2021年6月22日
自我们开始生产基础设施以来，大自然的力量就一直在战胜我们用来建造基础设施的材料。亚博网站下载冰雪每年都把主要道路变成废墟;房屋虽然结构坚固，但地基却破裂破碎。
除了混凝土碎块产生的数吨垃圾外，美国每年要花费大约24,000美元来保持道路的良好维修。
工程师用智能材料来解决这个问题，通常是通过增加碳含量来增强材料的功能，但这样做会使亚博网站下载材料失去一些机械性能。通过在普通水泥中加入纳米颗粒，美国西北大yabo214学的研究人员已经形成了一种更智能、更耐用、功能更强的水泥。
这项研究发表在今天(6月21日)的杂志上英国皇家学会哲学汇刊A。
随着水泥成为全球消费最广泛的材料，水泥行业占人类造成的温室气体排放的8%，土木与环境工程教授Ange-Therese Akono转向纳米增强水泥寻求解决方案。Akono是该研究的主要作者，也是麦考密克工程学院的助理教授，他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。亚博网站下载
“在此之前，纳米颗粒在这一应用中的作yabo214用还不清楚，所以这是一个重大突破，”Akono说。“作为一名经过培训的断裂力学专家，我想了解如何改变水泥产量，以增强裂缝响应。”
传统的断裂测试是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，很少导致新材料的发现。亚博网站下载
通过使用一种叫做划痕测试的创新方法，Akono的实验室在很短的时间内就有效地预测了材料的性能。该方法通过对水泥微钻头表面施加垂直力增大的锥形探针来测试裂缝响应。Akono在她的博士工作期间开发了这种新方法，她说它需要更少的材料，并加速了新方法的发现。
“我可以同时看到许多不同的材料，”亚博网站下载Akono说。“我的方法直接应用在微米和纳米尺度上，节省了相当多的时间。然后在此基础上，我们可以了解材料的行为，它们是如何破裂的，并最终预测它们的抗破裂性。”亚博网站下载
通过划痕测试形成的预测也允许工程师对材料进行改变，从而在更大范围内提高它们的性能。亚博网站下载在本文中，石墨烯纳米片作为一种在智能材料中迅速普及的材料，被用于提高普通水泥的抗断裂性能。亚博网站下载加入少量纳米材料也显示了改善水的传输特性，包括孔隙结构和水穿透阻力，报道相对分别降低了76%和78%。
该研究涉及多个领域，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。
联合国预测，到2050年，三分之二的世界人口将集中在城市。考虑到城市化的趋势，水泥产量预计将飙升。
引入绿色混凝土，采用更轻、性能更好的水泥，将通过延长维护计划和减少浪费，减少其整体碳足迹。
另一方面，智能材料使城市能够满足不断增亚博网站下载长的人口在连接、能源和多功能方面的需求。包括石墨烯纳米片在内的碳基纳米材料亚博网站下载已经被考虑用于设计用于结构健康监测的智能水泥传感器。
Akono说，她对在自己的实验室里跟进这篇论文以及她的研究将影响其他人的方式感到兴奋。她已经在研究如何利用建筑垃圾来形成新的混凝土，并正在考虑通过增加水泥所含纳米材料的比例来“进一步推进论文”。
“我想看看其他地产，比如了解长期业绩，”Akono说。“例如，如果你有一个碳基纳米材料建造的建筑，你如何预测10年、20年甚至40年后的阻力?”亚博网站下载
这项研究中,“通过划痕试验研究一维和二维纳米增强水泥的断裂韧性，”国家土木、机械与制造创新科学基金项目(奖励号:1892910亚博老虎机网登录1)。
Akono将在英国皇家学会10月的会议上就这篇论文发表演讲，“一种发明坚韧新材料的开裂方法:比摩擦更奇怪的断裂”，这将突出过去一个世纪断裂力学的主要进展。亚博网站下载
来源:https://www.northwestern.edu/