Рисовая лаборатория ученого-материаловеда Рузбеха Шахсавари провела компьютерный анализ тоберморита на атомном уровне, природного кристаллического аналога силиката-гидрата кальция (C-S-H), из которого состоит цемент, который, в свою очередь, скрепляет бетон. Понимая внутреннюю структуру тоберморита, они надеются сделать бетон более прочным, жестким и способным лучше деформироваться без растрескивания под нагрузкой.
Их результаты опубликованы на этой неделе в журнале Американского химического общества ACS Applied Materials and Interfaces.
Тоберморит, ключевой элемент в превосходном бетоне, который римляне использовали в древние времена, формируется слоями, как стопки бумаги, которые затвердевают в частицы. Эти частицы часто имеют винтовые дислокации, дефекты сдвига, которые помогают снимать напряжение, позволяя слоям скользить друг мимо друга. В качестве альтернативы, они могут позволить слоям лишь немного соскользнуть, прежде чем зазубренные дефекты зафиксируют их на месте.
Исследователи построили первые компьютерные модели «суперячеек» тоберморита с дислокациями, перпендикулярными или параллельными слоям в материале, а затем применили силу сдвига.
Они обнаружили, что бездефектный тоберморит легко деформируется, поскольку молекулы воды, зажатые между слоями, помогают им скользить мимо друг друга.
Но в частицах с винтовыми дефектами слои только скользили до тех пор, пока не закрепились на месте зубчатыми дислокациями ядра. Это эффективно передавало сопротивление следующему слою, который скользил, пока не был пойман, и так далее, снимая напряжение без растрескивания.
Это "ступенчатое скольжение, вызванное дефектами" вокруг ядра частицы, делает ее более пластичной и способной адаптироваться к нагрузкам, — сказал Шахсавари, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии, материаловедения и наноинженерии.
«Вывод, который мы получаем из этого исследования, заключается в том, что, в отличие от общепринятой интуиции, что дефекты вредны для материалов, когда дело доходит до сложных слоистых кристаллических систем, таких как тоберморит, это не так», — сказал Шахсавари. к изгибам дислокации в определенных направлениях, что действует как узкое место для скольжения, тем самым увеличивая предел текучести и ударную вязкость.
«Эти последние свойства являются ключевыми при разработке бетонных материалов, которые одновременно являются прочными и жесткими — две инженерные особенности, которые очень желательны в нескольких областях применения. Наше исследование представляет собой первый отчет о том, как использовать кажущиеся слабыми атрибуты — дефекты — в цементе и превратить их в желаемые свойства, высокую прочность и ударную вязкость."
Шахсавари сказал, что надеется, что эта работа предоставит рекомендации по проектированию для разработки более прочного, более жесткого бетона и других сложных материалов.