​Synergia nauki i przemysłu kluczem do zrównoważonego rozwoju sektora budowlanego – komentarz dra hab. inż. Łukasza Klapiszewskiego, profesora Politechniki Poznańskiej

Produkcja wielu materiałów konstrukcyjnych, w tym szczególnie betonu, wiąże się niestety z dużą emisją CO₂ do atmosfery oraz ze znacznym nakładem energetycznym potrzebnym do jego wytworzenia i wbudowania w elementy konstrukcyjne. Wśród materiałów, które mogą przyczynić się do poprawy negatywnego oddziaływania betonu na środowisko są domieszki chemiczne, głównie superplastyfikatory, których niewielki dodatek w sposób istotny wpływa na możliwość redukcji ilości cementu i wody przy zachowaniu odpowiednich parametrów reologicznych mieszanki. Obniżenie stosunku wodno-cementowego prowadzi również do poprawy wytrzymałości na ściskanie kompozytu cementowego, a wprowadzenie do struktury betonu związków glino-krzemianowych o właściwościach pucolanowych i/lub hydraulicznych kosztem klinkieru cementowego, przyczynia się dodatkowo do poprawy wydajności i trwałości tego materiału. Niestety potrzeba suplementowania klinkieru cementowego coraz większymi ilościami dodatków niejednokrotnie wiąże się z brakiem kompatybilności nowych cementów z superplastyfikatorami, prowadząc do ich częściowej lub całkowitej dezaktywacji.

Odpowiedzią na wyżej opisane problemy może być zastosowanie funkcjonalnych, zadaniowo-specyficznych związków jonowych o projektowanych właściwościach, jako domieszek chemicznych modyfikujących właściwości reologiczne, trwałościowe i antybakteryjne kompozytu cementowego. To stało się podstawą rozwijanego przez grupę naukową pod moim kierownictwem pomysłu nt. Projektowanie kompozytów cementowych z wykorzystaniem zrównoważonych związków jonowych: Ocena właściwości strukturalnych i użytkowych. Wspólna inicjatywa badawcza realizowana jest aktualnie w ramach środków finansowych przyznanych przez Narodowe Centrum Nauki we współpracy z zespołami naukowymi prof. Politechniki Poznańskiej Agnieszki Ślosarczyk oraz prof. Anny Chrobok z Politechniki Śląskiej.

Zastosowanie związków jonowych w produkcji innowacyjnych kompozytów cementowych

Zastosowanie związków jonowych prowadzić powinno do poprawy kompatybilności nowoczesnych spoiw cementowych zawierających suplementujące dodatki pucolanowe lub/i hydrauliczne z powszechnie stosowanymi superplastyfikatorami na bazie polieterów karboksylanowych (PCE). Istotnym elementem prowadzonych badań jest również wykorzystanie związków jonowych do zaprojektowania innowacyjnej domieszki kompleksowej w oparciu o pochodne polikarboksylanów, która powinna wykazać wyższe powinowactwo w kierunku nowych spoiw cementowych, w porównaniu z powszechnie dostępnymi typowymi superplastyfikatorami PCE, co niewątpliwie mogłoby w konsekwencji przyczynić się do otrzymania trwałej i zrównoważonej matrycy cementowej. Dodatkowym aspektem wprowadzenia do struktury superplastyfikatora fragmentów jonowych jest nadanie mu dodatkowych właściwości antybakteryjnych poprzez zastosowanie m.in. anionów opartych na skoordynowanych solach metali. O istotnym znaczeniu i nowatorskim podejściu wyżej przywołanego tematu świadczą wzajemne powiązania słów kluczowych w obrębie prowadzonych badań, zaczerpnięte z bazy naukowej Scopus, a zilustrowane na poniższym rysunku.

Wytworzone w ramach projektu domieszki kompleksowe pozwolą na zniwelowanie powszechnie dziś występujących problemów z urabialnością kompozytów cementowych wykonanych przy użyciu nowoczesnych spoiw cementowych z dodatkami, w tym przede wszystkim z utratą dyspersyjnego działania najnowszej generacji superplastyfikatorów.

W celu rozwiązania poruszanych w tekście problemów przewidujemy w ramach prowadzonego projektu kompleksowe badania świeżych mieszanek wykonanych na cementach, w których część klinkieru cementowego będzie zastępowana dodatkami o właściwościach pucolanowych i hydraulicznych, w tym również najnowszymi dodatkami z grupy kalcynowanych glin i układów kalcynowanych glin z kamieniem wapiennym.

Badania, które przewidujemy w najbliższym czasie będą prowadzone także w kierunku określenia wpływu wytworzonych materiałów na parametry elektrokinetyczne, ciepło hydratacji spoiw, plastyczność, lepkość, co będzie służyło właściwemu zaprojektowaniu domieszek jonowych i uzyskaniu jak najlepszej kompatybilności z nowymi spoiwami cementowymi. W kolejnym etapie planujemy także szerokie badania kompozytów w stanie stwardniałym obejmujące badania mechaniczne, strukturalne i trwałościowe. Dla wybranych związków jonowych o właściwościach bakteriobójczych zostaną przeprowadzone wnikliwe testy antybakteryjne w kierunku inhibicji wybranych bakterii Gram dodatnich, Gram ujemnych oraz grzybów. Kluczowym elementem realizowanych przez zespół badawczy działań będzie ponadto przeprowadzenie badań starzeniowych, które pozwolą określić odporność wykorzystanych materiałów na długoterminowe działanie czynników atmosferycznych.

W efekcie zaprojektowane i prowadzone badania będą miały na celu opracowanie funkcjonalnych kompozytów cementowych domieszkowanych zrównoważonymi materiałami jonowymi o zdefiniowanych, ściśle określonych właściwościach. Nowo zaprojektowane kompozyty cementowe będą mogły w znacznym stopniu przyczynić się do rozwoju budownictwa zrównoważonego, obniżając koszty produkcji materiałów budowlanych, na skutek zastosowania relatywnie tanich komponentów, zachowując przy tym ich najlepsze właściwości użytkowe.

Na podstawie materiałów Narodowego Centrum Nauki, w ramach przyznanego grantu nr 2022/45/B/ST8/02288.

Autor publikacji:

Prof. PP dr hab. inż. Łukasz Klapiszewski - absolwent Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej (2010). W roku 2014 uzyskał stopień naukowy doktora nauk chemicznych w zakresie technologii chemicznej, a w 2019 stopień doktora habilitowanego w dziedzinie nauk ścisłych i przyrodniczych, dyscyplina nauki chemiczne. Od 2020 roku jest profesorem Politechniki Poznańskiej.

Laureat licznych wyróżnień i nagród, w tym m.in. Stypendium Naukowego Miasta Poznania (2014), Nagrody Miasta Poznania za wyróżniającą się pracę doktorską (2016), Stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego dla wybitnych młodych naukowców (2018), Nagrody Prezesa Rady Ministrów (2020), Nagrody Polskiego Towarzystwo Chemiczne za wyróżniające osiągnięcia naukowe (2020) i wielu innych. Ceniony i wielokrotnie nagradzany dydaktyk.

Współautor ponad 120 publikacji w czasopismach z listy JCR, kilku rozdziałów w książkach oraz 7 patentów (parametry bibliometryczne: indeks h=37, jego prace były cytowane ponad 4000 razy). Kierownik lub wykonawca wielu projektów naukowo-badawczych finansowanych m.in. przez NCN, NCBiR oraz MNiSW. Ekspert Narodowego Centrum Nauki. Koordynator wielu przedsięwzięć realizowanych w i poza Politechniką Poznańską, w tym m.in. Lider Interdyscyplinarnego Centrum Innowacji 3W.

Zainteresowania naukowe prof. PP Łukasza Klapiszewskiego związane są z szeroko rozumianą technologią chemiczną nieorganiczna, technologiami nisko- i/lub bezodpadowymi, zieloną chemią, projektowaniem, charakterystyką i zastosowaniem funkcjonalnych materiałów/biomateriałów/materiałów hybrydowych, wykorzystaniem kompozytów polimerowych, cementowych oraz biokompozytów.