211service.com
Wzmacnianie betonu
Dla profesjonalistów, których zadaniem jest ocena infrastruktury, jasne jest, że rozległy system dróg i mostów w kraju wymaga pilnej naprawy. W 2007 roku urzędnicy Federalna Administracja Drogowa oceniło 25 procent amerykańskich mostów pod względem konstrukcyjnym lub przestarzałych funkcjonalnie. I tylko w tym roku Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Budownictwa wydał swoją roczną kartę raportu o infrastrukturze, przyznając ogólny stan mostów na poziomie C, a dróg na poziomie D-.
Beton cementowy: Nowa technika sprawia, że beton jest mniej podatny na czynniki korozyjne, takie jak sól drogowa. W górnej części tego zdjęcia rentgenowskiego, ledwo widoczny niebiesko-zielony obszar pokazuje, że bardzo niewiele jonów chlorkowych (na zielono) przeniknęło do obrobionego betonu (na niebiesko). Czerwone drobinki oznaczają ziarna piasku zmieszane z cementem.
Większość tych konstrukcji jest betonowa, wiele wzniesiono w latach 40. i 50. XX wieku. Dziś te mosty i jezdnie popadają w ruinę, częściowo z powodu wieku, a częściowo z powodu zimowego odladzania. Sól drogowa topi lód z powierzchni, ale może również przedostać się do wielu mikroporów w betonie, rozmrażając zawarte w nich cząsteczki wody. To gwałtowne rozmrażanie może powodować rozszerzanie się i pękanie betonu od wewnątrz, co skraca jego żywotność o lata.
Teraz inżynierowie w Narodowym Instytucie Norm i Technologii ( NIST ) opracowali i opatentowali nową technikę, zwaną VERDiCT (wzmacniacze lepkości redukujące dyfuzję w technologii betonu), która może potencjalnie podwoić żywotność kawałka betonu. Mieszając nanocząsteczkowy dodatek z cementem, opracowali metodę, która spowalnia infiltrację soli drogowej. Uznali, że im dłużej trwa penetracja czynników niszczących, tym dłużej beton będzie trwał bez pęknięć.
W konwencjonalnej produkcji betonu suchy cement – zwykle składający się z wapienia, gliny i innych minerałów – jest mieszany z wodą w celu uzyskania pasty i łączony z kruszywami, takimi jak skały lub piasek. Po wyschnięciu pasta skleja kruszywo w płytę betonową. Ostatnio podjęto próby stworzenia mocniejszego betonu o wysokich parametrach użytkowych, głównie poprzez zwiększenie gęstości materiału. W tym celu naukowcy dodają różne wzmacniające środki chemiczne lub mielą suche materiały używane do produkcji cementu, aby były jeszcze drobniejsze niż te znajdujące się w konwencjonalnych mieszankach. Po połączeniu z wodą pasta i powstała w ten sposób płyta są znacznie gęstsze i mocniejsze niż tradycyjny beton.
Jednak naukowcy odkryli poważną wadę takich wysokowydajnych alternatyw. W budownictwie przyspieszonym wszyscy wybierają beton o wczesnej wytrzymałości, ponieważ chcą przywrócić ruch uliczny, mówi Dale Bentz , inżynier chemik w NIST i główny badacz projektu. Aby uzyskać tę wytrzymałość, możesz zmielić beton drobniej, aby był bardziej reaktywny, ale to również generuje więcej ciepła, a gdy ostygnie i kurczy się, może spowodować pękanie. Dzięki temu otrzymujesz beton o wysokiej wydajności między pęknięciami, co nie jest tym, czego chcesz.
Bentz i jego koledzy przyjęli podejście nanoskali do ulepszania betonu. Odkryli, że w betonie znajdują się miliony maleńkich mikroporów wypełnionych cząsteczkami wody. Wiadomo, że jony chlorkowe i siarczanowe z soli drogowej przenikają do betonu poprzez dyfuzję do tego roztworu wodnego, więc postawili hipotezę, że zwiększenie lepkości roztworu w tych mikroporach może spowolnić penetrację soli drogowej i innych czynników degradujących oraz wydłużyć żywotność betonu.
Jeśli te jony unoszą się wokół, jeśli poruszają się w miodzie zamiast w wodzie, zostaną znacznie spowolnione, mówi Bentz. Sztuką jest znalezienie odpowiedniej substancji chemicznej, która zmieni lepkość roztworu.
Naukowcy wzięli przykład z przemysłu spożywczego, który wykorzystuje dodatki jako zagęszczacze we wszystkim, od sosów do sałatek po napoje gazowane. Bentz szukał podobnych dodatków, które zarówno zwiększają lepkość roztworu wodnego znajdującego się w betonie, jak i spowalniają dyfuzję jonów; próbował nawet używać zagęszczaczy do żywności, w tym gumy ksantowej, która jest używana w sosach i lodach.
Po przeprowadzeniu badań przesiewowych wielu dodatków w roztworze wodnym w celu modelowania zachowania jonów w betonie, zespół odkrył, że te o mniejszym rozmiarze cząsteczkowym skuteczniej spowalniały tempo dyfuzji jonów. Dodatki, które występują w małych łańcuchach molekularnych, z rozgałęzieniami wodoru i tlenu, były szczególnie dobre w zwiększaniu lepkości roztworu. Bentz twierdzi, że może to wynikać z faktu, że takie gałęzie wodoru i tlenu mogą wchodzić w interakcje z cząsteczkami wody, tworząc barierę przed infiltrującymi jonami, utrudniając im penetrację.
Zespół przetestował również różne dodatki w małych cylindrach zapraw cementowych – zasadniczo beton bez kruszyw. Bentz zmieszał dodatki z cementem, pozostawił zaprawy do wyschnięcia i każdą zaprawę umieszczał w roztworze chlorku na okres do jednego roku. Po usunięciu zapraw z roztworu, on i jego zespół rozbijali każdą zaprawę i analizowali, jak daleko są w stanie przeniknąć jony chlorkowe. W porównaniu z zaprawami bez dodatków, te z dodatkami wykazywały znaczne ograniczenie dyfuzji chlorków.
Jednak technika ta może nie być całkiem gotowa do zastosowania na skalę przemysłową, głównie ze względu na potencjalne koszty. Bentz mówi, że aby uzyskać takie wyniki, musiał zrobić dodatek aż 10 procent roztworu cementu. Branża jest zadowolona z jednym procentem, więc istnieje czynnik kosztowy, ponieważ będzie kosztować o 10 procent więcej, mówi Bentz. Zademonstrowaliśmy dowód koncepcji, a teraz chcielibyśmy znaleźć dodatek, który działa w stężeniu od 3 do 5 procent.
Jason Weiss , profesor inżynierii lądowej na Purdue University, pracuje nad ulepszaniem mieszanek betonowych i zwiększaniem długoterminowej wydajności materiału. Mówi, że taka technika może pewnego dnia sprawić, że mosty i drogi będą mniej podatne na korozję. To ma ogromny potencjał, mówi Weiss. Oznaczałoby to, że most, który mógłby wytrzymać 30 lat, przetrwałby teraz od 40 do 45 lat przy takim samym ataku chemicznym.