Цемент – это один из самых распространённых искусственных материалов на Земле, популярный благодаря своим привлекательным эксплуатационным свойствам и относительно приемлемой стоимости. В то же время данное вещество входит в число лидеров по объёмам выбросов углекислого газа. С целью оптимизации цемента в соответствии с актуальными экологическими требованиями строительной промышленности инженеры из Университета штата Вашингтон разработали новый рецепт смеси, который позволяет создавать цемент с отрицательным углеродным следом.
Производство традиционного цемента проходит при высоких температурах, которые, как правило, поддерживают за счёт сжигания топлива. Этот процесс производит значительную долю от общего объёма углекислого газа, ассоциированного с приготовлением и использованием цементных смесей. На данном этапе можно лишь немного сократить объёмы выбросов, используя для обжига смеси альтернативные источники энергии, однако подобные изменения совершенно не затрагивают основной источник парниковых газов – химические реакции в самой смеси. По расчётам учёных, только на этапе производства цемент «в ответе» за примерно 8% от общего объёма выбросов углекислого газа вследствие деятельности человека.
Уже не первое десятилетие исследователи работают над изменением формулы идеальной смеси, чтобы получить цемент, который сохранил бы свои эксплуатационные характеристики, но стал бы более экологичным. Прежде учёные экспериментировали с рецептом, например, заменяя известняк вулканическими породами, добавляя в смесь диоксид титана, строительные отходы, пищевую соду и глину (побочный продукт горнодобывающей промышленности). Кроме того, экспериментаторы пытались выращивать известняк при помощи микроводорослей и т. д. В рамках нового исследования инженеры из Университета штата Вашингтон вернулись к применению биочара – так называемого биоугля, полученного путём карбонизации возобновляемой органической биомассы при высокой температуре и без доступа кислорода (пиролиза). Стоит отметить, что биочар и раньше пробовали добавлять в цемент, однако на этот раз учёные испробовали нестандартный способ его обработки.
В частности, перед добавлением в смесь исследователи выдержали биоуголь в жидкости, оставшейся после промывки бетономешалки. Тем самым они увеличили прочность фрагментов биочара, что позволило повысить долю органической примеси в цементной смеси. Но самым важным достоинством такой обработки оказалось то, что в процессе биоуголь впитал в себя значительное количество углекислого газа – примерно 23% от собственного веса. Таким образом, цемент с содержанием обработанного биочара 30% оказался не просто углеродно нейтральным, но углеродно отрицательным. Другими словами, в процессе производства он поглотил больше парниковых газов, чем произвёл. По расчётам учёных, 1 кг такого цемента впитывает в себя примерно на 13 граммов углекислого газа больше, чем производит. Такие цифры могут показаться откровенно скромными, однако всё познаётся в сравнении, ведь обычный цемент производит примерно 0,9 кг углекислого газа на 1 кг материала.
При этом экспериментальный цемент с биочаром позволил получить достаточно прочный бетон: по истечению 28 дней его прочность на сжатие составила 27,6 МПа, что соответствует показателям низкомарочных смесей. Впрочем, в будущем это значение можно будет улучшить за счёт доводки пропорций и введения минеральных компонентов. Самое главное, что такой материал продолжит поглощать углекислый газ на протяжении всего срока службы. В ходе дальнейших испытаний учёные рассчитывают усовершенствовать рецепт для улучшения эксплуатационных качеств смеси, а также провести испытания застывшего материала на предмет стойкости к воздействию внешних факторов – водной, ветряной эрозии и пр.