211service.com
Nanohemligheten för betong
Betong är det mest använda konstgjorda materialet och tillverkningen av cement – huvudingrediensen i betong – står för 5 till 10 procent av alla antropogena utsläpp av koldioxid, en ledande växthusgas som är involverad i den globala uppvärmningen. Men nu har forskare vid MIT som studerar betongens nanostruktur gjort en upptäckt som kan leda till lägre koldioxidutsläpp vid cementproduktion.
Att sondera ett cementbaserat material med en ultratunn diamantnål gör ett avtryck i storleksordningen nanometer. Forskare vid MIT använde denna teknik för att studera nanostrukturen hos cement, som styr egenskaperna hos betong gjord med cement. Genom att tillverka cement i nanoskala hoppas de kunna minska koldioxidutsläppen från cementproduktion.
Forskarna fann att byggstenarna i betong är partiklar bara några nanometer stora, och att dessa nanopartiklar är ordnade på två olika sätt. De fann också att nanopartiklarnas packningsarrangemang driver betongens egenskaper, såsom styrka, styvhet och hållbarhet. Mineralet [som gör nanopartikeln] är inte nyckeln till att uppnå dessa egenskaper ... snarare, det är packningen [av partiklarna], säger Franz-Josef Ulm , en civil- och miljöteknikprofessor vid MIT som ledde arbetet. Så kan vi inte ersätta det ursprungliga mineralet med något annat? Målet är att formulera ett ersättningscement som upprätthåller nanopartiklarnas packningsarrangemang men som kan tillverkas med lägre koldioxidutsläpp.
Cementtillverkning ger upphov till koldioxidutsläpp eftersom det går ut på att bränna bränsle för att värma upp en pulveriserad blandning av kalksten och lera vid temperaturer på 1 500 ºC. När cement blandas med vatten bildas en pasta; sand och grus läggs till pastan för att göra betong. Men forskarna förstår inte helt cementens struktur, säger Ulm.
Det största mysteriet är strukturen och egenskaperna hos den elementära byggstenen i cement-vattenpastan, kalciumsilikathydrat, som fungerar som lim som håller ihop alla ingredienser i betong. Alla makroskopiska egenskaper hos betong på något sätt är relaterade till hur den här fasen är på nanometernivå, säger Jeffrey Thomas , en civil- och miljöteknikprofessor vid Northwestern University.
Om den här strukturen var bättre förstådd skulle forskare kunna konstruera cement i nanoskala för att skräddarsy betongens egenskaper, säger Hamlin Jennings , en civil- och miljöteknik- och materialvetenskapsprofessor vid Northwestern. Eftersom forskare inte känner till cementens beteende på nanoskala har framstegen inom betong- och cementforskningen till stor del varit hit-and-miss, säger Jennings.
Jennings hade förutspått att kalciumsilikathydrat är en partikel med en storlek på cirka fem nanometer. Ulm och hans postdoktorale forskare Georgios Constantinides har bekräftat denna struktur med en teknik som kallas nanoindentation, som innebär att man sonderar cementpastor med en ultratunn diamantnål.
Forskarna fann att nanopartiklarna av kalcium-silikat-hydrat var ordnade antingen på ett sätt som liknar apelsiner slumpmässigt packade i en låda eller som det pyramidformade arrangemanget av apelsiner i en livsmedelsbutik. Med dessa två arrangemang fyller partiklarna 63 respektive 74 procent av cementpastans volym, resten är vatten och luft. De relativa volymerna som nanopartiklarna upptar i pastan styr cementpastans mekaniska egenskaper, fann forskarna.
Ulm och Constantinides planerar nu att ändra komponenterna i cement - en idé är att ersätta kalcium med magnesium - så att det tar mindre värme att tillverka cement men de resulterande nanopartiklarna har fortfarande samma packningsarrangemang som kalcium-silikat-hydrat nanopartiklarna.
De planerar också att studera nanopartikeln tills de förstår den ner till atomnivå. Detta kommer att ge dem ännu mer frihet att nanokonstruera cement, säger Ulm. Vi skulle kunna lägga till kemikalier till den för att förbättra prestandan [av betong] med kanske mindre cement, eller samma cement som ger högre hållfasthet.
Med två miljarder ton cement som produceras i världen varje år och betongefterfrågan ökar i takt med tillväxten i Kina och Indien, säger Ulm att det är absolut nödvändigt att minska betongrelaterade koldioxidutsläpp som en del av ansträngningen att bekämpa globala uppvärmning.