Tecnica per la visualizzazione dell'idratazione del cemento a livello molecolare

Un gruppo di ricercatori del MIT ha individuato una tecnica per osservare le reazioni chimiche di idratazione del cemento in condizioni reali, un progresso che potrebbe aiutare a trovare modi per rendere il calcestruzzo più sostenibile.

Cosa accade quando acqua e cemento si mescolano

Franz-Josef Ulm, professore di ingegneria civile e ambientale e direttore di facoltà del MIT Concrete Sustainability Hub, ha affermato che questo studio rappresenta "“Brothers Lumière moment for concrete science,” perchè ci fornisce un assaggio della fase iniziale dell'idratazione del cemento che è come il cinema in Technicolor rispetto alle foto in bianco e nero delle ricerche precedenti.

 

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Immagine tratta dall'articolo del MIT News

Poter conoscere in modo migliore le fasi di reazione iniziale del cemento con l'acqua e comprendere così in modo più approfondito la chimica del cemento, darebbe un importante contributo per poter "alterare la produzione o cambiare gli ingredienti in modo che il calcestruzzo abbia un impatto minore sulle emissioni o aggiungere ingredienti in grado di assorbire attivamente l'anidride carbonica", ha affermato Admir Masic, professore associato di ingegneria civile e Ingegneria ambientale.

Si potrebbe inoltre avviare nuove fasi di studio per l'evoluzione delle caratteristiche del calcestruzzo, e anche le tecnologie di prossima generazione come la stampa 3D potrebbero trarre vantaggio da questa nuova tecnica, che mostra come il cemento si idrata e si indurisce sul posto, ha affermato Hyun-Chae Chad Loh, che lavora anche come ricercatore dei materiali con l'azienda Black Buffalo 3D Corporation.

Loh è il primo autore dello studio pubblicato su ACS Langmuir, unendosi a Ulm, Masic e al postdoc Hee-Jeong Rachel Kim.

 


Chi è il MIT Concrete Sustainability Hub

CSHub, è un team interdisciplinare di ricercatori di diversi dipartimenti del MIT che lavorano su scienza, ingegneria ed economia del calcestruzzo e delle infrastrutture dal 2009. Il MIT CSHub riunisce leader del mondo accademico, industriale e governativo per sviluppare innovazioni utilizzando un approccio olistico che consentirà di ottenere case, edifici e infrastrutture durevoli e sostenibili in ambienti sempre più esigenti.


 

Il Cemento, dall'inizio!

Loh e colleghi hanno utilizzato una tecnica chiamata microspettroscopia Raman per poter osservare più da vicino le reazioni chimiche specifiche e dinamiche che si verificano quando l'acqua e il cemento si mescolano.

La spettroscopia Raman crea immagini proiettando una luce laser ad alta intensità sul materiale e misurando le intensità e le lunghezze d'onda della luce mentre viene dispersa dalle molecole che compongono il materiale.

Diverse molecole e legami molecolari hanno le loro "impronte digitali" di dispersione uniche, quindi la tecnica può essere utilizzata per creare immagini chimiche di strutture molecolari e reazioni chimiche dinamiche all'interno di un materiale. La spettroscopia Raman viene spesso utilizzata per caratterizzare materiali biologici e archeologici, come ha fatto Masic in precedenti studi su madreperla e altri materiali biomineralizzati e antichi calcestruzzi romani.

Utilizzando la microspettroscopia Raman, gli scienziati del MIT hanno osservato un campione di cemento Portland ordinario posto sott'acqua senza disturbarlo o arrestare artificialmente il processo di idratazione, imitando le condizioni reali di utilizzo del calcestruzzo.

In generale, uno dei prodotti di idratazione, chiamato portlandite, inizia come una fase disordinata, percola in tutto il materiale e poi si cristallizza, ha concluso il team di ricerca.

Prima di questo, "gli scienziati potevano studiare solo l'idratazione del cemento con proprietà di massa medie o con un'istantanea di un punto nel tempo", afferma Loh, "ma questo ci ha permesso di osservare tutti i cambiamenti quasi continuamente e ha migliorato la risoluzione della nostra immagine nello spazio e tempo."

Ad esempio, il calcio-silicato-idrato, o C-S-H, è il principale ingrediente legante nel cemento che tiene insieme il calcestruzzo, "ma è molto difficile da rilevare a causa della sua natura amorfa", spiega Loh. "Vedere la sua struttura, distribuzione e come si è sviluppato durante il processo di polimerizzazione è stato qualcosa di incredibile da guardare".

 

Si potrà costruire meglio, anche in 3D

Ulm afferma che il lavoro guiderà i ricercatori mentre sperimentano nuovi additivi e altri metodi per ridurre le emissioni di gas serra del calcestruzzo: "Piuttosto che 'pesca al buio'", siamo ora in grado di razionalizzare attraverso questo nuovo approccio come si verificano o meno le reazioni si verificano e intervengono chimicamente”.

Il team utilizzerà la spettroscopia Raman mentre trascorre l'estate testando anche quanto i diversi materiali cementizi catturano l'anidride carbonica, afferma Masic. “Finora rintracciarlo è stato quasi impossibile, ma ora abbiamo la possibilità di seguire la carbonatazione nei materiali cementizi che ci aiuta a capire dove va a finire l'anidride carbonica, quali fasi si formano e come modificarle per poter utilizzare potenzialmente il calcestruzzo come un pozzo di carbonio”.

L'imaging è anche fondamentale per il lavoro di Loh con la stampa 3D di cemento, che dipende dall'estrusione di strati di cemento in un processo precisamente misurato e coordinato, durante il quale la sospensione liquida si trasforma in cemento solido.

"Knowing when the concrete is going to set is the most critical question that everyone is trying to understand" nel settore, ha evidenziato, perchè oggi si compiono molte prove ed errori per ottimizzare un progetto, "But monitoring the underlying chemistry in space and time is critical, and this science-enabled innovation will impact the concrete printing capabilities of the construction industry."

 

Per saperne di più:

Visualizing cement hydration on a molecular level