211service.com
Betona nanonoslēpums
Betons ir visplašāk izmantotais mākslīgais materiāls, un cementa, kas ir galvenā betona sastāvdaļa, ražošana veido 5 līdz 10 procentus no visām antropogēnajām oglekļa dioksīda emisijām, kas ir vadošā siltumnīcefekta gāze, kas saistīta ar globālo sasilšanu. Bet tagad MIT pētnieki, pētot betona nanostruktūru, ir izdarījuši atklājumu, kas cementa ražošanas laikā varētu samazināt oglekļa dioksīda emisijas.
Cementa materiāla zondēšana ar īpaši plānu dimanta adatu rada nanometru nospiedumu. MIT pētnieki izmantoja šo metodi, lai pētītu cementa nanostruktūru, kas regulē ar cementu izgatavotā betona īpašības. Ar nanomēroga cementa inženierijas palīdzību viņi cer samazināt oglekļa dioksīda emisijas cementa ražošanā.
Pētnieki atklāja, ka betona bloki ir daļiņas, kuru izmērs ir tikai daži nanometri, un šīs nanodaļiņas ir izvietotas divos atšķirīgos veidos. Viņi arī atklāja, ka nanodaļiņu iesaiņojuma izkārtojums nosaka betona īpašības, piemēram, izturību, stingrību un izturību. Minerāls [kas veido nanodaļiņu] nav galvenais šo īpašību sasniegšanai… drīzāk tas ir [daļiņu] iepakojums, saka. Francis Jozefs Ulms , MIT civilās un vides inženierijas profesors, kurš vadīja darbu. Vai mēs nevaram aizstāt sākotnējo minerālu ar kaut ko citu? Mērķis ir izveidot aizstājēju cementu, kas saglabā nanodaļiņu iepakojuma izkārtojumu, bet var tikt ražots ar zemāku oglekļa dioksīda emisiju.
Cementa ražošana rada oglekļa dioksīda emisijas, jo tiek sadedzināta degviela, lai karsētu pulverveida kaļķakmens un māla maisījumu 1500 ºC temperatūrā. Cementu sajaucot ar ūdeni, veidojas pasta; pastai pievieno smiltis un granti, lai iegūtu betonu. Bet zinātnieki pilnībā neizprot cementa struktūru, saka Ulms.
Lielākais noslēpums ir cementa-ūdens pastas elementārā celtniecības bloka, kalcija silikāta hidrāta, struktūra un īpašības, kas darbojas kā līme, kas satur kopā visas betona sastāvdaļas. Visas betona makroskopiskās īpašības kaut kādā veidā ir saistītas ar to, kāda ir šī fāze nanometru līmenī, saka Džefrijs Tomass , Ziemeļrietumu universitātes civilās un vides inženierijas profesors.
Ja šī struktūra būtu labāk izprotama, pētnieki varētu izstrādāt cementu nanomērogā, lai pielāgotu betona īpašības, saka Hamlins Dženingss , Ziemeļrietumu civilās un vides inženierijas un materiālu zinātnes profesors. Tā kā pētnieki nezina cementa uzvedību nanomērogā, līdz šim betona un cementa pētījumos gūtie panākumi lielākoties ir bijuši neveiksmīgi, saka Dženingss.
Dženingss bija paredzējis, ka kalcija silikāta hidrāts ir daļiņa, kuras izmērs ir aptuveni pieci nanometri. Ulms un viņa pēcdoktorantūras pētnieks Georgios Constantinides ir apstiprinājuši šo struktūru, izmantojot metodi, ko sauc par nanoindentāciju, kas ietver cementa pastas zondēšanu ar īpaši plānu dimanta adatu.
Pētnieki atklāja, ka kalcija-silikāta-hidrāta nanodaļiņas bija izkārtotas vai nu līdzīgi kā apelsīni, kas nejauši iesaiņoti kastītē, vai kā apelsīnu piramīdveida izkārtojums pārtikas preču veikalā. Ar šiem diviem izkārtojumiem daļiņas aizpilda attiecīgi 63 un 74 procentus no cementa pastas tilpuma, pārējais ir ūdens un gaiss. Pētnieki atklāja, ka relatīvie tilpumi, ko nanodaļiņas aizņem pastā, kontrolē cementa pastas mehāniskās īpašības.
Ulms un Konstantinīds tagad plāno mainīt cementa komponentus — viena ideja ir aizstāt kalciju ar magniju, lai cementa ražošanai būtu nepieciešams mazāk siltuma, bet iegūtajām nanodaļiņām joprojām ir tāds pats iepakojuma izvietojums kā kalcija-silikāta-hidrāta nanodaļiņām.
Viņi arī plāno pētīt nanodaļiņu, līdz viņi to saprot līdz atomu līmenim. Tas viņiem dos vēl lielāku brīvību cementa nanoinženierijā, saka Ulms. Mēs varētu tai pievienot ķimikālijas, lai uzlabotu [betona] veiktspēju, izmantojot varbūt mazāk cementa vai tādu pašu cementu, kas nodrošina lielāku izturību.
Tā kā pasaulē ik gadu tiek saražoti divi miljardi tonnu cementa un pieprasījums pēc betona pieaug līdz ar izaugsmi Ķīnā un Indijā, Ulms saka, ka ir obligāti jāsamazina ar betonu saistītās oglekļa dioksīda emisijas, lai cīnītos pret globālajām problēmām. sasilšana.