Zależność świata od betonu, drugiego po wodzie najczęściej zużywanego materiału, prowadzi do kryzysu środowiskowego i zasobów, w wyniku którego tempo wydobycia piasku przewyższa naturalne uzupełnianie.
Badanie przeprowadzone przez naukowców z Rice University wykazało, że grafen pochodzący z koksu metalurgicznego, produktu na bazie węgla, może służyć nie tylko jako dodatek wzmacniający w cemencie, ale także jako zamiennik piasku w betonie.
„Może to mieć poważny wpływ na jedną z największych gałęzi przemysłu na świecie” – powiedział James Tour, profesor TT i WF Chao w firmie Rice oraz profesor chemii, inżynierii materiałowej i nanoinżynierii. „Porównaliśmy beton wykonany przy użyciu substytutu kruszywa grafenowego z betonem wykonanym przy użyciu odpowiednich kruszyw piaskowych i odkryliśmy, że nasz beton jest o 25% lżejszy, ale równie wytrzymały”.
Beton, mieszanina kruszyw, takich jak piasek i żwir, połączonych z cementem i wodą, jest niezbędny dla rozwoju miast. Biorąc pod uwagę, że do 2050 r. 68% światowej populacji będzie mieszkać na obszarach miejskich, przewiduje się, że zapotrzebowanie na beton, a co za tym idzie wydobycie piasku, znacząco wzrośnie. W ciągu ostatnich dwóch dekad liczba ta potroiła się, osiągając około 50 miliardów ton rocznie. Wiąże się to jednak ze znacznymi kosztami dla środowiska.
Produkcja cementu, kluczowego składnika betonu, odpowiada za 8% światowej emisji dwutlenku węgla. Co więcej, wydobycie piasku, w dużej mierze nieuregulowane, stwarza poważne zagrożenie dla ekosystemów rzecznych i przybrzeżnych. Według raportu Organizacji Narodów Zjednoczonych z 2022 r. rosnące zapotrzebowanie na piasek w połączeniu ze wzrostem liczby ludności i ekspansją miast może wkrótce wywołać „kryzys piaskowy”.
Stosując swoją charakterystyczną technikę ogrzewania Joule'a do koksu metalurgicznego, laboratorium Tour stworzyło rodzaj grafenu, który może służyć jako substytut piasku w betonie.
„Wstępne eksperymenty, podczas których koks metalurgiczny przekształcano w grafen, zaowocowały materiałem o wielkości podobnej do piasku” – powiedział Paul Advincula, absolwent studiów doktoranckich w firmie Rice, który jest głównym autorem badania. „Postanowiliśmy zbadać zastosowanie grafenu metalurgicznego otrzymywanego z koksu jako całkowitego zamiennika piasku w betonie i nasze odkrycia pokazują, że sprawdziłoby się to naprawdę dobrze”.
Badania porównujące beton konwencjonalny z betonem wykonanym z kruszyw grafenowych dają obiecujące wyniki. Beton na bazie grafenu nie tylko odpowiada właściwościom mechanicznym standardowego betonu, ale także oferuje wyższy stosunek wytrzymałości do masy.
Laboratorium Tour wykorzystało ogrzewanie Flash Joule do różnych zastosowań, w tym do syntezy hybrydowych nanomateriałów węglowych, recyklingu części akumulatorów i usuwania metali ciężkich z popiołów lotnych węglowych.
„Ta technika produkuje grafen szybciej i na większą skalę niż poprzednie metody” – powiedział Advincula.
Dzięki potencjałowi ograniczenia zależności od naturalnego piasku i niższej emisji dwutlenku węgla z przemysłu betoniarskiego, ta nowa technologia może prowadzić do bardziej zrównoważonych praktyk w zakresie rozwoju obszarów miejskich.
„Minie trochę czasu, zanim cena grafenu spadnie na tyle, aby stało się to opłacalne” – powiedział Tour. „Ale to tylko pokazuje, że istnieją alternatywy, które możemy zastosować”.
Satish Nagarajaiah, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej oraz inżynierii mechanicznej, który jest współautorem badania, podkreślił, że „30% betonu składa się z piasku – znaczna jego część”.
„Fakt, że stoimy na krawędzi «kryzysu piaskowego», motywuje nas do poszukiwania alternatyw, a koks metalurgiczny, który kosztuje mniej więcej tyle samo co piasek i stanowi około 10% ceny betonu, mógłby nie tylko pomóc w lepszym wysokiej jakości betonu, ale ostatecznie przełożą się także na znaczne oszczędności” – powiedział Nagarajaiah.
Badania były wspierane przez Korpus Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych, Centrum Badań i Rozwoju Inżynierów (W912HZ-21-2-0050), Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-22-1-0526) oraz Narodową Fundację Nauki.