Zainspirowany dużą szparą w betonowym podjeździe parkingu przy University Wisconsin-Milwaukee (UWM) w Stanach Zjednoczonych, doktorant inżynierii lądowej – Scott Muzenski opracował nowy rodzaj betonu o niespotykanej trwałości. Naukowcy szacują, ze ich odporny na działanie wody, plastyczny materiał o wysokim poziomie “kontroli pęknięć”, będzie w stanie wytrzymać bez uszkodzeń 120 lat, a nawet więcej w normalnych warunkach otoczenia.
Tylko w samych Stanach Zjednoczonych drogi położone zwłaszcza w północnych regionach, które narażone są na trudne, zmienne warunki atmosferyczne (w szczególności zamrażanie i rozmrażanie) rozpaczliwie wymagają remontu. Elementami infrastruktury nadzwyczaj podatnymi na zmiany wilgoci i temperatury są betonowe płyty, z których zbudowane są mosty. Zapewniają one połączenie między zbrojonymi filarami a nawierzchnia, najczęściej asfaltowa. Na tego rodzaju płyty działają m.in. siły związane z termicznym rozszerzaniem i kurczeniem sąsiednich elementów, obciążenia generowane przez pojazdy poruszające się po nawierzchni oraz woda. Wpływa to na drastyczne zmniejszenie żywotności stosowanego materiału. Dlatego opracowanie trwałego betonu odpornego na wodę, zdolnego do stosunkowo dużego wygięcia bez utraty zdolności przenoszenia obciążenia oraz mającego dużą zdolność rozpraszania obciążeń udarowych wydaje się być ogromnym krokiem naprzód.
Według naukowców, specjalny beton będzie w stanie wytrzymać bez uszkodzeń około 120 lat
Według Federalnej Administracji Drogowej (z ang. Federal Highway Administration, FHA), średni czas trwałości betonowej drogi w USA wynosi około 40 lat. Należy zwrócić uwagę na to, że może być on znacznie krótszy w obszarach, gdzie elementy drogowe narażone są na gwałtowne zmiany temperatury. Mogą one powodować ogromne spustoszenie w strukturze materiałów. Ponadto, około 10 procent wzmocnionych, betonowych płyt mostowych wymaga wymiany po 30 latach.
Beton kompozytowy ECC (polimerowo-cementowy)
Zespół badawczy prowadzony przez Scotta Muzenski’ego oraz współpracującego z nim profesora Konstantina Sobolewa skoncentrował się na ‘uszczelnieniu’ materiału budowlanego. Badacze rozwijają technologię tzw. “kompozytów cementowych” ECC (z ang. engineered cement composites). W skład elementów odlanych z tzw. zginalnego betonu wchodzą m.in. niespotykane w standardowych mieszankach losowo dobrane krótkie włókna (zwykle polimerowe, np. z PVA), które dodatkowo wzmacniają konstrukcję. W przeciwieństwie do zwykłego betonu, ECC ma zdolność odkształcania plastycznego w zakresie 3 do 7% (dla porównania beton ze zwykłego cementu portlandzkiego tylko 0,1%).
W typowym materiale ECC włókna polimerowe są mieszane z piaskiem, cementem i wodą, dzięki czemu beton wykazuje właściwości izotropowe (we wszystkich kierunkach) tak samo, jak ma to miejsce w przypadku metali. Badacze z UWM udoskonalili materiał tworząc superhybdrofobowy kompozyt cementowy SECC (z ang. superhydrophobic engineered cementitious composite). Mikromechaniczna kompozycja zawierała objętościowo od 1 do 4% dodatku włókien PVA, polietylenu o wysokim module sprężystości, oraz stopów metali z pamięcią kształtu. Dodatek umożliwił otrzymanie utwardzonego materiału wyjściowego z możliwością odkształcenia plastycznego. Rewolucyjnym składnikiem okazały się domieszka (od 0,01 do 0,1% masy cementu) odpychających wodę siloksanów na bazie polimerów PEHSO/PMHS oraz nanokrzemionki. Inkluzje wybranych proszków i pyłów wpłynęły korzystnie na wytrzymałość materiału oraz powstanie hydrofobowych struktur chroniących beton przed absorpcją wody. Odpowiednio rozproszone w na powierzchni oraz w objętości materiału cząsteczki uniemożliwiają zwilżanie powierzchni betonu przez wodę. Dzięki temu możliwa staję się kontrola nasiąkliwości.
Dodatkowe elementy na poziomie molekularnym w hybrydowym betonie powodują, że woda wylana na SECC formuje się w postaci kropel i spływa z komponentu. Ograniczenie kontaktu z wodą pochodzącej z silnej ekspozycji na warunki atmosferyczne chroni beton SECC przed zniszczeniem na skutek korozji.
Inżynierowie przyznają, że nowy kompozyt cementowy jest obecnie zbyt drogi, aby umieszczać go wszędzie zamiast tradycyjnych mieszanek. Potencjalnie może znaleźć zastosowanie jedynie w krytycznych miejscach konstrukcyjnych (najbardziej narażonych na uszkodzenia) wymagających najwyższych współczynników jakościowych.
Źródło:
www.wistrans.org/cfire/documents/FR_CFIRE0603.pdf [07.05.2014]
www5.uwm.edu/news/2014/04/01/at-long-last-a-concrete-thats-nearly-maintenance-free [07.05.2014]
www.insidescience.org/content/rock-new-concrete-could-last-lifetime/1614 [07.05.2014]
Grafika: Concrete forms for industrialized housing by Concrete Forms, flickr.com, CC BY 2.0