Innovativt tänkande behövs för att göra byggmaterial mer hållbara, samtidigt som de håller dem överkomliga och mångsidiga. Kredit: © muratart, Shutterstock
Efter vatten är betong det mest använda ämnet på jorden. Med tillämpningar från bostäder och industri till kustförsvar och infrastruktur är betong och cement, bokstavligen, hörnstenen i livet.
Tyvärr har även byggbranschen stor miljöpåverkan. Enbart cementproduktion genererar upp till 8 % av de globala koldioxidutsläppen, mer än flyget (2,5 %) men mindre än jordbrukssektorn (12 %), enligt en rapport.
Innovativt tänkande behövs för att göra byggmaterial mer hållbara, samtidigt som de håller dem överkomliga och mångsidiga. Vissa i branschen använder ny teknik för att göra betong extremt hållbar, medan andra vänder sig till biologi för att göra hållbar biocement.
Nya typer av hållbar betong är nyckeln till att lägga grunden för annan hållbar infrastruktur, som vindkraftsparker, säger professor Liberato Ferrara, professor i strukturanalys och design vid Polytechnic University of Milano i Italien.
“Om vi tänker på alla behov som vi har nu för energiomställningen, skulle jag säga att vi inte kan göra det här utan konkret”, sa han.
Bestraffande inställningar
Han ledde ett projekt som heter ReSHEALience, som syftar till att utveckla ultrahöghållfast betong (UHDC). Sådan betong kan motstå extrema förhållanden och självläkande när den används för konstruktion i straffande miljöer som marina miljöer och geotermiska energianläggningar.
“Dessa miljöer är bland de mest aggressiva situationer som du kan ha för betongkonstruktioner”, säger prof Ferrara.
De skräddarsydda recepten är det som ger dessa betongblandningar sin styrka och hållbarhet, inklusive komponenter som kristallina tillsatser, nanofibrer av aluminiumoxid och nanokristaller av cellulosa.
Betong spricker oundvikligen under dess livslängd, men en av egenskaperna hos kristallina blandningar är att de stimulerar självläkning. Genom att reagera med vatten och beståndsdelar i betongen bildar de nålformade kristaller som växer för att fylla sprickorna. Nanofibrerna som blandas genom det ger mekanisk styrka till materialet och hjälper till att förbättra dess seghet, vilket gör att det tål extrema förhållanden.
UHDC har testats som ett hållbart substitut för traditionella träflottar i musselodling och för att tillverka delar av flytande vindkraftsplattformar i kustområden. Det har också testats under de tuffa förhållandena i ett geotermiskt kraftverk, där dess prestanda förbättrades på traditionella konstruktionsmetoder.
Dess användning vid restaureringen av ett gammalt vattentorn på Malta visar betongens potential för att underhålla historisk arkitektur.
Hållbart material
“Piloterna matchar förväntningarna ur alla synvinklar”, säger prof Ferrara. “Vi lyckades visa att UHDC i sig är ett hållbart material. Det tillåter användning av mindre material för att bygga samma struktur, så i slutändan blir det miljömässiga fotavtrycket och den ekonomiska balansen bättre.”
Materialet minskar resursanvändningen både genom att minska mängden material som behövs i första hand och genom att hålla mycket längre, med Prof Ferrara förutspår att det kan ha potential att hålla i upp till 50 år innan det kräver betydande underhåll.
Den kan tillverkas på en mängd olika platser för många olika applikationer med hjälp av lokala material. Dessutom visar krossad UHDC ett löfte som en återvunnen beståndsdel för att producera ny betong med samma mekaniska prestanda och hållbarhet som moderbetongen.
Den ökande angelägenheten av att uppfylla hållbarhetsmål kräver nya sätt att se “holistiskt” på konstruktion, tillade prof Ferrara.
“Det handlar om att sprida ett nytt sätt att tänka för betongkonstruktioner som tar hänsyn till hela värdekedjan och livslängden för de planerade konstruktionerna”, sa han. ”Man måste tänka på den strukturella designen, materialanskaffningen och materialens hållbarhet och livscykel. Om du inte tänker så kommer du alltid ha partiell information och innovation kommer inte att slå igenom.”
Biocement
På andra håll tittar forskare på helt olika sätt att förnya sig inom byggsektorn, genom att utnyttja levande organismers naturliga processer.
För järnvägsföretag kan sättningen av jordar med tiden i banvallar under järnvägar skapa allvarliga problem och öka underhållskostnaderna och passagerarnas förseningar.
Mekaniska metoder för att göra upp malda material eller kemikaliebaserade stabilisatorer används vanligtvis som lösning. Dessa kan dock vara störande och kostsamma, ha miljömässiga bieffekter och generera koldioxidutsläpp.
NOBILIS-projektet får därför bakterier att göra jobbet och ser marken som en levande organism snarare än en obeskrivlig massa som ska flyttas av bulldozrar.
Tanken är att starkare jord, skapad genom en process som kallas “biocementering”, kan minska behovet av markarbeten och material som betong.
Bakteriebyggd
I processen för biocementering stimuleras bakteriernas tillväxt och metaboliska aktivitet genom att förse dem med näringsämnen och så kallade cementeringsmedel. De resulterande enzymerna som produceras av bakterierna katalyserar reaktioner som i slutändan bildar ämnen som kalciumkarbonat, som binder samman jordpartiklarna.
Tekniken har erkänts för att ha potential i jord med större partiklar, såsom sandiga jordar, inklusive bildande av strandstenar för att skydda mot kusterosion och för andra tillämpningar inom civil- eller miljöteknik.
Men en större utmaning dyker upp med finare jordar som lera och torv, på grund av mer begränsad rörelse av bakterier, vatten och andra ämnen. Oavskräckt försöker NOBILIS utforska sätt att använda biocementering på ett bredare spektrum av jordar.
Nyligen genomförda arbeten i East Anglia, Storbritannien har visat möjligheten att biocementera torvjordar. NOBILIS-projektet kommer att syfta till att skala upp detta arbete genom försök på fältet, säger professor Maria Mavroulidou, geoteknisk forskare och projektledare vid London South Bank University (LSBU).
Paradigmskifte
Prof Mavroulidou sa att den här typen av biologiinspirerat tillvägagångssätt kräver nya sätt att tänka och tro på okända tekniker.
“Att berätta för en praktiserande civilingenjör att du kommer att använda bakterier för att cementera marken höjer ögonbrynen”, sa hon, eftersom det är ett paradigmskifte för branschen.
Wilson Mwandira, en miljöteknikforskare, också vid LSBU, sa att NOBILIS undersöker tekniker för att låsa in koldioxid i jorden när biocementering sker, samt tittar på potentialen av att använda fler inhemska bakterier i processen.
Att använda bakterier som redan finns i jorden skulle undvika att ha en negativ inverkan på organismer som redan finns i miljön, förklarade Mwandira. “Om du tar in nya bakterier i ett samhälle kommer du att få en störning i systemet,” sa han.
Förhoppningen är att sådana biocementeringstekniker kommer att bli mer allmänt tillämpliga på byggnadsarbeten i allmänhet. “Vi försöker också utöka tekniken mer generellt till andra geotekniska material som finns i fundament under byggnader och anläggningsbyggande”, säger professor Michael Gunn, geoteknisk ingenjör också vid LSBU. “All konstruktion kräver någon form av markförbättring.”
Han tror att det kan ta ett antal år för teknikerna att användas på ett mer rutinmässigt sätt, men att det är viktigt att sådana innovativa metoder utforskas för att möta långsiktiga utmaningar inom byggandet.
“En betydande del av utsläppen av växthusgaser i form av koldioxid beror på byggbranschen”, sa han. “Så vi måste gå bort från de traditionella processerna.”
Återvunnen betong och CO₂ från luften omvandlas till ett nytt byggmaterial
Tillhandahålls av Horizon: The EU Research & Innovation Magazine
Citat:Building the future med självläkande betong och biocement (2022, 19 juli)hämtad 19 juli 2022från https://techxplore.com/news/2022-07-future-self-healing-concrete-biocement.html
Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Bortsett från all rättvis handel i syfte att privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.
Håll kontakten med oss på sociala medieplattformar för omedelbar uppdatering klicka här för att gå med i vår Twitter och Facebook
