在分子水平上可视化水泥水化
成像技术和3D打印混凝土可以为减少混凝土沉重的碳足迹提供新的途径。
我们周围的混凝土世界的形状和耐久性得益于普通硅酸盐水泥与水混合后产生的化学反应。现在,麻省理工学院科学家们已经展示了一种在真实世界条件下观察这些反应的方法，这一进步可能会帮助研究人员找到使混凝土更可持续的方法。
该研究是“混凝土科学的兄弟Lumière时刻”，合著者Franz-Josef Ulm说麻省理工学院混凝土可持续发展中心他指的是开创了投影电影时代的两兄弟。同样，乌尔姆说，与早期研究的黑白照片相比，麻省理工学院的团队提供了早期水泥水化的一瞥，就像特彩电影一样。
混凝土中的水泥约占全球二氧化碳总排放量的8%，与大多数国家的排放量相当。土木与环境工程副教授Admir Masic说，随着对水泥化学的更好理解，科学家们有可能“改变生产或改变成分，使混凝土对排放的影响更小，或添加能够积极吸收二氧化碳的成分。”
Masic实验室的研究生Hyun-Chae Chad Loh同时也是Black Buffalo 3D公司的一名材料科学家，他说，下一代技术，如混凝土的3D打印也可以从这项研究的新成像技术中受益，该技术显示了水泥是如何水化和硬化的。
高时间和空间分辨率拉曼成像技术为回答水泥化学方面的千年问题提供了机会。这张高分辨率拉曼图像显示了alite(白色)水化形成C-S-H(蓝色)和porlandite(红色)。其他成分是贝利石(绿色)和方解石(黄色)。麻省理工学院(MIT)
水泥从一开始
Loh和他的同事使用了一种叫做拉曼微光谱的技术，来近距离观察水和水泥混合时发生的特定和动态的化学反应。拉曼光谱通过将高强度的激光照射在材料上，并测量光的强度和波长，因为它被组成材料的分子散射，从而产生图像。
不同的分子和分子键有自己独特的散射“指纹”，因此这项技术可以用来创建材料内部分子结构和动态化学反应的化学图像。拉曼光谱通常用于表征生物和考古材料，正如Masic在之前的珍珠质和其他生物矿化材料以及古罗马混凝土的研究中所做的那样。
麻省理工学院的科学家们利用拉曼微光谱技术观察了一个普通硅酸盐水泥的样品，在不干扰它或人工停止水化过程的情况下，将其放置在水下，模拟真实世界的混凝土使用条件。研究小组总结说，一般来说，一种被称为硅酸盐的水化产物开始时是无序的相，渗透到材料中，然后结晶。
在此之前，“科学家只能研究水泥水化的平均体积特性或一个时间点的快照，”Loh说，“但这让我们几乎连续地观察所有的变化，并提高了我们的图像在空间和时间上的分辨率。”
例如，水合钙，或C-S-H，是水泥的主要粘结成分，使混凝土结合在一起，“但它很难检测，因为它的无定形性质，”Loh解释说。“看到它的结构、分布，以及它在固化过程中的发展，是一件令人惊叹的事情。”
麻省理工学院的研究人员开发了一种水下原位拉曼表征方法，用于监测水泥在真实环境中的水化过程。麻省理工学院(MIT)
构建更好的
Ulm said the work will guide researchers as they experiment with new additives and other methods to reduce concrete’s greenhouse gas emissions: “Rather than ‘fishing in the dark,’” we are now able to rationalize through this new approach how reactions occur or do not occur, and intervene chemically.”
Masic说，这个团队将在夏天使用拉曼光谱学测试不同的胶凝材料捕获二氧化碳的能力。“到目前为止，跟踪这一点几乎是不可能的，但现在我们有机会跟踪胶凝材料中的碳化，这有助于我们了解二氧化碳去了哪里，形成了哪些相，以及如何改变它们，以便潜在地利用混凝土作为碳汇。”
成像对Loh的3D混凝土打印工作也至关重要，这依赖于在一个精确测量和协调的过程中挤压混凝土层，在此过程中液体泥浆变成固体混凝土。
他表示，“知道混凝土什么时候会凝固，是业内每个人都试图理解的最关键问题”。“我们做了很多尝试和错误来优化设计。但监测空间和时间中的潜在化学物质是至关重要的，这种科学创新将影响建筑行业的混凝土打印能力。”
- Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE Media and Technology，cvavra@cfemedia.com．
