آیا بتن یک ماده جالب از نقطه نظر علمی است؟

بعضی ها معتقدند که بتن یک ماده مهم و مفید است؛ بعد از همه، بتن ستون فقرات زیربنای جهان است که برای جاده ها، ساختمان ها، پل ها و سایر سازه ها استفاده می شود. اما گاهی اوقات آشنایی باعث تحقیر شدن می شود. بتن به طور کلی یک ماده "خسته کننده" محسوب می شود که در آن همه چیز مهم باید تا امروز شناخته شود. درست نیست! بتن ممکن است برای برخی در مقیاس ماکروسکوپی خسته کننده باشد (اگر چه ما چنین فکر نمی کنیم)، اما در مقیاس میکروسکوپی، جالب و پیچیده است. به طور شگفت انگیزی، به علت پیچیدگی آن، هنوز چیزهایی وجود دارد که دانشمندان در مورد ساختار شیمیایی و میکروسکوپی نمی دانند و هنوز هم برای ساخت بتن بهتر است و ساختارهای طولانی تر نیز وجود دارد. بنابراین پاسخ به سوال در عنوان این بخش بله است!
شکل 1-1 فرایندی را نشان می دهد که پودر سیمان آن پس از مخلوط شدن با آب سخت می شود. این تصاویر از یک مدل دیجیتالی دو بعدی دیجیتالی هیدراتاسیون سیمان ساخته شده در موسسه ملی استاندارد و فناوری ساخته شده است. تصویر (الف) نشان می دهد که ذرات غیر سیمانی که چندین میکرومتر هستند را نشان می دهد. هر ذره سیمان از چندین مواد معدنی متفاوت تشکیل شده که رنگ آنها کد شده است. تصویر (b) خمیر سیمان را پس از واکنش 30٪ با آب نشان می دهد. رینگهای زرد در اطراف ذرات سیمان، یک مرحله جامد جدید است که به نام ژل سیلیکات کلسیم هیدرات (C-S-H) است. ژل C-S-H در فضاهای بین ذرات رشد می کند، آنها را با یکدیگر ترکیب می کنند و سیمان را به قدرت می رسانند. همانطور که در تصویر (c) نشان داده شده است، پس از مداوم هیدراتاسیون، تشکیل ژل C-S-H مقدار فضای حفره پر از آب (سیاه در تصاویر) را کاهش می دهد، که باعث می شود سیمان نسبتا آب اشباع نشده و یون های حل شده باشد.
شکل 1-1: یک مدل واقع بینانه از واکنش سیمان با آب و سخت شدن آن. الف) تصویر دیجیتالی یک پودر سیمان واقعی پس از آنکه با آب ترکیب شده است. مواد معدنی مختلف سیمان رنگی هستند و آب سیاه است. ب) رب سیمانی که 30 درصد واکنش داده و تنظیم شده است (حدود 1 روز پس از مخلوط شدن). ج) رب سیمانی که 70٪ واکنش نشان می دهد و بسیار قوی و کمتر متخلخل (حدود یک ماه پس از مخلوط شدن) تبدیل شده است. (تصاویر از NIST).
پیکربندی فاز جامد و فضای حفره نشان داده شده در تصاویر شکل 1-1، ساختار میکروارگانیسم نامیده می شود که به معنی ساختار در مقیاس میکرون است (1000 میکرون در یک میلیمتر). ویژگی های میکرو سازنده به طور کلی خیلی کوچک است که بدون میکروسکوپ دیده می شود، اما از سوی دیگر آنها بسیار بزرگتر از اتم ها یا مولکول هایی هستند که ساختار شیمیایی اساسی را تشکیل می دهند. به طور کلی هر دو ساختار شیمیایی و ریز ساختار یک ماده خواص آن را کنترل می کنند. تفاوت مهم بین این دو این است که در حالی که ساختار شیمیایی نسبتا ثابت است، ریزساختار به شدت بستگی به نحوه تولید مواد دارد و بنابراین می تواند کنترل شود. بنابراین، ریزساختار، ارتباط بین پردازش (چگونگی ساخت یک ماده) و خواص (نحوه رفتار مواد) را فراهم می کند. این روابط اساس زمینه های در حال رشد علم مواد است.
شکل 1-2: پارادایم علم مواد. ریز ساختار یک ماده بستگی به نحوه پردازش آن دارد و خواص آن بستگی به ریز ساختار دارد. اگر این روابط درک شود، می توان از خواص مواد کنترل، پیش بینی و بهبود یافت.
چرا لینک میکرو سازنده در وسط شکل 1-2 مورد نیاز است؟ پس از همه، می توان به سادگی یک ماده را به شیوه های مختلف پردازش کرد و سپس اثرات حاصل از آن را بر خواص مورد علاقه اندازه گیری کرد. این تحقیق تجربی است. در حالی که تحقیقات تجربی میتواند برای یافتن یک روش موثر برای ایجاد یک ماده استفاده شود، هیچگونه درک و درک اینکه چرا خواص تغییر می کند، ارائه نمی شود. مزیت رویکرد علوم مواد نشان داده شده در شکل 1 این است که آن را درک عمیق تر از مواد فراهم می کند که می تواند مورد استفاده برای پیش بینی خواص و طراحی مواد جدید و بهبود یافته است. البته، توانایی استفاده از رویکرد علم مواد توسط توانایی اندازه گیری و مشاهده ریزساختار محدود شده است. ظهور نسبی علم مواد در طول 50 سال گذشته، با پیشرفت تکنیک های مشخصه سازی مهم مانند میکروسکوپ الکترونی و پراش اشعه ایکس همراه است.
منبع : http://iti.northwestern.edu