Forskere viser, at mikroskopiske trananokrystaller gør beton stærkere

Forskere fra Purdue University studerer, om beton gøres stærkere ved at tilføre det med mikroskopiske nanokrystaller fra træ, der flytter fra laboratoriet til den virkelige verden med en bro, der vil blive bygget i Californien til foråret.

Forskerne har arbejdet med cellulose -nanokrystaller, biprodukter genereret af papiret, bioenergi, landbrug og papirmasseindustrien, for at finde den bedste blanding til at styrke beton, det mest almindelige menneskeskabte materiale i verden.

"Bare komme derud, hvor folk faktisk kan køre på det, Jeg tror, er et stort skridt, fordi du ikke bare kan sige, at det er en lab nysgerrighed på det tidspunkt. Det har virkelige virkninger, "sagde Jeffrey Youngblood, en Purdue professor i materialeteknik.

Styrkelse af beton kan have andre konsekvenser, såsom at lave emner fremstillet med beton tyndere og lettere, samtidig med at de bevarer den samme styrke med en potentiel sidegevinst ved at reducere kuldioxid frigivet til atmosfæren. Cementværker tegner sig for anslået 8 procent af de globale emissioner af kuldioxid, en hovedårsag til klimaændringer.

Katalysatoren for denne potentielt transformative ændring er en cellulosananokrystal, der er omkring 100 nanometer lang og 5 nanometer bred, for lille til at blive set ved hjælp af et almindeligt mikroskop. Det kan kun ses ved hjælp af et elektronmikroskop. For perspektiv, et menneskehår er omkring 100, 000 nanometer bredt. Alligevel er cellulose den mest almindelige polymer i verden, fordi den kan fås fra træprodukter, planter, bakterier og alger.

Cellulose -nanokrystaller gør betonen stærkere gennem en kemisk reaktion, der øger hydratiseringen af ​​cementpartiklerne, gør betonen stærkere, siger forskerne. "Betonens styrke skalerer med graden af ​​hydrering. Så jo mere hydreret det er, jo stærkere det er, "Sagde Youngblood." Så du tror, ​​at hvis du tilføjer mere vand, ville det være stærkere. Problemet er, vand tilføjer porer, der gør det svagere. Men cellulose -nanokrystaller forbedrer hydrering med mindre vand, gør betonen stærkere. "

Pablo Zavattieri, professor ved Lyles School of Civil Engineering, sagde cellulose nanokrystaller giver en vej til vandet at gå, hvor det er nødvendigt. Ikke alle cementpartikler hydratiseres, når beton blandes, hvilket hæmmer betonens styrke og holdbarhed.

"Det gode ved cellulose -nanokrystaller er, at det på en måde skaber en skinne, hvor vandet kan trænge ind i en partikel, Sagde Zavattieri.

Jason Weiss, Miles Lowell og Margaret Watt Edwards Distinguished Chair in Engineering ved Oregon State University, der tidligere var professor ved Purdue, sagde cellulosananokrystaller gør beton mere effektiv, fordi der er brug for mindre masse for at lave noget, der er lige så stærkt.

"Så det kan være mere bæredygtigt og mere effektivt, " han sagde.

Youngblood sagde, at en anden fordel er, at den celluloseinfunderede beton sætter sig hurtigere, hvilket betyder mindre ventetid på, at beton hærder, når man bruger formularer til at lave broer eller til olieboring.

"Fordi hver dag, hvor et mandskab er ude og ikke pumper olie, er en dag, hvor man taber penge, "Sagde Youngblood. Cementprøver

Forskerne siger, at omkostningerne ved at bruge cellulose -nanokrystaller kan opvejes ved at kunne bruge mindre cement, men den nøjagtige pris er ikke fastlagt. De siger, hvor vidt cellulose -nanokrystaller bruges, vil være en faktor. Men selvom kun en lille procentdel af al den producerede beton brugte cellulosananokrystaller, det ville have en stor indvirkning, bare fordi konkret brug er så allestedsnærværende.

Forskerne siger, at arbejdet med skalering til beton og forberedelse til broen i Californien er et partnerskab mellem Purdue, Oregon State University, P3Nano og andre. P3Nano er et offentligt-privat partnerskab designet til at understøtte kommercialiseringen af ​​celluloseholdigt nanomateriale. P3Nano har været aktivt involveret i forsøgene i fuld skala og er sponsor af projektet ved Oregon State University for at demonstrere anvendelser af cellulose-nanokrystaller i fuld skala i broer og flade plader. Den nøjagtige bro i Californien, hvor den celluloseinfunderede beton vil blive brugt, er endnu ikke fastlagt.

Purdue -forskerne begyndte at undersøge cellulose for ti år siden i samarbejde med Robert Moon, en forsker fra U.S. Forest Service Forest Products Laboratory, der var baseret på Purdue dengang. Skovtjenesten ledte efter anvendelser til syge, beskadigede og små træstammer, som er rigelige i skovene.

Ungt blod, der primært arbejder med plast, sagde udfordringen i første omgang var at bestemme, hvor de vandopløselige cellulose-nanokrystaller kunne bruges. Ideen om at bruge den i beton kom til ham, mens han gravede et posthul og forberedte beton. Det var her forskningen begyndte.

Youngblood sagde, at forskerne hurtigt fandt ud af, at cellulose -nanokrystaller gjorde betonen stærkere, men de vidste ikke hvorfor.

"Jeg gik ned til kontoret til Jason Weiss og viste ham dataene, og han sagde, at det ikke skulle fungere, fordi cellulose -nanokrystaller er for små. Det var da, vi indså, at vi havde noget, fordi hvis noget er baseret på, hvordan tingene normalt fungerer, baseret på teorier eller hvad som helst, burde ikke fungere, og det gør, det er når du normalt har fundet noget vigtigt, "Sagde Youngblood." Sådan startede det hele. "

Forskningen blev delvist finansieret af National Science Foundation. Weiss sagde, at NSF -arbejde førte til pastaer, der blev testet, der hjalp forskere med at forstå, at cellulose -nanokrystaller ikke virker som konventionelle fibre, men snarere ændrer mikrostrukturen.

Blaine Kunkel, CEO for Nano-Green Biorefineries Inc., som har en licensaftale med Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization til kommercialisering af teknologien, sagde virksomheden er begejstret for potentialet i cellulose nanokrystaller.

"Vi betragter dette som transformationsteknologi, " han sagde.