赖斯大学研究人员分析了600多台电脑型号的混凝土内部矩阵，以确定空隙（中心）和波特兰石颗粒（右）赋予强度和韧性。宁章/赖斯大学的图像信用
有什么需要加强或强化混凝土？很多什么都没有。或者其他的东西。
“没有”是微观空隙的形式，“某些东西”由嵌入地球上最常见的施工材料中嵌入的特殊颗粒组成。赖斯大学材料科学家Rouzbeh Shahsavari和博士后研究员张宁分析了600多个混凝土内部矩阵的计算机模型，确定孔洞和硅酸盐颗粒都是赋予这种材料卓越品质的重要因素。
该研究显示本月固体力学与物理杂志．
Shahsavari和他的团队出发了新的见解和设计指导和策略，使水泥水合物称为硅酸钙 - 水合物（C-S-H） - 在混凝土的心脏上从分子上进行更多调谐。他们发现，虽然混凝土在宏观上可能出现脆弱，但它在纳米级掺入了延芯的韧性断裂机制，有助于使其失败。
Shahsavari说:“C-S-H是混凝土中最小的组成部分，我们想要理解和控制它。”“模拟其分子如何相互作用，有助于我们了解其纳米级结构、缺陷和断裂韧性。但由于我们所观察的特征规模之大，单凭实验很难进行研究。”
这种来自水稻实验室的一系列研究的最新研究介绍了C-S-H中随机空气空隙或随机波特兰颗粒的相互作用影响力强度，刚度和韧性的机械质量，特别是在空隙满足繁殖裂缝的情况下。
“除了C-S-H之外，波特兰石是另一种水泥水合的产物，但与C-S-H相比，它形成较低的量，主要存在于C-S-H矩阵包围的夹杂物或孤立的岛屿。”Shahsavari表示。“由于波特兰石具有不同的结晶特征和机械性能而不是C-S-H，因此其存在和分配可以显着影响C-S-H的机制。”
利用分子动力学模拟，研究人员发现，裂缝倾向于沿着阻力最小的路径，并朝着纳米孔洞或它们遇到的硅酸盐颗粒的方向转动。通过偏转或改变裂纹的几何形状，孔洞和粒子削弱了裂纹的能量。Shahsavari说，这可能有助于混凝土的整体韧性。
“说到水泥水合物的强度和韧性——这通常是人造材料独有的特性——随机空洞和硅酸盐颗粒通过调节一系列相互竞争的变形机制，如裂纹增长、裂纹挠度、空洞合并、内部颈缩、空洞和颗粒的调节和几何变化，发挥着关键作用。”Shahsavari说。“我们的工作解码了所有这些复杂的竞争机制。”
对于比结晶更无定形的C-S-H（如紫茎状混凝土），他们发现添加了波特兰石颗粒的诱导强化的化学反应，这些反应增加了产物的强度以及产品的韧性。他们还确定，对于所有测试的所有变型，空隙和颗粒的平均直径越小，材料越强。
沙萨瓦里说，由于每年使用300多亿吨混凝土，其制造过程中排放的二氧化碳占全球总量的10%，因此，任何微小调整的回报都是值得努力的。
Shahsavari说:“我们的研究结果首次为水泥水合物的韧性断裂机制提供了新的证据，这让人想起了结晶合金和韧性金属。”“考虑到裂缝的增长和强度是由纳米级变形机制控制的固有属性，我们的研究结果可以在更大的尺度上影响混凝土的力学性能，为将脆性水泥水合物转变为延性材料提供了新的机会和策略。这将影响耐用混凝土基础设施的现代工程，并可能影响其他复杂的脆性材料。”
国家科学基金会，国家卫生研究院和IBM与思科伙伴关系共享大学研究奖，QLogic和Adaptive Computing的合作支持支持。
研究人员使用的是由美国国家科学基金会(nsf)支持的、由赖斯研究计算中心(Rice 's Center for Research Computing)管理的、由赖斯的肯·肯尼迪研究所(Ken Kennedy Institute)合作采购的达芬奇超级计算机。
本文的副本可用于：http://dx.doi.org/10.1016/j.jmps.2016.07.021
了下:•先进的材料
