Kend din cement, få grønnere beton

Et internationalt hold af forskere har skabt en ny database over molekylær dynamik modeller, der simulerer egenskaberne af cement i alle dens varianter. Det er beregnet til at hjælpe med at finjustere denne komponent af beton og begrænse emissioner i dens fremstillingsproces.

Cement bruges til at binde beton, det mest brugte byggemateriale i verden og en betydelig kilde til atmosfærisk kuldioxid. Dens fremstilling bidrager med så meget som 8 procent af drivhusgassen til atmosfæren.

Undersøg atomare interaktioner

En ny database, kaldet cemff, til cementkraftfelter. I dette tilfælde, kraftfeltet er ikke en usynlig barriere fra en science fiction-historie. Det er samlingen af ​​parametre, videnskabsmænd bruger til at bygge computermodeller af atomare interaktioner. Disse parametre inkluderer atomernes iboende energi i et simuleringssystem. De bruges til at beregne, hvordan atomer interagerer individuelt og kollektivt med deres naboer for at give materialet dets egenskaber.

Anvendelse af nøjagtige atomistiske kraftfeltmodeller gør det muligt at lave computersimulering af forskellige typer uorganiske mineraler til stede i cement. Meget vigtigt, det hjælper akademiske og industrielle forskere med at trække på mange typer kraftfelter for at lave pålidelige simuleringer og forudsigelser af specialbyggede cementformuleringer. Cemff kunne hjælpe industrien med at designe stærkere, mere holdbare byggematerialer, der også begrænser udledningen af ​​kuldioxid fra fremstilling af mere end 3 milliarder tons cement og beton om året.

Udvikling af miljøvenlig cement

"Udgivelsen af ​​denne fælles database repræsenterer en milepæl for feltet, der i høj grad vil øge virkningen for molekylær modellering i udviklingen af ​​nye og miljøvenlige cementer", siger Robert Flatt, professor i civil, Environmental and Geomatic Engineering ved ETH Zürich og en af ​​de videnskabelige rådgivere for cemff-databaseprojektet.

Femten videnskabsmænd ved 11 institutioner arbejdede på projektet ledet af Ratan Mishra fra ETH Zürich, Rouzbeh Shahsavari fra Rice University og Paul Bowen fra EPFL Lausanne. I deres forskning, simuleringen af ​​kraftfeltmodeller viser, hvordan komponentmolekylerne i cement interagerer med hinanden. Disse mikroskopiske interaktioner bestemmer, hvor godt beton klarer sig i virkelige applikationer og giver mulighed for at finjustere materialet til at yde sit bedste i årtier og på den mest miljøbevidste måde.

"Molekylær modellering kræver stadig flere afvejninger, " sagde Mishra, hovedforfatter af papiret og en materialeforsker i gruppen af ​​professor Flatt. "Det typiske eksempel er tid versus nøjagtighed, men endnu vigtigere, det er vigtigt at erkende, hvilke specifikke modeller der er gode til, og hvad de kan blive udfordret med." Cemff vil give forskere mulighed for at få et mere omfattende syn på dette spørgsmål og at vælge den bedste tilgang til det problem, de tackler.

Reducer CO2-fodaftrykket

Cement består primært af calciumsilikater, der reagerer med vand for at producere det hærdede materiale, der giver beton mekaniske egenskaber og holdbarhed. Næsten 60 procent af kuldioxidemissionerne fra cementproduktion kommer fra nedbrydning af kalksten, kilden til calcium i cement. For at reducere CO2-fodaftrykket, fabrikanter supplerer ofte blandingen med ler, affaldsmaterialer som flyveaske og genbrugsmaterialer.

Disse har alle indflydelse på produktets mekaniske egenskaber og modstandsdygtighed; derfor er der behov for simuleringer i nanoskala, der lader producenterne teste blandinger for styrke og holdbarhed, selv før de laver rigtig cement.

"Jeg håber, at cemff-databasens åbne format og internationale base vil tilskynde både modellerings- og eksperimentelle samfund til at skabe solide benchmarks for at hjælpe med at forstå og mere præcist forudsige egenskaberne af det mest brugte materiale på Jorden og hjælpe os med at bygge en mere bæredygtig fremtid , " siger Paul Bowen, professor ved Powder Technology Laboratory i EPFL, og initiativtager til projektet.