Теперь исследователи изучили точную структуру этого материала. Им удалось продемонстрировать, что его атомы расположены чрезвычайно регулярно, что делает его кристаллом. Они также показали, что структура этого кристалла представляет собой так называемую пластинчато-силикатную структуру.
Такой специфической структуры раньше не наблюдалось. Исследователи сделали свое открытие благодаря измерениям на швейцарском источнике света SLS в PSI. Результаты исследования могут помочь в разработке более прочного бетона в будущем.
Глобальная проблемаAAR — это химическая реакция, которая влияет на наружные бетонные конструкции по всему миру. Это происходит, когда бетон подвергается воздействию воды или влаги. Например, многочисленные мосты и до двадцати процентов стен плотин в Швейцарии затронуты AAR.
С AAR основные ингредиенты в бетоне на самом деле являются проблемой: цемент — основной компонент бетона — содержит щелочные металлы, такие как натрий и калий. Любая влага, проникающая в бетон — например, из дождевой воды — вступает в реакцию с этими щелочными металлами, образуя щелочной раствор.
Вторым основным ингредиентом бетона является песок и гравий, которые, в свою очередь, состоят из минералов, таких как кварц или полевой шпат. С химической точки зрения эти минералы представляют собой так называемые силикаты. Щелочная вода вступает в реакцию с этими силикатами и образует так называемый гидрат силиката кальция щелочного металла. Это само по себе способно впитывать больше влаги, что приводит к ее расширению и постепенному растрескиванию бетона изнутри.
Весь этот процесс называется AAR.AAR происходит очень медленно, поэтому трещины изначально очень малы и не видны невооруженным глазом. Однако в течение трех или четырех десятилетий трещины значительно расширяются и в конечном итоге ставят под угрозу долговечность всей бетонной конструкции.Новый кристалл
Даже если химические процессы, участвующие в AAR, были давно известны, никто не идентифицировал физическую структуру гидрата силиката кальция щелочного металла, образующегося в ходе AAR. Исследователям из PSI и Empa теперь удалось восполнить этот пробел в знаниях. Они изучили структуру швейцарского моста, построенного в 1969 году и сильно пострадавшего от AAR. Исследователи из Empa вырезали образец материала из мостовидного протеза и измельчили его небольшой кусок до тех пор, пока у них не остался тонкий образец толщиной всего 0,02 миллиметра.
Затем образец был помещен в Swiss Light Source SLS и облучен чрезвычайно узким рентгеновским лучом, в пятьдесят раз тоньше человеческого волоса. Выполнив так называемые дифракционные измерения и комплексный анализ данных, исследователи PSI в конечном итоге смогли определить кристаллическую структуру материала с очень высокой точностью.
Они обнаружили, что гидрат силиката кальция щелочного металла имеет ранее недокументированную кристаллическую структуру листового силиката. «Обычно открытие не каталогизированной кристаллической структуры означает, что вы можете дать ей имя», — объясняет Райнер Дан, первый автор исследования. «Но это должен быть кристалл, найденный в природе, поэтому мы не удостоились этой чести», — с улыбкой говорит исследователь. Андреас Лиманн, руководитель группы технологий бетона в Empa, придумал идею настоящего исследования.
Затем исследователи из PSI поделились своими знаниями о методе рентгеновского луча. «В принципе, в бетон можно добавлять органические материалы, которые могут уменьшить нарастающее напряжение», — объясняет материаловед Лиманн. «Наши новые результаты обеспечивают научную основу для этих соображений и могут проложить путь для разработки новых материалов».