Alterung von Baustoffen exakter simulieren

Werkstoffe, die dem Zersetzungsprozess widerstehen? Forscher an der University of California, Irvine, wollen mit einem neuartigen Simulationsverfahren dieser Vision näherkommen.

Alternde Infrastruktur erfordert massive Investitionen.  Für die USA schätzt die American Society of Civil Engineers den Bedarf, um Straßen, Brücken oder Dämme auf den neuesten Stand zu bringen, auf 4,5 Billionen US-Dollar bis zum Jahr 2025.

Man stelle sich vor, Ingenieure könnten mit Werkstoffen bauen, die sich nicht im Lauf der Zeit zersetzen. Forscher an der University of California, Irvine, schlagen ein neuartiges Simulationsverfahren vor, das Ingenieuren gerade dabei helfen könnte.

Prof. Mohammad Javad Abdolhosseini Qomi und Graduate Student Ali Morshedifard haben ein numerisches Verfahren entwickelt, mit dem sich der Alterungsprozess in amorphen Materialien wie Beton und Glas auf molekularer Ebene simulieren lässt. Es könnte Forschern helfen, nicht nur besser zu verstehen, wie Materialien mit der Zeit schwächer werden, sondern auch Werkstoffe zu entwickeln, die ihre Eigenschaften unbegrenzt beibehalten. Die Arbeit erscheint im Journal Nature Communications.

Die Alterung beginnt auf atomarer und molekularer Ebene. In dieser Größenordnung erscheint es nahezu unmöglich, mikroskopische Veränderungen über längere Zeitabschnitte zu erfassen. Qomi erklärt: „In der Computersimulation von Materialien würde man eine Billiarde Zeitschritte simulieren, um nur eine Sekunde des Verhaltens zu erfassen. Damit würden wir nicht einmal ansatzweise in die Nähe der Dimensionen kommen, die für Alterungsphänomene relevant sind, nämlich Jahre oder Jahrzehnte.“

Quomi und Morshedifard unterwerfen in ihrem inkrementellen Versuchsdesign die molekularen Strukturen zyklischen Belastungen und beobachten dann die Reaktion des Materials auf diese Störungen. „Hydratisierter Zement besteht aus plattgedrückten Kügelchen im Nano-Maßstab. Glücklicherweise konnten wir herausfinden, dass sich diese Kügelchen unter fortgesetzter Belastung allmählich verformen. Aber diese Deformation bricht nach einer bestimmten Zeit ab. Wir haben auch gesehen, dass das kollektive Verhalten der Kügelchen zu einer nicht-asymptotischen Deformation führt, die wir als eine der Ursachen für das Kriechen in zementartigen Materialien betrachten. Es war faszinierend, die atomaren Ursprünge der viskoelastischen und logarithmischen Deformation unter konstanter Belastung zu verfolgen“, sagt Morshedifard, Hauptautor des Papers.

Das Forscherteam will die neue Methode einsetzen, um die Beziehung zwischen der Zusammensetzung und der Textur von Baumaterialien sowie deren zeitabhängiges Verhalten zu ergründen.

Originalartikel: https://www.nature.com/articles/s41467-018-04174-z

Der Unterschied zwischen alterndem und nicht alterndem Beton liegt nach Ansicht der Wissenschaftler in der Menge des im Nanomaßstab gebundenem Wassers in den molekularen Bausteinen. Quelle: University of California, Irvine