水泥材料，包括水泥膏，砂浆和混凝土，是世界上最广泛制造的材料。它们的碳足迹类似地是HEFTY：制造水泥所涉及的过程占全球碳排放的近6％。
对这些材料的需求不太可能随时拒绝。在美国，在20世纪60年代和20世纪70年代建立了大多数混凝土桥梁，建筑物和路面衬里街道，在一个时代设计，对基础设施的环境压力较少，最多为50年来建造。
现在,麻省理工学院的研究人员已经发现了一种制造混凝土的新方法的开始，该方法受到天然材料中简单构建块的分层布置的启发。这些调查结果可能导致新的方式使混凝土更强大，并使用更可持续，局部材料作为添加剂，以抵消混凝土的温室气体排放。
在这项新研究中，土木与环境工程教授Oral Buyukozturk和他的同事分析了混凝土的一个关键特性，即单个原子的水平，这有助于混凝土的整体强度和耐久性。该小组开发了一个计算机模型来模拟单个原子的行为，这些原子在硬化材料中形成了分子结构块。
这些模拟表明，在滑动变形下，分子结构中的界面表现出“摩擦”阻力。该团队随后开发了一个内聚摩擦力场或模型，将这些原子间的相互作用整合到更大尺度的粒子中，每个粒子包含数千个原子。研究人员说，准确描述这些组件内部的力对于理解混凝土材料强度发展的方式至关重要。
该团队现在正在检查原子群或水泥中胶体的粘性和摩擦力的方式，通过在某些添加剂如火山灰，炼油厂渣和其他材料中混合来改善。该团队的计算机模型可以帮助设计人员根据所得混合物的分子相互作用选择局部添加剂。他说，通过仔细设计，他说，设计师和工程师最终可以构建更强大，更环保的结构。
“世界的条件正在发生变化，”Buyukozturk说。“增加了环境需求，包括地震和洪水，以及基础设施的压力。我们需要提出可持续的材料，具有更长的设计生活和更好的耐用性。这是一个很大的挑战。“
Buyukozturk和他的同事，研究生Steven Palkovic和Sidney Yip，MIT核电工程系的Emeritus教授发表了他们的结果固体力学与物理学期刊。
从摩擦强度
Buyukozturk对改造的愿景，部分是由罗马建筑的启发。在Empire的巅峰期间，罗马书在庞贝城，奥斯蒂亚和西班牙和中东地区竖立了寺庙，沐浴园和Amphiteaters，包括土耳其，利比亚和摩洛哥的城镇。在每个遥远的地点，考古学家已经发现，罗马人从本地材料构建了他们的建筑物 - 一种帮助保护这些结构超过2000年的技术。
“他们可能是凭直觉这么做的，”Buyukozturk说。“我们的努力是希望通过理解这些材料的潜在科学原理，实现这种使用当地可用材料的哲学。”
在他们的新论文中，科学家们描述了一个计算机模型，该模型是他们开发的计算框架的一部分，用来分析混凝土的原子结构如何影响工程特性。这些模型在分子尺度上模拟混凝土中颗粒团簇的滑动和运动。
研究人员用原子模型来模拟含有波特兰水泥的混合物，是世界上使用的最常见的水泥类型。具体地，它们模拟了凝胶状物质的机械响应，称为硅酸钙 - 水合物（C-S-H），当水与波特兰水泥反应时形成的主阶段。The group modeled the movements of thousands of atoms in a C-S-H molecular building block, noting the influence of cohesive forces that cause particles to stick together, and the presence of a shear resistance as clusters of atoms slide past each other along a water-filled interface.
然后，它们模拟这些分子尺度特性如何控制含有数千个原子或胶体的粒子，或者胶体在他们称之为“mescale”。他们发现摩擦性能抵抗胶体在Mescle的运动和分离的程度是在厘米级确定混凝土强度的最强因素。
设计人员经常在厘米级上使用水泥的性质来预测最终的强度，更大的尺度结构。因此，研究人员在硬化微观结构的计算机模型中实现了它们的原子 - 胶体模拟的结果，以允许与实际，厘米大小的实验室实验进行比较。Buyukozturk发现该团队的预测与实验结果相匹配，而不是用忽视摩擦互动的模拟制作的预测。
Yip说:“在分子水平描述和定量预测方面，水泥强度的材料科学仍处于初级阶段。”“在我们的工作中，摩擦力的问题与水泥随时间变化的力学行为有关。这种速率敏感性是中尺度科学挑战的一个方面，中尺度是几个物理科学学科中开发的微观概念和模型与技术应用的宏观属性相联系的研究前沿。”
Buyukozturk补充道，“我们相信我们的新框架正在混凝土科学中开辟一个新的时代。”
混合添加剂
本集团现在正在努力将各种添加剂整合到其模型中，探讨这些材料对水泥原子的原子行为的影响，以及最终凝固混凝土的所得强度。从初步研究中，他们观察到存在摩擦值的化学依赖性，或胶体抵抗彼此滑动的程度。未来的工作将研究添加剂如何影响这些胶体相的化学成分。该信息可作为数据库的一部分，以设计和优化具有改进的强度和变形行为的新型混凝土材料。
“我们对在混凝土中使用添加剂会发生什么知之甚少，”Palkovic说。“来自沙特阿拉伯的火山灰不会有夏威夷火山灰那样的效果。所以我们需要对材料有更深入的了解，从原子尺度开始，解释材料的化学性质。这可以让我们更好地控制和理解如何使用添加剂来创造更好的材料。”
该研究得到了科威特基金会的支持，作为科威特科威特建造环境可持续发展的一部分，部分支持科威特基金会。
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