水泥多孔结构中毛细致变形的研究

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虽然它被用来建造世界上一些最大的建筑,事实证明,水泥实际上与海绵有一些共同之处。

一种多孔材料,水泥容易从降水中吸收水分,甚至环境湿度。就像海绵的形状随含水饱和度的变化而变化一样,水泥也一样,根据麻省理工学院最近的研究。

潜在结构损坏


在《国家科学院学报》上发表的一篇论文中,麻省理工学院混凝土可持续发展中心(CSHub)的研究人员,法国国家科学研究中心(CNRS)和艾克斯马赛大学讨论了材料的多孔网络如何吸水,并提出了干燥是如何永久性地重新排列材料并导致潜在的结构损坏。

但要了解水如何改变水泥的孔隙结构,我们必须首先看看它是如何促成这个非常相同的结构的形成的。

水泥浆开始时是一种干燥的粉末,由仔细混合的成分组成,包括钙,铁,铝,还有硅。从这里开始,这种粉末与一定比例的水混合形成水泥浆。这就是孔隙网络开始形成的地方。

一旦水和粉末混合,它们反应在一起,产生一种称为水合硅酸钙(CSH)的化合物。也被称为水泥水合物。

“水泥水合物很小,在纳米尺度上,”周廷涛说,物理系的博士生,论文的主要作者。“这些是水泥的基石。”

将所有成分粘合在一起


在水泥水化过程中,水泥水合物的纳米颗粒互相聚集,形成一个将所有成分粘合在一起的网络。虽然这使水泥有了强度,水泥水合物之间的空间在水泥浆中形成了广泛的孔隙网络。

“你有许多大小不一的毛孔,它们相互连接,”周说。“它变得非常复杂。因为它们很小,你甚至不需要下雨来给他们灌水。即使是环境湿度也能填满这些毛孔。”

这在研究孔隙网络的干燥时提出了一个问题。

“假设你只有两粒水合硅酸钙;你可以想象他们之间有一些凝结水,”周说。

“在这种情况下,很容易测量孔隙空间中的水和凝结的压力,我们称之为毛细管压力。但是当你有大量的颗粒时,水的分布会变得非常复杂——几何结构会变得一团糟。”

为了处理水泥孔隙网络中的水分,周和卡特琳娜·伊安妮杜,CNRS和麻省理工学院能源倡议的研究科学家以及论文的相应作者,首先是两个问题的较量。

部分饱和


首先是部分饱和。由于孔隙网络非常复杂,水分布不均,这使得计算它的分布变得困难。

第二个问题是多尺度的问题。

“在过去,研究人员将研究水在孔隙中的运动,无论是原子尺度还是连续介质尺度,或可见的,规模,”周说。“这意味着他们丢失了很多关于中尺度的信息,即原子尺度和连续尺度之间的信息。”

在过去的十年里,伊昂尼杜,与研究人员罗兰·佩伦克一起,弗朗茨·约瑟夫·乌尔姆,叶锡尼,乔治敦大学的伊曼纽拉·德尔·加多(EmanueladelGado)都致力于推进水泥的多尺度建模。最近的这篇论文利用他们的工作来处理这些问题。

使用计算建模技术,周小川和伊昂尼杜计算了水在孔隙中的分布,然后确定了水对孔隙壁的作用力。一旦完成,他们把孔隙组合在一起,模拟了干燥对中尺度的影响。

“温和干燥下不可逆地重新排列”


在检查了模拟之后,周和伊昂尼杜发现,这些颗粒“在温和干燥条件下发生了不可逆转的重排”。

即使这些变化看起来很小,它们不一定是微不足道的。“我们在中尺度上发现了不可逆转的结构变化,”周说。“它还没有大规模传播。但是,当我们多年来有许多这样的干燥循环时,会发生什么呢?”

虽然现在知道这种结构变化对混凝土结构的影响还为时过早,周希望开发一种新的模型来研究干燥的长期后果。

“在本文中,我们已经处理了不同的空间尺度。但是我们还没有处理不同的时间尺度。这些变化发生在纳秒的时间内,我们希望看到它们对混凝土结构典型寿命的影响,”他解释说。

“计算的力量”


仍然,这种计算方法为更好地理解水泥干燥效应提供了一种新的方法。“在过去的物理实验中,在这个刻度上很难观察到损坏。但是计算使我们能够模拟这种损伤,”周说。“这就是计算的力量。”

这个麻省理工学院混凝土可持续发展中心(CSHub)是麻省理工学院多个部门的一个研究团队,致力于混凝土和基础设施科学,工程,以及经济学。它的研究得到了波特兰水泥协会和预拌混凝土研究和教育基金会的支持。

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