Как биоуголь из канализационных отходов помог повысить прочность бетона

Бетон долгое время считался материалом с устоявшейся рецептурой: цемент, вода, песок и щебень. Однако даже частичная замена одного из компонентов способна заметно изменить его характеристики — именно поэтому строительные лаборатории по всему миру непрерывно тестируют добавки самого разного происхождения. Очередной эксперимент такого рода дал неожиданный результат: порошок, полученный из осадка канализационных отходов, позволил бетону лучше сопротивляться нагрузкам.

Исследователи из Университета Манипал в Джайпуре и Технологического университета Луизианы использовали биоуголь из фекального осадка, который перерабатывают на предприятии в индийском Варангале. Сырьё поступало из септиков и других санитарных систем. Путь от отходов до строительной добавки начинается с удаления влаги: подготовленный осадок подвергают пиролизу — нагреву при ограниченном доступе кислорода. В таких условиях органика разлагается с выделением газов и летучих соединений, а остаётся твёрдый материал, содержащий углерод и минеральные компоненты исходного сырья. В описании эксперимента указан нагрев до 350–450 °C с двухчасовой выдержкой, после чего материал охлаждали, измельчали и просеивали. На выходе получался чёрный порошок, пригодный для дозирования и равномерного распределения в бетонной смеси.

Такая обработка меняет структуру вещества: уход летучих соединений оставляет в частицах поры, а измельчение увеличивает площадь контакта с окружающим материалом. Именно эти особенности вместе с минеральным составом и делают биоуголь перспективным для производства бетона. При этом под одним названием скрываются довольно разные продукты: биоуголь из древесины, соломы и осадка отличается по составу и строению, а одинаковое сырьё, обработанное при разных температурах, даёт добавки с неодинаковыми свойствами.

Основной объём обычного бетона занимают заполнители — песок и щебень, а пространство между ними заполняет цементное тесто, которое после твердения связывает частицы в единый массив. Цемент твердеет благодаря химическим реакциям с водой — гидратации. Образующиеся соединения постепенно связывают зёрна и заполняют пространство между ними, а для нормального набора прочности бетону необходима влага: слишком быстрое высыхание мешает реакциям продолжаться. В эксперименте биоуголь заменял часть цемента — исследователи приготовили составы с заменой 5, 10 и 15% его массы, а для сравнения использовали контрольную смесь без добавки. Например, при десятипроцентной замене вместо каждых 100 килограммов цемента в связующем оставалось 90 килограммов цемента и появлялось 10 килограммов биоугля; песок и щебень учитывались отдельно.

Наиболее заметный результат показал состав с заменой 10% цемента. После 91 дня твердения его прочность при сжатии оказалась на 21% выше контрольной, а при изгибе — на 42%. Прочность при сжатии определяют, помещая образец под пресс и увеличивая нагрузку до разрушения: это испытание показывает, какое сжимающее напряжение способен выдержать материал, что особенно важно для колонн и других элементов, воспринимающих значительные нагрузки. Прочность при изгибе измеряют иначе: бетонную балку укладывают на опоры и нагружают по установленной схеме, при этом одна часть сечения сжимается, а другая растягивается. Поскольку бетон гораздо хуже сопротивляется растяжению, такое испытание особенно чувствительно к дефектам структуры и условиям появления трещин. Разница между прибавками в 21 и 42% показывает, что добавка неодинаково повлияла на разные механические свойства, а значит, одного испытания недостаточно для описания поведения материала под нагрузкой.

Возраст образцов тоже имеет значение: бетон продолжает набирать прочность и после распространённого контрольного срока в 28 суток, поэтому измерения на 91-е сутки позволяют оценить результат более длительного твердения. Для практического применения нужны и ранние показатели — от них зависит, когда можно снимать опалубку, перевозить изделия или нагружать конструкцию.

Пористая добавка может укреплять бетон благодаря нескольким механизмам, и здесь важна не только прочность самих частиц, но и то, как они меняют пространство вокруг себя. Мелкие зёрна биоугля способны занимать промежутки между другими частицами, а их поверхность может служить местом образования продуктов гидратации. При подходящем размере и равномерном распределении добавка помогает сформировать более плотную структуру с меньшим количеством слабых участков. Особое значение имеет контакт цементного камня с заполнителем: даже прочный щебень не обеспечит высокой прочности бетона, если окружающее связующее содержит множество пустот или плохо сцепляется с его поверхностью. Поэтому исследователи изучают не только состав порошка, но и строение затвердевшего материала под микроскопом.

Другой механизм связан с удержанием воды. Пористые частицы могут поглощать её при приготовлении смеси, а затем отдавать по мере снижения влажности внутри бетона. Получается небольшой внутренний запас, поддерживающий дальнейшую гидратацию, — такой эффект называют внутренним уходом за бетоном. Он отличается от полива наружной поверхности: влага находится непосредственно в толще материала. Насколько эффективно работает этот механизм, зависит от строения пор и способности частиц не только впитывать, но и высвобождать воду. Минеральные компоненты биоугля также могут участвовать в образовании дополнительных связывающих соединений — для этого важна не просто набор химических элементов, а форма, в которой они присутствуют. Например, соединения кремния с разной структурой могут сильно различаться по реакционной способности. Исследователи связывают улучшение свойств с совместным действием всех этих механизмов, но их вклад меняется вместе с характеристиками добавки.

Способность биоугля поглощать воду полезна не на всех этапах. Сразу после смешивания она уменьшает количество свободной воды, из-за чего бетонная смесь может становиться более густой, — в эксперименте с ростом содержания добавки её подвижность снижалась. Это имеет прямое практическое значение: смесь должна заполнять форму, проходить между стержнями арматуры и достаточно хорошо уплотняться. Если она слишком жёсткая, внутри могут остаться воздушные пустоты, которые ухудшат свойства готового изделия. Простой долив воды меняет соотношение воды и связующего: избыток влаги облегчает укладку, но впоследствии способен оставить дополнительную сеть пор и снизить прочность. Поэтому состав подбирают комплексно, используя в том числе пластифицирующие добавки, повышающие подвижность без увеличения расхода воды.

Одновременно с ростом доли биоугля уменьшается количество цемента, и полезные свойства порошка не могут бесконечно компенсировать это сокращение. Поэтому увеличение дозировки не обязательно приводит к дальнейшему росту прочности. Оптимальный состав выбирают по нескольким характеристикам: помимо сопротивления нагрузкам учитывают удобство укладки, водопоглощение и усадку — изменение размеров материала при потере влаги. Смесь с лучшим результатом одного испытания может оказаться менее удобной или менее выгодной по другим показателям.

Переработка осадка в добавку для бетона интересна возможностью одновременно использовать отходы и сократить расход цемента, производство которого требует высоких температур и сопровождается выбросами углекислого газа, в том числе при разложении известняка. Однако экологический результат зависит от всей производственной цепочки: влажный осадок необходимо перевозить и сушить, затем нагревать, а полученный биоуголь — измельчать. Эти операции расходуют энергию, поэтому замена