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2018
04-16

水泥结构之谜终于解决了


混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料,如此丰富,其生产是温室气体排放的主要来源之一。然而,关于这种无所不在的材料的微观结构和行为的一些基本问题的答案仍然难以捉摸。

混凝土通过水,砂砾,沙子和水泥粉末的混合物凝固形成。产生的胶水材料(俗称水泥水合物,CSH)是一种连续的固体,如金属或石头,还是小颗粒的聚集体?

这个问题的基本问题是,它从来没有得到明确的答复。美国麻省理工学院,乔治城大学和法国国家科学研究中心(CNRS)(与美国,法国和英国的其他大学一起)的一个研究小组在一篇发表在国家科学院院刊上的论文中指出,他们已经解决了这个谜题,确定了CSH结构中的关键因素,可以帮助研究人员制定更好的配方来生产更耐用的混凝土。

模拟混凝土样品的这个图像显示了“填充分数”,它描述了填充固体材料的体积分数。在这种情况下,平均装箱率是0.52。颜色表示样本内的变化,从小于0.4到大于0.64。立方体的大小是0.6微米(百万分之一米)。图片由研究人员提供

麻省理工学院土木与环境工程系高级研究科学家,MIT-CNRS实验室主任Roland Pellenq < MSE>由麻省理工学院能源倡议组织主持的一项研究工作,也是这篇新论文的合着者,他说,这项工作建立在他与麻省理工学院和CNRS合作的具体可持续发展中心(CSHub)与其他人进行的先前研究之上。他说,“我们做了第一个混凝土结构的原子尺度模型”,但是关于几百纳米尺度的更大的中尺度结构仍然存在问题。他表示,新的工作解决了其中一些不确定因素。

有点

一个关键的问题是凝固CSH材料,是由多种不同尺寸的颗粒组成,应该被视为连续基体还是离散颗粒的组合体。答案结果是这两者都有一点 - 颗粒分布是这样的:几乎颗粒之间的每个空间都被更小的颗粒填充,直到它接近连续的固体。他说:“这些谷物在中尺度上的相互作用非常强烈。

Pellenq说:“你可以在较大的谷物中找到一个更小的谷粒,因此”你可以看到它是一种连续的物质“。但是CSH中的谷物不能达到平衡, “或者说是一种能量最小的状态,在长度上涉及许多谷物,这使得材料易受随时间变化的影响。这会导致固体混凝土“蠕变”,最终导致开裂和降解。 “所以这两种观点都是正确的,从某种意义上讲,”他解释说。

对硬化混凝土结构的分析发现,不同大小的孔隙在确定材料特性方面起着重要的作用。虽然之前已经研究过较小的纳米级孔隙,但是从15到20纳米范围内的中等尺寸孔隙更难以研究,而且没有很好的表征,Pellenq说。这些孔隙空间可以在确定材料对水的易感性方面发挥主要作用,水可以进入材料并引起开裂,最终导致结构失效。 (然而,这种开裂也许令人惊讶,但是,当水冻结时,这种开裂与水的膨胀没有任何关系)。

Pellenq说,新的中尺度模拟是第一个可以充分匹配有时在测量CSH纹理的实验中看到的有时相互矛盾和混淆的结果的模拟。

迈向更好的配方

新的模拟可以匹配在实际混凝土样品中看到的关键特性(如刚度,弹性和硬度)的值。这表明,建模是有用的,他说,并可能有助于指导研究改进公式,例如一些 这减少了用水泥粉末在初始混合物中所需的水量。它是制造水泥粉末的过程,需要在非常高的温度下烹饪石灰石(含粘土),使混凝土生产成为人为温室气体排放的主要来源之一。

研究人员发现,微调给定应用所需的水量也可以提高材料的耐久性。在混凝土中使用的水量可以使混凝土的使用寿命产生很大的变化,即使在凝结过程中大部分水分都会蒸发掉。研究小组发现,虽然为了使泥浆能够浇灌到位,需要用水,但过多的水会导致更大的孔隙和更松散的松散的混凝土区域。这些地区可能会使材料更容易受到后来的退化,甚至可能被设计来提高其耐用性。

“这是一个典型的一步,提供了一个无缝的从原子到结构的混凝土理解,在材料设计和优化方面具有巨大的中期实际影响,”Christian Hellmich说。维也纳科技大学的材料和结构,谁没有参与这项研究。他补充说:“这项研究有助于推动具体的研究成为尖端的科学学科,工程师和物理学家的合作成为促进自然科学在跨学科界限过于紧密的驱动力。 “

来源:麻省理工学院,由David L. Chandler撰写