Продукт на основе угля может заменить песок в бетоне

Исследование исследователей из Университета Райса показало, что графен, полученный из металлургического кокса, продукта на основе угля, может служить не только армирующим материалом в цементе, но и заменителем песка в бетоне.

«Это может оказать серьезное влияние на одну из крупнейших отраслей промышленности в мире», — сказал Джеймс Терр, профессор Т.Т. и В.Ф. Чао в Университете Райса, а также профессор химии, материаловедения и наноинженерии. «Мы сравнили бетон, изготовленный с использованием альтернативного графенового заполнителя, с бетоном, изготовленным с использованием соответствующего песчаного заполнителя, 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% населения мира будет проживать в городских районах, поэтому ожидается, что спрос на бетон и, следовательно, на добычу песка значительно вырастет. За последние два десятилетия это число утроилось, достигнув примерно 50 миллиардов тонн в год. Однако это влечет за собой значительные экологические издержки.

На производство цемента, одного из основных компонентов бетона, приходится 8% выбросов углекислого газа во всем мире. Кроме того, добыча песка, которая практически не регулируется, 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 урбанизацией может вскоре привести к «песчаному кризису».

Применяя фирменную технику нагрева Джоуля к минеральному коксу, лаборатория Тора создала тип графена, который может служить заменой песка в бетоне.

«Первоначальные эксперименты, в которых металлургический кокс превращался в графен, дали материал, который по размеру был похож на песок», — сказал Пол Адвинкула, аспирант Университета Райса и ведущий автор исследования. «Мы решили изучить возможность использования минерального графена, полученного из кокса, в качестве полной замены песка в бетоне, и наши результаты показывают, что он будет работать очень хорошо».

Испытания, сравнивающие традиционный 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 Tor использовала технологию FlashJoel в различных приложениях, включая синтез гибридных углеродных наноматериалов, переработку деталей аккумуляторов и удаление тяжелых металлов из летучей золы угля.

«Эта технология производит графен быстрее и в больших масштабах, чем предыдущие методы», — сказал Адвинкула.

Благодаря потенциалу снижения зависимости от природного песка и сокращения выбросов углекислого газа при производстве бетона, эта новая технология может привести к более устойчивому городскому развитию.

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

Сатиш Нагараджая, профессор гражданского и экологического строительства и машиностроения, который является одним из авторов исследования, подчеркнул, что «30% бетона состоит из песка, а это большая его часть».

«Тот факт, что мы находимся на грани «песчаного кризиса», мотивирует нас искать альтернативы, а минеральный кокс, который стоит примерно так же, как песок и составляет около 10% стоимости бетона, может помочь не только улучшить качество бетона. Но это также в конечном итоге приводит к значительной экономии».

Исследование проводилось при поддержке Инженерного корпуса армии США, Центра инженерных исследований и разработок (W912HZ-21-2-0050), Управления научных исследований ВВС (FA9550-22-1-0526) и Национального научного центра США. Фундамент.