De betonnen wereld om ons heen dankt zijn vorm en duurzaamheid aan chemische reacties die beginnen wanneer gewoon Portlandcement wordt gemengd met water. Nutsvoorzieningen, MIT-wetenschappers hebben een manier aangetoond om deze reacties onder reële omstandigheden te bekijken, een vooruitgang die onderzoekers kan helpen manieren te vinden om beton duurzamer te maken.

De studie is een "Brothers Lumière-moment voor concrete wetenschap, " zegt co-auteur Franz-Josef Ulm, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek en faculteitsdirecteur van de MIT Concrete Sustainability Hub, verwijzend naar de twee broers die het tijdperk van geprojecteerde films inluiden. Hetzelfde, Ulm zegt, het MIT-team heeft een glimp gegeven van cementhydratatie in een vroeg stadium die lijkt op een bioscoop in Technicolor in vergelijking met de zwart-witfoto's van eerder onderzoek.

Cement in beton draagt ​​ongeveer 8 procent bij aan de totale CO2-uitstoot in de wereld, concurreren met de emissies die door de meeste afzonderlijke landen worden geproduceerd. Met een beter begrip van cementchemie, wetenschappers zouden mogelijk "de productie kunnen veranderen of ingrediënten kunnen veranderen zodat beton minder invloed heeft op de emissies, of voeg ingrediënten toe die actief kooldioxide kunnen opnemen, " zegt Admir Masic, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek.

Technologieën van de volgende generatie, zoals 3D-printen van beton, kunnen ook profiteren van de nieuwe beeldvormingstechniek van het onderzoek. die laat zien hoe cement op zijn plaats hydrateert en uithardt, zegt Masic Lab afgestudeerde student Hyun-Chae Chad Loh, die ook als materiaalwetenschapper werkt bij het bedrijf Black Buffalo 3D Corporation. Loh is de eerste auteur van de studie gepubliceerd in ACS's Langmuir , lid worden van Ulm, Mastiek, en postdoc Hee-Jeong Rachel Kim.

Cement vanaf het begin

Loh en collega's gebruikten een techniek genaamd Raman-microspectroscopie om de specifieke en dynamische chemische reacties die plaatsvinden wanneer water en cement zich vermengen, nader te bekijken. Raman-spectroscopie creëert beelden door een laserlicht van hoge intensiteit op materiaal te schijnen en de intensiteiten en golflengten van het licht te meten zoals het wordt verstrooid door de moleculen waaruit het materiaal bestaat.

Verschillende moleculen en moleculaire bindingen hebben hun eigen unieke verstrooiende "vingerafdrukken, " zodat de techniek kan worden gebruikt om chemische afbeeldingen te maken van moleculaire structuren en dynamische chemische reacties in een materiaal. Raman-spectroscopie wordt vaak gebruikt om biologische en archeologische materialen te karakteriseren, zoals Masic heeft gedaan in eerdere studies van parelmoer en andere biogemineraliseerde materialen en oud Romeins beton.

Met behulp van Raman-microspectroscopie, de MIT-wetenschappers observeerden een monster van gewoon Portland-cement dat onder water was geplaatst zonder het te verstoren of het hydratatieproces kunstmatig te stoppen, het nabootsen van de reële omstandigheden van betongebruik. In het algemeen, een van de hydratatieproducten, portlandiet genoemd, begint als een wanordelijke fase, sijpelt door het materiaal, en dan kristalliseert, concludeerde het onderzoeksteam.

Voor dit, "Wetenschappers konden cementhydratatie alleen bestuderen met gemiddelde bulkeigenschappen of met een momentopname van één tijdstip, " zegt Loh, "maar hierdoor konden we alle veranderingen bijna continu observeren en verbeterde de resolutie van ons beeld in ruimte en tijd."

Bijvoorbeeld, calcium-silicaat-hydraat, of CSH, is het belangrijkste bindende ingrediënt in cement dat beton bij elkaar houdt, "maar het is erg moeilijk te detecteren vanwege zijn amorfe aard, " legt Loh uit. "Als je de structuur ziet, verdeling, en hoe het zich ontwikkelde tijdens het uithardingsproces was geweldig om te zien."

Beter bouwen

Ulm zegt dat het werk onderzoekers zal begeleiden bij het experimenteren met nieuwe additieven en andere methoden om de uitstoot van broeikasgassen van beton te verminderen:"In plaats van 'vissen in het donker, ' we zijn nu in staat om door deze nieuwe benadering te rationaliseren hoe reacties wel of niet optreden, en chemisch ingrijpen."

Het team zal Raman-spectroscopie gebruiken terwijl ze de zomer doorbrengen met testen hoe goed verschillende cementachtige materialen koolstofdioxide opvangen, zegt Masic. "Tot nu toe was het bijna onmogelijk om dit te volgen, maar nu hebben we de mogelijkheid om carbonatatie in cementachtige materialen te volgen, wat ons helpt te begrijpen waar de koolstofdioxide naartoe gaat, welke fasen worden gevormd, en hoe ze te veranderen om mogelijk beton als koolstofput te gebruiken."

De beeldvorming is ook van cruciaal belang voor Loh's werk met 3D-betonprinten, die afhankelijk is van het extruderen van betonlagen in een nauwkeurig afgemeten en gecoördineerd proces, waarbij de vloeibare slurry verandert in vast beton.

"Weten wanneer het beton gaat harden is de meest kritische vraag die iedereen probeert te begrijpen" in de industrie, hij zegt. "We doen veel vallen en opstaan ​​om een ​​ontwerp te optimaliseren. Maar het bewaken van de onderliggende chemie in ruimte en tijd is van cruciaal belang, en deze door wetenschap mogelijk gemaakte innovatie zal van invloed zijn op de concrete printmogelijkheden van de bouwsector."

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het beurzenprogramma van de Kwanjeong Educational Foundation.