Как сделать цемент прочнее и экологичнее?

Анализ молекулярной структуры материала приводит к новой формуле, что может сократить выбросы парниковых газов.

Бетон наиболее часто используемый строительный материал и один из ведущих участников глобального потепления, производя десятую часть парниковых газов, генерируемых индустрией производства строительных материалов.

Теперь новое исследование предлагает способ, с помощью которого эти выбросы можно снизить более чем наполовину – и результатом при этом станет более прочный материал.

Такие выводы делает один из наиболее детальных молекулярных анализов сложной структуры бетона, сделанных за все время, который представляет собой смесь песка, гравия, воды и цемента. Цемент производится путем смешивания богатого кальцием материала, как правило, известняка, с материалом, богатым кремнием – обычно глиной – при температуре 1500 градусов по Цельсию, из этого получается твердая масса под названием «клинкер». Декарбонизация известняка и нагрев цемента – два процесса, ответственных за большую часть выбросов парниковых газов от производства строительных материалов.

Анализ предполагает, что уменьшение соотношения кальция к силикату сможет не только сократить эти выбросы, но и на самом деле сделает бетон намного прочнее. Все данные описаны в статье в для журнала Nature Communications ведущим научным сотрудником Роландом Пелленгом (Roland Pellenq), профессором Кристиан Ван Влиет (Krystyn Van Vliet), Францом-Йозефом Ульмом (Franz-Josef Ulm), Сидни Ип (Sidney Yip), Маркусом Бухлером (Markus Buehler) и еще восемью соавторами из Массачусетского технологического института и Национального центра научных исследований Франции (CNRS).

«Цемент является наиболее часто используемым материалом на планете», рассказывает Пелленг, отметив, что в настоящее время его используют в три раза чаще, чем сталь. «Нет другого способа создания надежного укрытия для человека, чем превращение жидкости в камень за 10 часов при комнатной температуре. Это магия цемента».

В обычном цементе, как объясняет Пелленг, соотношение кальция к кремнию может варьироваться примерно от 1,2 до 2,2, а стандартом считается 1,7. Но получаемые при различных соотношениях молекулярные структуры никогда не сравнивались детально. Пелленг и его коллеги создали базу данные всех этих химических составов, установив, что оптимальная смесь является не та, которой пользуются сегодня, а соотношение около 1,5.

С изменением соотношения, объясняет ученый, прогрессирует молекулярная структура затвердевшего материала от плотно упорядоченной кристаллической структуры до неупорядоченной стекловидной структуры. Они обнаружили, что соотношение 1,5 части кальция к одной части кремния является «волшебным соотношением». По словам Пелленга это так, «потому что в такой пропорции прочность материала становится в два раза выше чем у обычного цемента, он обладает большей устойчивостью к образованию трещин, изменяется молекулярная структура материала.

Выводы были «ратифицированы большим количеством экспериментальных данных». Так как выбросы, связанные с производством цемента, по оценкам, составляют от 5 до 10% все промышленных выбросов парниковых газов, то по словам ученого, «любое сокращение содержания кальция в цементе будет иметь влияние на выбросы СО2». Фактически, сокращение выбросов углерода при производстве цемента может уменьшится на 60%.

В дополнение к общим улучшениям механической прочности, Пелленг говорит, что «так как материал будет более стекловидный и менее кристаллический, не будет остаточного напряжения в материале, и он станет более к образованию трещин».

Эта работа является кульминацией пяти лет исследований совместной группы Массачусетского технологического института и CNRS, в которой Пелленг участвовал в качестве руководителя.

Благодаря своей повышенной стойкости к механическим воздействиям, пересмотренная формула может заинтересовать нефтяную и газовую промышленность, где цемент вокруг обсадных труб имеет решающее значение для предотвращения утечек и прорывов.

«В дальнейшем мы должны убедиться, что эти наноразмерные свойства могут быть воплощены в мезомасштабе», - то есть к инженерному масштабу применений в инфраструктуре, строительстве жилья и других целях.

Facepla.net по материалам mitei.mit.edu

Комментарии: