Ett sällsynt mineral som har gjort det möjligt för romerska betongbarriärer att överleva i mer än 2, 000 år har hittats i de tjocka betongväggarna i ett nedlagt kärnkraftverk i Japan. Bildandet av aluminiumhaltig tobermorit ökade styrkan på väggarna mer än tre gånger deras designstyrka, Nagoya University forskare och kollegor rapporterar i tidskriften Material och design . Fyndet kan hjälpa forskare att utveckla starkare och mer miljövänlig betong.

"Vi fann att cementhydrater och stenbildande mineraler reagerade på ett sätt som liknar det som händer i romersk betong, avsevärt öka styrkan på kärnkraftverkens väggar, säger Nagoya Universitys miljöingenjör Ippei Maruyama.

Forskning har visat att romersk betong som används vid byggandet av marina barriärer har lyckats överleva i mer än två årtusenden eftersom havsvatten löser vulkanaska i blandningen, leder till bildandet av aluminiumhaltig tobermorit. Eftersom aluminiumhaltig tobermorit är en kristall, det gör betongen mer kemiskt stabil och starkare. Det är mycket svårt att införliva aluminiumhaltig tobermorit direkt i modern betong. Forskare har genererat mineralet i labbet, men det kräver mycket höga temperaturer över 70°C. Å andra sidan, laboratorieförsök har visat att varma miljöer är skadliga för betongens hållfasthet, vilket har lett till bestämmelser som begränsar dess användning till temperaturer under 65°C.

Maruyama och hans kollegor fann att aluminiumhaltig tobermorit bildades i en kärnreaktors betongväggar när temperaturer på 40-55°C hölls i 16,5 år.

Proverna togs från Hamaoka kärnkraftverk i Japan, som fungerade från 1976 till 2009.

Djupanalyser visade att reaktorns mycket tjocka väggar kunde hålla kvar fukt. Mineraler som används för att få betongen att reagera i närvaro av detta vatten, öka tillgången på kisel- och aluminiumjoner och väggens alkalihalt. Detta ledde slutligen till bildandet av aluminiumhaltig tobermorit.

"Vår förståelse av betong är baserad på korttidsexperiment utförda i laboratorieskalor, " säger Maruyama. "Men riktiga betongkonstruktioner ger oss mer insikter för långvarig användning."

Maruyama och hans kollegor letar efter sätt att göra betong mer hållbart och miljövänligt. Cement som används vid betongtillverkning producerar nästan 10 % av de mänskliga koldioxidutsläppen, så teamet vill producera mer miljövänliga blandningar som fortfarande uppfyller standardiserade krav på starka betongkonstruktioner.

Studien, "Långtidsanvändning av modern Portland cementbetong:Inverkan av Al-tobermorite-bildning, " publicerades online i tidskriften Material &Design den 5 november, 2020.