Varje dag, betongkonstruktioner spricker och eroderar i förtid på grund av Alkali Silica Reactivity (ASR), en kemisk reaktion som orsakar sprickor i materialet när det stelnar. Jon Belkowitz, doktorand vid Stevens Institute of Technology, planerar att sätta stopp för detta problem genom sin studie av kemiska reaktioner inom betong på nanoskala. Utnyttja Stevens nanostrukturkarakteriseringsverktyg och material, hans forskning om optimal användning av nanokiseldioxid kommer att skapa en ny betongblandning som kommer att resultera i byggnader som håller längre, vägar, trottoarer, trappa, avlopp, och dammar.
"Med tillkomsten av nanoteknik, betongens materialegenskaper, inklusive ASR-reducering, ger ingenjörer och arkitekter möjligheten att använda betong i applikationer som en gång var omöjliga, " säger John.
Optimering av betong
På den mest grundläggande nivån, betong är en blandning av finpulveriserad cement, stenaggregat, och vatten. En reaktion mellan cementen och vattnet ger kalciumsilikathydrat, som ger betongen sin styrka, samt ASR gel. ASR-gelen bildas vid gränsytan mellan det alkaliska cementet och den icke-kristallina kiseldioxiden som finns i aggregatet. När betongen hårdnar, ASR-gelen expanderar, orsakar kvarvarande spänningar som försvagar betongen och gör att den försämras. När trycket ökar vid gränssnittet, betongen börjar spricka och smula sönder inifrån, under en period som sträcker sig från dagar till år.
"Med hjälp av nanostrukturkarakteriseringsverktyg, vi kan nu förstå betongens många mysterier, till exempel, att det finns tre typer av vatten i hydratiserad betong, och de tre olika typerna av vatten har tre olika typer av molekylära rörelser, vilket betyder tre olika krafter, " säger John. Ju mer du vet om betong, han noterar, desto mer komplext blir det. Han hoppas att hans forskning ska avslöja nya metoder för att öka betongens mekaniska egenskaper.
Jons forskning tar ett tillvägagångssätt i tre nivåer:"Jag använder den här nya nanotekniken för att inte bara stoppa ASR från att produceras, men jag använder också nanokiseldioxid för att stärka den hydratiserade cementmatrisen av betong för att motstå den expansiva karaktären hos ASR-gelen, " Jon förklarar. "Jag försöker också ändra egenskaperna hos överskottsvattnet i betongen så att det inte kan reagera med lösliga alkalier i kiseldioxid och orsaka ASR-gel."
Trots materialets allestädes närvarande, reaktionerna i betong när den torkar och förstärks är svåra att kontrollera. "Detta är ett pågående problem i betongindustrin, ", säger Jon. "Tidigare hade vi verkligen inget sätt att förstå utvecklingen av de kristallgrafiska kornen i betongmatrisen. Vi kan sätta upp modeller, eller använd andra mineraler för att jämföra med Calcium Silica Hydrate. Vi skapar inte samma struktur varje gång. Genom att använda nanostrukturkarakteriseringsverktyg, vi har nu förmågan att få en bättre förståelse för den hydratiserade cementmatrisen som består av betong."
Jons forskning bedrivs i Nanomechanics and Nanomaterials Laboratory under ledning av Dr. Frank Fisher, Docent i maskinteknik och meddirektör för Nanotechnology Graduate Program. Även om Jon hoppas kunna tillämpa sin forskning i civilingenjörsapplikationer, hans arbete är tvärvetenskapligt, kombinerar fasta tillståndets fysik, maskinteknik, polymersyntes, och kemiteknik.
Jons forskning finansieras av New Jersey Alliance for Engineering Education (NJAEE), genom National Science Foundation (NSF) Graduate Teaching Fellows i K-12 (GK-12) Program. Han arbetar på en lokal gymnasieskola i Bayonne, New Jersey tio timmar i veckan som en del av programmet, och säger att han tycker om möjligheten att dela sin passion med eleverna. "Det är spännande att öppna sina sinnen för nya möjligheter, " säger Jon. "De äter upp det."
En "betongnörd"
Jon kommer till Stevens med 15 års konkret erfarenhet:10 år i det amerikanska flygvapnet med att placera betong på civilingenjörsprojekt runt om i världen, och 5 år på betongtillverkningsjätten LaFarge, där han designade nya typer av betong i ett labb och översatte dessa till produkter med verkliga tillämpningar. Jon tog examen med beröm från Colorado School of Mines med en kandidatexamen i civilingenjör och University of Denver med en magisterexamen i materialvetenskap. För närvarande äger han Intelligent Concrete, LLC, som är tillägnad konkret forskning, utveckling, och utbildning.
Denna omfattande erfarenhet gör att han kan samtala lika bra med forskare, företag, och lekmän. Det ger honom också ett realistiskt förhållningssätt. "En av de svåraste sakerna att göra i betongindustrin - eller i någon bransch - är att ta laboratoriedata och översätta den till kommersiell industri, " säger Jon. "I labbet har du nästan perfekta förutsättningar. I den verkliga världen, det är rörigt." Hans konkreta kunskap har redan gett resultat. 2008 hans Chronolia Road Patch Design fick "Innovation of the Year Award" från American Concrete Institute - Rocky Mountain Chapter.
Jon har skapat ett liv för sig själv av betong, men skulle inte ha det på något annat sätt. "Jag är en konkret nörd i hjärtat, " säger han. Faktum är att det är något av ett "familjeföretag, Jon spökar. Jons pappa jobbar med marknadsföring för ett betongföretag, och hans fru läser sin grundexamen i teknik vid Stevens, vill specialisera sig på betong.
När han ser på framtiden, Jon är övertygad om att hans arbete på Stevens med att studera de minsta reaktionerna inom betong kommer att ge stora belöningar i framtiden.
