古老的水泥焕新颜 MIT用仿生学打造更持久的水泥浆

欧洲足球赛事 注：建筑和桥梁的寿命与混凝土的质量息息相关。为遵循自然的可持续发展，麻省理工学院将仿生学应用于混凝土的新配方研发中，调制出的新鲜混凝土味道怎么样呢？让我们一起去“品尝”一下吧。

混凝土是世界上使用最广泛的人造材料。目前，麻省理工学院的研究人员正在寻求方法，遵循大自然的蓝图，重新设计混凝土。

研究团队将作为混凝土粘合成分的水泥浆体与自然材料，如骨骼、贝壳、深海海棉等，进行结构和性能上的对比。正如研究人员观察到的，这些生物材料异常地坚固耐用，部分归因于在多尺度范围内（从原子尺度到宏观或肉眼可见的水平）结构的精确排列。

多尺度视角的水泥浆材料

自然界部分材料与水泥浆的不同层次结构对照

根据他们的研究，由麻省理工大学土木与环境工程系(CEE)的Oral Buyukozturk 教授带领的团队提出了一种新的仿生技术，通过“自下而上”的方法设计水泥浆体。

Buyukozturk说：“这些材料以一种迷人的方式进行组装，简单的成分搭配复杂的几何结构，带来一种观赏美。我们想弄清楚它们内部存在怎样的微观结构，使得其具有如此优越的性能。建立了结构和性能的关系后，我们打算在混凝土的设计中运用相似的基于积木式的方法。”最终，研究团队希望发现一种可持续且耐用的天然材料，替代耗能巨大的硅酸盐水泥。

Buyukozturk说：“如果我们可以用一些在自然界上容易获得且含量丰富的其他材料部分或完全地替代水泥，我们就可以满足可持续发展的目标。”Buehler认为理论、计算、新的合成和表征方法的结合已经达到了一种范式转移，可能将永远改变我们生产普通材料的方式。一旦这种材料制备成功，它将会被建成更加坚固耐用的道路、桥梁和结构，减少碳和能源足迹，甚至使我们隔离二氧化碳。将纳米技术运用于混凝土的设计中，是纳米科学在解决重大工程难题中能力提高的一个有力证明。

上图是生物材料与水泥的生物降解过程。左边比较的是健康骨头与骨质疏松后的情况，右图是经硝酸铵溶液处理后的成熟勃兰特水泥脱钙情况。

从分子到桥梁

当今的混凝土是碎岩块和石子的随机混合体，用水泥浆体结合起来。混凝土的强度和耐用性部分取决于其内部结构和孔隙构型。例如，材料的孔隙越多，越容易断裂。然而，目前并没有相应的技术，可以精确地控制混凝土的内部结构和整体性能。

Buyukozturk说：“目前主要是猜测，我们想要打破传统，着手在介观尺度上控制材料。”正如Buyukozturk所述，“介观尺度”代表着微观结构和宏观性能之间的联系。例如，水泥的微观结构如何影响高层建筑或一座长桥的整体强度和耐用性？了解这种联系有助于工程师在不同尺度上确认提高混凝土整体性能的特征。

研究人员一方面在分子水平上进行研究，另一方面要在长度方向上建立一个千米级的结构。如何将小尺度范围获得的信息与大尺度范围的信息联系在一起，这是目前要解决的难题。

自下而上构建模型

为了理解这种联系，Buyukozturk和他的同事们转向生物材料，如骨骼，深海海绵和珍珠层（软体动物的内壳层）等，对其机械性能和微观特征进行了广泛的研究。他们浏览科学文献，查找每个生物材料的信息，然后在纳米、微米和宏观尺度上和水泥的结构与行为进行对比。

研究人员探索了材料结构与机械性能之间的联系。例如，研究人员发现深海海绵中二氧化硅层的类洋葱结构可以解释抑制裂纹产生的机理。珍珠母中的矿物质以“砖和砂浆”的方式排列，在矿物层之间产生很强的粘结力，使材料坚韧无比。

Masic说：“在这方面，有大量关于多尺度表征和计算模型的技术，已经成熟地用于生物和仿生材料复杂性的研究。庆幸的是，这些技术可以很容易地转化到水泥的研究领域。

通过将研究生物材料获得的信息与搜集到的知识应用于目前的水泥设计工具中，研究团队提出了一种通用的“自下而上”的仿生准则或方法论，工程师可以用于水泥设计。

仿生准则本质上是工程师遵循的一系列指南，用于确定某些添加剂或成分对水泥整体强度和耐用性的影响。例如，在研究的相关领域，Buyukozturk正在考虑将火山灰作为水泥添加剂或替代物。根据研究团队提出的准则，为了确定火山灰是否可以提高水泥浆体的性能，工程师将首先利用现有的实验技术，如核磁共振，扫描电子显微镜和X射线衍射来表征火山灰固体和孔隙构型随时间的变化。

然后研究人员将这些测试结果用于模型中，模拟混凝土的长期演变，研究材料对含灰混凝土桥梁的强度与耐用性的贡献，并在介观尺度上确定其与火山灰性能的关系。这些模拟结果可以用传统的压缩和纳米压痕试验进行验证，测试火山灰基混凝土的实际样品。

最后，研究员希望该准则能够帮助工程师发现在结构中起作用的成分，朝着类似生物材料的方向发展，提高混凝土的性能和寿命。Buyukozturk说：“但愿这会引导我们发现更多可持续混凝土的配方。通常，建筑和桥梁有确定的设计寿命，我们能将设计寿命延长两倍或者三倍吗？这是我们追求的目标。我们的准则将此非常具体地写进了论文中，供工程师使用。”

论文下载地址：Roadmap across the mesoscale for durable and sustainable cement paste – A bioinspired approach

原文参考链接：Finding a new formula for concrete。

本文由材料人编辑部顾玥提供素材，董春宇翻译，万鑫浩审核。