Kolenas is het minder beruchte bijproduct van kolencentrales. Het is het restafval dat vrijkomt bij het verbranden van steenkool. Hoewel het niet dezelfde schadelijke reputatie heeft als zijn tegenhangers in de lucht, tientallen miljoenen tonnen as komen elk jaar op stortplaatsen terecht. Nu geloven onderzoekers van de Drexel University dat ze een toepassing hebben gevonden voor het poederachtige residu - een die zou kunnen helpen om beton duurzamer en scheurvrij te maken.

Onlangs gerapporteerd in het tijdschrift Cement and Concrete Composites, hun ontdekking is een methode om afvalas om te zetten in een speciaal betonadditief dat helpt de interne structuur te versterken door een uniform verhardingsproces van binnenuit te bevorderen. Dit additief - een goed presterende, functioneel aggregaat - kan de tijd die nodig is voor het uitharden van beton verkorten en de duurzaamheid ervan verbeteren door de kans op scheurvorming te verminderen, volgens de onderzoekers.

Precies de juiste mix

Beton is gemaakt van een mengsel van fijn poeder en grove rotsdeeltjes, aggregaten genoemd, gebonden door een minerale lijm genaamd een "cementeermatrix, " gemaakt van cement en water. De aggregaten vormen de sterke interne structuur van het beton terwijl de cementeermatrix uithardt om de ingrediënten samen te binden in een proces dat uitharden wordt genoemd. Om beton zijn maximale duurzaamheid te laten bereiken, het cement moet tijdens het uithardingsproces grondig met water worden gemengd, zodat het allemaal tegelijkertijd droogt en uithardt.

"Dit is een heel belangrijk onderdeel van het proces, want als het beton tijdens het uitharden te snel droogt, door extra watertekort, het kan scheuren en andere gebreken vormen. Deze drogende krimpscheuren zorgen ervoor dat het oppervlak vatbaar is voor agressieve vloeistofindringing, waardoor concrete duurzaamheidsproblemen ontstaan, zoals corrosie, zout schade, of vries-dooi schade, " zei Yaghoob Farnam, doctoraat, een assistent-professor in Drexel's College of Engineering en hoofdonderzoeker van het onderzoek.

Om een ​​gelijkmatige uitharding te garanderen, zijn er een aantal dingen die betonaannemers moeten doen, inclusief het constant spuiten van het beton, bedek het met een membraan om het vochtig te houden, onderdompelen in water of het creëren van plassen water op het oppervlak. Al deze strategieën kosten tijd en middelen en zijn zo complex dat er fouten in het proces kunnen sluipen. Om dit te helpen voorkomen, in de afgelopen tien jaar hebben onderzoekers een concept voor inwendig uitharding ontwikkeld dat gebruik maakt van poreus lichtgewicht aggregaat om het uithardingsproces te ondersteunen. Het aggregaat kan een constant niveau van vocht in het beton handhaven om het van binnenuit gelijkmatig uit te harden.

"Het gebruik van een hoogwaardig lichtgewicht aggregaat in beton kan een oplossing zijn om voldoende waterreservoirs in beton te voorzien, aangezien er na verloop van tijd water nodig is voor het uitharden van cementgebonden matrix, ' zei Farnam.

Werken met beton is moeilijk

Beton is een van de meest gebruikte bouwmaterialen ter wereld. Het is het materiaal bij uitstek voor de meeste nieuwe wegen met een hoog volume, gebouwen, bruggen en vele andere constructies vanwege de duurzaamheid en het relatief eenvoudige toepassingsgemak.

Maar een nadeel van het gebruik van beton is dat het precies de juiste atmosferische omstandigheden vereist om een ​​goede menging en zelfs uitharding mogelijk te maken - niet te heet, niet te koud, niet te droog.

Het is moeilijk om de exacte hoeveelheid vocht in beton te krijgen omdat het poeder en de toeslagstoffen een dichte cementeermatrix vormen die moeilijk te doordringen is zodra het begint te drogen. Als de buitenkant van het beton uitdroogt voordat de binnenkant is uitgehard, kan dit leiden tot een zwakkere structuur. Als resultaat, aannemers hebben in principe maar één kans om de verhouding tussen vloeistof en vaste stof precies goed te krijgen, meng het snel en grondig en giet het beton voordat het begint te drogen.

"Dit is een veelvoorkomend probleem in beton, zogenaamd 'betondrogen, ' zorgt voor uitdrogende scheuren en een lagere betonsterkte en duurzaamheid, " zei Mohammed Balapour, een doctoraal onderzoeker in het laboratorium van Farnam en hoofdauteur van het artikel.

Een remedie vinden

Om aannemers meer speelruimte te geven in het proces, Het Farnam-team, in samenwerking met docenten van de Drexel's Civil, architectonisch, en Milieutechniek, Genade Hsuan, doctoraat, en Sabrina Spatari, doctoraat, evenals E. J. Garboczi, doctoraat, van het National Institute of Standards and Technology, bekeken hoe functionele lichtgewicht toeslagstoffen uit steenkoolas kunnen worden ontwikkeld en in beton kunnen worden toegepast.

De betonindustrie heeft beperkte toegang tot natuurlijke of synthetische lichtgewicht toeslagstoffen, volgens Farnam, vanwege de afhankelijkheid van beperkte bronnen van aggregaatmateriaal. Het laboratorium van Farnam wilde een aggregaatproduct ontwerpen met optimale eigenschappen voor het mengen, kracht en poreusheid - en een manier vinden om het te maken uit een overvloed aan afvalmateriaal.

"De oplossing die we bedachten was het recyclen van dit afvalproduct, kolen as, tot een poreuze, lichtgewicht aggregaat met uitstekende prestatiekenmerken die tegen lagere kosten kunnen worden geproduceerd dan de huidige natuurlijke en synthetische opties, " zei Farnam. "Dit materiaal en dit proces zouden niet alleen de betonindustrie ten goede komen door de kwaliteit van hun producten te verbeteren, maar het kan ook helpen om kolenas van stortplaatsen te houden."

Het materiaal dat ze bedachten, wordt "bolvormig poreus reactief aggregaat" genoemd - SPoRA, in het kort. Het wordt gemaakt door de as te combineren met chemicaliën die het sinteren en hechten van aggregaat vergemakkelijken, vorm ze in kleine bolletjes en bak ze vervolgens op 1, 160 graden Celsius voor een paar minuten.

Het eindproduct is een aggregaatkorrel die bijna de helft van zijn gewicht in water kan houden, wat beter is dan traditionele lichtgewicht aggregaten. En, even belangrijk, het kan dat water met een regelmatige snelheid van binnenuit afgeven aan de cementeermatrix terwijl het uithardt.

In de krant melden ze dat twee soorten SPoRA beter presteren dan sommige traditionele lichtgewicht aggregaatmaterialen:schalie, klei en leisteen, en geschuimd glas - op afmetingen van vorm, poreusheid, relatief gewicht en het vermogen om water te absorberen en af ​​te geven. Dit zijn allemaal belangrijke statistieken die verband houden met het vermogen om te integreren met het cementmengsel en het vocht af te geven op het juiste moment en in het juiste deel van de structuur terwijl het zich vormt.

"Als het beton aan de buitenkant begint uit te harden, de aggregaatpellets laten ook hun vocht vrij om het ook van binnenuit te helpen genezen, " zei Balapour. "Deze aanpak kan helpen om de duurzaamheid van het beton te maximaliseren. En het SPoRA-productieproces is eenvoudig genoeg om aggregaten van elke grootte en watercapaciteit te produceren, dus we denken dat het voor een aantal toepassingen in de bouwsector kan worden gebruikt."

Het recyclen van een afvalproduct zoals kolenas vermindert niet alleen de kosten van het maken van lichtgewicht aggregaat, maar het zorgt er ook voor dat betonproducenten er toegang toe hebben.

"Het nemen van iets dat een afvalproduct is - met bergen ervan op stortplaatsen - en er een nuttig product van maken, is een uitstekend voorbeeld van hoe de wetenschap kan helpen bij het vinden van duurzame oplossingen voor de uitdagingen van de samenleving. " Farnam said. "Not only does this help protect our natural environment but will also help to improve our built environment."