Betón je tvoreným množstvom minerálov, ktoré počas tuhnutia cementu navzájom reagujú a vytvárajú komplexné štruktúry meniace sa v čase. Svoju rolu zohráva aj veľká variabilita vstupných surovín (rôzne cementy, kamenivo) ako aj rôzne vonkajšie podmienky prostredia pri jeho tuhnutí (teplota prostredia, vlhkosť). Dnešné znalosti o procesoch tzv. hydratácie sú viac-menej založené na skúsenostiach získanými prístupom pokus-omyl a pred každou väčšou betonážou sa ešte aj v dnešnej dobe najskôr odlaďuje receptúra betónu na skúšobných vzorkách. Proces odlaďovania receptúry pozostáva z postupne sa meniacich vstupných parametrov ako napr. pomer vody a cementu, typ a množstvo cementu a prísad, doba miešania ... atď, až kým nie sú dosiahnuté požadované fyzikálne vlastnosti betónu (vhodná konzistencia, pevnosť, pružnosť ... atď). Najmä pre betóny vyššej pevnosti a pri špeciálnych požiadavkách na betón môže tento proces odlaďovania receptúry zabrať aj niekoľko týždňov, pričom nájdenie vhodnej receptúry sa nemusí vždy vydariť.
Jednoducho povedané naše teoretické vedomosti z tejto oblasti sú veľmi chabé.
Tento fakt bol podnetom aj pre Americký Národný Inštitút pre Normy a Technológie (NIST), ktorý pred pár rokmi rozbehol projekt virtuálneho laboratória, ktorého úlohou je preskúmať procesy hydratácie cementu s použitím najnovších vedeckých poznatkov a technológií. Po spracovaní fyzikálno-chemickej teoretickej časti však bolo jasné, že bežne dostupné počítače tento problém nezvládnu. Práve množstvo parametrov a v čase sa meniacich vlastností, ktoré okamžite ovplyvňujú ďalšie procesy pri chemických reakciách, z ktorých mnohé ešte stále ani nie sú celkom teoreticky zvládnuté, si vyžiadalo použitie najvýkonnejších počítačov sveta.
Columbia (24 x 512 prepojených procesorov) a Interpid (163840 prepojenýh procesorov)
S ich pomocou bolo možné tieto komplexné procesy nielen nasimulovať, ale aj graficky interpretovať. V každom modeli je zohľadnené každé jedno zrnko cementu, kameniva, piesku a prísad. Samotnému modelovaniu predchádzal rozsiahli prieskum v ktorom sa laserovou technológiou skenovali vstupné materiály tak, aby sa vytvorila dostatočne reprezentatívna databáza 3D tvarov zrniek cementu, piesku a kameniva. Následne sa robil podrobný chemický a mineralogický rozbor vstupných surovín. Posledným krokom bolo namiešanie virtuálneho betónu a odladenie výpočtov.
3D modelované súčasti betónu (zrnká cementu a piesku miešané vo vode)
Samotný proces hydratácie cementu potom mohol byť sledovaný špeciálnymi 3D okuliarmi a vedeckým pracovníkom sa tak splnil ich sen: zmenšený plávať v hydratujúcom betóne :-)
Touto 3D simuláciou bolo možné objasniť niektoré doteraz neznáme javy prebiehajúce pri tuhnutí betónu. Pomohlo to napríklad k pochopeniu zmien v pevnostných vlastnostiach betónu pri použití odlišných prímesí a vplyvu tvarov zrniek vstupných surovín na konzistenciu (viskozitu) čerstvého betónu. Získali sa aj celkom reálne výsledky z modelovania pevnosti betónu v čase, no ku komplexnému pochopeniu a k modelovaniu fyzikálnych vlastností betónu je však ešte ďaleká cesta. Výskum však pokračuje ďalej a ak sa to raz podarí, statici budú môcť na svojich počítačoch modelovať nielen konštrukcie z betónu, ale aj samotné zloženie betónu tak, aby dosiahli požadované vlastnosti betónu pre navrhovanú konštrukciu.
J. W. Bullard: Advancing the Materials Science of Concrete with Supercomputers; Concrete International, 1/2011
