Ange-Therese Akono教授拿着她的智能水泥样品。学分:自我们开始生产以来，西北大学的自然资源已经超过了我们用来建造基础设施的材料。冰雪每年都把主要道路变成瓦砾；尽管建筑坚固，房屋的地基还是会开裂和倒塌。除了混凝土碎片产生的成吨废物之外，每英里的道路每年要花费美国大约24000美元来保持良好的维修。用智能材料解决这一问题的工程师通常通过增加碳的量来增强材料的功能，但这样做会使材料失去一些机械性能。通过在普通水泥中引入纳米颗粒，西北大学的研究人员形成了一种更智能、更耐用、功能性更强的水泥。
这项研究今天发表在《皇家学会哲学学报》上
随着水泥成为全球消费最广泛的材料，水泥行业占人类造成的温室气体排放的8%，土木与环境工程教授Ange-Therese Akono转向纳米水泥寻求解决方案。这项研究的主要作者、麦考密克工程学院的助理教授Akono说，纳米材料减少了水泥复合材料的碳足迹，但直到现在，人们对其对断裂行为的影响知之甚少。
Akono说:“纳米粒子在这一应用中的作用在现在之前还没有被理解，所以这是一个重大突破。“作为一名接受培训的断裂力学专家，我想了解如何改变水泥产量以增强断裂响应。”
传统的断裂测试是将一系列光束投射到一大块材料上，这需要大量的时间和材料，并且很少导致新材料的发现。
通过使用一种叫做划痕测试的创新方法，Akono的实验室在很短的时间内有效地形成了对材料特性的预测。该方法通过对微观水泥块表面施加垂直力增加的机械探针来测试断裂响应。Akono在她的博士工作期间开发了这种新方法，她说这种方法需要的材料更少，并且加速了新方法的发现。
“我能够同时观察许多不同的材料，”Akono说。“我的方法直接应用于微米和纳米尺度，节省了相当多的时间。然后基于此，我们可以了解材料的行为，它们是如何开裂的，并最终预测它们的抗断裂性。”
通过划痕测试形成的预测也允许工程师对材料进行改变，从而在更大范围内提高他们的性能。在论文中，石墨烯纳米片，一种在形成智能材料中迅速普及的材料，被用于提高普通水泥的抗断裂性。加入少量纳米材料也显示出改善了水传输性能，包括孔结构和抗水渗透性能，据报道分别相对降低了76%和78%。
这项研究的影响涉及许多领域，包括建筑施工、道路维护、传感器和发电机优化以及结构健康监测。
联合国预测，到2050年，世界人口的三分之二将集中在城市。鉴于城市化的趋势，水泥产量预计将飙升。
引入使用更轻、性能更高的水泥的绿色混凝土，将通过延长维护计划和减少浪费来减少其整体碳足迹。
或者，智能材料使城市能够满足不断增长的人口在连通性、能源和多功能性方面的需求。包括石墨烯纳米片在内的碳基纳米材料已经被考虑用于结构健康监测的智能水泥基传感器的设计。
Akono说，她对自己实验室的论文后续工作以及她的研究将如何影响他人感到兴奋。她已经在研究利用建筑垃圾形成新混凝土的合适方法，并考虑通过增加水泥中纳米材料的比例来“进一步发展纸张”。
“我想看看其他属性，比如了解长期表现，”Akono说。“例如，如果你有一座由碳基纳米材料制成的建筑，你如何预测10年、20年甚至40年后的电阻？”
Akono将在皇家学会10月的会议上就这篇论文发表演讲，题目是“发明韧性新材料的破解方法:断裂比摩擦更陌生”，它将强调断裂力学在过去一个世纪的重大进展。
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
