骨头和贝壳可能会导致混凝土的新配方

麻省理工学院的工程师正在寻求通过使用骨头和贝壳作为更坚固，更耐用的混凝土的蓝图来重新设计混凝土。

在网上发表在《建筑与建筑材料》杂志上的一篇论文中，研究小组将水泥浆（混凝土的粘结成分）与天然材料（例如骨头，贝壳和深海海绵）的结构和特性进行了对比。正如研究人员所观察到的那样，这些生物材料具有异常坚固和耐用的特性，这部分归功于它们在从分子到宏观或可见水平的多个长度尺度上的精确结构组装。

根据他们的观察，由麻省理工学院土木与环境工程系（CEE）教授Oral Buyukozturk领导的团队提出了一种新的以生物为灵感的“自下而上”的方法来设计水泥浆。

Buyukozturk说：“这些材料以令人着迷的方式组装在一起，简单的成分以复杂的几何形状排列，让人目不暇接。”“我们想看看它们中存在哪些微机械能提供如此优越的性能，以及我们如何对混凝土采用类似的基于构件的方法。”

最终，该团队希望找到自然界中可以用作波特兰水泥可持续和持久替代品的材料，因为硅酸盐水泥需要大量的能源才能制造。

Buyukozturk说：“如果我们可以用自然界中容易获得的其他一些材料来部分或全部替代水泥，那么我们就可以实现我们的可持续发展目标。” Buyukozturk说。

论文的共同作者包括首席作者和研究生Steven Palkovic，研究生Dieter Brommer，研究科学家Kunal Kupwade-Patil，CEE助理教授Admir Masic和CEE系主任Markus Buehler（迈克菲工程学教授）。

天然材料和水泥浆的比较表明，较小的零件组装成较大的结构的步骤。

Buehler说：“理论，计算，新的合成方法和表征方法的融合使范式发生了转变，这有可能永远改变我们生产这种无处不在的材料的方式。”“这可能导致道路，桥梁，结构更加耐用，减少碳和能源足迹，甚至使我们能够在制造材料时隔离二氧化碳。在混凝土中实施纳米技术是[如何]扩大纳米科学力量以解决巨大工程挑战的一个有力例子。”

从分子到桥梁

今天的混凝土是由碎石和碎石随机组合而成的，由水泥浆粘结在一起。混凝土的强度和耐久性部分取决于其内部结构和孔的构造。例如，材料越多孔，就越容易破裂。但是，没有可用的技术来精确控制混凝土的内部结构和整体性能。

“这主要是猜测，” Buyukozturk说。“我们希望改变文化，并开始在中尺度上控制材料。”

正如Buyukozturk所描述的，“中尺度”代表了微观结构与宏观特性之间的联系。例如，水泥的微观排列如何影响高层建筑或长桥的整体强度和耐久性？了解这种联系将有助于工程师确定各种长度尺度的特征，从而改善混凝土的整体性能。

Buyukozturk说：“我们一方面要处理分子，另一方面要建立长度约千米的结构。”“我们如何将小规模开发的信息与大批量信息联系起来？这是个谜。”

从下向上建造

为了开始理解这种联系，他和他的同事们研究了诸如骨，深海海绵和珍珠质（软体动物的内壳层）之类的生物材料，这些材料都已经对其机械和微观特性进行了广泛的研究。他们浏览了科学文献以获取有关每种生物材料的信息，并比较了其在纳米，微米和宏观尺度上的结构和行为，以及水泥浆的结构和行为。

他们在寻找一种材料的结构与其机械性能之间的联系。例如，研究人员发现，深海海绵的洋葱状二氧化硅层结构提供了防止裂纹的机制。珍珠母具有矿物质的“砖瓦房”排列方式，在矿物质层之间产生牢固的结合，使材料极为坚硬。

“在这种情况下，为研究生物和仿生材料的复杂性，已经建立了广泛的多尺度表征和计算建模技术，可以轻松地将其转化为水泥界，” Masic说。

利用他们从研究生物材料中学到的信息以及他们在现有水泥浆设计工具中收集的知识，该团队开发了一个通用的，受生物启发的框架或方法，供工程师“自下而上”设计水泥。

该框架本质上是工程师可以遵循的一组准则，以确定某些添加剂或感兴趣的成分将如何影响水泥的整体强度和耐久性。例如，在相关研究领域中，Buyukozturk正在研究火山灰作为水泥添加剂或替代品。为了了解火山灰是否会改善水泥浆的性能，工程师按照该小组的框架，将首先使用现有的实验技术，例如核磁共振，扫描电子显微镜和X射线衍射来表征火山灰随时间的固体和孔隙结构。

然后，研究人员可以将这些测量值插入模拟混凝土长期演进的模型中，以识别火山灰特性与材料对含灰混凝土桥梁强度和耐久性的贡献之间的介观关系。然后可以使用常规压缩和纳米压痕实验对这些模拟进行验证，以测试火山灰基混凝土的实际样品。

最终，研究人员希望该框架能够帮助工程师确定与生物材料类似的结构和演化成分，从而可以改善混凝土的性能和寿命。

Buyukozturk说：“希望这将引导我们找到某种更具可持续性的混凝土配方”。“通常，建筑物和桥梁具有一定的设计寿命。我们能否将设计寿命延长两倍或三倍？这就是我们的目标。我们的框架以非常具体的方式将所有内容记录在纸上，供工程师使用。”

这项研究得到了科威特科学发展基金会的部分支持，该基金会通过科威特-麻省理工学院自然资源与环境中心，国家标准与技术研究所和阿贡国家实验室获得了支持。

出版物：《中长期可持续水泥浆路线图–一种生物启发方法》，《建筑材料》，第115卷，2016年7月15日，第13–31页； doi：10.1016 / j.conbuildmat.2016.04.020