Ingeniería y Construcción: Noticias de Sobre Nanotecnologia

En un proyecto de investigación apoyado por la Administración Federal de Carreteras (FHWA), en lugar de diseñar una mezcla de hormigón por ensayo y error, los investigadores en el Centro de avanzada a base de cemento Materiales (ACBM) tuvo un regreso a la enfoque básico. Es decir, que optó por seguir un estudio sistemático de hormigón en la micro y nanoscales para entender cómo las propiedades de los materiales en concreto interactuar el uno con el otro. Este estudio en la menor escala podría permitir el desarrollo de soluciones más eficaces que permitan alcanzar el rendimiento deseado.

En todas las escalas, el hormigón es un material heterogéneo. Concretos de la resistencia y durabilidad dependen de los elementos estructurales y fenómenos en las microempresas y nanoscales. (Un nanómetro es una milmillonésima de un metro.) Para entender correctamente concreto, para controlar mejor sus propiedades, y el diseño de nuevos materiales con propiedades específicas, a partir de la más pequeña escala es necesario-es decir, la comprensión de la micro y es el nanostructure primer paso. Investigación en nanotecnología hoy proporciona las herramientas necesarias para el establecimiento de las relaciones entre el procesamiento, propiedades y rendimiento de hormigón.

El proyecto de investigación, que comenzó en septiembre de 2004 y concluyó en agosto de 2006, fue financiado por la FHWA y participan una serie de temas de investigación. Los resultados de este proyecto dirigido a la investigación se centró en otros temas que cuentan con el apoyo de múltiples organizaciones. En la reciente investigación, el primer tema de la comprensión de los que participan las micro y nanoestructuras de hormigón experimentales utilizando avanzadas herramientas, tales como la microscopía de fuerza atómica, que utiliza una sonda de alta resolución para medir las propiedades, y nanoindentation, que consta de un conjunto de pruebas para investigar dureza y otras propiedades mecánicas de materiales en las pequeñas dimensiones.

El segundo tema es el desarrollo de un nuevo tipo de auto-consolidación de hormigón (SCC) para slipform (SF) los procesos de pavimentación añadiendo materiales como nanoclays (muy pequeña, similar a la placa, el agua absorbentes minerales) y las cenizas volantes de la composición. En Auto-Consolidación de Concreto (ACI 237R-07 Nuevas Tecnologías de la serie), el Instituto Americano de Concreto (ACI) define SCC como "altamente Fluido, nonsegregating concretas que se pueden propagar en su lugar, llene la encofrados, y encapsular el refuerzo mecánico sin consolidación [ o vibración]. " ACI continúa, "SCC también ha sido descrita como auto-compactación de hormigón, la libre comercialización de hormigón, y auto-nivelación concretas". SF para las solicitudes, la mezcla de hormigón colocados también debe ser lo suficientemente firme para mantener la vertical en el borde del pavimento pavimento máquina avanza. Por lo tanto, los nuevos materiales utilizados para hacer el SF-SCC (es decir, la consolidación de la libre slipform hormigón) requieren de vanguardia tecnológica y científica para el estudio de la evolución de las nuevas propiedades de estado del SF-SCC. La investigación fundamental sobre el embalaje y floculación de partículas (partículas agregados para formar una estructura) mecanismos de información sobre cómo eliminar las vibraciones internas y las cuestiones relacionadas con la durabilidad de grietas longitudinales a lo largo de la pista de vibración.

En tercer lugar, los investigadores están utilizando nanofibras (fibras con diámetros inferiores a 100 nanómetros)-de hormigón armado para desarrollar la próxima generación de los firmes de carreteras.

En cuarto lugar, la nanotecnología promete el desarrollo de sensores inteligentes. Porque desarrolla sus propiedades concretas (como la fuerza) con el tiempo y las reacciones químicas (llamados hidratación), es fundamental para vigilar concretas en edades tempranas. En este esfuerzo, los investigadores desarrollaron un nuevo método para controlar las propiedades del pavimento de hormigón en sus primeras edades sólo después de que se coloca. Este nuevo método se basa en la medición de la cantidad de ondas de sonido ultrasónico regresó después de golpear en la superficie del pavimento de hormigón.

Caracterización de cemento y hormigón en la nanoescala

Hidratación del cemento produce una superficie rígida, microestructura heterogénea. A medida que el agua se introduce en el cemento para hacer una pasta, que se endurece con el tiempo, las principales fases microestructurales en la pasta de cemento hidratado

son: (1) hidrato de gel de silicato de calcio, C-S-H; (2) de hidróxido de calcio, CH, ( 3) ettringite (un hidrato de sulfoaluminate); (4) monosulfate; (5) unhydrated partículas de cemento, y (6) los huecos de aire. Estas fases microestructurales regir la propiedades macroscópicas de los materiales de cemento, como su resistencia, ductilidad (flexibilidad), la primera edad reología (flujo), y durabilidad. El control de la propiedades macroscópicas exige un conocimiento detallado de la estructura de estas fases en el nivel de menor tamaño. Entre las diversas fases, la primera-C-S-H es el más importante producto de la hidratación y las cuentas de 50 a 70 por ciento del total del volumen de pasta. Esta fase vinculante principales regula la propiedades macroscópicas de la pasta de cemento, pero la micro y nanoescala estructura de CSH no está bien establecida.

Estas cuatro fotos muestran concreta en diversas escalas de longitud: 10 milímetros, mm (0,3937 pulgadas), a 500 micrómetros, micras (0,01969 pulgada); 2 micras (0.00007874 pulgadas) y 500 nanómetros, nm (0.00001969 pulgadas). Nota: CSH = hidrato de silicato de calcio; CH = hidróxido de calcio.

En el estudio, el equipo de investigación utilizó un microscopio de fuerza atómica (AFM) a la imagen de la superficie de 6 meses de edad, pasta de cemento muestras. Las muestras fueron de cemento Portland tipo I con un agua-cemento de 0,5. La AFM CSH imágenes muestran como casi partículas esféricas de diferentes tamaños en diferentes áreas.

El equipo de investigación también nanomechanical combinado con pruebas de imagen a nanoescala. El equipo hizo esta investigación pionera utilizando un tipo especial de nanoindenter. En cualquier sangrado técnica, un material de propiedades conocidas es empujado dentro del material de origen desconocido propiedades mecánicas. Esta técnica se originó a partir de la escala de Mohs de dureza mineral desarrollado en 1812, en la que un material se considera más difícil si se puede dejar un cero en otro material. En nanoindentation, un investigador que lleva una pequeña sonda en una muestra de hormigón endurecido y, a continuación, las parcelas de la carga aplicada por la sonda frente a su desplazamiento en la muestra. A continuación, el investigador analiza los datos obtenidos de las parcelas para estimar el módulo de elasticidad (pendiente de la curva de tensión frente a la cepa) y la dureza de la muestra. En la escala normal, esto es similar a una prueba de resistencia y módulo de elasticidad se ejecutan en el pavimento de hormigón moldeado o núcleos de los cilindros con la mezcla.

Los resultados del estudio mostraron que el módulo de elasticidad de la CSH gel variados en diferentes áreas dentro de una amplia gama (~ 10-35 GPa, donde 1 equivale a aproximadamente 145.038 GPa Kips por pulgada cuadrada, y un Kip significa una fuerza de miles de libras) . El equipo encontró la unhydrated las partículas de cemento a ser casi 10 veces más duro que la CSH, con el módulo en el rango de 100-130 GPa. Este hallazgo es significativo porque la unhydrated las partículas de cemento en este acto como a pequeña escala dentro de un duro agregados más rendimiento matriz, que puede adaptarse a las fracturas de estrés sin quebradizo.

Además, por primera vez en cualquier estudio, los investigadores han medido experimentalmente las propiedades mecánicas a nanoescala interfaciales de la zona de transición en el mortero y hormigón. En el caso concreto en el momento de la pasta de cemento y sobre el conjunto de las superficies de partículas, hay una zona con una alta porosidad y una tendencia a desarrollar microcracking. Esta zona se llama la zona interfacial de transición. "La zona de transición interfaciales se considera el eslabón más débil en condiciones normales de fuerza concretas, y concreta que afecta a la fuerza y durabilidad", dice Suneel Vanikar, jefe de equipo para el hormigón en la FHWA Oficina de Tecnología de Pavimento. "Es un hecho ampliamente aceptado por los investigadores que las propiedades de la zona interfacial de transición debe tenerse en cuenta en el modelado de la permeabilidad y las propiedades mecánicas del hormigón. Sin embargo, el módulo de valores utilizados en los actuales modelos teóricos o experimentales falta de pruebas a causa de los problemas prácticos en la medición de un grupo tan pequeño, angosto de la región sólo el 10 a 20 micrómetros, alrededor de las partículas de agregado grueso. Los investigadores utilizan con éxito la imagen característica de una nanoindenter para ver este fenómeno. "

La foto de la izquierda muestra un 60 micras x 60 micras imagen de pasta de cemento, donde el área brillante cerca del centro es un residuo de partículas de cemento. El resto de la zona en la imagen muestra fundamentalmente la CSH fase. La imagen también muestra los valores de módulo de elasticidad calculado a partir de la nanoindentation datos, con los valores escritos en los respectivos lugares de guión en la imagen. Esto muestra la manera en que la rigidez de CSH varía en las diferentes áreas y cómo es un objeto más pequeño que la rigidez de las partículas de cemento. La segunda foto muestra el interfaciales una zona de transición entre las partículas de arena y pasta de cemento en un mortero muestra. Módulo de elasticidad calculado a partir de valores nanoindentation de manifiesto que una parte de la zona interfacial de transición es menos rígida que la matriz de pasta.

Los resultados de esta investigación más precisa de entrada para los modelos y servir como el primer paso en el diseño de materiales para la mejora de las aceras. La investigación adicional está en curso para entender el efecto de la adición de nanosilica en la microestructura. Esta investigación es de gran interés porque la investigación anterior por uno de los colaboradores internacionales nanosilica puso de manifiesto que es útil para reducir el impacto de la lixiviación de calcio, que es uno de los principales problemas de durabilidad con hormigones en general.

Este esquema muestra cómo no consolidado concretas entra a la izquierda de la barrena y sufre preliminar bajo el solado de nivelación, la consolidación a través de los vibradores, la nivelación con arreglo a la manipulación, a través de la extrusión y el perfil de pan, salir a la derecha.

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La consolidación de la libre Pavimento de Hormigón Para Slipform Procesos

En la práctica actual, la construcción concreta pavimento rígido de hormigón seco utiliza con depresión (hundimiento de un molde de recibo) de menos de 5 centímetros (2 pulgadas). La caída de ensayo proporciona una medida de la coherencia (o fluidez del hormigón), donde típicas depresiones normal concretas van desde 7,5 a 10 centímetros (3 a 4 pulgadas). Indican una mayor depresiones más Fluido mezcla, mientras más pequeñas depresiones más severas indican mezclas. El derecho de la mezcla de hormigón se necesita para que el pavimento de alta calidad y tiene la fuerza necesaria, sin embargo, la moldeabilidad y placeability del concreto en la aplicación también es fundamental.

Una máquina de los procesos de pavimentación slipform el hormigón fresco, incluyendo la colocación, nivelación, vaciado, consolidación y acabado. La pavimentación de la máquina se mueve con una velocidad constante durante todo el hormigón fresco depositado delante de la máquina, y al final del proceso, la nueva losa de hormigón puede mantener su forma sin ningún tipo de borde de apoyo después de la slipform ha avanzado.

La media de tamaño de partículas minerales y aditivos en el SF-SCC comparación con composiciones típicas de cemento y cenizas volantes

Igualmente espaciados en la pavimentación vibradores máquina introducir vibración interna para consolidar y compactar el hormigón fresco (el paquete de materiales de mayor tamaño y eliminar los huecos de aire atrapado). Estos vibradores internos puede causar overvibration del hormigón rígido si la frecuencia de oscilación está configurado incorrectamente o la pavimentación de la máquina se mueve con demasiada lentitud. Overvibration conduce a la segregación de los agregados y la reducción significativa de menor tamaño arrastrado aire en el hormigón a lo largo de la ruta de acceso de la vibradores. (Tenga en cuenta que en concreto, algunos arrastrado aire en la mezcla es necesaria para el mejor desempeño, por lo tanto, la vibración proceso no debe eliminar todo el aire.) Cuando este tipo de pavimento es sometida a intenso tráfico de carga y / o congelación y descongelación tiempo ciclos durante su vida útil, los llamados senderos vibrador (defectos en la superficie indicando la segregación de áridos, dejando una capa de cemento-ricos) puede ocurrir, o pueden formar grietas longitudinales.

Para eliminar la necesidad de que las vibraciones en el interior de pavimentación proceso, los investigadores colaboraron con el Centro de Pavimento de Concreto de Cemento Portland Tecnología (ahora se llama el Consejo Nacional de Pavimento de Hormigón Centro de Tecnología) en la Universidad Estatal de Iowa para extender la libre a la consolidación de la tecnología concreta slipform pavimento aplicaciones. La clave para la pavimentación slipform es que el material debe ser lo suficiente como para ser viable consolidado, pero lo suficientemente rígido a ponerse de pie sin encofrados después de la pavimentadora se mueve al final del tratamiento. El desafío de desarrollar SF-SCC es que

el material debe cambiar de líquido a muy muy tieso slipform durante el proceso.

El desarrollo de la SF-SCC necesario cambiar la microestructura mediante la combinación de los conceptos de embalaje de partículas (como partículas de diferentes tamaños están organizados y cómo afecta a la compresión), mezcla la tecnología (la combinación de diferentes mezclas de minerales y químicos), y reología (el estudio cómo el flujo de materiales). Específicamente, la adición de diferentes materiales, como nanoclays y las cenizas volantes de la composición ha permitido mantener un equilibrio entre fluidez durante la compactación y la estabilidad después de la compactación. Los investigadores usaron microscopía electrónica de barrido para evaluar la microestructura de las partículas de arcillas utilizadas para los experimentos.

Para esta investigación, el equipo del Estado de Iowa minipaver desarrollado un modelo que simula el proceso de pavimentación slipform sin la aplicación de la vibración interna o externa. Al final del proceso, de losas de hormigón modificado con mezcla de cenizas volantes o las cenizas volantes y de arcilla mostraron mucho mejor forma la estabilidad y la suavidad de la tabla con una mezcla de hormigón slipform.

Estudio de Floculación

Floculación es la agrupación o aglutinación de partículas en suspensión, junto con un fluido o líquido. La forma la estabilidad de cualquier materia en suspensión depende de la velocidad a la que flóculos (grupos de partículas) en la forma y la fuerza de los lazos entre las partículas. El estudio de la floculación es importante en una amplia variedad de aplicaciones, tales como nondrip pinturas, cerámicas extruido, y emulsiones. En el caso de los materiales a base de cemento, la comprensión de la floculación y la capacidad de control son necesarias para el desarrollo estable de suspensiones de la consolidación de la libre concretas con buena trabajabilidad. En el proceso de pavimentación slipform, floculación es importante porque la formulación de flóculos estable indica que el hormigón se mezcla conservar su mejor forma, sin necesidad de moldes y tiene más estabilidad porque más de cizalla aplicado el estrés es necesario para romper los lazos aparte. Del mismo modo, si las partículas macizo o agrupar en flóculos más pequeños, el pavimento de mezcla no mantener su forma también. Los esfuerzos de investigación incluye la comprensión de las interacciones entre partículas en la nano y micro nivel.

Minipaver Este modelo, desarrollado por la Universidad Estatal de Iowa equipo de investigación, es de 900 mm (35 pulgadas) de largo por 457 mm (18 pulgadas) de ancho y 104 mm (4 pulgadas) de altura. Investigadores concretas en la vertical del compartimento y, a continuación, que desemboca en el compartimento horizontal cuando la máquina se tira hacia adelante. Interna o externa no se produce la vibración. A la salida, la ligera pendiente de la horizontal superior del compartimento de la placa, y los pesos puestos en la placa superior que se aplican presión sobre el hormigón, se compacta.

Los investigadores se basó en la observación experimental de las partículas y deflocculation floculación, ya que se produjo a comprender la física real en los procesos de la microestructura. Para controlar el proceso de floculación, el equipo de investigación se centró haz utilizado reflectancia medición (FBRM), una técnica experimental que proporciona medición in situ de la evolución y distribución de tamaño de partícula flóculos. FBRM operar instrumentos de exploración por un rayo láser se centró en las partículas en suspensión y la medición de la duración de la copia de la luz dispersada de la partículas individuales. La longitud de cuerda está determinada por el tiempo (ancho de pulso), en lugar de la intensidad (amplitud de pulso). La medición de la longitud de cuerda sobre la base de ancho de pulso hace que la medida menos sensible a las influencias debido a color o reflectividad. Además, los investigadores utilizaron un método de centrifugación para determinar el esfuerzo de compresión en la suspensión de la solución de partículas. En este método, los investigadores de la pasta de cemento centrifugado muestras procedentes de SF-SCC mezcla de hormigón en una velocidad de hasta una altura de equilibrio se logró. En cuanto a la estabilidad de la forma, una mezcla con un alto esfuerzo de compresión requiere más energía para romper los enlaces, lo que indica una mayor flóculo y una mayor estabilidad de forma. Del mismo modo, una mezcla con mayor flóculos bajo un estrés indica una fuerte flóculo más fuerza porque el estrés de cizalla aplicada es necesaria para romper los lazos aparte.

(a) La primera foto muestra la forma de consolidación y estabilidad de un modelo de pavimento de losa de mezcla estándar slipform. El pavimento áspero exposiciones pobres consolidación.

(b) Consolidación de la estabilidad y la forma de un modelo de un pavimento de losas de SF-SCC desarrollados con las cenizas volantes. El abultamiento partes indicar mal la estabilidad, pero la superficie lisa indica buena consolidación. (c) Consolidación de la estabilidad y la forma de un modelo de un pavimento de losas de SF-SCC desarrollados con la arcilla y las cenizas volantes. La superficie lisa y bordes indican tanto la consolidación y la forma aceptable de estabilidad.

Nueva generación de materiales

Los investigadores están desarrollando nuevos materiales de construcción utilizando microfibers y en los sistemas híbridos de fibra de cemento (hormigón, materiales de extrusión, y mortero) materiales. Actualmente, los investigadores están trabajando en nanofibras reforzado los sistemas que podrían llevar a la próxima generación de fibra-cemento armado. Ingenieros nanofibras uso cuando las aplicaciones necesitan superiores propiedades mecánicas y térmicas, como el peso ultraligero, fuerza superior, una mayor

dureza, y el aumento de conductividad eléctrica y térmica.

Los investigadores también están investigando el uso de los nanotubos de carbono en materiales de cemento. Los nanotubos de carbono son moléculas cilíndricas de carbono de muy alta longitud y diámetro y nuevos ratios de propiedades. Microscopía electrónica de barrido ha demostrado que los nanotubos de carbono tienen la capacidad para superar los sistemas de grietas en el cemento. Este potencial podría aumentar significativamente la flexión y aumentar la ductilidad de hormigón.

(a) Un cubo giratorio de centrifugación utilizados para determinar la resistencia a la compresión de cada muestra de cemento.

(b) Una muestra de pasta de cemento antes y después de la centrifugación. Consolidar los sólidos, permitiendo que el agua de purga a la cima. Materiales con un menor rendimiento de compresión destaca tendrán una altura inferior de los sedimentos.

Dispersión de los nanotubos en material de cemento, sin embargo, es un problema importante porque no se dispersan fácilmente a través de la pasta de cemento, ya que las corrientes en el lugar. Para solucionar este problema, por el actual equipo de investigación está estudiando los métodos alternativos, tales como revestimiento de fibras con aditivos, variando las propiedades reológicas de la matriz, o cambiando el procedimiento de

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mezcla. Los esfuerzos de investigación también incluyen la reducción del número de nanotubos utilizados en la mezcla de cemento para hacer rentable el producto. La investigación futura debe incluir la exploración de la utilización de residuos agrícolas nanofibras de celulosa y fibras, las cuales tienen potencial como alternativa económica a los nanotubos de carbono.

Sensores

Un método fiable de pruebas que se necesita para llevar a cabo el seguimiento in situ de las propiedades de mortero u hormigón en edades tempranas para evitar el fracaso o formación de grietas de las aceras durante la construcción o poco después. Desarrollo de nuevos materiales también exige la mejora de los sistemas de sensores para un mejor control de calidad durante la construcción, y la nanotecnología puede jugar un papel importante en el desarrollo de estos sensores inteligentes.

La trama muestra el estrés y la respuesta a la desviación de los tres tipos de muestras: llanura de matriz y dos tipos de fibras y microfibras-macrofiber bajo tensión uniaxial. La adición de fibra aumenta la ductilidad, el hormigón y luego se comporta mejor en situaciones de tensión. Matriz con microfibras puede soportar mucho mayor estrés que la matriz con macrofiber. Por lo tanto, la adición de una microfibra puede proporcionar con mayor fuerza y mayor resistencia a las grietas destructivas.

En el pasado, los investigadores desarrollaron un método de ensayo no destructivos llamado de reflexión de ondas ultrasónicas (UWR). Este método mide la pérdida de reflexión de ondas de cizalla en una interfaz entre la pasta de cemento hidratante y un material de amortiguación. Los investigadores utilizaron esta medida para predecir las propiedades mecánicas de los principios de la edad concreta para vigilar y macroestructurales parámetros, tales como el establecimiento de la pasta de cemento y su viscosidad, módulo de cizalla dinámica y resistencia a la compresión.

Los resultados del proyecto en curso muestran que el método es UWR precisa en la determinación de la viscosidad de la pasta de cemento en estado fresco y el módulo de cizalladura de pastas en el estado endurecido. Los investigadores también desarrollaron una relación entre la reflexión y la pérdida de la resistencia a la compresión de la pasta de cemento, independiente de la temperatura de curado y el agua / cemento.

Próximos pasos

Para satisfacer la creciente necesidad de alto rendimiento, resistentes materiales de construcción para las carreteras, los investigadores tomaron una vuelta al planteamiento básico para mejorar la comprensión de las propiedades de los materiales a base de cemento en pequeña escala y para desarrollar nuevos materiales. Nanoescala caracterización de muestras de pasta de cemento mostró que las propiedades mecánicas de la CSH de gel en la cola de hormigón varían en una amplia gama, que requieren complejas de modelado. Además, los investigadores observaron que las partículas residuales de cemento son casi 10 veces más duro que el pegamento produce cuando se mezcla con agua. Este hallazgo significa que los ingenieros puede ser capaz de diseñar el material con el mínimo de la cola (CSH), necesarias para obligar a las partículas o más fases juntos.

SCC de investigación sobre la transferencia de tecnología a la construcción del pavimento está en marcha por el equipo de investigación. La combinación de los conceptos de envasado y floculación de partículas, mezcla la tecnología, y reología, los investigadores han desarrollado SF-SCC que cambia de líquido a muy muy rígido durante el proceso de pavimentación. Observación experimental de las partículas y floculación deflocculation a medida que se producen deben incluirse en futuras investigaciones, que podría contribuir de manera significativa hacia el aumento de la durabilidad de los pavimentos mediante la eliminación de la segregación y grietas debido a overvibration de hormigón durante la construcción.

Asimismo, la investigación preliminar ha demostrado que los nanotubos y nanofibras potencialmente se puede hacer cemento súper dúctil, con más capacidad para dar cabida a la tensión sin romperse (cepa más capacidad de tracción), lo que podría aumentar significativamente flexión. Sin embargo, la dispersión de los nanotubos en material de cemento sigue siendo un reto importante, y los investigadores están explorando diferentes métodos de tratamiento para optimizar el número de nanotubos y su dispersión necesaria para desarrollar rentable concretas para la próxima generación de carreteras.

Este diagrama muestra cómo se usan ondas de ultrasonido para monitorear la fijación de mortero y hormigón. Como se muestra en (a), durante el período de principios de hidratación del material, toda la energía de las olas se refleja de la interfaz entre la memoria (en este caso, el acero) y material de prueba, debido a la nonpropagation característica de las ondas de corte en los gases y líquidos. Con el procedimiento de hidratación del cemento (b), parte de la onda incidente transmite a través del material, causando la pérdida de energía. Reflexión pérdida puede estar correlacionado con el ajuste del comportamiento y resistencia a la compresión de ganancia de mortero y hormigón.