自从我们开始生产基础设施以来,自然界的力量就一直胜过我们用来建造基础设施的材料。每年,冰雪将主要的道路变成了瓦砾;尽管有坚固的建筑,但房屋的地基还是开裂和崩塌了。除了破碎的混凝土碎片所产生的成吨废物外,美国每年为保持每条车道的良好状态而花费约24,000美元。


用智能材料解决这个问题的工程师通常通过增加碳的数量来增强材料的功能,但这样做会使材料失去一些机械性能。通过在普通水泥中引入纳米颗粒,西北大学的研究人员已经研发了一种更智能、更耐用和高功能的水泥。

通过加入纳米颗粒 研究人员研发了更智能和更耐用的水泥材料

这项研究今天发表在《英国皇家学会哲学期刊A》上。


由于水泥是全球消费最广泛的材料,而水泥行业占人类造成的温室气体排放的8%,土木与环境工程教授Ange-Therese Akono转向纳米强化水泥寻找解决方案。该研究的主要作者、麦考密克工程学院的助理教授Akono说,纳米材料减少了水泥复合材料的碳足迹,但直到现在,人们对其对断裂行为的影响知之甚少。


纳米颗粒在这一应用中的作用在此之前还没有被理解,所以这是一个重大的突破,Akono说作为一个受过培训的断裂力学专家,我想了解如何改变水泥生产以增强断裂反应。


传统的断裂测试,即在一大块材料上投射一系列的光束,涉及大量的时间和材料,很少能发现新材料。


通过使用一种称为划痕测试的创新方法,Akono的实验室在一小部分时间内有效地形成了对材料特性的预测。该方法通过对水泥的微小碎片的表面施加一个垂直力不断增加的锥形探针来测试断裂反应。Akono在她的博士工作期间开发了这种新颖的方法,她说这种方法需要的材料更少,并加速了新材料的发现。


Akono说:"我能够同时观察许多不同的材料,我的方法直接应用在微米和纳米尺度上,这节省了相当多的时间。然后在此基础上,我们可以了解材料的行为方式,它们是如何裂开的,并最终预测它们的抗断裂能力。"

通过加入纳米颗粒 研究人员研发了更智能和更耐用的水泥材料

通过划痕试验形成的预测也使工程师能够对材料进行改变,以提高其在更大范围内的性能。在这篇论文中,石墨烯纳米片,一种在形成智能材料方面迅速普及的材料,被用来提高普通水泥的抗断裂性。掺入少量的纳米材料也被证明可以改善水的运输特性,包括孔隙结构和水的渗透阻力,据报道,其相对降幅分别为76%和78%。


这项研究的意义跨越了许多领域,包括建筑施工、道路维护、传感器和发电机优化以及结构健康监测。


到2050年,联合国预测三分之二的世界人口将集中在城市。鉴于城市化的趋势,预计水泥产量将急剧上升。


引入采用更轻、性能更高的水泥的绿色混凝土,将通过延长维护时间和减少浪费来减少其整体碳足迹。


另外,智能材料使城市能够满足日益增长的人口在连接、能源和多功能方面的需求。包括石墨烯纳米片在内的碳基纳米材料已经被考虑用于设计基于智能水泥的结构健康监测传感器。


Akono说,她对自己实验室的论文的后续工作以及她的研究将影响其他人的方式感到兴奋。她已经在研究使用建筑垃圾来形成新的混凝土的提案,并且正在考虑通过增加水泥所含纳米材料的比例来 "进一步推动该论文"。


Akono说:"我想研究其他属性,比如了解长期性能。例如,如果你有一个由碳基纳米材料制成的建筑,你如何预测10年、20年甚至40年后的阻力?"


Akono将在英国皇家学会10月份的会议上就该论文发表演讲,该会议将强调过去一个世纪在断裂力学方面的重大进展。


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