Bahan semen, termasuk pasta semen, adukan semen, dan beton, adalah bahan yang paling banyak diproduksi di dunia. Jejak karbon mereka juga lumayan kuat: Proses yang terlibat dalam pembuatan semen berkontribusi hampir 6 persen dari emisi karbon global.
Permintaan akan bahan-bahan ini sepertinya tidak akan segera berubah dalam waktu dekat. Di Amerika Serikat, sebagian besar jembatan beton, bangunan, dan jalan setapak di trotoar, yang didirikan pada tahun 1960an dan 1970an, dirancang di era yang memiliki sedikit tekanan lingkungan terhadap infrastruktur dan dibangun paling banyak 50 tahun paling banyak.
Kini, para periset MIT telah menemukan awal dari sebuah pendekatan baru untuk menghasilkan beton yang terinspirasi oleh pengaturan hirarkis dari blok bangunan sederhana dalam bahan alami. Temuan ini dapat menghasilkan cara baru untuk membuat beton menjadi lebih kuat dan menggunakan bahan lokal sebagai aditif yang lebih berkelanjutan sebagai tambahan untuk mengimbangi emisi gas rumah kaca beton.
Dalam sebuah studi terbaru, Oral Buyukozturk, seorang profesor teknik sipil dan lingkungan, dan rekan-rekannya menganalisis properti utama pada beton, pada tingkat atom individu, yang berkontribusi terhadap kekuatan dan daya tahan keseluruhan. Kelompok ini mengembangkan model komputer untuk mensimulasikan perilaku atom individu yang mengatur pembentukan blok bangunan molekuler dalam bahan pengerasan.
Simulasi ini menunjukkan bahwa sebuah antarmuka dalam struktur molekul menunjukkan resistensi “gesekan” di bawah deformasi geser. Tim kemudian mengembangkan medan gaya kohesif-gesekan, atau model, yang menggabungkan interaksi atom-atom ini ke dalam partikel berskala lebih besar, masing-masing mengandung ribuan atom. Para periset mengatakan bahwa secara akurat menggambarkan kekuatan di dalam kumpulan ini sangat penting untuk memahami bagaimana kekuatan berkembang pada material beton.
Tim sekarang memeriksa cara-cara di mana kekuatan kohesif dan gesekan dari kelompok atom, atau koloid dalam semen, diperbaiki dengan mencampur aditif tertentu seperti abu vulkanik, terak kilapan, dan bahan lainnya. Model komputer tim dapat membantu desainer memilih aditif lokal berdasarkan interaksi molekuler dari campuran yang dihasilkan. Dengan desain yang cermat pada tingkat mikroskopik, menurutnya, perancang dan insinyur pada akhirnya dapat membangun struktur yang lebih ramah lingkungan dan berkelanjutan.
“Kondisi dunia berubah,” kata Buyukozturk. “Ada tuntutan lingkungan yang meningkat, termasuk dari gempa bumi dan banjir, dan tekanan pada infrastruktur. Kita perlu membuat materi yang berkelanjutan, dengan umur desain yang lebih lama dan daya tahan yang lebih baik. Itu adalah tantangan besar. ”
Buyukozturk dan rekan-rekannya, mahasiswa pascasarjana Steven Palkovic dan Sidney Yip, profesor emeritus di Departemen Teknik Nuklir MIT, telah menerbitkan hasil mereka di Journal of Mechanics and Physics of Solids.
Kekuatan dari gesekan
Visi Buyukozturk untuk revisi, beton bersumber secara lokal terinspirasi sebagian oleh konstruksi Romawi. Selama puncak kekaisaran, orang-orang Romawi mendirikan kuil, bangunan bak mandi, dan amfiteater di Pompeii, Ostia, dan melalui Spanyol dan Timur Tengah, termasuk kota-kota di Turki, Libya, dan Maroko. Di setiap lokasi yang jauh, arkeolog telah menemukan bahwa orang Romawi membangun bangunan mereka dari bahan-bahan lokal – sebuah teknik yang telah membantu melestarikan struktur ini selama lebih dari 2.000 tahun.
“Mereka mungkin melakukannya melalui intuisi,” kata Buyukozturk. “Kami berusaha dan berharap dapat menerapkan filosofi semacam itu dengan menggunakan bahan-bahan yang tersedia secara lokal, dengan memahami prinsip-prinsip ilmiah yang mendasari materi-materi tersebut.”
Dalam makalah baru mereka, para ilmuwan menggambarkan model komputer yang merupakan bagian dari kerangka kerja komputasi yang telah mereka kembangkan untuk menganalisis bagaimana struktur atom beton mempengaruhi sifat rekayasa. Model ini mensimulasikan sliding dan pergerakan cluster partikel pada skala molekuler dalam beton.
Para peneliti menggunakan model atomistik mereka untuk mensimulasikan campuran yang mengandung semen Portland, jenis semen yang paling umum digunakan di dunia. Secara khusus, mereka mensimulasikan respons mekanis zat seperti gel yang disebut kalsium-silikat-hidrat (C-S-H), fase utama yang terbentuk saat air bereaksi dengan semen Portland. Kelompok ini memodelkan pergerakan ribuan atom di blok bangunan molekul CSH, mencatat pengaruh kekuatan kohesif yang menyebabkan partikel saling menempel, dan adanya hambatan geser saat sekelompok atom saling melintang sepanjang permukaan air yang penuh.
Mereka kemudian mensimulasikan bagaimana sifat skala molekuler ini mengendalikan partikel yang lebih besar yang mengandung ribuan atom, atau koloid, pada apa yang mereka sebut “mesoscale.” Mereka menemukan bahwa sejauh mana sifat gesekan menahan gerakan dan pemisahan koloid pada mesoscale adalah Faktor terkuat dalam menentukan kekuatan beton pada skala sentimeter.
Desainer sering menggunakan sifat semen pada skala sentimeter untuk memprediksi kekuatan struktur akhir dan jauh lebih besar. Para peneliti menerapkan hasil simulasi atom-ke-koloid mereka di dalam model komputer dari mikrostruktur yang mengeras, untuk memungkinkan perbandingan dengan eksperimen laboratorium berukuran sentimeter yang sebenarnya. Buyukozturk menemukan prediksi tim yang sesuai dengan hasil eksperimen lebih baik daripada prediksi yang dibuat dengan simulasi yang mengabaikan interaksi friksi.
“Ilmu material kekuatan semen masih dalam tahap awal mengenai deskripsi tingkat molekuler dan kemampuan untuk melakukan prediksi kuantitatif,” kata Yip. “Masalah gaya gesek, yang dibahas dalam pekerjaan kita, berkaitan dengan perilaku mekanis semen yang bervariasi dari waktu ke waktu. Kepekaan tingkat ini adalah aspek dari tantangan ilmiah di mesoscale, yang merupakan wilayah penelitian di mana konsep dan model mikroskop yang dikembangkan di beberapa disiplin ilmu sains dikaitkan dengan sifat makroskop untuk aplikasi teknologi. ”
Buyukozturk menambahkan, “Kami yakin bahwa kerangka kerja baru kami adalah membuka era baru dalam ilmu pengetahuan konkret.”
Aditif dalam campuran
Kelompok ini sekarang bekerja untuk mengintegrasikan berbagai aditif ke dalam model mereka, untuk menyelidiki pengaruh bahan tersebut pada perilaku atom-ke-atom semen, dan kekuatan yang dihasilkan dari beton padat akhir. Dari studi pendahuluan, mereka telah mengamati bahwa ada ketergantungan kimia terhadap nilai gesekan, atau tingkat di mana koloid tahan terhadap satu sama lain. Pekerjaan masa depan akan menyelidiki bagaimana aditif mempengaruhi komposisi kimia dari fase koloid ini. Informasi ini dapat digunakan sebagai bagian dari database untuk merancang dan mengoptimalkan material beton baru dengan peningkatan kekuatan dan perilaku deformasi.
“Kami tahu sedikit tentang apa yang terjadi saat aditif digunakan secara konkret,” kata Palkovic. “Kami tidak mengharapkan abu vulkanik dari Arab Saudi memberikan kinerja yang sama dengan abu vulkanik dari Hawaii. Jadi, kita membutuhkan pemahaman materi yang lebih besar ini, yang dimulai pada skala atomistik dan menjelaskan kimiawi materi tersebut. Itu bisa memberi kita kontrol dan pemahaman yang lebih besar tentang bagaimana kita bisa menggunakan aditif untuk menciptakan bahan yang lebih baik. ”
Penelitian ini didukung oleh Yayasan Kuwait untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan, sebagai bagian dari proyek tanda tangan MIT-Kuwait mengenai keberlanjutan lingkungan binaan Kuwait.
