Les chercheurs de Drexel recyclent les cendres de charbon, un déchet des centrales électriques au charbon, faire un poreux, agrégat léger qui peut être utilisé comme additif pour béton pour faciliter le processus de durcissement. Crédit :Université Drexel
Les cendres de charbon sont le sous-produit le moins connu des centrales électriques au charbon. Ce sont les déchets solides résiduels qui proviennent de la combustion du charbon. Bien qu'il n'ait pas la même réputation délétère que ses homologues aéroportés, des dizaines de millions de tonnes de cendres tombent dans les décharges chaque année. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université Drexel pensent avoir trouvé une utilisation pour les résidus pulvérulents, une utilisation qui pourrait aider à rendre le béton plus durable et sans fissures.
Récemment rapporté dans la revue Cement and Concrete Composites, leur découverte est une méthode pour transformer les cendres résiduelles en un additif spécial pour béton qui aide à fortifier sa structure interne en favorisant un processus de durcissement uniforme de l'intérieur vers l'extérieur. Cet additif, un produit hautement performant, agrégat fonctionnel - pourrait raccourcir le temps nécessaire au béton pour durcir et améliorer sa durabilité en réduisant le potentiel de formation de fissures, selon les chercheurs.
Juste le bon mélange
Le béton est fabriqué à partir d'un mélange de poudre fine et de particules de roche grossières, appelés agrégats, lié par une colle minérale appelée "matrice cimentaire, " composé de ciment et d'eau. Les agrégats forment la structure interne solide du béton à mesure que la matrice de cimentation durcit pour lier les ingrédients ensemble dans un processus appelé cure. Pour que le béton atteigne sa durabilité maximale, le ciment doit bien se mélanger avec de l'eau pendant le processus de durcissement afin qu'il sèche et durcisse en même temps.
"C'est une partie très importante du processus car si le béton sèche trop rapidement pendant sa cure, en raison du manque d'eau supplémentaire, il peut former des fissures et d'autres défauts. Ces fissures de retrait de séchage rendent la surface sensible à la pénétration de fluide agressif, créant des problèmes de durabilité du béton tels que la corrosion, dommages causés par le sel, ou dommages dus au gel-dégel, " dit Yaghoob Farnam, Doctorat., professeur adjoint au Drexel's College of Engineering et chercheur principal de la recherche.
Pour assurer un durcissement uniforme, il y a un certain nombre de choses que les entrepreneurs en béton pourraient avoir à faire, y compris la pulvérisation constante du béton, le recouvrir d'une membrane pour le garder humide, en l'immergeant dans l'eau ou en créant des flaques d'eau à sa surface. Toutes ces stratégies consomment du temps et des ressources et sont suffisamment complexes pour que des failles puissent se glisser dans le processus. Pour aider à éviter cela, Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont développé un concept de durcissement interne qui utilise des agrégats légers poreux pour faciliter le processus de durcissement. L'agrégat peut maintenir un niveau d'humidité constant à l'intérieur du béton pour l'aider à durcir uniformément de l'intérieur vers l'extérieur.
« L'utilisation d'un agrégat léger à hautes performances dans le béton peut être une solution pour fournir correctement des réservoirs d'eau suffisants à l'intérieur du béton, car l'eau est nécessaire au fil du temps pour durcir la matrice cimentaire, " dit Farnam.
Pour que le béton durcisse correctement, ou guérir, un niveau constant d'humidité doit être présent dans tout le matériau pendant qu'il durcit. Pour ce faire, les entrepreneurs l'aspergeront d'eau ou créeront des piscines sur le dessus. Crédit :Université Drexel
Travailler le béton est difficile
Le béton est l'un des matériaux de construction les plus utilisés dans le monde. C'est le matériau de choix pour la plupart des nouvelles routes à grand volume, immeubles, ponts et de nombreuses autres structures en raison de sa durabilité et de sa relative facilité d'application.
Mais l'un des inconvénients de l'utilisation du béton est qu'il nécessite juste les bonnes conditions atmosphériques pour permettre un bon mélange et même un durcissement - pas trop chaud, pas trop froid, pas trop sec.
Il est difficile d'obtenir la quantité exacte d'humidité à l'intérieur du béton car la poudre et les agrégats forment une matrice de cimentation serrée qui est difficile à pénétrer une fois qu'elle commence à sécher. Si l'extérieur du béton sèche avant que l'intérieur ne durcisse, cela peut entraîner une structure plus faible. Par conséquent, les entrepreneurs ont fondamentalement une chance d'obtenir le rapport liquide/solide juste, mélangez-le rapidement et soigneusement et versez le béton avant qu'il ne commence à sécher.
"C'est un problème courant dans le béton, ce qu'on appelle le «séchage du béton, ' crée des fissures de séchage et diminue la résistance et la durabilité du béton, " dit Mohammad Balapour, chercheur au doctorat dans le laboratoire de Farnam et auteur principal de l'article.
Trouver un remède
Pour donner plus de latitude aux entrepreneurs dans le processus, L'équipe de Farnam, en collaboration avec des membres du corps professoral du Drexel's Civil, Architectural, et Département d'Ingénierie de l'Environnement, Grâce Hsuan, Doctorat., et Sabrina Spatari, Doctorat., ainsi qu'E.J. Garboczi, Doctorat., de l'Institut national des normes et de la technologie, a examiné comment des agrégats légers fonctionnels peuvent être développés à partir de cendres de charbon et utilisés dans le béton.
Les agrégats poreux légers créés par les chercheurs de Drexel peuvent être créés en différentes tailles et avec une configuration de pores spécialement conçue pour améliorer la cure du béton. Crédit :Université Drexel
L'industrie du béton a un accès limité aux granulats légers naturels ou synthétiques, selon Farnam, en raison de sa dépendance à l'égard de sources limitées de granulats. Le laboratoire de Farnam voulait concevoir un produit d'agrégat ayant des caractéristiques optimales pour le mélange, force et porosité - et trouver un moyen de le faire à partir d'un déchet abondant.
« La solution que nous avons trouvée consistait à recycler ce déchet, cendre de charbon, dans un poreux, agrégat léger avec d'excellentes caractéristiques de performance qui pourrait être produit à un coût inférieur aux options naturelles et synthétiques actuelles, " a déclaré Farnam. " Ce matériau et ce procédé ne profiteraient pas seulement à l'industrie du béton en améliorant la qualité de leurs produits, mais cela pourrait aussi aider à garder les cendres de charbon hors des décharges. »
Le matériau qu'ils ont proposé est appelé "agrégat réactif poreux sphérique" - SPoRA, pour faire court. Il est fabriqué en combinant les cendres avec des produits chimiques qui facilitent le frittage et la liaison des agrégats, les former en minuscules sphères puis les cuire à 1, 160 degrés Celsius pendant quelques minutes.
Le produit final est un granulat qui peut contenir près de la moitié de son poids en eau, ce qui est meilleur que les agrégats légers traditionnels. Et, aussi important, il peut libérer cette eau à un rythme régulier de l'intérieur vers la matrice de cimentation pendant qu'il durcit.
Dans l'article, ils rapportent que deux types de SPoRA fonctionnent mieux que certains matériaux d'agrégat légers traditionnels :le schiste, argile et ardoise, et verre moussé - sur mesures de forme, porosité, poids relatif et capacité d'absorber et de libérer de l'eau. Ce sont toutes des mesures clés liées à sa capacité à s'intégrer au mélange de ciment et à libérer son humidité au bon moment et dans la bonne partie de la structure au fur et à mesure de sa formation.
« Alors que le béton commence à durcir à l'extérieur, les granulés d'agrégat libèrent également leur humidité pour l'aider à durcir également de l'intérieur vers l'extérieur, " Balapour a déclaré. " Cette approche peut aider à maximiser la durabilité du béton. Et le processus de fabrication de SPoRA est suffisamment simple pour produire des agrégats de toutes tailles et capacités en eau, nous pensons donc qu'il pourrait être utilisé pour un certain nombre d'applications dans l'industrie de la construction."
Le recyclage d'un déchet comme la cendre de charbon réduit non seulement le coût de fabrication d'agrégats légers, mais il garantit aussi que les producteurs de béton y auront accès.
"Prendre quelque chose qui est un déchet - avec des montagnes de déchets dans les décharges - et le transformer en un produit utile est un excellent exemple de la façon dont la science peut aider à trouver des solutions durables aux défis de la société, " Farnam a déclaré. "Non seulement cela aide à protéger notre environnement naturel, mais aidera également à améliorer notre environnement bâti."
