رمزگشایی از دلیل استحکام بتن
روزبه شهسواری، دانشمند مواد دانشگاه رایس، به همراه همکارش نینگ ژانگ، بیش از 600 مدل رایانه ای از ماتریس درونی بتن را بررسی کردند تا تعیین کنند هر دوی حفره ها و ذرات portlandite بازیگران مهمی در ارائه ویژگی های قابل توجه به این ماده هستند.
شهسواری و تیم علمی اش به دنبال ارائه دیدگاه های جدید و طراحی دستورالعمل ها و استراتژی هایی برای ارائه قابلیت تنظیم و سازگاری بیشتر هیدرات سیمان (cement hydrate) (که هیدرات کلسیم سیلیکات یا همان C-S-H هم خوانده می شود) موجود در در قلب بتن بودند. آن ها دریافتند در حالی که شاید بتن در مقیاس ماکرو شکننده به نظر برسد، دارای مکانیسم های شکنندگی رسانایی در مقیاس نانوست که مانع از شکنندگی آن می شوند.
مولفه C-S-H کوچکترین بلوک سازنده بتن است و شهسواری به دنبال درک و کنترل آن به نفع مقاصد مطلوبش بود. وی گفت: مدلبندی چگونگی تعامل مولکول های این مولفه به ما در درک ساختار نانو، نارسایی ها و سختی بتن کمک می کند. اما مطالعه این موضوع صرفا از طریق انجام آزمایشات دشوار است.
شهسواری و همکارش در آخرین مطالعات خود در آزمایشگاه دانشگاه رایس بررسی کردند که چگونه تعامل یا حفره های تصادفی هوا یا ذرات تصادفی portlandite در C-S-H، بر ویژگی های مکانیکی استحکام، سختی و سفتی بتن تاثیر می گذارند به ویژه هنگامی که این حفره ها با ترک های در حال گسترش تلاقی پیدا می کنند.
علاوه بر C-S-H، ذرات portlandite محصول دیگر هیدراتاسیون سیمان است اما این ماده در مقایسه با C-S-H در مقادیر کمتری تولید می شود و در اصل به عنوان نوعی inclusions یا جزایر ایزوله ای وجود دارد که توسط ماتریکس C-S-H احاطه شده است.
شهسواری گفت: چون ذرات portlandite دارای ویژگی های بلوری مختلف و همچنین مشخصه های مکانیکی متفاوتی از C-S-H است، حضور و توزیع آن می تواند تا حد زیادی مکانیک C-S-H را تحت تاثیر قرار دهد.
محققان با استفاده از شبیه سازی های دینامیک مولکولی، دریافتند که ترک ها تمایل دارند از رویکرد مقاومت حداقل تبعیت کنند و به مسیر یا نانوحفره ها یا ذرات portlandite وارد می شوند که با آن ها تلاقی پیدا می کنند. حفره ها و ذرات با از ریخت انداختن یا تغییر دادن هندسه یک ترک، انرژی آن را می گیرند. شهسواری مدعی است این امر در سختی کلی بتن دخیل است.
چون سالانه بیش از 30 میلیارد تن بتن مورد استفاده قرار می گیرد و تولید آن موجب 10 درصد انتشارات دی اکسید کربن در سراسر دنیا می شود، نتایج حاصل در این مطالعه حائز اهمیت به شمار می آید.
وی گفت: حفره های تصادفی و ذرات با کنترل کردن مجموعه ای از مکانیسم های شکل انداختن رقابت کننده مانند رشد ترک، ترک، اجتماع حفره ها، انعقاد حفره ها و تغییر هندسه حفره ها و ذرات، نقش کلیدی را در هیدرات سیمان بازی می کنند. مطالعه ما از تمامی این مکانیسم های رقابتی پیچیده رمزگشایی کرد.
چون C-S-H دارای متخلخلی بیشتری از بلورین بودن است، دانشمندان دریافتند اضافه کردن ذرات portlandite واکنش های شیمایی قوی را برانگیخت که استحکام و همچنین سفتی محصول را افزایش داد. آن ها همچنین تعیین کردند که هر چه قطر متوسط هر دوی ذرات و حفره ها کوچکتر باشد، محصول محکم تر است.
چون سالانه بیش از 30 میلیارد تن بتن مورد استفاده قرار می گیرد و تولید آن موجب 10 درصد انتشارات دی اکسید کربن در سراسر دنیا می شود، نتایج حاصل در این مطالعه حائز اهمیت به شمار می آید.
شهسواری افزود: نتایج ما برای نخستین بار شواهد جدیدی از مکانیسم های شکنندگی را در هیدرات سیمان ارائه می دهد که یادآور آلیاژهای بلورین و فلزات است. چون رشد ترک و استحکام ویژگی ذاتی است که مکانیسم های از ریخت افتادگی در مقیاس نانو آن را کنترل می کند، یافته های ما می تواند بر ویژگی های مکانیکی بتن در مقیاس های بزرگ تر تاثیر بگذارد و رویکردها و فرصت های جدیدی برای تبدیل کردن هیدرات سیمان شکننده به یک ماده مستحکم پیش رو بگذارد. این امر به نوبه خود بر مهندسی مدرن زیرساخت های ماندگار بتن و مواد پیچیده دیگر تاثیرگذار خواهد بود.
جزئیات این مطالعه در Journal of the Mechanics and Physics of Solids منتشر شد.
مترجم: شه تاو ناصری
No tags for this post.
