Synergistic effects of recycled concrete aggregate and spherical nickel slag on abrasion resistance, acoustic attenuation, and environmental efficiency of porous concrete

Steden vormen zichzelf voortdurend opnieuw, en met elk nieuw gebouw en elke nieuwe weg worden enorme hoeveelheden oud beton afgebroken en weggegooid. Tegelijkertijd produceert de zware industrie bergen afvalmateriaal, zoals de slak die overblijft na het smelten van metalen. Traditioneel eindigen deze materialen op stortplaatsen, waar ze ruimte innemen en milieurisico's vormen, terwijl de bouwsector doorgaat met het opgraven van verse rivierstenen en grind om nieuw beton te maken. Deze cyclus is onhoudbaar. Ingenieurs zoeken nu naar manieren om deze afvalstromen om te zetten in waardevolle bouwstenen, waardoor materialen worden gecreëerd die niet alleen middelen besparen, maar ook beter presteren dan de traditionele opties. Eén zodanig materiaal is poreus beton, een speciaal soort wegdek dat eruitziet als een spons. In plaats van een solide, ondoordringbaar oppervlak, is het gevuld met kleine, verbonden gaatjes die regenwater er rechtstreeks doorheen laten sijpelen, wat overstromingen vermindert en het grondwater aanvult. Vanwege deze gaatjes fungeert het ook als een natuurlijke geluidsscherm, waarbij het het verkeerslawaai absorbeert in plaats van het terug de lucht in te reflecteren. Het maken van dit materiaal is echter lastig. Juist de gaatjes die het goed maken voor water en geluid, maken het ook zwak, waardoor het oppervlak onder het gewicht van banden kan afbrokkelen.

Onderzoekers aan de Hasanuddin Universiteit in Indonesië zetten zich in om dit puzzelstukje op te lossen door een nieuw recept voor poreus beton te testen. Ze wilden zien of ze twee soorten afvalmaterialen samen konden mengen om een wegdek te creëren dat sterk genoeg is om lang mee te gaan, maar poreus genoeg is om te functioneren. Het team nam twee specifieke afvalproducten: gerecycled betonaggregaat, wat oude betonbrokken zijn die tot kleine stenen zijn vermalen, en sferische nikkelslak, een bijproduct van nikkelsmelten dat snel in water is afgekoeld om gladde, ronde balletjes te vormen. Ze maakten zes verschillende batches beton. Sommige gebruikten alleen natuurlijke rivierstenen, sommige gebruikten alleen gerecycled beton, sommige gebruikten alleen de nikkelslak, en de rest gebruikte diverse combinaties van deze materialen. Om een eerlijke test te garanderen, hielden ze de hoeveelheid cement en water voor elke batch exact gelijk, waarbij alleen het type steen werd gewijzigd. Ze onderwierpen deze betonnen cilinders vervolgens aan een reeks strenge tests om te zien hoe zwaar ze waren, hoeveel gaatjes ze bevatten, hoe goed ze weerstand boden tegen wrijving, en hoe effectief ze geluid absorbeerden. Ze berekenden ook de milieukosten van het maken van elke batch, waarbij ze de koolstofemissies en de benodigde energie maten vanaf het moment dat de grondstoffen werden gewonnen tot het moment dat het beton de fabriek verliet.

De resultaten onthulden een duidelijk verhaal over hoe de vorm en dichtheid van de stenen het beton veranderden. Wanneer de onderzoekers de gladde, zware nikkelslak gebruikten, werd het beton aanzienlijk dichter en zwaarder, maar het verloor ook een groot deel van zijn porositeit. De ronde balletjes pakten zo dicht op elkaar dat er minder ruimte was voor water om doorheen te stromen. In contrast hiermee creëerde de mengeling die natuurlijke stenen combineerde met de ruwe, hoekige gerecyclede betonsteentjes de meest poreuze structuur, met het hoogste volume aan verbonden gaatjes. Deze hoge porositeit bleek de sleutel tot de akoestische prestaties. De mengeling met de meeste gaatjes absorbeerde geluid beter dan enige andere, waarbij een niveau werd bereikt waarbij het bijna alle geluidsenergie die er bij bepaalde frequenties op botst, kon opvangen. Dit suggereert dat voor het verminderen van verkeerslawaai een meer open, luchtige structuur superieur is. Deze openheid ging echter gepaard met een nadeel. De meest poreuze mengeling was ook de zwakste als het aankwam op weerstand tegen slijtage. Wanneer deze mengeling in een machine werd geplaatst die de schurende werking van banden simuleerde, verloor het de meeste massa door stukjes steen en mortel af te geven.

De meest verrassende bevinding kwam van de mengeling die gerecycled beton combineerde met de sferische nikkelslak. Deze specifieke blend, die de onderzoekers RS50 noemden, bereikte de beste balans van alles. Het was niet de meest poreuze, noch de lichtste, maar het bleek de meest duurzame te zijn. Wanneer het werd onderworpen aan dezelfde slijptest, verloor het de minste hoeveelheid materiaal en behield het zijn vorm veel beter dan de andere mengsels. De gladde, harde sferen van de nikkelslak leken te fungeren als een sterk skelet dat de ruwe gerecyclede stenen op hun plaats hield en voorkwam dat ze losgetikt werden. Deze combinatie creëerde een structuur die robuust genoeg was om slijtage te weerstaan en tegelijkertijd voldoende porositeit behield om functioneel te zijn. Vanuit een milieuperspectief verlaagde het vervangen van de natuurlijke rivierstenen door gerecycled beton en industriële slak de koolstofvoetafdruk en de energiekosten van het beton aanzienlijk. De gerecyclede materialen vereisten veel minder energie om te produceren dan het winnen en breken van nieuwe stenen. De studie merkte echter ook op dat het cement dat gebruikt werd om alles samen te binden, de grootste bron van milieueimpact bleef, aangezien het de overgrote meerderheid van de koolstofemissies in elke batch verantwoordde, ongeacht de gebruikte stenen.

Uiteindelijk toonde de studie aan dat er niet één enkel "perfect" mengsel is voor elke taak. Als het doel is om een rustig voetpad of een geluidsscherm te bouwen waar geluidsabsorptie de prioriteit is, dan is de mengeling met de meeste gerecyclede beton en natuurlijke stenen de beste keuze, omdat deze de meest effectieve geluidsabsorberende spons creëert. Maar als het wegdek zwaar verkeer of frequent gebruik moet kunnen verwerken waarbij duurzaamheid cruciaal is, dan is de blend van gerecycled beton en sferische nikkelslak de superieure optie. Deze combinatie biedt de beste milieuprestaties wanneer duurzaamheid in overweging wordt genomen, wat bewijst dat afvalmaterialen zo kunnen worden ingenierd dat ze samenwerken. Door zorgvuldig de verschillende industriële bijproducten te selecteren en te mengen, kunnen ingenieurs poreus beton creëren dat niet alleen vriendelijker is voor de planeet, maar ook sterker en effectiever is dan traditionele materialen. Het onderzoek laat zien dat de weg naar duurzame infrastructuur niet alleen ligt in het gebruiken van afval, maar in het begrijpen van hoe verschillende afvalmaterialen met elkaar interageren om een geheel te creëren dat groter is dan de som der delen.