Washington State University-forskare har skapat ett hållbart alternativ till traditionell betong med hjälp av kolflygaska, en restprodukt från kolbaserad elproduktion.

Framstegen tar itu med två stora miljöproblem på en gång genom att använda avfall från kolproduktion och genom att avsevärt minska betongproduktionens miljöpåverkan.

Xianming Shi, docent vid WSU:s institution för bygg- och miljöteknik, och doktorand Gang Xu, har utvecklat en stark, slitstark betong som använder flygaska som bindemedel och eliminerar användningen av miljöintensiv cement. De rapporterar om sitt arbete i augustinumret av tidskriften, Bränsle .

Minskar energibehovet, växthusutsläpp

Tillverkning av traditionell betong, som tillverkas genom att kombinera cement med sand och grus, bidrar med mellan fem och åtta procent av växthusgasutsläppen världen över. Det beror på att cement, nyckelingrediensen i betong, kräver höga temperaturer och en enorm mängd energi att producera.

Flygaska, materialet som blir kvar efter att koldamm har förbränts, har under tiden blivit en betydande avfallshanteringsfråga i USA. Mer än 50 procent av flygaskan hamnar på soptippar, där det lätt kan läcka ut i den närliggande miljön.

Medan vissa forskare har använt flygaska i betong, de har inte kunnat eliminera de intensiva uppvärmningsmetoder som traditionellt behövs för att göra ett starkt material.

"Vår produktionsmetod kräver inte uppvärmning eller användning av cement, " sa Xu.

Molekylär ingenjörskonst

Detta arbete är också betydelsefullt eftersom forskarna använder material i nanostorlek för att konstruera betong på molekylär nivå.

"För att på ett hållbart sätt främja byggbranschen, vi måste använda nanomaterialens "bottom-up" förmåga, " sa Shi.

Teamet använde grafenoxid, ett nyligen upptäckt nanomaterial, att manipulera flygaskans reaktion med vatten och förvandla den aktiverade flygaskan till ett starkt cementliknande material. Grafenoxiden omarrangerar atomer och molekyler i en lösning av flygaska och kemiska aktivatorer som natriumsilikat och kalciumoxid. Processen skapar en kalcium-aluminat-silikat-hydrat-molekylkedja med starkt bundna atomer som bildar ett oorganiskt polymernätverk som är mer hållbart än (hydratiserat) cement.

Hjälper grundvattnet, dämpar översvämningar

Teamet designade flygaskebetongen för att vara genomtränglig, vilket innebär att vatten kan passera genom det för att fylla på grundvatten och för att mildra översvämningspotentialen.

Forskare har visat styrkan och beteendet hos materialet i testområden på WSU-campus under en mängd olika belastnings- och temperaturförhållanden. De genomför fortfarande infiltrationstester och samlar in data med hjälp av sensorer begravda under betongen. De hoppas så småningom kunna kommersialisera den patenterade tekniken.

"Efter ytterligare tester, vi skulle vilja bygga några strukturer med denna betong för att fungera som ett bevis på konceptet, " sa Xu.