Sebbene sia utilizzato per costruire alcune delle strutture più grandi del mondo, si scopre che il cemento ha effettivamente qualcosa in comune con una spugna.

Un materiale altamente poroso, il cemento tende ad assorbire acqua dalle precipitazioni e anche dall'umidità ambientale. E proprio come la forma di una spugna cambia a seconda della saturazione dell'acqua, così anche quello del cemento, secondo un recente lavoro condotto al MIT.

In un articolo pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , ricercatori del MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), Il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) e l'Università di Aix-Marseille discutono di come la rete porosa del materiale assorbe l'acqua e propongono come l'essiccazione riorganizzi in modo permanente il materiale e porti a potenziali danni strutturali.

Ma per capire come l'acqua può cambiare la struttura dei pori del cemento, bisogna prima vedere come contribuisce alla formazione di questa stessa struttura.

La pasta di cemento inizia come una polvere secca composta da ingredienti accuratamente miscelati tra cui calcio, ferro da stiro, alluminio, e silicio. Da qui, questa polvere viene mescolata con una certa proporzione di acqua per formare una pasta di cemento. È qui che inizia a formarsi la rete dei pori.

Una volta che l'acqua e la polvere si mescolano, reagiscono insieme e producono composti noti come calcio silicato idrato (CSH), noti anche come idrati di cemento.

"Gli idrati di cemento sono piccoli, su scala nanometrica, "dice Tingtao Zhou, un dottorato di ricerca studente del Dipartimento di Fisica e autore principale dell'articolo. "Questi sono gli elementi costitutivi del cemento".

Durante l'idratazione del cemento, i nanograni dell'idrato di cemento si aggregano tra loro, formando una rete che unisce tutti i costituenti. Mentre questo dà al cemento la sua forza, gli spazi tra gli idrati di cemento creano un'estesa rete di pori nella pasta di cemento.

"Hai numerosi pori di dimensioni variabili che sono interconnessi, " descrive Zhou. "Diventa molto complesso. E poiché sono così piccoli, non serve nemmeno la pioggia per riempirli d'acqua. Anche l'umidità ambientale può riempire questi pori".

Ciò pone un problema quando si cerca di studiare l'essiccazione di una rete di pori.

"Supponiamo che tu abbia solo due grani di silicato di calcio idrato; puoi immaginare che ci sia della condensa d'acqua tra di loro, " spiega Zhou. "In questo caso, è facile misurare l'acqua nello spazio dei pori e la pressione di questa condensa, che chiamiamo pressione capillare. Ma quando hai un numero enorme di grani, la distribuzione dell'acqua diventa davvero complicata, la geometria diventa un disastro".

Per gestire l'acqua nella rete disordinata dei pori del cemento, Zhou e Katerina Ioannidou, uno scienziato ricercatore del CNRS e del MIT Energy Initiative e un corrispondente autore dell'articolo, prima ha lottato con due problemi.

Il primo era la saturazione parziale. Poiché la rete dei pori è così complessa, l'acqua si distribuisce in modo non uniforme, il che rende difficile calcolarne la distribuzione.

Il secondo problema è quello delle scale multiple.

"Nel passato, i ricercatori studierebbero il movimento dell'acqua nei pori alla scala dell'atomo o sul continuum, o visibile, scala, " Riferisce Zhou. "Ciò significa che hanno perso molte informazioni sulla mesoscala, che è tra la scala atomistica e quella continua".

Nell'ultimo decennio, Ioannidou, insieme ai ricercatori Roland Pellenq, Franz Josef Ulma, Sidney Yip, ed Emanuela Del Gado della Georgetown University hanno tutti lavorato per far progredire la modellazione del cemento su più scale. Questo recente documento ha attinto al loro lavoro per affrontare questi problemi.

Utilizzando tecniche di modellazione computazionale, Zhou e Ioannidou hanno calcolato come l'acqua si distribuisce all'interno di un poro e poi hanno determinato la forza che l'acqua esercitava sulla parete dei pori. Una volta completato, hanno raggruppato i pori e simulato l'effetto dell'essiccazione sulla mesoscala.

Dopo aver esaminato le simulazioni, Zhou e Ioannidou hanno scoperto che i chicchi si erano "riorganizzati irreversibilmente sotto una leggera essiccazione".

Anche se questi cambiamenti sembravano piccoli, non erano necessariamente insignificanti. "Abbiamo trovato cambiamenti strutturali irreversibili sulla mesoscala, " osserva Zhou. "Non si sta ancora propagando su scala più ampia. Ma cosa succede quando abbiamo molti di questi cicli di essiccazione per molti anni?"

Sebbene sia troppo presto per sapere esattamente come questo tipo di cambiamento strutturale influisca sulle strutture in calcestruzzo, Zhou spera di sviluppare un nuovo modello per studiare le conseguenze a lungo termine dell'essiccazione.

"In questo documento, ci siamo occupati di diverse scale spaziali. Ma dobbiamo ancora affrontare scale temporali diverse. Questi cambiamenti si verificano in un periodo di nanosecondi e vorremmo vedere la loro influenza sulla vita tipica delle strutture in calcestruzzo, " lui spiega.

Ancora, questo approccio computazionale rappresenta un nuovo modo per comprendere meglio gli effetti dell'essiccazione nel cemento. "Negli esperimenti fisici passati, è molto difficile osservare danni su questa scala. Ma il calcolo ci permette di simulare questo tipo di danno, " spiega Zhou. "Questa è la potenza dell'informatica".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.