Aunque se utiliza para construir algunas de las estructuras más grandes del mundo, resulta que el cemento tiene algo en común con una esponja.

Un material muy poroso, el cemento tiende a absorber el agua de las precipitaciones e incluso la humedad ambiental. Y así como la forma de una esponja cambia según la saturación de agua, también lo hace el del cemento, según un trabajo reciente realizado en el MIT.

En un artículo publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , investigadores del MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), El Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) y la Universidad de Aix-Marsella discuten cómo la red porosa del material absorbe agua y proponen cómo el secado reordena permanentemente el material y conduce a posibles daños estructurales.

Pero para comprender cómo el agua puede cambiar la estructura de los poros del cemento, primero hay que ver cómo contribuye a la formación de esta misma estructura.

La pasta de cemento comienza como un polvo seco compuesto de ingredientes cuidadosamente mezclados que incluyen calcio, planchar, aluminio, y silicio. De aquí, este polvo se mezcla con una cierta proporción de agua para formar una pasta de cemento. Aquí es donde comienza a formarse la red de poros.

Una vez que el agua y el polvo se mezclan, reaccionan juntos y producen compuestos conocidos como hidrato de silicato de calcio (CSH), también conocidos como hidratos de cemento.

"Los hidratos de cemento son pequeños, en la escala de nanoescala, "dice Tingtao Zhou, un doctorado estudiante del Departamento de Física y autor principal del artículo. "Estos son los bloques de construcción de cemento".

Durante la hidratación del cemento, Los nanogranos del hidrato de cemento se agregan entre sí, formando una red que une todos los componentes. Si bien esto le da al cemento su fuerza, los espacios entre los hidratos de cemento crean una extensa red de poros en la pasta de cemento.

"Tienes numerosos poros de tamaños variables que están interconectados, "describe Zhou." Se vuelve muy complejo. Y como son tan pequeños, ni siquiera necesitas lluvia para llenarlos de agua. Incluso la humedad ambiental puede llenar estos poros ".

Esto plantea un problema al intentar estudiar el secado de una red de poros.

"Digamos que solo tienes dos granos de silicato de calcio hidratado; puedes imaginar que hay algo de condensación de agua entre ellos, "explica Zhou". En este caso, es fácil medir el agua en el espacio de los poros y la presión de esta condensación, lo que llamamos presión capilar. Pero cuando tienes una gran cantidad de granos, la distribución del agua se vuelve realmente complicada, la geometría se vuelve un desastre ".

Para lidiar con el agua en la desordenada red de poros del cemento, Zhou y Katerina Ioannidou, un científico investigador del CNRS y la Iniciativa de Energía del MIT y autor correspondiente del artículo, Primero luché con dos problemas.

El primero fue la saturación parcial. Dado que la red de poros es tan compleja, el agua se distribuye de manera desigual, lo que dificulta el cálculo de su distribución.

El segundo problema es el de las escalas múltiples.

"En el pasado, los investigadores estudiarían el movimiento del agua en los poros a escala del átomo o en el continuo, o visible, escala, "Zhou informa." Esto significa que perdieron mucha información en la mesoescala, que está entre las escalas atomística y continua ".

En la última década, Ioannidou, junto con los investigadores Roland Pellenq, Franz-Josef Ulm, Sidney Yip, y Emanuela Del Gado de la Universidad de Georgetown han trabajado para avanzar en el modelado del cemento a múltiples escalas. Este documento reciente se basó en su trabajo para abordar estos problemas.

Usando técnicas de modelado computacional, Zhou e Ioannidou calcularon cómo se distribuye el agua dentro de un poro y luego determinaron la fuerza que ejercía el agua sobre la pared del poro. Una vez completado, agruparon los poros y simularon el efecto del secado en la mesoescala.

Después de examinar las simulaciones, Zhou y Ioannidou descubrieron que los granos se habían "reorganizado irreversiblemente bajo un secado suave".

Aunque estos cambios parecían pequeños, no eran necesariamente insignificantes. "Encontramos cambios estructurales irreversibles en la mesoescala, "Zhou señala." Aún no se está propagando a una escala mayor. Pero, ¿qué sucede cuando tenemos muchos de estos ciclos de secado durante muchos años? "

Aunque es demasiado pronto para saber cómo afecta exactamente este tipo de cambio estructural a las estructuras de hormigón, Zhou espera desarrollar un nuevo modelo para estudiar las consecuencias a largo plazo del secado.

"En este papel, nos hemos ocupado de diferentes escalas espaciales. Pero todavía tenemos que lidiar con diferentes escalas de tiempo. Estos cambios ocurren en un período de nanosegundos y nos gustaría ver su influencia sobre la vida útil típica de las estructuras de hormigón. " el explica.

Todavía, este enfoque computacional representa una nueva forma de comprender mejor los efectos del secado en el cemento. "En experimentos físicos anteriores, es muy difícil observar daños a esta escala. Pero la computación nos permite simular este tipo de daño, "explica Zhou." Este es el poder de la computación ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.