Sekret nano betonu

Beton jest najczęściej używanym materiałem wytwarzanym przez człowieka, a produkcja cementu – głównego składnika betonu – odpowiada za od 5 do 10 procent wszystkich antropogenicznych emisji dwutlenku węgla, wiodącego gazu cieplarnianego związanego z globalnym ociepleniem. Ale teraz naukowcy z MIT badający nanostrukturę betonu dokonali odkrycia, które może prowadzić do obniżenia emisji dwutlenku węgla podczas produkcji cementu.

Sondowanie materiału na bazie cementu ultracienką igłą diamentową daje odcisk rzędu nanometrów. Naukowcy z MIT wykorzystali tę technikę do zbadania nanostruktury cementu, która reguluje właściwości betonu wykonanego z cementu. Dzięki cementowi inżynieryjnemu w nanoskali mają nadzieję zmniejszyć emisje dwutlenku węgla z produkcji cementu.

Naukowcy odkryli, że bloki budulcowe betonu to cząstki o wielkości zaledwie kilku nanometrów i że te nanocząstki są ułożone na dwa różne sposoby. Odkryli również, że układ upakowania nanocząstek wpływa na właściwości betonu, takie jak wytrzymałość, sztywność i trwałość. Minerał [który tworzy nanocząsteczkę] nie jest kluczem do osiągnięcia tych właściwości… raczej jest to upakowanie [cząstek], mówi Franz-Josef Ulm , profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na MIT, który kierował pracami. Czy nie możemy więc zastąpić oryginalnego minerału czymś innym? Celem jest opracowanie cementu zastępczego, który zachowuje układ upakowania nanocząstek, ale może być wytwarzany z niższą emisją dwutlenku węgla.

Produkcja cementu powoduje wzrost emisji dwutlenku węgla, ponieważ obejmuje spalanie paliwa w celu podgrzania sproszkowanej mieszanki wapienia i gliny w temperaturze 1500 ºC. Po zmieszaniu cementu z wodą powstaje pasta; piasek i żwir są dodawane do pasty w celu uzyskania betonu. Ale naukowcy nie do końca rozumieją strukturę cementu, mówi Ulm.

Największą tajemnicą jest budowa i właściwości podstawowego budulca zaczynu cementowo-wodnego, hydratu krzemianu wapnia, który działa jak klej spajający wszystkie składniki betonu. Wszystkie makroskopowe właściwości betonu są w jakiś sposób związane z tym, jak wygląda ta faza na poziomie nanometrów, mówi Jeffrey Thomas , profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na Northwestern University.

Jeśli ta struktura zostałaby lepiej zrozumiana, naukowcy mogliby zaprojektować cement w nanoskali, aby dostosować właściwości betonu Hamlin Jennings , profesor inżynierii lądowej i środowiskowej oraz materiałoznawstwa na Northwestern. Ponieważ naukowcy nie znają zachowania cementu w nanoskali, do tej pory postęp w badaniach nad betonem i cementem był w dużej mierze przypadkowy, mówi Jennings.

Jennings przewidział, że hydrat krzemianu wapnia jest cząsteczką o wielkości około pięciu nanometrów. Ulm i jego badacz podoktorancki Georgios Constantinides potwierdzili tę strukturę za pomocą techniki zwanej nanoindentation, która polega na sondowaniu past cementowych ultracienką diamentową igłą.

Naukowcy odkryli, że nanocząsteczki hydratu krzemianu wapnia były ułożone w sposób podobny do pomarańczy losowo zapakowanych w pudełko lub jak piramidalny układ pomarańczy w sklepie spożywczym. Przy tych dwóch układach cząstki wypełniają odpowiednio 63 i 74 procent objętości zaczynu cementowego, reszta to woda i powietrze. Naukowcy odkryli, że względne objętości, jakie nanocząstki zajmują w paście, sterują właściwościami mechanicznymi pasty cementowej.

Ulm i Constantinides planują teraz zmianę składników w cemencie – jednym z pomysłów jest zastąpienie wapnia magnezem – tak, aby wytworzenie cementu wymagało mniej ciepła, ale powstałe nanocząstki nadal mają taki sam układ upakowania, jak nanocząstki hydratu krzemianu wapnia.

Planują również zbadać nanocząsteczkę, dopóki nie zrozumieją jej aż do poziomu atomowego. To da im jeszcze więcej swobody w stosowaniu cementu nanoinżynierskiego, mówi Ulm. Moglibyśmy dodać do niego chemikalia, aby poprawić wydajność [betonu] przy może mniejszej ilości cementu lub tego samego cementu, który daje większą wytrzymałość.

Przy dwóch miliardach ton cementu produkowanych co roku na świecie i rosnącym zapotrzebowaniu na beton w Chinach i Indiach, Ulm mówi, że konieczne jest ograniczenie emisji dwutlenku węgla związanych z betonem w ramach walki z globalnymi ogrzewanie.

ukryć