Kugler kan gøre beton slankere, grønnere

Rice University-forskere har udviklet calciumsilikatkugler i mikronstørrelse, der kan føre til stærkere og grønnere beton, verdens mest brugte syntetiske materiale.

Til rismaterialeforsker Rouzbeh Shahsavari og kandidatstuderende Sung Hoon Hwang, kuglerne repræsenterer byggesten, der kan laves til lave omkostninger og lover at afbøde de energikrævende teknikker, der nu bruges til at fremstille cement, det mest almindelige bindemiddel i beton.

Forskerne dannede kuglerne i en opløsning omkring nanoskala frø af et almindeligt vaskemiddellignende overfladeaktivt stof. Kuglerne kan fås til at samle sig selv til faste stoffer, der er stærkere, hårdere, mere elastisk og mere holdbar end allestedsnærværende Portland cement.

"Cement har ikke den pæneste struktur, " sagde Shahsavari, en adjunkt i materialevidenskab og nanoteknik. "Cementpartikler er amorfe og uorganiserede, hvilket gør den lidt sårbar overfor revner. Men med dette materiale, vi ved, hvad vores grænser er, og vi kan kanalisere polymerer eller andre materialer ind mellem kuglerne for at kontrollere strukturen fra bund til top og mere præcist forudsige, hvordan den kan knække."

Han sagde, at sfærerne er velegnede til knoglevævsteknik, isolering, keramik og kompositapplikationer samt cement.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society Langmuir .

Arbejdet bygger på et 2017-projekt af Shahsavari og Hwang om at udvikle selvhelbredende materialer med porøse, mikroskopiske calciumsilikatkugler. Det nye materiale er ikke porøst, da en fast calciumsilikatskal omgiver det overfladeaktive frø.

Men ligesom det tidligere projekt, det var inspireret af, hvordan naturen koordinerer grænseflader mellem forskellige materialer, især i perlemor (alias perlemor), materialet af muslingeskaller. Nacres styrke er et resultat af skiftevis stive uorganiske og bløde organiske blodplader. Fordi sfærerne efterligner den struktur, de betragtes som biomimetiske.

Forskerne opdagede, at de kunne kontrollere størrelsen af ​​kuglerne, der spænder fra 100 til 500 nanometer i diameter, ved at manipulere overfladeaktive stoffer, løsninger, koncentrationer og temperaturer under fremstillingen. Det giver dem mulighed for at blive indstillet til applikationer, sagde Shahsavari.

"Dette er meget enkle, men universelle byggeklodser, to nøgletræk ved mange biomaterialer, " Shahsavari sagde. "De muliggør avancerede funktionaliteter i syntetiske materialer. Tidligere, der var forsøg på at lave blodplade- eller fiberbyggesten til kompositter, men dette værk bruger kugler til at skabe stærke, hårde og tilpasningsdygtige biomimetiske materialer.

"Sfæreformer er vigtige, fordi de er meget nemmere at syntetisere, selvsamle og skalere op fra kemi og storskala fremstillingssynspunkter."

I test, forskerne brugte to almindelige overfladeaktive stoffer til at lave kugler og komprimerede deres produkter til pellets til test. De lærte, at DTAB-baserede pellets komprimerede bedst og var hårdere, med et højere elasticitetsmodul, end enten CTAB-piller eller almindelig cement. De viste også høj elektrisk modstand.

Shahsavari sagde, at størrelsen og formen af ​​partikler generelt har en betydelig effekt på de mekaniske egenskaber og holdbarheden af ​​bulkmaterialer som beton. "Det er meget gavnligt at have noget, du kan kontrollere i modsætning til et materiale, der er tilfældigt af natur, " sagde han. "Videre, man kan blande kugler med forskellige diametre for at udfylde hullerne mellem de selvsamlede strukturer, fører til højere pakningsdensiteter og dermed mekaniske og holdbarhedsegenskaber."

Han sagde, at øget cements styrke gør det muligt for producenterne at bruge mindre beton, reducerer ikke kun vægten, men også den energi, der kræves for at fremstille den, og de kulstofemissioner, der er forbundet med cementfremstilling. Fordi sfærer pakker mere effektivt end de ujævne partikler, der findes i almindelig cement, det resulterende materiale vil være mere modstandsdygtigt over for skadelige ioner fra vand og andre forurenende stoffer og bør kræve mindre vedligeholdelse og mindre hyppig udskiftning.