Il mondo del cemento che ci circonda deve la sua forma e durata alle reazioni chimiche che iniziano quando il normale cemento Portland viene mescolato con l'acqua. Ora, Gli scienziati del MIT hanno dimostrato un modo per osservare queste reazioni in condizioni reali, un progresso che può aiutare i ricercatori a trovare modi per rendere il calcestruzzo più sostenibile.

Lo studio è un "momento Fratelli Lumière per la scienza concreta, ", afferma il coautore Franz-Josef Ulm, professore di ingegneria civile e ambientale e direttore di facoltà del MIT Concrete Sustainability Hub, riferendosi ai due fratelli che hanno inaugurato l'era dei film proiettati. Allo stesso modo, Ulma dice, il team del MIT ha fornito un assaggio dell'idratazione del cemento nella fase iniziale che è come il cinema in Technicolor rispetto alle foto in bianco e nero della ricerca precedente.

Il cemento nel calcestruzzo contribuisce per circa l'8% alle emissioni totali mondiali di anidride carbonica, rivaleggiando con le emissioni prodotte dalla maggior parte dei singoli paesi. Con una migliore comprensione della chimica del cemento, gli scienziati potrebbero potenzialmente "alterare la produzione o cambiare gli ingredienti in modo che il calcestruzzo abbia un impatto minore sulle emissioni, o aggiungere ingredienti in grado di assorbire attivamente l'anidride carbonica, "dice l'ammiraglio Masic, professore associato di ingegneria civile e ambientale.

Anche le tecnologie di prossima generazione come la stampa 3D del calcestruzzo potrebbero trarre vantaggio dalla nuova tecnica di imaging dello studio, che mostra come il cemento si idrata e si indurisce sul posto, dice lo studente laureato Masic Lab Hyun-Chae Chad Loh, che lavora anche come scienziato dei materiali con la società Black Buffalo 3D Corporation. Loh è il primo autore dello studio pubblicato su ACS's Langmuir , unendo Ulma, Masco, e il postdoc Hee-Jeong Rachel Kim.

Cemento dall'inizio

Loh e colleghi hanno utilizzato una tecnica chiamata microspettroscopia Raman per dare un'occhiata più da vicino alle reazioni chimiche specifiche e dinamiche che si verificano quando l'acqua e il cemento si mescolano. La spettroscopia Raman crea immagini proiettando una luce laser ad alta intensità sul materiale e misurando le intensità e le lunghezze d'onda della luce mentre viene dispersa dalle molecole che compongono il materiale.

Diverse molecole e legami molecolari hanno le loro "impronte digitali" di dispersione uniche, " quindi la tecnica può essere utilizzata per creare immagini chimiche di strutture molecolari e reazioni chimiche dinamiche all'interno di un materiale. La spettroscopia Raman viene spesso utilizzata per caratterizzare materiali biologici e archeologici, come ha fatto Masic in precedenti studi su madreperla e altri materiali biomineralizzati e antichi cementi romani.

Utilizzando la microspettroscopia Raman, gli scienziati del MIT hanno osservato un campione di cemento Portland ordinario posto sott'acqua senza disturbarlo o fermare artificialmente il processo di idratazione, imitando le condizioni reali di utilizzo concreto. Generalmente, uno dei prodotti per l'idratazione, chiamato portlandite, inizia come una fase disordinata, percola in tutto il materiale, e poi si cristallizza, ha concluso il gruppo di ricerca.

Prima di questo, "gli scienziati hanno potuto studiare l'idratazione del cemento solo con proprietà di massa medie o con un'istantanea di un punto nel tempo, "dice Loh, "ma questo ci ha permesso di osservare quasi continuamente tutti i cambiamenti e ha migliorato la risoluzione della nostra immagine nello spazio e nel tempo."

Ad esempio, calcio-silicato-idrato, o C-S-H, è il principale ingrediente legante nel cemento che tiene insieme il calcestruzzo, "ma è molto difficile da rilevare a causa della sua natura amorfa, " Loh spiega. "Vedendo la sua struttura, distribuzione, e il modo in cui si è sviluppato durante il processo di polimerizzazione è stato qualcosa di straordinario da guardare".

Costruire meglio

Ulm afferma che il lavoro guiderà i ricercatori mentre sperimentano nuovi additivi e altri metodi per ridurre le emissioni di gas serra del calcestruzzo:"Piuttosto che" pescare al buio, ' siamo ora in grado di razionalizzare attraverso questo nuovo approccio come le reazioni si verificano o non si verificano, e intervenire chimicamente."

Il team utilizzerà la spettroscopia Raman mentre trascorre l'estate testando quanto bene i diversi materiali cementizi catturano l'anidride carbonica, dice Masic. "Seguire questo fino ad ora è stato quasi impossibile, ma ora abbiamo la possibilità di seguire la carbonatazione nei materiali cementizi che ci aiuta a capire dove va a finire l'anidride carbonica, quali fasi si formano, e come cambiarli per utilizzare potenzialmente il calcestruzzo come pozzo di carbonio".

L'imaging è anche fondamentale per il lavoro di Loh con la stampa 3D del calcestruzzo, che dipende dall'estrusione di strati di calcestruzzo in un processo precisamente misurato e coordinato, durante il quale l'impasto liquido si trasforma in calcestruzzo solido.

"Sapere quando il cemento sta per tramontare è la domanda più critica che tutti stanno cercando di capire" nel settore, lui dice. "Facciamo molte prove ed errori per ottimizzare un progetto. Ma monitorare la chimica sottostante nello spazio e nel tempo è fondamentale, e questa innovazione basata sulla scienza avrà un impatto sulle capacità di stampa concreta del settore delle costruzioni".

Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal programma di borse di studio della Kwanjeong Educational Foundation.