El mundo del hormigón que nos rodea debe su forma y durabilidad a las reacciones químicas que comienzan cuando el cemento Portland ordinario se mezcla con agua. Ahora, Los científicos del MIT han demostrado una forma de observar estas reacciones en condiciones del mundo real, un avance que puede ayudar a los investigadores a encontrar formas de hacer que el hormigón sea más sostenible.

El estudio es un "momento de los hermanos Lumière para la ciencia concreta, "dice el coautor Franz-Josef Ulm, profesor de ingeniería civil y ambiental y director de la facultad del MIT Concrete Sustainability Hub, refiriéndose a los dos hermanos que marcaron el comienzo de la era de las películas proyectadas. Igualmente, Ulm dice:el equipo del MIT ha proporcionado un vistazo de la hidratación del cemento en etapa inicial que es como el cine en Technicolor en comparación con las fotos en blanco y negro de investigaciones anteriores.

El cemento en el hormigón aporta alrededor del 8 por ciento de las emisiones totales de dióxido de carbono del mundo, rivalizando con las emisiones producidas por la mayoría de los países individuales. Con una mejor comprensión de la química del cemento, los científicos podrían potencialmente "alterar la producción o cambiar los ingredientes para que el concreto tenga un impacto menor en las emisiones, o agregar ingredientes que sean capaces de absorber activamente dióxido de carbono, "dice Admir Masic, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental.

Las tecnologías de próxima generación como la impresión 3D de hormigón también podrían beneficiarse de la nueva técnica de imagen del estudio. que muestra cómo el cemento se hidrata y se endurece en su lugar, dice el estudiante graduado de Masic Lab Hyun-Chae Chad Loh, quien también trabaja como científico de materiales en la empresa Black Buffalo 3D Corporation. Loh es el primer autor del estudio publicado en ACS's Langmuir , unirse a Ulm, Masic y la postdoctoral Hee-Jeong Rachel Kim.

Cemento desde el principio

Loh y sus colegas utilizaron una técnica llamada microspectroscopía Raman para observar más de cerca las reacciones químicas específicas y dinámicas que tienen lugar cuando el agua y el cemento se mezclan. La espectroscopia Raman crea imágenes al hacer brillar una luz láser de alta intensidad sobre el material y medir las intensidades y longitudes de onda de la luz a medida que es dispersada por las moléculas que componen el material.

Las diferentes moléculas y enlaces moleculares tienen sus propias huellas dactilares de dispersión únicas, "por lo que la técnica se puede utilizar para crear imágenes químicas de estructuras moleculares y reacciones químicas dinámicas dentro de un material. La espectroscopia Raman se utiliza a menudo para caracterizar materiales biológicos y arqueológicos, como lo ha hecho Masic en estudios previos sobre nácar y otros materiales biomineralizados y antiguos hormigones romanos.

Usando microspectroscopía Raman, Los científicos del MIT observaron una muestra de cemento Portland ordinario colocada bajo el agua sin alterarla ni detener artificialmente el proceso de hidratación. imitando las condiciones reales de uso del hormigón. En general, uno de los productos de hidratación, llamado portlandita, comienza como una fase desordenada, se filtra por todo el material, y luego cristaliza, concluyó el equipo de investigación.

Antes de esto, "los científicos solo podían estudiar la hidratación del cemento con propiedades de volumen promedio o con una instantánea de un punto en el tiempo, "dice Loh, "pero esto nos permitió observar todos los cambios de manera casi continua y mejoró la resolución de nuestra imagen en el espacio y el tiempo".

Por ejemplo, calcio-silicato-hidratado, o C-S-H, es el principal ingrediente aglutinante del cemento que mantiene unido el hormigón, "pero es muy difícil de detectar debido a su naturaleza amorfa, "Loh explica." Al ver su estructura, distribución, y cómo se desarrolló durante el proceso de curado fue algo asombroso de ver ".

Construyendo mejor

Ulm dice que el trabajo guiará a los investigadores mientras experimentan con nuevos aditivos y otros métodos para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del concreto:"En lugar de 'pescar en la oscuridad, 'ahora podemos racionalizar a través de este nuevo enfoque cómo ocurren o no las reacciones, e intervenir químicamente ".

El equipo utilizará la espectroscopia Raman mientras pasan el verano probando qué tan bien los diferentes materiales cementosos capturan el dióxido de carbono. Dice Masic. "Hacer un seguimiento de esto hasta ahora ha sido casi imposible, pero ahora tenemos la oportunidad de seguir la carbonatación en materiales cementosos que nos ayuda a comprender a dónde va el dióxido de carbono, qué fases se forman, y cómo cambiarlos para poder utilizar el hormigón como sumidero de carbono ".

La imagen también es fundamental para el trabajo de Loh con la impresión de hormigón en 3D, que depende de la extrusión de capas de hormigón en un proceso coordinado y medido con precisión, durante el cual la lechada líquida se convierte en hormigón sólido.

"Saber cuándo se va a fraguar el hormigón es la cuestión más crítica que todo el mundo está intentando entender" en la industria, él dice. "Hacemos muchas pruebas y errores para optimizar un diseño. Pero monitorear la química subyacente en el espacio y el tiempo es fundamental, y esta innovación basada en la ciencia tendrá un impacto en las capacidades de impresión de hormigón de la industria de la construcción ".

Este trabajo fue parcialmente apoyado por el programa de becas de la Fundación Educativa Kwanjeong.