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科学家利用石墨烯开发耐用的新型混凝土,以提高防水性和抗裂性

时间:2023-08-22 13:03:08 点击:238次

随着科学家致力于提高混凝土的硬度和耐久性,“神奇材料”石墨烯被证明是一种有前途的添加剂,这似乎并不奇怪。 作为世界上最强的人造材料,它可能能为建筑界提供很多东西,这个最新的例子来自日本东北学院的研究人员,他们开发了一种新型石墨烯填充水泥,具有很强的防水和抗裂性能。

水泥是世界上使用最广泛的材料混凝土生产的关键成分,它对环境产生巨大影响,约占全球温室二氧化碳排放量的 8%。 研究人员希望通过开发使用寿命更长的混凝土形式来减轻这种负担,从而减少对更多混凝土来替换受损结构的需求。

混凝土结构失效的原因之一是裂缝的发展,裂缝最初是微小的断裂。 一旦水溶解到这些裂缝中,就会导致它们变大,直到整个东西需要修理或更换。 我们已经听说了一些有趣的方法,科学家们可能能够干预这一过程,例如通过“自愈”混凝土,借助血液酶、真菌和特殊胶带修复裂缝。

石墨烯也可能在其中发挥作用。 我们已经听说过有前途的混凝土原型,它使用块状石墨烯来增加透水性,甚至看到了如何将旧汽车轮胎转化为石墨烯来生产更坚固的混凝土。 这项技术正开始进入现实世界,工程师最近在日本浇筑了世界上第一块石墨烯增强混凝土板。

西南学院的研究人员仍在研究另一种增压水泥配方,该配方结合了这些神奇材料的微小颗粒,使混凝土更加耐光。 该团队对一系列颗粒类型进行了实验,包括碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯纳米片,然后通过一种称为凹痕测试的先进技术测试它们的特性。 使用锥形探针对材料的微观部位进行测试,以测试其断裂响应。

“我还能够同时观察许多不同的材料,”该研究的主要作者安吉说。 “我的方法直接应用于微米和纳米尺度,这节省了大量时间。然后在此基础上,我们可以了解材料的行为方式、它们如何破裂,并最终预测它们的抗裂性。”

这些实验还允许科学家调整水泥的成分以提高其性能。 通过这个过程,团队发现石墨烯纳米片是获胜的成分,并且他们发现可以少量添加石墨烯来提高成品的抗裂性。 这是通过增加材料的孔隙率来实现的,从而使透水率增加了 78%。

“纳米粒子在这些应用中的作用直到现在才被人们所理解,所以这是一个重大突破。作为受过培训的断裂热力学专家,我想了解如何改变水泥生产以改善断裂响应,”博士说。

该研究发表在《皇家学会哲学汇刊 A》杂志上。