Det svåraste med betong kan bara vara problemet med hur man gör det allestädes närvarande byggmaterialet på ett miljövänligt sätt. De senaste laboratorieresultaten vid Princeton University tyder på att utmaningen med att göra grönare betong så småningom kan knäckas.

Betong väcker oro för klimatförändringar eftersom tillverkningen av dess primära komponent, Portland cement, är ansvarig för så mycket som 8 procent av mänskliga koldioxidutsläpp. Ännu värre ur miljösynpunkt, prognosmakare förutspår att Portland cementproduktion kommer att fördubblas under de närmaste 30 åren.

Det finns möjliga ersättningar för Portlandcement. Ett alternativ, kallas alkali-aktiverade material, lovar att utföra samma funktion och minska cementrelaterade koldioxidutsläpp med upp till 90 procent. Studier har visat att alkali-aktiverade material är lika starka som Portland-cement. Men det finns relativt lite långsiktig data om det grönare cementets hållbarhet-en nyckelfråga för någon som bygger en struktur för att hålla i decennier eller mer.

Forskare vid Princeton och andra institutioner har arbetat med att ta itu med bristen på information om de nya cementbytena. Claire White, en biträdande professor i civil- och miljöteknik och Andlinger Center for Energy and the Environment, sa att det kan vara utmanande i labbet att exakt simulera betongens långsiktiga hållbarhet. Men informationen är kritisk om industrin ska anta materialet.

"En av anledningarna till att alkali-aktiverade material inte används i stor utsträckning är brist på teststandarder på nationell nivå, "Sa White.

Under de senaste åren har Whites forskargrupp har använt olika metoder för att både mäta cementalternativens långsiktighet och föreslå sätt att eliminera materialets svagheter. I en rapport, hennes team tittade på små sprickor som utvecklas när vissa alkali-aktiverade material åldras; eftersom sprickorna markant kan minska styrkan över tid, forskarna föreslog att lägga till små mängder zinkoxid -nanopartiklar för att minska sprickbildningen.

"Vi har använt och studerat Portland -cement i nästan 200 år, så vi förstår mycket om hur de försämras med tiden och under olika miljöförhållanden, "sa Maria Juenger, professor vid institutionen för civil arkitekt- och miljöteknik vid University of Texas-Austin. Å andra sidan, Juenger sa, "alkali-aktiverade material är ett nytt djur, och vi måste anstränga oss mycket för att studera deras hållbarhet innan vi använder dem i strukturer [eftersom] oförutsedda misslyckanden kan vara kostsamma. "

I en artikel publicerad 15 juni i Journal of the American Ceramic Society , Whites forskargrupp beskriver en ny metod för att utvärdera det alkaliaktiverade materialets permeabilitet. Permeabilitet är en kritisk svaghet för cement eftersom kemikalier som koldioxid, sulfater eller klorid som tränger in i en betongkonstruktion kan försvaga betongen och korrodera stålet som används som förstärkning för de flesta moderna byggnader.

Permeabilitet är ett viktigt mått på cementens hållbarhet, men det är mycket svårt att mäta exakt i ett labb, White förklarade. Det beror på att de vanligaste metoderna för att testa permeabilitet kräver att forskare antingen förbehandlar cementen eller använder högt tryck för att tvinga vätska genom ett prov. Båda gör testet mindre representativt för verkliga förhållanden.

För att lösa det här problemet, Whites forskargrupp använde en metod som kallas ett strålböjningstest, som vanligtvis inte används för att mäta permeabilitet. I testet, en horisontell cylinder av cement stöds i båda ändarna medan en nedåtriktad kraft appliceras mot mittpunkten på cylinderns ovansida, får det att avledas. Genom att mäta hur cylindern reagerar på nedböjningen över tid, forskarna kunde beräkna hur vätskan rör sig genom de små porerna inuti cementet.

I en serie tester, Catherine Eiben, en tidigare doktorand i White's lab, mätte permeabiliteten för alkali-aktiverat material tillverkat av en natriumhydroxidlösning och slagg, en biprodukt från järnproduktionen. Anna Blyth, en stigande senior, utförde ytterligare en serie mätningar med hjälp av materialet, men ändrade lösningen så att materialet innehöll löslig kiseldioxid. Forskarna fann att den första versionen av alkali-aktiverat material var mer permeabel än Portland-cement; men kiseldioxidversionen hade markant lägre permeabilitet.

"Det var ganska spännande" sa Blyth, som genomförde testerna som en del av sin oberoende forskarutbildning. "Det arbete som professor White gör i sitt labb har viktiga konsekvenser för industrin och kommer förhoppningsvis att göra det möjligt att skapa standarder och koder för att hantera implementeringen av miljövänliga substitut för Portlandcement."

White sa att resultaten är ett uppmuntrande steg. Men hon sa att det inte rensar vägen helt för den nya typen av cement. Medan permeabilitet är ett viktigt mått på hållbarhet, prover med låg permeabilitet kan drabbas av andra potentiella problem.

"Den typ av material som fungerar riktigt bra på permeabilitet-de med mycket små porstorlekar-är ibland sårbara för mikrosprickor, "sa hon." Vi vet att det är sant för dessa silikataktiverade slaggcement. "

White sa att framtida arbete i hennes labb planerar att ta itu med sprickfrågan.

"Vi vill utveckla nya metoder för att få korrekta uppgifter om hur dessa material kommer att fungera över tid, "sa hon." Detta kommer att hjälpa till med genomförandet av hållbara alternativ i byggbranschen. "