Natures frostvæske giver en formel for mere holdbar beton

Hemmeligheder til at cementere bæredygtigheden af ​​vores fremtidige infrastruktur kan komme fra naturen, såsom proteiner, der forhindrer planter og dyr i at fryse under ekstremt kolde forhold. CU Boulder-forskere har opdaget, at et syntetisk molekyle baseret på naturlige frostvæskeproteiner minimerer fryse-tø-skader og øger betonens styrke og holdbarhed. forbedre levetiden af ​​ny infrastruktur og reducere kulstofemissioner i løbet af dens levetid.

De fandt ud af, at tilsætning af et biomimetisk molekyle - et, der efterligner frostvæskeforbindelser, der findes i arktiske og antarktiske organismer - til beton effektivt forhindrer iskrystalvækst og efterfølgende skade. Denne nye metode, udgivet i dag i Cell Rapporter Fysisk Videnskab , udfordrer mere end 70 års konventionelle tilgange til at afbøde frostskader i betoninfrastruktur.

"Ingen tænker på beton som et højteknologisk materiale, " sagde Wil Srubar III, forfatter til den nye undersøgelse og adjunkt i civil, miljø- og bygningsteknik. "Men det er meget mere højteknologisk, end man skulle tro. Over for klimaforandringerne, det er vigtigt at være opmærksom på ikke kun, hvordan vi fremstiller beton og andre byggematerialer, der afgiver meget kuldioxid i deres produktion, men også hvordan vi sikrer den langsigtede modstandsdygtighed af disse materialer."

Beton dannes ved at blande vand, cementpulver og forskellige tilslag, som sand eller grus.

Siden 1930'erne, der er sat små luftbobler i beton for at beskytte den mod vand- og iskrystalskader. Dette giver alt vand, der siver ind i betonen, plads til at udvide sig, når det fryser. Uden det, overfladen af ​​beskadiget beton vil flage af.

Men denne kræsne proces kan have en pris, faldende styrke og øget permeabilitet. Dette gør det muligt for vejsalte og andre kemikalier at trække ud i betonen, som derefter kan nedbryde stål indlejret indeni.

"Mens du løser et problem, du forværrer faktisk et andet problem, sagde Srubar.

Da USA står over for en betydelig mængde aldrende infrastruktur over hele landet, milliarder af dollars bruges hvert år på at afbøde og forhindre skader. Dette nye biomimetiske molekyle, imidlertid, kunne reducere omkostningerne dramatisk.

I test, beton lavet med dette molekyle - i stedet for luftbobler - viste sig at have tilsvarende ydeevne, højere styrke, lavere permeabilitet og længere levetid.

Med et patent anmeldt, Srubar håber, at denne nye metode vil komme ind på det kommercielle marked i løbet af de næste 5 til 10 år.

Naturen finder en vej

Fra Antarktis under frysepunktet til de iskolde tundraer i Arktis, mange planter, fisk, insekter og bakterier indeholder proteiner, der forhindrer dem i at fryse. Disse frostvæskeproteiner binder sig til overfladen af ​​iskrystaller i en organisme i det øjeblik, de dannes – holder dem virkelig, rigtig lille, og ude af stand til at gøre nogen skade.

"Vi syntes, det var ret smart, " sagde Srubar. "Naturen havde allerede fundet en måde at løse dette problem på."

Beton lider af det samme problem med dannelse af iskrystaller, som tidligere ingeniører havde forsøgt at afbøde ved at tilføje luftbobler. Så Srubar og hans team tænkte:Hvorfor ikke samle en masse af dette protein, og sætte det i beton?

Desværre, disse proteiner, der findes i naturen, kan ikke lide at blive fjernet fra deres naturlige miljøer. De optrævler eller går i opløsning, gerne overkogt spaghetti.

Beton er også ekstremt grundlæggende, med en pH sædvanligvis over 12 eller 12,5. Dette er ikke et venligt miljø for de fleste molekyler, og disse proteiner var ingen undtagelse.

Så Srubar og hans kandidatstuderende brugte et syntetisk molekyle - polyvinylalkohol, eller PVA - der opfører sig nøjagtigt som disse frostvæskeproteiner, men er meget mere stabil ved en høj pH, og kombinerede det med en anden ikke-giftig, robust molekyle - polyethylenglycol - ofte brugt i medicinalindustrien til at forlænge cirkulationstiden for lægemidler i kroppen. Denne molekylære kombination af to polymerer forblev stabil ved en høj pH og inhiberede iskrystalvækst.

Øgede stressfaktorer

Efter vand, beton er det næstmest forbrugte materiale på jorden:To tons pr. person fremstilles hvert år. Det er en ny New York City, der bygges hver 35. dag i mindst de næste 32 år, ifølge Srubar.

"Dens fremstilling, brug og bortskaffelse har betydelige miljømæssige konsekvenser. Fremstilling af cement alene, pulveret, som vi bruger til at lave beton, er ansvarlig for omkring 8 procent af vores globale CO ₂ emissioner. "

For at opfylde Paris-aftalens mål og holde den globale temperaturstigning et godt stykke under 3,6 grader Fahrenheit, byggeindustrien skal reducere emissionerne med 40 procent inden 2030 og eliminere dem helt i 2050. Klimaændringer i sig selv vil kun forværre stressfaktorer på beton og ældende infrastruktur, med øgede ekstreme temperaturer og fryse- og tøcyklusser, der forekommer oftere på nogle geografiske steder.

"Den infrastruktur, som er designet i dag, vil stå over for forskellige klimatiske forhold i fremtiden. I de kommende årtier, materialer vil blive testet på en måde, de aldrig har været før, " sagde Srubar. "Så den beton, vi laver, skal holde."