Строительная промышленность потребляет огромные объемы бетона во всем мире; ежегодно это достигает впечатляющих 30 миллиардов тонн, и этот материал является вторым по распространенности на планете, уступая только воде, согласно данным Global Cement and Concrete Association (GCCA).
Однако производство цемента, основного компонента бетона, создает значительное воздействие на окружающую среду, поскольку нагрев известняка, используемого в процессе, является одним из основных источников выбросов диоксида углерода, что усиливает парниковый эффект и глобальное потепление.
Исследование, проведенное Университетом Манипал в Джайпуре (Индия), указывает на потенциальную замену цементу: человеческие фекалии. Инженеры разработали тип бетона, используя комбинацию биоугля и фекальных отходов, собранных на местных очистных сооружениях. Результаты, опубликованные в журнале Scientific Reports, показали «значительное улучшение свойств бетона».
Биоуголь признан многообещающей альтернативой цементу, являясь углеродным материалом, получаемым путем нагревания органического вещества в условиях низкого содержания кислорода. Преимущество этого процесса заключается в его универсальности, позволяющей производить его из различных органических отходов, таких как опилки, древесина или рисовая шелуха.
Исследователи задались вопросом, могут ли человеческие фекалии служить такой заменой, учитывая, что, подобно цементу, этот материал широко распространен в мире: один человек производит около 400 граммов ежедневно.
Несмотря на то, что бетон является сложным материалом для замены благодаря его пластичности во влажном состоянии и исключительной прочности и долговечности после затвердевания, ученые были удивлены, обнаружив, что бетон, сформулированный с использованием человеческих фекалий, показал превосходные характеристики по сравнению с традиционным. В частности, наблюдалось общее улучшение прочности и жесткости при замене 5% цемента фекальным биоуглем.
Для подтверждения этих открытий команда проанализировала такие параметры, как усадка, прочность на сжатие, прочность на изгиб, водопоглощение и пористость различных смесей. Через 91 день смесь, содержащая фекальные отходы, продемонстрировала среднее увеличение прочности на сжатие на 20% и прочности на изгиб на 36%.
Несмотря на эти достижения, исследователи предупреждают, что необходимы дополнительные исследования для определения поведения материала в реальных сценариях, таких как воздействие низких температур, солености и сильного жара. Кроме того, исследование не рассматривало экологическое воздействие этого метода с точки зрения выбросов углерода.
Ученые предполагают, что несколько механизмов работают совместно для оптимизации бетона. Во-первых, биоуголь, полученный из фекалий, обладает высокой пористостью, создавая полости, которые функционируют как внутренние резервуары, постепенно высвобождая воду во время твердения и способствуя химическим реакциям, придающим цементу твердость и прочность. Во-вторых, кремнезем, присутствующий в биоугле, взаимодействует с соединениями цемента, способствуя образованию большего количества силикатов кальция — веществ, критически важных для прочности бетона. Наконец, мелкие частицы биоугля помогают заполнять пустоты в бетоне, улучшая уплотнение и сцепление компонентов.