Nanocementy i nanobetony

Przez lata mieszanki betonowe ulepszano wyłącznie na poziomie makro. Jednym z osiągnięć było dodanie domieszek upłynniających, dzięki czemu gwałtownie zwiększona została wytrzymałość betonu (rys. 1). Doprowadziło to jednak także do redukcji wskaźnika wodno­‑cementowego do wartości minimalnej. Dalsze modyfikacje w skali makro mogą zatem skutkować wyłącznie kosmetycznymi zmianami właściwości [1–3].

Potencjalne kierunki rozwoju technologii betonu muszą być jednak, z uwagi na ideę rozwoju zrównoważonego, rozpatrywane z dużo szerszej perspektywy. A mianowicie konieczna jest ocena wpływu na środowisko procesu wytwarzania betonu oraz późniejszej budowy konstrukcji z użyciem tego materiału.

Jednym ze sposobów oceny takiego obciążenia jest określenie odpowiedniego wskaźnika (rys. 2). Podejmowane są także konkretne decyzje polityczne, dotyczące np. zaostrzania wymogów związanych z emisją dwutlenku węgla.

Nanotechnologia daje nadzieję na ponowne, radykalne, przyspieszone zwiększenie wytrzymałości, ograniczenie wpływu na środowisko procesu wytwarzania i stosowania, a także polepszenie pozostałych cech betonu.

Nanotechnologia w badaniach betonu

Powszechne stosowanie betonu w budownictwie wynika z jego szczególnych właściwości, które dodatkowo wciąż można poprawić. Ma on wysoką wytrzymałość na ściskanie, lecz towarzyszy temu znikoma wytrzymałość na rozciąganie oraz skurcz. Efektem jest powstawanie rys, które mogą obniżać trwałość materiału.

Na właściwości mechaniczne mają wpływ oba podstawowe składniki kompozytu: zaczyn cementowy i kruszywo. O ile koncentracja naprężeń występuje w najmniej odkształcalnym kruszywie, o tyle pękanie wiązań między składnikami kompozytu, wywołane przez te naprężenia, występuje w zaczynie z powodu jego mniejszej wytrzymałości.

O wytrzymałości i trwałości zaczynu cementowego decyduje w głównej mierze faza C-S-H (fot. 1) [5, 6].

Przeprowadzone dotychczas badania wykazują, że korzystny wpływ na wytrzymałość zaczynu cementowego ma udział składników krystalicznych i koloidalnych, przy czym istotne są również ich właściwości: wielkość kryształów i ich rozproszenie, a także skład chemiczny.

Przykładem pozytywnego wpływu kryształów na wytrzymałość betonu jest występowanie ettringitu (fot. 2), który choć zwiększa porowatość zaczynu cementowego, to w wyniku krystalizacji w porach podnosi wytrzymałość materiału.

Kontrowersje budzi natomiast wpływ występowania tych kryształów na przebieg korozji siarczanowej. Powinno to stać się przyczynkiem do kontynuowania badań nad strukturą i właściwościami zaczynu cementowego w skali nano [5].

Jednym ze sposobów zwiększenia jakości betonu wskutek zmiany właściwości zaczynu cementowego jest dodanie mikrokruszywa w postaci popiołów lotnych lub bardzo drobno zmielonego żużla. Pozwalają one zwiększyć zawartość fazy C-S-H. Dzięki dodatkom mikrokruszywa uzyskiwane betony mają małą porowatość kapilarną i podwyższoną odporność na działanie czynników zewnętrznych, np. na roztwory agresywne [5, 6].

Dokładniejsze poznanie amorficznej budowy fazy C-S-H może być impulsem do dalszego rozwoju technologii betonu. Kolejne badania wskazują, że świadome ingerowanie w proces hydratacji przez odpowiednie dodatki daje bardzo dobre efekty – uzyskuje się znacznie wyższą wytrzymałość, trwałość i odporność na korozję [5, 6].

Nanomodyfikacja betonu

Nanomodyfikacja może być prowadzona na dwa sposoby. Pierwszy to modyfikacja prosta, drugi – modyfikacja złożona. Modyfikacja prosta polega na jednostopniowym wprowadzaniu nanomodyfikatorów do mieszanki betonowej, modyfikacja złożona jest zaś procesem wielostopniowym [3].

Przykładem nanomodyfikacji jednostopniowej jest modyfikacja przeprowadzona przez K. Soboleva z uniwersytetu w Meksyku. Polegała ona na dodaniu domieszki Gaia opartej na 1,3% nanokrzemionki. Otrzymano beton o mniejszej porowatości oraz trzykrotnie większej wytrzymałości na ściskanie po 24 godz. (w porównaniu z betonem świadkowym). Po 7 i 28 dniach wytrzymałość była natomiast dwukrotnie wyższa (rys. 3) [4, 7, 8, 9].

Uzyskanie takich rezultatów związane było ze zwiększeniem udziału fazy C-S-H w zaczynie cementowym. Polepszyło to wytrzymałość wiązań między matrycą cementową a kruszywem [10]. Znaczny (40%) wzrost wytrzymałości na ściskanie betonu uzyskano także dzięki modyfikacji nanocząsteczkami krzemu (zastosowano cement CEM I 32,5 [7]).

Bardzo dobre efekty daje również modyfikacja mieszanki betonowej substancją zawierającą nanorurki.

Ciekawą analizę przeprowadzono na pianobetonie [11]. W badaniach użyto substancji o gęstości 8,6 kg/m3, która zawierała nanorurki o średnicy od 40 nm do 60 nm wypełnione miedzią i pianobeton o gęstości do 350 kg/m3. Domieszkę wprowadzono do cementu w ilości 0,05% początkowej masy. Badaniu poddano próbki sześcienne (100×100×100 mm) pianobetonu modyfikowanego i niemodyfikowanego [11]. Wyniki przedstawiono w tabeli.

Uzyskanie tak dobrych wyników było możliwe dzięki dodatkowi domieszki z nanorurkami, które zmieniły strukturę pianobetonu. Pianobeton zmodyfikowany odznaczał się bardziej jednolitą strukturą. Różnice można zaobserwować również na fot. 3–4 [7, 8, 11].

Podobne analizy porównawcze przeprowadzono również w odniesieniu do pianobetonu o wyższych gęstościach – 500 kg/m³. Wykazały one, że modyfikacja nanorurkami węglowymi pozwala uzyskać podobny przyrost wytrzymałości na ściskanie.

W przypadku pianobetonu o gęstości 500 kg/m³ niewzmacnianego nanorurkami wytrzymałość próbek wynosiła 0,87 MPa, natomiast pianobeton z dodatkiem nanorurek uzyskał wytrzymałość na ściskanie rzędu 1,45 MPa. Wytrzymałość wzrosła zatem 65% [11].

Modyfikowanie betonu nanorurkami ma jednak także wady. Nanorurki są wciąż bardzo drogie, a w związku z tym produkcja betonu nawet z bardzo niewielką domieszką byłaby kosztowna. Utrudnieniem jest też tendencja nanorurek do zbrylania się i ich niewielka przyczepność do stwardniałego zaczynu cementowego [2, 11].

Ponadto wciąż nie przeprowadzono wystarczająco miarodajnych badań, by można było rzetelnie ocenić trwałość i odporność takiego betonu. Zachodzi zatem konieczność dokładnego zbadania przepuszczalności, mrozoodporności, odporności na korozję, skurczu, odporności na ścieranie (zwłaszcza w odniesieniu do produkcji nawierzchni drogowych) czy ognioodporności [12, 13].

Bardziej obiecujące są modyfikacje oparte na siatkach grafenowych (rys. 4). Grafeny nie tworzą bowiem aglomeratów, a metoda ich otrzymywania jest bardzo prosta i polega na zdzieraniu plastrem samoprzylepnym. Właściwości grafenu czynią go znakomitym dodatkiem do betonu ze względu na wysoką wytrzymałość mechaniczną i nieprzepuszczalność (również dla wodoru) [2].

Nanomodyfikacja złożona przebiega w co najmniej dwóch etapach. Celem pierwszego jest uzyskanie nanokompozytu i rozprowadzenie go w mieszance betonowej. Przy tej nanomodyfikacji oczekuje się efektów synergicznych (rys. 5), związanych z łączeniem rozproszonych elementów łańcuchem polimeru.

Cel jest podobny, niezależnie od tego, czy są to płytki montmorylonitu będące źródłami reakcji pucolanowej, czy nanorurki pełniące funkcję swoistego zbrojenia rozproszonego [6].

Zastosowanie nanorurek węglowych ma służyć uzyskaniu betonu samozagęszczalnego o ultrawysokiej wytrzymałości i trwałości. Innym interesującym nanomodyfikatorem są dodatki vivo-aktywne, np. bakterie baccillius pasteurii. Kiedy znajdują się one w rysie, wywołują wytrącanie się węglanu wapnia i likwidację powstałej wady betonu (fot. 5) [14].

Beton samonaprawialny

Ciekawa jest także koncepcja Y. Ohamy i jego współpracowników dotycząca betonu epoxy-cementowego samonaprawialnego. Badacze ci opracowali mieszankę betonową z mikrokapsułkami wypełnionymi żywicą epoksydową.

Dzięki tej modyfikacji podczas intensywnego mieszania rozprowadzana jest żywica epoksydowa. Kiedy następuje zarysowanie, żywica zostaje uwolniona z mikrokapsułek, a przez zetknięcie z powierzchniami powstałej rysy utwardza się w alkalicznym środowisku i skleja rysę. Przebieg samonaprawy przedstawiono na rys. 6 [9].

Zdolność do naprawiania rys mają także betony polimerowo­‑cementowe. W materiałach tych występuje mostkujący efekt oddziaływania polimeru, dzięki któremu rysy zostają wypełnione. Ze względu na to, że polimery są najdroższym składnikiem tego typu betonów, kładzie się szczególny nacisk na racjonalne ich rozmieszczenie w betonie. W związku z tym prowadzony jest tzw. nanomonitoring [14].

Osiągnięciem zupełnie nowej jakości byłoby nadanie betonowi elastyczności. Od lat trwają prace nad takim rozwiązaniem. Bardzo obiecujące efekty uzyskał Victor C. Li z Uniwersytetu w Michigan.

Dzięki zastosowaniu kompozytu cementowego ECC (z ang. Engineered Cementitious Composite) stworzono beton o niespotykanej do tej pory elastyczności oraz zdolności do samoregeneracji. Ściśle ułożone włókna wzmacniające w sytuacji pojawienia się spękań wymuszają powracanie betonu do stanu pierwotnego.

Dodatkowo reakcja znajdującego się na powierzchni spękań suchego cementu przy odpowiednich warunkach może reagować z wodą i tworzyć w ten sposób węglan wapna niezbędny do regeneracji betonu [15].

Do najważniejszych atutów betonu na bazie kompozytu cementowego ECC należą [15]:

• redukcja lub całkowite wyeliminowanie konieczności stosowania zbrojenia na ścinanie,
• możliwość znacznego odkształcenia bez powstawania rys (1,3%),
• odkształcenia kompatybilne z odkształceniami stali zbrojeniowej – oba materiały mogą być traktowane jako elastoplastyczne,
• powstawanie rys o niewielkiej szerokości – poniżej 100 mm (fot. 6–7),
• wysoka wytrzymałość na zginanie i odporność na uszkodzenia,
• synergistyczna interakcja ze wzmocnieniami z kompozytów z tworzyw sztucznych zbrojonych włóknami (z ang. FRP – Fiber Reinforced Plastic).

Beton na bazie kompozytu cementowego ECC może znaleźć zastosowanie w konstrukcjach, które muszą być szczególnie odporne na pękanie, oraz do naprawy dróg, mostów, budowli hydrotechnicznych i innych obiektów stale narażonych na działanie agresywnego środowiska [15].

Beton transparentny

W ostatnich latach rozpoczęto intensywne prace nad zastosowaniem włókien optycznych jako dodatku do betonu [16, 17]. Celem tych prób było stworzenie betonu przepuszczającego światło – transparentnego. Bardzo obiecujące efekty przyniosło zwłaszcza dodanie do mieszanki betonowej światłowodowych włókien plastikowych (z ang. POF – Plastic Optical Fiber) oraz światłowodowych siatek Braga (z ang. FBG – Fiber Bragg Grating) [16].

Na rys. 7 przedstawiono schematyczny przebieg promieni słonecznych przez betonowy panel z dodatkiem światłowodów. Zewnętrzny płaszcz włókien światłowodu pozwala na wytworzenie się w betonie powierzchni odbicia światła, która zapewnia elementowi transparentność.

Panele z betonu transparentnego dają nowe możliwości architektom (fot. 8). Takie betony mogą być także wykorzystywane w konstrukcjach budynków wysokich, co zwiększałoby bezpieczeństwo ewakuacji.

Betony samooczyszczające

Bardzo ciekawe efekty można uzyskać dzięki zastosowaniu dwutlenku tytanu, który wpływa na zdolność do samoochrony przed działaniem szkodliwych czynników zewnętrznych. W wyniku fotokatalizy TiO2 powierzchnia betonu zyskuje m.in. zdolność do oczyszczania powietrza oraz do samooczyszczania, a także wszystkie inne cechy charakterystyczne dla powłok z dwutlenku tytanu [18].

Do cementu portlandzkiego dodaje się TiO2 w postaci białego proszku. Procedura jest zatem wyjątkowo nieskomplikowana, a uzyskane rezultaty bardzo dobre. Procesy chemiczne zachodzące na powierzchni betonu są również proste: pod wpływem nanokrystalicznego dwutlenku tytanu na powierzchni tworzą się rodniki wodorotlenowe OH_ o silnych właściwościach utleniających, które utleniają i rozkładają różnego rodzaju zabrudzenia organiczne, m.in. tłuszcze, oleje, bakterie, gazy zapachowe i spaliny.

Następnie wskutek promieniowania ultrafioletowego (UV) szkodliwe tlenki azotu przechodzą w jony azotanowe NO3_, które reagują z wodą deszczową. W wyniku tej reakcji powstaje kwas azotanowy, neutralizowany na powierzchni betonu i spłukiwany przez wodę opadową. Podobnie neutralizowane są także szkodliwe tlenki siarki. Badania dowodzą, że w ten sposób można zredukować poziom szkodliwych tlenków siarki czy azotu nawet o 80% [8].

Istnieją również bardziej złożone metody wykorzystywania TiO2. Przykładowo podczas renowacji bardzo zniszczonego tunelu w Rzymie zastosowano mocne sztuczne źródła promieniowania ultrafioletowego, aby wywołać fotokatalizę w wylanym betonie [19].

Ta sama firma brała również udział w budowie jednego z ciekawszych i bardziej nowoczesnych kościołów – położonej na obrzeżach Rzymu świątyni Dives In Misericordia (fot. 9). To, co najbardziej zwraca uwagę w tej kaplicy, to piękna, śnieżna biel żelbetowej konstrukcji.

Taki efekt udało się uzyskać dzięki zastosowaniu białego cementu oraz wykorzystaniu marmuru karraryjskiego (idealnie białego marmuru wydobywanego we Włoszech w okolicach Carary) jako ­kruszywa. Samooczyszczanie się powierzchni tej konstrukcji jest możliwe dzięki dwutlenkowi tytanu zawartemu w cemencie.

Podsumowanie

Trwają intensywne badania nad możliwością powszechnego wykorzystywania nanobetonu w przemyśle budowlanym. Perspektywy są bardzo obiecujące. Możliwe jest bowiem uzyskiwanie bardziej trwałych betonów o zdecydowanie lepszych właściwościach.

Nanobetony dają również zupełnie nowe możliwości, związane z takimi cechami materiału, jak elastyczność, transparentność czy zdolność do samoregeneracji.

Warto podkreślić, że ważna będzie optymalizacja wytwarzania tych materiałów, ponieważ jednym z celów jest ograniczenie ilości energii i surowców zużywanych w pełnym cyklu życia betonu.

Literatura

1. L. Czarnecki, „Czy nanotechnologia to przyszłość betonu”, „Materiały Budowlane”, nr 11/2007, s. 4–5.
2. L. Czarnecki, „Nanotechnologia w budownictwie”, „Przegląd Budowlany”, nr 1/2011, s. 40–53.
3. L. Czarnecki, „Domieszki do betonu – Możliwości i ograniczenia”, „Cement Polski: Budownictwo, Technologie, Architektura”, Zeszyt Specjalny 2003 „Domieszki do betonu”, s. 4–6.
4. A. Bentur, A. Katz, S. Mindess, Przyszłość betonu – wizja i wyzwania”, „Cement, Wapno, Beton”, nr 2/2006, s. 50–55.
5. W. Kurdowski, B. Trybalska, „Skład fazowy zaczynu cementowego a właściwości betonu” [referat], konferencja „Dni Betonu – Tradycja i Nowoczesność”, Wisła 2004.
6. P.R. Selvam, K.D. Hall, V.J. Subramani, S.J. Murray, „Application of Nanoscience Modeling to Understand the Atomic Structure of C-S-H”, „Nanotechnology in Civil Infrastructure”, Springer 2011, s. 85–102.
7. K. Sobolev, M. Ferrada-Gutiérrez, „How nanotechnology can change the Concrete World”, Part 2, „American Ceramic Society Bulletin”, nr 11/2005, s. 16–19.
8. T. Błaszczyński, „Betonowe Cuda, XXV Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji”, t. 1, Szczyrk 2010, s. 1–41.
9. B. Birgisson, A.K. Mukhopadhyay, G. Geary, M. Khan, K. Sobolev, „Nanotechnology in Concrete Materials: A Synopsis, Transportation Research Circular E-C170”, grudzień 2012.
10. A. Lazaro, G. Quercia, H.J.H. Brouwers, „Production and application of a new type of nano-silica in concrete”.
11. G. Yakovlev, J. Kerienë, A. Gailius, I. Girnienë, „Cement Based Foam Concrete Reinforced by Carbon Nanotubes”, „Materials Science”, vol. 12/2006, s. 147–151.
12. B. Han, X. Yu, J. Ou, „Multifunctional and Smart Carbon Nanotube Reinforced Cement-Based Materials”, „Nanotechnology in Civil Infrastructure”, Springer, 2011, s. 1–47.
13. K. Burzyńska, „Beton w budownictwie zrównoważonym”, „Builder”, nr 11/2008, s. 43–46.
14. L. Czarnecki, W. Kurdowski, „Tendencje kształtujące przyszłość betonu” [referat], IV Konferencja „Dni Betonu – Tradycja i Nowoczesność”, Wisła, 9–11 października 2006.
15. V.C. Li, „On Engineered Cementitious Composities (ECC) – A review of the material and its applications”, „Journal of Advanced Concrete Technology”, nr 3/2003, s. 215–230.
16. Z. Zhou, G. Ou, Y. Hang, G. Chen, J. Ou, „Research and Development of Plastic Optical Fiber Based Smart Transparent Concrete”, „Proc. of SPIE”, vol. 7293/2009.
17. A. Fastag, „Design and Manufacture of Translucent Architectural Precast Panels”, FTB Symposium, Praga 2011.
18. R. Benedix, F. Dehn, J. Quaas, M. Orgass, „Application of Titanium Dioxide Photocatalysis to Create Self-Cleaning Materials”, „Lacer”, nr 5/2005, s. 157–167.
19. M. Barbesta, D. Schaffer, „Concrete that Cleans Itself and the Air”, „Concrete International”, nr 2/2009, s. 32–33.
20. Strona internetowa: Flickr.com [http://farm3.staticflickr.com/2292/1632941711_50f12c4d2b_z.jpg].

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!