據(jù)外媒報(bào)道，自從我們開始生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施以來，大自然的力量就一直勝過我們用來建造基礎(chǔ)設(shè)施的材料。每年冰雪都把主要道路變成碎石，盡管建筑堅(jiān)固房屋的地基還是有裂縫。除了水泥碎塊產(chǎn)生的成噸的廢物外，美國每年還要花費(fèi)約24000美元用于對公路的維修。

為了解決這個(gè)問題，工程師通常會(huì)通過增加碳的含量來增強(qiáng)材料的功能，但這樣做會(huì)使材料失去一些機(jī)械性能。現(xiàn)在，來自美國西北大學(xué)的研究人員通過將納米顆粒引入普通水泥中以此形成一種更智能、更耐用、功能更強(qiáng)的水泥。

這項(xiàng)研究于2021年6月21日發(fā)表在《Philosophical Transactions of the Royal Society A》上。

水泥是全球消費(fèi)最廣泛的材料，該材料行業(yè)占人類造成的溫室氣體排放的8%，為此，土木與環(huán)境工程教授Ange-Therese Akono轉(zhuǎn)向納米增強(qiáng)水泥尋求解決方案。該研究的論文第一作者、麥考密克工程學(xué)院助理教授Akono表示，雖然納米材料減少了水泥復(fù)合材料的碳足跡，但到目前為止，很少有人知道它對斷裂行為的影響。

Akono說道：“在此之前，人們還不了解納米顆粒在這一應(yīng)用中的作用，所以這是一個(gè)重大突破。作為一名經(jīng)過培訓(xùn)的斷裂力學(xué)專家，我想了解如何改變水泥產(chǎn)量來提高裂縫響應(yīng)?！?/p>

傳統(tǒng)的斷裂測試是將一束光束投射到一大塊材料上，這種測試需要大量的時(shí)間和材料且很少能發(fā)現(xiàn)新材料。

不過Akono的實(shí)驗(yàn)室通過使用一種叫做劃痕測試的創(chuàng)新方法在很短的時(shí)間內(nèi)有效地對材料的性能進(jìn)行了預(yù)測。該方法通過對微觀水泥鉆頭表面施加一個(gè)增大垂直力的錐形探針來測試裂縫響應(yīng)。Akono在她的博士工作期間開發(fā)了這種新方法，她稱這種方法需要更少的材料并加速了新材料的發(fā)現(xiàn)。

Akono說道：“我可以同時(shí)觀察許多不同的材料。我的方法直接應(yīng)用于微米和納米尺度，它節(jié)省了相當(dāng)多的時(shí)間。然后在此基礎(chǔ)上，我們可以了解材料的行為，它們是如何開裂的并最終預(yù)測它們的抗斷裂能力?！?/p>

另外，通過劃痕測試形成的預(yù)測也允許工程師對材料做出改變從而在更大范圍內(nèi)提高其性能。在論文中，石墨烯納米片被用于提高普通水泥的抗斷裂能力，這種材料在形成智能材料方面迅速得到普及。少量納米材料的加入還改善了水輸運(yùn)性能，其中包括孔隙結(jié)構(gòu)和水滲透阻力，它們相對降低了76%和78%。

該研究涉及許多領(lǐng)域，包括建筑施工、道路維護(hù)、傳感器和發(fā)電機(jī)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

聯(lián)合國預(yù)測，等到2050年，世界人口的2/3將集中在城市?？紤]到城市化的趨勢，水泥產(chǎn)量預(yù)計(jì)將會(huì)飆升。采用更輕、性能更好的水泥的綠色混凝土將通過延長維護(hù)時(shí)間和減少浪費(fèi)來減少整體碳足跡。

另一方面，智能材料使城市能滿足不斷增長的人口在連通性、能源和多功能方面的需求。包括石墨烯納米片在內(nèi)的碳基納米材料已經(jīng)被考慮用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的智能水泥傳感器的設(shè)計(jì)中。

Akono表示，她對論文在自己實(shí)驗(yàn)室的后續(xù)研究及她的研究將影響他人的方式感到興奮。她已經(jīng)在研究利用建筑垃圾來形成新的混凝土的提案，另外還考慮通過增加水泥中納米材料的比例來進(jìn)一步發(fā)展這篇論文。

Akono表示：“我想看看其他資產(chǎn)如了解長期表現(xiàn)。例如，如果你有一個(gè)由碳基納米材料組成的建筑，你怎么能預(yù)測10年、20年甚至40年的阻力？”

據(jù)悉，Akono將在英國皇家學(xué)會(huì)10月份的會(huì)議上講究《A Cracking Approach to Inventing Tough New Materials:Fracture Stranger Than Friction》論文發(fā)表講話。講話將突出介紹過去一個(gè)世紀(jì)以來斷裂力學(xué)的重大進(jìn)展。