Een zelfherstellend cement ontwikkeld door Pacific Northwest National Laboratory kan beter presteren dan conventioneel beton, het aanbieden van een potentieel vervuilingsvoorkomende technologie voor de groeiende geothermische industrie.

Deze baanbrekende combinatie maakt gebruik van een flexibel ingrediënt, een polymeer, om gebroken oppervlakken te repareren en scheuren op te vullen, het minimaliseren van mechanische storingsrisico's en het aanbieden van een duurzame energiebron.

Chemicus Carlos Fernandez en zijn team in samenwerking met Simerjeet Gill van Brookhaven National Laboratory, de helende eigenschappen van het polymeer beschrijven en hoe het de mechanische prestaties van cement in een papier kan verbeteren, "Inzichten in de fysische en chemische eigenschappen van een cement-polymeercomposiet ontwikkeld voor toepassingen in geothermische boorputten, " in Cement en betoncomposieten .

Financiering voor het onderzoek werd verstrekt door het Department of Energy's Geothermal Technologies Office.

Polymeren onder druk

Van cement dat in geothermische putten wordt gebruikt, is bekend dat het barst onder druk en in omgevingen met hoge temperaturen die verband houden met het boren naar geothermische energie. Het doel van de paper van het team was om te zien hoe het zelfherstellende cement zich zou houden wanneer het werd getest tegen conventioneel cement in deze extreme hitte. Door middel van verschillende testen, uitgevoerd bij PNNL en BNL's National Synchroton Light Source II, het team ontdekte dat de zelfherstellende cementtechnologie de noodzaak om te verwijderen, kon elimineren, repareren en vervangen van gebarsten cementputten.

PNNL-onderzoekers testten de sterkte en reacties van hun zelfherstellende cement op mechanische belasting en voerden analyses uit van het oppervlak, chemische samenstelling, en oppervlaktetopografie. De tests bevestigden dat het zelfherstellende cement een belangrijk alternatief is voor conventioneel cement omdat het flexibel is en autonoom scheuren geneest.

De flexibiliteit wordt toegeschreven aan chemisch "zachte" of flexibele binding tussen de atomen in het polymeer en cement. Deze zachte binding maakt grote vervormingen mogelijk die in het cement kunnen worden opgenomen zonder de bindingen te verbreken. Dit werd voorspeld door middel van computationele modellering gedaan door Vanda Glezakou van PNNL. Het polymeer voegt 60 tot 70 procent meer elasticiteit toe aan het cement wanneer het wordt toegevoegd, het verminderen van breuken in het cement, Dat meldt Fernandez in de krant.

Zelfstandig, polymeren zijn groot, ketenachtige moleculen die stoffen bij elkaar houden en die van nature in het menselijk lichaam voorkomen. Wanneer toegevoegd aan cement, polymeren voegen flexibiliteit toe aan bros materiaal en zorgen ervoor dat scheuren zich niet snel verspreiden. Het polymeer laat los, migreert naar de spleet, en hecht terug om de spleet te vullen. Er was een vermindering van 87 procent in scheurgrootte toen het polymeer aan het beton werd toegevoegd.

De toekomst cementeren

Cement is het op één na grootste verbruiksartikel ter wereld, na water. Dus, het vinden van een manier om cement nog effectiever te maken, zou een game changer kunnen zijn, niet alleen voor de geothermische industrie, maar voor de bouwsector in het algemeen.

"Het idee zou zijn om het over een paar jaar uit te breiden tot alles, "Zei Fernandez. "The sky is the limit."

De cementindustrie verdient jaarlijks meer dan $ 37 miljard. Echter, kraakcement kost alleen al gemiddeld $ 12 miljard per jaar om de infrastructuur te repareren. De combinatie van polymeer en cement kan een besparing van 3,4 miljard dollar per jaar opleveren voor infrastructuren zoals dammen, installaties voor nucleair afval, en wolkenkrabbers, Fernandez voorspelt. Dit kan leiden tot minder wegafsluitingen en onderhoudsreparaties die wegen verstoppen en ongemak veroorzaken voor het dagelijkse woon-werkverkeer.

Net als een led-lamp, het polymeercement kan op lange termijn besparingen opleveren. Conventioneel cement is 5 cent per pond. De geschatte kosten voor het polymeercement zijn 30 tot 35 cent per pond. Echter, het zou de levensduur van op beton gebaseerde constructies met 30 tot 50 jaar kunnen verlengen, zei Fernandez.

Voor de olie-industrie specifiek, waar hoge temperaturen een constante zijn, het verwijderen en vervangen van gescheurd beton is tijdrovend, dure onderneming, zei Fernandez. Het vervangen van conventioneel cement door zelfherstellend cement kan een besparing opleveren van miljoenen dollars.

Het zelfherstellende cement kan ook worden gebruikt bij nucleaire afvalfaciliteiten en waterkrachtdammen waar scheuren in de constructies en mechanisch falen kunnen leiden tot overstromingen of verontreiniging. Kostbare jaarlijkse en halfjaarlijkse inspecties en reparaties kunnen in aantal afnemen, zei Fernandez. Door de flexibele aard van het zelfherstellende cement is het ook bestand tegen grotere mechanische belasting door natuurrampen en extreme weersomstandigheden zoals aardbevingen of harde wind.

Een concreet alternatief voor het milieu

Zelfherstellend cement kan grote zorgen over het afdichten van boorputten voor olie, gas, en aardwarmteproductie. Lekkages in boorputten veroorzaken verontreiniging en beperken de mogelijkheid om alternatieven voor schone energie te leveren. Deze lekken vervuilen watervoerende lagen en oppervlaktewateren.

Andere zelfherstellende polymeer-cementmengsels die zijn ontwikkeld voor de olie- en gasindustrie hebben vaak slechte mechanische eigenschappen en zijn niet bestand tegen de hoge temperaturen die in geothermische putten worden aangetroffen.

"De ontwikkeling van een zelfherstellende polymeer-cementcombinatie die functioneel is in geothermische omgevingen, zou een baanbrekende technologie kunnen zijn voor de groei van de geothermische energie-industrie, ', meldt het team in de krant.

Er zijn grote geothermische energiereserves in het hele land en over de hele wereld die niet in gebruik zijn omdat boorputcement faalt bij hoge temperaturen en in chemisch corrosieve omgevingen. Geothermische energie is thermische energie die de aarde opwekt en opslaat. Met verbeteringen zoals zelfherstellend cement, geothermie heeft de potentie om een ​​toepasbare, duurzame energiebron. Het zelfherstellende cement kan aanzienlijke energie leveren met een minimale afgifte van koolstof aan de atmosfeer.

Aanvullend, tienduizenden tonnen conventioneel cement belanden op stortplaatsen, zei Fernandez. Met de verlenging van meer dan 30 jaar extra gebruik van het composiet, er zou minder cement naar stortplaatsen gaan.