Hoewel het wordt gebruikt om enkele van 's werelds grootste structuren te bouwen, het blijkt dat cement eigenlijk iets gemeen heeft met een spons.

Een zeer poreus materiaal, cement heeft de neiging om water te absorberen van neerslag en zelfs luchtvochtigheid. En net zoals de vorm van een spons verandert afhankelijk van de waterverzadiging, dat geldt ook voor cement, volgens recent werk uitgevoerd aan het MIT.

In een paper gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , onderzoekers van de MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), Het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) en de Universiteit van Aix-Marseille bespreken hoe het poreuze netwerk van het materiaal water absorbeert en stellen voor hoe drogen het materiaal permanent herschikt en tot mogelijke structurele schade leidt.

Maar om te begrijpen hoe water de poriënstructuur van cement kan veranderen, men moet eerst kijken hoe het bijdraagt ​​aan de vorming van deze zelfde structuur.

Cementpasta begint als een droog poeder dat is samengesteld uit zorgvuldig gemengde ingrediënten, waaronder calcium, ijzer, aluminium, en silicium. Vanaf hier, dit poeder wordt gemengd met een bepaalde hoeveelheid water om cementpasta te vormen. Dit is waar het poriënnetwerk zich begint te vormen.

Zodra het water en het poeder gemengd zijn, ze reageren samen en produceren verbindingen die bekend staan ​​als calciumsilicaathydraat (CSH), ook wel cementhydraten genoemd.

"Cementhydraten zijn klein, op nanoschaal, " zegt Tingtao Zhou, een doctoraat student in de afdeling Natuurkunde en de hoofdauteur van het papier. "Dit zijn de bouwstenen van cement."

Tijdens cementhydratatie, de nanokorrels van het cementhydraat aggregeren met elkaar, een netwerk vormen dat alle bestanddelen aan elkaar lijmt. Hoewel dit cement zijn kracht geeft, de ruimtes tussen de cementhydraten creëren een uitgebreid poriënnetwerk in de cementpasta.

"Je hebt talloze poriën van variabele grootte die met elkaar verbonden zijn, " beschrijft Zhou. "Het wordt heel complex. En omdat ze zo klein zijn, je hebt zelfs geen regen nodig om ze met water te vullen. Zelfs luchtvochtigheid kan deze poriën vullen."

Dit vormt een probleem bij het bestuderen van het drogen van een poriënnetwerk.

"Laten we zeggen dat je maar twee korrels calciumsilicaathydraat hebt; je kunt je voorstellen dat er wat watercondensatie tussen zit, " legt Zhou uit. "In dit geval, het is gemakkelijk om het water in de porieruimte en de druk van deze condensatie te meten, die we capillaire druk noemen. Maar als je een enorm aantal korrels hebt, wordt de waterverdeling echt ingewikkeld - de geometrie wordt een puinhoop."

Om te gaan met water in het rommelige poriënnetwerk van cement, Zhou en Katerina Ioannidou, een onderzoekswetenschapper bij CNRS en het MIT Energy Initiative en een corresponderende auteur van het artikel, worstelde eerst met twee problemen.

De eerste was gedeeltelijke verzadiging. Omdat het poriënnetwerk zo complex is, water wordt ongelijk verdeeld, waardoor het moeilijk is om de verdeling te berekenen.

Het tweede probleem is dat van meerdere schalen.

"Vroeger, onderzoekers zouden de beweging van water in poriën bestuderen op de schaal van het atoom of op het continuüm, of zichtbaar, schaal, Zhou meldt. "Dit betekent dat ze veel informatie op de mesoschaal verloren hebben - die tussen de atomistische en continuümschaal ligt."

In het afgelopen decennium is Ioannidou, samen met onderzoekers Roland Pellenq, Franz Josef Ulm, Sydney Yip, en Emanuela Del Gado van de Universiteit van Georgetown hebben allemaal gewerkt om de modellering van cement op meerdere schalen te bevorderen. Deze recente paper putte uit hun werk om deze problemen aan te pakken.

Met behulp van computationele modelleringstechnieken, Zhou en Ioannidou berekenden hoe water zich in een porie verdeelt en bepaalden vervolgens de kracht die het water uitoefende op de poriewand. Eenmaal voltooid, ze groepeerden poriën bij elkaar en simuleerden het effect van drogen op de mesoschaal.

Na het bestuderen van de simulaties, Zhou en Ioannidou ontdekten dat de korrels "onomkeerbaar waren herschikt onder milde droging".

Hoewel deze veranderingen klein leken, ze waren niet noodzakelijk onbeduidend. "We vonden onomkeerbare structurele veranderingen op de mesoschaal, ' merkt Zhou op. 'Het verspreidt zich nog niet op grotere schaal. Maar wat gebeurt er als we veel van deze droogcycli over vele jaren hebben?"

Hoewel het nog te vroeg is om te weten hoe dit soort structurele verandering betonconstructies precies beïnvloedt, Zhou hoopt een nieuw model te ontwikkelen om de langetermijngevolgen van drogen te bestuderen.

"In deze krant, we hebben te maken gehad met verschillende ruimtelijke schalen. Maar we hebben nog te maken met verschillende tijdschalen. Deze veranderingen vinden plaats in een periode van nanoseconden en we zouden graag hun invloed willen zien op de typische levensduur van betonconstructies, " hij legt uit.

Nog altijd, deze computationele benadering vertegenwoordigt een nieuwe manier om de effecten van drogen in cement beter te begrijpen. "In eerdere fysieke experimenten, het is erg moeilijk om schade op deze schaal waar te nemen. Maar berekeningen stellen ons in staat om dit soort schade te simuleren, " legt Zhou uit. "Dit is de kracht van computers."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.