Η νανοκυτταρίνη αυξάνει τη βιωσιμότητα του τσιμέντου

Η νανοκυτταρίνη χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο σε δομικά υλικά λόγω του γεγονότος ότι είναι βιώσιμο υλικό και διαθέτει μοναδικές ιδιότητες όπως αντοχή και χαμηλό βάρος. Προερχόμενη από διάφορες φυσικές πηγές, συμπεριλαμβανομένων φυτών, ζώων και βακτηρίων, η νανοκυτταρίνη χρησιμοποιείται ως πρόσθετο σε τσιμεντοειδή υλικά, συνήθως με τη μορφή νανοϊνιδίων ή νανοκρυστάλλων.

Η κυτταρίνη είναι το πιο άφθονο οργανικό πολυμερές στη γη. Μετατρέπεται σε νανοκυτταρίνη μέσω φυσικών, χημικών (όπως πολτοποίηση) και μηχανικών μεθόδων επεξεργασίας. Λόγω της κυρίως κρυσταλλικής δομής της, η κυτταρίνη διασπάται δύσκολα και παρουσιάζει μεγάλη αντοχή σε οξειδωτικά μέσα και αλκαλικά διαλύματα. Ωστόσο, τα οξέα μπορούν εύκολα να υδρολύσουν την κυτταρίνη σε υδατοδιαλυτά σάκχαρα, όπως η γλυκόζη.

Οι νανοκυτταρίνες που προέρχονται από διάφορες πηγές έχουν παρόμοιες ιδιότητες, όπως χαμηλή πυκνότητα και μεγάλη ειδική επιφάνεια. Η δομή τους σε νανοκλίμακα τους προσδίδει υψηλή αντοχή και καταλληλότητα για χρήση ως νανοπληρωτικά. Η υδροφιλία τους διευκολύνει τη χρήση τους, καθώς τροποποιώντας τις υδροξυλομάδες που υπάρχουν στην επιφάνεια τους, είναι δυνατή η ενσωμάτωση των υλικών αυτών σε διάφορα δομικά υλικά.

Συνεπώς, με ιδιότητες όπως υψηλή αντοχή, μικρό βάρος και σχετικά χαμηλό κόστος λόγω της άφθονης διαθεσιμότητας, η νανοκυτταρίνη αποτελεί προτιμώμενος ενισχυτικός παράγοντας σε σύνθετα δομικά υλικά.

Η εντεινόμενη αστικοποίηση και η αποψίλωση των δασών οδηγούν στην εξάντληση των φυσικών πόρων, όπως το γλυκό νερό, η άμμος θαλάσσης και το χαλίκι, τα οποία αποτελούν τις κύριες πρώτες ύλες για τη συμβατική βιομηχανία τσιμέντου και σκυροδέματος. Σε όρους ποσότητας, το τσιμέντο είναι το μεγαλύτερο τεχνητό προϊόν στη γη.

Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από τις κατασκευές με βάση το τσιμέντο συμβάλλουν επίσης σημαντικά στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Στην έκθεση του για το 2019, το World Green Build Council στόχευε σε μείωση κατά 40% του ενσωματωμένου άνθρακα για όλες τις νέες κτιριακές υποδομές έως το 2030 και υποδομές μηδενικού αποτυπώματος άνθρακα έως το 2050. Σε αυτό το πλαίσιο, η νανοκυτταρίνη αναδεικνύεται ως μια βιώσιμη εναλλακτική λύση, ικανή να αμβλύνει τις δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις του τσιμέντου, με ταυτόχρονη μείωση της χρήσης φυσικών πόρων όπως το χαλίκι, η άμμος και η άργιλος.

Ωστόσο, η απειλή για τα δάση παραμένει, καθώς το ξύλο παραμένει η κύρια πηγή κυτταρίνης. Αυτή η πρόκληση μπορεί να ξεπεραστεί χρησιμοποιώντας εναλλακτικές πηγές κυτταρίνης, όπως τα φύκια, τα οποία προσφέρουν το πρόσθετο πλεονέκτημα της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα. Η κυτταρίνη μπορεί επίσης να ληφθεί από μη ξυλώδη φυτά όπως το λινάρι, η κάνναβη, η γιούτα και το κενάφ. Η φυτική κυτταρίνη μπορεί επίσης να προέλθει με οικονομικό τρόπο από γεωργικά απόβλητα.

Ως πρόσθετο, η νανοκυτταρίνη μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες ενός δομικού υλικού. Ωστόσο, για να επιτευχθεί αυτό, απαιτείται κατάλληλη δοσολογία, καθώς η υπερβολική ποσότητα νανοκυτταρίνης μπορεί να προκαλέσει συσσωματώματα και τελικά υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του τσιμέντου. Για να ξεπεραστεί αυτό το ζήτημα, χρησιμοποιούνται συχνά μέθοδοι διασποράς όπως η υπερήχηση (sonication).

Τα νήματα νανοκυτταρίνης μπορούν να τροποποιήσουν το ιξώδες των δομικών υλικών, ενισχύοντας έτσι τη σταθερότητα τους. Μπορούν επίσης να αλλάξουν τη μικροδομή του τσιμέντου μειώνοντας τους πόρους και τις ρωγμές και αυξάνοντας την ανθεκτικότητα του. Η ενσωμάτωση νανοκυτταρίνης σε σύνθετα τσιμεντοειδή υλικά ενισχύει την αντοχή στην υγρασία και τον παγετό, αυξάνοντας τη συνολική ανθεκτικότητα της δομής.

Η ενυδάτωση του τσιμέντου είναι μια κρίσιμη χημική διαδικασία που ελέγχει τη συνολική του απόδοση. Τα νανοϊνίδια κυτταρίνης μπορούν να αυξήσουν τη σταθερότητα των μιγμάτων τσιμέντου με υψηλή αναλογία νερού προς τσιμέντο, επιτρέποντας τους να ενυδατωθούν χωρίς να καθιζάνουν.

Εναλλακτικά, η νανοκυτταρίνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόληψη της συρρίκνωσης σε μίγματα τσιμέντου με χαμηλή αναλογία νερού προς τσιμέντο, καθώς βελτιώνει τη μεταφορά νερού μέσα στα σωματίδια του τσιμέντου. Ωστόσο, τέτοιες εφαρμογές απαιτούν ακριβή δοσολογία νανοκυτταρίνης για την πρόληψη δυσμενών αποτελεσμάτων, όπως η αυξημένη συρρίκνωση.

Η νανοκυτταρίνη, όταν είναι σε κρυσταλλική μορφή, μπορεί να μειώσει το συντελεστή απορρόφησης νερού και να αλλάξει τις ιδιότητες διαβροχής και πρόσφυσης ενός κονιάματος. Η αύξηση της δόσης των νανοκρυστάλλων κυτταρίνης μέχρι ένα ορισμένο όριο μπορεί να ενισχύσει τη χύδην πυκνότητα και την ειδική πυκνότητα του δομικού υλικού. Ωστόσο, περαιτέρω αυξήσεις της περιεκτικότητας μπορεί να οδηγήσουν σε μειωμένη φαινόμενη πυκνότητα λόγω συσσωμάτωσης της νανοκυτταρίνης.

Η βακτηριακή νανοκυτταρίνη έχει υψηλότερο δείκτη κρυσταλλικότητας, καθαρότητα, αντοχή σε εφελκυσμό, ικανότητα απορρόφησης νερού και βαθμό πολυμερισμού από τη φυτική κυτταρίνη. Έτσι, η βακτηριακή νανοκυτταρίνη παρουσιάζει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στην αύξηση της δομικής αντοχής και της απορρόφησης νερού στα σύνθετα τσιμεντοειδή υλικά.

Η επίδραση της νανοκυτταρίνης στις μηχανικές ιδιότητες ενός δομικού υλικού εξαρτάται επίσης από τον τύπο του υλικού. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι νανοκυτταρίνης μπορούν να βελτιώσουν την ελαστικότητα του τσιμέντου αργιλικού ασβεστίου, αλλά δεν παρατηρείται το ίδιο για το συνηθισμένο τσιμέντο Portland.

Παράγοντες όπως ο τύπος, η ποσότητα και η διασπορά της νανοκυτταρίνης και ο τύπος της τσιμεντοειδούς μήτρας επηρεάζουν συνολικά τα χαρακτηριστικά της τελικής δομής.

Μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στην επιστημονική έκδοση ACS Sustainable Chemistry & Engineering διερεύνησε το ρόλο των νανοκρυστάλλων κυτταρίνης στο ενισχυμένο με ίνες τσιμέντο. Οι κρύσταλλοι νανοκυτταρίνης χρησιμοποιήθηκαν ως πρόσθετο. Το σύνθετο υλικό επέδειξε βελτιωμένη κινητική ενυδάτωσης, βελτιωμένη αντοχή σε κάμψη και αντοχή στη λέπτυνση λόγω διατμητικών τάσεων. Οι συγγραφείς της μελέτης τόνισαν επίσης το σημαντικό ρόλο της παρουσίας της νανοκυτταρίνης στο ενισχυμένο με ίνες τσιμέντο, όσον αφορά στην απαλλαγή των δομικών υλικών από τον άνθρακα, χωρίς να διακυβεύεται η μηχανική αντοχή και ο χρόνος σκλήρυνσης.

Μια άλλη πρόσφατη μελέτη, που δημοσιεύτηκε στην επιστημονική έκδοση Construction and Building Materials, προτείνει τη χρήση μίγματος νανοκυτταρίνης και κονιάματος σκυροδέματος για τη μείωση των εκπομπών αερίου ραδονίου-222 σε εσωτερικούς χώρους. Το ραδόνιο-222, ένα φυσικό ραδιενεργό αέριο που εκπέμπεται από τα τούβλα, μπορεί να διεισδύσει στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα και να επηρεάσει αρνητικά τους ιστούς των πνευμόνων.

Οι ερευνητές εξέτασαν διάφορες αναλογίες κενάφ και νανοϊνιδίων κυτταρίνης φοινικέλαιου, αναμεμειγμένα σε τούβλα. Η νανοκυτταρίνη λειτούργησε όπως τα υγρά υλικά πλήρωσης, αυξάνοντας τη φυσική αντοχή των τούβλων, με παράλληλη μείωση των εκπομπών ραδονίου-222. Αυτό το αποτέλεσμα επιτεύχθηκε μειώνοντας τις ποσότητες πέτρας, άμμου και τσιμέντου στα τούβλα.

Οι αυξανόμενες ανησυχίες για την κλιματική αλλαγή έχουν ενθαρρύνει τους ερευνητές να διερευνήσουν πράσινα υλικά, τεχνολογίες και προϊόντα με μειωμένες επιπτώσεις στο περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία σε σύγκριση με τα παραδοσιακά δομικά υλικά. Η νανοκυτταρίνη ικανοποιεί τις συνθήκες ενός «πράσινου» υλικού και έχει τη δυνατότητα να είναι κορυφαία επιλογή για βιώσιμα δομικά υλικά στον 21ο αιώνα.

Με πληροφορίες από azobuild.com