最近利用“原子模拟”改善混凝土性能的三篇报道,最后一张照片我震惊了

行业前沿 6天前 15 人围观 0

混凝土是当今用量最大的建筑材料,但在制备过程中会产生大量的环境污染(主要体现在制作水泥中产生的粉尘和二氧化碳排放等),虽然全世界的科学家们都在努力,在短时间内找到另一种施工便捷、取材方便、成本划算、受力性能良好的替代材料还是难以想象的。因此,另一个思路便是对现有材料进行改造,有一些研究甚至已经达到了纳米级的微观层次。

下面就来看几篇今年新发表的成果,把水泥材料研究到了怎样的一种“细致”水平:

纳米压痕技术可以改善混凝土性能

水化硅酸钙(Tobermorite)是一种天然的结晶体,类似于水泥中的水化硅酸钙(calcium-silicate-hydrate,C-S-H),也可以用来作为混凝土中的胶凝材料。在现代波特兰水泥发明之前,古罗马人曾用这种天然材料作为建筑材料,并称其为“a key to the legendary strength of undersea concrete structures”。

为了加深对这种具有良好的层级结构的材料进一步了解,Rice大学的Rouzbeh Shahsavari教授和他的学生Lei Tao尝试在纳米级别,对材料的层级结构进行微观观测,并建立数值模型。

他们的模拟结果,揭示了Tobermorite,以及与其类似的C-S-H等其他同类型具有层级结构材料的三个分子机理:一个是位移机制,当材料在宏观层面受到外力作用时,微观层面每个原子都试图保持平衡,在一定范围内来回移动;另一个是扩散机制,原子的运动形态是混乱的。而且他们还发现微观结构在剪力作用下能保持良好的结构完整性,但在受压和受压荷载作用下就表现一般了。

最有意思的是第三个机理,是他们在用纳米压痕仪(nanoindenter)来测试材料微观性能时(纳米压痕仪主要用于微纳米尺度薄膜材料的硬度与杨氏模量测试,测试结果通过力与压入深度的曲线计算得出,无需通过显微镜观察压痕面积——百度百科),发现经过测试后,压痕处的高压应力促使晶体材料的局部相变,产生结构变形,形成层间强键,键的强度取决于力的大小,而这一现象在宏观的标准加载作用下是不可见的。

对于存在分层结构的材料而言,加强层间联系也就意味着整体上的强度提高。这一发现在未来或许会应用到水泥强度的提高上,这就为高强混凝土材料的制备提供了另一种思路。

这篇文章发表在Nature的开源期刊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

通过增强黏聚摩擦作用来增强混凝土强度

麻省理工的Oral Buyukozturk教授研究团队同样把关注点放在了水泥材料C-S-H的分层结构上。通过研究单个晶体原子的强度和耐久属性,建立能够模拟单个原子特征的计算机仿真模型。模拟结果表明,分子结构在滑动变形下表现出了“摩擦阻力”,研究团队开发了一个内聚摩擦力场模型,将这些原子之间的相互作用结合在大尺度的粒子中。准确地描述这些内力对于理解混凝土强度增长规律非常重要。

研究小组正在尝试通过添加某种添加剂(指的是火山灰、矿渣等水泥替代物)和其他材料,来改善水泥中原子或胶体的粘性和摩擦力。该团队开发的计算机模型,可以帮助设计者根据混合物的分子相互作用效果来选择适合当地情况的外掺材料——即通过微观设计来指导配合比,从而实现混凝土的更高性能、更好的环保效应。

Steven D. Palkovic , Sidney Yip , Oral Büyüköztürk, etc. A cohesive-frictional force field (CFFF) for colloidal calcium-silicate-hydrates.Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2017,109

碱-集料反应的原子模拟

加拿大新不伦瑞克省的Mactaquac大坝建于1968年,当初的设计服役期是100年,但是如今它已经被一连串的化学反应导致的病害所累,很显然地“减寿”了。

“问题就出在了碱-集料反应上”,麻省理工学院混凝土可持续发展中心执行主任(MIT Concrete Sustainability Hub,CSHub) Jeremy Gregory到现场勘察后得出了结论。

CSHub、新布伦瑞克大学(University of New Brunswick ,UNB)和俄勒冈州立大学 (Oregon State University ,OSU) 的联合课题组,对碱集料反应 (alkali-silica reaction ,ASR)展开了研究,UNB的研究者开展碱集料反应实验、OSU的研究者主攻冻融反应(freeze-thaw),除了少数实验外,这个项目的绝大多数计算工作都是在麻省理工学院完成的。

这个项目的可贵之处,是通过原子层面的模拟,来对碱-集料反应产物的膨胀过程进行机理描述,从原子角度尝试理解碱集料反应对结构造成的影响,并进一步给出解决方案。

这个项目的研究剪报见这里:

Research Brief: Mechanical properties of Alkali Silica gels ( http://cshub.mit.edu/news/research-brief-mechanical-properties-alkali-silica-gels );

Research Brief: Atomistic Modeling of ASR Gel ( http://cshub.mit.edu/news/research-brief-atomistic-modeling-asr-gel)

至于那张令我震惊的照片,是MIT研究团队在Mactaquac大坝前的合影,画风是这样的: