Как сделать цемент ещё крепче: новая формула поможет сократить выбросы парниковых газов

Бетон – один наиболее часто используемых в мире строительных материалов, и, как считают, один из ведущих участников глобального потепления. От его производства образуется примерно 1/10 часть выбросов парниковых газов. Одно из последних исследований даёт ответ, каким образом эти выбросы можно снизить более чем наполовину – а в результате получить ещё более прочный материал.

Исследователи исходили из самого подробного молекулярного анализа структуры бетона, который представляет собой смесь песка, гравия, воды и цемента. Цемент производится путем приготовления смеси богатого кальцием материала, как правило, известняка, с кремниевым материалом – обычно глиной – при температуре 1500^о С. В результате получается твёрдая масса – "клинкер". Её затем измельчают в порошок. Именно декарбонизация известняка и нагревание цемента ведёт к выбросам парниковых газов.

Анализ показывает, что уменьшение соотношения кальция к силикатам не только сократило бы эти выбросы, но дало возможность получить ещё более крепкий бетон. Эти данные описаны научным сотрудником Р. Пелленгом и профессором К. Ван Влиетом, к ним присоединились ещё восемь соавторов из Массачусетского Института и из Института Марселя во Франции.

"Цемент – наиболее часто используемый материал на планете", - говорит Пелленг. "Объёмы его применения в три раза больше, чем у стали. У нас нет другого выхода в обеспечении человечества надёжным жильём. Превращение жидкости в камень за 10 часов при комнатной температуре – это магия цемента."

Пелленг объясняет, что в обычных цементах соотношение кальция к кремнезему составляет примерно от 1,2 до 2,2. За стандарт принято 1,7. Но в результате молекулярные структуры никогда не сравниваются в своих составляющих. Исследователи сформировали базу данных всех хим. составов, установив, что оптимальная смесь – это соотношение около 1,5.

Когда соотношение меняется, молекулярная структура затвердевшего материала прогрессирует от плотно упорядоченной кристаллической к неупорядоченной стекловидной. И соотношение количества 1,5 частей кальция к одной части кремнезёма является поистине "волшебным соотношением". По словам Пелленга только в этом случае материал может достичь "в два раза большей сопротивляемости и механической устойчивости к образованию трещин".

Поскольку выбросы газов, связанные с цементной продукцией, составляют от 5 до 10% от всех выбросов "любое сокращение содержания кальция в цементе будет иметь на это влияние". На самом же деле оно может достигать 60%. При этом получаем улучшение прочности, ведь материал становится более стекловидным и менее кристаллическим.

Работа является кульминацией пяти лет исследований совместной группы учёных. Пересмотренная формула может иметь особый интерес для нефтегазовой промышленности, где цемент имеет значение для предотвращения утечек. "Сейчас мы должны убедиться, что эти наноразмерные свойства можно перевести на мезомасштабы."