Розроблено найміцніший бетон усіх часів — "цемент", який для нього виготовляють люди: з яких компонентів він складається?

У новому дослідженні вчені розробили бетон, який на 42 % міцніший за вже існуючі види -- його основою є людські екскременти.

Бетон, в буквальному розумінні, є основою сучасної цивілізації. У більшості будівельних проектів по всьому світу цей матеріал використовується в різних формах. Проте існує серйозна проблема: процес виготовлення одного з ключових компонентів — цементу — має суттєвий негативний вплив на екологію, як зазначає Science Alert.

Суть справи полягає в тому, що процес нагрівання та обробки вапняку для виготовлення цементу є одним із основних джерел викидів CO2 на планеті. Тому науковці невпинно працюють над пошуком ефективних рішень для цієї проблеми.

У нещодавньому дослідженні, яке очолював інженер-будівельник Рагувеш Тіварі з Маніпальського університету в Джайпурі, вчені, здається, виявили інноваційне рішення, яке не тільки вирішує проблему виробництва бетону, але й допомагає в утилізації людських відходів. Завдяки використанню біовугілля, отриманого з перероблених фекальних відходів на очисних спорудах, новий тип бетону виявився на 42% міцнішим у порівнянні з традиційними варіантами.

За словами вчених, бетон -- надзвичайно корисний матеріал завдяки поєднанню цілої низки властивостей: у вологому стані він пластичний і може бути залитий майже в будь-яку форму; але він твердне, перетворюючись на матеріал, достатньо міцний, щоб витримувати величезні навантаження; він також надзвичайно довговічний і може прослужити десятиліття.

Як правило, бетон виготовляється з кількох компонентів у певних пропорціях:

* пісок;

* гравер;

* жидкости;

цемент, виготовлений з вапнякової сировини.

На жаль, ця комбінація інгредієнтів виявляється досить чутливою — навіть незначна зміна пропорцій або заміна певних компонентів може призвести до отримання бетону, що втратить свою міцність і стійкість. Такий матеріал, ймовірно, не буде придатним для використання в будівництві, оскільки під навантаженням він може просто тріснути.

За словами вчених, одним із найперспективніших замінників цементу є біовугілля -- матеріал із високим вмістом вуглецю, який отримують шляхом нагрівання органічних речовин у середовищі з низьким вмістом кисню. Гарна новина -- біовугілля можна отримувати з багатьох видів органічних речовин.

Відомо, що люди виробляють величезну кількість органічних речовин -- до 400 грамів фекалій щодня. З огляду на мільярди людей, які живуть на планеті, наші каналізаційні системи є надзвичайно ефективними для виробництва біовугілля.

В Індії були розроблені установки для очищення фекальних відходів, які забезпечують безпечну утилізацію людських екскрементів. Цей процес передбачає отримання біовугілля через піроліз. Нещодавнє дослідження вчених вказує на те, що якщо для переробки використовуються тирса, деревина, рисове лушпиння та інші сировини, то, ймовірно, людські фекалії також можуть бути перетворені на біовугілля.

Під час проведення дослідження науковці видобули вугілля з фекального осаду, отриманого на очисній станції в Індії. Для створення біовугілля фекальний осад спочатку висушують, а потім піддають термічній обробці в умовах низької концентрації кисню при температурі від 350 до 450 градусів за шкалою Цельсія. Після цього біовугілля подрібнюють і просіюють до отримання тонкого порошку.

Надалі дослідники застосували цей порошок для заміни різних пропорцій цементу — 5, 10 та 15 відсотків — у стандартному бетоні. Після цього фекальний бетон пройшов низку тестів. Виявилося, що невелика доза фекалій насправді покращила характеристики бетону.

Дослідники виміряли усадку, міцність на стиск, міцність на згин, водопоглинання та пористість різних сумішей, і саме тут почалося найцікавіше. Загалом найміцніший бетон, як правило, отримували, коли 5% цементу замінювали біовугіллям із фекалій. Однак було щось ще цікавіше: бетон продовжував набирати міцність у міру затвердіння. Дослідники повідомляють, що через 91 день суміш із 5-відсотковим вмістом цементу показала середнє збільшення міцності на стиск на 20% та міцності на згин на 36%. При 10-відсотковій заміні цементу показники були ще вищими: 1% для міцності на стиск і аж 42% для міцності на вигин.

Проте бетон, виготовлений з людських відходів, виявлявся дещо гіршим за деякими показниками. При вмісті 5% він зазвичай поглинав менше води і мав нижчу пористість у порівнянні з традиційним бетоном, а також демонстрував меншу усадку під час висихання. Коли ж вміст становив 10%, його характеристики залишалися в основному на рівні звичайного бетону. Вражаюче, але при 15% заміни цементу бетон все ще здобував міцність у процесі затвердіння, хоч загальна його міцність не досягала показників з 5% і 10%.

Чому людські фекалії роблять бетон міцнішим?

Вчені вважають, що людські відходи можуть підвищити міцність бетону з кількох причин, зокрема:

* Біовугілля, створене з екскрементів, відрізняється значною пористістю, що перетворює його частинки на мікроскопічні резервуари. Це забезпечує збереження води у формі, доступній для хімічних реакцій, які сприяють затвердінню та зміцненню цементу.

Біовугілля містить велику кількість кремнезему, який здатен реагувати з речовинами, що виникають під час затвердіння цементу. Це веде до утворення додаткових кальцієвих силікатів, що суттєво підвищує міцність бетону.

Малі частинки біовугілля здатні заповнювати пори в бетоні та підсилювати зв'язок між його складовими.