Den här bilden visar hur iskristaller som binder till polymermolekylerna upplever dynamisk isformning, byter från en sfär till en rundad sexkant, som forskarna kallar 'citronis'. Kredit:Living Materials Laboratory, University of Colorado Boulder
Hemligheter för att cementera hållbarheten i vår framtida infrastruktur kan komma från naturen, som proteiner som hindrar växter och djur från att frysa under extremt kalla förhållanden. CU Boulder-forskare har upptäckt att en syntetisk molekyl baserad på naturliga frostskyddsproteiner minimerar frys-upptiningsskador och ökar betongens hållfasthet och hållbarhet, förbättra livslängden för ny infrastruktur och minska koldioxidutsläppen under dess livstid.
De fann att tillsats av en biomimetisk molekyl - en som efterliknar frostskyddsmedel som finns i arktiska och antarktiska organismer - till betong förhindrar iskristalltillväxt och efterföljande skada. Denna nya metod, publiceras idag i Cell Rapporter Fysisk Vetenskap , utmanar mer än 70 år av konventionella metoder för att mildra frostskador i betonginfrastruktur.
"Ingen tänker på betong som ett högteknologiskt material, sade Wil Srubar III, författare till den nya studien och biträdande professor i civil, miljö- och byggnadsteknik. "Men det är mycket mer högteknologiskt än man kan tro. Med tanke på klimatförändringarna, det är viktigt att uppmärksamma inte bara hur vi tillverkar betong och andra byggmaterial som släpper ut mycket koldioxid i sin produktion, men också hur vi säkerställer materialets långsiktighet. "
Betong bildas genom att blanda vatten, cementpulver och olika aggregat, som sand eller grus.
Sedan 1930-talet, små luftbubblor har lagts i betong för att skydda den från vatten- och iskristallskador. Detta gör att allt vatten som sipprar in i betongen får utrymme att expandera när det fryser. Utan det, ytan på skadad betong kommer att flagna av.
Men denna kräsna process kan ha en kostnad, minskande styrka och ökad permeabilitet. Detta gör att vägsalter och andra kemikalier kan läcka ut i betongen, som sedan kan bryta ned stål inbäddat i.
"Medan du löser ett problem, du förvärrar faktiskt ett annat problem, sa Srubar.
Den här bilden visar hur betong med biomimetisk frostskydds-polymer inte visar några tecken på rivning efter 30 frys-tina cykler Kredit:Living Materials Laboratory, University of Colorado Boulder
Eftersom USA står inför en betydande mängd åldrande infrastruktur över hela landet, miljarder dollar spenderas varje år för att minska och förebygga skador. Denna nya biomimetiska molekyl, dock, kan drastiskt minska kostnaderna.
I tester, betong gjord med denna molekyl – istället för luftbubblor – visade sig ha likvärdiga prestanda, högre hållfasthet, lägre permeabilitet och längre livslängd.
Med ett patent väntat, Srubar hoppas att denna nya metod kommer att komma in på den kommersiella marknaden inom de närmaste 5 till 10 åren.
Denna bild visar hur betong med biomimetisk frostskyddspolymer efter frysning-upptining inte visar några tecken på spjälkning. Kredit:Living Materials Laboratory, University of Colorado Boulder
Naturen hittar en väg
Från Antarktis under fryspunkten till de iskalla tundrarna i Arktis, många växter, fisk, insekter och bakterier innehåller proteiner som hindrar dem från att frysa. Dessa frostskyddsmedelsproteiner binder till ytan av iskristaller i en organism i samma ögonblick som de bildas – behåller dem verkligen, riktigt liten, och inte kan göra någon skada.
"Vi tyckte det var ganska smart, ", sa Srubar. "Naturen hade redan hittat ett sätt att lösa detta problem."
Betong lider av samma problem med iskristallbildning, som tidigare ingenjörer hade försökt mildra genom att tillsätta luftbubblor. Så Srubar och hans team tänkte:Varför inte samla ihop ett gäng av detta protein, och lägga det i betong?
Tyvärr, dessa proteiner som finns i naturen gillar inte att tas bort från sina naturliga miljöer. De löses upp eller sönderfaller, som överkokt spaghetti.
Betong är också extremt grundläggande, med ett pH vanligtvis över 12 eller 12,5. Detta är inte en vänlig miljö för de flesta molekyler, och dessa proteiner var inget undantag.
Så Srubar och hans doktorander använde en syntetisk molekyl - polyvinylalkohol, eller PVA - som beter sig precis som dessa frostskyddsproteiner men är mycket mer stabil vid ett högt pH, och kombinerade det med en annan giftfri, robust molekyl – polyetylenglykol – som ofta används inom läkemedelsindustrin för att förlänga cirkulationstiden för läkemedel i kroppen. Denna molekylära kombination av två polymerer förblev stabil vid ett högt pH och hämmade iskristalltillväxt.
Ökade stressorer
Efter vatten, betong är det näst mest konsumerade materialet på jorden:två ton per person tillverkas varje år. Det är en ny New York City som byggs var 35:e dag under minst de kommande 32 åren, enligt Srubar.
"Dess tillverkning, användning och bortskaffande har betydande miljökonsekvenser. Tillverkning av cement ensam, pulvret som vi använder för att tillverka betong, står för cirka 8 procent av vårt globala CO 2 utsläpp."
För att uppfylla Parisavtalets mål och hålla den globala temperaturökningen väl under 3,6 grader Fahrenheit, Byggbranschen måste minska utsläppen med 40 procent till 2030 och eliminera dem helt till 2050. Klimatförändringen i sig kommer bara att förvärra stressfaktorer på betong och åldrande infrastruktur, med ökade extrema temperaturer och frys- och tinningscykler som förekommer oftare på vissa geografiska platser.
"Infrastrukturen som är utformad idag kommer att möta olika klimatförhållanden i framtiden. Under de kommande decennierna, material kommer att testas på ett sätt som de aldrig har varit förut, " sa Srubar. "Så betongen som vi gör måste hålla."
