Cotidiano, Las estructuras de hormigón se agrietan y erosionan prematuramente debido a la reactividad de sílice alcalina (ASR), una reacción química que provoca fisuras en el material al fraguar. Jon Belkowitz, estudiante de doctorado en el Stevens Institute of Technology, planea poner fin a este problema mediante su estudio de las reacciones químicas dentro del hormigón a nanoescala. Aprovechando las herramientas y materiales de caracterización de nanoestructuras de Stevens, Su investigación sobre el uso óptimo de la nano sílice creará una nueva mezcla de hormigón que dará como resultado edificios más duraderos. carreteras aceras, escaleras, alcantarillas y presas.
"Con la llegada de la nanotecnología, las propiedades materiales del hormigón, incluida la mitigación de ASR, permite a los ingenieros y arquitectos la capacidad de utilizar hormigón en aplicaciones que antes eran imposibles, "Dice John.
Optimización del hormigón
En el nivel más básico, el hormigón es una mezcla de cemento finamente pulverizado, agregado de roca, y agua. Una reacción entre el cemento y el agua produce silicato de calcio hidratado, que le da al hormigón su fuerza, así como gel ASR. El gel ASR se forma en la interfaz del cemento alcalino y la sílice no cristalina que se encuentra en el agregado. A medida que el hormigón se endurece, el gel ASR se expande, provocando tensiones residuales que debilitan el hormigón y provocan su deterioro. A medida que aumenta la presión en la interfaz, el concreto comienza a agrietarse y desmoronarse desde adentro, durante un período que abarca desde días hasta años.
"Utilizando herramientas de caracterización de nanoestructuras, ahora podemos comprender los muchos misterios del hormigón, por ejemplo, que hay tres tipos de agua en el hormigón hidratado, y esos tres tipos diferentes de agua tienen tres tipos diferentes de movimientos moleculares, lo que significa tres fuerzas diferentes, "Dice John. Cuanto más sepa sobre el hormigón, él nota, cuanto más complejo se vuelve. Espera que su investigación descubra nuevos métodos para aumentar las propiedades mecánicas del hormigón.
La investigación de Jon adopta un enfoque de tres niveles:"Estoy usando esta nueva nanotecnología no solo para evitar que se produzca ASR, pero también estoy usando nano sílice para fortalecer la matriz de cemento hidratado del concreto para resistir la naturaleza expansiva del gel ASR, "Jon explica." También estoy tratando de cambiar las propiedades del exceso de agua dentro del concreto para que no pueda reaccionar con los álcalis solubles en la sílice para causar gel ASR ".
A pesar de la ubicuidad del material, las reacciones dentro del hormigón a medida que se seca y endurece son difíciles de controlar. "Este es un problema constante en la industria del hormigón, ", Dice Jon." En el pasado realmente no teníamos forma de entender el desarrollo de los granos cristalinos de la matriz de hormigón. Podríamos configurar modelos, o utilice otros minerales para compararlos con el hidrato de sílice de calcio. No creamos la misma estructura cada vez. Mediante el uso de herramientas de caracterización de nanoestructuras, ahora tenemos la capacidad de obtener una mejor comprensión de la matriz de cemento hidratado que forma el hormigón ".
La investigación de Jon se está llevando a cabo en el Laboratorio de Nanomecánica y Nanomateriales bajo la dirección del Dr. Frank Fisher, Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica y Codirector del Programa de Posgrado en Nanotecnología. Aunque Jon espera aplicar su investigación en aplicaciones de ingeniería civil, su trabajo es multidisciplinario, combinando la física del estado sólido, Ingeniería Mecánica, síntesis de polímeros, e ingeniería química.
La investigación de Jon está financiada por New Jersey Alliance for Engineering Education (NJAEE), a través del Programa de Becarios de Docencia para Graduados de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) en K-12 (GK-12). Trabaja en una escuela secundaria local en Bayona, Nueva Jersey diez horas a la semana como parte del programa, y dice que disfruta la oportunidad de compartir su pasión con los estudiantes. "Es emocionante abrir sus mentes a nuevas posibilidades, "Jon dice." Se lo comen ".
Un "friki del hormigón"
Jon llega a Stevens con 15 años de experiencia en concreto:10 años en la Fuerza Aérea de los Estados Unidos colocando concreto en proyectos de ingeniería civil en todo el mundo, y 5 años en el gigante de la fabricación de hormigón LaFarge, donde diseñó nuevos tipos de hormigón en un laboratorio y los tradujo en productos con aplicaciones del mundo real. Jon se graduó con distinción de la Escuela de Minas de Colorado con una licenciatura en Ingeniería Civil y la Universidad de Denver con una Maestría en Ciencias en Ciencia de Materiales. Actualmente es propietario de Intelligent Concrete, LLC, que se dedica a la investigación concreta, desarrollo, y educación.
Esta amplia experiencia le permite conversar igualmente bien con los científicos, negocio, y laicos. También le da un enfoque realista. "Una de las cosas más difíciles de hacer en la industria del hormigón, o en cualquier industria, es tomar datos de laboratorio y traducirlos en la industria comercial, "Jon dice." En el laboratorio tienes condiciones casi perfectas. En el mundo real, es complicado ". Su conocimiento concreto ya ha dado resultados. En 2008, Este diseño de parches de carreteras de Chronolia recibió el "Premio a la innovación del año" del Instituto Americano del Concreto - Capítulo de las Montañas Rocosas.
Jon se ha hecho una vida de hormigón, pero no lo haría de otra manera. "Soy un friki del hormigón de corazón, ", dice. De hecho, es algo así como una "empresa familiar, ", Bromea Jon. El padre de Jon trabaja en marketing para una empresa concreta, y su esposa está cursando su licenciatura en Ingeniería en Stevens, buscando especializarse en concreto.
Mientras mira hacia el futuro, Jon confía en que su trabajo en Stevens, al estudiar las reacciones más pequeñas dentro del hormigón, producirá grandes recompensas en el futuro.
