Переработку цемента совместили с переплавкой стали

Производство цемента сопровождается значительными выбросами углекислого газа, но британские материаловеды нашли решение проблемы, совместив переработку цемента и стали. Для этого не требуется новое оборудование, а полученный цемент по прочности даже превосходит стандартные образцы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Цемент — самый популярный строительный материал на нашей планете. Он доступный, удобный в использовании и достаточно долговечный. А еще — очень неэкологичный: на производство цемента приходится около 7,5 процента антропогенных выбросов углекислого газа.

Чаще всего используется в строительстве портландцемент — паста, состоящая из воды, оксида кальция, оксида кремния и оксида алюминия и различных продуктов их взаимодействия. Для его производства известняк СaCO₃ спекают во вращающихся печах с добавлением глины — источника силикатов и алюминатов — а затем измельчают в тонкий порошок и добавляют гипс CaSO₄. Выбросы при этом распределяются так: 40 процентов углекислого газа выделяется из топлива во время нагревания, а 60 процентов — при получении оксида кальция из известняка CaCO₃. На первом этапе выбросы можно снизить, используя другие виды топлива, а также проводя нагрев с помощью электроэнергии, полученной из возобновляемых источников. Однако все эти изменения увеличивают стоимость цемента. Со вторым источником выбросов все еще сложнее — на нашей планете просто нет другого сырья для производства оксида кальция в таких масштабах. Еще один вариант получения более экологичного цемента — переработка старых бетонных конструкций. В этом случае известняк не используется вовсе, однако нагревание все еще необходимо, иногда даже более длительное, чем при получении материала с нуля. Так что переработанный цемент также имеет значительный углеродный след, да еще и менее прочен.

Элегантный способ получения качественного и экологичного переработанного цемента нашла ученые из Университета Кэмбриджа под руководство Джулиана Оллвуда (Julian Allwood). Они совместили два процесса — переработку цемента и переплавку стали в электродуговой печи.

Для переработки металлические изделия измельчают и нагревают в электродуговой печи. На втором этапе поверх смеси добавляют известняк — он предохраняет сталь от воздуха, помогает поддерживать щелочную среду, а также взаимодействует с оксидами железа и другими примесями, помогая быстрее отделить их от стали.

Ученые предложили заменить известняк на измельченные цементные отходы. Оказалось, что этот материал выполняет все функции известняка при переплавке. Сами цементные отходы при этом превращаются в клинкер — полуфабрикат для производства нового цемента. Оллвуд и его коллеги провели рентгенофазовый анализ и выяснили, что полученный материал очень близок по составу к портландцементу, в частности, содержит алит (3СаO*SiО₂) и белит (2СаO*SiО₂). Авторы отметили, что содержание алита было выше среднего — по всей видимости, из-за более высокой температуры (1650 — 1750 градусов Цельсия против 1400 градусов Цельсия при стандартном производстве цемента). Также ожидаемо в смесях повысилось содержание железа — в одном из образцов его было почти 12 процентов, в среднем от 3 до 5 процентов (в стандартном цементе — порядка 2,5 процента).

Чтобы получить цемент, к продукту добавляли оксид кальция, оксид алюминия и оксид кремния, глину и гипс. Всего авторы испытали двадцать восемь вариантов состава с разными условиями получения и соотношением добавок. По механическим свойствам некоторые образцы даже превосходили стандартный цемент из-за более высокого содержания алита.

Экономический анализ показал, что только в Великобритании новый метод позволит произвести более 4,5 миллиона тонн готового цемента в год. Новое оборудование не требуется, технологию можно внедрять на существующих предприятиях по переплавке стали. Слабое звено только одно — паста из старых бетонных конструкций. Пока что в Великобритании она не производится в достаточном количестве. Тем не менее авторы полагают, что изготовление пасты — самый простой шаг во всем процессе, и при желании объемы производства можно будет быстро нарастить. Оллвуд и его коллеги уже начали сотрудничество с металлургической компанией Celsa Steel.

Ранее ученые из Мельбурнского королевского технологического института, выяснили, что для строительства канализаций лучше всего подходит кислотостойкий бетон без цемента. А узнать об использовании крови в строительных материалах можно из нашей статьи «Кровь и бетон».