Betong har blivit vårt val av byggnadsmaterial för otaliga konstruktioner som broar, torn och dammar. Men det har också ett enormt miljöavtryck, främst på grund av koldioxidutsläpp från produktionen av cement - en av dess huvudbeståndsdelar. Forskare experimenterar nu med rotfrukter och återvunnen plast i betong för att se om detta kan göra det starkare – och mer hållbart – och till och med driva gatlyktor eller luftföroreningssensorer.

Efter vatten, betong är det mest använda ämnet i världen. Tillverkar cement, en nyckelkomponent i betong, är ansvarig för cirka 8 % av den globala koldioxiden (CO ₂ ) utsläpp. Det innebär att man bränner mycket mineraler, skal, skiffer och andra komponenter i ugnar uppvärmda till ca 1, 400°C, där fossila bränslen vanligtvis används som energikälla, producerar alltså CO ₂ utsläpp.

Dessutom, producerar klinker - små, fasta klumpar som är en mellanprodukt av cement - är resultatet av en kemisk reaktion vid hög temperatur som också är energikrävande.

"Cementindustrin arbetar med att minska koldioxidutsläppen och minska fotavtrycket från fossila bränslen, " sa Dr Nikola Tošić, en forskare vid Polytechnic University of Catalonia i Barcelona, Spanien. "Men den kemiska delen av koldioxidutsläppen är oundviklig om vi inte kommer på (helt) olika typer av cement."

När cement blandas med vatten, det bildar en pasta som binder samman aggregat som sand och krossad sten, låter betongen härda och ger den styrka och struktur.

Att göra cement starkare så att mindre av det behövs är en strategi för att minska dess miljöpåverkan. Professor Mohamed Saafi från Lancaster University i Storbritannien och hans kollegor siktar på att uppnå detta mål som en del av B-SMART-projektet.

Cement måste kombineras med vatten så att det fäster på sand och krossat berg och binder samman dem. Dock, inte alla cementpartiklar blir hydratiserade under processen. "De flesta av dem sitter kvar i princip och gör ingenting som är slöseri, " sa Prof. Saafi. "Om vi ​​kan förstärka denna hydreringsmekanism, dess styrka kommer att öka avsevärt och därför kan vi använda mindre cement."

Rotsaker

Prof. Saafi och hans team vände sig till rotfrukter för att få hjälp. De undersökte om avfallsmaterial från morötter som bearbetades för att göra barnmat, eller rester från utvinning av betsocker kan läggas till cement för att stärka det. Genom att använda datorsimuleringar, de kunde se hur supertunna ark gjorda av dessa grönsaker och slängdes i cementmassan skulle interagera med cement, tittar på deras effekt på både hydratiseringen av cement och dess resulterande mekaniska egenskaper. Sedan genomförde de experiment i labbet för att försöka validera resultat från deras simuleringar.

Forskarna fann att inkorporering av ark gjorda av vegetabiliskt avfall kunde förbättra cementhydreringen. Skivorna fungerade som reservoarer som gjorde att vatten nådde fler cementpartiklar och därmed förbättrade dess bindningsförmåga. "På samma gång, när återfuktningen är över finns några av dessa morotsnanoark kvar i cementen och gör dess struktur mycket stark, ", sa Prof. Saafi. "Vi har inte sett det här förut och det är verkligen en fantastisk upptäckt."

Att lägga till rotfrukter till cement visade sig ha ytterligare fördelar också. Att applicera tryck på en morot, till exempel, producerar elektrisk kraft som kan driva en liten LED-lampa eller elektroniska enheter. När morotsnanoark lades till cement, Prof. Saafi och hans kollegor fann att de kunde tillverka betong som producerar elektricitet. Om det används för att bygga en bro, till exempel, elektricitet kan genereras när bilar passerar över den eller på grund av vibrationer eller rörelser orsakade av fotgängare. "Vi kan använda denna elektricitet från betongen för att driva lysdioder eller gatlyktor, ", sa Prof. Saafi. "Det kan också driva sensorer för att övervaka luftföroreningar."

El producerad av betong skulle också kunna ge insikt om en konstruktions hälsa. Den genererade spänningen skulle förändras om det finns sprickor, till exempel. Att införliva en övervakningsenhet som spårar elektrisk effekt i en byggnad eller bro kan därför hjälpa till att avgöra när något är fel och en struktur måste kontrolleras, på så sätt förhindra katastrofala misslyckanden.

Teamet genomför nu fälttester för att se om de kan bygga strukturer med sin morotscement som har samma egenskaper som observerats i labbet. De siktar också på att använda befintliga processer när de producerar sin modifierade betong för att minska kostnaderna.

Om allt går bra, teamet förväntar sig att deras vegetabiliska cement kan minska mängden cement som behövs för att bygga en struktur med 10 kg per kubikmeter betong. "Förhoppningsvis kan vi i framtiden optimera det lite bättre och ytterligare minska mängden cement (som behövs), " sa Prof. Saafi.

Flygaska

Andra typer av avfallsmaterial testas för att göra mer hållbar betong. Industriella biprodukter som flygaska – en fin, pulverformigt material som blir kvar efter att kol har bränts – och masugnsslagg – granulerade rester från stålproduktion – skulle delvis kunna ersätta cement.

"Vi kan minska (mängden) cement med 30% till 50% och lägga till dessa industriella biprodukter (istället), " sade Dr. Tošić, som undersöker detta tillvägagångssätt som en del av ett projekt kallat GREEN-FRC.

Teamet fokuserar på att producera fiberarmerad betong för användning i urbana miljöer, att göra trottoarer och byggnader till exempel. De kommer att experimentera med olika betongblandningar för att hitta de som är optimala ur ett hållbarhetsperspektiv och där de mekaniska egenskaperna inte äventyras.

Matematiska modeller kommer initialt att användas för att förutsäga egenskaperna hos deras grönare betong baserat på deras sammansättning, vilket kommer att följas upp av labbtester. "Vi förväntar oss att de kommer att bete sig annorlunda än normalt, traditionell betong, " sa Dr. Tošić.

Att införliva plast i betong är också av intresse. Återvunna plastfibrer kan så småningom användas för att göra den starkare, kanske möjliggör en minskning av ohållbara komponenter som stål som används för att förstärka cement. Sedan projektet startade i början av 2020, teamet har införlivat olika mängder och typer av polypropenplastfibrer i betong och testat hur det går på lång sikt. Betong deformeras kontinuerligt över tiden när den utsätts för konstant belastning, så de vill se hur det beter sig när dess sammansättning ändras. "Vi måste kunna förutse detta, " sa Dr. Tošić.

Snart, teamet kommer också att börja titta på hur vissa leror kan användas för att delvis ersätta cement i betong. Cement har ett ytterligare miljöavtryck som härrör från naturresurser som leror och mineraler som krävs för att göra det. Men att istället använda kalkstenkalciumlera kan vara ett mer hållbart alternativ eftersom det är mycket rikligare än andra naturliga material som används för att tillverka traditionell cement, samt andra alternativ såsom industriella biprodukter.

Dr. Tošić tror att deras grönare betong till en början kommer att användas i trottoar, foder för tunnlar och paneler för byggnadsfasader, som kräver mindre förstärkning än strukturer som byggnader. Vissa byggföretag intresserar sig redan för projektet genom att tillhandahålla gratis material för sina experiment. "Under det senaste året, vi märker att byggföretag gör en förändring eller en förändring i tänkande, " sade Dr. Tošić. "De ser att hållbarhet är nödvändigt för dem i framtiden, annars kommer de att förlora en marknad."