Cementerer fremtiden

Cement er et mineralbaseret materiale, der binder sand og sten sammen til beton. Selvom brugen af ​​cement strækker sig tilbage i antikken, forskere er stadig uklare om den nøjagtige proces, hvorved den forvandles fra en frisk pasta til et fast stof. Bedre forståelse af denne overgang kan føre til udvikling i styrkelse af beton samt sænke dens samlede omkostninger.

For at belyse denne proces, forskere ved Oklahoma State University, Princeton University, og U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory brugte komplementære billeddannelsesmetoder til løbende at overvåge ændringer i cement. Undersøgelsen blev udført på Portland cement, verdens mest populære type, fremstillet ved at blande kalksten med mineraler indeholdende aluminium, jern, svovl og andre grundstoffer.

Forskerne udførte billeddannelsen ved hjælp af den hårde røntgen nanoprobe, en beamline, der drives i fællesskab af Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM) og Advanced Photon Source (APS). Både CNM og APS er DOE Office of Science User Facilities.

Den hårde røntgen-nanoprobe er i stand til at løse både struktur og kemiske sammensætning af materialer i en utrolig lille skala. Eksperimenterne muliggjorde 3D-billeddannelse af partikler i flere længdeskalaer, fra mikron-størrelse til nano-størrelse partikler.

"Du har brug for mere end blot din synssans, " sagde Argonne-fysiker Volker Rose, en medforfatter til undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Bygge- og byggematerialer . "Du skal se strukturen af ​​materialerne og kende deres sammensætning."

Tilsætning af vand til cement initierer en kaskade af komplekse kemiske reaktioner, der tilsammen kaldes "hydrering". Under hydrering, cementen begynder som en gylle og hærder i stigende grad over tid, efterhånden som der dannes forskellige typer mineralforbindelser. Registrering af ændringerne i et stort antal partikler i løbet af de første par timers hydrering gjorde det muligt for forskerne at drage vigtige konklusioner om de mekanismer, der driver cementhydrering.

Forskerne trak også en række brede konklusioner ud fra de akkumulerede 3-D-billeder og målinger af partikelsammensætning. For eksempel, mens både mikronskala og nanoskala partikler udviser ujævn vækst og opløsning på deres overflader, større partikler havde en tendens til at akkumulere mineraler indeholdende tungere grundstoffer, mens overfladerne af mindre partikler for det meste udviste mineralopløsning.

Traditionelle undersøgelser har oftest målt cementens fysiske og kemiske egenskaber i stor skala, når det hærder. For eksempel, temperaturmålinger viser, at hydrering i begyndelsen producerer betydelig varme i flere minutter (kendt som induktionsperioden), før den falder til et minimum efter en time eller deromkring, og derefter hurtigt stigende igen (kendt som accelerationsperioden). Ligeledes, ved at undersøge cementprøver ekstraheret på forskellige stadier af hydrering, kemikere har identificeret dannelsen af ​​mange forskellige typer mineraler under processen.

Forskere har også undersøgt cement i mikroskopisk skala ved hjælp af teknikker som elektron- og røntgenmikroskopi. At gøre dette, videnskabsmænd stopper hydreringsprocessen med alkohol eller acetone for at fjerne vand før billeddannelse.

Desværre, at studere cementens egenskaber i større skala under hydrering kan ikke give detaljer om de mikroskopiske mekanismer, der driver processen. Konventionelle mikroskopimetoder har også vist sig at være utilstrækkelige. For en, påføring af et tørremiddel for at standse hydrering kan ændre cementens mikroskopiske struktur og kemi. I øvrigt, mange røntgenteknikker kan ikke helt trænge igennem mineralprøven, og partikelbevægelse under hydrering har stort set frustreret 3-D billeddannelsesforsøg på grund af de nødvendige timer lange eksponeringstider. Utilstrækkeligheden af ​​tidligere undersøgelser har efterladt mange grundlæggende spørgsmål ubesvarede, især om induktions- og accelerationsperioderne for hydrering.

De avancerede billeddannelsesteknikker (hurtig computertomografi og nanocomputertomografi), der blev brugt i denne undersøgelse, tillod observation af hydreringsprocessen fra mikron- til nanoskala. Disse billeddannelsesteknikker var afhængige af den stærkt gennemtrængende kraft af CNM/APS hårde røntgen nanoprobe, som kun tog sekunder at få et 3-D datasæt, og var muligt på grund af fremskridt inden for røntgendetektor og den høje fotonflux, som APS'en giver. Et nyt 3-D-billede blev produceret hvert 10. minut over cirka 15 timers prøvehydrering. I alt, omkring 60, 000 billeder blev erhvervet.

Forskere håber, at konklusionerne fra denne undersøgelse og lignende billeddannelsesteknikker vil forbedre kontrollen over cementens induktions- og accelerationsfaser. Med større kontrol over faserne af hydrering, man kan skabe mere holdbare, mere omkostningseffektiv og opgavespecifik beton.

"Det er gennem synergien mellem forskerne ved APS og CNM, deling af deres ekspertise, at vi er i stand til at få indsigt i materialeforskning i nanoskala, " forklarede Rose.