2021-05-11
 
没有任何东西可以赋予混凝土强度韧性
2021年05月11日   阅读量:21461

人们需要什么来加强或加固混凝土?没什么。或者其他的东西。


“无”是微观空隙的形式,“某物”由嵌入地球上最常见的建筑材料中的特定颗粒组成中国建材网cnprofit.com。赖斯大学材料科学家Rouzbeh Shahsavari和博士后研究员Ning Zhang分析了600多种混凝土内部基质的计算机模型,以确定空隙和硅酸盐颗粒都是使材料具有卓越品质的重要因素。


这项研究发表在本月的《固体力学与物理学》杂志上。


沙赫萨瓦里(Shahsavari)和他的团队着手提供新的见解,并设计指导方针和策略,以使水泥核心的水泥水合物-称为硅酸钙水合物(CSH)-能够从分子中向上调节。他们发现,尽管混凝土在宏观上可能看起来很脆,但它在纳米尺度上融合了韧性断裂机制,有助于防止混凝土破坏。


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沙赫萨瓦里说:“ CSH是混凝土中最小的构件,我们希望了解和控制它,以使我们受益。” “对其分子相互作用的模型进行建模有助于我们了解其纳米级结构,缺陷和断裂韧性。但是,由于我们正在寻找的特征的规模,很难单独通过实验来研究。”


Rice实验室进行的一系列研究中的最新一项研究着眼于CSH中无规气孔或无规硅酸盐颗粒的相互作用如何影响强度,刚度和韧性的机械质量,尤其是在气孔遇到扩展裂纹的情况下。


Shahsavari说:“除了CSH外,硅酸盐是水泥水化的另一种产物,但它的含量比CSH低,并且主要以包裹体或被CSH基质包围的孤立岛的形式存在。” “由于钙钛矿的晶体特征和力学性能与CSH不同,因此它的存在和分布会严重影响CSH的力学性能。”


研究人员使用分子动力学模拟发现,裂纹倾向于遵循阻力最小的路径,并朝着所遇到的纳米空隙或硅酸盐颗粒的方向转向。通过偏转或改变裂纹的几何形状,空隙和颗粒会消耗能量裂纹。Shahsavari说,这可能有助于混凝土的整体韧性。


“在水泥水合物的强度和韧性方面(通常是人造材料所独有的特性),无规孔隙和硅酸盐颗粒可通过调节一系列相互竞争的变形机制(例如裂纹扩展,裂纹变形)发挥关键作用,空隙合并,内部颈缩,空隙和颗粒的几何形状改变,” Shahsavari说。“我们的工作解码了所有这些复杂的竞争机制。”


对于结晶性比晶体高的非晶态CSH(如在硅铁矿混凝土中),他们发现添加的硅酸盐颗粒会引起强烈的化学反应,从而增加了产品的强度和韧性。他们还确定,对于所有测试的变化,空隙和颗粒的平均直径越小,材料越坚固。


Shahsavari说,由于每年使用的混凝土超过300亿吨,其制造贡献了全球二氧化碳排放量的10%,因此任何细微的调整都值得付出努力。


沙赫萨瓦里说:“我们的研究结果首次为水泥水合物中的韧性断裂机制提供了新的证据,这让人联想到晶体合金和韧性金属。” “鉴于裂纹的增长和强度是受纳米级变形机制控制的固有特性,我们的发现可能会在更大范围内影响混凝土的机械性能,为将脆性水泥水合物转变为可延展材料开辟新的机会和策略。耐用混凝土基础设施和其他可能的复杂脆性材料的现代工程。”


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