Visualisering af cementhydrering på et molekylært niveau

Betonverdenen, der omgiver os, skylder sin form og holdbarhed til kemiske reaktioner, der starter, når almindelig Portland -cement blandes med vand. Nu, MIT-forskere har demonstreret en måde at se disse reaktioner under virkelige forhold, et fremskridt, der kan hjælpe forskere med at finde måder at gøre beton mere bæredygtig på.

Undersøgelsen er et "Brothers Lumière -øjeblik for konkret videnskab, "siger medforfatter Franz-Josef Ulm, professor i civil- og miljøteknik og fakultetsdirektør for MIT Concrete Sustainability Hub, med henvisning til de to brødre, der indledte en æra med projekterede film. Ligeledes, Ulm siger, MIT-teamet har givet et glimt af tidlig hydrering af cement, der ligner biograf i Technicolor sammenlignet med de sort-hvide fotos af tidligere forskning.

Cement i beton bidrager med omkring 8 procent af verdens samlede kuldioxidemissioner, modsvarer de emissioner, der produceres i de fleste individuelle lande. Med en bedre forståelse af cementkemi, videnskabsfolk kan potentielt "ændre produktion eller ændre ingredienser, så beton har mindre indflydelse på emissioner, eller tilføj ingredienser, der er i stand til aktivt at absorbere kuldioxid, "siger Admir Masic, lektor i civil- og miljøteknik.

Næste generations teknologier som 3D-udskrivning af beton kan også drage fordel af undersøgelsens nye billedteknik, som viser, hvordan cement hydrerer og hærder på plads, siger Masic Lab-kandidatstuderende Hyun-Chae Chad Loh, der også arbejder som materialeforsker med virksomheden Black Buffalo 3D Corporation. Loh er den første forfatter til undersøgelsen offentliggjort i ACS's Langmuir , slutter sig til Ulm, Masic, og postdoc Hee-Jeong Rachel Kim.

Cement fra starten

Loh og kolleger brugte en teknik kaldet Raman mikrospektroskopi for at få et nærmere kig på de specifikke og dynamiske kemiske reaktioner, der finder sted, når vand og cement blandes. Raman-spektroskopi skaber billeder ved at skinne et højintensivt laserlys på materiale og måle lysets intensiteter og bølgelængder, når det spredes af molekylerne, der udgør materialet.

Forskellige molekyler og molekylære bindinger har deres egne unikke spredende "fingeraftryk, "så teknikken kan bruges til at skabe kemiske billeder af molekylære strukturer og dynamiske kemiske reaktioner inde i et materiale. Raman -spektroskopi bruges ofte til at karakterisere biologiske og arkæologiske materialer, som Masic har gjort i tidligere undersøgelser af nacre og andre biomineraliserede materialer og gamle romerske betoner.

Ved hjælp af Raman mikrospektroskopi, MIT -forskerne observerede en prøve af almindelig Portland -cement placeret under vandet uden at forstyrre den eller kunstigt standse hydreringsprocessen, efterligner de virkelige betingelser for konkret brug. Generelt, et af hydratiseringsprodukterne, kaldet portlandit, starter som en uordnet fase, perkolerer gennem materialet, og krystalliserer derefter, konkluderede forskergruppen.

Før dette, "forskere kunne kun undersøge cementhydrering med gennemsnitlige bulkegenskaber eller med et øjebliksbillede af et tidspunkt, "siger Loh, "men dette tillod os at observere alle ændringerne næsten kontinuerligt og forbedrede opløsningen af ​​vores billede i rum og tid."

For eksempel, calcium-silikat-hydrat, eller C-S-H, er den vigtigste bindende ingrediens i cement, der holder beton sammen, "men det er meget svært at opdage på grund af dets amorfe natur, "Loh forklarer." Når man ser dens struktur, fordeling, og hvordan det udviklede sig under hærdningsprocessen var noget, der var fantastisk at se. "

Bygger bedre

Ulm siger, at arbejdet vil vejlede forskere, når de eksperimenterer med nye tilsætningsstoffer og andre metoder til at reducere betons drivhusgasemissioner:"I stedet for at 'fiske i mørket, 'vi er nu i stand til gennem denne nye tilgang at rationalisere, hvordan reaktioner opstår eller ikke forekommer, og gribe kemisk ind. "

Teamet vil bruge Raman -spektroskopi, mens de bruger sommeren på at teste, hvor godt forskellige cementholdige materialer fanger kuldioxid, Siger Masic. "At spore dette indtil nu har været næsten umuligt, men nu har vi mulighed for at følge kulsyre i cementholdige materialer, der hjælper os med at forstå, hvor kuldioxiden går, hvilke faser der dannes, og hvordan man ændrer dem for potentielt at bruge beton som en kulstofvaske. "

Billeddannelsen er også kritisk for Lohs arbejde med 3D -betontryk, som afhænger af ekstrudering af betonlag i en præcist målt og koordineret proces, under hvilken væskeopslæmningen bliver til massiv beton.

"At vide, hvornår betonen skal stille sig, er det mest kritiske spørgsmål, som alle forsøger at forstå" i branchen, han siger. "Vi gør en masse forsøg og fejl for at optimere et design. Men at overvåge den underliggende kemi i rum og tid er kritisk, og denne videnskabeligt understøttede innovation vil påvirke konstruktionsindustriens betontrykfunktioner. "

Dette arbejde blev delvist støttet af stipendieprogrammet fra Kwanjeong Educational Foundation.