Elke dag, betonconstructies barsten en eroderen voortijdig door Alkali Silica Reactivity (ASR), een chemische reactie die scheuren in het materiaal veroorzaakt als het hard wordt. Jon Belkowitz, een doctoraatsstudent aan het Stevens Institute of Technology, is van plan een einde te maken aan dit probleem door zijn studie van chemische reacties in beton op nanoschaal. Profiteren van Stevens nanostructuur karakteriseringstools en materialen, zijn onderzoek naar het optimale gebruik van nano-silica zal een nieuw betonmengsel opleveren dat zal resulteren in duurzamere gebouwen, wegen, voetpaden, trap, riolen, en dammen.

"Met de komst van nanotechnologie, de materiaaleigenschappen van beton, inclusief ASR-beperking, stelt ingenieurs en architecten in staat om beton te gebruiken in toepassingen die ooit onmogelijk waren, "zegt Johannes.

Beton optimaliseren

Op het meest basale niveau, beton is een mengsel van fijngepoederd cement, rots aggregaat, en water. Een reactie tussen het cement en water levert calciumsilicaathydraat, die beton zijn kracht geeft, evenals ASR-gel. De ASR-gel vormt zich op het grensvlak van het alkalische cement en het niet-kristallijne silica dat in het aggregaat wordt aangetroffen. Naarmate het beton hard wordt, de ASR-gel zet uit, waardoor restspanningen ontstaan ​​die het beton verzwakken en doen verslechteren. Naarmate de druk op het grensvlak toeneemt, het beton begint van binnenuit te barsten en af ​​te brokkelen, over een periode van dagen tot jaren.

"Met behulp van karakteriseringstools voor nanostructuren, we zijn nu in staat om de vele mysteries van beton te begrijpen, bijvoorbeeld, dat er drie soorten water zijn in gehydrateerd beton, en die drie verschillende soorten water hebben drie verschillende soorten moleculaire bewegingen, wat drie verschillende krachten betekent, " zegt John. Hoe meer je weet over beton, hij merkt op, hoe complexer het wordt. Hij hoopt dat zijn onderzoek nieuwe methoden zal blootleggen om de mechanische eigenschappen van beton te verbeteren.

Jons onderzoek heeft een drieledige benadering:"Ik gebruik deze nieuwe nanotechnologie om niet alleen de productie van ASR te stoppen, maar ik gebruik ook nano-silica om de gehydrateerde cementmatrix van beton te versterken om de expansieve aard van de ASR-gel te weerstaan, " legt Jon uit. "Ik probeer ook de eigenschappen van het overtollige water in het beton te veranderen, zodat het niet kan reageren met oplosbare alkaliën in silica om ASR-gel te veroorzaken."

Ondanks de alomtegenwoordigheid van het materiaal, de reacties in beton terwijl het opdroogt en sterker wordt, zijn moeilijk te beheersen. "Dit is een voortdurend probleem in de betonindustrie, Jon zegt. "In het verleden hadden we echt geen manier om de ontwikkeling van de kristallografische korrels van de betonmatrix te begrijpen. We zouden modellen kunnen opzetten, of gebruik andere mineralen om te vergelijken met Calcium Silica Hydrate. We creëren niet elke keer dezelfde structuur. Door het gebruik van karakteriseringstools voor nanostructuren, we hebben nu de mogelijkheid om een ​​beter begrip te krijgen van de gehydrateerde cementmatrix waaruit beton bestaat."

Jon's onderzoek wordt uitgevoerd in het Nanomechanics and Nanomaterials Laboratory onder leiding van Dr. Frank Fisher, Universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde en mededirecteur van het Nanotechnology Graduate Program. Hoewel Jon zijn onderzoek hoopt toe te passen in civieltechnische toepassingen, zijn werk is multidisciplinair, combinatie van vastestoffysica, machinebouw, polymeersynthese, en chemische technologie.

Jon's onderzoek wordt gefinancierd door de New Jersey Alliance for Engineering Education (NJAEE), via het National Science Foundation (NSF) Graduate Teaching Fellows in K-12 (GK-12) Program. Hij werkt op een plaatselijke middelbare school in Bayonne, New Jersey tien uur per week als onderdeel van het programma, en zegt dat hij het leuk vindt om zijn passie met studenten te delen. "Het is opwindend om hun geest te openen voor nieuwe mogelijkheden, ' zegt Jon. 'Ze eten het op.'

Een "betonnerd"

Jon komt naar Stevens met 15 jaar betonervaring:10 jaar bij de luchtmacht van de Verenigde Staten, waar overal ter wereld beton wordt gestort op civieltechnische projecten, en 5 jaar bij betonproductiegigant LaFarge, waar hij in een lab nieuwe betonsoorten ontwierp en deze vertaalde naar producten met praktijktoepassingen. Jon studeerde cum laude af aan de Colorado School of Mines met een Bachelor of Science-graad in Civiele Techniek en de University of Denver met een Master of Science-graad in Materials Science. Momenteel is hij eigenaar van Intelligent Concrete, LLC, die zich toelegt op concreet onderzoek, ontwikkeling, en onderwijs.

Deze brede ervaring stelt hem in staat om even goed te praten met wetenschappers, bedrijf, en leken. Het geeft hem ook een realistische benadering. "Een van de moeilijkste dingen om te doen in de betonindustrie - of in welke branche dan ook - is om laboratoriumgegevens te nemen en deze te vertalen naar de commerciële industrie, ' zegt Jon. 'In het lab heb je bijna perfecte omstandigheden. In de echte wereld, het is rommelig.” Zijn concrete kennis heeft al resultaat opgeleverd. In 2008 zijn Chronolia Road Patch Design ontving de "Innovation of the Year Award" van het American Concrete Institute - Rocky Mountain Chapter.

Jon heeft een leven voor zichzelf gemaakt van beton, maar zou het niet anders willen. "Ik ben een betonnerd in hart en nieren, "zegt hij. In feite, het is iets van een "familiebedrijf, " Jon grapt. Jon's vader werkt in de marketing voor een betonbedrijf, en zijn vrouw volgt haar bachelor in Engineering aan Stevens, op zoek naar een specialisatie in beton.

Als hij naar de toekomst kijkt, Jon is ervan overtuigd dat zijn werk bij Stevens, het bestuderen van de kleinste reacties in beton, in de toekomst grote beloningen zal opleveren.