科學(xué)家開(kāi)發(fā)耐用的新型混凝土

據(jù)外媒報(bào)道，隨著科學(xué)家們努力提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，“神奇材料”石墨烯被證明是一種有前景的添加劑，這也許并不令人驚訝。作為世界上最強(qiáng)的人造材料，它可能有很多東西可以提供給建筑界，而這一最新的例子來(lái)自美國(guó)西北大學(xué)的研究人員，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新型的石墨烯填充水泥，具有很強(qiáng)的防水性和抗裂性。

作為世界上使用最廣泛的材料——混凝土生產(chǎn)的關(guān)鍵成分，水泥具有巨大的環(huán)境足跡，占全球溫室氣體排放量的8%左右。研究人員希望通過(guò)開(kāi)發(fā)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的混凝土形式來(lái)減少這一負(fù)擔(dān)，從而減少對(duì)進(jìn)一步的混凝土的需求，以取代受損的結(jié)構(gòu)。

混凝土結(jié)構(gòu)失敗的原因之一是裂縫的形成，開(kāi)始時(shí)是微小的破裂。一旦水滲入這些破裂處，就會(huì)導(dǎo)致它們的規(guī)模不斷擴(kuò)大，直到整個(gè)東西需要修復(fù)或更換。我們已經(jīng)看到了一些有趣的方法，科學(xué)家可能能夠干預(yù)這一過(guò)程，例如通過(guò)“自我修復(fù)”混凝土，在血液酶、真菌和特殊膠水的幫助下修復(fù)裂縫。

石墨烯也可能在這方面發(fā)揮一定作用。我們已經(jīng)看到了有希望的混凝土原型，它使用片狀石墨烯來(lái)降低水的滲透性，甚至看到了舊輪胎如何被轉(zhuǎn)化為石墨烯來(lái)生產(chǎn)更堅(jiān)固的混凝土。而這項(xiàng)技術(shù)正開(kāi)始進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界，工程師們最近在英國(guó)澆筑了世界上第一塊石墨烯增強(qiáng)的混凝土板。

西北大學(xué)的研究人員一直在研究另一種增壓水泥配方，其中加入了這種神奇材料的微小顆粒，使混凝土更耐水。該團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)了一系列的顆粒類型，包括碳納米管、碳納米纖維和石墨烯納米片，然后通過(guò)一種被稱為劃痕測(cè)試的先進(jìn)技術(shù)測(cè)試它們的性能。這使材料的微觀位點(diǎn)受制于錐形探針，以測(cè)試其斷裂反應(yīng)。

“我能夠同時(shí)觀察許多不同的材料，”該研究的主要作者Ange-Therese Akono說(shuō)。“我的方法直接在微米和納米尺度上應(yīng)用，這節(jié)省了大量的時(shí)間。然后在此基礎(chǔ)上，我們可以了解材料的行為方式，它們是如何裂開(kāi)的，并最終預(yù)測(cè)它們對(duì)斷裂的抵抗力。”

這些實(shí)驗(yàn)還使科學(xué)家們能夠調(diào)整水泥的構(gòu)成以提高其性能。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，研究小組找到了石墨烯納米片作為獲勝成分，他們發(fā)現(xiàn)可以少量加入石墨烯以提高成品的抗斷裂性。這是通過(guò)降低材料的孔隙率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此水的滲透性降低了78%。

Akono說(shuō)：“納米顆粒在這種應(yīng)用中的作用在此之前還沒(méi)有被理解，所以這是一個(gè)重大的突破。作為一個(gè)受過(guò)培訓(xùn)的斷裂力學(xué)專家，我想了解如何改變水泥生產(chǎn)以增強(qiáng)斷裂反應(yīng)。”