Исследована наноструктура зданий и мостов
 Минерал тоберморит, чью структуру напоминает строение гидрата силиката кальция в застывшем бетоне. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Бетон – один из наиболее распространенных материалов на земле (конечно, за исключением воды), однако, его базовая структура до сих пор оставалась до конца не изученной. Бетон включает три основных компоненты: агрегатный материал (например, гравий), цемент и воду. Естественно, ключем к прочности и долговечности конструкции является цементная смесь.
Так называемый портлендский цемент – наиболее распространенный вариант цементной смеси, включающий кальций, силикаты и различные металлические ионы. Когда незадолго до использования на строительной площадке цемент смешивается с агрегатным материалом и водой, в бетоне начинаются химические реакции, которые, в конечном счете, приводят к тому, что он застывает в твердую массу. И обязательным продуктом этой химической реакции является гидрат силиката кальция. К слову, в процессе застывания каждая тонна портлендского цемента испускает в атмосферу порядка тонны углекислого газа, что составляет около 5 – 7 % общей эмиссии, вызванной человечеством.
Основная цель дальнейшего изучения цемента и бетона – в проектировании происходящих в рамках этих химических реакций процессов, чтобы создать более прочный и долговечный вариант смеси, а также снизить процентное отношение цемента в составе бетона.
Производство оперирует крупными масштабами. Но для научного исследования необходимо обратиться к микромиру. Предыдущие исследования показывали, что упомянутый выше гидрат силиката кальция в застывшем бетоне имеет структуру, представляющую собой отдельные «строительные блоки» с размерами порядка микрометров. Для уточнения этой структуры группа из University of California на базе лаборатории Argonne National Laboratory Advanced Photon Source провела исследования по рассеянию рентгеновских лучей фрагментами застывшего бетона.
Для исследований использовались рентгеновские лучи с энергией 115 КЭв. Картина рассеяния фиксировалась двумерным датчиком. Первоначально исследования проводились не на бетоне, а на «чистом веществе» (на синтезированном в лаборатории гидрате силиката кальция); при этом результат не показал никакой ожидаемой жестко-упорядоченной структуры. Синтезированное вещество напоминает скорее минерал тоберморит, который предлагали другие научные группы в качестве примера структуры гидрата силиката кальция.
Для сравнения тоберморита и синтезированного гидрата силиката кальция, команда использовала так называемую функцию распределения пар при рентгеновском рассеянии, которая дает вероятность обнаружения атомов на том или ином расстоянии друг от друга. На коротких расстояниях пики полностью соответствовали ожидаемой картине для строения, сходного с тоберморитом. Но, так как функция не давала никакого результата при расстояниях более 3,5 мкм, ученые сделали вывод о том, что реальная структура гидрата силиката кальция состоит из отдельных плотно упакованных наночастиц.
В рамках отдельного этапа исследований ученые показали, что их синтезированный образец гидрата силиката кальция имеет ту же структуру, что и данное вещество в бетоне, таким образом, с достаточно большой долей вероятности можно утверждать, что в основе бетона лежат наночастицы гидрата силиката кальция, размеры которых не превышают 3,5 мкм.
Также по теме:
Источники: