 Когда мосты, стены плотин и другие конструкции из бетона начитают покрываться темными трещинами после нескольких десятилетий, то причина становится ясной: реакция щелочь-агрегат. Подобная реакция наносит ущерб бетонными конструкциями во всем мире и делает сложные ремонтные работы или реконструкции необходимыми. Исследователи из Института Пауля Шеррера и Empa уже решили структуру материала, полученного в ходе реакции щелочь-агрегат на атомном уровне.
Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) совместно с коллегами из Лаборатории материаловедения Empa в Швейцарии изучают дегенеративный признак старения бетона: так называемая реакция щелочь-агрегат. В ходе реакции формируется материал формы, который занимает больше места, чем оригинальный бетон, и, таким образом, постепенно бетон трескается изнутри со проходом десятилетий.
Исследователи уже изучили точную структуру этого материала. Им удалось показать, что его атомы расположены очень регулярно, что делает его кристаллическим. Они также показали, что структура этого кристалла является так называемым листовым силикатом. Эта специфическая структура никогда не наблюдались. Исследователи сделали свои обнаружения благодаря измерениям в Швейцарии. Результаты исследования могут помочь в направлении развития более прочного бетона в будущем.
Реакция щелочь-агрегат представляет собой химическую реакцию, которая влияет на наружные бетонные конструкции во всем мире. Это происходит, когда бетон подвергается воздействию воды или влаги. Например, многочисленные мосты и до двадцати процентов стен дамбы в Швейцарии зависят от реакции щелочь-агрегат. С этой реакцией, основные ингредиенты в бетоне фактически становятся проблемой. Цемент (основной компонент бетона) содержит щелочные металлы, такие как натрий и калий. Любая влага, проникающая в бетон - вытекающая, например, из дождевой воды - вступает в реакцию с этими щелочными металлами, что приводит к щелочному раствору.
Вторым главным компонентом в бетоне являются песок и гравий, которые в свою очередь состоят из таких минералов, как кварц или полевой шпат. Химически говоря, эти минералы является так называемыми силикатами. Щелочная вода реагирует с этими силикатами и образует так называемый щелочной гидрат силиката кальция. Он сам по себе способен поглощать больше влаги, что приводит к ее расширению и постепенному растрескиванию бетона изнутри. Весь этот процесс называется реакцией щелочь-агрегат.
Реакция происходит крайне медленно, так что трещины первоначально являются крошечными и невидимыми невооруженным глазом. В течение трех или четырех десятилетий, однако, трещины значительно расширяются и в конечном итоге ставят под угрозу прочность всей бетонной конструкции.
Даже если химические процессы, участвующие в реакции, известны давно, никто не определил физическую структуру щелочного силиката кальция гидрата, образованного в ходе реакции. Исследователям уже удалось заполнить этот пробел в знаниях. Они изучали вещество швейцарского моста, построенного в 1969 году, которое в значительной степени пострадало от реакции щелочь-агрегат. Исследователи Empa вырезали образец материала с моста и истачивали его до тех пор, пока они не получили тончайший образец, который имел толщину в 0.02 миллиметра. Затем образец был доставлен в швейцарскую лабораторию и облучен чрезвычайно узким рентгеновским пучком, в пятьдесят раз тоньше человеческого волоса. Выполняя так называемые дифракционные измерения и комплексный анализ данных, исследователи в конечном итоге смогли определить кристаллическую структуру материала с высокой точностью.
Они обнаружили, что щелочи гидрата силиката кальция имеют документированную ранее листовую силикатную кристаллическую структуру. Исследователи затем привел свои знания метода рентгеновского пучка к столу. В принципе, возможно добавление органические материалов в бетон, которые способны уменьшить нарастание напряженности. Новые результаты обеспечивают научную основу для этих соображений и могут проложить путь к разработке новых материалов.
|
