«Ничто» не в форме микроскопических пустот, и «что-то» состоит из конкретных частиц, включенных в наиболее распространенный строительный материал на Земле. Материаловед Университета Райса Роуцбе Сасавари и постдокторский исследователь Ning Чжан проанализировали больше чем 600 компьютерных моделей внутренней матрицы бетона, чтобы решить, что обе пустоты и частицы портландита – значительные игроки в предоставлении материала его замечательных качеств.
Исследование появляется в этом месяце в Журнале Механики и Физики Твердых частиц.Shahsavari и его команда намереваются предоставлять новое понимание и руководству по проектированию и стратегиям сделать цементный гидрат – известным как гидрат силиката кальция (C-S-H) – в основе бетона более настраиваемый от молекул. Они нашли, что, в то время как бетон может казаться хрупким в макромасштабе, он включает податливые механизмы перелома в наноразмерных, которые помогают помешать ему терпеть неудачу.
«C-S-H – самый маленький стандартный блок в бетоне, и мы хотим понять и управлять им в наших интересах», сказал Сасавари. «Моделирование, как его молекулы взаимодействуют, помогает нам понять его наноразмерную структуру, дефекты и крутизну перелома. Но это очень трудно изучить посредством одних только экспериментов из-за масштаба особенностей, на которые мы смотрим».Это последнее в ряде исследований из лаборатории Райса смотрит на то, как взаимодействие или случайных воздушных пустот или случайных частиц портландита в C-S-H влияет на механические качества силы, жесткости и крутизны, особенно где пустоты встречают размножающиеся трещины.«Помимо C-S-H, портландит – другой продукт цементной гидратации, но это формируется в более низких количествах по сравнению с C-S-H и главным образом существует как вид включений или изолированных островов, окруженных C-S-H матрицей», сказал Сасавари. «Поскольку у портландита есть различные прозрачные особенности и механические свойства, чем C-S-H, его присутствие и распределение могут значительно повлиять на механику C-S-H».
Используя молекулярные моделирования динамики, исследователи нашли, что трещины имели тенденцию идти по пути наименьшего сопротивления и поворота или в направлении нанопустот или в направлении частиц портландита, с которыми они столкнулись. Отклоняя или изменяя геометрию трещины, пустоты и частицы иссушили трещину энергии. Сасавари сказал, что это, вероятно, способствует полной крутизне бетона.
«Когда дело доходит до цементной прочности гидрата и крутизны – свойства, которые типично исключительны в сделанных человеком материалах – случайные пустоты и частицы портландита, играют ключевую роль, регулируя серию конкурирующих механизмов деформации, таких как первоклассный рост, первоклассное отклонение, соединение пустот, внутреннее обнимание, жилье и изменение геометрии пустот и частиц», сказал Сасавари. «Наша работа расшифровала все такие сложные конкурирующие механизмы».Для C-S-H, который является более аморфным, чем прозрачный (как в tobermorite бетоне), они нашли, что добавление частиц портландита вызвало сильные химические реакции, которые увеличили силу, а также крутизну продукта. Они также решили, что для всех изменений проверил, чем меньший средний диаметр и пустот и частиц, тем более сильный материал.Так как больше чем 30 миллиардов тонн бетона используются, каждый год и его изготовление вносят до 10 процентов выделений углекислого газа во всем мире, выплата от любого маленького изменения стоит усилия, сказал Сасавари.
«Наши результаты представляют, впервые, новые свидетельства податливых механизмов перелома в цементном гидрате, которые напоминают о прозрачных сплавах и податливых металлах», сказал Сасавари. «Учитывая, что первоклассный рост и сила – неотъемлемое свойство, которым управляют наноразмерные механизмы деформации, наши результаты могут повлиять на механические свойства бетона в более широких масштабах, открыв новые возможности и стратегии превратить хрупкий цементный гидрат в податливый материал. Это повлияло бы на современную разработку длительных конкретных инфраструктур и потенциально других сложных хрупких материалов».