211service.com
Het nanogeheim van beton
Beton is het meest gebruikte door de mens gemaakte materiaal en de productie van cement, het belangrijkste ingrediënt van beton, is verantwoordelijk voor 5 tot 10 procent van alle antropogene uitstoot van koolstofdioxide, een belangrijk broeikasgas dat betrokken is bij de opwarming van de aarde. Maar nu hebben onderzoekers van MIT die de nanostructuur van beton bestuderen, een ontdekking gedaan die zou kunnen leiden tot lagere kooldioxide-emissies tijdens de cementproductie.
Een op cement gebaseerd materiaal met een ultradunne diamantnaald onderzoeken, maakt een afdruk in de orde van nanometers. Onderzoekers van het MIT gebruikten deze techniek om de nanostructuur van cement te bestuderen, die de eigenschappen bepaalt van beton gemaakt met het cement. Door cement op nanoschaal te construeren, hopen ze de CO2-uitstoot van de cementproductie te verminderen.
De onderzoekers ontdekten dat de bouwstenen van beton deeltjes zijn van slechts enkele nanometers groot, en dat deze nanodeeltjes op twee verschillende manieren zijn gerangschikt. Ze ontdekten ook dat de verpakking van de nanodeeltjes de eigenschappen van beton bepaalt, zoals sterkte, stijfheid en duurzaamheid. Het mineraal [dat het nanodeeltje maakt] is niet de sleutel tot het bereiken van die eigenschappen … het is eerder de pakking [van de deeltjes], zegt Franz Josef Ulm , een professor civiel- en milieutechniek aan het MIT die het werk leidde. Dus kunnen we het oorspronkelijke mineraal niet vervangen door iets anders? Het doel is om een vervangend cement te formuleren dat de verpakking van de nanodeeltjes handhaaft, maar kan worden vervaardigd met een lagere uitstoot van kooldioxide.
Bij de fabricage van cement ontstaat kooldioxide-emissie omdat daarbij brandstof wordt verbrand om een poedervormig mengsel van kalksteen en klei te verhitten tot een temperatuur van 1.500 ºC. Wanneer cement wordt gemengd met water, wordt een pasta gevormd; zand en grind worden aan de pasta toegevoegd om beton te maken. Maar wetenschappers begrijpen de structuur van cement niet helemaal, zegt Ulm.
Het grootste mysterie is de structuur en eigenschappen van de elementaire bouwsteen van de cement-waterpasta, calciumsilicaathydraat, die fungeert als de lijm die alle ingrediënten van beton bij elkaar houdt. Alle macroscopische eigenschappen van beton zijn op de een of andere manier gerelateerd aan hoe deze fase eruitziet op nanometerniveau, zegt Jeffrey Thomas , een professor in civiele en milieutechniek aan de Northwestern University.
Als deze structuur beter werd begrepen, zouden onderzoekers cement op nanoschaal kunnen ontwikkelen om de eigenschappen van beton aan te passen, zegt Hamlin Jennings , een professor in civiele en milieutechniek en materiaalwetenschappen aan Northwestern. Omdat onderzoekers het gedrag van cement op nanoschaal niet kennen, is de vooruitgang in beton- en cementonderzoek tot nu toe grotendeels wisselvallig geweest, zegt Jennings.
Jennings had voorspeld dat calciumsilicaathydraat een deeltje is met een grootte van ongeveer vijf nanometer. Ulm en zijn postdoctoraal onderzoeker Georgios Constantinides hebben deze structuur bevestigd met behulp van een techniek genaamd nano-indentatie, waarbij cementpasta's met een ultradunne diamantnaald worden onderzocht.
De onderzoekers ontdekten dat de calcium-silicaat-hydraat-nanodeeltjes waren gerangschikt op een manier die vergelijkbaar was met sinaasappels die willekeurig in een doos waren verpakt, of zoals de piramidale opstelling van sinaasappels in een supermarkt. Met deze twee opstellingen vullen de deeltjes respectievelijk 63 en 74 procent van het volume van de cementpasta, de rest is water en lucht. De relatieve volumes die de nanodeeltjes in de pasta innemen, bepalen de mechanische eigenschappen van de cementpasta, vonden de onderzoekers.
Ulm en Constantinides zijn nu van plan om de componenten in cement te veranderen - een idee is om magnesium te vervangen door calcium - zodat er minder warmte nodig is om cement te maken, maar de resulterende nanodeeltjes hebben nog steeds dezelfde verpakking als de calcium-silicaat-hydraat nanodeeltjes.
Ze zijn ook van plan het nanodeeltje te bestuderen totdat ze het tot op atomair niveau begrijpen. Dit geeft hen nog meer vrijheid om cement te nano-engineeren, zegt Ulm. We zouden er chemicaliën aan kunnen toevoegen om de prestatie [van beton] te verbeteren met misschien minder cement, of hetzelfde cement dat een hogere sterkte geeft.
Met een jaarlijkse productie van twee miljard ton cement in de wereld en een stijgende vraag naar beton met de groei in China en India, zegt Ulm dat het absoluut noodzakelijk is om de aan beton gerelateerde kooldioxide-emissies te verminderen als onderdeel van de inspanningen om de wereldwijde opwarming.