Учёные нашли неожиданное применение человеческим отходам: из них можно делать бетон, который по некоторым характеристикам оказывается прочнее обычного. В экспериментах прибавка достигла 42%.
Конечно, свежие фекалии в цемент никто не замешивал. Исследователи использовали осадок со станции переработки фекальных отходов в индийском городе Варангал. Его высушили, а затем нагрели до 350–450 °C в среде с низким содержанием кислорода. В результате получился биоуголь — сухой богатый углеродом материал, который измельчили в мелкий порошок.
Именно им учёные решили частично заменить цемент. Результаты эксперимента описаны в исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports.
Исследователи из Университета Манипала в Джайпуре приготовили несколько вариантов бетона, заменив биоуглём 5, 10 или 15% цемента. Затем образцы проверяли на прочность, усадку, пористость и способность поглощать воду.
Результат оказался неожиданным: небольшая добавка отходов не ослабила бетон, а в ряде случаев сделала его заметно прочнее.
Через 91 день образцы с 5-процентной заменой цемента показали примерно на 20% большую прочность на сжатие и на 36% большую прочность на изгиб. При доле биоугля в 10% прочность на сжатие увеличилась на 21%, а на изгиб — сразу на 42%.
Почему отходы укрепляют бетон
Авторы исследования предполагают, что одновременно работают несколько механизмов.
Биоуголь имеет множество микроскопических пор. Во время приготовления бетона они впитывают воду, а затем постепенно отдают её по мере твердения смеси. Получается своего рода встроенный запас влаги, который позволяет химическим реакциям в цементе продолжаться дольше.
Кроме того, биоуголь из фекального осадка содержит кремнезём. Он способен вступать в реакции с веществами, образующимися при затвердевании цемента, и способствовать появлению дополнительных соединений кальция и кремния, от которых во многом зависит прочность бетона.
Наконец, мелкие частицы порошка просто заполняют пустоты между другими компонентами. Под микроскопом бетон с 5% биоугля выглядел плотнее обычного: в нём было меньше пор и лучше соединялись отдельные участки материала.
Но принцип «чем больше, тем лучше» здесь не работает. Когда исследователи довели долю биоугля до 15%, структура бетона начала ухудшаться: появлялось больше пор, трещин и плохо связанных областей.
Зачем вообще делать бетон из фекалий
У идеи есть вполне практический смысл. Производство цемента требует огромного количества энергии и сопровождается значительными выбросами углекислого газа. Поэтому исследователи по всему миру ищут материалы, которыми можно заменить хотя бы часть цемента без потери прочности.
Одновременно городам приходится утилизировать огромное количество отходов жизнедеятельности человека. Если часть этого материала удастся превращать в полезную добавку для строительства, одна технология потенциально сможет решать сразу две проблемы.
До домов и мостов из такого бетона ещё предстоит провести дополнительные испытания. Авторы отмечают, что необходимо проверить материал при многократном замораживании и оттаивании, воздействии соли и экстремальных температур.
Есть и другой вопрос — тяжёлые металлы, которые могут присутствовать в осадке сточных вод. Пока неизвестно, насколько надёжно они будут заперты внутри бетона и смогут ли со временем попадать в окружающую среду.
Если дальнейшие испытания подтвердят результат, один из самых неприятных видов человеческих отходов может неожиданно превратиться в сырьё для вполне привычного строительного материала.