古老的水泥煥新顏 MIT用仿生學打造更持久的水泥漿

材料牛注：建筑和橋梁的壽命與混凝土的質量息息相關。為遵循自然的可持續發展，麻省理工學院將仿生學應用于混凝土的新配方研發中，調制出的新鮮混凝土味道怎么樣呢？讓我們一起去“品嘗”一下吧。

混凝土是世界上使用最廣泛的人造材料。目前，麻省理工學院的研究人員正在尋求方法，遵循大自然的藍圖，重新設計混凝土。

研究團隊將作為混凝土粘合成分的水泥漿體與自然材料，如骨骼、貝殼、深海海棉等，進行結構和性能上的對比。正如研究人員觀察到的，這些生物材料異常地堅固耐用，部分歸因于在多尺度范圍內（從原子尺度到宏觀或肉眼可見的水平）結構的精確排列。

多尺度視角的水泥漿材料

自然界部分材料與水泥漿的不同層次結構對照

根據他們的研究，由麻省理工大學土木與環境工程系(CEE)的Oral Buyukozturk 教授帶領的團隊提出了一種新的仿生技術，通過“自下而上”的方法設計水泥漿體。

Buyukozturk說：“這些材料以一種迷人的方式進行組裝，簡單的成分搭配復雜的幾何結構，帶來一種觀賞美。我們想弄清楚它們內部存在怎樣的微觀結構，使得其具有如此優越的性能。建立了結構和性能的關系后，我們打算在混凝土的設計中運用相似的基于積木式的方法。”最終，研究團隊希望發現一種可持續且耐用的天然材料，替代耗能巨大的硅酸鹽水泥。

Buyukozturk說：“如果我們可以用一些在自然界上容易獲得且含量豐富的其他材料部分或完全地替代水泥，我們就可以滿足可持續發展的目標。”Buehler認為理論、計算、新的合成和表征方法的結合已經達到了一種范式轉移，可能將永遠改變我們生產普通材料的方式。一旦這種材料制備成功，它將會被建成更加堅固耐用的道路、橋梁和結構，減少碳和能源足跡，甚至使我們隔離二氧化碳。將納米技術運用于混凝土的設計中，是納米科學在解決重大工程難題中能力提高的一個有力證明。

上圖是生物材料與水泥的生物降解過程。左邊比較的是健康骨頭與骨質疏松后的情況，右圖是經硝酸銨溶液處理后的成熟勃蘭特水泥脫鈣情況。

從分子到橋梁

當今的混凝土是碎巖塊和石子的隨機混合體，用水泥漿體結合起來。混凝土的強度和耐用性部分取決于其內部結構和孔隙構型。例如，材料的孔隙越多，越容易斷裂。然而，目前并沒有相應的技術，可以精確地控制混凝土的內部結構和整體性能。

Buyukozturk說：“目前主要是猜測，我們想要打破傳統，著手在介觀尺度上控制材料。”正如Buyukozturk所述，“介觀尺度”代表著微觀結構和宏觀性能之間的聯系。例如，水泥的微觀結構如何影響高層建筑或一座長橋的整體強度和耐用性？了解這種聯系有助于工程師在不同尺度上確認提高混凝土整體性能的特征。

研究人員一方面在分子水平上進行研究，另一方面要在長度方向上建立一個千米級的結構。如何將小尺度范圍獲得的信息與大尺度范圍的信息聯系在一起，這是目前要解決的難題。

自下而上構建模型

為了理解這種聯系，Buyukozturk和他的同事們轉向生物材料，如骨骼，深海海綿和珍珠層（軟體動物的內殼層）等，對其機械性能和微觀特征進行了廣泛的研究。他們瀏覽科學文獻，查找每個生物材料的信息，然后在納米、微米和宏觀尺度上和水泥的結構與行為進行對比。

研究人員探索了材料結構與機械性能之間的聯系。例如，研究人員發現深海海綿中二氧化硅層的類洋蔥結構可以解釋抑制裂紋產生的機理。珍珠母中的礦物質以“磚和砂漿”的方式排列，在礦物層之間產生很強的粘結力，使材料堅韌無比。

Masic說：“在這方面，有大量關于多尺度表征和計算模型的技術，已經成熟地用于生物和仿生材料復雜性的研究。慶幸的是，這些技術可以很容易地轉化到水泥的研究領域。

通過將研究生物材料獲得的信息與搜集到的知識應用于目前的水泥設計工具中，研究團隊提出了一種通用的“自下而上”的仿生準則或方法論，工程師可以用于水泥設計。

仿生準則本質上是工程師遵循的一系列指南，用于確定某些添加劑或成分對水泥整體強度和耐用性的影響。例如，在研究的相關領域，Buyukozturk正在考慮將火山灰作為水泥添加劑或替代物。根據研究團隊提出的準則，為了確定火山灰是否可以提高水泥漿體的性能，工程師將首先利用現有的實驗技術，如核磁共振，掃描電子顯微鏡和X射線衍射來表征火山灰固體和孔隙構型隨時間的變化。

然后研究人員將這些測試結果用于模型中，模擬混凝土的長期演變，研究材料對含灰混凝土橋梁的強度與耐用性的貢獻，并在介觀尺度上確定其與火山灰性能的關系。這些模擬結果可以用傳統的壓縮和納米壓痕試驗進行驗證，測試火山灰基混凝土的實際樣品。

最后，研究員希望該準則能夠幫助工程師發現在結構中起作用的成分，朝著類似生物材料的方向發展，提高混凝土的性能和壽命。Buyukozturk說：“但愿這會引導我們發現更多可持續混凝土的配方。通常，建筑和橋梁有確定的設計壽命，我們能將設計壽命延長兩倍或者三倍嗎？這是我們追求的目標。我們的準則將此非常具體地寫進了論文中，供工程師使用。”

論文下載地址：Roadmap across the mesoscale for durable and sustainable cement paste – A bioinspired approach

原文參考鏈接：Finding a new formula for concrete。

本文由材料人編輯部顧玥提供素材，董春宇翻譯，萬鑫浩審核。