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Posted in | Nanoindentation

Ingenieros identificar las causas concretas para deformar poco a poco

Published on June 15, 2009 at 7:58 PM

MIT ingenieros civiles tienen por primera vez identificado lo que hace que el material de construcción más utilizado en la tierra - hormigón - para deformar poco a poco, disminuyendo su duración y acortar la vida útil de las infraestructuras tales como puentes y recipientes contenedores de residuos nucleares.

En un artículo publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), edición temprana en línea la semana del 15 de junio, los investigadores dicen que se arrastran de hormigón (el término técnico para la deformación en función del tiempo que se produce en concreto cuando se somete a carga ) es causada por la reorganización de las partículas a escala nanométrica.

"Por último, se puede explicar cómo se produce la fluencia," dijo el profesor Franz-Josef Ulm, co-autor del artículo de PNAS. "No podemos evitar que la fluencia ocurra, pero si reducir la velocidad a la que se produce, esto aumentará la durabilidad del concreto y prolongar la vida útil de las estructuras. Nuestra investigación establece las bases para replantear la ingeniería de concreto desde una perspectiva nanoscópica."

Esta investigación llega en un momento en que la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles ha asignado una calificación global de la D a la infraestructura de EE.UU., gran parte del cual está hecho de hormigón. Es probable que conduzca a la infraestructura de hormigón capaz de cientos de años que dura más de unas cuantas decenas, lo que traerá un enorme ahorro de costes y una disminución concreta relacionada con las emisiones de CO2. Un estimado de 5 a 8 por ciento de todos los generados por el hombre en todo el mundo CO2 en la atmósfera proviene de la industria del hormigón.

Ulm, que ha pasado casi dos décadas estudiando el comportamiento mecánico del hormigón y su componente principal, la pasta de cemento, tiene en los últimos años se centró en su nano-estructura. Esto lo llevó a la publicación de un artículo en 2007 que decía que el bloque de construcción básico de la pasta de cemento en la nano escala - silicato de calcio, hidratos, o CSH - es granular en la naturaleza. El documento explica que la CSH, naturalmente, auto-ensambla en dos fases distintas, pero estructuralmente similar químicamente al mezclarse con agua, cada uno con una densidad de empaquetamiento fijo cerca de una de las dos densidades máximas permitidas por la naturaleza de los objetos esféricos (64 por ciento de la densidad más baja y 74 por ciento de alta).

En la nueva investigación revela en el artículo de PNAS, Ulm y co-autor Matthieu Vandamme explicar que se arrastran de hormigón se produce cuando estas partículas nano-CSH metros de tamaño reorganizar en cuenta las densidades alterado: unos más suaves y otros más compactos.

También explican que una tercera fase, más densa de CSH puede ser inducida por la manipulación cuidadosa de la mezcla de cemento con otros minerales, tales como los humos de sílice, un material de desecho de la industria del aluminio. Estos gases reaccionan forma adicional las partículas más pequeñas que caben en los espacios entre los gránulos de nano-CSH, espacios que antes estaban llenos de agua. Esto tiene el efecto de aumentar la densidad de CSH a un máximo de 87 por ciento, lo que a su vez, dificulta en gran medida el movimiento de los gránulos CSH con el tiempo.

"Hay una búsqueda por la industria para encontrar un método óptimo para la creación de estos ultra-alta densidad de los materiales de embalaje sobre la base de consideraciones en espacios reducidos, un método que es también el medio ambiente sostenible", dijo Ulm. "La incorporación de los humos de sílice es un método conocido en el uso de cambiar la densidad del concreto, ahora sabemos que desde el embalaje a nanoescala por la adición de humo reduce la fluencia del hormigón desde una perspectiva a nanoescala, otros medios existen actualmente para lograr la tan altamente. envasados, lenta progresiva de materiales. "

"El conocimiento adquirido en la nanoestructura pone de hormigón en pie de igualdad con materiales de alta tecnología, cuya microestructura se puede nanoingeniería para cumplir los criterios de rendimiento específicos: resistencia, durabilidad y un impacto medioambiental reducido", dijo Vandamme, que obtuvo un doctorado de MIT del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental en 2008 y ahora está en la facultad de la Ecole des Ponts ParisTech, Université Paris-Est.

En su artículo de PNAS, los investigadores demuestran experimentalmente que la tasa de fluencia es logarítmica, lo que significa que la desaceleración aumenta la durabilidad de la fluencia de manera exponencial. Demuestran matemáticamente que la fluencia puede ser frenado por una tasa de 2,6. Que tendría un efecto verdaderamente notable sobre la durabilidad: un recipiente de contención para los residuos nucleares construidos para durar 100 años con concreto de hoy podría durar hasta 16.000 años si se hace con un diseño ultra-alta densidad (UHD) de hormigón.

Ulm hizo hincapié en que el hormigón UHD podría alterar los diseños estructurales, así como tener enormes implicaciones ambientales, ya que el concreto es el hecho por el hombre que más se produce el material en la Tierra: 20 millones de toneladas por año a nivel mundial, con un aumento del 5 por ciento anual. Hormigón más durable significa que hay menos material de construcción y menos frecuentes renovaciones será necesario.

"Cuanto más delgada sea la estructura, más sensible es a la fluencia, por lo que hasta ahora no hemos sido capaces de construir grandes estructuras ligeras, duraderas concretas", dijo Ulm. "Con esta nueva comprensión de hormigón, se podría producir filigrana: la luz, las estructuras elegante y fuerte que requiere mucho menos material."

Ulm y Vandamme logrado sus resultados de investigación mediante un dispositivo nano-indentación, lo que les permite empujar y pinchar la CSH (o para usar la terminología de la ingeniería civil, aplicar la carga) y se mide en minutos fluencia propiedades que se miden en un año de duración fluencia experimentos a escala macroscópica.

Last Update: 8. October 2011 21:51

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