混凝土是當今用量zui大的建筑材料,但在制備過程中會產生大量的環(huán)境污染(主要體現(xiàn)在制作水泥中產生的粉塵和二氧化碳排放等),雖然全世界的科學家們都在努力,在短時間內找到另一種施工便捷、取材方便、成本劃算、受力性能良好的替代材料還是難以想象的。因此,另一個思路便是對現(xiàn)有材料進行改造,有一些研究甚至已經達到了納米級的微觀層次。
下面就來看幾篇今年新發(fā)表的成果,把水泥材料研究到了怎樣的一種“細致”水平:
納米壓痕技術可以改善混凝土性能水化硅酸鈣(Tobermorite)是一種天然的結晶體,類似于水泥中的水化硅酸鈣(calcium-silicate-hydrate,C-S-H),也可以用來作為混凝土中的膠凝材料。在現(xiàn)代波特蘭水泥發(fā)明之前,古羅馬人曾用這種天然材料作為建筑材料,并稱其為“a key to the legendary strength of undersea concrete structures”。
為了加深對這種具有良好的層級結構的材料進一步了解,Rice大學的Rouzbeh Shahsavari教授和他的學生Lei Tao嘗試在納米級別,對材料的層級結構進行微觀觀測,并建立數(shù)值模型。
他們的模擬結果,揭示了Tobermorite,以及與其類似的C-S-H等其他同類型具有層級結構材料的三個分子機理:一個是位移機制,當材料在宏觀層面受到外力作用時,微觀層面每個原子都試圖保持平衡,在一定范圍內來回移動;另一個是擴散機制,原子的運動形態(tài)是混亂的。而且他們還發(fā)現(xiàn)微觀結構在剪力作用下能保持良好的結構完整性,但在受壓和受壓荷載作用下就表現(xiàn)一般了。
有意思的是第三個機理,是他們在用納米壓痕儀(nanoindenter)來測試材料微觀性能時(納米壓痕儀主要用于微納米尺度薄膜材料的硬度與楊氏模量測試,測試結果通過力與壓入深度的曲線計算得出,無需通過顯微鏡觀察壓痕面積——百度百科),發(fā)現(xiàn)經過測試后,壓痕處的高壓應力促使晶體材料的局部相變,產生結構變形,形成層間強鍵,鍵的強度取決于力的大小,而這一現(xiàn)象在宏觀的標準加載作用下是不可見的。
對于存在分層結構的材料而言,加強層間聯(lián)系也就意味著整體上的強度提高。這一發(fā)現(xiàn)在未來或許會應用到水泥強度的提高上,這就為高強混凝土材料的制備提供了另一種思路。
這篇文章發(fā)表在Nature的開源期刊Scientific Reports上:Lei Tao, Rouzbeh Shahsavari. Diffusive, Displacive Deformations and Local Phase Transformation Govern the Mechanics of Layered Crystals: The Case Study of Tobermorite. Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-05115-4
通過增強黏聚摩擦作用來增強混凝土強度
麻省理工的Oral Buyukozturk教授研究團隊同樣把關注點放在了水泥材料C-S-H的分層結構上。通過研究單個晶體原子的強度和耐久屬性,建立能夠模擬單個原子特征的計算機模型。模擬結果表明,分子結構在滑動變形下表現(xiàn)出了“摩擦阻力”,研究團隊開發(fā)了一個內聚摩擦力場模型,將這些原子之間的相互作用結合在大尺度的粒子中。準確地描述這些內力對于理解混凝土強度增長規(guī)律非常重要。
研究小組正在嘗試通過添加某種添加劑(指的是火山灰、礦渣等水泥替代物)和其他材料,來改善水泥中原子或膠體的粘性和摩擦力。該團隊開發(fā)的計算機模型,可以幫助設計者根據(jù)混合物的分子相互作用效果來選擇適合當?shù)厍闆r的外摻材料——即通過微觀設計來指導配合比,從而實現(xiàn)混凝土的更高性能、更好的環(huán)保效應。
Steven D. Palkovic , Sidney Yip , Oral Büyük?ztürk, etc. A cohesive-frictional force field (CFFF) for colloidal calcium-silicate-hydrates.Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2017,109
堿-集料反應的原子模擬
加拿大新不倫瑞克省的Mactaquac大壩建于1968年,當初的設計服役期是100年,但是如今它已經被一連串的化學反應導致的病害所累,很顯然地“減壽”了。
“問題就出在了堿-集料反應上”,麻省理工學院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心執(zhí)行主任(MIT Concrete Sustainability Hub,CSHub) Jeremy Gregory到現(xiàn)場勘察后得出了結論。
CSHub、新布倫瑞克大學(University of New Brunswick ,UNB)和俄勒岡州立大學 (Oregon State University ,OSU) 的聯(lián)合課題組,對堿集料反應 (alkali-silica reaction ,ASR)展開了研究,UNB的研究者開展堿集料反應實驗、OSU的研究者主攻凍融反應(freeze-thaw),除了少數(shù)實驗外,這個項目的絕大多數(shù)計算工作都是在麻省理工學院完成的。
這個項目的可貴之處,是通過原子層面的模擬,來對堿-集料反應產物的膨脹過程進行機理描述,從原子角度嘗試理解堿集料反應對結構造成的影響,并進一步給出解決方案。
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