science >> Wetenschap >  >> Chemie

Natures antivries biedt formule voor duurzamer beton

Deze afbeelding laat zien hoe ijskristallen die binden met de polymeermoleculen dynamische ijsvorming ervaren, veranderen van een bol in een afgeronde zeshoek, dat de onderzoekers 'citroenijs' noemen. Krediet:laboratorium voor levende materialen, Universiteit van Colorado Boulder

Geheimen voor het versterken van de duurzaamheid van onze toekomstige infrastructuur kunnen uit de natuur komen, zoals eiwitten die ervoor zorgen dat planten en dieren niet bevriezen in extreem koude omstandigheden. CU Boulder-onderzoekers hebben ontdekt dat een synthetisch molecuul op basis van natuurlijke antivries-eiwitten vries-dooischade minimaliseert en de sterkte en duurzaamheid van beton verhoogt, het verbeteren van de levensduur van nieuwe infrastructuur en het verminderen van de koolstofemissies gedurende de levensduur ervan.

Ze ontdekten dat het toevoegen van een biomimetisch molecuul - een die antivriesverbindingen nabootst die worden aangetroffen in Arctische en Antarctische organismen - aan beton effectief de groei van ijskristallen en daaropvolgende schade voorkomt. Deze nieuwe methode, vandaag gepubliceerd in Celrapporten Fysische Wetenschap , daagt meer dan 70 jaar conventionele benaderingen uit om vorstschade in betonnen infrastructuur te verminderen.

"Niemand denkt aan beton als een hightech materiaal, " zei Wil Srubar III, auteur van de nieuwe studie en assistent-professor civiele, milieu- en bouwkunde. "Maar het is veel meer hightech dan je zou denken. In het licht van klimaatverandering, het is van cruciaal belang om niet alleen aandacht te besteden aan de manier waarop we beton en andere bouwmaterialen vervaardigen die bij de productie veel koolstofdioxide uitstoten, maar ook hoe we zorgen voor de veerkracht op lange termijn van die materialen."

Beton wordt gevormd door water te mengen, cementpoeder en diverse aggregaten, zoals zand of grind.

Sinds de jaren dertig, er zijn kleine luchtbelletjes in het beton gestoken om het te beschermen tegen water- en ijskristalschade. Hierdoor krijgt elk water dat in het beton sijpelt ruimte om uit te zetten wanneer het bevriest. Zonder het, het oppervlak van beschadigd beton zal afschilferen.

Maar dit kieskeurige proces kan kosten met zich meebrengen, afnemende sterkte en toenemende doorlaatbaarheid. Hierdoor kunnen strooizout en andere chemicaliën in het beton uitlogen, die vervolgens het binnenin ingebedde staal kan degraderen.

"Terwijl je een probleem oplost, je verergert eigenlijk een ander probleem, ’ zei Srubar.

Deze afbeelding laat zien hoe beton met biomimetisch antivriespolymeer na 30 vries-dooicycli geen tekenen van spatten vertoont Credit:Living Materials Laboratory, Universiteit van Colorado Boulder

Aangezien de VS te maken heeft met een aanzienlijke hoeveelheid verouderde infrastructuur in het hele land, Jaarlijks worden miljarden dollars uitgegeven om schade te beperken en te voorkomen. Dit nieuwe biomimetische molecuul, echter, kosten drastisch kunnen verlagen.

Bij testen, beton gemaakt met dit molecuul - in plaats van luchtbellen - bleek gelijkwaardige prestaties te hebben, hogere sterkte, lagere doorlaatbaarheid en een langere levensduur.

Met een patent aangevraagd, Srubar hoopt dat deze nieuwe methode binnen 5 tot 10 jaar op de commerciële markt zal komen.

Deze afbeelding laat zien hoe beton met biomimetisch antivriespolymeer na het vriezen en ontdooien geen tekenen van afspatten vertoont. Krediet:laboratorium voor levende materialen, Universiteit van Colorado Boulder

De natuur vindt een weg

Van het onder het vriespunt van Antarctica tot de ijskoude toendra's van het noordpoolgebied, veel planten, vis, insecten en bacteriën bevatten eiwitten die voorkomen dat ze bevriezen. Deze antivries-eiwitten binden zich aan het oppervlak van ijskristallen in een organisme op het moment dat ze zich vormen - ze houden ze echt, heel klein, en kan geen schade aanrichten.

"Dat vonden we best slim, " zei Srubar. "De natuur had al een manier gevonden om dit probleem op te lossen."

Beton lijdt aan hetzelfde probleem van ijskristalvorming, die eerdere ingenieurs hadden geprobeerd te verminderen door luchtbellen toe te voegen. Dus Srubar en zijn team dachten:waarom niet een hoop van dit eiwit verzamelen, en in beton gieten?

Helaas, deze eiwitten die in de natuur voorkomen, worden niet graag uit hun natuurlijke omgeving verwijderd. Ze ontrafelen of desintegreren, zoals te gaar spaghetti.

Beton is ook extreem basaal, met een pH die gewoonlijk hoger is dan 12 of 12,5. Dit is geen vriendelijke omgeving voor de meeste moleculen, en deze eiwitten waren geen uitzondering.

Dus Srubar en zijn afgestudeerde studenten gebruikten een synthetisch molecuul:polyvinylalcohol, of PVA - dat zich precies zo gedraagt ​​als deze antivries-eiwitten, maar veel stabieler is bij een hoge pH, en combineerde het met een andere niet-toxische, robuust molecuul - polyethyleenglycol - dat vaak in de farmaceutische industrie wordt gebruikt om de circulatietijd van geneesmiddelen in het lichaam te verlengen. Deze moleculaire combinatie van twee polymeren bleef stabiel bij een hoge pH en remde de groei van ijskristallen.

Verhoogde stressoren

Na water, beton is het op één na meest verbruikte materiaal op aarde:er wordt jaarlijks twee ton per persoon geproduceerd. Dat is een nieuwe stad in New York die de komende 32 jaar elke 35 dagen wordt gebouwd. volgens Srubar.

"De vervaardiging ervan, gebruik en verwijdering hebben aanzienlijke gevolgen voor het milieu. De productie van cement alleen, het poeder dat we gebruiken om beton te maken, is verantwoordelijk voor ongeveer 8 procent van onze wereldwijde CO 2 uitstoot."

Om de doelstellingen van de Overeenkomst van Parijs te halen en de wereldwijde temperatuurstijging ruim onder de 3,6 graden Fahrenheit te houden, de bouwsector moet de uitstoot tegen 2030 met 40 procent verminderen en tegen 2050 volledig elimineren. De klimaatverandering zelf zal de stressfactoren voor beton en verouderende infrastructuur alleen maar verergeren, met verhoogde extreme temperaturen en vries- en dooicycli die op sommige geografische locaties vaker voorkomen.

"De infrastructuur die vandaag wordt ontworpen, zal in de toekomst te maken krijgen met verschillende klimatologische omstandigheden. In de komende decennia zullen materialen worden getest op een manier die ze nog nooit eerder hebben gedaan, "zei Srubar. "Dus het beton dat we maken, moet lang meegaan."