Naturlige nanokrystaller har vist sig at styrke beton

Cellulose nanokrystaller afledt af industrielle biprodukter har vist sig at øge styrken af ​​beton, repræsenterer et potentielt vedvarende additiv til at forbedre det allestedsnærværende byggemateriale.

Cellulose nanokrystallerne (CNC'er) kunne raffineres fra biprodukter genereret i papiret, bioenergi, landbrug og papirmasseindustri. De udvindes fra strukturer kaldet cellulosemikrofibriller, som er med til at give planter og træer deres høje styrke, let og modstandsdygtig. Nu, forskere ved Purdue University har påvist, at cellulosenanokrystallerne kan øge betonens trækstyrke med 30 procent.

"Dette er en rigelig, vedvarende materiale, der kan høstes fra celluloseråvarer af lav kvalitet, der allerede produceres i forskellige industrielle processer, " sagde Pablo Zavattieri, en lektor ved Lyles School of Civil Engineering.

Cellulose nanokrystallerne kan bruges til at skabe en ny klasse af biomaterialer med vidtgående anvendelser, såsom styrkelse af byggematerialer og bilkomponenter.

Forskningsresultater blev offentliggjort i februar i tidsskriftet Cement- og betonkompositter . Værket blev udført af Jason Weiss, Purdues Jack og Kay Hockema professor i civilingeniør og direktør for Pankow Materials Laboratory; Robert J. Moon, en forsker fra U.S. Forest Service's Forest Products Laboratory; Jeffrey Youngblood, en lektor i materialeteknik; ph.d.-studerende Yizheng Cao; og Zavattieri.

En faktor, der begrænser styrken og holdbarheden af ​​nutidens beton, er, at ikke alle cementpartiklerne er hydreret efter at være blevet blandet, efterlader porer og defekter, der hæmmer styrke og holdbarhed.

"Så, i det væsentlige, vi bruger ikke 100 procent af cementen, " sagde Zavattieri.

Imidlertid, forskerne har opdaget, at cellulosenanokrystallerne øger hydreringen af ​​betonblandingen, lader mere af det hærde og potentielt ændre betonens struktur og styrke den. Som resultat, der skal bruges mindre beton.

Cellulose nanokrystallerne er omkring 3 til 20 nanometer brede og 50-500 nanometer lange - eller omkring 1/1, 000. bredden af ​​et sandkorn - hvilket gør dem for små til at studere med lysmikroskoper og svære at måle med laboratorieinstrumenter. De kommer fra en række biologiske kilder, primært træer og planter.

Betonen blev undersøgt ved hjælp af flere analytiske og billeddannende teknikker. Fordi kemiske reaktioner i betonhærdning er eksoterme, nogle af testene målte mængden af ​​frigivet varme, indikerer en stigning i hydrering af betonen. Forskerne antog også den præcise placering af nanokrystallerne i cementmatrixen og lærte, hvordan de interagerer med cementpartikler i både frisk og hærdet beton. Det viste sig, at nanokrystallerne dannede små indløb til vand for bedre at kunne trænge ind i betonen.

Forskningen er i overensstemmelse med målene for P3Nano, et offentligt-privat partnerskab, der understøtter udvikling og brug af træbaseret nanomateriale til en bred vifte af kommercielle produkter.

"Ideen er at understøtte og hjælpe Purdue med at fremme CNC-Cement-teknologien yderligere til feltforsøg i fuld skala og potentialet for kommercialisering, " sagde Zavattieri.