Biopolymeeri
10.2 Biopolymeerit, joilla on superplastisoimisominaisuuksia
Biopolymeerit ovat luonnonmateriaaleja, jotka luokitellaan rakenteellisesti polysakkarideiksi, polyestereiksi, polyamideiksi ja hiilivedyiksi. Esimerkkejä jokapäiväisessä elämässä yleisesti esiintyvistä luonnonpolymeereistä ovat kumi, tärkkelys, puuvilla, nahka, villa, silkki jne. Niitä löytyy kolmessa perusmuodossa (Costa et al., 2014):
Jauhemuodossa: biopolymeerit, jotka voidaan joko lisätä sementtiin tai laimentaa veteen betonin valmistusta varten. Esimerkkejä: kitiini, kitosaani, tärkkelys jne;
Nestemuoto: biopolymeerit, jotka yleensä laimennetaan veteen betonin valmistusta varten. Esimerkkejä: monet lateksimateriaalit (kumi, avelós, araucária, diutan, welan, ksantaani, gelan, guttaperkka, guar jne.); ja
Kuitumuoto: biopolymerisaatioprosessin läpikäyneet biopolymeerit, jotka lisäävät betonin vetolujuutta (tämäntyyppisiä biopolymeerejä ei käsitellä tässä yhteydessä, koska niillä ei ole superplastisoivaa vaikutusta). Esimerkkejä: luonnonkuidut (curauá, kookospähkinä, sisal, espanjalainen luuta, hamppu, juta, kenaf, ananas jne.).
Biopolymeereillä on joitakin etuja synteettisiin polymeereihin nähden, kuten alhaisemmat kustannukset joissakin tapauksissa, helppo uuttaminen, biologinen yhteensopivuus ja biohajoavuus (Nóbrega, 2009). Biohajoavuus on kyseenalainen ominaisuus; betonia, joka hajoaa ajan myötä, ei hyväksytä.
Rikkain biopolymeeri on selluloosa, joka on kasvien fotosynteesin tuottama polysakkaridi. Selluloosaa esiintyy runsaasti useissa bambulajeissa (Sobrinho et al., 2012). Toinen on kitiini, polysakkaridi, jota esiintyy merieläimissä, hyönteisissä ja sienissä (Antonino, 2007). Kitiini eristettiin ensimmäisen kerran sienistä vuonna 1811, kun ranskalainen professori Henri Braconnot tutki sieniä ja kutsui sitä fungiiniksi. Vuonna 1823 Odier eristi saman aineen hyönteisten karapaksista, mikä antoi sille nimen kitiini. Myöhemmin Odier havaitsi kitiinin esiintymisen rapujen selkäkilvissä (Chiandotti, 2005; Antonino, 2007). Nykyään kaupallisesti tuotettua kitiiniä saadaan sekä rapujen selkäkilvistä että kuorikatkaravuista.
Kitinistä johdettu tuote, joka on herättänyt tieteellistä ja kaupallista kiinnostusta, on kitosaani (Dutta et al., 2004; Rinaudo, 2006). Tämän polymeerin kuvasi ensimmäisen kerran noin vuonna 1859 professori C. Rouget. Hoppe-Seyler ehdotti nimeä kitosaani vasta vuonna 1894, koska tässä aineessa on typpeä yhtä paljon kuin alkuperäisessä kitiinissä (Antonino, 2007). Kitosaani ei ole mitään muuta kuin kitiinin deasetylaatiotuote (Bezerra, 2006); lisäksi kitosaani on stabiili materiaali emäksisissä ympäristöissä ja vähähappisissa ympäristöissä (Craveiro et al., 1999).
Näillä kolmella biopolymeerillä (selluloosa, kitiini ja kitosaani) on samankaltaiset kemialliset rakenteet (Kuva 10.6 ja Luku 7), ja ne eroavat toisistaan vain funktionaalisten sivuryhmiensä suhteen. On syytä huomata, että selluloosa on ainoa, jonka riippuvissa funktionaalisissa ryhmissä ei ole typpeä.
Kuva 10.6. Selluloosan kemiallinen rakenne.
Joitakin näistä biopolymeereistä voidaan käyttää betonissa lisäaineina. Esimerkiksi kitosaani pystyy lisäämään betonin puristuslujuutta jopa 30 % (Bezerra, 2006). Reologiset ominaisuudet kuitenkin heikkenevät, kun kitosaani liukenee hieman veteen. Tämän havainnon perusteella Nóbrega (2009) teki tutkimuksen käyttämällä kitosaania laimennettuna 0,25-2,00 M jääetikkaa (99 %). Näin kitosaani kärsii asetylaatioprosessin ja palaa kitiinimuotoon, joka on kitosaania liukoisempi polymeeri. Kun kitiini sitten siirretään vahvasti emäksiseen ympäristöön, jonka Portland-sementti tarjoaa, se deasetyloituu uudelleen ja muuttuu kitosaaniksi. Tässä vaiheessa kitosaanin muodostuminen tapahtuu sementtimassan mikrorakenteen sisällä, mikä edistää polymeeristen verkostojen muodostumista. Koska kitiini on aluksi laimennettu veteen, se ei myöskään vaikuta reologisiin ominaisuuksiin, kuten kitosaania suoraan käytettäessä. Nämä polymeeriset verkostot puolestaan tuottavat suuremman mekaanisten ominaisuuksien voiton, kun niihin liittyy Portland-sementtihydraatteja tehokkaammin (kuva 10.7).
Kuva 10.7. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva kitosaania sisältävästä betonista (Bezerra et al., 2011).
Bezerra et al. (2011) tekemästä tutkimuksesta käy ilmi, että kitosaanilla ja lateksilla valmistetun betonin mikrorakenteen huokosjakauman ja kapillaarisuuden kautta tapahtuvan veden imeytymisen välillä on vastaavuus.
Kuvissa 10.8 ja 10.9 on esitetty elohopean intruusio kitosaanin ja lateksin lisäyksellä saadut tulokset huokoskokojakaumista. Niissä voidaan nähdä suurempi määrä pienempiä huokosia (0,01 μm < ϕ < 0,3 μm) betonissa, jossa on biopolymeerejä, toisin kuin vertailubetonissa, jossa on suuremmat huokoset ja suurempi koko (ϕ > 8 μm). Vastaavasti kumulatiivinen jakauma osoittaa, että halkaisijaltaan suuremmat huokoset ovat vallitsevia vertailubetonissa sen sijaan, että betoni, jossa on 2 % kitosaania ja 2 % lateksia, olisi ollut halkaisijaltaan suurempi.
Kuva 10.8. Tunkeutuneiden huokosten jakautuminen betoni-sitosaani-latex-järjestelmälle.
Kuva 10.9. Kumulatiivinen tunkeutuneiden huokosten jakauma betoni-sitosaani-latex-järjestelmässä.
Kuvassa 10.10 on esitetty lateksin vaikutus betonin läpäisevyyden vähentäjänä, joka auttaa kitosaania biopolymeerisen verkoston muodostumisessa (ks. kuva 10.7). Nämä biopolymeerit toimivat sekä huokoisuuden (kuvat 10.8 ja 10.9) että läpäisevyyden (kuva 10.10) vähentämiseksi.
Kuva 10.10. Kapillaarisen veden imeytymisen kehitys.
Betoniseoksiin on 1960-luvulta lähtien (ICPIC, 1991) lisätty polymeerejä. Ohama (1998) käsitteli asiaa syvällisesti artikkelissaan ”polymeeripohjaiset lisäaineet” ja tutki polymeerien aiheuttamaa vaikutusta betonin mikrorakenteeseen. Polymeerit toimivat portlandsementtihydraattien mukana tarjoten niille parempia mekaanisia ominaisuuksia. Tämä ei johdu siitä, että lisätyt polymeerit vaikuttavat suoraan näihin ominaisuuksiin puhtaasti mekaanisina komposiittikomponentteina, vaan ne itse asiassa vähentävät läpäisevyyttä, pienentävät suurten huokosten määrää sekä tarkentavat niitä, estävät halkeamien etenemistä jne. Toisin sanoen polymeerit pystyvät järjestämään betonin mikrorakenteen paremmin.
Niin ikään biopolymeerit esittävät samanlaista suorituskykyä, pyrkien parhaaseen mahdolliseen betonin mikrorakenteen järjestämiseen.
Monia biopolymeerejä on sisällytetty betoniin; jotkin toteutettiin pelkällä uteliaisuudella, kuten biopolymeerien käyttäminen betonin viskositeetin lisäämiseksi segregaation välttämiseksi itsestään tiivistyvässä betonissa (Khayat, 1998; Panesar et al., 2014). Khayat viittaa luonnollisten liimojen (eli sokerirunkoon perustuvan welan-kumin) käyttöön betonin ainesosien faasien erottumisen välttämiseksi, mikä antaa betonille eheyden. Samaa biopolymeeriä käyttivät Zhao et al. (2012) arvioidakseen trikalsiumaluminaatti (C3A)-kalsiumsulfaatin hydrataation hidastumista. Nämä kirjoittajat käyttivät zeta-potentiaalianalyysiä ja vahvistivat, että welaanikumi imee C3A:ta, mikä estää sen välittömän reaktion veden kanssa ja mahdollistaa betonin pidemmän työstettävyyden (ks. kuva 10.11). Samaa ajatusta seuranneet muut kirjoittajat, kuten Sonebi (2006), lisäsivät betoniin muita polysakkarideja, kuten gelam-kumia, diutan-kumia, ksantaanikumia, guttaperkkaa tai guarkumia, mutta tulokset eivät olleet yhtä lupaavia kuin welan-kumilla tehdyt testit. Kwasny et al. (2009) tutkivat kuitenkin useita welan- ja diutan-kumeja superplastisointiaineina ja saivat tulokseksi, että diutan-kumi paransi sekä betonin tuoretta että kovettunutta tilaa. Nämä kirjoittajat päättelivät, että superplastisointiaineiden ja portlandsementin kemiallinen yhteensopivuus on olennaista ominaisuuksien paranemisen kannalta.
Kuva 10.11. Grampositiivisen Bacillus subtilis -bakteerin soluseinämä. Soluseinämä sisältää pääkomponenttina peptidoglykaania.
Sovitettu lähteestä Pei ym. (2015).
Toisaalta Bian ja Plank (2013) käyttivät superplastisoimisaineena naudasta saatua biopolymeeriä kaseiinia. He havaitsivat, että lämpötilan nostaminen (jopa 110 °C:een) sen teollisessa tuotannossa vähensi tällaisen materiaalin suorituskykyä ja näin ollen vähensi järjestelmän työstettävyyttä. Tämä seikka ei ole outo, koska biopolymeereillä on taipumus säilyttää ominaisuutensa lähempänä huoneenlämpötilaa olevissa lämpötiloissa kuin lämpötiloissa, joita varten nämä materiaalit on biokonseptoitu.
Samansuuntaisesti Pei et al. (2015) käyttivät Bacillus subtilis -bakteerista saatua peptidoglykaania. Soluseinät ovat kemialliselta rakenteeltaan hyvin samankaltaisia (kuva 10.9) kuin betonissa yleisesti käytetyt biopolymeerit; näissä seinämissä on 50 % peptidoglykaanista (Pei ym, 2015).
Peptidoglykaanin käytön myötä Pei et al. (2015) havaitsivat useiden käytettyjen koostumusten näennäisen viskositeetin kasvavan (kuva 10.12).
Kuva 10.12. Eri annosten SP:ien vaikutus yhdessä 0,34 %:n Bacterial Cell Walls (BCW) -lisäaineen kanssa sementtimassaan, jonka vesi-sementtisuhde on 0,4.
Viitattu Pei et al. (2015).
Vaikkakaan tämä ei ole haluttu viskositeetti betonin työstämisessä, pystyttiin superplastifikaattorin annostuksen kasvattamisella (kuvio 10.12) pienentämään tätä arvoa nopeasti. Lisäksi peptidoglykaanin läsnäolo vähentää materiaalin segregaatiota ja verenvuotoa.
Alvarezin et al. (2012) kitosaanijohdannaisilla tekemät tutkimukset vahvistivat ionisen luonteen vaikutuksen betonin työstettävyysparametreihin ja kovettumisaikaan. Tutkitut johdannaiset olivat ionittomat hydroksipropyylikitosaani ja hydroksietyylikitosaani sekä ioninen karboksimetyylikitosaani (kuva 10.13).
Kuva 10.13. Eri lisäaineiden työstettävyyden kehitys vs. kasvavat lisäainemäärät (kovettumisaika).
Sovitettu lähteestä Álvarez et al. (2012).
Kuten kuvasta 10 voidaan nähdä.13, tulos osoittaa, että ionittomat materiaalit eivät merkittävästi muuttaneet työstettävyyttä tai kovettumisaikaa, toisin kuin kitosaani, joka muutti huomattavasti molempia ominaisuuksia saavuttaen nollan kovettumisajan 0,5 %:n lisättyyn konsentraatioon sementtimassaan nähden.
Martinelli et al. (2013) tekivät samankaltaisia tutkimuksia synteettisellä polyuretaanilla ja saivat samat tulokset. Toisin sanoen vain ei-ioninen polyuretaani ei muuttanut tutkittujen järjestelmien reologisia ominaisuuksia, toisin kuin kationiset ja anioniset polyuretaanit, jotka häiritsivät merkittävästi näitä ominaisuuksia.
Vaikuttaa siltä, että kationisten varausten läsnäolo aiheuttaa vahvan kemiallisen vuorovaikutuksen sementtipartikkeleihin, mikä johtaa varhaiseen hydrataatioon (Álvarez et al., 2012).
Se, että polymeeri on luonnollista alkuperää, ei muuta sen valmistusmenettelyä tai muuta sen sekoitusjärjestystä. Betonit on valmistettu eri muodoissa (ja ne ovat saaneet erilaiset nimikkeistöt) monissa maissa. Rakennusteollisuudessa ei ole vielä saavutettu betoninvalmistusmenetelmien yhtenäistämistä, luultavasti siksi, että se ei ole ensisijaisen tärkeää.
Materiaalien sekoittamista koskevia yleisiä sääntöjä noudatetaan samalla tavalla, esimerkiksi nestemäisessä olomuodossa oleva biopolymeeri on sekoitettava vaivaavaan veteen; jauhemuodossa oleva biopolymeeri on sekoitettava portlandsementin joukkoon.
Mielenkiintoinen tapaus, joka voi esiintyä, on kahden nestemäisen biopolymeerin käyttäminen (esimerkiksi polyuretaani ja kasvi-ikäistä alkuperää oleva latex). Tällöin on tehtävä edeltävä yksinkertainen koe pienemmillä ainemäärillä (sama olisi, jos polymeerit olisivat synteettistä alkuperää):
Sekoitetaan molemmat biopolymeerit keskenään e jälkikäteen vedellä;
Sekoitetaan biopolymeeri veteen ja jälkikäteen toiseen biopolymeeriin;
Ja
Sekoitetaan biopolymeeri veteen ja toiseen biopolymeeriin ja
Ja päinvastoin.
Tällöin, jos jonkinlaista aiempaa seosten agglutinaatiota esiintyy, valitaan se, jolla on alhaisempi viskositeetti.
Miksi tällainen yksinkertainen testi on tehtävä? Biopolymerisaatioreaktiossa veden voimakas polaarinen luonne saa tämän aineen käyttäytymään myrkkynä. Toisin sanoen vesi estää biopolymerisaatioprosessin. Tässä yhteydessä on mielenkiintoista, että tällainen prosessi hidastuu, koska jos se tapahtuu aikaisin, biopolymeerit eivät täysin täytä tehtäväänsä, mikä voi olla Portland-sementtihydraattien osallistuminen, mikä estää hydrataatioreaktiota. Tämä ei ole nykykäytäntö; yleensä lisätään vain yksi biopolymeeri (nestemäisessä tilassa). Jos edellinen koe ei tuota nestemäistä aspektia, on suositeltavaa pyytää apua betonitekniikkaan erikoistuneelta laboratoriolta.
Jauhemuodossa olevien biopolymeerien, esimerkiksi kitosaanin, osalta ei saa esiintyä verenvuotoa eikä segregaatiota, mutta viskositeetin tulee kasvaa. Näin ollen on yleistä käyttää superplastisointiainetta työstettävyyden korjaamiseksi. Jos biopolymeeri on kuitenkin nestemäisessä olomuodossa, tätä tarvetta ei enää ole.
Betonin jatkopumppaus, levitys ja kovettuminen noudattavat samoja perinteisiä menettelytapoja kuin tavanomaisissa betoneissa, jotka valmistetaan portlandsementillä.
Superplastisoivia ominaisuuksia omaavien biopolymeerien sisällyttäminen betoniin ei aina lisää betonin puristuslujuutta. Myös muut ominaisuudet ovat tärkeitä, kuten kestävyys, alhainen läpäisevyys ja korkea kimmomoduuli, mutta betonia koskevissa tutkimuksissa viitataan aina puristuslujuuteen. Betonirakentamista koskevat vaatimukset harvoin lähestyvät vaatimusta, että betonin on kestettävä 100 vuotta tai sallittava kloridi-ionikerroksen tunkeutuminen korkeintaan 5 mm:n läpi, mutta betonilla on oltava vähimmäispuristuslujuus.
Bezerra (2006) käytti kitosaania sementtipastoissa saaden erinomaisia tuloksia: 30 %:n lisäys puristuslujuuteen, tiiviyden lisääntyminen, huokoisuuden täyttyminen, suodatushäviöiden väheneminen jne. (Kuva 10.14).
Kuva 10.14. Kitosaani tahnassa: (a) sekundaarielektroni, (b) takaisinsirontaelektroni.
Lähde:
Kun samaa biopolymeeriä käytettiin betonissa, tulokset eivät kuitenkaan olleet lupaavia (Bezerra et al., 2011). Kitosaani ei tuottanut hyötyä betonijärjestelmässä, joka on monimutkaisempi kuin portlandsementtimassa (kuva 10.15).
Kuva 10.15. Kitosaani betonissa: alhainen adheesio, makrorakenne ja mikrorakenne, jossa on useita huokosia.
Tekijät päättivät sitten arvioida betonia toisen biopolymeerin, lateksin, käyttöönotosta. Näin tuloksista tuli merkityksellisiä ja ominaisuuksissa saavutettiin lisäyksiä (kuva 10.16).
Kuva 10.16. Betoni: kitosaanin (a) ja lateksin (b) läsnäolo.
Lähde: Lähde: Bezerra et al. (2011).
Toisen tutkimuksen, jossa oli mukana risiiniöljyyn perustuva biopolymeeri, tekivät Bezerra et al. (2005). Biopolymeeri saatiin risiiniöljyn hydratoimalla, jolloin tuloksena oli luonnollinen polyuretaani. Tutkimuksen tavoitteena oli lisätä materiaalin vetolujuutta, mutta lopulta se lisäsi myös puristuslujuutta. Sama periaate portlandsementtihydraattien osallistumisesta toistettiin (kuva 10.17).
Kuva 10.17. Luonnollisen polyuretaanin esiintyminen: (a) sekundäärielektronikuva (sidossilta), (b) takaisinsironnut elektroni.
Lähde: Bezerra et al. (2005).
Kuvassa 10.17 näkyy selvästi portlandsementtihydraattien välisten yhdyssiltojen esiintyminen. Polyuretaanin muodostamat sillat vahvistavat saavutettujen mekaanisten ominaisuuksien paranemisen.
Vetolujuuden osalta voidaan sanoa, että tämä ominaisuus on mekaaninen ominaisuus, joka liittyy betonin puristuslujuuteen asettamalla niiden välille suhde 1/10. Tavanomaisten betonien (σc < 50 MPa) osalta on varsin kohtuullista hyväksyä tällainen suhde, mutta muiden betonityyppien osalta suhde siirtyy pois 1/10:stä. Pozzolaanisten aineiden, lisäaineiden ja lisäaineiden lisääminen aiheuttaa sen, että puristuslujuus nousee merkittävästi ja veto-puristussuhde pienenee 1/12:een. Toisin sanoen vetolujuuden kasvu ei tapahdu samassa suhteessa kuin se tapahtuu puristuslujuudessa. Toisaalta polymeerien tai biopolymeerien lisääminen joko superplastisointiaineina tai kuituina lisää vetolujuutta ja vähentää yleisesti puristuslujuutta, jolloin suhde kasvaa jopa 1/7:ään (Mehta ja Monteiro, 2006; Bezerra, 2006).
Biopolymeerien osalta Bezerra (2006) esittää korrelaatioita (eksponentiaalinen kuvio a σcb), joiden alue on samankaltainen kuin yleisessä kirjallisuudessa esitetyt, yhteensä 1440 betonikappaleesta, joissa oli kitosaania, kuten kuvassa 10.18.
Kuva 10.18. Vetolujuuden ja puristuslujuuden välinen korrelaatio kitosaanijärjestelmälle.
Mutta lisäämällä betoniin biopolymeeriä (luonnonlateksi), Bezerra et al. (2008) saivat tuloksia, jotka osoittivat, että betonin vetolujuus kasvoi pikemminkin kuin puristuslujuus 7 ja 28 päivän kovettumisessa (kuvat 10.19 ja 10.20).
Kuva 10.19. Lateksi-betoni-järjestelmän mekaaniset ominaisuudet 7 päivän ajan.
Sovitettu lähteestä Bezerra et al. (2008).
Kuva 10.20. Lateksi-betoni-järjestelmän mekaaniset ominaisuudet 28 vuorokauden ajan.
Sovitettu lähteestä Bezerra et al. (2008).
Kuvista 10.19 ja 10.20 voidaan todeta, että puristuslujuus kärsi molempien päivämäärien kohdalla voimakkaamman laskun kuin vetolujuus. Se tarkoittaa, että jos tavoitteena on puristuslujuuden lisääminen, lateksi ei ole järkevä vaihtoehto, koska se lisää vain vetolujuutta. On myös syytä huomata, että lujuuksien välinen suhde vaihteli 1/10:stä 1/6:een, jotka ovat samankaltaisia arvoja kuin muissa tieteellisissä tutkimuksissa havaitut arvot.
Tutkimalla kitosaanin (biopolymeerin) ja lateksin vuorovaikutusta betoniin sovellettuna Bezerra et al. (2011) päättelivät, että lisäaineet eivät saavuta parhaita lopputuloksia, kun niitä käytetään yksinään tai ilman, että niiden synergiaa tarkistetaan. Kirjoittajien mukaan lisäaineiden yhdistelmällä keskenään, vaikka niillä olisi erilaiset vaikutukset, voidaan tuottaa betonia, jolla on merkitykselliset ominaisuudet. Kuvassa 10.21 on esitetty tässä tutkimuksessa saatu vaikutus, jossa voidaan tunnistaa optimaaliseksi tulosalueeksi noin 1,2 % lateksia ja 2,8 % kitosaania.
Kuva 10.21. Lateksi-biopolymeeri (kitosaani) -järjestelmä.
Lähde: Lähde: Bezerra et al. (2011).
Aiemmin kuvattu käyttäytyminen on yleistä, kun kyse on lateksista betonissa, mutta Muhammad et al. (2012) saivat erilaisen tuloksen. Nämä kirjoittajat käyttivät kuutta lateksityyppiä, ja neljällä lateksilla puristuslujuus pieneni noin 12,4 %; kahdella muulla lateksilla lujuus kuitenkin kasvoi 2 % ja 4 %. Vaikka tämä lisäys ei ole merkittävä, se osoittaa, että lateksin käyttö voi lisätä vetolujuutta ilman puristuslujuuden menetystä. Kirjoittajat selittivät tulokset haihtuvien rasvahappojen ja sinkin korkeilla pitoisuuksilla. Näin ollen orgaanisten aineiden lopullinen esiintyminen betonissa vähenee, mikä selittää saavutetun puristuslujuuden säilymisen ja jopa lisääntymisen.
Biopolymeerien sekä polymeerien läsnäolo muuttaa joitakin betonin mekaanisia ominaisuuksia, erityisesti tekemällä lopputuotteesta elastoplastisemman, sitkeämmän ja kimmoisamman. Betonia, jolla on suurempi sitkeys ja ennen kaikkea suurempi elastisuus, tarvitaan tilanteissa, joissa rakenteet on suunniteltu kestämään merkityksellisiä lämpövaihteluita tai dynaamisia kuormituksia, joita seuraa väsyminen. Esimerkiksi biopolymeerien läsnäolo lateksin muodossa voi pienentää kimmomoduulia jopa 30 prosenttia. Se tarkoittaa, että betonin muodonmuutokset ovat paljon suurempia ennen kuin betonin kriittinen tila, joko tavanomainen myötöjännitys tai murtojännitys, saavutetaan (Martinelli et al.,, 2005).
Lateksia ja kitosaania sisältävillä betoneilla vetolujuus oli korkeampi kuin vertailubetoneilla (kuva 10.22) (Bezerra et al., 2011) (Bezerra et al., 2011).
Kuva 10.22. Vetolujuus betoni-lateksi-sitosaani -järjestelmälle.
Lähde:
Materiaalin kimmoisuus kasvoi 56 % ja sitkeys 77 % suhteessa vertailubetoniin (Bezerra et al., 2011).
Biopolymeerien läsnäolo näissä olosuhteissa voi lisätä merkittävästi materiaalin suorituskykyä, vaikka puristuslujuutta ei olekaan lisätty.
Yhtä lailla polyuretaanin lisääminen voisi vähentää sementtimassojen mikrokovuutta 35 % verrattuna viitesementtibetoniin (kuva 10.23).
Kuva 10.23. Mikrokovuus: (R) referenssi; (A) polyuretaani A100; (B) polyuretaani W236, keskiarvo 30 eri pisteestä.
Sovitettu lähteestä Martinelli et al. (2005).
Vuonna 2008 Delftin alankomaalaiset ja Gentin belgialaiset yliopistot edistivät RILEMin tuella symposiumia, joka koski betonin mallintamista (Schlangen ja Schutter, 2008). Tilaisuudessa esitettiin artikkeleita, joissa tarkasteltiin betonin mallintamista monissa tilanteissa ja eri näkökulmista, joista osa käsitteli lujia betoneja, joihin on lisätty synteettisiä superplastisoimisaineita. Yhdessäkään tieteellisessä artikkelissa ei kuitenkaan käsitelty biopolymeerejä, mikä osoittaa tietämyksen puutteen tästä aiheesta.
Yksi merkittävä työ, joka voi tehdä mahdolliseksi biopolymeerien mallintamisen betonissa, on Radtken et al. (2008) artikkeli. Siinä esitellään tapa sisällyttää metallikuituja betoniin (kuva 10.24).
Kuva 10.24. Eräiden kuitujen diskretisointi ja stokastinen hävittäminen.
Sovitettu lähteestä Radtke et al. (2008).
Tekijät voivat simuloida kuitua parina vastakkaisina voimina, jotka vaikuttavat rakenteen sisällä tiettyyn suuntaan. Yhden voiman kohdistamispisteen ja toisen voiman vaikutuspisteen välinen etäisyys vastaa kuidun pituutta. Nämä voimat voivat olla joko veto- tai hylkiviä. Tällöin monet kuidut (voimaparit) jakautuvat satunnaisesti materiaalin rakenteeseen (epäsymmetrinen kiinteä kappale). Kirjoittajat tarkastelivat vain 20 kuitua. Toinen rajoittava näkökohta mallissa viittaa siihen, että vain yhden kuidun kohdalla voimat kuitenkin paikallistuvat kuidun päihin, mikä on epärealistista, koska kuidun pituutta pitkin syntyy leikkausvoimia kuidun pinnan ja sementtihydraattien välille. Tässä mallissa omaksuttua periaatetta voidaan käyttää biopolymeerejä sisältävien betonien simuloinnissa. On kuitenkin otettava huomioon, että voimat vaikuttavat pitkin kuitua. Näin biopolymeeriset verkostot saataisiin realistisemmin esitettyä, ja olisi mahdollista huomata näiden materiaalien betonin mikrorakenteelle antama vaikutus.