Betongvärlden som omger oss har sin form och hållbarhet tack vare kemiska reaktioner som börjar när vanligt Portlandcement blandas med vatten. Nu, MIT-forskare har visat ett sätt att se dessa reaktioner under verkliga förhållanden, ett framsteg som kan hjälpa forskare att hitta sätt att göra betong mer hållbart.

Studien är ett "Brothers Lumière-ögonblick för konkret vetenskap, säger medförfattaren Franz-Josef Ulm, professor i civil- och miljöteknik och fakultetschef för MIT Concrete Sustainability Hub, hänvisar till de två bröderna som inledde eran av projicerade filmer. Likaså, Ulm säger, MIT-teamet har gett en glimt av cementhydrering i ett tidigt skede som är som bio i Technicolor jämfört med svartvita bilder från tidigare forskning.

Cement i betong bidrar till cirka 8 procent av världens totala koldioxidutsläpp, konkurrera med utsläppen från de flesta enskilda länder. Med en bättre förståelse för cementkemi, forskare kan eventuellt "ändra produktion eller ändra ingredienser så att betong påverkar utsläppen mindre, eller tillsätt ingredienser som aktivt kan absorbera koldioxid, "säger Admir Masic, docent i anläggnings- och miljöteknik.

Nästa generations teknologier som 3D-utskrift av betong kan också dra nytta av studiens nya bildteknik, som visar hur cement hydrerar och stelnar på plats, säger Masic Labs doktorand Hyun-Chae Chad Loh, som också arbetar som materialvetare med företaget Black Buffalo 3D Corporation. Loh är den första författaren till studien publicerad i ACS's Langmuir , ansluter sig till Ulm, Masic, och postdoc Hee-Jeong Rachel Kim.

Cement från början

Loh och kollegor använde en teknik som kallas Raman-mikrospektroskopi för att få en närmare titt på de specifika och dynamiska kemiska reaktionerna som äger rum när vatten och cement blandas. Ramanspektroskopi skapar bilder genom att lysa ett högintensivt laserljus på material och mäta ljusets intensitet och våglängd när det sprids av molekylerna som utgör materialet.

Olika molekyler och molekylära bindningar har sina egna unika spridnings-"fingeravtryck, "så kan tekniken användas för att skapa kemiska bilder av molekylära strukturer och dynamiska kemiska reaktioner inuti ett material. Raman -spektroskopi används ofta för att karakterisera biologiska och arkeologiska material, som Masic har gjort i tidigare studier av pärlemor och andra biomineraliserade material och antika romerska betonger.

Med hjälp av Raman-mikrospektroskopi, MIT-forskarna observerade ett prov av vanligt Portlandcement placerat under vattnet utan att störa det eller på konstgjord väg stoppa hydratiseringsprocessen, efterlikna de verkliga förhållandena för användning av betong. I allmänhet, en av hydratiseringsprodukterna, kallas portlandite, börjar som en störd fas, sipprar genom hela materialet, och sedan kristalliseras, forskargruppen avslutade.

Före detta, "forskare kunde bara studera cementhydrat med genomsnittliga bulkegenskaper eller med en ögonblicksbild av en tidpunkt, säger Loh, "men detta gjorde det möjligt för oss att observera alla förändringar nästan kontinuerligt och förbättrade upplösningen av vår bild i rum och tid."

Till exempel, kalcium-silikat-hydrat, eller C-S-H, är den huvudsakliga bindande ingrediensen i cement som håller ihop betong, "men det är väldigt svårt att upptäcka på grund av dess amorfa natur, "Loh förklarar." När man ser dess struktur, distribution, och hur det utvecklades under härdningsprocessen var något som var fantastiskt att se."

Att bygga bättre

Ulm säger att arbetet kommer att vägleda forskare när de experimenterar med nya tillsatser och andra metoder för att minska betongens växthusgasutsläpp:"Istället för att "fiska i mörker, ' vi kan nu rationalisera genom detta nya tillvägagångssätt hur reaktioner uppstår eller inte inträffar, och ingripa kemiskt."

Teamet kommer att använda Raman-spektroskopi när de tillbringar sommaren med att testa hur väl olika cementbaserade material fångar upp koldioxid, säger Masic. "Att spåra detta hittills har varit nästan omöjligt, men nu har vi möjlighet att följa kolsyresättning i cementbaserade material som hjälper oss att förstå var koldioxiden tar vägen, vilka faser som bildas, och hur man ändrar dem för att potentiellt använda betong som kolsänka. "

Bilden är också avgörande för Lohs arbete med 3D -betongtryck, som är beroende av extrudering av betonglager i en exakt uppmätt och samordnad process, under vilken den flytande slurryn förvandlas till fast betong.

"Att veta när betongen kommer att härda är den mest kritiska frågan som alla försöker förstå" i branschen, han säger. "Vi gör mycket försök och fel för att optimera en design. Men att övervaka den underliggande kemin i rum och tid är avgörande, och denna vetenskapligt aktiverade innovation kommer att påverka konstruktionsindustrins konkreta tryckfunktioner. "

Detta arbete stöddes delvis av Kwanjeong Educational Foundations stipendieprogram.