 Бетон является наиболее широко используемым строительным материалом в мире. Фактически же производство бетона является одним из ведущих источников выбросов парниковых газов. Тем не менее, ответы на некоторые фундаментальные вопросы о микроскопической структуре и поведении этого вездесущего материала остались недостижимыми.
Бетон формируется через затвердевание смеси воды, гравия, песка и порошка цемента. Является ли полученный материал непрерывным твердым веществом, подобно металлу или камню, или же представляет собой совокупность мелких частиц?
Команда исследователей из нескольких университетов в США, Франции и Великобритании считают, что они решили эту загадку и определены основные факторы в структуре, которые могут помочь исследователям в разработке лучших композиции для получения более прочного бетона
Один из ключевых вопросов заключается в том, можно ли рассматривать затвердевший материал, который состоит из частиц различных размеров, как непрерывную матрицу или блок дискретных частиц. Оказалось, что оба варианта в какой-то степени верны. Распределение частиц таково, что почти каждое пространство между зернами заполняется еще более мелкими зернами до такой степени, что материал приближается к непрерывному твердому веществу. Подобные зерна имеют очень сильное взаимодействие при мезомасштабе.
Анализ структуры затвердевшего бетона обнаружил, что поры различных размеров играют важную роль в определении характеристик материала. В то время как более мелкие, наноразмерные поры ранее были изучены, мезомасштабные поры, начиная от 15 до 20 нанометров, было труднее охарактеризовать. Эти поры могут играть важную роль в определении того, насколько восприимчивым является материал к воде, которая может войти в материал и привести к растрескиванию, в конечном итоге приводя к разрушению конструкции. Подобное растрескивание, как это ни удивительно, при этом не имеет ничего общего с расширением воды при замерзании.
Новые процессы моделирования позволяют соответствовать значениям ключевых характеристик, таких как жесткость, эластичность и твердость, которые наблюдаются в реальных образцах бетона. Они показывают, что моделирование является полезным и может помочь в разработке усовершенствованных формул, которые, для примера, уменьшают необходимое количество воды в исходной смеси с цементным порошком. Именно изготовление цементного порошка, требующее приготовления известняка (с глинами) при очень высоких температурах, делает производство бетона одним из ведущих источников выбросов парниковых газов антропогенного происхождения.
Точная настройка количества воды, необходимой для данного применения, также может улучшить прочность материала, как исследователи обнаружили. Количество воды, используемой в исходной смеси может сделать большую разницу в продолжительности жизни бетона, хотя большая ее часть испаряется прочь во время процесса установки. В то время как вода необходима для потока суспензии, чтобы ее можно было вылить на месте, слишком много воды приводит к гораздо большему пористому пространству и более рыхлым областям в бетоне, как исследователи обнаружили. Такие области могут сделать материал более уязвимым для последующей деградации или даже могут привести к разработкам, чтобы улучшить его прочность.
|
