211service.com
Beton versterken
Voor professionals wiens taak het is om de infrastructuur te evalueren, is het duidelijk dat het enorme systeem van wegen en bruggen van het land dringend moet worden gerepareerd. In 2007 hebben ambtenaren van de Federale Wegenverkeersadministratie beoordeelde 25 procent van de Amerikaanse bruggen structureel gebrekkig of functioneel verouderd. En alleen dit jaar, de American Society of Civil Engineers bracht haar jaarlijkse infrastructuurrapportagekaart uit, waarbij de algehele staat van bruggen een C en wegen een D- kreeg.
Beton cementeren: Een nieuwe techniek maakt beton minder gevoelig voor bijtende stoffen zoals strooizout. Aan de bovenkant van deze röntgenfoto laat het nauwelijks zichtbare blauwgroene gebied zien dat zeer weinig chloride-ionen (in groen) het behandelde beton (blauw) zijn doorgedrongen. Rode deeltjes duiden op zandkorrels vermengd met cement.
De meeste van deze constructies zijn gemaakt van beton, veel gebouwd in de jaren 40 en 50. Tegenwoordig zijn deze bruggen en wegen in verval geraakt, deels door ouderdom en deels door ontdooiing in de winter. Terwijl strooizout ijs van oppervlakken smelt, kan het ook zijn weg vinden naar de vele microporiën in beton, waardoor de watermoleculen erin ontdooien. Door dit snelle ontdooien kan het beton van binnenuit uitzetten en barsten, waardoor de levensduur jaren wordt verkort.
Nu ingenieurs bij het National Institute of Standards and Technology ( NIST ) hebben een nieuwe techniek ontwikkeld en gepatenteerd, genaamd VERDiCT (Viscosity Enhancers Reducing Diffusion in Concrete Technology), die de levensduur van een stuk beton mogelijk zou kunnen verdubbelen. Door een additief van nanoformaat te mengen met cement, bedachten ze een methode die de infiltratie van strooizout vertraagt. Ze redeneerden dat hoe langer het duurt voordat de verslechterende stoffen zijn binnengedrongen, hoe langer beton meegaat zonder te barsten.
Bij de conventionele betonproductie wordt droog cement, meestal bestaande uit kalksteen, klei en andere mineralen, gemengd met water om een pasta te maken en gecombineerd met toeslagstoffen, zoals stenen of zand. Terwijl het droogt, lijmt de pasta de aggregaten aan elkaar tot een betonnen plaat. Onlangs zijn er pogingen ondernomen om sterker, hoogwaardig beton te maken, voornamelijk door de dichtheid van het materiaal te vergroten. Om dit te doen, voegen onderzoekers verschillende versterkende chemicaliën toe of malen ze de droge materialen die worden gebruikt om cement te maken, zodat ze nog fijner zijn dan die in conventionele mengsels. Eenmaal gecombineerd met water, is de pasta en de resulterende plaat veel dichter en sterker dan traditioneel beton.
Wetenschappers hebben echter een groot nadeel ontdekt van dergelijke krachtige alternatieven. In fast-track constructie gaat iedereen voor beton met vroege sterkte omdat ze het verkeer weer op gang willen brengen, zegt Dale bentz , een chemisch ingenieur bij NIST en hoofdonderzoeker van het project. Om die sterkte te krijgen, zou je beton fijner kunnen malen [om het] reactiever te maken, maar dat genereert ook meer warmte, en wanneer het afkoelt en samentrekt, kan het barsten veroorzaken. Je krijgt dus hoogwaardig beton tussen de scheuren en dat is niet wat je wilt.
Bentz en zijn collega's kozen in plaats daarvan voor een benadering op nanoschaal om beton te verbeteren. Ze erkenden dat er in beton miljoenen kleine microporiën zijn gevuld met watermoleculen. Het is bekend dat chloride- en sulfaationen uit strooizout in beton doordringen door te diffunderen in deze wateroplossing, dus veronderstelden ze dat het verhogen van de viscositeit van de oplossing in deze microporiën de penetratie van strooizout en andere verslechterende stoffen zou kunnen vertragen en de levensduur van beton zou verlengen.
Als deze ionen rondzweven, als ze door honing in plaats van water bewegen, worden ze aanzienlijk vertraagd, zegt Bentz. De truc is om de juiste chemische stof te vinden die de viscositeit van de oplossing zal veranderen.
De onderzoekers namen een voorbeeld aan de voedingsindustrie, die additieven als verdikkingsmiddelen gebruikt in alles, van saladedressings tot koolzuurhoudende dranken. Bentz zocht naar vergelijkbare additieven die zowel de viscositeit van de wateroplossing in beton als langzame ionendiffusie zouden verhogen; hij probeerde zelfs voedselverdikkingsmiddelen te gebruiken, waaronder xanthumgom, dat wordt gebruikt in sauzen en ijs.
Na het screenen van meerdere additieven in een wateroplossing om het gedrag van ionen in beton te modelleren, ontdekte het team dat degenen met een kleinere molecuulgrootte succesvoller waren in het vertragen van de snelheid van ionendiffusie. Additieven die voorkomen in kleine moleculaire ketens, met vertakkingen van waterstof en zuurstof, waren bijzonder goed in het verhogen van de viscositeit van een oplossing. Bentz zegt dat dit te wijten kan zijn aan het feit dat dergelijke waterstof- en zuurstofvertakkingen kunnen interageren met watermoleculen om een barrière te vormen tegen infiltrerende ionen, waardoor ze moeilijker kunnen doordringen.
Het team testte ook verschillende additieven in kleine cilinders van cementmortel - in wezen beton zonder de toeslagstoffen. Bentz mengde de additieven met cement, liet de mortels drogen en plaatste elke mortel tot een jaar in een chloride-oplossing. Nadat hij de mortieren uit de oplossing had gehaald, braken hij en zijn team elke mortel uit elkaar en analyseerden hoe ver chloride-ionen konden doordringen. Vergeleken met mortels zonder toevoegingen, vertoonden die met toevoegingen een significante vermindering van chloridediffusie.
De techniek is echter mogelijk nog niet helemaal klaar voor toepassing op industriële schaal, voornamelijk vanwege mogelijke kosten. Bentz zegt om zulke resultaten te krijgen dat hij het additief maar liefst 10 procent van de cementoplossing moest maken. De industrie is comfortabel met één procent, dus er is een kostenfactor, in die zin dat het 10 procent meer kost, zegt Bentz. We hebben proof of concept aangetoond en nu willen we graag een additief vinden dat werkt bij een concentratie van 3 tot 5 procent.
Jason Weiss , hoogleraar civiele techniek aan de Purdue University, werkt aan het verbeteren van betonmengsels en het verbeteren van de langetermijnprestaties van het materiaal. Hij zegt dat een dergelijke techniek op een dag bruggen en wegen minder gevoelig kan maken voor corrosie. Dit heeft een enorm potentieel, zegt Weiss. Dit zou impliceren dat een brug die 30 jaar mee kan gaan, nu 40 tot 45 jaar meegaat onder hetzelfde type chemische aanval.