Eksperiment viser, hvordan vandfyldte kanaler, der krydser multikrystalis, fører til brud

Et kombineret hold af materialeforskere og ingeniører fra det schweiziske føderale institut for teknologi og Yale University har via laboratorieforsøg vist, hvordan vandfyldte kanaler, der krydser multikrystalis, kan føre til brud i materialer som cement og asfalt. I deres papir offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters , beskriver gruppen de eksperimenter, de har udført med gennemsigtige genstande, vand og silikone, for at vise, hvordan væskekanaler i is kan føre til brud i porøse materialer.

Vand udvider sig, i modsætning til andre væsker, når det fryser. Dette skyldes vandmolekylernes unikke form og de vinkler, der dannes mellem dem, når vandet fryser. En sådan udvidelse får ofte skylden for skader på materialer som veje og indkørsler, men som forskerne påpeger, skyldes sådanne skader iskrystalvækst, ikke udvidelsen af ​​vand. Så holdet undersøgte krystalvækst for at bestemme, hvordan det forårsager skade.

Da forskerne bemærkede, at i den virkelige verden forekommer de fleste sådanne skader i uigennemsigtige materialer, såsom beton og asfalt, hvilket gør det meget vanskeligt at studere processen, mens den sker, og forskerne tog en anden tilgang. De skabte et miljø, hvor alle materialer ville opføre sig på samme måde, men også var gennemsigtige.

Holdet startede med to glasglas adskilt af afstandsstykker. De lavede derefter en enkelt lille pore ved hjælp af en lyshærdende lim - kun millimeter lang og bred. Dernæst dækkede de indersiden af ​​bunden af ​​poren med et tyndt lag silikone, som de plettede med fluorescerende partikler, før de lod det hærde. Så fyldte de poren med vand.

Med deres apparat bygget afkølede de så kun den ene ende af den pore, de havde lavet, mens de opvarmede den anden ende. Og så så de handlingen ved hjælp af et mikroskop. De fandt ud af, at da vandet i den afkølede ende frøs, begyndte silikonen at deformeres, og da den gjorde det, voksede iskrystallen, der var dannet i poren, sig større rundt omkring, og da den gjorde det, udøvede den et pres på silikonelaget.

Et nærmere kig på silikonelaget viste, at der var en hinde af vand mellem isen og silikonen, der fungerede som kilden til nyt vand til fortsat ekspansion, hvilket førte til den type skader, der ses i materialer som cement og asfalt.

Flere oplysninger: Dominic Gerber et al., Polycrystallinity Enhances Stress Buildup around Ice, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.208201

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2023 Science X Network