В статье, опубликованной в журнале Construction and Building Materials, команда ученых противопоставляет цементную пасту — вяжущий ингредиент бетона — структуре и свойствам природных материалов, таких как кости, раковины и глубоководные губки. Как наблюдали исследователи, эти биологические материалы исключительно прочные и долговечные, отчасти благодаря точной сборке структур на разных уровнях длины, от молекулярного до макро или видимого уровня.По их наблюдениям, команда во главе с Оралом Буюкозтурком, профессором факультета гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института (CEE), предложила новый биоинспектируемый подход «снизу вверх» для разработки цементного теста.«Эти материалы собраны в увлекательной манере, с простыми компонентами, образующими сложные геометрические конфигурации, которые приятно наблюдать», — говорит Бююкозтюрк. «Мы хотим увидеть, какие виды микромеханизмов существуют внутри них, которые обеспечивают такие превосходные свойства, и как мы можем применить аналогичный подход на основе строительных блоков для бетона».
В конечном итоге команда надеется определить природные материалы, которые можно использовать в качестве устойчивых и долговечных альтернатив портландцементу, для производства которого требуется огромное количество энергии.«Если мы сможем частично или полностью заменить цемент некоторыми другими материалами, которые могут быть легко и широко доступны в природе, мы сможем достичь наших целей по обеспечению устойчивости», — говорит Буюкозтюрк.Соавторами статьи являются ведущий автор и аспирант Стивен Палкович, аспирант Дитер Броммер, научный сотрудник Кунал Купваде-Патил, доцент ЦВЕ Адмир Масич и руководитель отдела ЦВЕ Маркус Бюлер, профессор инженерных наук McAfee.
«Слияние теории, вычислений, нового синтеза и методов определения характеристик позволило изменить парадигму, которая, вероятно, навсегда изменит способ производства этого вездесущего материала», — говорит Бюлер. «Это могло бы привести к более прочным дорогам, мостам, сооружениям, уменьшить углеродный и энергетический след и даже позволить нам улавливать углекислый газ в процессе производства материала. Внедрение нанотехнологий в бетон является одним из ярких примеров [того, как] увеличить масштабы производства. сила нанонауки для решения грандиозных инженерных задач ».
От молекул к мостамСегодняшний бетон представляет собой беспорядочную совокупность щебня и камней, скрепленных цементным тестом. Прочность и долговечность бетона частично зависит от его внутренней структуры и конфигурации пор.
Например, чем более пористый материал, тем он более уязвим для растрескивания. Однако не существует доступных методов для точного контроля внутренней структуры и общих свойств бетона.«Это в основном предположения», — говорит Буюкозтюрк. «Мы хотим изменить культуру и начать контролировать материал на мезоуровне».
Как описывает Буюкозтюрк, «мезомасштаб» представляет собой связь между микромасштабными структурами и свойствами макромасштаба. Например, как микроскопическое расположение цемента влияет на общую прочность и долговечность высокого здания или длинного моста?
Понимание этой связи поможет инженерам определить особенности в различных масштабах длины, которые улучшат общие характеристики бетона.«С одной стороны, мы имеем дело с молекулами, а с другой — строим структуру длиной порядка километров», — говорит Бююкозтюрк. «Как нам связать информацию, которую мы разрабатываем в очень маленьком масштабе, с информацией в большом масштабе? Это загадка».
Строительство снизу вверхЧтобы понять эту связь, он и его коллеги обратились к биологическим материалам, таким как кость, глубоководные губки и перламутр (внутренний слой раковины моллюсков), которые были тщательно изучены на предмет их механических и микроскопических свойств. Они просмотрели научную литературу в поисках информации о каждом биоматериале и сравнили их структуру и поведение в нано-, микро- и макромасштабе со структурой цементного теста.
Они искали связи между структурой материала и его механическими свойствами. Например, исследователи обнаружили, что луковичная структура слоев кремнезема глубоководной губки обеспечивает механизм предотвращения трещин. Перламутр состоит из минералов, построенных по принципу «кирпич и строительный раствор», что создает прочную связь между минеральными слоями, что делает материал чрезвычайно прочным.«В этом контексте существует широкий спектр методов многомасштабной характеристики и компьютерного моделирования, хорошо зарекомендовавших себя для изучения сложных биологических и биомиметических материалов, которые можно легко применить в цементном сообществе», — говорит Масич.
Применяя информацию, которую они узнали из исследования биологических материалов, а также знания, которые они собрали по существующим инструментам проектирования цементной пасты, команда разработала общую, основанную на биоинспекциях структуру или методологию, с помощью которой инженеры могут проектировать цемент «снизу вверх».Структура, по сути, представляет собой набор руководящих принципов, которым могут следовать инженеры, чтобы определить, как определенные добавки или ингредиенты, представляющие интерес, повлияют на общую прочность и долговечность цемента.
Например, в рамках смежного направления исследований Buyukozturk изучает вулканический пепел в качестве добавки или заменителя цемента. Чтобы увидеть, улучшит ли вулканический пепел свойства цементной пасты, инженеры, следуя схеме группы, сначала использовали существующие экспериментальные методы, такие как ядерный магнитный резонанс, сканирующая электронная микроскопия и дифракция рентгеновских лучей, чтобы охарактеризовать твердое тело вулканического пепла и конфигурацию пор с течением времени. .Затем исследователи могут включить эти измерения в модели, моделирующие долгосрочную эволюцию бетона, чтобы определить мезомасштабные взаимосвязи между, скажем, свойствами вулканического пепла и вкладом материала в прочность и долговечность бетонного моста, содержащего пепел. Затем эти модели могут быть подтверждены с помощью обычных экспериментов по сжатию и наноиндентированию для тестирования реальных образцов бетона на основе вулканического пепла.В конечном итоге исследователи надеются, что эта структура поможет инженерам идентифицировать ингредиенты, которые структурированы и развиваются таким же образом, как и биоматериалы, что может улучшить характеристики и долговечность бетона.
«Надеюсь, это приведет нас к некоему рецепту более экологичного бетона», — говорит Буюкозтюрк. «Как правило, зданиям и мостам дается определенный расчетный срок службы. Можем ли мы продлить этот расчетный срок, может быть, в два или три раза? Это то, к чему мы стремимся.
Наша структура представляет все это на бумаге в очень конкретной форме, чтобы инженеры могли ее использовать. "Это исследование было частично поддержано Кувейтским фондом развития науки через Центр природных ресурсов и окружающей среды Кувейта-Массачусетского технологического института, Национальный институт стандартов и технологий и Аргоннскую национальную лабораторию.