Forsker bruger nanosilica til at styrke beton (m/ video)

Hver dag, betonkonstruktioner revner og eroderer for tidligt på grund af Alkali Silica Reactivity (ASR), en kemisk reaktion, der forårsager sprækker i materialet, når det sætter sig. Jon Belkowitz, en ph.d.-studerende ved Stevens Institute of Technology, planlægger at sætte en stopper for dette problem gennem sin undersøgelse af kemiske reaktioner inden for beton på nanoskala. Ved at drage fordel af Stevens nanostrukturkarakteriseringsværktøjer og materialer, hans forskning i optimal brug af nano-silica vil skabe en ny betonblanding, der vil resultere i længerevarende bygninger, veje, fortove, trappe, kloakker, og dæmninger.

"Med fremkomsten af ​​nanoteknologi, betonens materialeegenskaber, herunder ASR-reduktion, giver ingeniører og arkitekter mulighed for at bruge beton i applikationer, der engang var umulige, " siger John.

Optimering af beton

På det mest grundlæggende niveau, beton er en blanding af fint pulveriseret cement, sten tilslag, og vand. En reaktion mellem cementen og vandet giver calciumsilikathydrat, som giver beton sin styrke, samt ASR gel. ASR-gelen dannes ved grænsefladen mellem den alkaliske cement og den ikke-krystallinske silica, der findes i aggregatet. Når betonen hærder, ASR-gelen udvider sig, forårsager restspændinger, der svækker betonen og får den til at forringes. Efterhånden som trykket øges ved grænsefladen, betonen begynder at revne og smuldre indefra, over en periode, der strækker sig fra dage til år.

"Ved brug af nanostrukturkarakteriseringsværktøjer, vi er nu i stand til at forstå betonens mange mysterier, for eksempel, at der er tre typer vand i hydreret beton, og de tre forskellige typer vand har tre forskellige typer af molekylære bevægelser, hvilket betyder tre forskellige kræfter, " siger John. Jo mere du ved om beton, han bemærker, jo mere kompleks bliver det. Han håber, at hans forskning vil afdække nye metoder til at øge betonens mekaniske egenskaber.

Jons forskning tager en tre-trins tilgang:"Jeg bruger denne nye nanoteknologi til ikke kun at stoppe ASR i at blive produceret, men jeg bruger også nanosilica til at styrke den hydrerede cementmatrix af beton for at modstå den ekspansive natur af ASR-gelen, " Jon forklarer. "Jeg forsøger også at ændre egenskaberne af det overskydende vand i betonen, så det ikke kan reagere med opløselige alkalier i silica for at forårsage ASR-gel."

På trods af materialets allestedsnærværende, reaktionerne i beton, når den tørrer og styrker, er svære at kontrollere. "Dette er et vedvarende problem i betonindustrien, " siger Jon. "Tidligere havde vi virkelig ingen måde at forstå udviklingen af ​​de krystallgrafiske korn i betonmatrixen. Vi kunne sætte modeller op, eller brug andre mineraler til at sammenligne med Calcium Silica Hydrate. Vi skaber ikke den samme struktur hver eneste gang. Gennem brug af nanostrukturkarakteriseringsværktøjer, vi har nu evnen til at få en bedre forståelse af den hydrerede cementmatrix, der udgør beton."

Jons forskning udføres i Nanomechanics and Nanomaterials Laboratory under vejledning af Dr. Frank Fisher, Lektor i maskinteknik og meddirektør for Nanotechnology Graduate Program. Selvom Jon håber at kunne anvende sin forskning i civilingeniørapplikationer, hans arbejde er tværfagligt, kombinerer faststoffysik, Maskiningeniør, polymer syntese, og kemiteknik.

Jons forskning er finansieret af New Jersey Alliance for Engineering Education (NJAEE), gennem National Science Foundation (NSF) Graduate Teaching Fellows i K-12 (GK-12) Program. Han arbejder på en lokal high school i Bayonne, New Jersey ti timer om ugen som en del af programmet, og siger, at han nyder muligheden for at dele sin passion med eleverne. "Det er spændende at åbne deres sind for nye muligheder, " siger Jon. "De spiser det op."

En "Betonnørd"

Jon kommer til Stevens med 15 års konkret erfaring:10 år i det amerikanske luftvåben med at placere beton på civilingeniørprojekter rundt om i verden, og 5 år hos betonproduktionsgiganten LaFarge, hvor han designede nye betontyper i et laboratorium og omsatte disse til produkter med virkelige applikationer. Jon dimitterede med udmærkelse fra Colorado School of Mines med en Bachelor of Science-grad i Civil Engineering og University of Denver med en Master of Science-grad i Materials Science. I øjeblikket ejer han Intelligent Concrete, LLC, som er dedikeret til konkret forskning, udvikling, og uddannelse.

Denne omfattende erfaring giver ham mulighed for at tale lige så godt med videnskabsmænd, forretning, og lægfolk. Det giver ham også en realistisk tilgang. "En af de sværeste ting at gøre i betonindustrien - eller i enhver industri - er at tage laboratoriedata og oversætte dem til kommerciel industri, " siger Jon. "I laboratoriet har du næsten perfekte forhold. I den virkelige verden, det er rodet." Hans konkrete viden har allerede givet resultater. I 2008 hans Chronolia Road Patch Design modtog prisen "Innovation of the Year" fra American Concrete Institute - Rocky Mountain Chapter.

Jon har lavet et liv for sig selv af beton, men ville ikke have det på anden måde. "Jeg er en konkret nørd i hjertet, " siger han. Faktisk, det er noget af en "familievirksomhed, Jon spøger. Jons far arbejder med marketing for en betonvirksomhed, og hans kone forfølger sin bachelorgrad i ingeniør ved Stevens, ønsker at specialisere sig i beton.

Mens han ser på fremtiden, Jon er overbevist om, at hans arbejde hos Stevens med at studere de mindste reaktioner inden for beton vil give store belønninger i fremtiden.