Ľudský odpad ako súčasť stavebného materiálu znie na prvý pohľad ako bizarný experiment. Vedci v Indii však z fekálneho kalu vyrobili biouhlie a časť cementu v betóne ním nahradili. Výsledok ich zaujal – pri vhodnom pomere materiál dosahoval po 91 dňoch výrazne lepšie mechanické vlastnosti než bežná zmes.

Ako informuje ScienceAlert, výskumný tím vedený stavebným inžinierom Raghuveshom Tiwarim z Manipal University Jaipur v Indii skúmal, či by sa spracovaný fekálny kal dal využiť ako surovina na výrobu betónu. Výskum bol prijatý na publikovanie v časopise Scientific Reports.

Do betónu nepridali priamo výkaly

Hoci titulok môže znieť trochu šokujúco, vedci, samozrejme, nemiešali nespracované ľudské výkaly priamo do betónu.

Použili fekálny kal z čistiarenského zariadenia v indickom meste Warangal. Materiál najskôr vysušili a následne ho zahrievali pri obmedzenom prístupe kyslíka pri teplotách približne 350 až 450 stupňov Celzia.

Proces nazývaný pyrolýza premenil kal na biouhlie – biochar. Výsledný materiál potom vedci rozomleli a preosiali na jemný prášok.

Až tento tepelne spracovaný materiál sa stal súčasťou experimentálneho betónu.

Nahradili ním časť cementu

Bežný betón pozostáva z cementu, vody a kameniva, ako sú piesok a štrk. Práve výroba cementu je pritom energeticky náročná a spojená s vysokými emisiami oxidu uhličitého.

Vedci preto skúmajú materiály, ktoré by mohli aspoň časť cementu nahradiť bez zhoršenia vlastností betónu.

Tím pripravil tri experimentálne zmesi. Biouhlím z fekálneho kalu nahradil 5, 10 alebo 15 percent cementu. Následne sledoval pevnosť v tlaku a ohybe, nasiakavosť, pórovitosť či zmršťovanie materiálu počas tvrdnutia.

Výsledky ukázali, že malé množstvo nezvyčajnej prísady môže vlastnosti betónu dokonca zlepšiť.

Po 91 dňoch prišlo prekvapenie

Veľmi dobré výsledky dosiahla už zmes, v ktorej biouhlie nahradilo päť percent cementu.

Po 91 dňoch zrenia vedci zaznamenali v porovnaní s kontrolným betónom priemerné zvýšenie pevnosti v tlaku približne o 20 percent a pevnosti v ohybe o 36 percent. Päťpercentná zmes mala zároveň spravidla nižšiu nasiakavosť, pórovitosť aj zmršťovanie pri vysychaní.

Ešte výraznejšie percentuálne zlepšenie po 91 dňoch zaznamenali pri zmesi, v ktorej biouhlie nahradilo desať percent cementu.

Pevnosť v tlaku bola vyššia o 21 percent a pevnosť v ohybe až o 42 percent.

Práve odtiaľ pochádza údaj o betóne „pevnejšom o 42 percent“. Dôležité však je, že 42 percent sa týka konkrétne pevnosti v ohybe, nie univerzálneho zvýšenia všetkých parametrov pevnosti betónu.

Viac už neznamenalo lepšie

Experiment zároveň ukázal, že existuje hranica, za ktorou výhody biouhlia začínajú miznúť.

Keď vedci nahradili 15 percent cementu, výsledný betón síce počas zrenia ďalej získaval pevnosť, celkovo však zaostával za zmesami s päť- a desaťpercentným podielom.

Mikroskopická analýza ukázala aj možné vysvetlenie. Pri nižšom množstve biouhlia bola štruktúra betónu hustejšia a jednotlivé zložky boli lepšie previazané. Pri 15-percentnom podiele sa už objavovalo viac pórov, trhlín a horšie spojených oblastí.

Pri tomto materiáli teda rozhoduje správne množstvo.

Prečo môže biouhlie betón spevniť?

Jedným z vysvetlení je jeho mikroskopická štruktúra.

Biouhlie je veľmi pórovité. Drobné dutiny dokážu počas prípravy betónu nasať vodu a následne ju postupne uvoľňovať počas jeho zrenia.

Častice tak fungujú ako malé vnútorné zásobníky vody. Vlhkosť zostáva dlhšie dostupná pre hydratačné reakcie cementu, počas ktorých betón tvrdne a získava svoju výslednú pevnosť.

To však nie je jediný mechanizmus.

Biouhlie z fekálneho kalu obsahuje aj oxid kremičitý, ktorý môže reagovať s produktmi vznikajúcimi počas hydratácie cementu. Ide o takzvané pucolánové reakcie, ktoré môžu podporovať vznik ďalších zlúčenín prispievajúcich k pevnosti cementovej matrice.

Jemné častice biouhlia navyše vypĺňajú malé medzery medzi ostatnými zložkami betónu. Pri správnom množstve tak môže vzniknúť kompaktnejšia štruktúra.

Mohol by vyriešiť dva problémy naraz

Výskum je zaujímavý aj z environmentálneho hľadiska.

Cement je jednou z kľúčových surovín moderného stavebníctva, jeho výroba je však spojená s významnými emisiami oxidu uhličitého. Ak by sa jeho časť dala nahradiť materiálom vyrobeným z odpadu, mohlo by to v budúcnosti priniesť dvojitý úžitok.

Znížila by sa spotreba cementu a zároveň by sa našlo ďalšie využitie pre fekálny kal, ktorý musí byť bezpečne spracovaný a likvidovaný.

Tu však prichádza dôležité obmedzenie. Samotná štúdia nehodnotila, o koľko by takýto postup skutočne znížil celkové emisie uhlíka. Z výsledkov preto zatiaľ nemožno tvrdiť, že nový betón má preukázateľne menšiu uhlíkovú stopu.

Domy z takéhoto betónu sa zatiaľ stavať nebudú

Výsledky pochádzajú z laboratórneho výskumu a pred praktickým využitím zostáva viacero otázok.

Vedci potrebujú zistiť, ako sa materiál správa pri opakovanom zamŕzaní a rozmŕzaní, extrémnych teplotách či pôsobení solí. To sú podmienky, ktorým môže byť betón v skutočných stavbách vystavený celé desaťročia.

Dôležitou otázkou sú tiež ťažké kovy, ktoré sa môžu nachádzať v čistiarenských kaloch. Ich uzavretie v betóne by teoreticky mohlo byť výhodou, zatiaľ však nie je jasné, či zostanú bezpečne viazané počas celej životnosti materiálu alebo sa za určitých podmienok môžu postupne uvoľňovať.

Od experimentu k mostom, výškovým budovám či obytným domom je preto ešte dlhá cesta.

Výsledky však ukazujú pozoruhodnú možnosť: odpad, ktorého sa spoločnosť potrebuje zbavovať, by sa po dôkladnom spracovaní mohol stať užitočnou surovinou pre jeden z najpoužívanejších stavebných materiálov na svete.