Beton is ons favoriete bouwmateriaal geworden voor talloze constructies zoals bruggen, torens en dammen. Maar het heeft ook een enorme ecologische voetafdruk, voornamelijk als gevolg van de uitstoot van kooldioxide bij de productie van cement, een van de hoofdbestanddelen ervan. Onderzoekers experimenteren nu met wortelgroenten en gerecycled plastic in beton om te zien of dit het sterker - en duurzamer - kan maken en zelfs straatverlichting of luchtvervuilingssensoren kan aandrijven.

Na water, beton is de meest gebruikte stof ter wereld. Cement produceren, een belangrijk onderdeel van beton, is verantwoordelijk voor ongeveer 8% van de wereldwijde koolstofdioxide (CO ₂ ) uitstoot. Het gaat om het verbranden van veel mineralen, schelpen, schalie en andere componenten in ovens verwarmd tot ongeveer 1, 400°C, waar fossiele brandstoffen doorgaans als energiebron worden gebruikt, dus CO . produceren ₂ uitstoot.

In aanvulling, klinker produceren - klein, vaste brokken die een tussenproduct van cement zijn, zijn het resultaat van een chemische reactie bij hoge temperatuur die ook energie-intensief is.

"De cementindustrie werkt aan het koolstofarm maken en verlagen van de voetafdruk van fossiele brandstoffen, " zei Dr. Nikola Tošić, een onderzoeker aan de Polytechnische Universiteit van Catalonië in Barcelona, Spanje. "Maar het chemische deel van de uitstoot van kooldioxide is onvermijdelijk, tenzij we met (volledig) verschillende soorten cement komen."

Wanneer cement wordt gemengd met water, het vormt een pasta die toeslagstoffen zoals zand en steenslag samenbindt, beton laten uitharden en het stevigheid en structuur geven.

Cement sterker maken zodat er minder van nodig is, is een strategie om de impact op het milieu te verminderen. Professor Mohamed Saafi van de Lancaster University in het VK en zijn collega's streven ernaar dit doel te bereiken als onderdeel van het B-SMART-project.

Cement moet worden gecombineerd met water, zodat het hecht aan zand en steenslag en ze samenbindt. Echter, niet alle cementdeeltjes worden tijdens het proces gehydrateerd. "De meesten van hen blijven in wezen zitten en doen niets, wat zonde is, " zei Prof. Saafi. "Als we dit hydratatiemechanisme kunnen versterken, de sterkte zal aanzienlijk toenemen en daardoor kunnen we minder cement gebruiken."

Wortelgroenten

Prof. Saafi en zijn team wendden zich voor hulp tot wortelgroenten. Ze onderzochten of afvalmateriaal van wortelen verwerkt tot babyvoeding, of restanten van de extractie van bietsuiker kunnen aan cement worden toegevoegd om het te versterken. Door gebruik te maken van computersimulaties, ze konden zien hoe superdunne platen, gemaakt van deze groenten en in de cementpasta gegooid, zouden interageren met cement, kijkend naar hun effect op zowel de hydratatie van cement als de resulterende mechanische eigenschappen. Vervolgens voerden ze experimenten uit in het laboratorium om de resultaten van hun simulaties te valideren.

De onderzoekers ontdekten dat het opnemen van platen gemaakt van plantaardig afval de hydratatie van cement kon verbeteren. De platen fungeerden als reservoirs waardoor water meer cementdeeltjes kon bereiken en zo het bindvermogen ervan verbeterden. "Tegelijkertijd, zodra de hydratatie voorbij is, blijven sommige van deze wortel-nanobladen in het cement en maken de structuur erg sterk, " zei Prof. Saafi. "We hebben dit nog niet eerder gezien en het is echt een geweldige ontdekking."

Het toevoegen van wortelgroenten aan cement bleek ook extra voordelen te hebben. Druk uitoefenen op een wortel, bijvoorbeeld, produceert elektrische stroom die een kleine LED-lamp of elektronische apparaten zou kunnen voeden. Toen wortel nanosheets aan cement werden toegevoegd, Prof. Saafi en zijn collega's ontdekten dat ze beton konden maken dat elektriciteit produceert. Indien gebruikt om een ​​brug te bouwen, bijvoorbeeld, elektriciteit kan worden opgewekt als er auto's overheen rijden of door trillingen of bewegingen van voetgangers. "We kunnen deze elektriciteit uit het beton gebruiken om leds of straatverlichting van stroom te voorzien, " zei Prof. Saafi. "Het zou ook sensoren kunnen aansturen om luchtvervuiling te controleren."

Elektriciteit geproduceerd door beton kan ook inzicht geven in de gezondheid van een constructie. De gegenereerde spanning zou veranderen als er scheuren zijn, bijvoorbeeld. Het opnemen van een bewakingsapparaat dat de elektrische output in een gebouw of brug volgt, kan daarom helpen bepalen wanneer er iets mis is en een constructie moet worden gecontroleerd, waardoor catastrofale mislukkingen worden voorkomen.

Het team voert nu veldtesten uit om te zien of ze met hun wortelcement structuren kunnen bouwen die dezelfde eigenschappen hebben als in het laboratorium. Ze streven er ook naar om bestaande processen te gebruiken bij het produceren van hun gemodificeerde beton om de kosten te helpen verlagen.

Als alles goed gaat, het team verwacht dat hun plantaardige cement de hoeveelheid cement die nodig is om een ​​constructie te bouwen met 10 kg per kubieke meter beton kan verminderen. "Hopelijk kunnen we het in de toekomst wat beter optimaliseren en de hoeveelheid (benodigd) cement verder verminderen, " zei prof. Saafi.

Vliegas

Andere soorten afvalmateriaal worden getest om duurzamer beton te maken. Industriële bijproducten zoals vliegas - een fijne, poederachtig materiaal dat overblijft nadat steenkool is verbrand - en hoogovenslakken - gegranuleerde restanten van de staalproductie - kunnen cement gedeeltelijk vervangen.

"We kunnen (de hoeveelheid) cement met 30% tot 50% verminderen en deze industriële bijproducten (in plaats daarvan) toevoegen, " zei Dr. Tošić, die deze aanpak onderzoekt als onderdeel van een project genaamd GREEN-FRC.

Het team richt zich op de productie van vezelversterkt beton voor gebruik in stedelijke omgevingen, om bijvoorbeeld trottoirs en gebouwen te maken. Ze zullen experimenteren met verschillende betonmengsels om die te vinden die optimaal zijn vanuit een duurzaamheidsperspectief en waar mechanische eigenschappen niet in het gedrang komen.

Wiskundige modellen zullen in eerste instantie worden gebruikt om de eigenschappen van hun groenere beton te voorspellen op basis van hun samenstelling, die zullen worden opgevolgd door laboratoriumtests. "We verwachten dat ze zich anders zullen gedragen dan normaal, traditioneel beton, " zei Dr. Tošić.

Ook het verwerken van plastic in beton is interessant. Gerecycleerde plastic vezels kunnen uiteindelijk worden gebruikt om het sterker te maken, misschien waardoor een vermindering van niet-duurzame componenten zoals staal dat wordt gebruikt om cement te versterken, wordt verminderd. Sinds het project begin 2020 is gestart, het team heeft verschillende hoeveelheden en soorten polypropyleen plastic vezels in beton verwerkt en getest hoe het op de lange termijn presteert. Beton vervormt continu in de loop van de tijd wanneer het onder constante belasting wordt geplaatst, dus ze willen zien hoe het zich gedraagt ​​wanneer de samenstelling wordt gewijzigd. "We moeten dit kunnen voorspellen, " zei Dr. Tošić.

Spoedig, het team gaat ook kijken hoe bepaalde kleisoorten kunnen worden gebruikt om cement in beton gedeeltelijk te vervangen. Cement heeft een extra ecologische voetafdruk die voortkomt uit natuurlijke hulpbronnen zoals klei en mineralen die nodig zijn om het te maken. Maar in plaats daarvan zou het gebruik van kalksteencalciumklei een duurzamere optie kunnen zijn, omdat het veel overvloediger is dan andere natuurlijke materialen die worden gebruikt om traditioneel cement te maken, evenals andere alternatieven zoals industriële bijproducten.

Dr. Tošić denkt dat hun groenere beton in eerste instantie zal worden gebruikt in bestrating, voering voor tunnels en panelen voor gevels van gebouwen, die minder wapening vereisen dan constructies zoals gebouwen. Sommige bouwbedrijven hebben al interesse in het project door gratis materialen voor hun experimenten te verstrekken. "In het laatste jaar, we merken dat bouwbedrijven een omslag of omslag maken qua denken, "zei Dr. Tošić. "Ze zien dat duurzaamheid voor hen in de toekomst noodzakelijk is, anders verliezen ze een markt."