Ogni giorno, le strutture in calcestruzzo si spezzano ed erodono prematuramente a causa della reattività della silice alcalina (ASR), una reazione chimica che provoca fessure nel materiale mentre si indurisce. Jon Belkowitz, uno studente di dottorato allo Stevens Institute of Technology, intende porre fine a questo problema attraverso il suo studio delle reazioni chimiche all'interno del calcestruzzo su scala nanometrica. Sfruttando gli strumenti e i materiali di caratterizzazione delle nanostrutture di Stevens, la sua ricerca sull'uso ottimale della nano silice creerà una nuova miscela di calcestruzzo che si tradurrà in edifici più duraturi, strade, marciapiedi, le scale, fogne, e dighe.
"Con l'avvento delle nanotecnologie, le proprietà materiali del calcestruzzo, compresa la mitigazione dell'ASR, consente a ingegneri e architetti la possibilità di utilizzare il calcestruzzo in applicazioni che una volta erano impossibili, " dice Giovanni.
Ottimizzazione del calcestruzzo
Al livello più elementare, il calcestruzzo è una miscela di cemento finemente polverizzato, aggregato di roccia, e acqua. Una reazione tra il cemento e l'acqua produce silicato di calcio idrato, che dà al cemento la sua forza, così come il gel ASR. Il gel ASR si forma all'interfaccia tra il cemento alcalino e la silice non cristallina presente nell'aggregato. Man mano che il cemento si indurisce, il gel ASR si espande, provocando tensioni residue che indeboliscono il calcestruzzo e ne provocano il deterioramento. Man mano che la pressione aumenta all'interfaccia, il cemento comincia a rompersi e sgretolarsi dall'interno, per un periodo che va da giorni ad anni.
"Utilizzando strumenti di caratterizzazione delle nanostrutture, ora siamo in grado di comprendere i tanti misteri del cemento, Per esempio, che ci sono tre tipi di acqua nel calcestruzzo idratato, e quei tre diversi tipi di acqua hanno tre diversi tipi di movimenti molecolari, il che significa tre forze diverse, " dice John. Più ne sai di cemento, lui nota, più diventa complesso. Spera che la sua ricerca sveli nuovi metodi per aumentare le proprietà meccaniche del calcestruzzo.
La ricerca di Jon adotta un approccio a tre livelli:"Sto usando questa nuova nanotecnologia non solo per impedire la produzione di ASR, ma sto anche usando la nano silice per rafforzare la matrice di cemento idratato del calcestruzzo per resistere alla natura espansiva del gel ASR, "Spiega Jon. "Sto anche cercando di modificare le proprietà dell'acqua in eccesso all'interno del calcestruzzo in modo che non possa reagire con gli alcali solubili nella silice per causare il gel ASR".
Nonostante l'ubiquità del materiale, le reazioni all'interno del calcestruzzo mentre si asciuga e si rafforza sono difficili da controllare. "Questo è un problema continuo nell'industria del calcestruzzo, " dice Jon. "In passato non avevamo proprio modo di capire lo sviluppo dei grani cristallografici della matrice concreta. Potremmo impostare modelli, o utilizzare altri minerali per confrontare il calcio silice idrato. Non creiamo la stessa struttura ogni volta. Attraverso l'uso di strumenti di caratterizzazione delle nanostrutture, ora abbiamo la possibilità di acquisire una migliore comprensione della matrice di cemento idratato che costituisce il calcestruzzo".
La ricerca di Jon viene condotta nel Laboratorio di nanomeccanica e nanomateriali sotto la guida del Dr. Frank Fisher, Professore Associato di Ingegneria Meccanica e Condirettore del Corso di Laurea in Nanotecnologie. Sebbene Jon speri di applicare la sua ricerca alle applicazioni di ingegneria civile, il suo lavoro è multidisciplinare, combinando la fisica dello stato solido, industria meccanica, sintesi di polimeri, e ingegneria chimica.
La ricerca di Jon è finanziata dalla New Jersey Alliance for Engineering Education (NJAEE), attraverso il programma Graduate Teaching Fellows della National Science Foundation (NSF) in K-12 (GK-12). Lavora in un liceo locale a Bayonne, New Jersey dieci ore a settimana come parte del programma, e dice che gode dell'opportunità di condividere la sua passione con gli studenti. "È emozionante aprire le loro menti a nuove possibilità, " Jon dice. "Lo mangiano."
Un "geek concreto"
Jon arriva a Stevens con 15 anni di esperienza concreta:10 anni nell'aeronautica degli Stati Uniti mettendo cemento su progetti di ingegneria civile in tutto il mondo, e 5 anni presso il colosso della produzione di calcestruzzo LaFarge, dove ha progettato nuovi tipi di calcestruzzo in un laboratorio e li ha tradotti in prodotti con applicazioni del mondo reale. Jon si è laureato con lode presso la Colorado School of Mines con un Bachelor of Science in Ingegneria Civile e l'Università di Denver con un Master of Science in Scienza dei Materiali. Attualmente possiede Intelligent Concrete, LLC, che si dedica alla ricerca concreta, sviluppo, e istruzione.
Questa vasta esperienza gli permette di dialogare altrettanto bene con scienziati, attività commerciale, e laici. Gli dà anche un approccio realistico. "Una delle cose più difficili da fare nell'industria del calcestruzzo - o in qualsiasi altro settore - è prendere i dati di laboratorio e tradurli in un settore commerciale, " Jon dice. "In laboratorio ci sono condizioni quasi perfette. Nel mondo reale, è disordinato." La sua conoscenza concreta ha già dato risultati. Nel 2008, il suo Chronolia Road Patch Design ha ricevuto il "Premio per l'innovazione dell'anno" dall'American Concrete Institute - Rocky Mountain Chapter.
Jon si è costruito una vita di cemento, ma non sarebbe in nessun altro modo. "Sono un geek concreto nel cuore, "dice. Infatti, è una specie di "impresa di famiglia, " Jon scherza. Il padre di Jon lavora nel marketing per un'azienda concreta, e sua moglie sta perseguendo la sua laurea in Ingegneria a Stevens, cercando di specializzarsi in calcestruzzo.
Mentre guarda al futuro, Jon è fiducioso che il suo lavoro alla Stevens, studiando le più piccole reazioni all'interno del cemento, darà grandi ricompense in futuro.
