从纳米级升起,设计气候友好的混凝土

MIT LED团队已经定义了控制在水泥“浆料”的形成过程中如何将粒子包装在一起的纳米级力,该材料保持在混凝土的混凝土和导致普遍存在的建筑材料成为温室气体排放的主要来源。通过控制那些力量,研究人员现在可以改变硬化水泥膏的微观结构,减少毛孔和其他弱势来源,使混凝土更强,更硬,抗骨折和更长。研究人员模拟的结果解释了几十年来观察者的实验测量,他们可以指导其他改进的方式,例如加入聚合物以将孔隙填充到粘合剂材料中,以减少新水泥的需要。

每年,世界为地球上的每个人生产2.3立方米的混凝土,在生成所有工业二氧化碳的10%以上的过程中(CO2)排放。现有基础设施的新建筑和维修目前需要大量的混凝土,预计消费将来会在未来急剧上升。 “在未来30年内庇护所有人进入城市的人,我们必须建立相当于几百纽约城市,”  罗兰佩伦克,法国公民和环境工程系(CEE)的高级研究科学家和法国国家科学研究中心的研究主任(CNRS)。 “这项任务没有重要的是混凝土。”

认识到对混凝土,Pellenq和他的同事的批判性需求 Franz-Josef Ulm,Cee和Director教授 麻省理工学院混凝土可持续发展枢纽 (CSHUB)一直致力于减少其环境足迹。他们的目标:找到较少的方法。 “如果我们可以使混凝土更强大,我们需要在我们的结构中使用少量,”Ulm说。 “如果我们可以使其更耐用,它将在需要更换之前持续更长时间。”

令人惊讶的是,虽然混凝土是2000年的临界建筑材料,但改善主要来自试验和错误而不是严格的研究。结果,控制如何形成的因素和表现如何仍然难以理解。 “人们总是认为他们在显微镜下看到的东西是混凝土特殊性的巧合或证据,”乌尔姆说,Pellenq联合指导的联合MIT-CNRS实验室 多尺度材料科学能源与环境,由麻省理工学院能源倡议(Mitei)托管。 “他们没有去那个非常小的规模看,看起来将它持续在一起 - 而且没有知识,你无法修改它。”

水泥:更好的混凝土的关键

混凝土问题 - 既有环境和结构 - 也与用作胶水的物质相关,即水泥。混凝土通过混合在一起砾石,沙,水和水泥制成。最后两种成分结合起来使水泥水合物,硬化混凝土中的粘合剂。但是使干水泥粉末需要在1,500摄氏度的温度下烹饪石灰石(通常用粘土),以便足够长,以驱除其中的碳。在高温和石灰石脱碳之间,制造混凝土的水泥粉的过程本身责任所有CO的近6%2 全球工业的排放。结构问题也可以追溯到水泥:当成品混凝土裂缝和崩溃时,失效不可避免地在水泥水合物内开始,该水泥水合物应该将其固定在一起 - 并且更换碎混凝土将需要制作新的水泥并将更多的水泥制作2 into the atmosphere.

然后,改善混凝土,研究人员必须解决水泥水合物 - 并且他们必须从基础上开始:通过原子级分析定义其基本结构。 2009年,Pellenq,ULM和与CSHUB相关的国际研究人员发表了水泥水合物三维分子结构的第一个描述。随后,它们确定了一种新的配方,从而产生水泥水合物颗粒,其中原子在特定构型中发生 - “甜点” - 使粒子强度提高50%。

但是,纳米级理解不会直接转化为宏观特征。水泥水合物的强度和其他关键特性实际上取决于其结构在“Messcale”的结构上 - 具体地,纳米颗粒如何将百纳米距离填充在一起,作为粘合剂材料形式。

当干水泥粉溶解在水中时,发生室温化学反应,并且水泥水合物的纳米颗粒沉淀出来。如果颗粒不紧密包装,则硬化的水泥将含有空隙,其直径为几十纳米 - 足够大,以允许诸如道路盐等腐蚀性的材料来渗入。此外,单独的水泥水合物颗粒继续移动时间 - 以微小的规模 - 这种运动会导致老化,开裂和其他类型的降解和失败。

为了了解包装过程,研究人员需要定义驱动水泥水合物微观结构的形成的精确物理 - 这意味着它们必须了解颗粒中工作中的物理力量。系统中的每个颗粒在每个其他颗粒上施加力,并且取决于它们的靠近,力要么将它们拉在一起或将它们移开。粒子寻求一个组织,最小化许多颗粒的长度尺度的能量。但达到均衡状态需要很长时间。当罗马人在2000年前制作了混凝土时,他们使用了一个花了很多月的粘合剂来硬化,所以它的粒子有时间重新分配,以便放松它们之间的力量。但施工时间是金钱,所以今天的活页夹已经优化了几个小时后硬化。结果,在水泥水合物颗粒弛豫的情况下,混凝土很长,并且当它们做时,混凝土有时会缩小和裂缝。因此,虽然罗马斗兽场和万神殿仍然站立,但今天今天制造的混凝土可以在几年内失败。

研究挑战

实验室调查一段可能发生的过程不实际,因此研究人员转向计算机模拟。 “由于统计物理和计算方法,我们能够在几个小时内模拟该系统向均衡状态移动,”Ulm说。

基于他们对粒子内原子之间的相互作用的理解,研究人员 - 由Mitei Postdoc Katerina Ioannidou的领导 - 定义了控制粒子如何相对于彼此的颗粒空间作为水泥水合物形式的力。结果是一种模拟沉淀过程,通过颗粒模拟颗粒的算法。通过不断地跟踪已经存在的粒子之间的力,算法计算每个新的一个最可能的位置 - 将系统移动到平衡的位置。因此,在填充空间并且沉淀过程停止之前,增加了越来越多的不同尺寸的颗粒。

样品分析的结果出现在上述幻灯片的图1中的前两个图中。每个模拟箱的宽度仅为600纳米 - 大约十分之一的人头发的直径。这两种分析假设不同的包装分数,即粒子占据的模拟盒的总分数。填料分数在左侧图中为0.35,中心图中为0.52。在较低的分数下,更多的体积由打开的孔组成,由白色区域表示。

图1中的第三图是通过T.C的开创性工作所提出的水泥水合物结构的草图。 1958年的权力。与中心人物的相似性突出。因此,MIT结果支持力量的想法,即Mesoscale孔的形成可以归因于水合过程中过量的水 - 即比溶解和沉淀水泥水合物所需的水。 “那些毛孔是你排在第一个地方的水的指纹,”Pellenq说。 “加入太多的水,最后你有一个太多的水泥糊,它会随着时间的推移而变得降低。”

为了验证其模型,研究人员进行了实验测试和平行理论分析,以确定水泥水合物样品的刚度和硬度(或强度)。使用称为纳米凸缘的技术进行实验室测量,这涉及将硬尖端推入样品中以确定施加的载荷和压印下方变形材料的体积之间的关系。

上面的幻灯片的图2中的图表显示了三个实验室样本(小符号)上的小规模纳米狭窄试验以及由模拟(黄色方块)产生的“样品”中的那些性质的计算。左侧的图表显示了刚度的结果,右侧的右侧的图表对硬度。在这两种情况下,X轴表示包装分数。仿真结果良好地匹配实验结果。 (研究人员指出,在较低的包装分数下,材料过于潮湿,无法通过实验进行测试 - 但是模拟可以无论如何都可以进行计算。)

在另一个测试中,该团队研究了几十年来具有神秘的研究人员的水泥水合物的实验测量。确定材料结构的标准方法是使用小角度中子散射(SAN)。将一个中子束送入样品,以及它们如何反弹,它们如何传达有关颗粒和孔的分布的信息以及几百纳米的长度尺度上的其他特征。

三十年来,SAN已经在硬化的水泥糊中使用,但测量总是展示了该领域专家无法解释的常规模式。有些人谈论分形结构,而其他人提出混凝土是独一无二的。

为了调查,研究人员将实验室样本的SAN分析与使用它们的模型计算的相应散射数据进行了比较。实验和理论结果表明,再次验证了它们的技术。此外,仿真阐明了过去混淆的来源:未解释的图案是由孔和固体区域之间的边界处的粗糙边缘引起的。乌尔姆说:“我们突然间,我们可以解释这个签名,但在物理学中,以自下而上的方式,”乌尔姆说。 “这是一步一步。”

新能力,新研究

“我们现在知道水泥糊的微纹理不是给出的,而是物理力量相互作用的结果,”乌尔姆说。 “自从我们知道那些力量以来,我们可以修改它们以控制微纹理,并用我们想要的特征产生混凝土。”该方法开辟了一个新的领域,涉及从底部设计的水泥基材料的设计,以创建一套针对特定应用程序定制的产品套件。

CSHUB研究人员现在正在探索将新技术应用于混凝土生命周期中的所有步骤。例如,有希望的生命开始的方法可以是添加另一种成分 - 或许是聚合物 - 改变颗粒颗粒相互作用,并用作孔隙空间的填料,现在在水泥水合物中形成孔隙空间。结果将是一种更强大,更耐用的结构,以及高密度,低孔隙率水泥,可在各种应用中表现良好。例如,在当今的石油和天然气井上,水泥护套通常放置在钻孔管周围,以使气体逸出。 “甲烷分子比今天水泥中的毛孔小500倍,因此填充这些空隙将有助于密封气体,”Pellenq说。

控制材料的微纹理的能力可以具有其他更少的预期影响。例如,新的CSHUB工作已经证明,车辆的燃料效率受到轮胎和路面之间的相互作用的显着影响。上面幻灯片管道图3所示的实验室设置中的模拟和实验表明,使混凝土表面更硬于全国范围内将车辆燃料消耗降低3%,节约能源和减少排放。

也许最引人注目的是回收混凝土的概念。如今,回收混凝土的方法通常涉及将其切割并使用它在新的混凝土中代替砾石。但这种方法不会减少制造更多水泥的需要。研究人员的想法是再现他们在水泥水合物中鉴定的内聚力。 “如果微纹理只是纳米尺寸颗粒之间的物理力的结果,那么我们应该能够将旧的混凝土研磨成细颗粒并压缩它们,以便相同的力场发展,”Ulm说。 “我们可以在不需要任何新水泥的情况下制作新的粘合剂 - 一个真正的混凝土回收概念!”

从纳米级升起,设计气候友好的混凝土这项研究得到了斯克洛姆伯格的支持;法国国家科学研究中心(通过其卓越的能源和环境卓越跨学科中心的实验室);和麻省理工学院的混凝土可持续发展中心。舒尔伯格是A. 维持成员 麻省理工学院能源倡议。研究团队还包括麻省理工学院的其他调查人员;加州大学在洛杉矶;纽卡斯尔大学在英国;和索邦大学,Aix-Marseille University,以及法国的国家科学研究中心。



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