混凝土是當(dāng)今用量zui大的建筑材料，但在制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的環(huán)境污染(主要體現(xiàn)在制作水泥中產(chǎn)生的粉塵和二氧化碳排放等)，雖然全世界的科學(xué)家們都在努力，在短時(shí)間內(nèi)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(gè)思路便是對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行改造，有一些研究甚至已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)的微觀層次。

下面就來(lái)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(xì)致”水平：

納米壓痕技術(shù)可以改善混凝土性能水化硅酸鈣(Tobermorite)是一種天然的結(jié)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(lái)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(duì)這種具有良好的層級(jí)結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)一步了解，Rice大學(xué)的Rouzbeh Shahsavari教授和他的學(xué)生Lei Tao嘗試在納米級(jí)別，對(duì)材料的層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀觀測(cè)，并建立數(shù)值模型。

他們的模擬結(jié)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(jí)結(jié)構(gòu)材料的三個(gè)分子機(jī)理：一個(gè)是位移機(jī)制，當(dāng)材料在宏觀層面受到外力作用時(shí)，微觀層面每個(gè)原子都試圖保持平衡，在一定范圍內(nèi)來(lái)回移動(dòng)；另一個(gè)是擴(kuò)散機(jī)制，原子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)是混亂的。而且他們還發(fā)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)在剪力作用下能保持良好的結(jié)構(gòu)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(gè)機(jī)理，是他們?cè)谟眉{米壓痕儀(nanoindenter)來(lái)測(cè)試材料微觀性能時(shí)(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(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)力與壓入深度的曲線計(jì)算得出，無(wú)需通過(guò)顯微鏡觀察壓痕面積——百度百科)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)測(cè)試后，壓痕處的高壓應(yīng)力促使晶體材料的局部相變，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，形成層間強(qiáng)鍵，鍵的強(qiáng)度取決于力的大小，而這一現(xiàn)象在宏觀的標(biāo)準(zhǔn)加載作用下是不可見的。

對(duì)于存在分層結(jié)構(gòu)的材料而言，加強(qiáng)層間聯(lián)系也就意味著整體上的強(qiáng)度提高。這一發(fā)現(xiàn)在未來(lái)或許會(huì)應(yīng)用到水泥強(qiáng)度的提高上，這就為高強(qiáng)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(guò)增強(qiáng)黏聚摩擦作用來(lái)增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度

麻省理工的Oral Buyukozturk教授研究團(tuán)隊(duì)同樣把關(guān)注點(diǎn)放在了水泥材料C-S-H的分層結(jié)構(gòu)上。通過(guò)研究單個(gè)晶體原子的強(qiáng)度和耐久屬性，建立能夠模擬單個(gè)原子特征的計(jì)算機(jī)模型。模擬結(jié)果表明，分子結(jié)構(gòu)在滑動(dòng)變形下表現(xiàn)出了“摩擦阻力”，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)內(nèi)聚摩擦力場(chǎng)模型，將這些原子之間的相互作用結(jié)合在大尺度的粒子中。準(zhǔn)確地描述這些內(nèi)力對(duì)于理解混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律非常重要。

研究小組正在嘗試通過(guò)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(lái)改善水泥中原子或膠體的粘性和摩擦力。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的計(jì)算機(jī)模型，可以幫助設(shè)計(jì)者根據(jù)混合物的分子相互作用效果來(lái)選擇適合當(dāng)?shù)厍闆r的外摻材料——即通過(guò)微觀設(shè)計(jì)來(lái)指導(dǎo)配合比，從而實(shí)現(xiàn)混凝土的更高性能、更好的環(huán)保效應(yīng)。

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(yīng)的原子模擬

加拿大新不倫瑞克省的Mactaquac大壩建于1968年，當(dāng)初的設(shè)計(jì)服役期是100年，但是如今它已經(jīng)被一連串的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的病害所累，很顯然地“減壽”了。

“問(wèn)題就出在了堿-集料反應(yīng)上”，麻省理工學(xué)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(chǎng)勘察后得出了結(jié)論。

CSHub、新布倫瑞克大學(xué)(University of New Brunswick ,UNB)和俄勒岡州立大學(xué) (Oregon State University ,OSU) 的聯(lián)合課題組，對(duì)堿集料反應(yīng) (alkali-silica reaction ,ASR)展開了研究，UNB的研究者開展堿集料反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、OSU的研究者主攻凍融反應(yīng)(freeze-thaw)，除了少數(shù)實(shí)驗(yàn)外，這個(gè)項(xiàng)目的絕大多數(shù)計(jì)算工作都是在麻省理工學(xué)院完成的。

這個(gè)項(xiàng)目的可貴之處，是通過(guò)原子層面的模擬，來(lái)對(duì)堿-集料反應(yīng)產(chǎn)物的膨脹過(guò)程進(jìn)行機(jī)理描述，從原子角度嘗試?yán)斫鈮A集料反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響，并進(jìn)一步給出解決方案。