Το οξείδιο γραφενίου ενεργοποιεί το σκυρόδεμα χωρίς κλίνκερ που βασίζεται σε ιπτάμενη τέφρα άνθρακα

Η παροχή βιώσιμων εναλλακτικών λύσεων στο συμβατικό σκυρόδεμα καθίσταται παγκόσμια επιτακτική ανάγκη, λαμβάνοντας υπόψη τα σημαντικά αποτυπώματα και τις ευέλικτες εφαρμογές του. Κάθε χρόνο, κάθε άτομο στη γη καταναλώνει περίπου 1 τόνο σκυροδέματος.

Για μια μικρή πόλη με 53.000 κατοίκους, αυτό μεταφράζεται σε κατανάλωση ενέργειας 660 κατά μέσο όρο νοικοκυριών στις ΗΠΑ και 3.710 τόνους ετήσιου CO₂ εκπομπών. Ένα τσιμεντοειδές συνδετικό υλικό που κατασκευάζεται από ιπτάμενη τέφρα άνθρακα προσφέρει μια μεγάλη επιχειρηματική ευκαιρία και συμβάλλει στη διατήρηση του περιβάλλοντος και των πόρων, εκτρέποντας τέτοιου είδους βιομηχανικά υποπροϊόντα από τη ροή αποβλήτων σε εφαρμογές προστιθέμενης αξίας.

Φανταστείτε ένα ανθεκτικό σκυρόδεμα με ιπτάμενη τέφρα άνθρακα ως μοναδικό συνδετικό υλικό και δεν χρειάζεται τσιμέντο ή οποιαδήποτε θερμική επεξεργασία. Αυτό θεωρείται από καιρό αδύνατο μέχρι να αποδειχθεί από μια ομάδα WSU σε μια πρόσφατη αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Η βασική καινοτομία είναι η χρήση οξειδίου του γραφενίου (GO) σε 0,02% κατά βάρος ιπτάμενης τέφρας Κατηγορίας C για να καταλύσει την ενυδάτωσή της και να σχηματίσει γέλη ασβεστίου-αλουμινικού-πυριτικού-ένυδρου (C-A-S-H) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτό παρουσιάζει μεγάλη αντίθεση με πολλές προόδους που έγιναν στη χρήση εναλλακτικών τσιμεντοειδών συνδετικών για μερική αντικατάσταση του τσιμέντου, και έτσι τονίζουν μια πιο τολμηρή προσέγγιση για το «πρασίνισμα» των βιομηχανιών τσιμέντου και σκυροδέματος.

Στο πλαίσιο της εκτροπής της ιπτάμενης τέφρας από τη ροή επικίνδυνων αποβλήτων και της μείωσης του CO₂ εκπομπών, το γεωπολυμερές ιπτάμενης τέφρας που ενεργοποιείται με αλκάλια θεωρείται ως μία από τις κύριες επεξεργασίες για τη στερεοποίηση της ιπτάμενης τέφρας και ως βιώσιμο δομικό υλικό. Η ιπτάμενη τέφρα είναι ένα υποπροϊόν της καύσης άνθρακα κυρίως από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα, που δεσμεύεται στην κορυφή των λεβήτων. Η παραγωγή ιπτάμενης τέφρας στις ΗΠΑ αυξήθηκε από 40,4 εκατομμύρια τόνους το 1974 σε 53,4 εκατομμύρια τόνους το 2013 και 23,3 εκατομμύρια τόνοι (43%) ιπτάμενης τέφρας χρησιμοποιήθηκαν ευεργετικά το 2013 [2]. Η προβλεπόμενη αξία για την παραγωγή ιπτάμενης τέφρας στις ΗΠΑ το 2033 θα είναι 54,6 εκατομμύρια τόνοι και 35,7 εκατομμύρια τόνοι για χρήση [3].

Προκειμένου να βελτιωθεί η στερεοποίηση της ιπτάμενης τέφρας ως δομικού υλικού, χρησιμοποιήθηκε οξείδιο του γραφενίου (GO, ένα νανο-υλικό που προέρχεται από γραφίτη) σε αυτή την εργασία. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται αύξηση της καινοτόμου έρευνας σχετικά με την εφαρμογή του GO σε υλικά μηχανικής. Το GO (Εικ.1) παρουσιάζει μεγάλες δυνατότητες ως πρόσμικτο σκυροδέματος επειδή είναι ένα δισδιάστατο φύλλο άνθρακα με λόγο διαστάσεων έως 30.000 ή μεγαλύτερο [4]. Διαθέτει συντελεστή Young ~0,3 TPa και εγγενή ισχύ ~112 GPa και είναι εξαιρετικά υδρόφιλο [5,6]. Διαφορετικό από το γραφένιο, το GO είναι υδρόφιλο και πιο συμβατό με το νερό, διευκολύνοντας τη διασπορά του σε φρέσκο ​​σκυρόδεμα.

Στην εργασία του Εργαστηρίου Προηγμένων &Αειφόρων Τσιμεντοειδών Υλικών της WSU (ASCM), οι πρόδρομοι ενυδάτωσης, η μορφολογία, η στοιχειακή σύνθεση, η ορυκτολογία και η χημική δομή και η διάταξη του γεωπολυμερούς ιπτάμενης τέφρας τροποποιημένου με GO διερευνήθηκαν μέσω φασματοσκοπίας Raman, SEM/BSE , EMPA, XRD/TGA και Si/Al MAS-NMR, αντίστοιχα, για να ξετυλίξουν τον ρόλο του GO. Τα πειραματικά αποτελέσματα πρότειναν ότι το GO ρύθμισε τις διαφορετικές αναλογίες στοιχειακού γραμμομορίου για να διευκολύνει το σχηματισμό ένυδρων ιπτάμενων τέφρας με βελτιωμένη μηχανική αντοχή, καθώς το GO έδειξε την ικανότητα να επηρεάζει επιλεκτικά την κατανομή διαφορετικών προδρόμων ενυδάτωσης:(1) το ηλεκτραρνητικό φύλλο GO προσελκύει κατιονικά ιόντα (Ca, Na, K και Mg) και απωθεί τα Al(OH)τετράεδρα και άλλα ηλεκτραρνητικά ιόντα. (2) η επίδραση του GO στην κατανομή του Si ήταν σχετικά ασθενής επειδή το Si υπήρχε και ως ουδέτερες μονάδες Si(OH) και ως SiO(OH), SiO₂ (OH)₂ ανιόντα. Η μελέτη NMR έδειξε ότι το GO προώθησε επίσης το σχηματισμό υδριτών με χαμηλά επίπεδα χαλαζία και τύπου jennite (Εικ. 2). Συνολικά, το 0,02% GO μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη μηχανική αντοχή και την εμφάνιση του γεωπολυμερούς ιπτάμενης τέφρας.

Αυτή η εργασία είναι σημαντική καθώς δείχνει ότι η πρόσφατη ανάπτυξη υλικών νανο-μεγέθους μας έδωσε το ισχυρό εργαλείο για να κατανοήσουμε τον κόσμο των μορίων και των ατόμων στην ιπτάμενη τέφρα ή την ενυδάτωση του τσιμέντου, κάτι που δίνει την ευκαιρία να κατασκευάσουμε σκυρόδεμα σε μοριακό επίπεδο. Οι πολιτικοί μηχανικοί έχουν επικεντρωθεί κυρίως στον χειρισμό υλικών σε μεσο- και μακρο-επίπεδα. Για τη βιώσιμη πρόοδο του κατασκευαστικού κλάδου, πρέπει να επιτρέψουμε την έρευνα σε όλες τις κλίμακες (νανο, μικρο, μεσο και μακροοικονομικό) και να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την ικανότητα νανοϋλικού «από κάτω προς τα πάνω».

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο, Επίδραση του οξειδίου του γραφενίου σε μια χημικά ενεργοποιημένη ιπτάμενη τέφρα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Fuel . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Gang Xu και Xianming Shi από το Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Ουάσιγκτον, ΗΠΑ και τον Jing Zhong από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Harbin, Κίνα. Η τεχνολογία που αναφέρεται σε αυτήν την εργασία προστατεύεται από μια αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας των ΗΠΑ και οι διαπερατές από ιπτάμενη τέφρα πλάκες σκυροδέματος έχουν επιδειχθεί στην πανεπιστημιούπολη του WSU Pullman.

Αναφορές:

1. Yao ZT, Ji XS, Sarker PK, Tang JH, Ge LQ, Xia MS, et al. Μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση σχετικά με τις εφαρμογές της ιπτάμενης τέφρας άνθρακα. Earth-Sci Rev 2015; 141:105–21. doi:10.1016/j.earscirev.2014.11.016.
2. ACAA. Coal Combustion Product (CCP) Production and Use, 2013. Farmington Hills, MI:American Coal Ash Association 2000; 2013.
3. ACAA. Βασικά ευρήματα 2015, Χρήση προϊόντων καύσης άνθρακα, Ιστορική προοπτική και πρόβλεψη των ΗΠΑ. American Coal Ash Association (ACAA); 2015.
4. Tung VC, Allen MJ, Yang Y, Kaner RB. Επεξεργασία λύσεων υψηλής απόδοσης γραφενίου μεγάλης κλίμακας. Nat Nanotechnol 2009; 4:25–9. doi:10.1038/nnano.2008.329.
5. Zandiatashbar A, Lee G-H, An SJ, Lee S, Mathew N, Terrones M, et al. Επίδραση ελαττωμάτων στην εγγενή αντοχή και ακαμψία του γραφενίου. Nat Commun 2014;5. doi:10.1038/ncomms4186.
6. Lee C, Wei X, Kysar JW, Hone J. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of monolayyer Graphene. Science 2008; 321:385–8. doi:10.1126/science.1157996.