2009年6月16日
麻省理工学院土木工程师首次确定什么导致了地球上最常用的建筑材料——混凝土逐渐变形,减少其耐用性和缩短的寿命的基础设施,如桥梁和核废料的安全壳。
图像显示了nanoindenter留下的印记在粒子的水泥粘贴。顶部的圆形斑点中心实际上是一个极其细块表面灰尘。图片/ Chris Bobko
在一篇发表在《美国国家科学院学报》(PNAS)在线版6月15日的一周,早期的研究者说,混凝土蠕变(时间变形的技术术语,发生在混凝土承受欧洲杯线上买球负荷时)是由纳米粒子的重排。欧洲杯猜球平台
“最后,我们可以解释发生蠕变,”弗朗兹约瑟冰川乌尔姆教授说,美国科学院院刊》上发表了一篇论文的合著者。“我们不能防止蠕变情况发生,但如果我们缓慢的速率发生,这将提高混凝土的耐久性,延长的生命结构。我们的研究奠定了基础从纳米的角度重新考虑混凝土工程。”
本研究之际,美国土木工程师学会分配一个聚合等级的D对美国的基础设施,其中大部分是混凝土做的。它可能会导致混凝土基础设施能够持续数百年而不是数以千万计,这将带来巨大的成本节约和减少concrete-related二氧化碳排放。估计有5到8%的人为的全球大气中的二氧化碳来自于混凝土工业。
乌尔姆,他花了近二十年来研究混凝土的力学行为和它的主要组件,水泥浆,过去几年关注其纳米结构。这导致了他在2007年发表的一篇论文称,在纳米级水泥浆的基本构建块,calcium-silicate-hydrates或C-S-H——本质上是细粒度的。本文解释说,C-S-H两个结构不同的自然魔法,但化学类似阶段与水混合时,每个都有一个固定的包装密度接近的两个球形对象的性质所允许的最大密度(64%,低密度为74%,高)。
在新的研究揭示了在《美国科学院院刊》上发表了一篇论文,乌尔姆和作者马修这里解释混凝土蠕变是当这些nano-meter-sized C-S-H颗粒重新排列密度改变:有些宽松,有些更紧密。欧洲杯猜球平台
他们还解释,第三,更密集的阶段可以诱导C-S-H小心操纵水泥混合与其他矿物,如石英烟雾,铝工业的废弃物。这些反应气体形成更多更小的微粒,适合C-S-H nano-granules之间的空间,空间,欧洲杯猜球平台以前满水。这增加C-S-H的密度的影响高达87%,进而极大地阻碍了C-S-H颗粒的运动。
“搜索行业找到一个最佳的方法来创建此类ultra-high-density材料基于包装考虑在密闭空间,也是环境可持续的方法,”乌尔姆说。欧洲杯足球竞彩“添加硅气体是一个已知的方法用于改变混凝土的密度;从纳米包装我们现在知道为什么的烟雾降低了混凝土的蠕变。从纳米尺度的角度来看,其他方式现在存在为了达到这种高度拥挤,slow-creeping材料。”欧洲杯足球竞彩
“该方法获得的纳米结构给平等与高科技材料,混凝土的微观结构;可以满足特定的性能标准:强度、耐用性和减少环境足迹,”说到这里,他从麻省理工学院获得博士学位2008年土木与环境工程系欧洲杯足球竞彩,现在学院的教员桥ParisTech,大学Paris-Est。
在他们的科学院院刊的那篇论文中,研究者显示实验蠕变率的对数,这意味着减速蠕变增加耐久性指数。他们在数学上证明,可以减缓蠕变率2.6。会有一个真正对耐久性显著影响:核废料基业常青的安全壳与今天的混凝土可能会持续到100年16000年,如果用一个ultra-high-density (UHD)混凝土。
乌尔姆强调UHD混凝土可以改变结构的设计,以及巨大的环境影响,因为混凝土是地球上最广泛生产的人造材料:全球每年200亿吨每年增加了5%。更耐久混凝土意味着减少建筑材料和经常需要翻修。
“薄结构、更敏感的蠕变,所以直到现在,我们一直无法建立大规模的轻量级,耐久的混凝土结构,”乌尔姆说。“有了这个新的理解的混凝土,我们可以生产金银丝细工:光,优雅,强大的结构,将需要更少的材料。”
乌尔姆,这里使用nano-indentation装置实现了他们的研究成果,它允许他们拨弄C-S-H(或使用术语的土木工程,应用负载)和测量在几分钟内蠕变特性,通常在长达一年的蠕变实验测量宏观规模。