优化水泥设计,挑战环境极限


材料牛注:水泥是最基础的建材,广泛应用于各种环境,如何优化设计才能在极端条件下正常工作?

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水泥浆结构中有大量的水,其中大部分位于水泥的微小孔隙中,孔隙的尺寸大约是1nm。水泥的某些基础设施,如油井,在极端温度下水的状态发生变化,这又导致内应力的产生。科学家们对这种水的物理特性进行了表征,以便优化水泥设计。

作为最基础的建材,水泥必须适用于多种情况,包括由极端的温度、湿度、压力引起的物理或气象上的各种变化。温度浮动的范围在-80℃到几百摄氏度,前者可能是南极科学基地的温度,后者则是靠近热源或火的基础设施的温度。

这些温度或湿度的变化转换成物理过程,涉及到水泥浆中水的蒸发或冻结,导致水泥产生内应力或微裂纹。UPV/EHU凝聚态物理系的研究员,日本东北大学的一个研究小组的合作研究学者Hegoi Manzano谈到水泥孔隙中的水对这些现象的影响。他说,“水泥孔隙中的水是非常重要的,位于这些小空间内的水,占了很大比例,大约30%,所以在很大程度上决定了材料的最终性能。”

Manzano接着解释道,鉴于对尺寸为1nm左右孔隙内水的行为进行实验研究很复杂,研究人员采用分子模拟的方法,模拟组成水泥的原子之间的相互作用,来确定它们作为一个整体,性能是相互转化的。实验温度的范围是-170ºC到300ºC。

极端条件下的应力

研究小组观察到了模拟的结果,在两个极端的温度下“由于水的物理变化导致体积的显著变化,通过完全相反的实验,获得了同样的效果”。在高温下,水从孔隙中蒸发并消失。在上述情况,材料本身所承受的压力可能会导致孔隙的毛孔崩溃和微裂纹的产生,特别严重时可能会导致材料崩溃。

另一个极端情况,在极低的温度下,水冻结导致体积膨胀。Manzano强调说,在这种情况下值得注意的是,冷冻水位于狭小的空间内,所以不能自发形成冰。但它所经历的膨胀足以在水泥中产生应力,同样引起微裂纹。

Manzano总结道,从这项研究中提取的信息可以用来“修改用于极端温度环境下的基础设施的水泥配方。以石油公司为例,了解作用力和应力,将有机会在制造水泥时改变某些设计因素,如在水泥中加入添加防止油井的膨胀或崩溃,这将是研究成果的理想应用之处。”

原文链接:Cement design should take into account the water confined in the smallest pores

文献链接:Temperature Dependence of Nanoconfined Water Properties: Application to Cementitious Materials

本文由编辑部曾庆辉提供素材,刘万春编译,点我加入材料人编辑部

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