Biopolymerer

10.2 Biopolymerer med superplasticizeregenskaper

Biopolymerer erbjuder vissa fördelar i förhållande till syntetiska polymerer, till exempel lägre kostnad i vissa fall, enkel utvinning, biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet (Nóbrega, 2009). Biologisk nedbrytbarhet är en tvivelaktig egenskap; en betong som bryts ned med tiden accepteras inte.

Den vanligaste biopolymeren är cellulosa, en polysackarid som produceras genom växters fotosyntes. Cellulosa finns rikligt i flera bambuarter (Sobrinho et al., 2012). Den andra är kitin, en polysackarid som finns i marina djur, insekter och svampar (Antonino, 2007). Chitin isolerades för första gången i svampar, 1811, av den franske professorn Henri Braconnot när han studerade svampar och kallade det för fungina. År 1823 isolerade Odier samma substans genom insektsskelett, vilket gav namnet kitin. Senare observerade Odier förekomsten av kitin i krabbors karapaces (Chiandotti, 2005; Antonino, 2007). I dag erhålls det kommersiellt framställda kitinet från både krabbor och skalräkor.

Den avledda produkt av kitin som har gett upphov till vetenskapligt och kommersiellt intresse är kitosan (Dutta et al., 2004; Rinaudo, 2006). Denna polymer beskrevs för första gången omkring 1859 av professor C. Rouget. Namnet kitosan föreslogs först 1894 av Hoppe-Seyler, på grund av att detta ämne innehåller lika mycket kväve som det finns i ursprungligt kitin (Antonino, 2007). Chitosan är inget annat än en produkt från deacetylering av kitin (Bezerra, 2006); dessutom är kitosan ett stabilt material i alkaliska miljöer och med låg syrahalt (Craveiro et al., 1999).

Studien utförd av Bezerra et al. (2011) visar en korrespondens mellan porfördelningen i mikrostrukturen och absorptionen av vatten genom kapillaritet i betong framställd med kitosan och latex.

Sedan 1960-talet (ICPIC, 1991) har polymerer tillsatts i betongblandningar. I artikeln med titeln ”polymer-based admixtures” diskuterade Ohama (1998) djupt denna fråga och studerade den effekt som orsakas av polymerer i betongens mikrostruktur. Polymererna verkar genom att involvera portlandcementhydrater och ger dem förbättrade mekaniska egenskaper. Detta beror inte på att tillsatta polymerer direkt bidrar till dessa egenskaper, som rent mekaniska kompositkomponenter, utan de minskar faktiskt permeabiliteten, minskar mängden stora porer samt förfinar dem, hindrar sprickornas utbredning osv. Med andra ord kan polymerer bättre organisera betongens mikrostruktur.

På samma sätt uppvisar biopolymerer liknande prestanda och söker efter bästa möjliga organisation för betongens mikrostruktur.

Å andra sidan använde Bian och Plank (2013) biopolymeren kasein, som erhålls från nötkreatur, som superplasticizer. De fann att den ökade temperaturen (upp till 110 °C), vid dess industriella produktion, minskade prestandan hos ett sådant material och följaktligen minskade systemets användbarhet. Detta faktum är inte konstigt, eftersom biopolymerer tenderar att behålla sina egenskaper vid temperaturer nära rumstemperatur än vid de temperaturer för vilka dessa material biokonstruerades.

I en liknande riktning använde Pei et al. (2015) peptidoglykan som erhållits från bakterien Bacillus subtilis. Cellväggarna har en mycket likartad kemisk struktur (figur 10.9) som biopolymerer som vanligen används i betong; dessa väggar måste uppgå till 50 % peptidoglykan (Pei et al, 2015).

Men även om detta inte är en önskad viskositet när man arbetar med betong, kunde man genom att öka dosen av superplastifieringsmedlet (Figur 10.12) snabbt sänka detta värde. Dessutom minskar förekomsten av peptidoglykan segregation och blödning av materialet.

Som framgår av figur 10.13 visar resultatet att icke-joniska material inte nämnvärt modifierade bearbetbarheten eller härdningstiden, till skillnad från kitosan som avsevärt förändrade båda egenskaperna och nådde en härdningstid på noll för en tillsatt koncentration på 0,5 % i förhållande till cementmassan.

Samma studier utfördes av Martinelli et al. (2013) med syntetisk polyuretan och samma resultat uppnåddes. Med andra ord var det endast den icke-joniska polyuretanen som inte modifierade de studerade systemens reologiska egenskaper, till skillnad från katjoniska och anjoniska polyuretaner som påtagligt störde dessa egenskaper.

Närvaron av katjoniska laddningar utgör tydligen en stark kemisk interaktion med cementpartiklarna, vilket leder till en tidig hydrering (Álvarez et al, 2012).

Det faktum att en polymer är av naturligt ursprung ändrar inte förfarandet för dess framställning eller förändrar ordningen för dess blandning. Betong har framställts genom olika former (och fått olika nomenklaturer) i många länder. Byggnadsindustrin har ännu inte lyckats förenhetliga förfarandena för betongberedning, förmodligen för att det inte är av största vikt.

Allmänna regler för materialblandningar följs på samma sätt, t.ex. måste biopolymer i flytande form blandas med knådvatten; biopolymer i pulverform måste blandas med portlandcement.

Därefter, om någon form av tidigare agglutination av blandningarna uppstår, välja den som uppvisar den lägre viskösa aspekten.

Varför måste ett så enkelt test utföras? När det gäller biopolymeriseringsreaktioner gör vattnets starkt polära karaktär att detta ämne beter sig som ett gift. Med andra ord hämmar vatten biopolymeriseringsprocessen. Här är det intressant att en sådan process fördröjs eftersom biopolymerer, om den inträffar tidigt, inte helt och hållet kommer att utföra sin funktion, vilket kan vara inblandningen av portlandcementhydrater, som hindrar hydreringsreaktionen. Detta är inte den nuvarande praxisen; vanligtvis tillsätts endast en biopolymer (i flytande tillstånd). Om det tidigare testet inte resulterar i flytande aspekt rekommenderas att begära hjälp från ett specialiserat laboratorium för betongteknik.

För biopolymerer i pulverform, t.ex. kitosan, får varken blödning eller segregering förekomma, men viskositeten bör öka. Därför är det vanligt att använda ett superplastifieringsmedel för att korrigera bearbetbarheten. Om biopolymeren är i flytande form finns detta behov dock inte längre.

Den fortsatta pumpningen, spridningen och härdningen av betongen följer samma traditionella förfaranden för konventionella betonger som framställs med Portlandcement.

Inblandningen av biopolymerer med superplasticerande egenskaper ökar inte alltid betongens tryckhållfasthet. Andra egenskaper är också viktiga, t.ex. hållbarhet, låg permeabilitet och hög elasticitetsmodul, men tryckhållfastheten refereras alltid till vid studier av betong. Specifikationer för betongkonstruktion närmar sig sällan behovet av att betongen ska hålla i 100 år eller tillåta att skiktet av kloridjoner tränger igenom högst 5 mm, men betongen måste ha en minsta tryckhållfasthet.

I figur 10.17 kan man tydligt se förekomsten av förbindelsebryggor mellan Portlandcementhydrater. Broarna, som bildas av polyuretan, bekräftar vinsten i de erhållna mekaniska egenskaperna.

Med avseende på draghållfastheten kan man säga att denna egenskap är en mekanisk egenskap som är relaterad till betongens tryckhållfasthet, genom att ställa förhållandet 1/10 mellan dem. För konventionell betong (σc < 50 MPa) är det ganska rimligt att acceptera ett sådant förhållande, men för andra typer av betong rör sig förhållandet bort från 1/10. Inblandning av puzzolanska material, tillsatser och tillsatser gör att tryckhållfastheten ökar avsevärt och förhållandet mellan drag- och tryckhållfasthet minskar till 1/12. Med andra ord sker ökningen av draghållfastheten inte i samma proportion som ökningen av tryckhållfastheten. Å andra sidan ökar tillsatsen av polymerer eller biopolymerer, antingen som superplastifieringsmedel eller som fibrer, draghållfastheten och minskar vanligen tryckhållfastheten, vilket gör att förhållandet ökar till 1/7 (Mehta och Monteiro, 2006; Bezerra, 2006).

Figur 10.19. Mekaniska egenskaper hos ett system av latex och betong under 7 dagar.

Anpassat från Bezerra et al. (2008).

Figur 10.20. Mekaniska egenskaper hos latex-betongsystem i 28 dagar.

Avdrag från Bezerra et al. (2008).

Från figurerna 10.19 och 10.20 kan man notera att tryckhållfastheten, för båda datumen, drabbades av en intensivare minskning än vad draghållfastheten gjorde. Det betyder att om målet är att öka tryckhållfastheten är latex inte ett rimligt alternativ, när det bara bidrar till ökningen av draghållfastheten. Det är också värt att notera att förhållandet mellan hållfastheterna varierade från 1/10 till 1/6, vilket är liknande värden som de som hittats i andra vetenskapliga forskningsstudier.

Figur 10.21. Latex-biopolymer (kitosan) system.

Källa: Bezerra et al. (2011).

Det tidigare beskrivna beteendet är vanligt när det gäller latex i betong, men ett annat resultat erhölls av Muhammad et al. (2012). Dessa författare använde sex typer av latex och för fyra latexer minskade tryckhållfastheten med cirka 12,4 %, men för de andra två ökade hållfastheten med 2 % och 4 %. Även om denna ökning inte är signifikant visar den att användningen av latex kan öka draghållfastheten utan förlust av tryckhållfastheten. Författarna tillskrev resultaten till höga halter av flyktiga fettsyror och zink. Således minskas den slutliga närvaron av organiska material i betongen, vilket förklarar bibehållandet och till och med ökningen av den erhållna tryckhållfastheten.

Närvaron av biopolymerer, liksom av polymerer, modifierar vissa mekaniska egenskaper hos betong, framför allt genom att göra slutprodukten mer elastoplastisk, seg och motståndskraftig. Betong med högre seghet och framför allt högre elasticitet krävs för situationer där konstruktioner utformas för att klara relevanta termiska variationer eller dynamiska belastningar som följs av utmattning. Förekomsten av biopolymerer i latexform kan t.ex. minska elasticitetsmodulen med upp till 30 %. Det innebär att deformationen i betong kommer att vara mycket högre innan betongens kritiska tillstånd uppnås, antingen en konventionell sträckspänning eller en brytspänning (Martinelli et al, 2005).

Merligen ökade materialets elasticitet och seghet med 56 % respektive 77 % i förhållande till referensbetong (Bezerra et al, 2011).

Närvaron av biopolymerer under dessa förhållanden kan avsevärt öka materialets prestanda, även om ingen ökning av tryckhållfastheten presenteras.

Under 2008 anordnade universiteten i Delft, Nederländerna, och Gent, Belgien, med stöd av RILEM, ett symposium om betongmodellering (Schlangen och Schutter, 2008). Vid detta evenemang studerade några artiklar betongmodellering i många situationer och olika perspektiv, några av dem om höghållfasta betonger med inblandning av syntetiska superplastifieringsmedel. Men ingen vetenskaplig artikel tog hänsyn till biopolymerer, ett faktum som visar på bristen på kunskap om detta ämne.

Författarna kan simulera en fiber som ett par motsatta krafter som aktiveras inuti strukturen i en viss riktning. Avståndet mellan den punkt där en kraft appliceras och den punkt där den andra kraften verkar är likvärdigt med fiberns längd. Dessa krafter kan vara antingen attraherande eller repellerande. Därefter fördelas många fibrer (kraftpar) slumpmässigt i materialets struktur (icke asymmetrisk fast substans). Författarna har endast beaktat 20 fibrer. En annan begränsande aspekt av modellen avser det faktum att endast en fiber, dock, har krafter lokaliserade vid fiberändarna, vilket är orealistiskt, eftersom det längs fiberlängden uppstår skjuvkrafter mellan fiberytan och cementhydraterna. Principen i denna modell kan användas vid simulering av betong med biopolymerer. Man måste dock ta hänsyn till att krafter verkar längs dess längd. På så sätt skulle biopolymernätverk representeras mer realistiskt, och det skulle vara möjligt att notera den effekt som dessa material har på betongens mikrostruktur.