En avsökande elektronmikroskopbild visar sfäriska partiklar i typ C -flygaska som används av ingenjörer från Rice University för att tillverka cementfritt bindemedel för betong. Kredit:Multiscale Materials Laboratory
Ingenjörer från Rice University har utvecklat ett sammansatt bindemedel som främst består av flygaska, en biprodukt från kolkraftverk, som kan ersätta Portlandcement i betong.
Materialet är cementfritt och miljövänligt, enligt rismaterialforskaren Rouzbeh Shahsavari, som utvecklade det med doktoranden Sung Hoon Hwang.
Flygaska bindemedel kräver inte högtemperaturbehandling av Portland cement, ändå visade tester att den har samma tryckhållfasthet efter sju dagars härdning. Det kräver också bara en liten del av de natriumbaserade aktiveringskemikalierna som används för att härda Portlandcement.
Resultaten rapporteras i Journal of the American Ceramic Society .
Mer än 20 miljarder ton betong produceras runt om i världen varje år i en tillverkningsprocess som bidrar med 5 till 10 procent av koldioxid till globala utsläpp, överträffas endast av transport och energi som de största producenterna av växthusgasen.
Tillverkare använder ofta en liten mängd kisel- och aluminiumrik flygaska som ett komplement till Portlandcement i betong. "Branschen blandar vanligtvis 5 till 20 procent flygaska i cement för att göra det grönt, men en betydande del av blandningen är fortfarande cement, "sa Shahsavari, en biträdande professor i civil- och miljöteknik och materialvetenskap och nanoteknik.
En avsökande elektronmikroskopbild visar rå, flygaska partiklar av typ C som främst är gjorda av kalciumoxid som en biprodukt från kolkraftverk. Ingenjörer från Rice University har gjort en cementlös, miljövänligt bindemedel för betong som visar potential att ersätta Portlandcement i många applikationer. Kredit:Multiscale Materials Laboratory
Tidigare försök att helt ersätta Portlandcement med en flygaskaförening krävde stora mängder dyra natriumbaserade aktivatorer som förnekar miljöfördelarna, han sa. "Och i slutändan var det dyrare än cement, " han sa.
Forskarna använde Taguchi -analys, en statistisk metod utvecklad för att begränsa det stora fasrummet - alla möjliga tillstånd - för en kemisk sammansättning, följt av beräkningsoptimering för att identifiera de bästa blandningsstrategierna.
Detta förbättrade kraftigt de strukturella och mekaniska egenskaperna hos de syntetiserade kompositerna, Shahsavari sa, och ledde till en optimal balans av kalciumrik flygaska, nanosilica och kalciumoxid med mindre än 5 procent av en natriumbaserad aktivator.
"En majoritet av tidigare arbeten fokuserade på så kallad typ F-flygaska, som härrör från brinnande antracit- eller bituminösa kol i kraftverk och har lågt kalciuminnehåll, "Sa Shahsavari." Men globalt sett det finns betydande källor till kol av lägre kvalitet, såsom brunkol eller subbituminösa kol. Att bränna dem resulterar i högt kalcium, eller typ C, flygaska, som har varit svårare att aktivera.
"Vårt arbete ger en livskraftig väg för effektiv och kostnadseffektiv aktivering av denna typ av kalciumhaltig flygaska, banar väg för miljöanpassad tillverkning av betong. Framtida arbete kommer att bedöma sådana egenskaper som långsiktigt beteende, krympning och hållbarhet. "
Shahsavari föreslog att samma strategi skulle kunna användas för att vända annat industriavfall, såsom masugnsslagg och risskrov, i miljövänliga cementhaltiga material utan användning av cement.
