Cellulosa nanokristaller som härrör från industriella biprodukter har visat sig öka betongens hållfasthet, representerar en potentiell förnybar tillsats för att förbättra det allestädes närvarande byggmaterialet.

Cellulosa nanokristaller (CNC) kan raffineras från biprodukter som genereras i papperet, bioenergi, jordbruk och massaindustrin. De extraheras från strukturer som kallas cellulosamikrofibriller, som hjälper till att ge växter och träd deras höga hållfasthet, lätt och motståndskraftig. Nu, forskare vid Purdue University har visat att cellulosananokristaller kan öka draghållfastheten hos betong med 30 procent.

"Det här är rikligt, förnybart material som kan skördas från cellulosamaterial av låg kvalitet som redan produceras i olika industriella processer, "sa Pablo Zavattieri, docent vid Lyles School of Civil Engineering.

Cellulosa nanokristaller kan användas för att skapa en ny klass av biomaterial med omfattande tillämpningar, såsom förstärkning av byggmaterial och bilkomponenter.

Forskningsresultat publicerades i februari i tidskriften Cement och betongkompositer . Arbetet leddes av Jason Weiss, Purdues Jack och Kay Hockema professor i samhällsteknik och chef för Pankow Materials Laboratory; Robert J. Moon, en forskare från U.S. Forest Services skogsproduktlaboratorium; Jeffrey Youngblood, docent i materialteknik; doktorand Yizheng Cao; och Zavattieri.

En faktor som begränsar hållfastheten och hållbarheten hos dagens betong är att inte alla cementpartiklar hydratiseras efter blandning, lämnar porer och defekter som hindrar styrka och hållbarhet.

"Så, i huvudsak, vi använder inte 100 procent av cementet, "Sa Zavattieri.

Dock, forskarna har upptäckt att cellulosananokristaller ökar hydratiseringen av betongblandningen, tillåta mer av det att bota och potentiellt förändra betongstrukturen och stärka den. Som ett resultat, mindre betong behöver användas.

Cellulosa nanokristaller är cirka 3 till 20 nanometer breda med 50-500 nanometer långa - eller cirka 1/1, 000:e bredden på ett sandkorn - vilket gör dem för små för att studera med ljusmikroskop och svåra att mäta med laboratorieinstrument. De kommer från en mängd olika biologiska källor, främst träd och växter.

Betongen studerades med hjälp av flera analys- och bildtekniker. Eftersom kemiska reaktioner i betonghärdning är exoterma, några av testerna mätte mängden värme som släpptes ut, indikerar en ökad hydratisering av betongen. Forskarna antog också nanokristallernas exakta placering i cementmatrisen och lärde sig hur de interagerar med cementpartiklar i både färsk och härdad betong. Nanokristallerna visade sig bilda små inlopp för vatten för att bättre tränga in i betongen.

Forskningen överensstämmer med målen för P3Nano, ett offentlig-privat partnerskap som stöder utveckling och användning av träbaserat nanomaterial för ett brett utbud av kommersiella produkter.

"Tanken är att stödja och hjälpa Purdue att ytterligare avancera CNC-cementtekniken för fullskaliga fältförsök och potentialen för kommersialisering, "Sa Zavattieri.