بهبود خواص مکانیکی بتن

یک دانشمند ایرانی به منظور بهبود بخشیدن به خواص مکانیکی بتن، ساختار سیمان را در مقیاس اتمی بررسی کرده است.

خواص مکانیکی بتن

بتن عموماً به عنوان یک ماده پلاستیک شناخته نمی شود، اما میزان اندکی افزایش در پلاستیسیته آن می تواند با بالا بردن قابلیت بتن در تحمل تنش‌های مختلف، عملکرد آن را به عنوان پرکاربردترین مصالح ساختمانی برای دهه‌ها و حتی گاهی قرن‌ها پس از سخت شدن تضمین کند. محققان دانشگاه رایس به دنبال یافتن چرایی این موضوع هستند و تا حدی به آن نزدیک شده‌اند. روزبه شهسواری یکی از محققان آزمایشگاه علم مواد دانشگاه رایس است که یک تحلیل رایانه‌ای در سطح اتمی روی توبرمریت (کریستالی طبیعی از ترکیب کلسیم، سیلیکات و هیدرات که از اجزاء سازنده سیمان است و عامل اصلی در سخت شدن بتن به شمار می رود.) انجام داده است. محققان امیدوارند با درک ساختار درونی توبرمریت موفق به ساختن بتنی با استحکام بالاتر، دارای سفتی بیشتر و قابلیت بهتر در تحمل تغییر شکل ناشی از تنش‌های مختلف بدون ترک خوردن بشوند. نتایج این تحقیق در شماره اخیر مجله علمی انجمن شیمی آمریکا چاپ شده است. توبرمریت، که یکی از عناصر مهم بتن‌های اولیه مورد استفاده رومی‌ها در زمان باستان بوده است، به شکل چند لایه، مانند لایه‌های یک دسته کاغذ که روی هم چیده شده‌اند، از شبکه‌های ذرات جامد تشکیل می شود. این ذرات اغلب دچار نابه جایی‌های پیچشی می‌شوند، در این حالت تحت تأثیر نیروی برشی، لایه‌ها روی هم می‌لغزند و مقداری از تنش وارد شده کنترل می‌شود. در عین حال، این لایه‌ها تنها می توانند مقدار کمی پیش از آنکه ناهمواری‌های سطحی آنها را به هم قفل کند روی هم بلغزند. محققان نخستین مدل رایانه‌ای «اَبَر سلول»‌های توبرمریت را با درنظر گرفتن نابه جایی‌های عمودی و موازی لایه های ماده ساخته اند و سپس نیروی برشی را به این مدل اعمال کرده اند. آنان دریافتند که ساختار کامل و بدون عیب توبرمریت تحت این نیرو مانند مولکول‌های آب به راحتی در لایه‌های منظم قرار می گیرند و می‌توانند روی یکدیگر بلغزند. اما با وجود ذراتی با عیوب پیچشی، لایه‌ها تنها می توانند تا آنجایی که نا به جایی‌های دندانه مانند هسته‌ها به هم گیر می‌کنند روی هم بلغزند. این امر موجب می شود تنش از لایه‌ای به لایه بعدی منتقل شود و آن هم تا جایی که به لایه بعدی قفل شود بلغزد و روند همینطور تا درگیر شدن تمام لایه‌ها ادامه می یابد، که در نهایت باعث آزاد شدن تنش بدون ترک خوردن می شود. به گفته آقای شهسواری، استادیار مهندسی عمران در زمینه علم مواد و مهندسی نانو، این لغزش مرحله به مرحله نابه جایی‌ها در اطراف هسته ذرات شکل دهنده توبرمریت، آن را نرم تر می‌کند و توانایی آن را در تحمل تنش بالاتر می برد. آقای شهسواری می گوید: «دیدی که این تحقیق به ما می دهد این است که برخلاف فرض رایج که عیوب ساختاری را عامل مخربی برای مواد می‌داند، لااقل در مورد سیستم‌های کریستالی با لایه‌های پیچیده مانند توبرمریت این موضوع صادق نیست. بلکه عیوب می‌توانند با هدایت نا به جایی‌ها در جهت‌های معین، اثری مانند ایجاد گلویی در اثر کشش به وجود بیاورند، در نتیجه چقرمگی و تنش تسلیم را افزایش دهند. این دو ویژگی، از جمله ویژگی‌های کلیدی در طراحی مصالح بتنی مستحکم و سفت هستند. ویژگی‌هایی مهندسی که در کاربردهای بسیاری مورد نیاز هستند. تحقیق ما نخستین گزارش در این باره است که چطور می‌توان خاصیتی را که ظاهراً نقطه ضعف ساختار سیمان دانسته می شود –عیوب- افزایش داد و آن را تبدیل به خواصی مطلوب یعنی استحکام و چقرمگی بالا کرد.»

دکوراسیون