Cementni materijali, uključujući cementnu pastu, malter i beton su najzastupljeniji materijali na svetu. Njihov ugljenični otisak je prema tome ogroman. Procesi proizvodnje cementa čine skoro 6 procenata globalne emisije ugljenika.
Malo je verovatno da će se potražnja za ovim materijalima u skorije vreme smanjiti. U Sjedinjenim Državama većina betonskih mostova, zgrada i ulica izgrađenih 1960-ih i 1970-ih godina, projektovane su u eri gde se nije toliko vodilo računa o ekološkim efektima i infrastruktura je izgrađena da traje najviše 50 godina.
Međutim, sada su istraživači sa MIT-a otkrili početak novog pristupa proizvodnji betona koji je inspirisan hijerarhijskim raspoređivanjem jednostavnih gradivnih blokova u prirodnim materijalima. Nalazi mogu dovesti do saznanja o novim načinama ojačanja betona i koristima održivijih, lokalnih materijala kao aditiva, kako bi se ublažila emisija štetnih gasova iz betona.
U novoj studiji, Oral Buyukozturk, profesor zaštite životne sredine i njegove kolege analizirali su ključno svojstvo betona, na nivou pojedinačnih atoma, koje doprinosi njegovoj ukupnoj snazi i trajnosti. Grupa je razvila kompjuterski model za simuliranje ponašanja pojedinih atoma koji se organizuju kako bi formirali molekularne gradivne blokove unutar čvrstog materijala.
Ove simulacije su otkrile da je veza unutar molekularne strukture pokazala otpornost „trenju" pod deformacijom na smicanje. Tim je tada razvio polje kohezione sile trenja ili model koji uključuje interakcije između atoma unutar većih čestica, od kojih svaka sadrži hiljade atoma. Istraživači kažu da je precizno opisivanje sila unutar ovih sklopova od ključnog značaja za razumevanje načina na koji se razvija snaga u betonskim materijalima.
Slika 1. Ilustracija (foto: MIT)
Tim sada ispituje načine na koje se kohezione i sile trenja grupa atoma ili koloida u cementu, poboljšavaju mešanjem sa određenim aditivima poput vulkanskog pepela, rafinerijske šljake i drugih materijala. Računarski model koji je razvio tim može pomoći konstruktorima da izaberu lokalne aditive na osnovu molekularnih interakcija u nastalim smešama. Kroz pažljivo stvaranje na mikroskopskom nivou konstruktori i inženjeri na kraju mogu izgraditi jače i ekološki održivije konstrukcije.
„Uslovi poslovanja u svetu se menjaju", kaže Buyukozturk. „Postoje povećani zahtevi vezani za zaštitu životne sredine, zatim za zaštitu od zemljotresa i poplava, sa naglaskom na infrastrukturu. Moramo doći do materijala koji su održiviji, sa mnogo dužim životnim vekom trajanja i boljom trajnošću. To je veliki izazov."
Buyukozturk i njegove kolege, diplomci Steven Palković i Sidney Yip, profesor emeritus na Odseku za nuklearno inženjerstvo na MITu, objavili su svoje rezultate u časopisu „Journal of the Mechanics and Physics of Solids“.
Sila trenja
Buyukozturkova vizija za obnovljeni, lokalni izvor betona je delimično inspirisana rimskim građevinama. Kada je carstvo bilo na vrhuncu, Rimljani su podizali hramove, kupatila i amfiteatre u Pompeji, Ostiji, Španiji i Bliskom istoku, uključujući gradove u Turskoj, Libiji i Maroku. Na svakoj udaljenoj lokaciji, arheolozi su otkrili da su Rimljani izgradili zgrade od lokalnih materijala, što je omogućilo očuvanje ovih objekata duže od 2000 godina.
„Verovatno su bili vođeni intuicijom", kaže Buyukozturk. „Naš napor je bio da primenimo takvu filozofiju, tj. da koristimo materijale koji su lokalno dostupni, razumevajući osnovne naučne principe vezane za svojstva tih materijala."
U novom radu naučnici opisuju kompjuterski model koji je deo računskog okvira koji su razvili u cilju analiziranja kako atomska struktura betona utiče na inženjerske osobine. Ovi modeli simuliraju klizanje i kretanje klastera čestica u molekulskim skalama unutar betona.
Istraživači su koristili svoj atomistički model za simulaciju smeša koje sadrže Portland cement, najčešći tip cementa koji se koristi u svetu. Konkretno, simulirali su mehaničku reakciju supstance slične gelu koja se naziva kalcijum-silikat-hidrat (C-S-H), u glavnoj fazi koja se formira kada voda reaguje sa Portland cementom. Grupa je modelirala kretanje hiljada atoma u molekularnom C-S-H gradivnom bloku, naglašavajući uticaj kohezionih sila koje uzrokuju da se čestice drže zajedno i prisustvo otpornosti na smicanje kada klasteri atoma klize jedan pored drugog duž interfejsa popunjenog vodom.
Slika 2. Kompjuterska simulacija (foto: MIT)
Tada su simulirali kako ova svojstva na molekularnom nivou kontrolišu veće čestice koje sadrže hiljade atoma ili koloida, na onome što nazivaju „mesoskale". Otkrili su da je stepen do kojeg se frikciona svojstva odupiru kretanju i razdvajanju koloida na mesoskali najjači faktor u određivanju čvrstoće betona na centimetarskoj lestvici.
Konstruktori često koriste osobine cementa na centimetarskoj skali kakko bi predvideli snagu konačne, mnogo veće strukture. Istraživači su tako primenili rezultate simulacija njihovih atoma-koloida u računarskim modelima stvrdnute mikrostrukture, kako bi se omogućilo poređenje sa stvarnim laboratorijskim eksperimentima u centimetrima. Buyukozturk je pronašao da se predviđanja tima poklapaju sa rezultatima eksperimenta bolje od predviđanja napravljenih simulacijama koje zanemaruju frikcione interakcije.
„Nauka o cementnoj snazi još uvek je u povoju u pogledu opisa molekulskog nivoa i sposobnosti da izvode kvantitativna predviđanja", kaže Yip. „Pitanje sile trenja, upućeno u našem radu, odnosi se na mehaničko ponašanje cementa koji se vremenom razlikuje. Ovaj stepen osetljivosti je vid naučnih izazova na mesoskali, što je granica istraživanja gde su koncepti i modeli na mikro nivou razvijeni u nekoliko fizičkih disciplina povezanih sa karakteristikama na mikro nivou za tehnološku primenu."
Buyukozturk dodaje: „Uvereni smo da naš novi okvir otvara novu eru u nauci o betonu."
Aditivi u mešavini
Grupa sada radi na integrisanju različitih aditiva u svoj model, istražuje efekat takvih materijala na ponašanje odnosa atoma u cementu i konačnu snagu finalnog, ojačanog betona. Iz prethodnih studija su primetili da postoji hemijska zavisnost od vrednosti trenja ili stepen do kog se koloidi odupiru klizanju jedan prema drugom. Budući rad će istražiti kako aditivi utiču na hemijski sastav ovih koloidnih faza. Ove informacije mogu se koristiti kao deo baze podataka za kreiranje i optimizaciju novih betonskih materijala sa poboljšanom snagom i deformacionim svojstvima.
„Znamo relativno malo o tome šta se dešava kada se aditivi koriste u betonu", kaže Palković. „Ne očekujemo da će vulkanski pepeo iz Saudijske Arabije dati iste performanse kao vulkanski pepeo sa Havaja. Zato nam je potrebno ovo bolje razumevanje materijala, koje počinje na atomističkoj skali i uzima u obzir hemijski sastav materijala. To nam može dati veću kontrolu i razumevanje kako možemo da koristimo aditive za stvaranje boljeg materijala."
