Общеизвестно большой углеродный след производства цемента - главная цель исследователей, стремящихся решить проблему изменения климата, и мы видели, как это может включать в себя всевозможные корректировки рецепта. Ученые из Стэнфордского университета продемонстрировали еще один метод, в котором проблемный известняк в портландцементе заменяется вулканической породой с нулевым содержанием углерода, что может помочь укрепить и армировать готовый продукт.
Известняк - ключевой ингредиент в производстве портландцемента, но для этого необходимо извлечь породу из земли, измельчить и затем запечь при чрезвычайно высоких температурах вместе с другими материалами. Сам этот процесс генерирует более трети выбросов углерода при производстве бетона, но экологические проблемы известняка на этом не заканчиваются.
Помимо огромного количества энергии, затрачиваемой на добычу, обработку и нагрев известняка, порода также выделяет накопленный углерод, когда она проходит обработку и превращается в клинкер - небольшие комочки, которые затем измельчаются в цементный порошок. В противном случае этот углерод оставался бы заблокированным в течение сотен миллионов лет, и его выброс является еще одним важным фактором, влияющим на общий углеродный след производства бетона.
Под руководством Тицианы Ванорио, доцента геофизики, ученые Стэнфорда работают над альтернативой. В прототипе цемента команды полностью отказались от известняка и вместо этого используется вулканическая порода, которую также можно использовать для создания клинкера, который, в свою очередь, можно смешивать с горячей водой для производства цемента. Хотя для этого потребуется такая же энергоемкая процедура, вулканическая порода не содержит углерода, который мог бы высвободиться в процессе.
«Мы можем взять эту породу, измельчить ее и затем нагреть для производства клинкера с использованием того же оборудования и инфраструктуры, которые в настоящее время используются для производства клинкера из известняка», - говорит Ванорио.
У этого подхода к производству цемента есть некоторые дополнительные потенциальные преимущества, и они связаны с неармированным бетоном Древнего Рима. Поскольку клинкер, сделанный из вулканической породы, смешивается с горячей водой, это способствует образованию запутанных волокон, состоящих из переплетенных цепочек молекул. Подобные структуры можно найти в гидротермальных средах, где чрезвычайно горячая вода находится близко к поверхности и позволяет камням и цементу взаимодействовать вместе при высоких температурах. Более того, эти сооружения можно увидеть в бетонных римских гаванях, которые за 2000 лет пережили удары морской воды.
Мы видели, как исследователи изучали невероятные свойства римского бетона в надежде улучшить характеристики современных версий. Рентгеновские исследования показали, как морская вода растворяет вулканический пепел и генерирует кристаллы, которые затыкают дыры в материале, фактически укрепляя его с течением времени, и ученые даже обнаружили аналогичные процессы, происходящие в стенах ядерных реакторов в Японии.
Ученые надеются сформировать свой низкоуглеродистый бетон таким же образом, как горные породы естественным образом цементируются в гидротермальных средах, и используют передовые инструменты для изучения крошечных структур, усиливающих материалы. Понимание условий, в которых возникают эти армированные породы и древнеримский бетон, может привести к созданию современных версий, которые более прочны и не нуждаются в армировании стальной арматурой.
«Представление о низкоуглеродистом клинкере - это еще один способ уменьшить количество CO2, которое мы выбрасываем в атмосферу», - говорит соавтор Альберто Саллео, подчеркивая при этом более широкие возможности исследования. «Земля - это гигантская лаборатория, где материалы смешиваются при высоких температурах и высоких давлениях. Кто знает, сколько еще существует интересных и в конечном итоге полезных структур?».
Исследование было опубликовано в журнале Construction and Building Materials.
Источник: New Atlas / Stanford University
