Переработка зеленого бетона вдвое больше угольной золы, что обеспечивает долговечность
Новое моделирование показывает, что низкоуглеродистый бетон, разработанный в Университете RMIT, может перерабатывать вдвое больше угольной золы по сравнению с действующими стандартами, вдвое сокращать количество необходимого цемента и сохранять исключительные эксплуатационные характеристики с течением времени.
В 2022 году угольные электростанции произвели более 1,2 млрд тонн угольной золы. В Австралии она составляет почти пятую часть всех отходов и будет оставаться в изобилии в течение следующих десятилетий, даже если мы перейдем на возобновляемые источники энергии.
Между тем, производство цемента обеспечивает 8% мировых выбросов углерода, а спрос на бетон, в котором цемент используется в качестве основного ингредиента, стремительно растет.
Стремясь решить обе проблемы одновременно, инженеры Королевского королевского технологического института (RMIT) объединились с электростанцией Лой-Янг компании AGL и Австралийской ассоциацией по переработке золы с целью замены 80% цемента в бетоне на угольную золу.
Руководитель проекта RMIT д-р Чамила Гунасекара отметила, что это значительный шаг вперед, поскольку в существующих низкоуглеродистых бетонах обычно не более 40% цемента заменяется летучей золой.
«Добавление нами нанодобавок для изменения химического состава бетона позволяет добавлять больше летучей золы без ущерба для технических характеристик», — сказал Гунасекара из Школы инженерии Королевского королевского технологического института.
Поиск новых возможностей в недооцененной золе пруда
Комплексные лабораторные исследования показали, что подход команды также позволяет собирать и повторно использовать низкосортную и недоиспользуемую «прудовую золу», взятую из прудов-хранилищ угольного шлама на электростанциях, с минимальной предварительной обработкой.
Были созданы прототипы крупных бетонных балок с использованием как летучей золы, так и прудовой золы, и было доказано, что они соответствуют австралийским стандартам по техническим характеристикам и экологическим требованиям.
«Впечатляет, что предварительные результаты показывают схожие результаты с низкосортной прудовой золой, что потенциально открывает совершенно новый, крайне недоиспользуемый ресурс для замены цемента», — сказал Гунасекара.
«По сравнению с летучей золой, прудовая зола недостаточно используется в строительстве из-за ее различных характеристик. Сотни мегатонн отходов золы находятся в плотинах по всей Австралии, и гораздо больше по всему миру».
«Эти зольные пруды рискуют стать угрозой для окружающей среды, и возможность масштабной переработки этой золы в строительные материалы стала бы огромной победой».
Прогресс в моделировании демонстрирует долгосрочную устойчивость низкоуглеродистого бетона
Пилотная программа компьютерного моделирования, разработанная Королевским технологическим институтом (RMIT) в сотрудничестве с доктором Йогараджа Элакнесвараном из Университета Хоккайдо, в настоящее время используется для прогнозирования характеристик новых бетонных смесей с течением времени.
По словам доктора Югуо Ю, эксперта по виртуальной вычислительной механике в Королевском королевском технологическом институте, давней проблемой в этой области было понимание того, как недавно разработанные материалы выдержат испытание временем.
«Теперь мы создали основанную на физических законах модель, позволяющую прогнозировать, как низкоуглеродистый бетон будет вести себя с течением времени, что дает нам возможность проводить обратное проектирование и оптимизировать смеси на основе численных данных», — пояснил Юй.
Этот новаторский подход, недавно представленный в престижном журнале Cement and Concrete Research, показывает, как различные ингредиенты в новом низкоуглеродистом бетоне взаимодействуют с течением времени.
«Например, мы можем наблюдать, как быстросхватывающиеся нанодобавки в смеси действуют как усилитель производительности на ранних стадиях схватывания, компенсируя большое количество медленно схватывающейся летучей золы и прудовой золы в наших смесях», — говорит Гунасекара.
«Включение сверхтонких нанодобавок значительно улучшает материал за счет увеличения плотности и компактности».
Такое моделирование, широко применимое к различным материалам, знаменует собой важный шаг на пути к цифровому моделированию в проектировании и строительстве инфраструктуры.
Используя эту технологию, команда намерена вселить уверенность в местные советы и сообщества в отношении внедрения нового низкоуглеродистого бетона для различных целей.
Данное исследование было проведено при поддержке Исследовательского центра промышленной трансформации ARC по преобразованию ресурсов переработанных отходов в конструкционные материалы и решения для экономики замкнутого цикла ( TREMS ).
Проект TREMS под руководством профессора Королевского королевского технологического института Судживы Сетунге объединяет ведущих ученых, исследователей и отраслевых экспертов из девяти австралийских университетов, а также 36 государственных, отраслевых и международных партнеров с целью минимизации отходов на свалках и повторного использования переработанных материалов для строительства и передового производства.
Соответствующие исследования
« Унифицированная модель гидратации для многокомпонентных цементных систем на основе летучей золы с широким диапазоном коэффициентов замены » опубликована в журнале Cement and Concrete Research (DOI: 10.1016/j.cemconres.2024.107487)
« Сульфато- и кислотостойкость бетона HVFA с добавлением нано-кремнезема » опубликована в журнале «Строительство и строительные материалы» (DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132004)
« Долгосрочные механические характеристики наноинженерного бетона с большим объемом летучей золы » опубликованы в журнале «Журнал строительной инженерии» (DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103168)