Une image au microscope électronique à balayage montre des particules sphériques dans des cendres volantes de type C utilisées par les ingénieurs de l'Université Rice pour fabriquer un liant sans ciment pour le béton. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles
Les ingénieurs de l'Université Rice ont développé un liant composite composé principalement de cendres volantes, un sous-produit des centrales électriques au charbon, qui peut remplacer le ciment Portland dans le béton.
Le matériau est sans ciment et respectueux de l'environnement, selon le scientifique des matériaux de riz Rouzbeh Shahsavari, qui l'a développé avec l'étudiant diplômé Sung Hoon Hwang.
Le liant de cendres volantes ne nécessite pas le traitement à haute température du ciment Portland, pourtant, des tests ont montré qu'il a la même résistance à la compression après sept jours de durcissement. Il ne nécessite également qu'une petite fraction des produits chimiques d'activation à base de sodium utilisés pour durcir le ciment Portland.
Les résultats sont rapportés dans le Journal de l'American Ceramic Society .
Plus de 20 milliards de tonnes de béton sont produites dans le monde chaque année dans un processus de fabrication qui contribue de 5 à 10 pour cent du dioxyde de carbone aux émissions mondiales, dépassés seulement par les transports et l'énergie en tant que plus gros producteurs de gaz à effet de serre.
Les fabricants utilisent souvent une petite quantité de cendres volantes riches en silicium et en aluminium en complément du ciment Portland dans le béton. « L'industrie mélange généralement 5 à 20 % de cendres volantes dans du ciment pour le rendre vert, mais une partie importante du mélange est encore du ciment, " dit Shahsavari, professeur adjoint de génie civil et environnemental et de science des matériaux et nano-ingénierie.
Une image au microscope électronique à balayage montre brut, particules de cendres volantes de type C constituées principalement d'oxyde de calcium comme sous-produit des centrales électriques au charbon. Les ingénieurs de l'Université Rice ont fait un sans ciment, liant respectueux de l'environnement pour le béton qui montre le potentiel de remplacer le ciment Portland dans de nombreuses applications. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles
Les tentatives précédentes pour remplacer entièrement le ciment Portland par un composé de cendres volantes nécessitaient de grandes quantités d'activateurs à base de sodium coûteux qui annulent les avantages environnementaux, il a dit. "Et au final c'était plus cher que le ciment, " il a dit.
Les chercheurs ont utilisé l'analyse de Taguchi, une méthode statistique développée pour réduire le grand espace des phases - tous les états possibles - d'une composition chimique, suivi d'une optimisation informatique pour identifier les meilleures stratégies de mélange.
Cela a grandement amélioré les qualités structurelles et mécaniques des composites synthétisés, Shahsavari a dit, et conduit à un équilibre optimal des cendres volantes riches en calcium, nanosilice et oxyde de calcium avec moins de 5 pour cent d'un activateur à base de sodium.
« Une majorité des travaux passés se sont concentrés sur les cendres volantes dites de type F, qui est dérivé de la combustion d'anthracite ou de charbons bitumineux dans les centrales électriques et a une faible teneur en calcium, " a déclaré Shahsavari. " Mais globalement, il existe d'importantes sources de charbon de qualité inférieure comme le lignite ou les charbons subbitumineux. Les brûler entraîne une forte teneur en calcium, ou type C, cendres volantes, qui a été plus difficile à activer.
"Notre travail fournit une voie viable pour une activation efficace et rentable de ce type de cendres volantes à haute teneur en calcium, ouvrant la voie à une fabrication de béton éco-responsable. Les travaux futurs évalueront des propriétés telles que le comportement à long terme, rétrécissement et durabilité."
Shahsavari a suggéré que la même stratégie pourrait être utilisée pour transformer d'autres déchets industriels, tels que les scories de haut fourneau et les coques de riz, en matériaux cimentaires respectueux de l'environnement sans utilisation de ciment.
