El hormigón es el material de construcción más utilizado en el mundo, tan abundante que su producción es una de las principales fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, las respuestas a algunas preguntas fundamentales sobre la estructura microscópica y el comportamiento de este material omnipresente siguen siendo difíciles de alcanzar.
El hormigón se forma a través de la solidificación de una mezcla de agua, grava, arena y polvo de cemento. ¿Es el material de pegamento resultante conocido como hidrato de cemento, CSH un sólido continuo, como metal o piedra, o es un agregado de pequeñas cantidades?partículas?
Tan básica como es esa pregunta, nunca se había respondido definitivamente. En un artículo publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias, un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Georgetown y el CNRS de Francia junto con otras universidades de los EE. UU., Francia y el Reino Unido dicen que han resuelto ese enigma e identificado factores clave en la estructura de la CSH que podrían ayudar a los investigadores a resolvermejores formulaciones para producir concreto más duradero.
Roland Pellenq, científico investigador sénior en el departamento de ingeniería civil y ambiental del MIT, director del laboratorio 2 del MIT-CNRS organizado por la Iniciativa de Energía del MIT y coautor del nuevo artículo, dice que el trabajo se basa en investigaciones anterioresdirigió con otros en el Concrete Sustainability Hub CSHub a través de una colaboración entre el MIT y el CNRS. "Hicimos el primer modelo a escala atómica" de la estructura del hormigón, dice, pero aún quedaban preguntas sobre la estructura más grande de mesoescala., en escalas de unos pocos cientos de nanómetros. El nuevo trabajo aborda algunas de esas incertidumbres restantes, dice.
Un poco de ambos
Una pregunta clave era si el material CSH solidificado, que está compuesto de partículas de muchos tamaños diferentes, debería considerarse una matriz continua o un conjunto de partículas discretas. La respuesta resultó ser que es un poco de ambos:la distribución de partículas es tal que casi todos los espacios entre granos están llenos de granos aún más pequeños, hasta el punto de que se aproxima a un sólido continuo. "Esos granos están en una interacción muy fuerte en la mesoescala", dice.
"Siempre se puede encontrar un grano más pequeño para encajar entre" los granos más grandes, dice Pellenq, y por lo tanto "se puede ver como un material continuo". Pero los granos dentro de la CSH "no pueden alcanzar el equilibrio,"o un estado de energía mínima, en escalas de longitud que involucran muchos granos, y esto hace que el material sea vulnerable a los cambios a lo largo del tiempo, dice. Eso puede conducir a la" deformación "del concreto sólido y eventualmente a la fisuración y degradación".los puntos de vista son correctos, en cierto sentido ", explica.
El análisis de la estructura del concreto endurecido encontró que los poros de diferentes tamaños juegan un papel importante en la determinación de las características del material. Mientras que los poros más pequeños, a nanoescala, se habían estudiado previamente, los poros de mesoescala, que iban desde 15 a 20 nanómetros en adelante, habían sido másEs difícil de estudiar y no está bien caracterizado, dice Pellenq. Estos espacios de poros pueden desempeñar un papel importante en la determinación de cuán susceptible es el material al agua que puede entrar en el material y causar grietas, que eventualmente conducen a fallas estructurales. Esta grieta, quizás sorprendentemente, sin embargo, no tiene nada que ver con la expansión del agua cuando se congela.
Las nuevas simulaciones de mesoescala son las primeras que pueden coincidir adecuadamente con los resultados a veces conflictivos y confusos observados en los experimentos que miden la textura CSH, dice Pellenq.
Hacia mejores fórmulas
Las nuevas simulaciones permiten hacer coincidir los valores de características clave como la rigidez, la elasticidad y la dureza, que se ven en muestras de concreto reales. Eso muestra que el modelado es útil, dice, y podría ayudar a guiar la investigación sobre el desarrollofórmulas mejoradas, por ejemplo, las que reducen la cantidad requerida de agua en la mezcla inicial con polvo de cemento. Es la fabricación del polvo de cemento, un proceso que requiere la cocción de piedra caliza con arcillas a temperaturas muy altas, lo que hace que la producción de concreto sea unade las principales fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero causadas por el hombre.
Los investigadores descubrieron que ajustar la cantidad de agua necesaria para una aplicación dada también podría mejorar la durabilidad del material. La cantidad de agua utilizada en la mezcla original puede marcar una gran diferencia en la longevidad del concreto, aunque la mayor parte se evaporadurante el proceso de fraguado. Si bien se necesita agua para que la lechada fluya de modo que pueda verterse en su lugar, demasiada agua conduce a espacios de poros mucho más grandes y regiones más sueltas y "esponjosas" en el concreto fraguado, el equipo encontróEsas regiones podrían dejar el material más vulnerable a la degradación posterior, o incluso podrían diseñarse para mejorar su durabilidad.
"Este es un paso por excelencia hacia la provisión de una comprensión perfecta del átomo a la estructura del hormigón, con un enorme impacto práctico a medio plazo en términos de diseño y optimización de materiales", dice Christian Hellmich, director del Instituto de Mecánica deMateriales y estructuras en la Universidad Tecnológica de Viena, que no participó en esta investigación. Agrega: "esta investigación ayuda a promover la investigación concreta como una disciplina científica de vanguardia, donde la cooperación de ingenieros y físicos surge como una fuerza impulsora parala reunificación de las ciencias naturales a través de los límites de las subdisciplinas, a menudo demasiado ajustados ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por MIT Concrete Sustainability Hub MIT CSHub . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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