Tous les jours, les structures en béton se fissurent et s'érodent prématurément en raison de la réactivité de la silice alcaline (ASR), une réaction chimique qui provoque des fissures dans le matériau lors de sa prise. Jon Belkowitz, doctorant au Stevens Institute of Technology, envisage de mettre fin à ce problème grâce à son étude des réactions chimiques au sein du béton à l'échelle nanométrique. Profitant des outils et matériaux de caractérisation des nanostructures de Stevens, ses recherches sur l'utilisation optimale de la nanosilice créeront un nouveau mélange de béton qui se traduira par des bâtiments plus durables, routes, trottoirs, escaliers, les égouts, et barrages.

"Avec l'avènement des nanotechnologies, les propriétés matérielles du béton, y compris l'atténuation de l'ASR, permet aux ingénieurs et aux architectes d'utiliser le béton dans des applications qui étaient autrefois impossibles, " dit Jean.

Optimiser le béton

Au niveau le plus élémentaire, le béton est un mélange de ciment en poudre fine, agrégat de roche, et de l'eau. Une réaction entre le ciment et l'eau donne du silicate de calcium hydraté, qui donne au béton sa force, ainsi que le gel ASR. Le gel ASR se forme à l'interface du ciment alcalin et de la silice non cristalline présente dans le granulat. Au fur et à mesure que le béton durcit, le gel ASR se dilate, provoquant des contraintes résiduelles qui fragilisent le béton et le détériorent. Au fur et à mesure que la pression augmente à l'interface, le béton commence à se fissurer et à s'effriter de l'intérieur, sur une période allant de quelques jours à plusieurs années.

"En utilisant des outils de caractérisation des nanostructures, nous sommes maintenant capables de comprendre les nombreux mystères du béton, par exemple, qu'il existe trois types d'eau dans le béton hydraté, et ces trois types d'eau différents ont trois types différents de mouvements moléculaires, ce qui signifie trois forces différentes, " dit John. Plus vous en savez sur le béton, note-t-il, plus cela devient complexe. Il espère que ses recherches permettront de découvrir de nouvelles méthodes pour augmenter les propriétés mécaniques du béton.

La recherche de Jon adopte une approche à trois niveaux :« J'utilise cette nouvelle nanotechnologie non seulement pour empêcher la production d'ASR, mais j'utilise également de la nano silice pour renforcer la matrice de ciment hydraté du béton afin de résister à la nature expansive du gel ASR, " explique Jon. " J'essaie également de modifier les propriétés de l'excès d'eau dans le béton afin qu'il ne puisse pas réagir avec les alcalins solubles dans la silice pour provoquer un gel ASR. "

Malgré l'ubiquité du matériau, les réactions au sein du béton à mesure qu'il sèche et se renforce sont difficiles à contrôler. « C'est un problème constant dans l'industrie du béton, " dit Jon. " Dans le passé, nous n'avions vraiment aucun moyen de comprendre le développement des grains cristallographiques de la matrice de béton. Nous pourrions mettre en place des modèles, ou utilisez d'autres minéraux pour comparer à l'hydrate de calcium et de silice. Nous ne créons pas la même structure à chaque fois. Grâce à l'utilisation d'outils de caractérisation des nanostructures, nous avons maintenant la capacité de mieux comprendre la matrice de ciment hydraté qui compose le béton."

Les recherches de Jon sont menées au Laboratoire de nanomécanique et nanomatériaux sous la direction du Dr Frank Fisher, Professeur agrégé de génie mécanique et co-directeur du programme d'études supérieures en nanotechnologie. Bien que Jon espère appliquer ses recherches aux applications du génie civil, son travail est pluridisciplinaire, combinant la physique du solide, génie mécanique, synthèse de polymère, et génie chimique.

Les recherches de Jon sont financées par la New Jersey Alliance for Engineering Education (NJAEE), par le biais du programme de boursiers d'enseignement supérieur de la National Science Foundation (NSF) dans le K-12 (GK-12). Il travaille dans un lycée local à Bayonne, New Jersey dix heures par semaine dans le cadre du programme, et dit qu'il aime l'opportunité de partager sa passion avec les étudiants. "C'est excitant d'ouvrir leur esprit à de nouvelles possibilités, " dit Jon. "Ils le mangent."

Un "geek concret"

Jon arrive à Stevens avec 15 ans d'expérience concrète :10 ans dans l'armée de l'air américaine pour la pose de béton sur des projets de génie civil à travers le monde, et 5 ans chez le géant de la fabrication de béton LaFarge, où il a conçu de nouveaux types de béton en laboratoire et les a traduits en produits avec des applications réelles. Jon est diplômé avec distinction de la Colorado School of Mines avec un baccalauréat ès sciences en génie civil et de l'Université de Denver avec une maîtrise ès sciences en science des matériaux. Il possède actuellement Intelligent Concrete, SARL, qui se consacre à la recherche concrète, développement, et l'éducation.

Cette vaste expérience lui permet de dialoguer aussi bien avec les scientifiques, Entreprise, et laïcs. Cela lui donne également une approche réaliste. "L'une des choses les plus difficiles à faire dans l'industrie du béton - ou dans n'importe quelle industrie - est de prendre des données de laboratoire et de les traduire en industrie commerciale, " dit Jon. " Dans le laboratoire, vous avez des conditions presque parfaites. Dans le monde réel, c'est salissant. » Ses connaissances concrètes ont déjà donné des résultats. En 2008, son design Chronolia Road Patch a reçu le "Prix de l'innovation de l'année" de l'American Concrete Institute - Rocky Mountain Chapter.

Jon s'est fait une vie en béton, mais je n'aurais pas voulu qu'il en soit autrement. "Je suis un geek du béton dans l'âme, " dit-il. En fait, c'est en quelque sorte une "entreprise familiale, " Jon ironise. Le père de Jon travaille dans le marketing pour une entreprise de béton, et sa femme poursuit ses études de premier cycle en ingénierie à Stevens, cherche à se spécialiser dans le béton.

Alors qu'il regarde vers l'avenir, Jon est convaincu que son travail chez Stevens, étudiant les plus petites réactions dans le béton, rapportera de grandes récompenses à l'avenir.