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新型智能水泥可用于建造更耐用的道路和城市,在传统水泥中加入纳米材料可提高抗水和抗裂性,合亚嗒资讯网,heyada.com
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新型智能水泥可用于建造更耐用的道路和城市,在传统水泥中加入纳米材料可提高抗水和抗裂性
2021年07月26日    阅读量:7517    新闻来源:合亚嗒资讯网 heyada.com  |  投稿

自从我们开始生产以来,大自然的力量一直比我们用来建造基础设施的材料更聪明。冰雪每年都将主要道路变成瓦砾;尽管建筑坚固,但房屋的地基仍会开裂和崩溃。除了混凝土碎屑产生的大量废物外,每车道英里的道路每年要花费美国大约 24,000 美元才能保持良好的维修状态涂料在线coatingol.com


使用智能材料解决这个问题的工程师通常会通过增加碳含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。通过将纳米粒子引入普通水泥中,西北大学的研究人员形成了一种更智能、更耐用且功能更强大的水泥。


新型智能水泥可用于建造更耐用的道路和城市,在传统水泥中加入纳米材料可提高抗水和抗裂性 合亚嗒资讯网,heyada.com


该研究于今天(6 月 21 日)发表在《皇家学会哲学会刊 A》上。


由于水泥是全球消耗最广泛的材料,水泥行业占人为温室气体排放量的 8%,土木和环境工程教授 Ange-Therese Akono 转向纳米增强水泥寻找解决方案。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。


“纳米粒子在这个应用中的作用以前还没有被理解,所以这是一个重大的突破,”Akono 说。“作为受过培训的断裂力学专家,我想了解如何改变水泥产量以增强断裂响应。”


传统的断裂测试,将一系列光束投射到一大块材料上,需要大量的时间和材料,很少能发现新材料。


通过使用称为划痕测试的创新方法,Akono 的实验室在很短的时间内有效地预测了材料的特性。该方法通过将锥形探针施加到水泥微观钻头表面的垂直力逐渐增加来测试断裂响应。Akono,她在攻读博士学位期间开发了这种新方法。工作,说它需要更少的材料并加速新材料的发现。


“我能够同时查看许多不同的材料,”Akono 说。“我的方法直接应用于微米和纳米尺度,这节省了大量时间。然后基于此,我们可以了解材料的行为、它们如何破裂并最终预测它们的抗断裂性。”


通过划痕测试形成的预测还允许工程师对材料进行更改,以在更大范围内提高其性能。在论文中,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。掺入少量纳米材料也被证明可以改善水传输性能,包括孔隙结构和抗水渗透性,据报道分别相对降低了 76% 和 78%。


该研究的意义跨越多个领域,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,联合国预测世界三分之二的人口将集中在城市。鉴于城市化的趋势,水泥产量预计将猛增。


引入使用更轻、性能更高的水泥的绿色混凝土将通过延长维护计划和减少浪费来减少其整体碳足迹。


或者,智能材料使城市能够满足不断增长的人口在连通性、能源和多功能性方面的需求。在用于结构健康监测的智能水泥基传感器的设计中,已经考虑使用包括石墨烯纳米片在内的碳基纳米材料。


Akono 说,她对自己实验室对论文的后续行动以及她的研究将影响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混凝土的建议,并正在考虑通过增加水泥中纳米材料的比例来“进一步研究”。


“我想看看其他属性,比如了解长期表现,”Akono 说。“例如,如果您有一座由碳基纳米材料制成的建筑物,您如何预测 10、20 甚至 40 年后的电阻?”


该研究“通过划痕测试获得的一维和二维纳米增强水泥的断裂韧性”得到了美国国家科学基金会土木、机械和制造创新部(奖励编号 18929101)的支持。


Akono 将在英国皇家学会 10 月的会议上就该论文发表演讲,题为“发明坚韧新材料的破解方法:比摩擦更奇怪的断裂”,该会议将重点介绍上个世纪断裂力学的重大进展。


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