Även om det används för att bygga några av världens största strukturer, det visar sig att cement faktiskt har något gemensamt med en svamp.

Ett mycket poröst material, cement tenderar att absorbera vatten från nederbörd och även omgivande luftfuktighet. Och precis som formen på en svamp ändras beroende på vattenmättnad, det gör också cement, enligt nyligen utfört arbete vid MIT.

I en tidning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskare vid MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), Franska National Centre for Scientific Research (CNRS) och Aix-Marseille University diskuterar hur materialets porösa nätverk absorberar vatten och föreslår hur torkning permanent omarrangerar materialet och leder till potentiella strukturella skador.

Men för att förstå hur vatten kan förändra cementens porstruktur, man måste först titta på hur det bidrar till bildandet av just denna struktur.

Cementpasta börjar som ett torrt pulver som består av noggrant blandade ingredienser inklusive kalcium, järn, aluminium, och kisel. Härifrån, detta pulver blandas med en viss andel vatten för att bilda cementpasta. Det är här pornätverket börjar bildas.

När vattnet och pulvret blandas, de reagerar tillsammans och producerar föreningar som kallas kalciumsilikathydrat (CSH), även känd som cementhydrater.

"Cementhydrater är små, på nanoskala, " säger Tingtao Zhou, en Ph.D. student vid institutionen för fysik och uppsatsens huvudförfattare. "Dessa är byggstenarna i cement."

Under cementhydrering, cementhydratets nanokorn aggregeras med varandra, bildar ett nätverk som limmar ihop alla beståndsdelar. Även om detta ger cement dess styrka, utrymmena mellan cementhydraterna skapar ett omfattande pornät i cementpastan.

"Du har många porer av varierande storlek som är sammankopplade, " beskriver Zhou. "Det blir väldigt komplext. Och eftersom de är så små, du behöver inte ens regn för att fylla dem med vatten. Även omgivande luftfuktighet kan fylla dessa porer."

Detta utgör ett problem när man försöker studera torkning av ett pornätverk.

"Låt oss säga att du bara har två korn av kalciumsilikathydrat; du kan föreställa dig att det finns en viss vattenkondensering mellan dem, " förklarar Zhou. "I det här fallet, det är lätt att mäta vattnet i porutrymmet och trycket för denna kondens, som vi kallar kapillärtryck. Men när du har ett enormt antal korn blir vattenfördelningen riktigt komplicerad - geometrin blir en enda röra."

För att hantera vatten i cementens röriga pornät, Zhou och Katerina Ioannidou, en forskare vid CNRS och MIT Energy Initiative och en motsvarande författare till artikeln, brottades först med två frågor.

Den första var partiell mättnad. Eftersom pornätverket är så komplext, vattnet blir ojämnt fördelat, vilket gör det svårt att beräkna dess fördelning.

Den andra frågan handlar om flera skalor.

"Förr, forskare skulle studera rörelsen av vatten i porer i antingen atomens skala eller på kontinuumet, eller synlig, skala, " Zhou rapporterar. "Detta betyder att de förlorade mycket information på mesoskalan - som är mellan atomistisk och kontinuumskala."

Under det senaste decenniet, Ioannidou, tillsammans med forskarna Roland Pellenq, Franz-Josef Ulm, Sidney Jipp, och Emanuela Del Gado från Georgetown University har alla arbetat för att främja modelleringen av cement i flera skalor. Denna senaste uppsats bygger på deras arbete för att närma sig dessa frågor.

Använda beräkningsmodelleringstekniker, Zhou och Ioannidou beräknade hur vatten fördelar sig i en por och bestämde sedan kraften som vattnet utövade på porväggen. När det är klart, de grupperade porer tillsammans och simulerade effekten av torkning på mesoskalan.

Efter att ha undersökt simuleringarna, Zhou och Ioannidou fann att kornen hade "irreversibelt omarrangerats under mild torkning."

Även om dessa förändringar verkade små, de var inte nödvändigtvis obetydliga. "Vi hittade irreversibla strukturella förändringar på mesoskalan, " Zhou noterar. "Det sprider sig inte till en större skala ännu. Men vad händer när vi har många av dessa torkcykler under många år?"

Även om det är för tidigt att veta exakt hur denna typ av strukturförändring påverkar betongkonstruktioner, Zhou hoppas kunna utveckla en ny modell för att studera de långsiktiga konsekvenserna av torkning.

"I det här pappret, vi har behandlat olika rumsliga skalor. Men vi har ännu inte att göra med olika tidsskalor. Dessa förändringar sker under en period av nanosekunder och vi skulle vilja se deras inflytande över den typiska livslängden för betongkonstruktioner, " han förklarar.

Fortfarande, denna beräkningsmetod representerar ett nytt sätt att bättre förstå effekterna av torkning i cement. "I tidigare fysiska experiment, det är mycket svårt att observera skador i denna skala. Men beräkningar gör det möjligt för oss att simulera den här typen av skador, " förklarar Zhou. "Detta är datorns kraft."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.