Kärnan i betongens egenskaper är kalciumsilikathydrat (C-S-H), den huvudsakliga bindande fasen i hydratiserad cement. C-S-H har en struktur som liknar naturligt förekommande mineral som tobermorit och jennit. Förståelsen för denna struktur är avgörande, eftersom den styregenskaper som krympning, krypning, porositet, hållfasthet och beständighet.
Från historiska genombrott till framtida möjligheter
När Thomas Concrete Group grundades 1955 befann sig forskningen inom cement och betong i en intensiv utvecklingsfas. Mindre än 50 år tidigare, och omkring 100 år efter att Joseph Aspdin patenterade portlandcement, pågick fortfarande diskussioner om vad som orsakade cementets hårdnande.
Under 1940-talet gjordes avgörande genombrott i förståelsen av cementets hydratisering. I enkla termer handlar det om att man började förstå hur cement och vatten reagerar med varandra och hur det leder till att betongen hårdnar och får sina egenskaper. Forskarna T.C. Powers och T.L. Brownyard[1] etablerade under denna tid sambanden mellan hydratisering, porstruktur och betongens tekniska egenskaper. Deras arbete lade grunden för hur vi i dag förstår gelvatten i C-S-H, kapillärporer, permeabilitet (genomsläpplighet), krympning och tryckhållfasthet – faktorer som är centrala för att bedöma betongens egenskaper och livslängd.
Powers modell visar att hydratiserad cement har en omfattande porstruktur, med porer från nanoskala upp till cirka 0,1 millimeter. Ett gram hydratiserad cement kan dessutom ha en specifik yta på omkring 200 m². Modellen för hydratiserad cement (se figur 1) ett av de viktigaste bidragen inom området och används fortfarande flitigt.
[1] Powers, T.C., Brownyard, T.L. (1948): Studies of the physical properties of hardened Portland cement paste. Research Laboratories of the Portland Cement Association. Bulletin 22, Chicago.
Sedan dess har forskningen tagit stora kliv framåt, inte minst tack vare avancerade mätmetoder. Med elektronmikroskopi, till exempel SEM och TEM (svep- respektive transmissionselektronmikroskop), kan man studera strukturer mindre än en tusendels millimeter. Det öppnar en helt ny värld (se figur 2). Teknikerna gör det möjligt att analysera C-S-H:s komplexa nanostruktur och att i realtid följa hur hydratiseringen utvecklas på nanonivå.
Framtidens möjligheter och utmaningar
Under de senaste 70 åren har kunskapen ökat och gjort det möjligt att förstå varför romersk betong med puzzolan är så beständig. Ännu mer intressant är att vi inom en nära framtid kan utforma och styra nanostrukturen hos C-S-H och C-A-S-H (kalciumaluminatsilikathydrat) för att uppnå specifika egenskaper. Med alternativa bindemedel och tillsatsmaterial kan egenskaper som volymstabilitet, beständighet, porositet och hållfasthet förbättras.
Utvecklingen drivs av ökad kunskap i kombination med teoretiska modeller och avancerade datorsimuleringar. Med hjälp av termodynamik och molekyldynamik kan forskare i dag modellera hydratiseringsprocesser på atomnivå.
Att betong kommer att fortsätta spela en central roll i samhällsbyggandet, är tydligt. Samtidigt blir det allt viktigare med en minskad klimatpåverkan och längre livslängd, vilket gör utvecklingen av alternativa bindemedel avgörande.
Forskningen går snabbt framåt och tillsammans med tidigare genombrott, vår samlade kunskap och vetenskapligt baserade innovationer, skapas nya möjligheter att utveckla hur vi bygger framtidens hållbara samhällen. Målet om klimatneutral betongproduktion är ambitiöst, men tack vare både historiska och nutida framsteg är det möjligt att nå.
För att nå dit krävs fortsatta investeringar, både i grundforskning och tillämpad forskning. Det är avgörande för att driva fram innovationer och tekniska lösningar som kan skalas upp industriellt och göra en positiv skillnad för klimatet.
