Razvoj inovativnih okolju prijaznih materialov je eden od bistvenih vidikov trajnostne gradnje in tudi osrednja dejavnost raziskovalne skupine Kompoziti iz obnovljivih materialov (KOM) v InnoRenew CoE. Dr. Laetitia Marrot, raziskovalka v skupini KOM, se ukvarja z valorizacijo biomase iz enoletnih rastlin (konoplje in lana), namenjene razvoju trajnostnih kompozitov. Te enoletne rastline lahko uporabimo na več načinov – kot prekurzor za izdelovanje ogljika na biološki osnovi (več informacij o tej temi dobite na spletni strani projekta FAÇADE), kot izolacijski material, kakršen je konopljin beton (hempcrete), ali za ojačitev vlaknastih materialov, če navedemo le nekaj možnosti.

Eden od projektov, s katerimi se dr. Marrotova ukvarja, je tudi raziskovanje načinov za ojačitev betona s tekstilnimi tkaninami iz lanu. Študija se je v sodelovanju s tekstilnim in betonskim oddelkom (HOFZET in ZELUBA) inštituta Fraunhofer WKI začela lani.

Beton je eden od najpomembnejših gradbenih materialov vse od časa, ko je Joseph Aspdin v prvih desetletjih 19. stoletja v Angliji izumil portlandski cement. Svetovna proizvodnja betona danes presega 4,4 milijarde ton letno. Ker se revnejše države hitro urbanizirajo, naj bi se to število do leta 2050 povečalo na več kot 5,5 milijarde ton [1]. Današnja priljubljenost betona pri razvoju nove sodobne infrastrukture po vsem svetu je posledica njegove visoke tlačne trdnosti, trajnosti in nizkih stroškov. Vendar ima tako kot vsi materiali, ki se uporabljajo za različne namene, tudi beton določene slabosti.

Glavni pomanjkljivosti betona pri gradnji sta njegovi krhkost in nezanesljiva natezna trdnost. Za rešitev teh problemov je gradbena industrija predlagala različne metode za ojačitev betona – ena najpogostejših je uporaba jeklenih palic. Jeklo sicer zagotavlja ustrezno ojačitev (predvsem natezno), vendar če je izpostavljeno kisiku in vodi iz okolice, je podvrženo koroziji.  Da bi jeklo zaščitili, je potreben dodaten sloj betona, ki jekleno palico prekrije, to pa vodi do nepotrebno povečane teže materiala ter višjih stroškov in energije, kar prispeva k emisijam ogljikovega dioksida in povečuje vpliv na okolje.

V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja [2] [3] se je znanost usmerila k iskanju okolju prijaznejših načinov za armiranje betona in pojavila se je ideja, da bi jeklene palice zamenjali s tekstilnimi materiali. Tekstilno armirani beton ne potrebuje dodatnega betonskega zaščitnega sloja, saj ta material za razliko od jekla ni nagnjen h koroziji. To prinaša znatno manjšo porabo materiala in nižje stroške. Da bi to idejo uresničili, so začeli proučevati tekstil iz kovinskih in keramičnih materialov, sintetičnih polimerov ter iz anorganskih ali naravnih vlaken. Naravnih vlaken je veliko in so na voljo skoraj povsod po svetu. Posebej privlačna so zato, ker so biološko razgradljiva in obnovljiva, hkrati pa izkazujejo tudi zaželene mehanske lastnosti. Pokazalo se je, da so lanena vlakna med najmočnejšimi rastlinskimi vlakni in imajo posebno visoke natezne lastnosti, ki so primerljive z lastnostmi steklenih vlaken [4]. Za nekatere lastnosti materiala, na primer za zadostno dimenzijsko stabilnost in mehansko odpornost, poskrbi sistem prepletanja niti, ki sestavljajo tkanino.

Opazovanje lanenih tkanin z digitalnim mikroskopom. Foto: Filip Majstorović

Čeprav lanena vlakna kažejo velik potencial za ojačitev, pa bi jih brez zaščite betonsko okolje lahko poškodovalo. Nastanek cementne matrice namreč povzroči visoko alkalno okolje, ki ni ugodno za vlaknaste materiale. Vlaknasti materiali se na take pogoje odzivajo različno, kar je povezano z njihovo sestavo. Steklena vlakna v zelo alkalnem okolju na primer izkazujejo nizko korozijsko odpornost, in da bi preprečili njihovo razgradnjo, so razvili posebne vrste alkalno obstojnih (AR – alkal resistant) steklenih vlaken za armiranje betona. V alkalnem okolju pride v naravnih vlaknih do raztapljanja kemičnih komponent, kot sta hemiceluloza in lignin [5]. To težavo je mogoče odpraviti s spreminjanjem ali z zaščito površine vlaken, reši pa se jo lahko tudi z uporabo manj agresivne sestave za cementno matrico.

Pri projektu dr. Laetitie Marrot je uporabljena prva možnost. Da bi zaščitili površino vlaken pred alkalnim okoljem cementne matrice, kemijske komponente tekstila pa ohranili nedotaknjene, smo proučili več premazov na biološki osnovi. Pri izdelavi kompozitnih vzorcev smo uporabili različne deleže tekstila (med enim in šestimi odstotki glede na težo betona) in tako ugotavljali učinek tekstilne ojačitve na upogibne lastnosti kompozitov. Tekstil smo preluknjali, da bi razširili njegove vrzeli in omogočili mehansko pritrjevanje betona na tekstil.

V naslednjih korakih bomo preizkusili in primerjali dve seriji tekstilno armiranega betona. Pri eni seriji bo lanena tekstilna ojačitev betona zaščitena z biološkim premazom, pri drugi pa bo beton ojačan z neprevlečenim lanenim tekstilom. S tem bomo ocenili koristen učinek vsakega premaza za zaščito tekstila, oprijem s cementno matrico in mehanske lastnosti.

Priprava kompozitnih vzorcev. Foto: Laetitia Marrot

Rezultati, ki bodo razkrili trajnostno, gradbeno in ekonomsko vrednost betona, armiranega s tekstilom, bi lahko bili zelo pomembni za gradbeništvo in gradbeno industrijo.

Laetitia Marrot, prejemnica projekta H2020 Marie Skłodowska-Curie,

Filip Majstorović, raziskovalni obiskovalec skupine KOM

Projekt FAÇADE je prejel sredstva iz raziskovalnega in inovacijskega programa Evropske unije Obzorje 2020 v okviru sporazuma o dodelitvi sredstev Marie Skłodowska-Curie št. 898179.

Viri

[1]      J. Hilburg, “Concrete production produces eight percent of the world’s carbon dioxide emissions”. The Architect’s Newspaper, 2. 1. 2019. https://www.archpaper.com/2019/01/concrete-production-eight-percent-co2-emissions/ (pridobljeno 22. 10. 2020).

[2]      M. Curbach et al., “Sachstandbericht zum Einsatz von Textilien im Massivbau”. Kurzber. AUS Bauforsch., 40/1, 1999. Dostopno na: https://trid.trb.org/view/963177  (pridobljeno 22. 10. 2020).

[3]      W. Brameshuber, Report 36: Textile Reinforced Concrete – State-of-the-Art Report of RILEM TC 201-TRC. RILEM Publications, 2006.

[4]      A. Bourmaud, J. Beaugrand, D. U. Shah, V. Placet in C. Baley, “Towards the design of high-performance plant fibre composites”. Prog. Mater. Sci., 97, str. 347–408, avgust 2018, doi: 10.1016/j.pmatsci.2018.05.005.

[5]      R. D. Tolêdo Filho, K. Scrivener, G. L. England in K. Ghavami, “Durability of alkali-sensitive sisal and coconut fibres in cement mortar composites”. Cem. Concr. Compos., 22/2, str. 127–143, april 2000, doi: 10.1016/S0958-9465(99)00039-6.