияние на одну из крупнейших отраслей промышленности в мире», сказал Джеймс Тур, профессор Райс ТТ и ВФ Чао, а также профессор химии, материаловедения и наноинженерии. «Мы сравнили бетон, изготовленный с использованием заменителя графенового заполнителя, с бетоном, изготовленным с использованием подходящих песчаных заполнителей, и обнаружили, что наш бетон на 25% легче, но такой же прочный».

Бетон, смесь заполнителей, таких как песок и гравий, связанных с цементом и водой, необходим для городского развития. Ожидается, что к 2050 году 68% мирового населения будет жить в городских районах, поэтому прогнозируется, что спрос на бетон и, следовательно, на добычу песка значительно вырастет. За последние два десятилетия этот показатель утроился, достигнув примерно 50 миллиардов тонн в год. Однако это влечет за собой значительные экологические издержки.

На производство цемента, ключевого компонента бетона, приходится 8% мировых выбросов углекислого газа. Более того, добыча песка, по большей части нерегулируемая, представляет серьезную угрозу речным и прибрежным экосистемам. Согласно докладу Организации Объединенных Наций за 2022 год, растущий спрос на песок в сочетании с ростом населения и расширением городов может вскоре спровоцировать «песчаный кризис».

Применяя свою фирменную технику джоулевого нагрева к металлургическому коксу, лаборатория Тура создала тип графена, который может служить заменой песка в бетоне.

«Первоначальные эксперименты, в которых металлургический кокс превращался в графен, привели к получению материала, который по размеру был похож на песок», сказал Пол Адвинкула, выпускник доктора Райса и ведущий автор исследования. «Мы решили изучить возможность использования графена, полученного из металлургического кокса, в качестве полной замены песка в бетоне, и наши результаты показывают, что он будет работать очень хорошо».

Испытания, сравнивающие обычный бетон с бетоном из графеновых заполнителей, показывают многообещающие результаты. Бетон на основе графена не только соответствует механическим свойствам стандартного бетона, но также обеспечивает более высокое соотношение прочности и веса.

Лаборатория Тура использовала джоулевый нагрев для различных целей, включая синтез гибридных углеродных наноматериалов, переработку деталей аккумуляторов и удаление тяжелых металлов из угольной золы.

«Эта технология производит графен быстрее и в большем масштабе, чем предыдущие методы», сказал Адвинкула.

Благодаря потенциалу снижения зависимости от природного песка и снижения выбросов углекислого газа в бетонной промышленности эта новая технология может привести к более устойчивому городскому развитию.

«Потребуется некоторое время, чтобы цена на графен стала достаточно низкой, чтобы это стало жизнеспособным», сказал Тур. «Но это просто показывает, что есть альтернативы, которые мы можем использовать».

Сатиш Нагараджайя, профессор гражданского и экологического строительства, а также машиностроения, который является автором исследования, подчеркнул, что «30% бетона состоит из песка значительная часть».

«Тот факт, что мы находимся на грани «песчаного кризиса», мотивирует нас искать альтернативы, а металлургический кокс, который стоит примерно так же, как песок и составляет около 10% стоимости бетона, может помочь не только улучшить -качественный бетон, но в конечном итоге приводит к значительной экономии», сказал Нагараджайя.