Ничто и что-то придают бетону прочность, стойкость

«Ничто» имеет форму микроскопических пустот, а «что-то» состоит из определенных частиц, встроенных в самый обычный строительный материал на Земле. Материаловед из Университета Райса Рузбех Шахсавари и научный сотрудник Нин Чжан проанализировали более 600 компьютерных моделей внутренней матрицы бетона, чтобы определить, что как пустоты, так и частицы портландита играют важную роль в придании материалам его замечательных качеств.Исследование появится в этом месяце в Журнале механики и физики твердого тела.Шахсавари и его команда намеревались предоставить новые идеи и разработать руководящие принципы и стратегии, чтобы сделать гидрат цемента, известный как гидрат силиката кальция (C-S-H), в основе бетона, более гибким, начиная с молекул.

Они обнаружили, что, хотя бетон может казаться хрупким на макроуровне, он включает в себя механизмы вязкого разрушения в наномасштабе, которые помогают предотвратить его разрушение.«C-S-H — это наименьший строительный блок в бетоне, и мы хотим понимать и контролировать его в наших интересах», — сказал Шахсавари. «Моделирование того, как его молекулы взаимодействуют, помогает нам понять его наноразмерную структуру, дефекты и трещиностойкость.

Но это очень трудно изучать с помощью одних только экспериментов из-за масштаба свойств, на которые мы смотрим».В этом последнем из серии исследований лаборатории Райса рассматривается, как взаимодействие случайных воздушных пустот или случайных частиц портландита в C-S-H влияет на механические характеристики прочности, жесткости и ударной вязкости, особенно там, где пустоты встречаются с распространяющимися трещинами.«Помимо C-S-H, портландит является еще одним продуктом гидратации цемента, но он образуется в меньших количествах по сравнению с C-S-H и в основном существует в виде включений или изолированных островков, окруженных матрицей C-S-H», — сказал Шахсавари. «Поскольку портландит имеет другие кристаллические свойства и механические свойства, чем C-S-H, его присутствие и распределение могут значительно повлиять на механику C-S-H».Используя моделирование молекулярной динамики, исследователи обнаружили, что трещины имеют тенденцию следовать по пути наименьшего сопротивления и поворачиваться в направлении либо нанопорошков, либо частиц портландита, с которыми они столкнулись.

Отклоняя или изменяя геометрию трещины, пустоты и частицы лишали трещину энергии. Шахсавари сказал, что это, вероятно, способствует повышению общей прочности бетона.«Когда дело доходит до прочности и вязкости гидрата цемента — свойств, которые обычно присущи исключительно искусственным материалам, — случайные пустоты и частицы портландита играют ключевую роль, регулируя ряд конкурирующих механизмов деформации, таких как рост трещин, отклонение трещин и т. Д. слияние пустот, внутреннее сужение, аккомодация и изменение геометрии пустот и частиц », — сказал Шахсавари. «Наша работа расшифровала все такие сложные конкурирующие механизмы».Для C-S-H, который является более аморфным, чем кристаллическим (как в тоберморитовом бетоне), они обнаружили, что добавление частиц портландита вызывает сильные химические реакции, которые увеличивают прочность, а также ударную вязкость продукта.

Они также определили, что для всех испытанных вариаций, чем меньше средний диаметр пустот и частиц, тем прочнее материал.По словам Шахсавари, поскольку ежегодно используется более 30 миллиардов тонн бетона и на его производство приходится до 10 процентов выбросов углекислого газа во всем мире, отдача от любого небольшого изменения стоит затраченных усилий.

«Наши результаты впервые предоставляют новые доказательства механизмов вязкого разрушения в гидрате цемента, которые напоминают кристаллические сплавы и пластичные металлы», — сказал Шахсавари. «Учитывая, что рост трещин и прочность являются неотъемлемым свойством, контролируемым механизмами деформации в нанометровом масштабе, наши результаты могут влиять на механические свойства бетона в более крупных масштабах, открывая новые возможности и стратегии для превращения хрупкого гидрата цемента в пластичный материал. Это повлияет на современное проектирование прочных бетонных инфраструктур и потенциально других сложных хрупких материалов ».


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *