Genom att förstärka betong med textil istället för stål kan man skapa slanka och lätta strukturer med mindre materialanvändning och därmed minska miljöpåverkan avsevärt. Tekniken med kolfibertextil är redan etablerad, men utvecklingen har stött på hinder såsom att framställa tillförlitliga beräkningar för komplexa och svängda konstruktioner. Nu har forskare från Chalmers introducerat en metod som förenklar upp skalningen av tekniken, vilket i sin tur underlättar byggandet av mer miljövänliga broar, tunnlar och byggnader.
"En stor del av den betong vi använder idag fungerar som ett skyddande lager för att förhindra rostbildning på stålarmaturer. Genom att istället använda textilförstärkning kan vi minska behovet av cement och även minska mängden betong som används, vilket i sin tur minskar klimatpåverkan," förklarar Karin Lundgren, professor i betongbyggnad vid institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik på Chalmers.
Cement, som är det bindemedel som används i betong, har en betydande klimatpåverkan på grund av dess tillverkning från kalksten. Ett av problemen är utsläppen av koldioxid som frigörs vid tillverkningen, vilken tidigare var bunden i kalkstenen. Årligen tillverkas cirka 4,5 miljarder ton cement globalt sett, och cementindustrin står för ungefär 8 procent av de globala koldioxidutsläppen. På grund av detta pågår det intensiv forskning för att hitta alternativa metoder och material för att bygga med betong.
Genom att använda alternativa bindemedel istället för cement, såsom lera eller vulkanisk aska, kan man ytterligare minska koldioxidutsläppen. Dock är det ännu oklart hur väl dessa nya bindemedel kan skydda stålarmaturer på lång sikt.
"Det här är något som kolfiberförstärkt betong skulle kunna lösa eftersom den inte kräver samma skydd. Dessutom kan vi optimera tunna konstruktioner med låg klimatpåverkan ännu mer," tillägger Karin Lundgren.
I en nyligen publicerad studie i tidskriften Construction and Building Materials beskriver Lundgren och hennes kollegor en ny modelleringsteknik som har visat sig vara tillförlitlig för att beräkna hur textilförstärkning interagerar med betongen.
"Vi har utvecklat en metod som underlättar beräkningsarbetet för komplexa konstruktioner och minskar behovet av bärförmågestestning," förklarar Lundgren.
Ett område där textilförstärkning kan minska miljöpåverkan avsevärt är vid konstruktion av svängda bjälklag. Eftersom en stor del av byggnaders klimatpåverkan vid produktionen kommer från bjälklagen, är detta en effektiv strategi för att bygga mer hållbart. En tidigare forskningsstudie från Cambridge visar att textilförstärkning kan minska koldioxidutsläppen med upp till 65 procent jämfört med traditionella massiva bjälklag.
För att förstå det komplexa samspel som sker i en textilförstärkt betongkonstruktion har Chalmersforskarna utvecklat modelleringstekniken som beskriver dessa effekter.
"Man kan likna det vid att tråden har en inre och en yttre kärna, vilka påverkas olika när betongen belastas. Vi har tagit fram en provnings- och beräkningsmetod som tar hänsyn till detta, och vi har visat att vår metod är tillförlitlig även för komplexa konstruktioner," säger Lundgren.
Forskningen fortsätter nu med att utveckla optimeringsmetoder för större konstruktioner.
"Med tanke på att FN:s miljöprogram, Unep, förutspår att den totala golvytan i världen kommer att fördubblas under de kommande 40 åren på grund av ökat välstånd och befolkningsökning, måste vi göra allt vi kan för att bygga så resurseffektivt som möjligt för att möta klimatutmaningarna," avslutar Lundgren.