Undersøger virkningerne af fugt og tørring på cement

Selvom det bruges til at konstruere nogle af verdens største strukturer, det viser sig, at cement faktisk har noget tilfælles med en svamp.

Et meget porøst materiale, cement har en tendens til at absorbere vand fra nedbør og endda luftfugtighed. Og ligesom formen på en svamp ændres afhængigt af vandmætning, det gør cement også, ifølge det seneste arbejde udført på MIT.

I et papir offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , forskere ved MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), French National Center for Scientific Research (CNRS) og Aix-Marseille University diskuterer, hvordan materialets porøse netværk absorberer vand og foreslår, hvordan tørring permanent omarrangerer materialet og fører til potentielle strukturelle skader.

Men for at forstå, hvordan vand kan ændre cementens porestruktur, man må først se på, hvordan det bidrager til dannelsen af ​​den samme struktur.

Cementpasta begynder som et tørt pulver sammensat af omhyggeligt blandede ingredienser, herunder calcium, jern, aluminium, og silicium. Herfra, dette pulver blandes med en vis andel vand til dannelse af cementpasta. Det er her, porennetværket begynder at danne sig.

Når vandet og pulveret er blandet, de reagerer sammen og producerer forbindelser kendt som calciumsilicathydrat (CSH), også kendt som cementhydrat.

"Cementhydrater er små, på nanoskalaen, "siger Tingtao Zhou, en ph.d. studerende på Institut for Fysik og hovedforfatter af papiret. "Det er byggestenene i cement."

Under cementhydrering, cementhydratets nanograiner aggregerer med hinanden, danner et netværk, der limer alle bestanddele sammen. Selvom dette giver cementen sin styrke, mellemrummene mellem cementhydraterne skaber et omfattende porenetværk i cementpastaen.

"Du har mange porer af varierende størrelser, der er forbundet med hinanden, "beskriver Zhou." Det bliver meget komplekst. Og da de er så små, du behøver ikke engang regn for at fylde dem med vand. Selv luftfugtighed kan fylde disse porer. "

Dette udgør et problem, når man forsøger at undersøge tørringen af ​​et porennetværk.

"Lad os sige, at du kun har to kerner af calciumsilicathydrat; du kan forestille dig, at der er vandkondens mellem dem, "forklarer Zhou." I dette tilfælde, det er let at måle vandet i porerummet og trykket ved denne kondens, som vi kalder kapillærtryk. Men når du har et massivt antal korn, bliver vandfordelingen virkelig kompliceret - geometrien bliver et rod. "

For at håndtere vand i cementens rodede porennetværk, Zhou og Katerina Ioannidou, en forsker med CNRS og MIT Energy Initiative og en tilsvarende forfatter til papiret, først kæmpede med to spørgsmål.

Den første var delvis mætning. Da porennetværket er så komplekst, vand bliver ujævnt fordelt, hvilket gør det svært at beregne dens fordeling.

Det andet spørgsmål er flere skalaer.

"I fortiden, forskere ville undersøge vandets bevægelse i porer på enten atomets skala eller på kontinuum, eller synlig, vægt, "Zhou rapporterer." Det betyder, at de mistede en masse oplysninger om mesoskalaen - som er mellem atomistiske og kontinuumskalaer. "

I løbet af det sidste årti, Ioannidou, sammen med forskerne Roland Pellenq, Franz-Josef Ulm, Sidney Yip, og Emanuela Del Gado fra Georgetown University har alle arbejdet på at fremme modelleringen af ​​cement i flere skalaer. Dette nylige papir trak på deres arbejde med at nærme sig disse spørgsmål.

Ved hjælp af beregningsmodelleringsteknikker, Zhou og Ioannidou beregnede, hvordan vand fordeler sig i en pore, og bestemte derefter den kraft, som vandet udøvede på porevæggen. Når den er færdig, de grupperede porer sammen og simulerede virkningen af ​​tørring på mesoskalaen.

Efter at have undersøgt simuleringerne, Zhou og Ioannidou fandt ud af, at kornene var "irreversibelt omarrangeret under mild tørring."

Selvom disse ændringer syntes små, de var ikke nødvendigvis ubetydelige. "Vi fandt irreversible strukturelle ændringer på mesoskalaen, "Zhou bemærker." Det formerer sig ikke i større skala endnu. Men hvad sker der, når vi har mange af disse tørringscyklusser over mange år? "

Selvom det er for tidligt at vide, hvordan præcis denne form for strukturændring påvirker konkrete strukturer, Zhou håber at udvikle en ny model til undersøgelse af de langsigtede konsekvenser af tørring.

"I denne avis, vi har beskæftiget os med forskellige rumlige skalaer. Men vi mangler endnu at håndtere forskellige tidsskalaer. Disse ændringer sker i en periode med nanosekunder, og vi vil gerne se deres indflydelse på betonkonstruktioners typiske levetid, "forklarer han.

Stadig, denne beregningsmæssige tilgang repræsenterer en ny måde til bedre at forstå virkningerne af tørring i cement. "I tidligere fysiske eksperimenter, det er meget svært at observere skader på denne skala. Men beregning giver os mulighed for at simulere denne form for skade, "forklarer Zhou." Dette er computerkraften. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.