Le monde concret qui nous entoure doit sa forme et sa durabilité aux réactions chimiques qui commencent lorsque le ciment Portland ordinaire est mélangé à de l'eau. Maintenant, Les scientifiques du MIT ont démontré un moyen d'observer ces réactions dans des conditions réelles, une avancée qui peut aider les chercheurs à trouver des moyens de rendre le béton plus durable.

L'étude est un "moment Frères Lumière pour la science concrète, " dit le co-auteur Franz-Josef Ulm, professeur de génie civil et environnemental et directeur de faculté du MIT Concrete Sustainability Hub, en référence aux deux frères qui ont inauguré l'ère des films projetés. De même, Ulm dit, l'équipe du MIT a donné un aperçu de l'hydratation du ciment à un stade précoce qui ressemble au cinéma en Technicolor par rapport aux photos en noir et blanc des recherches antérieures.

Le ciment dans le béton contribue à environ 8 pour cent des émissions totales de dioxyde de carbone dans le monde, rivalisant avec les émissions produites par la plupart des pays individuels. Avec une meilleure compréhension de la chimie du ciment, les scientifiques pourraient potentiellement "modifier la production ou changer les ingrédients afin que le béton ait moins d'impact sur les émissions, ou ajouter des ingrédients capables d'absorber activement le dioxyde de carbone, " dit l'Amir Masic, professeur agrégé de génie civil et environnemental.

Les technologies de nouvelle génération comme l'impression 3D du béton pourraient également bénéficier de la nouvelle technique d'imagerie de l'étude, qui montre comment le ciment s'hydrate et durcit en place, dit Hyun-Chae Chad Loh, étudiant diplômé du Masic Lab, qui travaille également en tant que scientifique des matériaux avec la société Black Buffalo 3D Corporation. Loh est le premier auteur de l'étude publiée dans la revue ACS Langmuir , rejoindre Ulm, Masique, et postdoctorale Hee-Jeong Rachel Kim.

Du ciment dès le départ

Loh et ses collègues ont utilisé une technique appelée microspectroscopie Raman pour examiner de plus près les réactions chimiques spécifiques et dynamiques qui se produisent lorsque l'eau et le ciment se mélangent. La spectroscopie Raman crée des images en projetant une lumière laser de haute intensité sur le matériau et en mesurant les intensités et les longueurs d'onde de la lumière lorsqu'elle est diffusée par les molécules qui composent le matériau.

Différentes molécules et liaisons moléculaires ont leurs propres « empreintes digitales de diffusion, " la technique peut donc être utilisée pour créer des images chimiques de structures moléculaires et de réactions chimiques dynamiques à l'intérieur d'un matériau. La spectroscopie Raman est souvent utilisée pour caractériser les matériaux biologiques et archéologiques, comme Masic l'a fait dans des études précédentes sur la nacre et d'autres matériaux biominéralisés et les bétons romains antiques.

En utilisant la microspectroscopie Raman, les scientifiques du MIT ont observé un échantillon de ciment Portland ordinaire placé sous l'eau sans le déranger ni arrêter artificiellement le processus d'hydratation, imitant les conditions réelles d'utilisation du béton. En général, l'un des produits d'hydratation, appelé portlandite, commence comme une phase désordonnée, s'infiltre dans tout le matériau, puis cristallise, a conclu l'équipe de recherche.

Avant ça, « les scientifiques ne pouvaient étudier l'hydratation du ciment qu'avec des propriétés en vrac moyennes ou avec un instantané d'un moment donné, " dit Loh, "mais cela nous a permis d'observer presque continuellement tous les changements et d'améliorer la résolution de notre image dans l'espace et le temps."

Par exemple, calcium-silicate-hydrate, ou C-S-H, est le principal ingrédient liant du ciment qui maintient le béton ensemble, "mais il est très difficile à détecter en raison de sa nature amorphe, " explique Loh. " Vu sa structure, Distribution, et comment il s'est développé pendant le processus de durcissement était quelque chose d'étonnant à regarder."

Mieux construire

Ulm dit que le travail guidera les chercheurs alors qu'ils expérimentent de nouveaux additifs et d'autres méthodes pour réduire les émissions de gaz à effet de serre du béton :« Plutôt que de "pêcher dans le noir, ' nous sommes maintenant en mesure de rationaliser grâce à cette nouvelle approche comment les réactions se produisent ou ne se produisent pas, et intervenir chimiquement."

L'équipe utilisera la spectroscopie Raman pendant l'été pour tester dans quelle mesure différents matériaux cimentaires captent le dioxyde de carbone, dit Masic. "Le suivi de ceci jusqu'à présent a été presque impossible, mais maintenant nous avons la possibilité de suivre la carbonatation dans les matériaux cimentaires qui nous aide à comprendre où va le dioxyde de carbone, quelles phases se forment, et comment les changer afin d'utiliser potentiellement le béton comme puits de carbone."

L'imagerie est également essentielle pour le travail de Loh avec l'impression 3D du béton, qui dépend de l'extrusion des couches de béton dans un processus précisément mesuré et coordonné, au cours de laquelle le lisier liquide se transforme en béton solide.

"Savoir quand le béton va prendre est la question la plus critique que tout le monde essaie de comprendre" dans l'industrie, il dit. "Nous faisons beaucoup d'essais et d'erreurs pour optimiser une conception. Mais surveiller la chimie sous-jacente dans l'espace et le temps est essentiel, et cette innovation scientifique aura un impact sur les capacités d'impression du béton de l'industrie de la construction. »

Ce travail a été partiellement soutenu par le programme de bourses de la Fondation éducative Kwanjeong.