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Utilizando ALS Beamline 12.3.2, una línea de luz de difracción microscópica de rayos X para imanes curvos superconductores, el equipo estudió una réplica del mortero de tefra-cal Lohmann que se encuentra en Cornell. La universidad realizó pruebas de fractura. El mortero une fragmentos de toba y ladrillo del tamaño de guijarros en los muros de hormigón del Mercado de Trajano, construido en el año 110 d.C. Al observar los cambios en la mineralogía del mortero durante el proceso de curado de 180 días y compararlo con la muestra original de 1.900 años de antigüedad, el equipo descubrió que un hidrato transparente impedía la propagación de microfisuras.
"El mortero previene las microfisuras cristalizando in situ a través de silicato de calcio hidratado en forma de placa (str? Tlingita), un mineral de aluminosilicato de calcio de larga duración que fortalece la zona de interfaz y la matriz del cemento." dijo Mary Jackson, vulcanóloga de la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental de UC Berkeley, quien dirigió el estudio. "El crecimiento denso e interactivo de cristales en forma de placas previene la propagación de microfisuras y garantiza una cohesión a nivel microscópico, lo que contribuirá aún más a la elasticidad química y la integridad estructural del hormigón en entornos sísmicamente activos durante miles de años". las Actas de la Academia Nacional de Ciencias. Otros coautores del estudio son Eric Landis, Philip Bruun, Massimo Vitti, Heng Fili Chen, Martin Kunz, Hans Rudolf Dejavin, Paolo Monteiro y Anthony Ingrafia.
Los compuestos de hormigón unidos con mortero se utilizaron para construir importantes estructuras de edificios en el Imperio Romano. Los científicos están interesados en ellos no por su incomparable resistencia y durabilidad, sino por las ventajas ambientales que pueden ofrecer. La mayoría del hormigón moderno se elabora a partir de una mezcla de cemento Portland a base de piedra caliza. Para producir cemento Portland es necesario calentar una mezcla de piedra caliza y tierra a 65.438+0.450 grados Celsius, lo que libera grandes cantidades de carbono. Considerando que anualmente se utilizan aproximadamente 190 millones de toneladas de cemento Portland, esto resulta en el 7% del carbono total liberado a la atmósfera cada año.
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En cambio, el mortero de construcción romano es una mezcla de un 85% de ceniza volcánica, agua y cal, por lo que su temperatura de calcinación es muy inferior a la del cemento Portland. Las puzolanas gruesas y los ladrillos constituyen entre el 45 y el 55 por ciento del hormigón. El resultado es una reducción significativa de las emisiones de carbono. "Si pudiéramos encontrar una manera de incorporar grandes cantidades de componentes de roca volcánica en procesos de producción de concreto específicos, podríamos potencialmente reducir significativamente las emisiones de carbono asociadas con dichos procesos de producción y mejorar su durabilidad y resistencia mecánica", dijo Jackson.
Como parte del estudio, Jackson y sus colaboradores utilizaron la línea de luz ALS 12.3.2 para medir la microdifracción de rayos X de rodajas de mortero romano que tenían solo 0,3 milímetros de espesor. "Hemos obtenido patrones de difracción en muchos puntos diferentes de una microestructura cementada específica", dijo Jackson. "Esto nos permite detectar cambios en los conjuntos minerales, lo que proporcionará una indicación precisa de los procesos químicos activos dentro de un área pequeña".
Los cambios mineralógicos observados por Jackson y sus colegas sugieren que, como el calcio, debido a Gracias a la combinación gradual de hidrato de aluminio y silicio (C-A-S-H), los cristales de aluminosilicato de calcio hidratado crecen en la interfaz de la escoria y la matriz del mortero, el mortero ganará gradualmente resistencia y dureza durante 180 días. La dureza de la región de la interfaz se ve reforzada por la morfología de las grietas puente, que fue medida por el coautor del estudio Randy de la Universidad de Maine en los Estados Unidos mediante la realización de tomografía computarizada (tomografía computarizada) de muestras de mortero fracturadas. Estos resultados experimentales son consistentes con los cálculos del aumento de la energía de fractura realizados por el coautor Brunet de DuPont Science and Technology. Los cristales de aluminosilicato de calcio hidratados no mostraron ningún signo de corrosión y sus superficies lisas sugirieron estabilidad a largo plazo, similar a los aluminosilicatos de calcio geológicamente hidratados que duran decenas de miles de años.
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“La cristalización in situ de cristales de silicato de calcio hidratado crea una región interfacial que no se parece a ninguna microestructura observada en la interfaz del cemento Portland y el hormigón”, dijo Jackson. "La alta porosidad de la región de interfaz del concreto de cemento Portland crea un área donde los canales de grietas son propensos a desarrollarse y propagarse".
El desafío futuro de los investigadores, dijo Jackson, es "encontrar formas de activar la región de interfaz del concreto de cemento Portland". polímeros en hormigones innovadores." Los métodos, como la escoria y la ceniza volcánica, les permiten formar aluminosilicatos de calcio reforzados en la zona interfacial como el mortero de construcción romano."
Los experimentos de prueba de fractura realizados en la Universidad de Cornell fueron realizados por El coautor del estudio, Ingra, dirige Fu Fei. Viti, coautor del estudio, proporcionó muestras de mortero obtenidas del mercado de Trajano en Roma. El coautor del estudio, Kuenz, es el científico jefe de la línea de luz ALS 12.3.2. Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y la Biblioteca Robb de la Universidad de Harvard.