作者:菲尔·科思和Jd Amick，阿尔贡国家实验室 三种水泥颗粒演变的成像
绿色表示溶解的矿物、空隙和低质量矿物化合物
深灰色表示固体材料
成像显示小颗粒倾向于溶解，而大颗粒则进一步生长
学分:阿尔贡国家实验室 水泥是一种矿物基材料，将沙子和岩石粘合在一起形成混凝土
虽然水泥的使用可以追溯到古代，但科学家们仍然不清楚它从新鲜的糊状物转化为固体的确切过程
更好地理解这种转变可以导致在加强混凝土以及降低其总成本方面的发展
为了阐明这一过程，俄克拉荷马州立大学、普林斯顿大学和美国大学的研究人员
S
能源部阿贡国家实验室使用互补成像方法连续监测水泥的变化
这项研究是在波特兰水泥上进行的，波特兰水泥是世界上最受欢迎的类型，由石灰石与含铝、铁、硫和其他元素的矿物混合而成
研究人员使用硬x光纳米探针进行成像，这是一条由阿尔贡纳米材料中心(CNM)和高级光子源(APS)联合操作的光束线
CNM和美国物理学会都是美国能源部科学用户设施办公室
硬x光纳米探针能够以难以置信的小规模分辨材料的结构和化学成分
这些实验允许从微米级到纳米级的多种长度尺度的粒子的三维成像
“你需要的不仅仅是你的视觉，”阿尔贡物理学家沃尔克·罗斯说，他是这项发表在《建筑与建筑材料》杂志上的研究的合著者
“你需要看到材料的结构，知道它们的成分
" 向水泥中加水会引发一连串复杂的化学反应，统称为“水合作用”
“在水化过程中，水泥开始是泥浆，随着时间的推移，随着不同类型的矿物化合物的形成，水泥逐渐变硬
记录大量颗粒在水化的最初几个小时内的变化，使研究人员能够对水泥水化的驱动机制做出重要的推断
研究人员还从累积的三维图像和粒子组成的测量中得出了许多宽泛的结论
例如，虽然微米级和纳米级颗粒在其表面上表现出不均匀的生长和溶解，但较大的颗粒倾向于积累含有较重元素的矿物，而较小颗粒的表面大多表现出矿物溶解
传统研究通常测量水泥硬化时的大规模物理和化学性质
例如，温度测量显示，水合作用最初产生相当多的热量达几分钟(称为诱导期)，一小时左右后降至最低，然后又迅速上升(称为加速期)
同样，通过检查在不同水化阶段提取的水泥样品，化学家已经确定了在此过程中许多不同类型矿物的形成
科学家们还使用电子和x光显微镜等技术在微观尺度上检查了水泥
为此，科学家们在成像前用酒精或丙酮停止水合过程以去除水分
不幸的是，研究水泥在水化过程中的大尺度特性不能提供驱动这一过程的微观机制的细节
传统的显微镜方法也被证明是不够的
首先，使用干燥剂来停止水化会改变水泥的微观结构和化学性质
此外，许多x光技术不能完全穿透矿物样品，并且由于需要数小时的曝光时间，水合过程中的颗粒运动在很大程度上阻碍了三维成像的尝试
先前研究的不足之处留下了许多未解的基本问题，特别是关于水合作用的诱导期和加速期
这项研究中使用的先进成像技术(快速计算机断层扫描和纳米计算机断层扫描)允许从微米到纳米尺度观察水合过程
这些成像技术依赖于CNM/APS硬x光纳米探针的高穿透力，只需要几秒钟就可以获得三维数据集，这是可能的，因为x光检测器的进步和APS提供的高光子通量
在大约15小时的样品水合过程中，每10分钟产生一个新的三维图像
总共获得了大约60，000幅图像
科学家希望从这项研究和类似的成像技术中得出的结论将改善对水泥诱导和加速阶段的控制
通过对水化阶段的更好控制，人们可以制造出更耐久、更具成本效益和特定任务的混凝土
罗斯解释说:“通过美国物理学会和CNM大学的科学家们的协同作用，以及他们专业知识的分享，我们能够深入了解纳米材料的研究。”
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
