В строительном деле бетон — материал номер один. Уже больше ста лет главная связующая добавка для него — портландцемент. Но у этого цемента две серьезные проблемы.

• Во-первых, для его производства нужны известняк и мел, а это невозобновляемые природные ресурсы.
• Во-вторых, заводы выбрасывают уйму углекислого газа, и экология страдает. 

В то же время по всей планете каждый год скапливается около 130 миллиардов килограммов отходов от переработки крупного рогатого скота — костей. Кости плохо разлагаются, и если их просто выбросить, они годами отравляют почву. Казалось бы, в костях много оксида кальция — того самого, что составляет основу цемента. Но есть загвоздка: в них также полно оксида фосфора (P₂O₅). Это вещество тормозит схватывание цемента, поэтому просто взять и заменить костной золой часть цемента нельзя.

Вот почему группа ученых из трех учебных заведений Кении — Департамента гражданского строительства Института фундаментальных наук, технологий и инноваций Панафриканского университета, Департамента гражданского и ресурсного строительства Технического университета Кении и Департамента гражданского и строительного строительства Университета сельского хозяйства и технологий Джомо Кеньятты — решила провести исследование. Они назвали его: «Механические свойства бетона, в котором портландцемент смешан с летучей золой, микрокремнеземом и большим количеством предварительно обработанной золы из костей крупного рогатого скота» и опубликовали в издании Frontiers of Structural and Civil Engineering.

Ученые хотели выяснить, можно ли использовать предварительно обработанную золу из костей (сокращенно — ЗК) как частичную замену портландцементу. Причем для страховки они добавили в смесь фиксированное количество летучей золы (10% от веса цемента) и микрокремнезема (5% от веса цемента). Чтобы нейтрализовать вредный оксид фосфора, кости сперва подвергли многоступенчатой обработке:

• Сначала кости вымыли, раздробили.
• Потом прокалили при 900°C.
• Затем вымочили в серной кислоте, чтобы убрать растворимые соединения оксида фосфора.
• Далее обработали карбонатом натрия (это превращает сульфат кальция в карбонат кальция).
• И в конце снова прокалили при 900°C, чтобы карбонат кальция снова стал оксидом кальция (той самой известью).

Готовую золу добавляли в бетон в четырех пропорциях: 10%, 25%, 50% и 75% от веса цемента. После этого проверяли, как ведет себя бетон: насколько он подвижный (удобоукладываемость), а главное — его прочность на сжатие, на растяжение при раскалывании и на изгиб.

Что выяснилось? Обработка действительно творит чудеса. Доля оксида кальция в золе выросла на 11%, а содержание вредного оксида фосфора рухнуло на 82%. Иными словами, помеха исчезла.

Цифры говорят сами за себя. Вот основные результаты:

Правда, чем больше добавляли золы, тем хуже становилась подвижность смеси. При 75% замены осадка конуса упала на 24%. Но исследователи заметили, что с этим легко справиться, если уменьшить водоцементное отношение или добавить суперпластификаторы.

Интересно, что замена цемента сильнее ударила по прочности на растяжение (при 75% золы она упала на 52%), чем на изгиб (падение всего на 29%). То есть для изгиба такая добавка менее критична.

В итоге метод не только уменьшает зависимость от невосполнимого сырья и снижает выбросы углекислого газа, но и дает шанс экологично утилизировать тонны костных отходов. Бетонная промышленность становится чуть устойчивее.

Авторы показали, что даже с 50% замены цемента можно получать бетон, пригодный для стройки. Это открывает дорогу к поиску оптимальных рецептур для разных климатических условий. В реальной жизни польза огромна для стран с развитым животноводством, где кости — буквально проблема номер один. Возьмем мясокомбинаты в Бразилии, Аргентине или России: вместо того чтобы платить за свалку, они могут продавать обработанную золу на бетонные заводы. Кроме того, технология снижает углеродный след каждого кубометра бетона. Плюс это реальный шаг к экономике замкнутого цикла, когда отходы одного производства становятся сырьем для другого.

Однако не все так гладко.

• Во-первых, авторы не упомянули стоимость обработки. Прокаливание при 900°C, вымачивание в кислоте, сода, повторный обжиг — это энергозатратно и дорого. В условиях реальной стройки такая предварительная подготовка может сожрать всю экономию от замены цемента.
• Во-вторых, неясна долговечность такого бетона. Морозостойкость, водонепроницаемость, карбонизация со временем — эти параметры остались за кадром. А для несущих стен зданий они критичны.
• В-третьих, выбор фиксированных добавок летучей золы и микрокремнезема выглядит произвольным.

Почему именно 10% и 5%? Авторы не приводят результатов контрольных составов без этих добавок, поэтому нельзя понять, что именно дало эффект — обработка костей или синергия с золой и кремнеземом.

И наконец, все испытания проведены в лаборатории. В реальной стройке замес, доставка, укладка и вибрирование могут сильно изменить свойства. Нужны полевые тесты.

Ранее ученые сократили выбросы цементной промышленности с помощью ИИ.