Ett självläkande cement som utvecklats av Pacific Northwest National Laboratory kan överträffa konventionell betong, erbjuder en potentiellt föroreningshindrande teknik för den växande geotermiska industrin.

Denna spelförändrande kombination använder en flexibel ingrediens, en polymer, att reparera brutna ytor och fylla sprickor, minimera risken för mekaniska fel och erbjuda en hållbar energikälla.

Kemisten Carlos Fernandez och hans team i samarbete med Simerjeet Gill från Brookhaven National Laboratory, beskriv polymerens läkande egenskaper och hur den kan förbättra cementens mekaniska prestanda i ett papper, "Insikter i de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos en cementpolymerkomposit som utvecklats för geotermiska brunnhålsapplikationer, " i Cement och betongkompositer .

Finansiering för forskningen gavs av Department of Energy's Geothermal Technologies Office.

Polymerer under tryck

Cement som används i geotermiska brunnar är känt för att spricka under tryck och i högtemperaturmiljöer i samband med borrning efter geotermisk energi. Målet med lagets papper var att se hur dess självläkande cement skulle hålla sig när det testas mot konventionellt cement under dessa extrema värmebetingelser. Genom en mängd olika tester, utförd på PNNL och BNL:s National Synchroton Light Source II, teamet fann att den självläkande cementtekniken kunde eliminera behovet av att ta bort, reparera och byt ut spruckna cementbrunnar.

PNNL-forskare testade deras självläkande cementstyrka och reaktioner på mekanisk påfrestning och genomförde analyser av ytarea, kemisk sammansättning, och ytopografi. Testerna bekräftade att det självläkande cementet är ett betydande alternativ till konventionellt cement eftersom det är flexibelt och autonomt läker sprickor.

Flexibiliteten tillskrivs kemiskt "mjuk" eller flexibel bindning mellan atomerna i polymeren och cementen. Denna mjuka bindning tillåter stora deformationer som kan finnas i cementen utan att bryta bindningarna. Detta förutsades genom beräkningsmodellering gjord av PNNL:s Vanda Glezakou. Polymeren tillför cementen 60 till 70 procent mer elasticitet när den tillsätts, minska frakturer i cementet, Fernandez rapporterar i tidningen.

Själva, polymerer är stora, kedjeliknande molekyler som arbetar för att hålla ihop ämnen och finns naturligt i människokroppen. När den tillsätts till cement, polymerer lägger till flexibilitet i sprött material och förhindrar att sprickor sprids snabbt. Polymeren lossnar, migrerar till sprickan, och fäster tillbaka för att fylla sprickan. Det var en 87 -procentig minskning av sprickstorleken när polymeren tillsattes till betongen.

Cementera framtiden

Cement är den näst största förbrukningsvaran i världen bakom vatten. Således, Att hitta ett sätt att göra cement ännu mer effektivt kan vara en spelväxlare inte bara för den geotermiska industrin utan byggindustrin totalt sett.

"Tanken om några år skulle vara att utvidga den till allt, "Sa Fernandez." Himlen är gränsen. "

Cementindustrin tjänar mer än 37 miljarder dollar årligen. Dock, sprickcement ger i genomsnitt 12 miljarder dollar per år för att reparera infrastrukturen ensam. Polymer-cement-kombinationen kan uppgå till 3,4 miljarder dollar per år i besparingar för infrastrukturer som dammar, anläggningar för kärnavfall, och skyskrapor, Fernandez förutspår. Detta kan innebära färre avstängningar och underhållsreparationer som täpper till vägar och skapar olägenheter för dagliga pendlingar.

Som en LED -lampa, polymercementet kan skapa långsiktiga besparingar. Konventionell cement är 5 cent per pund. Den uppskattade kostnaden för polymercementet är 30 till 35 cent per pund. Dock, det kan eventuellt förlänga livslängden för betongbaserade strukturer med 30 till 50 år, Sa Fernandez.

För oljeindustrin, specifikt, där höga temperaturer är konstanta, att ta bort och byta ut sprucken betong är en tidskrävande, dyrt företag, Sa Fernandez. Att ersätta konventionellt cement med självläkande cement kan uppgå till miljontals dollar i besparingar.

Den självläkande cementen kan också användas vid kärnkraftsavfallsanläggningar och vattenkraftsdammar där sprickor i strukturerna och mekaniskt fel kan leda till översvämning eller kontaminering. Kostsamma årliga och halvårliga inspektioner och reparationer kan minska i antal, Sa Fernandez. Den självläkande cementens flexibla natur gör också att den klarar större mekanisk påfrestning från naturkatastrofer och extrema väderförhållanden som jordbävningsskakningar eller kraftiga vindar.

Ett konkret alternativ för miljön

Självläkande cement kan lösa stora bekymmer om tätning av brunnar för olja, gas, och geotermisk värmeproduktion. Läckage i brunnarna orsakar kontaminering och begränsar möjligheten att tillhandahålla rena energialternativ. Dessa läckor förorenar vattendrag och ytvatten.

Andra självläkande polymer-cementblandningar som utvecklats för olje- och gasindustrin har ofta dåliga mekaniska egenskaper och tål inte de högtemperaturmiljöer som finns i geotermiska brunnar.

"Utvecklingen av en självläkande polymer-cementkombination som fungerar i geotermiska miljöer kan representera en spelförändrande teknik mot tillväxten av den geotermiska energiindustrin, "rapporterade laget i tidningen.

Det finns stora geotermiska energireserver över hela landet och runt om i världen som inte används eftersom borrhåls cement misslyckas under högtemperaturförhållanden och i kemiskt frätande miljöer. Geotermisk energi är termisk energi som jorden genererar och lagrar. Med förbättringar som självläkande cement, geotermisk energi har potential att vara tillämplig, hållbar energikälla. Det självläkande cementet kan leverera betydande energi med minimal kolutsläpp till atmosfären.

Dessutom, tiotusentals ton konventionellt cement hamnar på deponier, Sa Fernandez. Med förlängningen av mer än 30 års ytterligare användning av kompositen, mindre cement skulle gå till deponier.