Учени създадоха по-здрав бетон от... човешки фекалии

Бетонът е един от най-използваните строителни материали в света, но производството на цимент, основна негова съставка, е сред значимите източници на въглеродни емисии. Ново изследване предлага необичаен начин за частично решаване на проблема: замяна на част от цимента с биовъглен, произведен от преработени човешки екскременти.

Екип, ръководен от строителния инженер Рагувеш Тивари от Manipal University Jaipur в Индия, установява, че малки количества такъв биовъглен могат не само да намалят необходимото количество цимент, но и да подобрят някои от механичните свойства на бетона.

За експериментите учените използвали биовъглен, получен от фекална утайка в пречиствателна станция в индийския град Варангал. Материалът се произвежда чрез изсушаване на утайката и нагряването ѝ при температура между 350 и 450 градуса по Целзий в среда с ограничено количество кислород. Процесът, известен като пиролиза, превръща органичния материал във въглеродно богат продукт.

След това биовъгленът бил смлян на фин прах и използван като заместител съответно на 5%, 10% и 15% от цимента в стандартна бетонна смес.

Резултатите показали, че най-добри общи характеристики има бетонът с 5% заместен цимент. След 91 дни той демонстрирал средно около 20% по-висока якост на натиск и 36% по-висока якост на огъване спрямо по-ранните етапи на втвърдяване. При сместа с 10% биовъглен увеличението достигнало 21% при якостта на натиск и 42% при якостта на огъване.

Учените установили и още едно предимство. Бетонът с 5% биовъглен абсорбирал по-малко вода, имал по-ниска порьозност и показвал по-слабо свиване при изсъхване в сравнение с обикновения бетон. При 10% заместване показателите останали приблизително съпоставими с традиционната смес. При 15% съдържание обаче резултатите се влошили. Макар бетонът да продължавал да набира якост с времето, крайните му характеристики били по-слаби от тези при 5% и 10% биовъглен.

Според изследователите причината се крие в структурата и химичния състав на материала. Биовъгленът е силно порест и задържа вода в микроскопичните си кухини, след което постепенно я освобождава по време на втвърдяването на бетона. Така частиците действат като миниатюрни вътрешни резервоари и подпомагат химичните реакции, които увеличават здравината на цимента.

Материалът съдържа и силициев диоксид, който може да реагира с вещества, образувани при втвърдяването на цимента, и да стимулира образуването на допълнителни калциеви силикати. Подобни пуцоланови реакции са добре известни и от древноримските строителни технологии, при които са използвани вулканични материали.

Фините частици на биовъглена също запълват празнините между съставките на бетона и подобряват плътността на структурата. Микроскопският анализ показал по-компактна и добре свързана структура при сместа с 5% биовъглен. При 15% обаче се появили повече пори, микропукнатини и слабо свързани участъци.

Технологията все още е в експериментален етап. Учените посочват, че са необходими допълнителни изпитвания за устойчивост при замръзване и размразяване, висока соленост, екстремни температури и други реални условия.

Друг въпрос е наличието на тежки метали в утайките от отпадъчни води. Вграждането им в бетон може потенциално да ги задържи в стабилна структура, но все още не е ясно дали част от тях биха могли да се отделят с течение на времето.

Проучването не оценява директно и общия ефект върху въглеродните емисии. Въпреки това частичната замяна на цимента с материал, произведен от отпадъчен поток, може едновременно да намали потреблението на цимент и да предложи нов начин за оползотворяване на човешките отпадъци.

Изследването е прието за публикуване в научното списание Scientific Reports.