Het moeilijkste aan beton is misschien wel het probleem hoe het alomtegenwoordige bouwmateriaal op een milieuvriendelijke manier kan worden gemaakt. Recente laboratoriumresultaten van Princeton University geven aan dat de uitdaging om groener beton te maken uiteindelijk kan worden gekraakt.

Beton baart zorgen over klimaatverandering omdat de productie ervan het belangrijkste onderdeel is, Portlandcement, is verantwoordelijk voor maar liefst 8 procent van de menselijke uitstoot van kooldioxide. Nog erger vanuit milieuoogpunt, voorspellers voorspellen dat de productie van Portlandcement de komende 30 jaar zal verdubbelen.

Er zijn mogelijke vervangingen voor Portlandcement. een optie, alkali-geactiveerde materialen genoemd, belooft dezelfde functie uit te voeren en cementgerelateerde koolstofemissies tot 90 procent te verminderen. Studies hebben aangetoond dat alkali-geactiveerde materialen net zo sterk zijn als Portlandcement. Maar er zijn relatief weinig langetermijngegevens over de duurzaamheid van het groenere cement - een belangrijke vraag voor iemand die een structuur bouwt die tientallen jaren of langer meegaat.

Onderzoekers van Princeton en andere instellingen hebben gewerkt om het gebrek aan informatie over de nieuwe cementvervangingen aan te pakken. Claire Wit, een assistent-professor civiele en milieutechniek en het Andlinger Centrum voor Energie en Milieu, zei dat het in het laboratorium een ​​uitdaging kan zijn om de duurzaamheid van beton op lange termijn nauwkeurig te simuleren. Maar de informatie is van cruciaal belang als de industrie het materiaal wil gebruiken.

"Een van de redenen dat alkali-geactiveerde materialen niet op grote schaal worden gebruikt, is een gebrek aan testnormen op nationaal niveau, ' zei Wit.

In recente jaren, De onderzoeksgroep van White heeft verschillende methoden gebruikt om zowel de duurzaamheid op lange termijn van cementalternatieven te meten als manieren voor te stellen om de zwakke punten van materialen te elimineren. In een rapport, haar team keek naar kleine scheurtjes die ontstaan ​​naarmate sommige alkali-geactiveerde materialen ouder worden; omdat de scheuren de sterkte in de loop van de tijd aanzienlijk kunnen verminderen, de onderzoekers stelden voor om kleine hoeveelheden zinkoxide-nanodeeltjes toe te voegen om het kraken te verminderen.

"We gebruiken en bestuderen al bijna 200 jaar Portlandcement, dus we begrijpen veel over hoe ze in de loop van de tijd en onder verschillende omgevingsomstandigheden verslechteren, " zei Maria Jünger, een professor in de afdeling civiele, architectuur- en milieutechniek aan de Universiteit van Texas-Austin. Anderzijds, Jünger zei, "Alkali-geactiveerde materialen zijn een nieuw beest, en we moeten veel energie steken in het bestuderen van hun duurzaamheid voordat we ze in constructies kunnen gebruiken [omdat] onvoorziene storingen kostbaar kunnen zijn."

In een artikel gepubliceerd op 15 juni in de Tijdschrift van de American Ceramic Society , White's onderzoeksteam beschrijft een nieuwe benadering om de doorlaatbaarheid van het alkali-geactiveerde materiaal te evalueren. Permeabiliteit is een kritieke zwakte voor cement omdat chemicaliën zoals kooldioxide, sulfaten of chloride die in een betonstructuur binnendringen, kunnen het beton verzwakken en het staal dat als wapening voor de meeste moderne gebouwen wordt gebruikt, aantasten.

Doorlaatbaarheid is een belangrijke maatstaf voor de duurzaamheid van cement, maar het is heel moeilijk om nauwkeurig te meten in een laboratorium, Wit legde het uit. Dat komt omdat de meest gebruikelijke methoden om de permeabiliteit te testen, onderzoekers vereisen dat ze het cement voorbehandelen of hoge druk gebruiken om vloeistof door een monster te persen. Beide maken de test minder representatief voor de omstandigheden in de echte wereld.

Om dit probleem op te lossen, White's onderzoeksteam gebruikte een methode die een bundelbuigingstest wordt genoemd, die doorgaans niet wordt gebruikt om de permeabiliteit te meten. Bij de proef, een horizontale cilinder van cement wordt aan beide uiteinden ondersteund terwijl een neerwaartse kracht wordt uitgeoefend tegen het middelpunt van de bovenzijde van de cilinder, waardoor het afbuigt. Door te meten hoe de cilinder in de loop van de tijd op de doorbuiging reageert, de onderzoekers konden berekenen hoe de vloeistof door de kleine poriën in het cement beweegt.

In een reeks testen, Catharina Eiben, een voormalige afgestudeerde student in White's lab, de permeabiliteit gemeten van alkali-geactiveerd materiaal gemaakt van een natriumhydroxide-oplossing en slakken, een bijproduct van de ijzerproductie. Anna Blyth, een opkomende senior, nog een reeks metingen uitgevoerd met het materiaal, maar veranderde de oplossing zodat het materiaal oplosbaar silica bevatte. De onderzoekers ontdekten dat de eerste versie van alkali-geactiveerd materiaal meer doorlaatbaar was dan Portland-cement; maar de silica-versie had een aanzienlijk lagere permeabiliteit.

"Het was best spannend", zei Blyth, die de tests uitvoerde als onderdeel van haar niet-gegradueerde onafhankelijk onderzoek. "Het werk dat professor White in haar laboratorium doet, heeft belangrijke implicaties voor de industrie en zal hopelijk helpen om normen en codes te creëren om de implementatie van milieuvriendelijke alternatieven voor Portland-cement aan te pakken."

White zei dat de bevindingen een bemoedigende stap zijn. Maar ze zei dat het de weg niet helemaal vrijmaakt voor het nieuwe type cement. Hoewel permeabiliteit een belangrijke maatstaf is voor duurzaamheid, monsters met een lage permeabiliteit kunnen andere potentiële problemen hebben.

"Het type materiaal dat heel goed presteert op doorlaatbaarheid - die met zeer kleine poriegroottes - is soms kwetsbaar voor microscheurtjes, " zei ze. "We weten dat dat geldt voor deze silicaat-geactiveerde slakkencementen."

White zei dat toekomstig werk in haar laboratorium van plan is om de krakende vraag aan te pakken.

"We willen nieuwe methoden ontwikkelen om nauwkeurige gegevens te verkrijgen over hoe deze materialen in de loop van de tijd zullen presteren, " zei ze. "Dit zal helpen bij de implementatie van duurzame alternatieven in de bouwsector."