美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員近日決定研究納米結(jié)構(gòu)的混凝土，而混凝土是世界上應(yīng)用最廣的材料。而混凝土的最主要原料－水泥在其生產(chǎn)過(guò)程中，每年排出的二氧化碳的量占到全球總的5％～10％，對(duì)全球氣候變暖產(chǎn)生的影響的非常大。
在美國(guó)《力學(xué)與固體物理》中，MIT的研究人員發(fā)表了論文稱(chēng)混凝土強(qiáng)度和耐久性的根源在于納米粒子的構(gòu)成，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以對(duì)通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝以減少二氧化碳的排放具有重要的影響。
該文的主要作者說(shuō)，MIT土木與環(huán)境學(xué)院教授Franz-Josef Ulm說(shuō)：“利用納米科技對(duì)混凝土傳統(tǒng)材料，如水泥進(jìn)行研究能夠得到一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。他暗指自己的研究是在探索納米材料的基因碼。
目前全世界每年生產(chǎn)水泥23.5億噸，生產(chǎn)的混凝土可供每人消費(fèi)一立方。如果全世界的水泥工業(yè)能夠減少10%的二氧化碳排放量，那么全球?qū)⒛茌^少5.2%的二氧化碳排放量。
Ulm教授與Georgios Constantinide（一位材料科學(xué)與工程的博士后）研究了納米結(jié)構(gòu)的水泥后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)達(dá)到納米級(jí)后，水泥粒子是呈現(xiàn)最緊密堆積狀態(tài)的，排列形狀就像很多橙子堆積起來(lái)的金字塔。
水泥是最古老的建筑材料之一，早在羅馬帝國(guó)時(shí)期就開(kāi)始應(yīng)用。水泥的生產(chǎn)是將石灰石和集料磨碎成粉末，然后在水泥窯內(nèi)煅燒至高溫（大約1500℃），然后再粉磨。當(dāng)水泥與水混合的時(shí)候，水泥粒子在煅燒時(shí)候儲(chǔ)存的能量便會(huì)釋放出來(lái)，形成水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）。在微觀(guān)結(jié)構(gòu)中，C-S-H凝膠作用主要體現(xiàn)為膠結(jié)砂石等集料，從而生成混凝土。而二氧化碳的排放主要是在水泥煅燒過(guò)程中產(chǎn)生的。
Ulm和Constantinides收集了全世界各地的水泥樣品，使用納米檢測(cè)設(shè)備對(duì)硬化水泥漿體進(jìn)行觀(guān)察。通過(guò)原子力顯微鏡觀(guān)測(cè)混凝土的結(jié)構(gòu)，通過(guò)原子探針來(lái)判定水泥漿體中不同相對(duì)強(qiáng)度的影響，這種檢測(cè)方法只用于同相材料，而從未應(yīng)用在像水泥這樣的多相材料中。
結(jié)果出乎意料，研究發(fā)現(xiàn)全世界各地的水泥C-S-H凝膠無(wú)一例外地全部表現(xiàn)出獨(dú)特的納米行為，它們稱(chēng)之為材料的基因碼，暨當(dāng)達(dá)到納米級(jí)別的時(shí)候，水泥漿體乃至混凝土的強(qiáng)度，并不是來(lái)自于某一種特殊的礦物，而是決定于礦物的組織形式。
C-S-H凝膠（大小在5納米左右）有兩種堆積密度。一種是隨機(jī)堆積時(shí)的密度，另外一種是按照幾何方式堆積時(shí)的密度，就像壘金字塔一樣。對(duì)于球形物體，這兩種堆積方式具有最大的密度分別63％和74％（占滿(mǎn)空間的體積百分比）。換句話(huà)而言，MIT的研究表明水泥材料在納米級(jí)別也是按照這種在宏觀(guān)情況下來(lái)排列的。
Constantinides先生說(shuō)：“建筑業(yè)非常講究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是對(duì)于水泥顆粒的物理與結(jié)構(gòu)性能理解不深?，F(xiàn)在納米材料的監(jiān)測(cè)設(shè)備在全世界已經(jīng)開(kāi)始普及。在20世紀(jì)90年代，全世界只有4～5臺(tái)這樣的設(shè)備，但是現(xiàn)在MIT自己就有5臺(tái)納米檢測(cè)的儀器。
如果研究者能夠發(fā)現(xiàn)或者找到一種不同的礦物來(lái)生產(chǎn)水泥，而這種礦物能夠達(dá)到傳統(tǒng)水泥的密度而不要求高的煅燒溫度的話(huà)，那么肯定能夠?qū)⑷澜缑磕甑呐欧帕繙p少10%以上。
Ulm教授說(shuō)，相關(guān)的研究工作已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行，估計(jì)至少要持續(xù)5年以上。目前，科研人員看好用鎂的礦物材料來(lái)取代水泥中對(duì)強(qiáng)度起最主要作用的鈣。
Ulm教授組建了一直由物理、材料和原子核等方面的專(zhuān)家所組成的研究組來(lái)進(jìn)行原子模擬，對(duì)混凝土－這種無(wú)處不在的材料進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)研究。
這項(xiàng)研究部分由拉法基（Lafarge）集團(tuán)贊助。
