Optimering av blandningsförhållanden och studie av hydrering hos högpresterande betong som inkluderar majsskalsaska och kiselfume som tillsatsmaterial

Att förvandla jordbruksavfall till starkare städer

Varje år bränns eller kastas stora mängder kvarvarande grödor, samtidigt som cementtillverkning, som håller våra byggnader samman, släpper ut stora mängder koldioxid. Denna studie undersöker ett sätt att angripa båda problemen samtidigt: genom att mala askan från kasserade majsskidor och blanda den med ett mycket fint industriellt pulver kallat kiselfume för att skapa högpresterande betong som både är hållbar och avsevärt renare att framställa.

Varför traditionell betong behöver förnyas

Betong är ryggraden i modern byggnation, från broar och skyskrapor till trottoarer och dammar. Men dess huvudkomponent, cement, är en av världens stora industriella källor till koldioxidutsläpp eftersom framställningen kräver upphettning av kalksten till mycket höga temperaturer. Samtidigt genererar jordbruket stora mängder avfall — såsom majsskidor — som ofta bränns öppet på fälten, vilket ger mer föroreningar och slösar med potentiellt användbart material. Forskare har länge misstänkt att vissa grödaska kan ersätta en del av cementet, men det har varit oklart hur långt denna substitution kan gå samtidigt som man fortfarande uppnår mycket stark betong lämplig för krävande konstruktioner.

Att bygga betong av majsskidor

I detta arbete brände teamet majsskidor vid noggrant kontrollerade temperaturer för att framställa en fin, kiselsrik aska och kombinerade den med kiselfume, en annan mycket fin industriell biprodukt. Tillsammans ersatte dessa pulver 20 % av den normala cementen i högpresterande betong. Forskarna varierade systematiskt tre saker: hur stor del av de där 20 % som utgjordes av majsskalsaska, hur mycket vatten som tillsattes i förhållande till bindemedlen, och hur mycket sand som användes. Med en strukturerad testplan framställde de sexton olika betongrecept, gjöt små kuber och mätte hur mycket tryck varje kub kunde motstå efter 7 dagar respektive 28 dagar härdning.

Att hitta den optimala styrkan

Experimenten visade att inte alla kombinationer är lika bra. Den starkaste blandningen nådde en imponerande 28‑dagars tryckhållfasthet på cirka 110 megapascals — flera gånger starkare än typisk strukturell betong. Detta toppresterande recept använde 15 % majsskalsaska inom den 20 % ersättningen, en relativt låg vattenmängd och en ganska hög sandmängd. När andelen majsskalsaska drevs upp till 20 % utan kiselfume blev betongen märkbart svagare, vilket visar att askan fungerar bäst i samverkan med kiselfume snarare än ensam. Noga analys visade att mängden vatten hade störst effekt på hållfastheten i de tidiga åldrarna, medan sandinnehåll och askersättningsnivå spelade större roll vid senare åldrar.

Att se in i betongen

För att förstå varför vissa blandningar var starkare förstorade teamet betongens inre struktur med hjälp av elektronmikroskop och röntgentekniker. I början innehöll materialet många porer och relativt få bindande produkter. När härdningen fortsatte utlöste den reaktiva kiseln i majsskalsaskan och kiselfumet ”sekundära” reaktioner med kalciumföreningar som frigjordes av cementen. Dessa reaktioner producerade extra gel‑lika mineraler som packade sig tätt i porerna och band samman sand, sten och cementpartiklar starkare. Under 28 dagar krympte porvolymen dramatiskt, den interna strukturen blev tätare och jämnare, och den uppmätta styrkan ökade i motsvarande grad. Stålfibrer blandade i betongen hjälpte dessutom materialet att gå sönder på ett mer gradvis, duktilt sätt istället för att spricka plötsligt och katastrofalt.

Renare betong för en lägre‑koldioxidframtid

Genom att ersätta en femtedel av cementen med majsskalsaska och kiselfume minskade den optimerade betongblandningen koldioxidutsläppen från bindemedlet med nästan en femtedel jämfört med vanlig cement, samtidigt som den fortfarande levererade mycket hög styrka. Kort sagt visar studien att jordbruksavfall som tidigare betraktats som skräp kan bli en värdefull ingrediens i robust, långlivad betong och lätta den miljömässiga bördan från både jordbruk och byggande. Om sådana blandningar tas i bruk i stor skala kan de hjälpa städer att växa uppåt och utåt samtidigt som de trampar lättare på planeten.

Citering: Wang, R., Chen, Y., Wei, G. et al. Optimization of mix proportions and hydration study of high-strength concrete incorporating corn stalk ash and silica fume as supplementary cementitious materials. Sci Rep 16, 8318 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39419-1

Nyckelord: hållbar betong, majsskalsaska, högpresterande betong, tillsatsmaterial för cement, låg‑koldioxidkonstruktion