Les secrets pour cimenter la durabilité de notre future infrastructure peuvent provenir de la character, comme les protéines qui empêchent les plantes et les animaux de geler dans des situations de froid extrême. Les chercheurs de CU Boulder ont découvert qu’une molécule synthétique basée sur des protéines antigel naturelles minimise les dommages dus au gel-dégel et augmente la résistance et la durabilité du béton, améliorant la longévité des nouvelles infrastructures et diminuant les émissions de carbone au cours de sa durée de vie.
Ils ont découvert que l’ajout d’une molécule biomimétique – qui imite les composés antigel trouvés dans les organismes arctiques et antarctiques – au béton empêche efficacement la croissance des cristaux de glace et les dommages ultérieurs. Cette nouvelle méthode, publiée aujourd’hui dans Mobile Stories Actual physical Science, remet en problem in addition de 70 ans d’approches conventionnelles pour atténuer les dommages causés par le gel dans les infrastructures en béton.
“Personne ne considère le béton comme un matériau de haute technologie”, a déclaré Wil Srubar III, auteur de la nouvelle étude et professeur adjoint de génie civil, environnemental et architectural. “Mais c’est beaucoup in addition de haute technologie qu’on pourrait le penser. Deal with au changement climatique, il est essentiel de prêter notice non seulement à la façon dont nous fabriquons le béton et d’autres matériaux de design qui émettent beaucoup de dioxyde de carbone dans leur production, mais aussi comment nous assurons la résilience à very long terme de ces matériaux. ”
Le béton est formé en mélangeant de l’eau, de la poudre de ciment et divers agrégats, comme du sable ou du gravier.
Depuis les années 1930, de petites bulles d’air ont été introduites dans le béton pour le protéger des dommages causés par l’eau et les cristaux de glace. Cela permet à l’eau qui s’infiltre dans le béton d’avoir de la place pour se dilater lorsqu’elle gèle. Sans cela, la floor du béton endommagé s’écaillera.
Mais ce processus capricieux peut avoir un coût, en diminuant la résistance et en augmentant la perméabilité. Cela permet aux sels de voirie et autres produits chimiques de s’infiltrer dans le béton, qui peut ensuite dégrader l’acier incrusté à l’intérieur.
“Pendant que vous résolvez un problème, vous aggravez un autre problème”, a déclaré Srubar.
Les États-Unis étant confrontés à une quantité importante d’infrastructures vieillissantes à travers le pays, des milliards de dollars sont dépensés chaque année pour atténuer et prévenir les dommages. Cette nouvelle molécule biomimétique pourrait cependant réduire considérablement les coûts.
Lors d’essais, il a été démontré que le béton fabriqué avec cette molécule – au lieu des bulles d’air – avait des performances équivalentes, une résistance as well as élevée, une perméabilité in addition faible et une durée de vie plus longue.
Avec un brevet en occasion, Srubar espère que cette nouvelle méthode entrera sur le marché business dans les 5 à 10 prochaines années.
La nature trouve un moyen
Des eaux glaciales de l’Antarctique aux toundras glacées de l’Arctique, de nombreuses plantes, poissons, insectes et bactéries contiennent des protéines qui les empêchent de geler. Ces protéines antigel se lient à la surface area des cristaux de glace dans un organisme au moment où elles se forment – les gardant vraiment, vraiment petites et incapables de causer des dommages.
“Nous pensions que c’était assez smart”, a déclaré Srubar. “La character avait déjà trouvé un moyen de résoudre ce problème.”
Le béton souffre du même problème de development de cristaux de glace, que les ingénieurs précédents avaient tenté d’atténuer en ajoutant des bulles d’air. Alors Srubar et son équipe ont pensé : Pourquoi ne pas rassembler un tas de cette protéine et le mettre en béton?
Malheureusement, ces protéines présentes dans la mother nature n’aiment pas être retirées de leur environnement naturel. Ils s’effilochent ou se désintègrent, comme des spaghettis trop cuits.
Le béton est également extrêmement basique, avec un pH généralement supérieur à 12 ou 12,5. Ce n’est pas un environnement convivial pour la plupart des molécules, et ces protéines ne font pas exception.
Srubar et ses étudiants diplômés ont donc utilisé une molécule synthétique – l’alcool polyvinylique ou PVA – qui se comporte exactement comme ces protéines antigel mais est beaucoup plus secure à un pH élevé, et l’a combinée avec une autre molécule robuste et non toxique – le polyéthylène glycol – souvent utilisé dans l’industrie pharmaceutique pour prolonger le temps de circulation des médicaments dans le corps. Cette combinaison moléculaire de deux polymères est restée stable à un pH élevé et a inhibé la croissance des cristaux de glace.
Augmentation des facteurs de tension
Après l’eau, le béton est le deuxième matériau le moreover consommé sur Terre : deux tonnes par personne sont fabriquées chaque année. C’est une nouvelle ville de New York en development tous les 35 jours pendant au moins les 32 prochaines années, selon Srubar.
“Sa fabrication, son utilisation et son élimination ont des conséquences environnementales importantes. La production de ciment à elle seule, la poudre que nous utilisons pour fabriquer le béton, est responsable d’environ 8% de nos émissions mondiales de CO2.”
Afin d’atteindre les objectifs de l’Accord de Paris et de maintenir l’augmentation de la température mondiale bien en dessous de 3,6 degrés Fahrenheit, l’industrie de la development doit réduire les émissions de 40% d’ici 2030 et les éliminer complètement d’ici 2050. Le changement climatique ne fera qu’exacerber les facteurs de worry sur le béton et les infrastructures vieillissantes, avec augmentation des températures extrêmes et des cycles de gel et de dégel se produisant as well as souvent dans certaines régions géographiques.
“L’infrastructure qui est conçue aujourd’hui sera confrontée à différentes circumstances climatiques à l’avenir. Dans les décennies à venir, les matériaux seront testés d’une manière jamais vue auparavant”, a déclaré Srubar. “Le béton que nous fabriquons doit donc durer.”