Бетон в буквальном смысле лежит в основе современного мира. Он используется почти в любом строительстве. Но у этого материала есть серьёзная проблема: производство одного из его главных компонентов — цемента — сопровождается огромными выбросами углекислого газа.
Особенно много выбросов возникает при нагревании и переработке известняка, из которого получают цемент. Поэтому учёные давно пытаются хотя бы частично заменить его другими материалами.
Исследователи под руководством инженера-строителя Рагхувеша Тивари из Университета Манипала в Джайпуре предложили весьма необычный вариант: использовать человеческие фекалии.
Разумеется, речь не идёт о том, чтобы просто смешивать отходы с бетоном. На очистных сооружениях фекальный осадок высушивают, а затем нагревают при температуре от 350 до 450 градусов в среде с малым количеством кислорода. В результате получается биоуголь — богатый углеродом материал. Его измельчают и просеивают до состояния мелкого порошка.
Именно такой биоуголь, полученный на очистном сооружении в индийском городе Варангал, исследователи решили использовать вместо части цемента.
Обычный бетон состоит из песка, гравия, воды и цемента. Менять соотношение этих компонентов рискованно: неудачная замена цемента способна сделать материал менее прочным или долговечным.
Поэтому учёные приготовили несколько вариантов бетона, заменив биоуглём 5, 10 и 15% цемента. Затем образцы проверяли на прочность при сжатии и изгибе, усадку при высыхании, водопоглощение и пористость.
И тут выяснилось неожиданное: небольшое количество материала, сделанного из человеческих отходов, не ухудшило бетон, а в некоторых случаях сделало его лучше.
Наиболее высокую общую прочность обычно показывал вариант, в котором биоуглём заменили 5% цемента. Причём по мере затвердевания такой бетон продолжал заметно набирать прочность.
Через 91 день у смеси с 5% биоугля исследователи зафиксировали средний прирост прочности при сжатии на 20%, а при изгибе — на 36%.
У варианта с заменой 10% цемента показатели прироста оказались ещё выше: 21% при сжатии и сразу 42% при изгибе.
При этом улучшение прочности не сопровождалось очевидным ухудшением остальных проверенных свойств. Бетон с 5% биоугля в целом поглощал меньше воды, имел меньшую пористость и меньше усаживался при высыхании по сравнению с обычным бетоном. При доле 10% его характеристики в целом оставались сопоставимыми с традиционным материалом.
Но здесь, как выяснилось, тоже действует принцип «чем больше, тем лучше» далеко не всегда.
Когда биоуглём заменили уже 15% цемента, бетон продолжал становиться прочнее по мере затвердевания, однако его итоговая прочность уступала смесям с 5 и 10%.
Почему же продукт из человеческих отходов вообще способен улучшать бетон?
Исследователи предполагают, что одновременно работают несколько механизмов. Биоуголь очень пористый и содержит множество крошечных полостей. Они впитывают воду, а затем постепенно отдают её во время затвердевания бетона.
По сути, частицы биоугля превращаются в микроскопические резервуары с водой, которая остаётся доступной для химических реакций, отвечающих за твердение цемента.
Но этим дело не ограничивается. Биоуголь богат кремнезёмом. Он способен реагировать с веществами, образующимися при затвердевании цемента, и способствовать появлению дополнительных силикатов кальция — соединений, которые помогают придавать бетону прочность.
Наконец, мелкие частицы биоугля заполняют пустоты между другими компонентами смеси, благодаря чему структура материала становится плотнее.
Это удалось увидеть и под микроскопом. Бетон с 5% биоугля имел более плотную и хорошо связанную структуру, чем обычный бетон. Но при содержании 15% картина начинала меняться: появлялось больше пор, трещин и участков с плохим сцеплением.
Впрочем, строить небоскрёбы из такого бетона пока никто не предлагает. Исследователи подчёркивают, что материал ещё нужно испытать в условиях, приближенных к реальным: при многократном замораживании и оттаивании, воздействии солей и экстремальных температур.
Есть и другой важный вопрос. Осадки сточных вод могут содержать тяжёлые металлы. Теоретически их заключение внутри бетона могло бы оказаться преимуществом, однако пока неизвестно, насколько надёжно они останутся связанными и не начнут ли со временем вымываться.
Кроме того, авторы работы не оценивали, насколько именно такая технология способна сократить выбросы углекислого газа.
Тем не менее идея позволяет потенциально решать сразу две задачи: уменьшать количество необходимого цемента и одновременно находить применение отходам, которые человечество производит каждый день в огромных количествах.
Исследование принято к публикации в журнале Scientific Reports.
