Drexel-forskare återvinner kolaska, en restprodukt från kolkraftverk, att göra en porös, lätt ballast som kan användas som betongtillsats för att underlätta härdningsprocessen. Kredit:Drexel University
Kolaska är den mindre ökända biprodukten från koleldade kraftverk. Det är det fasta restavfallet som kommer från förbränning av kol. Även om den inte har samma skadliga rykte som sina luftburna motsvarigheter, tiotals miljoner ton aska hamnar i deponier varje år. Nu tror forskare från Drexel University att de har hittat en användning för den pulverformiga resten - en som kan hjälpa till att göra betongen mer hållbar och sprickfri.
Nyligen rapporterad i tidskriften Cement and Concrete Composites, deras upptäckt är en metod för att omvandla avfallsaska till en speciell betongtillsats som hjälper till att stärka dess inre struktur genom att främja en enhetlig härdningsprocess inifrån och ut. Denna tillsats – en högpresterande, funktionellt ballast – kan förkorta tiden det tar för betong att härda och förbättra dess hållbarhet genom att minska risken för sprickbildning, enligt forskarna.
Precis rätt blandning
Betong är gjord av en blandning av fint pulver och grova stenpartiklar, kallas aggregat, bunden av ett minerallim som kallas en "cementeringsmatris, " gjord av cement och vatten. Ballasten bildar betongens starka inre struktur när cementeringsmatrisen härdar för att binda samman ingredienserna i en process som kallas härdning. För att betongen ska nå sin maximala hållbarhet, cementen måste blandas ordentligt med vatten under härdningsprocessen så att allt torkar – och härdar – samtidigt.
"Detta är en mycket viktig del av processen eftersom om betongen torkar för snabbt under härdningen, på grund av ökad vattenbrist, det kan bilda sprickor och andra skavanker. Dessa uttorkande krympsprickor gör att ytan är känslig för aggressivt vätskeinträngning och skapar problem med betongens hållbarhet som korrosion, saltskador, eller frys-tina skador, sa Yaghoob Farnam, Ph.D., en biträdande professor vid Drexels College of Engineering och principiell utredare av forskningen.
För att säkerställa jämn härdning finns det ett antal saker som betongentreprenörer kan behöva göra, inklusive att ständigt spruta betongen, täcka den med ett membran för att hålla den fuktig, nedsänka den i vatten eller skapa vattenpölar på dess yta. Alla dessa strategier tar tid och resurser och är tillräckligt komplexa för att brister kan smyga sig in i processen. För att förhindra detta, Under det senaste decenniet har forskare utvecklat ett internt härdningskoncept som använder porösa lätta ballast för att underlätta härdningsprocessen. Ballasten kan bibehålla en jämn fuktnivå inuti betongen för att hjälpa den härda jämnt inifrån och ut.
"Användningen av en högpresterande lätt ballast i betong kan vara en lösning för att korrekt tillhandahålla tillräckligt med vattenreservoarer inuti betong eftersom vatten behövs över tiden för att härda cementartad matris, sa Farnam.
För att betongen ska härda ordentligt, eller bota, en jämn nivå av fukt måste finnas i hela materialet när det härdar. För att göra detta kommer entreprenörer att spraya det med vatten eller skapa pooler ovanpå. Kredit:Drexel University
Att arbeta med betong är svårt
Betong är ett av de mest använda byggmaterialen i världen. Det är materialet att välja på för de flesta nya högvolymsvägar, byggnader, broar och många andra strukturer på grund av dess hållbarhet och relativa lätthet att applicera.
Men en nackdel med att använda betong är att det kräver precis rätt atmosfäriska förhållanden för att tillåta korrekt blandning och jämn härdning – inte för varmt, inte för kallt, inte för torr.
Det är svårt att få fram den exakta mängden fukt inuti betong eftersom pulvret och ballasten bildar en tät cementeringsmatris som är svår att penetrera när den väl börjar torka. Om utsidan av betongen torkar ut innan insidan härdar kan det resultera i en svagare struktur. Som ett resultat, entreprenörer har i princip en chans att få rätt förhållande mellan vätska och fast material, blanda snabbt och noggrant och häll betongen innan den börjar torka.
"Detta är ett vanligt problem inom betong, så kallad "betongtorkning, ' skapar uttorkande sprickor och lägre betonghållfasthet och hållbarhet, sade Mohammad Balapour, doktorand i Farnams labb och huvudförfattare till artikeln.
Att hitta ett botemedel
För att ge entreprenörer mer spelrum i processen, Farnams team, i samarbete med fakultetsmedlemmar i Drexel's Civil, Arkitektonisk, och miljöteknikavdelningen, Grace Hsuan, Ph.D., och Sabrina Spatari, Ph.D., liksom E.J. Garboczi, Ph.D., från National Institute of Standards and Technology, tittat på hur funktionella lätta ballastmaterial kan utvecklas från kolaska och användas i betong.
De porösa lätta aggregaten som skapats av Drexel-forskare kan skapas i olika storlekar och med porkonfiguration skräddarsydd specifikt för att förbättra betonghärdningen. Kredit:Drexel University
Betongindustrin har begränsad tillgång till naturliga eller syntetiska lätta ballastmaterial, enligt Farnam, på grund av dess beroende av begränsade källor till samlat material. Farnams labb ville designa en aggregatprodukt som hade optimala egenskaper för blandning, styrka och poröshet – och hitta ett sätt att göra det av ett rikligt avfallsmaterial.
"Lösningen vi kom fram till var att återvinna denna avfallsprodukt, kolaska, till en porös, lätt ballast med utmärkta prestandaegenskaper som kan produceras till en lägre kostnad än nuvarande naturliga och syntetiska alternativ, ", sa Farnam. "Detta material och processen skulle inte bara gynna betongindustrin genom att förbättra kvaliteten på deras produkter, men det kan också hjälpa till att hålla kolaska borta från deponier."
Materialet de kom fram till kallas "sfäriskt poröst reaktivt aggregat"—SPoRA, för korta. Den tillverkas genom att kombinera askan med kemikalier som underlättar sintring och bindning av aggregat, forma dem till små sfärer och grädda dem sedan vid 1, 160 grader Celsius i några minuter.
Slutprodukten är en ballast som kan hålla nästan hälften av sin vikt i vatten, vilket är bättre än traditionella lätta ballast. Och, lika viktigt, det kan släppa ut det vattnet med regelbunden hastighet inifrån till cementeringsmatrisen när det härdar.
I tidningen rapporterar de att två typer av SPoRA presterar bättre än vissa traditionella lätta ballastmaterial - skiffer, lera och skiffer, och skumglas – på formmått, poröshet, relativ vikt och förmåga att absorbera och släppa ut vatten. Dessa är alla nyckeltal relaterade till dess förmåga att integreras med cementblandningen och släppa ut dess fukt vid rätt tidpunkt och i rätt del av strukturen när den bildas.
"När betongen börjar härda på utsidan, de samlade pelletsen släpper också ut sin fukt för att hjälpa den att härda inifrån och ut, ", sa Balapour. "Detta tillvägagångssätt kan hjälpa till att maximera betongens hållbarhet. Och SPoRA-tillverkningsprocessen är enkel nog att producera aggregat av alla storlekar och vattenkapacitet, så vi tror att den kan användas för ett antal tillämpningar inom byggbranschen."
Att återvinna en avfallsprodukt som kolaska minskar inte bara kostnaderna för att tillverka lätt ballast, men det säkerställer också att betongproducenter kommer att ha tillgång till det.
"Att ta något som är en avfallsprodukt - med berg av det i deponier - och förvandla det till en användbar produkt är ett utmärkt exempel på hur vetenskapen kan hjälpa till att hitta hållbara lösningar på samhällets utmaningar, "Farnam sa. "Detta hjälper inte bara att skydda vår naturliga miljö utan kommer också att bidra till att förbättra vår byggda miljö."
