Beton przyszłości? Polscy naukowcy prowadzą badania

Cement jest podstawowym, najbardziej emisyjnym i najdroższym składnikiem betonu i każdy producent stara się opracować rozwiązanie, które ograniczy jego zużycie zachowując przy tym wytrzymałość. Badaniem nowych dodatków do kompozytów cementowych zajmuje się Adrian Chajec ze Szkoły Doktorskiej PWr.

Doktorant jest stypendystą ministra nauki dla wybitnych młodych naukowców, laureatem nagród rektora PWr i dziekana Wydziału Budownictwa Lądowego i Wodnego, współautorem kilku opracowań eksperckich związanych z budownictwem. Należy też m.in. do prestiżowej międzynarodowej organizacji RILEM.

Swoją pracę doktorską „Wpływ jednoczesnego dodatku odpadowej mączki granitowej i krzemionkowego popiołu lotnego na wybrane adekwatności kompozytów cementowych” przygotował pod opieką prof. Łukasza Sadowskiego z Wydziału Budownictwa Lądowego i Wodnego, a jego promotorką pomocniczą jest dr inż. Magdalena Piechówka-Mielnik, również z W2.

Ekologicznie, ekonomicznie i praktycznie

Naukę na Politechnice Wrocławskiej rozpoczął na drugim stopniu kierunku budownictwo na studiach zaocznych. Równocześnie pracował w przemyśle, gdzie na co dzień miał do czynienia z technologiami stosowanymi w budownictwie na szeroką skalę.

– Wtedy spotkałem się z rozwiązaniem, które mnie zaciekawiło i stanowiło później inspirację do napisania pracy magisterskiej. Chodziło o dodawanie do betonu specjalnych włókien, które teoretycznie mogłyby zastąpić tradycyjne zbrojenie. Wydawało mi się to niemożliwe i koniecznie chciałem to sprawdzić. Trafiłem do prof. Łukasza Sadowskiego, pod okiem którego napisałem pracę dyplomową i to właśnie dzięki jego motywacji zdecydowałem się na kontynuowanie nauki w Szkole Doktorskiej PWr – mówi Adrian Chajec.

W swojej pracy doktorskiej skupił się na modyfikacji kompozytów cementowych poprzez dodanie do nich odpadowej mączki granitowej i popiołu lotnego.

– Od początku wiedziałem, iż chcę się zajmować zmniejszeniem ilości cementu w betonie. Bo to właśnie cement jest najbardziej emisyjnym składnikiem betonu i adekwatnie każdy producent szuka sposobu zmniejszenia jego obecności w swoich produktach. Dotyczy to nie tylko firm betoniarskich, ale także producentów prefabrykatów – wyjaśnia doktorant.

Okazało się, iż ciekawym rozwiązaniem jest dodawanie do mieszanki mączki granitowej, czyli odpadu powstającego po cięciu granitu, którego składowanie w wielu miejscach urasta do rangi dużego problemu środowiskowego.

– Same badania trochę zmodyfikowałem, bo nie chciałem się skupiać wyłącznie na samej mączce. Pomyślałem, iż ciekawie byłoby wykorzystać też popiół lotny, który jako dodatek do betonu jest znany od lat, ale w konfiguracji z mączką granitową nie był jeszcze badany. Tym samym mój temat miał nie tylko duży potencjał naukowy, ale też praktyczny i ekologiczny, bo w wypadku pozytywnych wyników badań dawał szansę na chociaż częściowe zagospodarowanie zalegającej na hałdach mączki granitowej – podkreśla Adrian Chajec.

Trudne badania, obiecujące wyniki

Najważniejszym wyzwaniem było dla niego sformułowanie planu badawczego, wyszukanie odpowiednich badań, które chciałby wykorzystać w projekcie, a dodatkowo ustalenie ich odpowiedniego zakresu.

– o ile chcemy sprawdzać sposób modyfikacji betonu, to musimy robić to w różnych seriach. Ustalamy na przykład, iż zamieniamy w próbce 10, 20 lub 30 proc. cementu na różnego rodzaju dodatki. Początkowo ustaliłem 11 serii badawczych, ale postanowiłem też robić badania dla dwóch typów kompozytów cementowych, a więc serii zrobiło się dwa razy więcej. Dodatkowo beton bada się w poszczególnych okresach od wymieszania, a żeby nie było zbyt łatwo, to skomplikowałem sobie cały proces sprawdzając, jak warunki, w których przechowujemy próbki, wpływają na beton. W sumie okazało się więc, iż musiałem wykonać ok. 100 różnych serii badawczych oraz ponad 500 próbek – tłumaczy naukowiec.

W złożonej już pracy doktorskiej opisał wszystkie wyniki swoich badań, a także przykłady ich wdrożenia. Zostało to już docenione przez recenzentów, którzy podkreślili, iż rzadko się zdarza, żeby w pracach doktorskich ktoś rozwiązał problem naukowy, a przy okazji pokazał jego potencjał wdrożeniowy.

– Moja rozprawa doktorska była realizowana w ramach projektu NCBiR Lider, którym kieruje prof. Sadowski i dzięki temu miałem możliwość nawiązania współpracy z firmami, a opracowane przeze mnie rozwiązania są już opatentowane. Co ważne, jeden z tych patentów został już dwukrotnie skomercjalizowany – zaznacza Adrian Chajec.

W trakcie badań okazało się m.in., iż mączka granitowa rzeczywiście ma spory potencjał do wykorzystania w kompozytach cementowych. Ogranicza go jednak fakt, iż zmniejszając ilość cementu, a dodając mączkę, spada wytrzymałość na ściskanie, która jest najważniejszą adekwatnością kompozytu. Dodatkowo naukowiec zauważył, iż dodanie mączki granitowej zmniejsza odsączanie wody, a co za tym idzie spada szansa na pęknięcie wierzchniej warstwy kompozytu.

– Uzyskane wyniki pozwoliły mi na wyznaczenie kolejnych kroków badawczych. Do tej pory wykorzystywałem w badaniach mączkę odpadową z hałdy, a teraz w planach mam zajęcie się innym jej typem, tzw. mączką funkcjonalizowaną. Jej analizy będę prowadził m.in. pod kątem poprawy wytrzymałości na ściskanie – zapowiada doktorant.

Drukowanie betonu na Księżycu

Kolejnym tematem, którym chce się zająć po obronie doktoratu, są nowoczesne metody wytwarzania przyrostowego (druk 3D) kompozytów cementowych do zastosowań w przestrzeni kosmicznej.

Drukarki wykorzystująca gęste masy są już znane na rynku i prowadzone są już też pierwsze próby drukowania betonu. Naszym naukowcom udało się pozyskać zbudowaną specjalnie na ich potrzeby drukarkę 3D, dzięki której możliwe jest drukowanie betonowych elementów w mniejszej skali.

– Wspólnie z prof. Sadowskim wpadliśmy na pomysł, żeby wykorzystać tę technologię w przestrzeni kosmicznej. Udało nam się zdobyć symulanty regolitu księżycowego i chcemy rozwijać metody wytwarzania przyrostowego kompozytów cementowych lub innych w przestrzeni kosmicznej – wyjaśnia Adrian Chajec. – To istotny temat w kontekście planów budowy baz na Księżycu, bo przecież nie przetransportujemy tam tysięcy ton cementu. Materiały trzeba będzie pozyskiwać na miejscu, dlatego tego typu technologie muszą się rozwijać – dodaje.

Naukowcy mają w planach pozyskanie aparatury, która pozwoli symulować warunki występujące w przestrzeni kosmicznej, czyli odpowiednie ciśnienie i temperaturę. Dzięki temu będą mogli badać próbki w warunkach jak najbardziej zbliżonych do rzeczywistych. – Być może kiedyś uda nam się wysłać nasze próbki w kosmos, co byłoby ogromnym sukcesem – przyznaje doktorant.

Doktoratu nie trzeba się bać

Adrian Chajec należy do pierwszego rocznika osób, które rozpoczęły naukę w utworzonej w 2019 r. Szkoły Doktorskiej PWr. To całkowicie nowy system kształcenia doktorantów, który zastąpił funkcjonujące wcześniej studia doktoranckie. Pięć lat temu naukę rozpoczęło w niej ponad 150 osób, w tym dwunastu obcokrajowców.

– Uważam, iż otwarcie szkół doktorskich wpłynęło bardzo pozytywnie na cały system kształcenia doktorantów. Przede wszystkim ze względu na stypendia i zadaniowy czas pracy, który często pozwala łączyć prowadzenie badań np. z pracą w przemyśle, wychowaniem dzieci czy spełnianiem swoich marzeń. W trakcie nauki udało mi się zachęcić moją siostrę, żeby zostawiła karierę nauczyciela i przyszła na doktorat na PWr, który w tej chwili przygotowuje na Wydziale Chemicznym – mówi Adrian Chajec.

Dodaje też, iż wiele osób – zupełnie niepotrzebnie – obawia się pójścia na doktorat. – Panuje powszechne przekonanie, iż trzeba mieć wysoką średnią i być, jak to się mówi potocznie, „mega mózgiem”, który bez problemów rozwiązuje całkę podwójną. A to nie do końca o to chodzi, bo jak się okazało, na doktoracie trzeba po prostu kochać to, co się lubi, mieć jasno postawiony cel, a jeżeli dodatkowo ma się za plecami dobrego promotora, to ścieżka do sukcesu wcale nie jest taka kręta – podkreśla Adrian Chajec.

Naukowiec zwraca także uwagę na ogromne możliwości rozwoju, jakie daje doktorat. Dzięki programowi NAWA Ster wyjechał na staż do Holandii, a w 2022 r. zorganizował także Szkołę Zimową dla doktorantów. – Udało mi się ściągnąć do Wrocławia m.in. prof. Johna Provisa z Uniwersytetu w Sheffield, uznawanego za guru kompozytów cementowych, który zrobił nam świetną prelekcję z pisania tekstów naukowych. To właśnie dzięki takim wydarzeniom wspominam swój doktorat jako wspaniałą przygodę i w żadnym stopniu nie żałuję, iż się na niego zdecydowałem – dodaje.

Rekrutacja do Szkoły Doktorskiej PWr rusza 15 maja. Terminarz i szczegółowe zasady można znaleźć na stronie szkoły.

Źródło: Politechnika Wrocławska