Produkcja betonu geopolimerowego z wykorzystaniem nieprzetworzonego popiołu z oczek wodnych jako kruszywa drobnego oraz mielonego popiołu jako spoiwa

Przekształcanie odpadów elektrowni w surowiec budowlany

Elektrownie opalane węglem pozostawiają góry popiołu, które często są spuszczane do dużych oczek i zalegają tam przez lata. Takie laguny popiołowe zajmują teren, przedostają się z nich zanieczyszczenia i stanowią ogromne, niedostatecznie wykorzystane zasoby. W badaniu sprawdzono, czy ten popiół z oczek można przekształcić w istotny składnik bardziej klimatycznie przyjaznego betonu, potencjalnie zmniejszając emisję CO2 i jednocześnie uprzątając uporczywy odpad przemysłowy.

Z oczek popiołowych do nowego betonu

Popiół węglowy składowany w oczkach to mieszanina drobnych i grubych cząstek, które przez długi czas nasiąkały wodą. Autorzy określają materiał wydobyty bezpośrednio z tych oczek jako „nieprzetworzony popiół z oczek” i badają dwa sposoby jego wykorzystania w betonie geopolimerowym — rodzaju betonu opierającego się na produktach ubocznych przemysłu zamiast tradycyjnego cementu. Po pierwsze zastępują naturalny piasek stosowany w betonie nieprzetworzonym popiołem z oczek, w krokach od niewielkiego udziału aż do 100 procent. Po drugie mechanicznie mielą część popiołu, uzyskując drobniejszy proszek nazwany mielonym popiołem z oczek, i używają go do częściowego lub całkowitego zastąpienia pyłu lotnego (fly ash) — powszechnego spoiwa w mieszankach geopolimerowych.

Projektowanie bardziej zielonej mieszanki

We wszystkich mieszankach spoiwo powstaje przez aktywację proszków glinokrzemianowych roztworem wodorotlenku sodu i krzemianu sodu, podczas gdy stały udział żużla wielkopiecowego dostarcza dodatkowego wapnia przyspieszającego wiązanie. Badacze przygotowali wiele wsadów betonu, zmieniając udział naturalnego piasku zastępowanego nieprzetworzonym popiołem z oczek oraz udział pyłu lotnego zastępowanego mielonym popiołem. Następnie utwardzali próbki w normalnej temperaturze pokojowej, unikając energochłonnego utwardzania cieplnego często stosowanego w geopolimerach, i mierzyli urabialność świeżego betonu, przyrost wytrzymałości w czasie oraz odporność na agresywne oddziaływanie chemiczne.

Wytrzymałość przy mniejszej ilości naturalnego piasku

Zastąpienie naturalnego piasku nieprzetworzonym popiołem z oczek spowodowało, że świeży beton stał się sztywniejszy i trudniejszy w obróbce, głównie dlatego, że cząstki popiołu są bardzo porowate i znacznie drobniejsze niż zwykły piasek, wchłaniając więcej płynu. Jednak wpływ na wytrzymałość był zaskakująco umiarkowany: nawet gdy popiół w całości zastąpił naturalny piasek, wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach spadła tylko o około 7 procent i przy dłuższym dojrzewaniu osiągnęła w przybliżeniu 40 megapaskali — co wystarcza do wielu zastosowań konstrukcyjnych. Analizy mikroskopowe i w paśmie podczerwieni wykazały, że popiół z oczek nie jest całkowicie obojętny; jego reaktywne składniki łączą się z siecią geopolimerową w czasie, wypełniając pory i pomagając betonowi kontynuować przyrost wytrzymałości między 28 a 56 dniem.

Mielenie popiołu i wystawienie na trudne warunki

Mielenie popiołu z oczek na drobniejszy proszek zwiększyło zawartość reaktywnej krzemionki, lecz nadal pozostawało w tyle za konwencjonalnym pyłem lotnym jako spoiwem. Gdy pył lotny był stopniowo zastępowany mielonym popiołem, wytrzymałości wczesnego wieku pozostawały podobne, ponieważ to żużel dominował w wczesnej reakcji. W późniejszych okresach jednak mieszanki z większą ilością mielonego popiołu wykazywały nieco niższą wytrzymałość i nieco grubsze wewnętrzne utworzenie strukturalne. Testy trwałości przyniosły zniuansowane wyniki: wszystkie betony geopolimerowe wykazały wyższą odporność na kwas siarkowy niż zwykły beton cementowy, który tracił dużo masy i wytrzymałości wskutek tworzenia gipsu i innych produktowych reakcji powodujących spęcznienie. W teście przepuszczalności jonów chlorkowych najlepszy wynik osiągnął beton cementowy, natomiast mieszanki geopolimerowe — szczególnie bogate w mielony popiół — wykazały umiarkowaną przepuszczalność.

Co to oznacza dla przyszłego budownictwa

Dla osób niezajmujących się na co dzień tematem kluczowa wiadomość jest taka, że duża część popiołu zalegającego w oczkach elektrowni może zostać przekształcona w użyteczny składnik bardziej ekologicznego betonu. Używając nieprzetworzonego popiołu z oczek jako całego piasku oraz mielonego popiołu jako części spoiwa, badacze otrzymali geopolimerowy beton utwardzany w temperaturze pokojowej o umiarkowanej wytrzymałości konstrukcyjnej, z udziałem do około 37 procent substancji stałych pochodzących z tego odpadu. Materiał jest mniej urabialny i nieco bardziej podatny na przenikanie soli niż standardowy beton, ale znacznie lepiej radzi sobie w środowiskach kwaśnych, co czyni go obiecującym do posadzek przemysłowych lub rur kanalizacyjnych. Przy dalszych dopracowaniach — takich jak bardziej reaktywne dodatki i bezpieczniejsze, łatwiejsze w użyciu aktywatory w formie suchej — podejście to mogłoby pomóc przekształcić duży problem zanieczyszczenia w cenny surowiec budowlany.

Cytowanie: Vidyadhara, V., Gowda, T.S. & Ranganath, R.V. Geopolymer concrete production by utilizing unprocessed pond ash as fine aggregate and ground pond ash as binder. Sci Rep 16, 9041 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38814-y

Słowa kluczowe: beton geopolimerowy, popiół z oczek, ponowne wykorzystanie popiołu węglowego, zrównoważone budownictwo, beton odporny na kwasy