В дополнение к снижению углеродоемкости цементной и бетонной промышленности, этот процесс может позволить по-новому использовать отходы строительства и сноса зданий, важным компонентом которых является бетон. В 2018 году в Соединенных Штатах общий объем отходов строительства и сноса зданий был более чем в два раза больше, чем бытовых отходов.

"Строительные отходы обычно попадают либо на свалку, либо, если они будут переработаны, будут использоваться в низкосортных целях, таких как тротуары или грунты", - сказал руководитель исследования Сержио Ангуло, профессор гражданского и городского строительства в Университете Сан-Паулу. "Интересно показать, что мы действительно можем перерабатывать эти восстановленные цементные отходы в высококачественное сырье".

В своей статье, опубликованной в ACS Sustainable Chemistry & Engineering, исследователи продемонстрировали, что смеси, содержащие до 80% этого переработанного цемента, были такими же прочными, как и обычный портландцемент сам по себе, при этом выделялась доля выбросов углекислого газа. Портландцемент является наиболее распространенным вяжущим, используемым для изготовления бетона, но его высокая углеродоемкость является основной причиной того, что на цементную и бетонную промышленность приходится около 8% глобальных выбросов.

По оценкам исследователей, при полной реализации и внедрении в координации с другими новыми технологиями, заменяющими цемент, выбросы в цементной промышленности могут быть сокращены до 61%. Предполагаемые сокращения превышают 9%-ное сокращение выбросов, которое, по прогнозам Глобальной ассоциации производителей цемента и бетона, возможно при использовании так называемых подходов к замене клинкера.

"Скачок вперед здесь заключается в том, что теперь вы можете получить краткосрочные и долгосрочные свойства, которые, по сути, такие же, как у портландцемента самого по себе, с помощью низкоуглеродистой альтернативы, в подавляющем большинстве состоящей из переработанных материалов", - сказала соавтор Клэр Уайт, профессор гражданского строительства и охраны окружающей среды и Центра исследований Андлингера. Энергетика и окружающая среда.

Сравнение переработанного цемента как такового (слева), обычного портландцемента (посередине) и оптимизированной исследователями смеси переработанного цемента и тонкоизмельченного портландцемента (справа) перед добавлением воды. Оптимизированная цементная смесь демонстрирует те же требования к воде, увеличение прочности и обрабатываемость, что и обычный портландцемент, при этом выделяя меньшую долю углекислого газа. (Фото любезно предоставлено первым автором Матеусом Зановелло, аспирантом, работающим с Ангуло в Университете Сан-Паулу).

Создание кольцевых цементов

В основе подхода к переработке отходов лежит тепло.

После измельчения бетона в мелкий порошок - исследователи подсчитали, что из пяти гигатонн бетонных отходов, производимых ежегодно, около одной гигатонны этого порошка может быть переработано промышленностью, - команда разогрела его до 500 °C. Эта температура была достаточно высокой для обезвоживания цементного порошка и восстановления его свойств в качестве 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 бы использовать сам по себе для изготовления бетона, исследователи обнаружили, что его большая площадь поверхности и потребность в воде в процессе смешивания привели к получению конечного материала с высокой пористостью и пониженной прочностью. Но благодаря сочетанию переработанного цемента с небольшим количеством тонкоизмельченного портландцемента или известняка полученное цементное вяжущее продемонстрировало повышение прочности и обрабатываемости на уровне отраслевых стандартов.

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

"Раньше, если вы использовали только термоактивированный переработанный цемент, он работал недостаточно хорошо, чтобы быть приемлемой заменой", - сказал Уайт. "Но за счет уменьшения площади поверхности и оптимизации упаковки частиц в микроструктуре материала мы получаем нечто, поведение чего вполне сравнимо с портландцементом".

Сравнение переработанного цемента как такового (слева), обычного портландцемента (посередине) и оптимизированной исследователями смеси переработанного цемента и тонкоизмельченного портландцемента (справа) после добавления воды. (Фото любезно предоставлено Матеусом Зановелло).

Поскольку в этом процессе перерабатываются строительные отходы, исследователи заявили, что этот процесс может привести мир к более круговой углеродной экономике, производя при этом меньше выбросов углекислого газа, чем другие появляющиеся низкоуглеродистые альтернативы цементу. Например, в документе команда оценивает, что их цемент выделяет от 198 до 320 килограммов углекислого газа на метрическую тонну, что на 40% меньше выбросов, чем коммерчески доступная низкоуглеродистая альтернатива, известная как известняковый цемент с обожженной глиной (LC ³).

"С помощью этой технологии вы могли бы представить, что города становятся гораздо более круглыми, чем сегодня", - сказал Ангуло. "Материалы из разрушенной инфраструктуры могут быть непосредственно использованы в проектах нового строительства".

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

Например, они объяснили, что масштабирование переработанного цемента потребует более совершенного подхода к сортировке и переработке отходов сноса, который учитывает цикличность, а не свалку. Технология также была бы наиболее практичной в зрелых городах с надежным запасом устаревающего строительного фонда, а не в быстро развивающихся районах, где в основном строятся новые здания.

Наконец, строительные нормы и правила, разработанные в то время, когда портландцемент был доминирующим связующим для производства бетона, необходимо будет обновить, перейдя от стандартов, основанных на рецептурах, которые определяют определенные составы цемента, к стандартам, которые вместо этого ориентированы на требования, основанные на эксплуатационных характеристиках. Ангуло сказал, что несколько стран Европы и Латинской Америки уже начали внедрять такие стандарты, основанные на эксплуатационных характеристиках, которые могли бы позволить использовать не только переработанные цементы, которые он изучает, но и широкий спектр низкоуглеродистых альтернатив.

"В Бразилии мы уже начинаем внедрять стандарты, основанные на эксплуатационных характеристиках, для неструктурных ограждающих конструкций зданий и перекрытий", - сказал Ангуло. "Обновление строительных норм важно для обеспечения инноваций в строительном секторе".

Закладываем основы для постоянного сотрудничества

Работа над переработанными цементами является результатом сотрудничества, сформировавшегося, когда Ангуло приехал в Принстон в качестве приглашенного исследователя в группу Уайта на год, начиная с 2023 года.

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

Для Ангуло использование опыта Уайта в таких методах определения характеристик, как полное рассеяние рентгеновских лучей, помогло ему лучше понять движущие механизмы, лежащие в основе материалов, которые он изучает. Например, Уайт и Ангуло провели эксперименты во время визита Ангуло, которые помогут им лучше понять, как изменяется атомная структура материала при его термической активации. Это поможет им ответить на вопросы о долговечности переработанного цемента в течение нескольких циклов использования и о том, действительно ли это "круглый" материал.

Для Уайт сотрудничество позволило ей работать над классом цементов, который она ранее никогда не изучала, несмотря на ее обширный опыт работы с низкоуглеродистым бетоном. Уайт сказала, что даже помимо проекта по переработке цемента визит Ангуло позволил ее группе по-новому взглянуть на многие из их проектов, даже на те, которые кажутся далекими от мира переработанных цементов.

"Это сотрудничество принесло пользу в обоих направлениях", - сказал Уайт. "Серджио привнес свои знания в предметную область, моя группа привнесла наш опыт в области передовых методов определения характеристик, и вместе мы смогли решить некоторые из самых больших проблем, связанных с этим материалом".