Το σκυρόδεμα του μέλοντος στο μικροσκόπιο των ερευνητών

Αναγνωρίζοντας το τσιμέντο ως ένα από τα κυρίαρχα υλικά της οικοδομικής βιομηχανίας, ερευνητές απ’ όλο τον κόσμο εστιάζουν το ενδιαφέρον τους στη βελτιστοποίηση της βιωσιμότητας και της δομικής του συμπεριφοράς.
Η ετήσια παραγωγή τσιμέντου, που αγγίζει τα 3 δισεκατομμύρια τόνους, είναι υπεύθυνη περίπου για το 7% της παγκόσμιας εκπομπής CO2. Στοχεύο ντας στη μείωση των τεράστιων ποσοτήτων σκυροδέματος, επιστήμονες του Rice University κωδικοποίησαν τις κινητικές ιδιότητες των σωματιδίων του και ανέπτυξαν μια μέθοδο προγραμματισμού των εσωτερικών μικροσκοπικών, ημικρυσταλλικών δομών με στόχο το μετασχηματισμό τους από ανοργάνωτες συστάδες σε γεωμετρικά οργανωμένες δομές. Το αποτέλεσμα είναι η μείωση του πορώδους του υλικού και η παραγωγή ενός πιο πυκνοδομημένου, ανθεκτικού προϊόντος, που έχει ως συνέπεια την ελαχιστοποίηση της ποσότητας του απαιτούμενου υλικού για τις κατασκευές. Σε μια αντίστοιχη προσπάθεια, ερευνητές από το Nanyang Technological University της Σιγκαπούρης εστίασαν την προσοχή τους στα οφέλη της τρισδιάστατης εκτύπωσης και ανέπτυξαν ένα πρωτοποριακό υλικό που προσομοιάζει στο τσιμέντο ως προς τις ιδιότητες, αλλά προέρχεται από απόβλητα υλικών. Για την παραγωγή του χρησιμοποιήθηκε ιπτάμενη τέφρα, ένα υπόλειμμα της καύσης άνθρακα και σκωρία χάλυβα, ένα υποπροϊόν της χαλυβουργίας σε συνδυασμό με κάποια χημικά πρόσμεικτα. Το τελικό υλικό παρουσιάζει την αντοχή του τσιμέντου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τρισδιάστατη εκτύπωση μεγάλων, σταθερών κατασκευών, ενώ η έρευνα συνεχίζεται για να ενισχυθεί ακόμη περισσότερο και να καταστεί κατάλληλο υποκατάστατο του οπλισμένου σκυροδέματος.
Την ίδια στιγμή, πειραματιζόμενοι με τις νέες ψηφιακές μεθόδους σχεδιασμού και παραγωγής, ερευνητές του ETH στη Ζυρίχη ολοκλήρωσαν με επιτυχία το πρότυπο μιας εξαιρετικά λεπτής, καμπύλης στέγης σκυροδέματος, η οποία θα κατασκευαστεί σε πραγματικές συνθήκες στο χώρο του πανεπιστημίου. Το σχήμα της στέγης διαμορφώνεται χάρη σε μια υπολογιστική μέθοδο, που διασφαλίζει την ομοιόμορφη κατανομή των δυνάμεων και επιτρέπει στο δικτύωμα στήριξης να παραλαμβάνει την επιθυμητή μορφή κάτω από το βάρος του υγρού τσιμέντου. Παράλληλα, μέσω της εγκατάστασης φωτοβολταϊκών τεχνολογίας λεπτού υμενίου στην οροφή και σε συνδυασμό με την ηλιακή όψη του κτιρίου, η οικιστική μονάδα υπολογίζεται ότι θα παράγει περισσότερη ενέργεια από όση μπορεί να καταναλώσει. Στοχεύοντας στη βελτίωση της δομική αντοχής του σκυροδέματος, ερευνητές του πανεπιστημίου British Columbia στον Καναδά ανέπτυξαν μια μέθοδο ενίσχυσης του σκυροδέματος, που μπορεί να βελτιώσει αισθητά τη σεισμική αντοχή των κατασκευών.

Το καινοτόμο υλικό ενίσχυσης που ονομάζεται EDCC, κατασκευάζεται σε μοριακό επίπεδο, συνδυάζοντας τσιμέντο, πολυμερείς ίνες και άλλα πρόσθετα, με αποτέλεσμα να παρουσιάζει μεγάλη αντοχή και πλαστικότητα, ενώ είναι και περιβαλλοντικά βιώσιμο, καθώς γύρω στο 70% της κλασικής σύστασής του αντικαθίσταται με ιπτάμενη τέφρα.
Οι πρώτες πρακτικές εφαρμογές του υλικού θα πραγματοποιηθούν για την ανακαίνιση σχολικών κτιρίων σε σεισμοπαθείς περιοχές, ενώ η ομάδα προσπαθεί να επεκτείνει τα οφέλη του υλικού σε μια ευρεία κλίμακα τσιμεντένιων κατασκευών, όπως σωλήνες, πεζοδρόμια, βιομηχανικά δάπεδα, πλατφόρμες ανοικτής θάλασσας κτλ. Μια άλλη καινοτομία στον τομέα του σκυροδέματος είναι και η θωράκιση των κατασκευών απέναντι σε ηλεκτρομαγνητικές επιθέσεις, που μπορεί να βλάψουν ζωτικής σημασίας ηλεκτρονικά συστήματα και υποδομές. Οι μηχανικοί Christopher Tuan and Lim Nguyen του πανεπιστήμιου NebraskaLincoln ανέπτυξαν μια οικονομικά αποδοτική και ευέλικτη λύση, που προστατεύει τις κατασκευές από έντονους παλμούς ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας (EMP), απορροφώντας και αντανακλώντας τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Η ομάδα αντικατέστησε ορισμένα βασικά αδρανή της σύστασης με το ορυκτό μαγνητίτη, που έχει την ικανότητα να απορροφάει τα μικροκύματα όπως ένα σφουγγάρι, ενώ κατόπιν προσάρμοσε την τεχνολογία, ώστε να λειτουργεί με τη μέθοδο του εκτοξευόμενου σκυροδέματος και να μπορεί να εφαρμοστεί σε υφιστάμενες κατασκευές. Το πατενταρισμένο προϊόν έχει βγει ήδη στο εμπόριο και σύντομα προβλέπεται να αντικαταστήσει τις έως τώρα πολυέξοδες μεθόδους θωράκισης με μεταλλικά περιβλήματα. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν και οι έρευνες, που αναζητούν λύσεις για την επιδιόρθωση ρωγμών που εμφανίζονται σχεδόν πάντα στις επιφάνειες του σκυροδέματος εξαιτίας των θερμικών συστολοδιαστολών και των δομικών καταπονήσεων και μπορούν να οδηγήσουν ακόμη και σε διάβρωση του οπλισμού. Ερευνητές του Technical University Delft στην Ολλανδία σε συνεργασία με την εταιρεία Basilisk Concrete ανέπτυξαν ένα "ζωντανό" σκυρόδεμα με ικανότητα αυτοΐασης. Το μυστικό βρίσκεται σε βακτήρια που προστίθενται στο μείγμα εντός σφαιριδίων, τα οποία παραμένουν αδρανή έως και 200 έτη, εκτός κι αν έρθουν σε επαφή με νερό και οξυγόνο, οπότε ενεργοποιούνται και αρχίζουν να πολλαπλασιάζονται παράγοντας ανθρακικό ασβέστιο που γεμίζει τις ρωγμές. Η διαδικασία αυτοΐασης διαρκεί 3 εβδομάδες, ανεξάρτητα από το μήκος των ρωγμών, με μόνο περιορισμό το πλάτος, που καλύπτει προς το παρόν ρωγμές έως 0,8 mm. Στο ίδιο πλαίσιο, μια επιστημονική ομάδα των πανεπιστημίων Binghamton University and Rutgers University προσθέτουν μύκητες του γένους Trichoderma reesei στο μείγμα του σκυροδέματος, μετατρέποντάς το σε ένα ζωντανό οργανισμό, που μπορεί να επιδιορθωθεί όταν εμφανιστούν ρωγμές. Η έρευνα είναι ακόμη σε πειραματικό στάδιο, αλλά σύντομα το προϊόν προβλέπεται να εμπορευματοποιηθεί, συμβάλλοντας στην προστασία των κατασκευών.