Cel udało się osiągnąć – dzięki najnowszej technologii, proces produkcji tego materiału uwalnia teraz nawet o 70 proc. mniej dwutlenku węgla niż poprzednia generacja. Celem projektu, zrealizowanego przez należące do EPFL laboratorium konserwacji strukturalnej i bezpieczeństwa (MCS), było opracowanie materiału, który zachowuje dotychczasowe właściwości mechaniczne, ale bez dodatku włókien stalowych – zamiast nich wykorzystano bardzo sztywne włókna polietylenowe, które dobrze przylegają do cementowej matrycy.
Ponadto połowę cementu zastąpiono szeroko dostępnym wapieniem, co pozwoliło uzyskać beton UHPFRC tak samo mocny jak stosowany dotychczas, ale emitujący mniej CO2. Opracowano zaawansowany model testowania, aby zoptymalizować mieszankę obejmującą 6 różnych składników. Uzyskany beton PE-UHPFRC ma średnią wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie odpowiednio na poziomie 11,7 MPa i 120 MPa. Część eksperymentów przeprowadzono koncentrując się na odkształceniach autogenicznych (samoczynnych) i związanych z nimi naprężeniach własnych, w warunkach pełnego unieruchomienia, przy użyciu maszyny do badania naprężeń temperaturowych.
Wyniki wykazały ponad 70-proc. redukcję naprężeń w warstwie PE-UHPFRC o grubości 50 mm w porównaniu z osiągami konwencjonalnego UHPFRC wypełnionego włóknami stalowymi. Nowy materiał, o 10 proc. lżejszy niż inne betony zbrojone włóknami, jest na tyle wydajny, że według wstępnych planów pierwszy transfer technologii (wzmocnienie istniejącego mostu) miał nastąpić już w 2020 r. Laboratorium MCS nadzorowało już wzmocnienie konstrukcyjne ponad stu mostów i budynków w samej tylko Szwajcarii. Badacze zwracają uwagę, że rozwiązanie to jest dużo bardziej korzystne pod względem finansowym i środowiskowym niż burzenie lub przebudowa istniejących, często zabytkowych obiektów.
Wśród mniej konwencjonalnych rozwiązań wyróżnił się ostatnio projekt badaczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, którzy wykorzystali druk 3D do skonstruowania betonowej belki wzmocnionej polimerowym szkieletem. Jak wykazano podczas testów zginania, belka wykazuje się znaczą elastycznością, a większość pęknięć jest hamowana przez zastosowane wzmocnienie. Ponadto materiał charakteryzuje mniejszym śladem węglowym – tak jak w większości innych przypadków, również i tu kierowano się potrzebą zastąpienia standardowego zbrojenia stalowego tworzywem sztucznym.
Zespół wykorzystał drukarkę 3D do zbudowania tzw. kratownicy oktetowej, zaprojektowanej na wzór wsporników wykorzystywanych m.in. do budowy mostów. Następnie wypełniono ją betonem o ultra wysokiej wydajności (UHPC), który poddawany ściskaniu wykazuje czterokrotnie większą wytrzymałość niż beton konwencjonalny.
Wzmocniony materiał dobrze wypadł w testach ściskania i zginania czteropunktowego. Badacze przypominają, że wcześniejsze eksperymenty z polimerowymi wzmocnieniami kratownicowymi czerpały inspirację ze świata przyrody, np. kształtu plastra miodu. Ale zbrojenia tego typu były dwuwymiarowe, co ograniczało ich zdolność do obsługi złożonych projektów budowlanych.
Aby stworzyć projekt 3D, który mógłby wytrzymać duże obciążenia ze wszystkich kierunków, naukowcy wykorzystali złożoną z trójkątnych elementów, spopularyzowaną szerzej w II poł. XX wieku konstrukcję kratową, znaną ze swojej wytrzymałości i wyjątkowo lekkiej konstrukcji.
Zespół przetestował dwa różne polimery: PLA (łatwy do drukowania w 3D, ale bardziej kruchy niż inne materiały) oraz ABS (twardszy niż PLA). Wszystkie próbki betonu zbrojonego kratownicą uzyskały wysokie odczyty gęstości odkształcenia, co oznacza, że były w stanie pochłonąć dużo energii. Zmiana testowanego materiału z PLA na ABS nie spowodowała znaczącej różnicy w wynikach testów ściskania. Inżynierowie eksperymentowali również ze zmianą ilości zbrojenia w betonowym elemencie.
W cieńszej próbce plastik stanowił 19,2 proc. jej objętości, w grubszej – 33,7 proc. Zwiększenie ilości tworzywa w drugiej próbce wprawdzie nieznacznie zmniejszyło jej odporność na ściskanie, ale zwiększyło poziom maksymalnego obciążenia. Co ważne, bez względu na ilość polimeru, nie zmieniły się znacząco ogólne właściwości mechaniczne struktury: obie próbki wykazały się taką samą twardością. Następnym krokiem ma być określenie, czy różne aplikacje betonu mogą być wzmacniane jeszcze lepiej dzięki kratownicom o specjalnie dobieranych kształtach.
Na tej podstawie w przyszłości inżynierowie mogliby określać optymalną geometrię zbrojenia dla danego projektu, prognozują twórcy technologii.
Plastime Magazine
Tekst ukazał się w „Plastime Magazine” nr 1/2021. Chcesz otrzymywać dostęp do pełnych wydań miesięcznika? Zapisz się na bezpłatny „Polimerowy Przegląd Prasy”! Już w najbliższy wtorek odbiorcy naszego newslettera otrzymają dostęp do „Plastime Magazine” nr 2/2021. Zapisz się!
