211service.com
Förstärkande betong
För proffs vars jobb det är att utvärdera infrastruktur är det uppenbart att landets stora system av vägar och broar är i akut behov av reparation. 2007, tjänstemän vid Federal Highway Administration rankade 25 procent av amerikanska broar som strukturellt bristfälliga eller funktionellt föråldrade. Och just i år American Society of Civil Engineers släppte sitt årliga infrastrukturrapport, som gav det övergripande tillståndet för broar ett C och vägar ett D-.
Cementering av betong: En ny teknik gör betong mindre mottaglig för frätande ämnen som vägsalt. Överst på denna röntgenbild visar det knappt synliga blågröna området att väldigt få kloridjoner (i grönt) har penetrerat den behandlade betongen (blått). Röda partiklar indikerar sandkorn blandade med cement.
Majoriteten av dessa strukturer är gjorda av betong, många uppfördes på 1940- och 50-talen. Idag håller dessa broar och vägar på att förfalla, dels på grund av ålder och dels på grund av vinteravisning. Medan vägsalt smälter is från ytor, kan det också arbeta sig in i de många mikroporerna i betong och tina upp vattenmolekylerna inom. Denna snabba upptining kan göra att betongen expanderar och spricker inifrån, vilket tar flera år av dess livslängd.
Nu ingenjörer vid National Institute of Standards and Technology ( NIST ) har utvecklat och patenterat en ny teknik, kallad VERDiCT (Viscosity Enhancers Reducing Diffusion in Concrete Technology), som potentiellt skulle kunna fördubbla livslängden för en bit betong. Genom att blanda en tillsats i nanostorlek med cement, tog de fram en metod som bromsar infiltrationen av vägsalt. De resonerade att ju längre tid det tar för försämringsmedel att tränga in, desto längre håller betongen utan att spricka.
Vid konventionell betongtillverkning blandas torr cement – vanligtvis bestående av kalksten, lera och andra mineraler – med vatten för att göra en pasta och kombineras med aggregat, såsom stenar eller sand. När den torkar limmar pastan ihop ballasten till en betongplatta. På senare tid har det gjorts ansträngningar för att skapa starkare, högpresterande betong, främst genom att öka materialets densitet. För att göra detta tillsätter forskare antingen olika stärkande kemikalier eller maler de torra material som används för att tillverka cement så att de blir ännu finare än de som finns i konventionella blandningar. När den väl kombineras med vatten är pastan och den resulterande plattan mycket tätare och starkare än traditionell betong.
Men forskare har funnit en stor nackdel med sådana högpresterande alternativ. I snabbbyggen går alla efter tidig hållfast betong för att de vill få igång trafiken igen, säger Dale bentz , en kemiingenjör vid NIST och blyutredare på projektet. För att få den styrkan kan du slipa betong finare [för att göra den] mer reaktiv, men det genererar också mer värme, och när det svalnar och drar ihop sig kan det orsaka sprickor. Du får alltså högpresterande betong mellan springorna, vilket inte är vad du vill ha.
Bentz och hans kollegor tog en nanoskala för att förbättra betongen istället. De insåg att inom betong finns miljontals små mikroporer fyllda med vattenmolekyler. Det är känt att klorid- och sulfatjoner från vägsalt tränger in i betong genom att diffundera in i denna vattenlösning, så de antog att en ökning av lösningens viskositet i dessa mikroporer kan bromsa inträngningen av vägsalt och andra försämringsmedel och förlänga betongens livslängd.
Om dessa joner flyter runt, om de rör sig genom honung istället för vatten, kommer de att bromsas avsevärt, säger Bentz. Tricket är att hitta rätt kemikalie som ändrar lösningens viskositet.
Forskarna tog en pekpinne från livsmedelsindustrin, som använder tillsatser som förtjockningsmedel i allt från salladsdressingar till kolsyrade drycker. Bentz sökte efter liknande tillsatser som både skulle öka viskositeten hos vattenlösningen som finns i betong och långsam diffusion av jon; han försökte till och med använda matförtjockningsmedel, inklusive xantumgummi, som används i såser och glass.
Efter screening av flera tillsatser i vattenlösning för att modellera beteendet hos joner i betong fann teamet att de med en mindre molekylstorlek var mer framgångsrika när det gällde att bromsa jondiiffusionshastigheten. Tillsatser som förekommer i små molekylkedjor, med grenar av väte och syre, var särskilt bra på att öka en lösnings viskositet. Bentz säger att detta kan bero på det faktum att sådana väte- och syregrenar kan interagera med vattenmolekyler för att bilda en barriär mot infiltrerande joner, vilket gör det svårare för dem att penetrera.
Teamet testade också olika tillsatser i små cylindrar av cementbruk – i huvudsak betong utan ballast. Bentz blandade tillsatserna med cement, lät murbruken torka och placerade varje mortel i en kloridlösning i upp till ett år. Efter att ha tagit bort murbruken från lösningen bröt han och hans team isär varje mortel och analyserade hur långt kloridjoner kunde tränga in. Jämfört med bruk utan tillsatser visade de med tillsatser signifikant minskning av kloriddiffusionen.
Tekniken kanske inte är helt redo för tillämpning i industriskala, främst på grund av potentiella kostnader. Bentz säger att för att få sådana resultat var han tvungen att göra tillsatsen så mycket som 10 procent av cementlösningen. Branschen är bekväm med en procent, så det finns en kostnadsfaktor i att det kommer att kosta 10 procent mer, säger Bentz. Vi har visat proof of concept, och nu skulle vi vilja hitta en tillsats som fungerar i 3 till 5 procents koncentration.
Jason Weiss , professor i civilingenjör vid Purdue University, arbetar med att förbättra betongblandningar och öka materialets långsiktiga prestanda. Han säger att en sådan teknik en dag kan göra broar och vägar mindre känsliga för korrosion. Det här har en enorm potential, säger Weiss. Detta skulle innebära att en bro som kunde hålla i 30 år nu skulle hålla i 40 till 45 år under samma typ av kemisk attack.