Исследователи из Массачусетского технологического института использовали лазерную визуализацию для выявления быстрых реакций внутри цемента, в который был введен CO2.
В течение многих лет компании закачивали углекислый газ в бетон, чтобы улавливать выбросы и улучшать его эксплуатационные характеристики на ранних этапах. Строительная отрасль приняла этот подход, хотя исследователи не могли до конца объяснить, почему он работает. Теперь ученые из Массачусетского технологического института заявляют, что наконец-то наблюдали за протеканием химических процессов в реальном времени.
Используя лазерную визуализацию, команда зафиксировала быстрые реакции, происходящие при взаимодействии углекислого газа со свежей цементной пастой. Наблюдения выявили временный химический процесс, изменяющий характер затвердевания материала. Этот процесс приводит к более равномерному распределению связующей структуры и повышает раннюю прочность.
Полученные результаты могут помочь инженерам усовершенствовать технологии производства низкоуглеродистого бетона, уже поступающие на рынок США. Работа также дает более четкое представление о том, как цемент, один из самых углеродоемких материалов в мире, может накапливать углерод, сохраняя при этом свои эксплуатационные характеристики.
Отслеживание скрытых реакций
Исследователи из Центра устойчивого развития бетона и кафедры гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института использовали рамановскую конфокальную микроскопию для непрерывного мониторинга образцов цемента в течение первых 24 часов его твердения. Этот метод позволяет идентифицировать материалы путем анализа взаимодействия лазерного света с химическими связями. Каждое соединение оставляет после себя характерную спектральную сигнатуру.
Предыдущие исследования в значительной степени опирались на теорию и косвенные измерения, поскольку реакции происходили слишком быстро, чтобы их можно было обнаружить с помощью обычных инструментов. «Мы использовали рамановскую спектроскопию, чтобы лучше понять некоторые из самых интересных материалов в истории, от свитков Мертвого моря до древнеримского бетона», — сказал доцент Адмир Масич.
«Цементная паста может показаться менее эффектной по сравнению с цементом, но направление лазера на цементную пасту, в которую впрыскивается CO2, во время ее затвердевания позволяет нам визуализировать то, чего раньше не было видно». Команда обнаружила, что углекислый газ первоначально захватывает кальций, высвобождающийся при растворении цемента. Это временное изменение замедляет нормальную гидратацию и меняет среду внутри пасты.
Исчезающий шаблон
По мере связывания кальция растворенные силикаты распространяются по материалу и образуют взаимосвязанную сеть силикагеля. Гель существует лишь недолго.
После того как введенный углекислый газ полностью минерализуется через несколько часов, возобновляется стандартный процесс гидратации. Образуется гидроксид кальция, который немедленно вступает в реакцию с кремнеземной сеткой. В результате этой реакции образуется гидрат силиката кальция, или CSH, соединение, ответственное за прочность сцепления цемента.
Однако, в отличие от обычного цемента, этот новый CSH образуется по всему объему материала, а не группируется вокруг частиц цемента. «Сначала мимолетное появление силикагеля выглядело как случайность в данных рамановской спектроскопии», — сказал аспирант Марцин Хайдучек.
«Но быстро стало ясно, что его внезапное исчезновение было характерной и неоспоримой особенностью каждого образца, в который вводили CO2». Более прочный бетон, новые возможности.
Измененный путь трансформации приводит к более однородной внутренней структуре. В ходе испытаний цементная паста, содержащая диоксид углерода в количестве, равном 1% от массы цемента, показала в среднем на 13% более высокую прочность на сжатие через 24 часа по сравнению с контрольными образцами.
Полученные результаты также ставят под сомнение ранее существовавшие предположения. Исследователи обнаружили, что частицы карбоната кальция действовали скорее как пассивные наблюдатели, чем как факторы, влияющие на развитие прочности. «Мы годами вводили CO2 в цементные изделия, не до конца понимая, что он делает внутри», — сказал Масич.
«Теперь, когда мы понимаем механизм, лежащий в основе улучшения характеристик, мы можем начать его контролировать». Исследователи предупреждают, что дозировка по-прежнему имеет решающее значение. Избыток углекислого газа может связывать слишком много кальция и нарушать полезные реакции. Тем не менее, эта работа предлагает инженерам план действий по разработке более прочных цементных изделий с низким содержанием углерода для будущих инфраструктурных проектов.
Результаты исследования опубликованы в журнале Американского керамического общества.
Sourse: interestingengineering.com
