Инженеры из Университета Сан-Паулу и Принстона, дающие вторую жизнь строительным материалам после сноса, разработали подход к переработке цементных отходов в устойчивую, низкоуглеродную альтернативу, сопоставимую по производительности с отраслевым стандартом.

Помимо снижения интенсивности выбросов углерода в цементной и бетонной промышленности, этот процесс может открыть новые возможности использования отходов строительства и сноса, среди которых бетон является существенным компонентом. В 2018 году в Соединенных Штатах общий объем отходов строительства и сноса более чем в два раза превышал объем бытовых отходов.

«Строительные отходы обычно оказываются либо на свалке, либо, если они перерабатываются, используются в низкосортных приложениях, таких как тротуары или почвы», — сказал руководитель исследования Сержиу Ангуло, профессор кафедры гражданского и городского строительства в Университете Сан-Паулу. «Захватывающе показать, что мы можем, по сути, перерабатывать эти восстановленные цементные отходы в высококачественное приложение».

В своей статье «Инженерный смешанный термоактивированный переработанный цемент: исследование реакционной способности, водопотребности, прочности-пористости и выбросов CO2», опубликованной в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering, исследователи продемонстрировали, что смеси, содержащие до 80% этого переработанного цемента, столь же прочны, как и обычный портландцемент, но при этом генерируют лишь малую долю выбросов углерода.

Портландцемент является наиболее распространенным связующим веществом, используемым для производства бетона, но его высокая углеродоемкость является основной причиной того, что на цементную и бетонную промышленность приходится около 8% мировых выбросов.

По оценкам исследователей, при полной реализации и развертывании в координации с другими новыми технологиями, заменяющими цемент, выбросы в цементной промышленности могут быть сокращены до 61%. Предполагаемое сокращение превышает 9%-ное сокращение выбросов, которое, по прогнозам Всемирной ассоциации цемента и бетона , станет возможным при использовании так называемых подходов замены клинкера.

«Прогресс здесь заключается в том, что теперь можно получить краткосрочные и долгосрочные свойства, которые по сути идентичны свойствам портландцемента как такового, с низкоуглеродной альтернативой, в основном состоящей из переработанных материалов», — говорит соавтор Клэр Уайт, профессор гражданского строительства и экологического строительства и Центра энергетики и окружающей среды имени Андлингера.

Возможность использования кольцевых цементов

В основе подхода к переработке отходов лежит тепло.

После измельчения или дробления бетона в мелкий порошок (по оценкам исследователей, из пяти гигатонн бетонных отходов, производимых ежегодно, около одной гигатонны этого порошка может быть восстановлено промышленностью) команда нагрела его до 500 °C.

Эта температура была достаточно высокой для дегидратации цементного порошка и восстановления его свойств как связующего, но достаточно низкой для предотвращения разложения карбонатных компонентов в материале, что привело бы к дополнительным выбросам углекислого газа.

Хотя этот «термоактивированный» цемент можно было использовать сам по себе для изготовления бетона, исследователи обнаружили, что его высокая площадь поверхности и потребность в воде в процессе смешивания привели к получению конечного материала с высокой пористостью и пониженной прочностью. Но при объединении переработанного цемента с небольшим количеством тонкомолотого портландцемента или известняка полученное цементное вяжущее продемонстрировало прирост прочности и обрабатываемость на уровне отраслевых стандартов.

Увеличение прочности происходит за счет того, что тонкоизмельченный портландцемент или известняк заполняет поры переработанного цемента материалом, отличным от воды, что снижает общую потребность в воде и даже образует новые продукты после процесса смешивания, называемые продуктами гидратации, которые повышают прочность материала.

«Раньше, если вы использовали только термоактивированный переработанный цемент, он не работал достаточно хорошо, чтобы быть приемлемой заменой», — сказал Уайт. «Но, уменьшая площадь поверхности и оптимизируя упаковку частиц в микроструктуре материала, мы получаем нечто, что ведет себя вполне сопоставимо с портландцементом».

Поскольку этот процесс позволяет повторно использовать строительные отходы, исследователи утверждают, что он может приблизить мир к более циклической углеродной экономике, генерируя при этом меньше выбросов углерода, чем другие появляющиеся альтернативы низкоуглеродному цементу.

Например, в статье группа подсчитала, что их цемент выделяет от 198 до 320 килограммов углекислого газа на метрическую тонну, что на 40% меньше выбросов, чем у имеющейся в продаже низкоуглеродной альтернативы, известной как известняковый кальцинированный глиняный цемент (LC ³ ).

«С этой технологией можно представить, что города станут гораздо более цикличными, чем сегодня», — сказал Ангуло. «Материалы из снесенной инфраструктуры можно напрямую использовать в новых строительных проектах».

Несмотря на эти преимущества, Ангуло и Уайт отметили ряд технологических, экономических и политических препятствий на пути широкомасштабного внедрения этой технологии.

Например, они объяснили, что масштабирование переработанного цемента потребует лучшего подхода к сортировке и переработке отходов сноса, который учитывает цикличность, а не захоронение. Технология также будет наиболее практичной в зрелых городах с надежными поставками стареющего строительного фонда, а не в быстро развивающихся районах с преимущественно новыми зданиями.

Наконец, необходимо обновить строительные нормы, разработанные в то время, когда портландцемент был доминирующим связующим веществом для производства бетона, отойдя от стандартов, «основанных на рецептуре», которые определяют определенные составы цемента, к стандартам, которые вместо этого фокусируются на требованиях, основанных на эксплуатационных характеристиках.

Ангуло сообщил, что несколько стран Европы и Латинской Америки уже начали внедрять такие стандарты, основанные на показателях эффективности, которые могут разрешить использование не только переработанного цемента, который он изучает, но и широкого спектра низкоуглеродных альтернатив.

«В Бразилии мы уже начинаем внедрять стандарты, основанные на эксплуатационных характеристиках, для ненесущих ограждающих конструкций и перекрытий», — сказал Ангуло. «Обновление строительных норм важно для внедрения инноваций в строительном секторе».

Закладывая основы для постоянного сотрудничества

Работа над переработанным цементом является результатом сотрудничества, начавшегося, когда Ангуло приехал в Принстон в качестве приглашенного исследователя в группу Уайта на год, начиная с 2023 года.

Оба исследователя заявили, что сотрудничество, которое продолжается даже после возвращения Ангуло в Бразилию, открыло новые исследовательские возможности и перспективы, которые улучшили работу их групп.

Для Ангуло использование опыта Уайта в методах характеризации, таких как полное рассеяние рентгеновских лучей, помогло ему лучше понять движущие механизмы, лежащие в основе изучаемых им материалов.

Например, Уайт и Ангуло провели эксперименты во время визита Ангуло, которые помогут им лучше понять, как атомная структура материала изменяется при его термической активации. Это поможет им ответить на вопросы о долговечности переработанного цемента в течение нескольких циклов использования и о том, является ли он действительно «круговым» материалом.

Для Уайт сотрудничество позволило ей работать над классом цементов, которые она ранее никогда не изучала, несмотря на свой обширный опыт в области низкоуглеродного бетона. Даже за пределами проекта по переработанному цементу Уайт сказала, что визит Ангуло предоставил ее группе совершенно новый взгляд на многие из их проектов, даже те, которые кажутся далекими от мира переработанного цемента.

«Это сотрудничество принесло пользу в обоих направлениях», — сказал Уайт. «Серхио привнес свои знания в этой области, моя группа привнесла наш опыт в области передовых методов характеризации, и вместе мы смогли справиться с некоторыми из самых сложных задач, связанных с этим материалом».