Kohlebasiertes Produkt könnte Sand im Beton ersetzen

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Die weltweite Abhängigkeit von Beton, dem nach Wasser am zweithäufigsten verbrauchten Material, führt zu einer Umwelt- und Ressourcenkrise, da die Sandabbauraten den natürlichen Nachschub übersteigen.

Eine Studie von Forschern der Rice University ergab, dass aus metallurgischem Koks, einem kohlebasierten Produkt, gewonnenes Graphen nicht nur als verstärkender Zusatzstoff in Zement, sondern auch als Ersatz für Sand in Beton dienen könnte.

„Dies könnte große Auswirkungen auf eine der größten Industrien der Welt haben“, sagte James Tour, TT- und WF-Chao-Professor bei Rice und Professor für Chemie, Materialwissenschaften und Nanotechnik. „Wir verglichen Beton, der mit dem Graphen-Zuschlagstoffersatz hergestellt wurde, mit Beton, der mit geeigneten Sandzuschlagstoffen hergestellt wurde, und stellten fest, dass unser Beton 25 % leichter, aber genauso zäh ist.“

Beton, eine Mischung aus Zuschlagstoffen wie Sand und Kies, verbunden mit Zement und Wasser, ist für die Stadtentwicklung unerlässlich. Da im Jahr 2050 voraussichtlich 68 % der Weltbevölkerung in städtischen Gebieten leben werden, wird die Nachfrage nach Beton und damit auch der Sandabbau voraussichtlich deutlich steigen. Diese Menge hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten verdreifacht und erreicht etwa 50 Milliarden Tonnen pro Jahr. Allerdings ist dies mit erheblichen Kosten für die Umwelt verbunden.

Die Zementproduktion, ein wichtiger Bestandteil von Beton, ist für 8 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich. Darüber hinaus stellt der weitgehend unregulierte Sandabbau eine ernsthafte Bedrohung für Fluss- und Küstenökosysteme dar. Laut einem Bericht der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2022 könnte dieser steigende Sandbedarf in Verbindung mit dem Bevölkerungswachstum und der Stadterweiterung bald eine „Sandkrise“ auslösen.

Durch die Anwendung seiner charakteristischen Joule-Heiztechnik auf metallurgischen Koks hat das Tour-Labor eine Art Graphen geschaffen, das als Ersatz für Sand in Beton dienen könnte.

„Erste Experimente, bei denen metallurgischer Koks in Graphen umgewandelt wurde, führten zu einem Material, dessen Größe Sand ähnelte“, sagte Paul Advincula, ein ehemaliger Rice-Doktorand und Hauptautor der Studie. „Wir haben beschlossen, die Verwendung von aus metallurgischem Koks gewonnenem Graphen als vollständigen Ersatz für Sand in Beton zu untersuchen, und unsere Ergebnisse zeigen, dass dies wirklich gut funktionieren würde.“

Tests zum Vergleich von herkömmlichem Beton mit Beton aus Graphen-Zuschlagstoffen zeigen vielversprechende Ergebnisse. Der auf Graphen basierende Beton entspricht nicht nur den mechanischen Eigenschaften von Standardbeton, sondern bietet auch ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.

Das Tour-Labor hat Flash-Joule-Erwärmung für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter die Synthese hybrider Kohlenstoff-Nanomaterialien, das Recycling von Batterieteilen und die Entfernung von Schwermetallen aus Kohleflugasche.

„Diese Technik produziert Graphen schneller und in größerem Maßstab als frühere Methoden“, sagte Advincula.

Mit dem Potenzial, die Abhängigkeit von natürlichem Sand zu verringern und die Kohlenstoffemissionen der Betonindustrie zu senken, könnte diese neue Technologie zu nachhaltigeren Stadtentwicklungspraktiken führen.

„Es wird einige Zeit dauern, bis der Preis für Graphen so niedrig ist, dass dies realisierbar ist“, sagte Tour. „Aber das zeigt nur, dass es Alternativen gibt, die wir verfolgen können.“

Satish Nagarajaiah, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen sowie Maschinenbau und korrespondierender Autor der Studie, betonte, dass „30 % des Betons aus Sand bestehen – ein erheblicher Teil.“

„Die Tatsache, dass wir am Rande einer ‚Sandkrise‘ stehen, motiviert uns, nach Alternativen zu suchen, und metallurgischer Koks, der etwa genauso viel kostet wie Sand und etwa 10 % der Kosten von Beton ausmacht, könnte nicht nur dazu beitragen, die Situation zu verbessern -Qualitätsbeton, sondern letztendlich auch zu erheblichen Einsparungen führen”, sagte Nagarajaiah.

Die Forschung wurde vom US Army Corps of Engineers, Engineer Research and Development Center (W912HZ-21-2-0050), dem Air Force Office of Scientific Research (FA9550-22-1-0526) und der National Science Foundation unterstützt.



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