Биоуголь из фекального осадка испытали как добавку к бетону

Бетон остается одним из основных материалов современного строительства. Его производят из цемента, воды и заполнителей — обычно песка и гравия.

Главный экологический недостаток бетона связан с цементом. Производство этого компонента требует нагревания и обработки известняка и сопровождается значительными выбросами углекислого газа. Поэтому исследователи ищут материалы, способные частично заменить цемент без существенного ухудшения характеристик бетона.

Один из таких вариантов предложила группа под руководством инженера-строителя Рагувеша Тивари из Манипальского университета в Джайпуре. В статье, принятой к публикации в журнале Scientific Reports, ученые описали результаты испытаний бетона с биоуглем из фекального осадка.

Почему для замены цемента выбрали биоуголь

Биоуголь — богатый углеродом материал, который получают при нагревании органического сырья в среде с низким содержанием кислорода. Для его производства можно использовать древесину, опилки, рисовую шелуху и другие органические отходы.

Источником сырья может служить и фекальный осадок, образующийся при очистке человеческих отходов. По приведенным в статье данным, один человек производит до 400 граммов фекалий в сутки. В масштабах крупных городов это создает значительный поток отходов, требующий безопасной переработки.

В Индии работают установки по очистке фекального осадка. Исследователи предположили, что после пиролиза этот материал можно использовать как добавку к бетону и одновременно сократить расход цемента.

Как проходил эксперимент

Фекальный осадок получили на очистных сооружениях в Варангале. Сначала его высушили, затем нагрели при температуре от 350 до 450 градусов Цельсия в среде с низким содержанием кислорода. Полученный биоуголь измельчили и просеяли до состояния мелкого порошка.

Этим порошком заменяли 5, 10 и 15% цемента в обычной бетонной смеси. Образцы испытывали по нескольким показателям: прочности на сжатие и изгиб, усадке при высыхании, водопоглощению и пористости.

Какие смеси показали лучшие результаты

Наиболее сбалансированные характеристики показал бетон, в котором биоуглем заменили 5% цемента. Такая смесь в целом была прочнее, меньше поглощала воду, имела более низкую пористость и давала меньшую усадку при высыхании по сравнению с обычным бетоном.

Образцы продолжали набирать прочность по мере твердения. Через 91 день для смеси с 5-процентной долей биоугля исследователи зафиксировали средний прирост прочности на сжатие на 20%, а прочности на изгиб — на 36%.

При замещении 10% цемента прирост составил 21% для прочности на сжатие и 42% для прочности на изгиб. По водопоглощению, пористости и усадке такая смесь в целом оставалась сопоставимой с обычным бетоном.

Увеличение доли биоугля до 15% ухудшило результат. Бетон продолжал набирать прочность при твердении, но по итоговым показателям уступал смесям с 5- и 10-процентным замещением цемента.

Почему биоуголь влияет на прочность

Исследователи связывают эффект сразу с несколькими свойствами материала. Биоуголь имеет пористую структуру и способен поглощать воду, а затем постепенно отдавать ее в процессе твердения бетона. Частицы работают как внутренние резервуары, поддерживающие химические реакции гидратации цемента.

Кроме того, биоуголь из фекального осадка содержит кремнезем. Он может реагировать с соединениями, которые образуются при твердении цемента, способствуя формированию дополнительных силикатов кальция. Такой механизм относится к пуццолановым реакциям.

Мелкие частицы биоугля также заполняют пустоты между компонентами смеси, повышая ее плотность и улучшая сцепление. Микроскопическое исследование показало, что бетон с 5% биоугля имел более плотную и связанную структуру, чем контрольный образец.

При доле 15% эффект оказался обратным: в структуре появлялось больше пор, трещин и участков с недостаточным сцеплением. Это объясняет снижение прочности при повышенной дозировке добавки.

Что еще предстоит проверить

Полученные результаты пока не означают, что материал готов к массовому применению. Авторы отмечают необходимость дополнительных испытаний в условиях циклов замерзания и оттаивания, засоления и экстремальных температур.

Отдельный вопрос — тяжелые металлы, которые могут накапливаться в осадке сточных вод. Их фиксация в бетоне потенциально способна снизить экологические риски, однако пока неизвестно, насколько надежно такие вещества будут удерживаться в материале и не начнут ли они вымываться со временем.

Исследование также не оценивало влияние технологии на выбросы углекислого газа. Поэтому говорить о полном экологическом балансе такого решения преждевременно.

Тем не менее эксперимент показывает, что биоуголь из фекального осадка может рассматриваться как частичная замена цемента. При подходящей дозировке он позволяет использовать отходы и одновременно сохранять либо улучшать отдельные характеристики бетона.

Фото: Tiwari et al., Sci. Rep., 2026