محقق ایرانی راز استحکام بتن را کشف کرد

روزبه شهسواری محقق ایرانی دانشگاه رایس آمریکا در رشته مواد به همراه هم تیمی خود نیگ ژانگ با تحلیل بیش از ۶۰۰ مدل از ماتریکس داخلی بتن متوجه شدند که ذرات portlandite و حفره ها یا همان فضاهای خالی در استقامت بتن نقش بسیار مهمی را ایفا می کنند.

شهسواری و تیم تحقیقاتی او به دنبال ساخت هیدرات سیمان موسوم به هیدرات سیلیکات کلسیم (C-S-H) در قلب بتن با قابلیت سازگاری بیشتر نسبت به مولکول ها بودند و متوجه شدند در حالیکه بتن ممکن است در مقیاس ماکرو شکننده به نظر برسد اما مکانیزم شکننده انعطاف پذیر آن در مقیاس نانو باعث مقاومت بتن می شود.

شهسواری گفت: هیدارت سیلیکات کلسیم به عنوان کوچک ترین بلوک سازنده در بتن محسوب می شود و قصد داریم که به ویژگی بیشتر آن پی ببریم و آن را در راستای اهداف خود کنترل کنیم.

با مدل سازی آن می توان به چگونگی تعامل مولکول ها، ساختار آن در مقیاس نانو، ضعف ها و میزان شکنندگی آن پی برد. از این رو انجام تحقیقات بر روی هیدرات سیلیکات کلسیم به دلیل مقیاس آن به وسیله آزمایش بسیار سخت است.

شهسواری و هم تیمی او به مطالعه بر روی تعامل حفره های تصادفی هوا یا ذرات تصادفی portlandite در هیدارت سیلیکات کلسیم در آزمایشگاه رایس و تاثیر آن بر روی ویژگی های مکانیکی قدرت، سختی و سفتی آن پرداختند و همچنین تاثیر آن را بر روی حفره هایی که در ترک ها گسترش پیدا می کنند، بررسی کردند.

علاوه بر هیدرات سیلیکات کلسیم، ذرات portlandite محصول دیگری از هیداتاسیون سیمان هستند که در مقایسه با هیدرات سیلیکات کلسیم در مقادیر کمتری تولید می شوند.

این محقق ایرانی در ادامه گفت: به دلیل اینکه ذرات portlandite دارای ساختار بلوری متنوع و ویژگی های مکانیکی بیشتری نسبت به هیدرات سیلیکات کلسیم است، بودن و توزیع آن می تواند تاثیر بسزایی در ویژگی های مکانیکی هیدرات سیلیکات کلسیم داشته باشد.

این تیم تحقیقاتی با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی متوجه شدند که شکاف ها تمایل دارند از رویکرد مقاومت حداقل تبعیت کنند و به مسیر یا نانوحفره ها یا ذرات portlandite وارد می شوند و با آن ها تلاقی پیدا می کنند.

حفره ها و ذرات با تغییر دادن شکل هندسی یک ترک، انرژی آن را می گیرند. شهسواری گفت این امر احتمالا به مقاومت کل بتن کمک می کند.

این محقق ایرانی در پایان گفت: نتایج تحقیقات ما برای اولین بار گویای شواهد جدیدی از مکانیزم شکنندگی انعطاف پذیر در هیدرات سیمان است که نشان دهنده آلیاژهایی با ساختار بلوری و فلزات چکش خوار است.

به دلیل اینکه گسترش ترک و قدرت ویژگی ذاتی است، مکانیزم تغییر شکل در مقیاس نانو کنترل می شود. نتایج تحقیق ما می تواند بر روی ویژگی های مکانیکی بتن در مقایس بزرگ تر تاثیر بگذارد و فرصت های جدیدتری را برای تبدیل هیدرات سیمان شکننده به ماده ای انعطاف پذیر ایجاد می کند.

شهسواری معتقد است، این یافته می تواند بر روی مهندسی مدرن در زیرساختارهای بتن بادوام و دیگر مواد شکننده پیچیده تاثیر بگذارد. نتیجه این تحقیق در نشریه Mechanics and Physics of Solids منتشر شده است.