Van cellulose-nanokristallen afgeleid van industriële bijproducten is aangetoond dat ze de sterkte van beton verhogen, vertegenwoordigt een potentieel hernieuwbaar additief om het alomtegenwoordige bouwmateriaal te verbeteren.

De cellulose-nanokristallen (CNC's) kunnen worden verfijnd uit bijproducten die in het papier worden gegenereerd, bio-energie, landbouw en pulpindustrie. Ze worden gewonnen uit structuren die cellulosemicrofibrillen worden genoemd, die helpen planten en bomen hun hoge sterkte te geven, lichtgewicht en veerkracht. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Purdue University hebben aangetoond dat de cellulose nanokristallen de treksterkte van beton met 30 procent kunnen verhogen.

"Dit is een overvloedige hernieuwbaar materiaal dat kan worden geoogst uit cellulosegrondstoffen van lage kwaliteit die al in verschillende industriële processen worden geproduceerd, " zei Pablo Zavattieri, een universitair hoofddocent aan de Lyles School of Civil Engineering.

De cellulose-nanokristallen kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe klasse van biomaterialen te creëren met brede toepassingen, zoals het versterken van bouwmaterialen en auto-onderdelen.

Onderzoeksresultaten werden in februari gepubliceerd in het tijdschrift Cement en betoncomposieten . Het werk werd uitgevoerd door Jason Weiss, Purdue's Jack en Kay Hockema hoogleraar civiele techniek en directeur van het Pankow Materials Laboratory; Robert J. Moon, een onderzoeker van het Forest Products Laboratory van de U.S. Forest Service; Jeffrey Jongbloed, een universitair hoofddocent materiaalkunde; promovendus Yizheng Cao; en Zavattieri.

Een factor die de sterkte en duurzaamheid van het huidige beton beperkt, is dat niet alle cementdeeltjes gehydrateerd zijn nadat ze zijn gemengd, waardoor poriën en defecten achterblijven die de sterkte en duurzaamheid belemmeren.

"Dus, in essentie, we gebruiken niet 100 procent van het cement, ' zei Zavattieri.

Echter, de onderzoekers hebben ontdekt dat de cellulose nanokristallen de hydratatie van het betonmengsel verhogen, waardoor meer ervan kan uitharden en mogelijk de structuur van beton kan veranderen en versterken. Als resultaat, er hoeft minder beton gebruikt te worden.

De nanokristallen van cellulose zijn ongeveer 3 tot 20 nanometer breed en 50-500 nanometer lang - of ongeveer 1/1, 000ste van de breedte van een zandkorrel - waardoor ze te klein zijn om met lichtmicroscopen te bestuderen en moeilijk te meten met laboratoriuminstrumenten. Ze komen uit verschillende biologische bronnen, voornamelijk bomen en planten.

Het beton werd bestudeerd met behulp van verschillende analytische en beeldvormende technieken. Omdat chemische reacties bij het uitharden van beton exotherm zijn, bij sommige tests werd de hoeveelheid vrijgekomen warmte gemeten, wat wijst op een toename van de hydratatie van het beton. De onderzoekers veronderstelden ook de precieze locatie van de nanokristallen in de cementmatrix en leerden hoe ze interageren met cementdeeltjes in zowel vers als verhard beton. De nanokristallen bleken kleine inhammen te vormen voor water om beter in het beton te dringen.

Het onderzoek sluit aan bij de doelstellingen van P3Nano, een publiek-private samenwerking ter ondersteuning van de ontwikkeling en het gebruik van op hout gebaseerd nanomateriaal voor een breed scala aan commerciële producten.

"Het idee is om Purdue te ondersteunen en te helpen de CNC-cementtechnologie verder te ontwikkelen voor grootschalige veldproeven en het potentieel voor commercialisering, ' zei Zavattieri.