Znajdź zawartość

Wiele starożytnych rzymskich konstrukcji wykonanych jest z betonu, w tym wzniesiony 1900 lat temu Panteon, z największą na świecie niewzmacnianą betonową kopułą. Niektóre z akweduktów są wciąż wykorzystywane. Tymczasem współczesne konstrukcje betonowe rozsypują się po kilku dekadach. Naukowcy od dawna próbują rozszyfrować tajemnice rzymskich inżynierów, badając m.in. falochron, który przetrwał 2000 lat oddziaływania słonej wody. Przez wiele lat sądzono, że rzymski beton jest tak wytrzymały dzięki popiołom wulkanicznym. Okazało się jednak, że posiada on jeszcze jeden – lekceważony dotychczas – składnik. Naukowcy z MIT, Uniwersytetu Harvarda oraz laboratoriów z Włoch i Szwajcarii przyjrzeli się milimetrowej wielkości fragmentom wapienia, które powszechnie są spotykane w rzymskim betonie. Od kiedy tylko zacząłem pracować z rzymskim betonem, te drobinki mnie fascynowały. Nie występują one we współczesnych betonach, dlaczego więc znajdują się w rzymskich?, mówi profesor Admir Masic z MIT. Dotychczas sądzono, że obecność tych ziaren to dowód na niedokładne mieszanie materiału przez Rzymian lub też na dodawanie przez nich słabej jakości materiałów. Takie wyjaśnienia nie są jednak przekonujące. Dlaczego Rzymianie, którzy tak dbali o uzyskanie wysokiej jakości materiału budowlanego i przez wieku udoskonalali jego recepturę, mieliby niedbale wszystko ze sobą mieszać? Naukowcy od dawna sądzą, że gdy Rzymianie dodawali wapno do swojego betonu, najpierw łączyli je z wodą, uzyskując – w procesie gaszenia wapna – konsystencję pasty. Jednak w wyniku takiego procesu nie powstawałyby drobinki. Gdy teraz uczeni szczegółowo zbadali lekceważone dotychczas drobinki zauważyli, że rzeczywiście jest to wapno, ale zostało ono poddane działaniu wysokich temperatur, których można spodziewać się po wykorzystaniu tlenku wapnia zamiast, lub obok, wapna gaszonego. Autorzy najnowszych badań uważają, że to mieszanie na gorąco nadało rzymskiemu betonowi jego wyjątkową wytrzymałość. Takie mieszanie ma dwie zalety. Po pierwsze, gdy cały beton jest podgrzewany do wysokich temperatur, zachodzą procesy chemiczne, które nie mają miejsca, gdy używa się tylko wapna gaszonego, w wysokich temperaturach powstają związki, jakie nie pojawiają się w innych procesach. Po drugie, wysokie temperatury skracają czas wiązania, gdyż wszystkie reakcje ulegają przyspieszeniu, zatem można znacznie szybciej wznosić budowle, wyjaśnia Masic. Podczas mieszania na gorąco, drobinki skał wapiennych zmieniają swoją strukturę tak, że powstaje reaktywne, łatwo rozdzielające się źródło wapnia. Gdy w tak uzyskanym betonie dochodzi z czasem do pęknięć, w które wnika woda, wspomniane drobinki reagują z nią, tworząc nasycony wapnem roztwór. Ten szybko rekrystalizuje lub wchodzi w reakcje z popiołami wulkanicznymi wypełniając pęknięcie i wzmacniając całość. Reakcje takie zachodzą automatycznie i spontanicznie, dzięki czemu pęknięcia w betonie są naprawiane, zanim się rozprzestrzenią. Naukowcy, by sprawdzić swoją hipotezę, stworzyli próbki mieszanych na gorąco betonów według receptury starożytnej i współczesnej. Następnie doprowadzili do ich popękania i przepuścili przez pęknięcia wodę. Po dwóch tygodniach beton, w którym zastosowano mikrodrobinki wapna, samodzielnie się naprawił i woda przestała płynąć przez szczeliny. « powrót do artykułu

Badacze z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa odkryli, że na każdy 1 punkt procentowy zwiększenia powierzchni zabetonowanych – jak drogi, parkingi, budynki i inna infrastruktura – przypada 3,3-procentowe zwiększenie intensywności powodzi. Oznacza to, że jeśli w basenie danej rzeki zabetonowaną powierzchnię zwiększymy o 10%, to średnio przepływ wody w czasie zwiększy się tam o 33%. W ostatnim czasie doszło do znaczne zwiększenia intensywności powodzi w takich miastach jak Houston czy Ellicott City. Chcieliśmy lepiej zrozumieć, jak urbanizacja wpływa na zwiększenie przepływu wód powodziowych, mówi Annalise Blum z Johns Hopkins University i American Association for the Advancement of Science. Poprzednie badania tego typu wykorzystywały mniejsze zestawy danych, dotyczących pojedynczych cieków wodnych lub niewielkich grup cieków w określonym przedziale czasowym. Nie można było ich przełożyć na skalę całego kraju. Ponadto trudno było na ich podstawie wyizolować przyczynę i skutek, gdyż nie kontrolowano w nich efektywnie wpływu takich czynników jak klimat, zapory wodne czy sposób wykorzystywania terenu. Trudno było więc podać konkretne wartości pokazujące, w jaki sposób nieprzepuszczalna powierzchnia wpływa na powodzie. Blum we współpracy z profesorem Paulem Ferraro wykorzystali modele matematyczne, które rzadko są używane do badania powodzi. W badaniach środowiska naturalnego trudno jest oddzielić przyczynę od skutku. Na szczęście w ciągu ostatnich dekad na polu ekonomii i biostatystyki opracowano metody, które pozwalają na ich odróżnienie. Zastosowaliśmy te metody do badań hydrologicznych, w nadziei, że przyczyni się to do postępu w tej dziedzinie wiedzy i da planistom oraz polityko nowe narzędzia pomocne podczas rozwoju miast, stwierdza Ferrero. Naukowcy wykorzystali dane US Geological Survey z okresu 1974–2012, które dotyczyły ponad 2000 cieków wodnych. Dane zawierały informacje o przepływie wody. Informacje takie poddano analizie, w której uwzględniono też zmiany w obszarze powierzchni nieprzepuszczalnych w basenie każdego z cieków. Z analizy wynika, że wielkość powodzi, rozumiana jako maksymalny przepływ wody, zwiększa się o 3,3 punktu procentowego dla każdego wzrostu obszaru powierzchni nieprzepuszczalnych o 1 pp. "W związku z olbrzymią coroczną zmiennością przepływu wody trudno jest wydzielić skutki urbanizacji. Nam się to udało dzięki zastosowaniu olbrzymich zestawów danych zbieranych zarówno w czasie jak i w przestrzeni", wyjaśnia Blum. « powrót do artykułu

Przez lata uważano, że piramidy egipskie zbudowano z wyciosanych w kamieniu olbrzymich bloków, które następnie niewolnicy i inni budowniczowie wciągali po rampach i układali jeden na drugim. Dwadzieścia lat temu Joseph Davidovits, dyrektor Instytutu Geopolimerów w St. Quentin, stwierdził jednak, że bloki są wykonane z pewnego rodzaju betonu, w skład którego weszły, m.in.: wapień, glina, wapno oraz woda. Jeśli piramidy rzeczywiście zostały odlane, ktoś w dzisiejszych czasach powinien udowodnić to bez żadnych wątpliwości, pracując kilka godzin z mikroskopem elektronowym — skomentował Michel Barsoum, urodzony w Egipcie profesor Wydziału Inżynierii i Materiałoznawstwa Dexel University. Zdobywanie dowodu zajęło mu trochę więcej czasu niż kilka godzin. Po 1,5 roku badań i zastosowaniu elektronowego mikroskopu skaningowego jego zespół stwierdził, że drobne fragmenty pobrane z zewnętrznej i wewnętrznej części bloku są rzeczywiście zastygłą masą zawierającą wapień. Materiałem wiążącym wapienny cement był albo dwutlenek krzemu, albo minerał krzemowy obfitujący w wapń oraz magnez. W jednej z próbek odnaleziono sfery z dwutlenku krzemu. Bloki są dużo wilgotniejsze niż wapień spotykany w okolicach Gizy. Poza tym mają one strukturę amorficzną, co oznacza, że atomy rozmieszczone są w sposób nieregularny, a skała osadowa powstająca w sposób naturalny jest zazwyczaj skrystalizowana. Bloki nie mogły być w żaden sposób wyciosane ze skały. To wyjaśniłoby kilka, choć nadal nie wszystkie, spornych kwestii. Po pierwsze, jak to się stało, że poszczególne elementy budowli są tak doskonale do siebie dopasowane, że nie udałoby się między nie wcisnąć nawet włosa. Po drugie, skoro bloki wykuwano, czemu w okolicach Gizy nie odnaleziono ani jednego miedzianego dłuta. Co oczywiste, nie można było natrafić na narzędzia żelazne, bo ten metal Egipcjanie poznali dość późno. Można by też wykluczyć konieczność zastosowania technik nieznanych we współczesnych czasach czy pomoc kosmitów, by udało się wynieść skały wieńczące szczyty piramid. Niektórzy eksperci uważają, że beton egipski był materiałem bardziej ekologicznym od betonu stosowanego obecnie. Jego trwałość została sprawdzona przez historię, a koszt wytworzenia także bije na głowę inne znane metody budowlane. Tak więc w przyszłości będzie się można najprawdopodobniej pochwalić domkiem wybudowanym w technologii staroegipskiej...

Całe współczesne budownictwo stoi na elemencie znanym już starożytnym Rzymianom: betonie. Od czasu wynalezienia cementu portlandzkiego niemal 200 lat temu niemal nic się w tej technologii nie zmieniło aż do dziś. Nie sposób wyobrazić sobie współczesnej cywilizacji bez cementu i nie sposób zmniejszyć na niego zapotrzebowania. Tymczasem, po elektrowniach, przemysł cementowy jest drugim największym producentem gazów cieplarnianych, odpowiadając za 5% światowej emisji dwutlenku węgla. To sprawia, że cementownie stają na celowniku inicjatyw proekologicznych i boleśnie odczuwają restrykcje w emisji gazów cieplarnianych. Żeby oszacować wpływ cementowni na środowisko dość powiedzieć, że wyprodukowanie każdej tony cementu uwalnia do atmosfery pół tony dwutlenku węgla (pochodzącego z reakcji rozkładu węglanu wapnia), niemal drugie tyle CO2 uwalniane jest w procesie podgrzewania półproduktów do temperatury ponad 1600º C. A zapotrzebowanie samych Chin to ponad miliard ton rocznie. Przez te lata niewiele podejmowano prób udoskonalenia receptury lub technologii, jedne z nielicznych to dodawanie żużlu (produktu ubocznego wytopu rud metali) lub popiołów (odpadu z elektrowni węglowych). Dopiero właśnie presja rozporządzeń proekologicznych skłoniła największych producentów na świecie do poszukiwania nowych rozwiązań i sformowania wspólnie z MIT (Massachusetts Institute of Technology) Concrete Sustainability Hub. Kristen Van Vliet, inżynier materiałowy rozpoczął od przeprowadzenia dokładnej analizy cementu, jego struktury, wiązań chemicznych, itd. Może się to wydawać nieco dziwne, ale do tej pory szczegółowych badań tego materiału nie prowadzono. Uczony wykorzystał aż tak zaawansowane narzędzia, jak mikroskop sił atomowych, żeby poznać ułożenie atomów poszczególnych pierwiastków wchodzących w skład cementu. Okazało się, że cement ma w istocie strukturę żelu, w którym wszystko trzyma się razem dzięki wodzie. Twardość i małą ściśliwość zawdzięcza on zaś temu, że molekuły wody nie mają możliwości zmiany swojego położenia. Uzyskane informacje Rouzbeh Shahsavari wykorzystał do stworzenia komputerowej symulacji, dzięki której można było „na sucho" przeanalizować dowolną ilość modyfikacji, zmian składu, itd. Obmyślone udoskonalenia były produkowane i sprawdzane w działaniu przez portugalską firmę CIMPOR, głównego sponsora badań. Rezultatem była znacząca zmiana technologii, dzięki której nowy rodzaj cementu osiąga maksymalną wytrzymałość znacznie mniejszym kosztem i - przede wszystkim - ze znacznie mniejszym obciążeniem dla środowiska. Dodatkowo nie potrzeba zmieniać składu, ani istniejącej infrastruktury. Autorzy uważają, że to wręcz przełom w tej dziedzinie, ale na razie nie ujawniają szczegółów, traktując je jako tajemnicę produkcyjną. Nie jest to jedyna próba udoskonalenia produkcji cementu podejmowana w ostatnich latach. Przykładowo angielska firma Novacem wytwarza cement, który twardniejąc pochłania dwutlenek węgla z atmosfery, redukując „ślad ekologiczny". Jak do tej pory jednak żadne z nowych rozwiązań nie wyparło niemaldwustuletniej technologii produkcji „portlandu", jak będzie tym razem - zobaczymy.

Jak załatać mikropęknięcia w betonie? Nie jest to łatwe ani tanie, tym ważniejsze wydaje się więc nowatorskie rozwiązanie zaproponowane przez zespół studentów z Newcastle University – zmodyfikowane genetycznie bakterie, które produkują w takich razach coś na kształt kleju. Kiedy dojdzie do uszkodzenia, mikroby migrują na sam dół szczeliny. Gdy już się tam znajdą, wytwarzają mieszaninę węglanu wapnia oraz kleju bakteryjnego. Wszystko to łączy się w całość z koloniami komórek bakteryjnych (filamentami), tak że ostateczna wytrzymałość miniłaty jest taka sama jak otaczającego materiału. Wg wynalazców i ich opiekunki dr Jennifer Hallinan, BacillaFilla, bo taką nazwę nadano niby-klejowi, jest doskonałym rozwiązaniem w przypadku remontów/napraw struktur, których budowa była bardzo kosztowna dla środowiska. Około 5% związanej z działalnością człowieka emisji dwutlenku węgla pochodzi z produkcji betonu, czyniąc z niego jeden z głównych elementów przyczyniających się do globalnego ocieplenia. Sensowne wydaje się zatem zabieganie o przedłużenie przydatności już raz wyprodukowanego betonu. Zaprezentowana na organizowanym przez MIT międzynarodowym konkursie naukowym International Genetically Engineered Machines (iGEM) metoda będzie nieoceniona w strefach trzęsień ziemi, gdzie przy obecnie dostępnych technologiach wiele budynków trzeba po prostu wyburzać. Młodzi naukowcy nie tylko oceniali użyteczność zmodyfikowanych bakterii, ale i potencjalne zagrożenia środowiskowe. Okazało się, że spory BacillaFilla zaczynają kiełkować tylko w kontakcie z betonem – germinację wyzwala specyficzne pH materiału. Poza tym wbudowano w nie gen samozniszczenia, który uniemożliwia przeżycie w innym środowisku. Po wykiełkowaniu bakterie udają się do strefy pęknięcia. Wskutek zbijania się w masę wyczuwają, kiedy znajdą się na dnie. Nagromadzenie aktywuje proces naprawczy. Komórki różnicują się w 3 typy: 1) komórki produkujące kryształy węglanu wapnia, 2) komórki tworzące filament (zostają one połączone specjalnymi porami, które umożliwiają silniejsze związanie i polepszają transport) oraz 3) komórki wytwarzające klej Levansa.

Poprawienie jakości powietrza w miastach może być znacznie prostsze niż sądzimy. Holenderscy uczeni udowodnili, że pochodzący z samochodowych spalin tlenek azotu można łatwo zneutralizować. Naukowcy z Uniwersytetu w Eindhoven wiedzą jak wyłapać nawet 45% tego gazu. Okazuje się, że wystarczy do betonu na drogach dodać dwutlenek tytanu. Przeprowadzone w laboratorium testy powtórzone zostały na prawdziwej drodze o powierzchni 1000 metrów kwadratowych. Pomiarów dokonywano na wysokości 1 oraz 1,5 metra ponad powierzchnią drogi. Okazało się, że dodanie dwutlenku tytanu powoduje, że do powietrza trafia od 25 do 45 procent mniej tlenków azotu. Gaz ten, po kontakcie z dwutlenkiem tytanu, jest zamieniany przy udziale światła słonecznego w nieszkodliwe azotany, które są później spłukiwane przez deszcz. Co więcej, obecność azotanów ułatwia spłukiwanie brudu. Wmieszanie dwutlenku tytanu do betonu powoduje, że materiał ten drożeje o 50%, jednak całkowity koszt budowy drogi wzrasta jedynie o 10%. Dodawanie dwutlenku tytanu do cementu nie jest nowym pomysłem. Od 2007 roku włoska firma Italcementi oferuje cement TX Active, który neutralizuje związki siarki i azotu. Profesor Jos Brouwers, który prowadził badania wspomniane badania zapewnia, że dwutlenek tytanu można również mieszać z asfaltem i uzyskamy podobne efekty jak w przypadku cementu. Materiały budowlane z dodatkiem dwutlenku tytanu mogłyby posłużyć do konstruowania budynków, które będą oczyszczały powietrze, a jednocześnie samodzielnie znacznie łatwiej utrzymają czystość.

Łuski ryżu zawierają duże ilości dwutlenku krzemu (SiO2), będącego ważnym składnikiem betonu. Od kilkudziesięciu lat próbowano uzyskać ryżowy cement, lecz po spaleniu powstawał popiół w zbyt dużym stopniu zanieczyszczony węglem, by dało się go spożytkować. Z problemem poradził sobie zespół Rajana Vempatiego z ChK Group z Plano. Nad rozwiązaniem warto było popracować, gdyż przy produkcji 1 tony zwykłego cementu do atmosfery ulatywała tona dwutlenku węgla, który jest przecież gazem cieplarnianym. Na całym świecie na cementownie przypada 5% generowanego przez człowieka CO2. Amerykanie zauważyli, że podgrzewanie łusek ryżowych do temperatury 800 stopni Celsjusza w pozbawionym tlenu piecu pozwala usunąć węgiel. W ten prosty sposób otrzymuje się czysty dwutlenek krzemu. Powstaje przy tym taka ilość dwutlenku węgla, która zostaje rocznie wykorzystana przez pola ryżowe. Dodanie popiołu ryżowego powoduje, że beton staje się mocniejszy i bardziej odporny na korozję. Zespół Vempatiego przypuszcza, że można by uzyskać doskonałe rezultaty, zastępując nim do 20% cementu zużywanego przy budowie drapaczy chmur, mostów i innych obiektów powstających w pobliżu wody. Obecnie Teksańczycy przygotowują się do testów, które pozwolą dopracować nową metodę. Jeśli wszystko pójdzie po ich myśli, powstanie dużo większy piec, wytwarzający do 15 tys. ton ryżowego popiołu rocznie. Na technologii z pewnością skorzystają kraje rozwijające się, których gospodarka bazuje na ryżu, w tym Chiny czy Indie. Nawet przy stawce 500 dol. za tonę jest to wielomiliardowa gałąź przemysłu – podsumowuje Vempati.

Santino to 31-letni samiec alfa. Jest szympansem i mieszka w Furuvik Zoo w Szwecji. Ostatnio stał się bohaterem wielu doniesień prasowych oraz zasłynął jako organizator i realizator napadów z bronią w ręku na odwiedzających. Oznacza to, że zwierzę jest w stanie zaplanować swoje działania i bierze pod uwagę przyszłe, a nie wyłącznie aktualne stany umysłu. Dr Mathias Osvath z Lund University, który obserwował zachowanie szympansa, podkreśla, że wskazuje ono na zaawansowaną samoświadomość, o którą dotąd podejrzewano wyłącznie ludzi. Pracownicy ogrodu zoologicznego po raz pierwszy zaczęli coś podejrzewać w 1997 r., kiedy zauważyli na małpiej wysepce liczne usypiska z kamieni. Opiekunka Santino postanowiła sprawdzić, do czego małpa ich potrzebuje, schowała się więc i obserwowała. Okazało się, że przez 5 kolejnych dni przed przybyciem gości Santino wyławiał kamienie ze zbiornika wodnego i układał je w kupkach. Potem widziano, jak rzucał odłamkami skały w ludzi. Ciskanie kamieniami w tłum wywoływało natychmiastowy i dramatyczny skutek. Rok później małpa zmieniła metodę. Jej zbiór pocisków wzbogacił się o kawałki betonu ze sztucznej skały ulokowanej na środku wysepki. Santino opukiwał konstrukcję, czasem uderzał mocniej, a odłamki zanosił sobie na brzeg fosy. Z biegiem czasu szympans nauczył się rozpoznawać nadwyrężone przez wodę miejsca. Wsiąkała ona w szczeliny, a potem zamarzała, tworząc w środku puste przestrzenie, które dało się wytropić właśnie za pomocą umiejętnego opukiwania. Samiec był wielokrotnie widywany przy produkcji broni zarówno przez personel zoo, jak i Osvatha. Co najmniej 50-krotnie wyławiał kamienie i ok. 18-krotnie wykuwał betonowe pociski. Santino jest jedynym samcem na wyspie, a samice właściwie w ogóle nie interesują się jego zbrojeniami. Zwierzę zaczęło tak postępować w rok po śmierci poprzedniego samca alfa. Jego zachowanie bardzo przypomina demonstrowanie dominacji u dzikich szympansów. Badacze uważają, że pierwotnym wyzwalaczem wykroczeń Santino może być chłodny szwedzki klimat. Z powodu niskich temperatur zwierzęta przebywają na wybiegach zaledwie przez 25% roku, dlatego nie są do końca przyzwyczajone do widoku gości. Poza sezonem 31-latek ani nie gromadzi pocisków, ani nimi nie ciska. Ataki są więc wymierzone wyłącznie w odwiedzających. Rozbudowuje kolekcję z wyraźną premedytacją, na chłodno, pobudzony staje się dopiero podczas publicznych popisów. W ciągu 12 lat pracownicy zoo zlikwidowali wiele kopców z kamieni. Ponieważ analogiczne zachowania odnotowano ostatnio u kapucynek i makaków, prymatolodzy sugerują, że można by w ten sposób zbadać ewolucję wykorzystania kamiennych narzędzi przez hominidy.

John Forth, inżynier z Uniwersytetu w Leeds, wynalazł bloczki budowlane, które składają się w całości ze śmieci. Bitublocks (bitubloki) produkuje się z odzyskiwanego szkła, osadów ściekowych, popiołów pozostających po spalaniu odpadów oraz zbieranych z elektrowni, a także produktów ubocznych oczyszczania metali. Forth ma nadzieję, że jego wynalazek zrewolucjonizuje przemysł budowlany. Do wyprodukowania bitubloków zużywa się mniej energii niż do uzyskania tradycyjnych bloczków betonowych, a są one ok. 6 razy bardziej wytrzymałe [...]. Substancją wiążącą odpady w bloczkach jest bitumin (używany skądinąd do utwardzania nawierzchni dróg). Powstająca w ten sposób masa jest umieszczana w formach, a podczas podgrzania bitumin zastyga podobnie jak beton. Zastosowanie bituminu, a nie cementu czy gliny, pozwala zwiększyć proporcję zużywanych do produkcji śmieci. Forth zamierza w przyszłości popracować nad materiałem budowlanym ze zużytego oleju roślinnego, czyli tzw. wegebloczkami (Vegeblocks).