Embora seja usado para construir algumas das maiores estruturas do mundo, Acontece que o cimento na verdade tem algo em comum com a esponja.

Um material altamente poroso, o cimento tende a absorver água da precipitação e até umidade ambiente. E assim como a forma de uma esponja muda dependendo da saturação da água, o mesmo acontece com o cimento, de acordo com trabalho recente realizado no MIT.

Em um artigo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , pesquisadores do MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), O Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) e a Universidade Aix-Marseille discutem como a rede porosa do material absorve água e propõem como a secagem reorganiza permanentemente o material e leva a potenciais danos estruturais.

Mas para entender como a água pode mudar a estrutura dos poros do cimento, é preciso primeiro ver como isso contribui para a formação dessa mesma estrutura.

A pasta de cimento começa como um pó seco composto de ingredientes cuidadosamente misturados, incluindo cálcio, ferro, alumínio, e silício. Daqui, este pó é misturado com uma certa proporção de água para formar uma pasta de cimento. É aqui que a rede de poros começa a se formar.

Uma vez que a água e o pó se misturam, eles reagem juntos e produzem compostos conhecidos como hidrato de silicato de cálcio (CSH), também conhecido como hidratos de cimento.

"Os hidratos de cimento são pequenos, na escala nanoescala, "diz Tingtao Zhou, um Ph.D. estudante do Departamento de Física e principal autora do artigo. "Estes são os blocos de construção de cimento."

Durante a hidratação do cimento, os nanograins do hidrato de cimento se agregam entre si, formando uma rede que une todos os constituintes. Embora isso dê ao cimento sua força, os espaços entre os hidratos de cimento criam uma extensa rede de poros na pasta de cimento.

"Você tem vários poros de tamanhos variáveis ​​que estão interligados, "descreve Zhou." Torna-se muito complexo. E como eles são tão pequenos, você nem precisa de chuva para enchê-los de água. Até a umidade do ambiente pode preencher esses poros. "

Isso representa um problema ao tentar estudar a secagem de uma rede de poros.

"Digamos que você tenha apenas dois grãos de hidrato de silicato de cálcio; você pode imaginar que há alguma condensação de água entre eles, "explica Zhou." Neste caso, é fácil medir a água no espaço dos poros e a pressão dessa condensação, que chamamos de pressão capilar. Mas quando você tem um grande número de grãos, a distribuição da água se torna realmente complicada - a geometria se torna uma bagunça. "

Para lidar com a água na rede de poros confusa do cimento, Zhou e Katerina Ioannidou, um cientista pesquisador do CNRS e da MIT Energy Initiative e um autor correspondente do artigo, primeiro lutou com dois problemas.

O primeiro foi a saturação parcial. Uma vez que a rede de poros é tão complexa, a água se torna distribuída de forma desigual, o que torna difícil calcular sua distribuição.

O segundo problema é o das escalas múltiplas.

"No passado, pesquisadores estudariam o movimento da água nos poros na escala do átomo ou no continuum, ou visível, escala, "Relatórios Zhou." Isso significa que eles perderam muitas informações na mesoescala - que está entre as escalas atomística e contínua. "

Na última década, Ioannidou, junto com os pesquisadores Roland Pellenq, Franz-Josef Ulm, Sidney Yip, e Emanuela Del Gado, da Universidade de Georgetown, trabalharam para avançar na modelagem de cimento em múltiplas escalas. Este artigo recente baseou-se no trabalho deles para abordar essas questões.

Usando técnicas de modelagem computacional, Zhou e Ioannidou calcularam como a água se distribui dentro de um poro e então determinaram a força que a água exercia na parede do poro. Depois de concluído, eles agruparam os poros e simularam o efeito da secagem na mesoescala.

Depois de examinar as simulações, Zhou e Ioannidou descobriram que os grãos foram "irreversivelmente reorganizados sob uma secagem moderada".

Mesmo que essas mudanças pareçam pequenas, eles não eram necessariamente insignificantes. "Encontramos mudanças estruturais irreversíveis na mesoescala, "Zhou observa." Não está se propagando em uma escala maior ainda. Mas o que acontece quando temos muitos desses ciclos de secagem ao longo de muitos anos? "

Embora seja muito cedo para saber exatamente como esse tipo de mudança estrutural afeta as estruturas de concreto, Zhou espera desenvolver um novo modelo para estudar as consequências da secagem a longo prazo.

"Nesse artigo, lidamos com diferentes escalas espaciais. Mas ainda temos que lidar com escalas de tempo diferentes. Essas mudanças ocorrem em um período de nanossegundos e gostaríamos de ver sua influência sobre a vida útil típica de estruturas de concreto, " ele explica.

Ainda, esta abordagem computacional representa uma nova maneira de entender melhor os efeitos da secagem no cimento. "Em experimentos físicos anteriores, é muito difícil observar danos nesta escala. Mas a computação nos permite simular esse tipo de dano, "explica Zhou." Este é o poder da computação. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.