Slecht nieuws als je van edelstenen houdt: al die sprankelende steentjes leveren vooral een enorme hoop afval op tijdens het polijsten. Dit afval eindigt vaak op stortplaatsen waar het nauwelijks vergaat en een hoop ruimte inneemt. Wetenschappers komen nu met een innovatieve oplossing: als toevoeging aan cement.
Het afval dat wordt geproduceerd tijdens het polijsten van edelstenen bevat vaak veel siliciumcarbide. Uit een nieuw onderzoek blijkt dat dit kan functioneren als een veelbelovend cementadditief. Chinese onderzoekers van Wuzhou University en Guangzhou University laten in AIP Advances zien dat dit afval zelfs bijzondere eigenschappen aan cement kan geven: de thermische geleidbaarheid van cement wordt tot 159 procent verhoogd en de elektrische weerstand tot 94% verlaagt. Daarmee kan het materiaal gebruikt worden voor ‘slimme’ bouwtoepassingen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het geleiden van hitte van warme of koude buizen die in het cement liggen, waardoor ook de muren kunnen helpen om de temperatuur in de kamer te regelen.
Enorme druk
Met het onderzoek probeert het team twee vliegen in één klap te slaan. Het productieproces van cement staat namelijk bekend als één van de grootste bronnen van CO₂-uitstoot ter wereld. Door het afval van de edelsteenindustrie als toevoeging in cement te gebruiken hoopt het team zowel de milieu-impact van cement als van het afval te temperen.
“De studie haalt zijn inspiratie uit de milieuproblematiek rondom polijstafval,” zegt hoofdwetenschapper Xiaowei Ouyang. “Samen oefenen de cementindustrie en de edelsteenindustrie een enorme druk uit op het klimaat: cement is een grote CO₂-uitstoter en edelsteenpolijstafval verergert stortproblemen wereldwijd. Ons onderzoek biedt een manier om afval nuttig te gebruiken en tegelijkertijd klimaatdoelen te ondersteunen.”
De onderzoekers kozen voor een brede aanpak om het effect van siliciumcarbide in cement te kunnen doorgronden. Op moleculair niveau maten ze hoe de deeltjes met ionen – vooral calciumionen die onmisbaar zijn voor het verhardingsproces – met elkaar reageren. Vervolgens brachten ze de poriestructuur en de mogelijke vorming van minuscule microbarsten in kaart. Uiteindelijk testten ze ook andere materiaaleigenschappen zoals sterkte, thermische geleidbaarheid en hoe goed het elektriciteit kan geleiden. Die grondige aanpak op verschillende niveaus maakt het mogelijk om volledig te begrijpen wat de toevoeging precies doet.
Supercement
De resultaten mogen er zijn: door siliciumcarbide-rijk polijstafval toe te voegen neemt de thermische geleidbaarheid in het cement fors toe en daalt de elektrische weerstand sterk. Hierdoor kan het nieuwe ‘supercement’ ingezet worden voor tal van nieuwe toepassingen: denk bijvoorbeeld aan ingebedde sensoren in bruggen die via veranderende geleidbaarheid vroegtijdig schade signaleren.
“Het meest fascinerende was om te zien hoe interacties tussen ionen op nanoschaal direct invloed hadden op eigenschappen zoals geleidbaarheid,” zegt Ouyang. “We waren echt verrast dat polijstafval zoveel goeds kon doen voor het cement. De kwalificatie als ‘slim’ materiaal kwam volledig onverwacht.”
Belangrijk is ook om te benadrukken wat nog niet helemaal lekker loopt: de siliciumcarbide-deeltjes bleken niet goed te binden met de aanwezige calciumionen. Dat is best een probleem: precies die ionen zijn bepalend voor het uitharden en ook de microstructuur van cement.
Het team ziet die kennis echter niet als een showstopper, maar vooral als een handleiding. Door te kijken naar waarom de verbinding zwak is kunnen materiaalontwerpers mogelijk bijsturen. De volgende stap is dan ook helder: de onderzoekers willen het mengsel verder optimaliseren. Als dat lukt zou siliciumcarbide-afval kunnen uitgroeien tot een standaard cementadditief.
Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week?
Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!
Luister ook naar de Scientias Podcast:
