Natürliche Nanokristalle zur Verstärkung von Beton
Untersuchungen an der Purdue University haben gezeigt, dass Cellulose-Nanokristalle, die aus industriellen Abfallprodukten gewonnen werden, zur Verstärkung von Beton genutzt werden können. Die Nanokristalle sind ein potentieller Zusatzstoff, der die Eigenschaften des allgegenwärtigen Baustoffs verbessern könnte.
Die Cellulose-Nanokristalle werden von Abfallprodukten der Papier-, der Bioenergie-, der Landwirtschafts- oder der Zellstoffindustrie abgeschieden. Sie können aus sogenannten Cellulose-Mikrofibrillen extrahiert werden. Diese verhelfen Pflanzen und Bäumen zu Stabilität, Leichtigkeit und Widerstandsfähigkeit. Forschern der Purdue Universität ist es nun gelungen zu zeigen, dass solche Cellulose-Nanokristalle die Zugfestigkeit von Beton um bis zu 30 Prozent erhöhen können.
“Das Material ist reichlich vorhanden und erneuerbar. Es kann aus Cellulose minderer Qualität gewonnen werden, die industriell produziert wird“, sagte Pablo Zavattieri, Dozent an der Lyles School of Civil Engineering.
Die Cellulose-Nanokristalle könnten genutzt werden, um eine neue Klasse von Biomaterialien zu entwickeln, die beispielsweise in der Verstärkung von Baustoffen oder Bauteilen der Automobilindustrie verbreitet Anwendung finden könnten.
Ein Faktor, der die Festigkeit und Langlebigkeit von heutigem Beton beschränkt, ist, dass nach der Mischung nicht alle Zementpartikel hydratisieren. So entstehen Poren und andere Mängel. “Das heisst, dass nicht 100 Prozent des Zements genutzt werden”, sagte Zavattieri.
Die Forschenden haben nun entdeckt, dass die Beimischung von Cellulose-Nanokristallen die Hydratation der Betonmischung erhöht und so die Verhärtung einer grösseren Anzahl an Zementpartikeln fördert. Dies verändert und verstärkt die Struktur und verringert die benötigte Menge an Beton.
Verschiedene Analyse- und Abbildungsverfahren wurden zur Untersuchung der veränderten Mischungen herangezogen. Die chemischen Reaktionen, die während der Hydratation stattfinden, sind exotherm. In einem der Testverfahren wurde daher die Hitze gemessen, die während der Härtung freigesetzt wurde. So konnte eine gesteigerte Hydratation festgestellt werden. Untersuchungen zur Ansiedlung der Nanokristalle in der Zementmatrix haben gezeigt, dass diese kleine Zuflüsse schaffen, sodass Wasser besser eindringen kann.
Quelle: Purdue University
Studie: Cao, Y., Zavaterri, P., Youngblood, J., Moon, R. & Weiss, J. (2015). The influence of cellulose nanocrystal additions on the performance of cement paste. Cement and Concrete Composites (56), 73 - 83. http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.11.008
Bildquelle: Blick auf die 'Pierre Pflimlin Bridge'. Ingolfson (Wikimedia Commons)