Ничто — это микроскопические пустоты, а кое-что — это специфические частицы, внедренные в один из наиболее распространенных строительных материалов на планете.

Ученый Ружбех Шахсавари и постдок Нинь Чжан из университета Райса проанализировали свыше 600 моделей внутренней матрицы бетона, прежде чем выяснили, что и пустоты, и частицы портландита наделяют бетон его замечательными свойствами.

Результаты опубликованы в издании Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Податливый бетон

Шахсавари с командой намерены разработать новое руководство и стратегию для получения гидрата цемента (силикат-гидрат кальция) для более тонкой настройки с помощью молекул в основе бетона.

Выяснилось, что хотя в макромасштабе бетон может казаться ломким, в наномасштабе он включает механизмы податливости, благодаря которым ломкость снижается.

— Силикат-гидрат кальция — наименьший составляющий компонент бетона, и мы хотим использовать его с пользой для себя, заявил Шахсавари. — Моделирование взаимодействия молекул помогает нам понять его наноструктуру, дефекты и прочность к излому. Однако вследствие масштаба трудно исследовать материал только лишь экспериментально.

Новейшее исследование в лаборатории Райса посвящено тому, как взаимодействие произвольных пустот или произвольных частиц портландита в силикате-гидрате кальция влияет на механические свойства — прочность, жесткость и вязкость, особенно там, где пустоты встречаются с увеличивающимися трещинами.

— Помимо силиката-гидрата кальция есть еще один продукт цементной гидратации, однако он формируется в меньших объемах и все больше отдельными островками, в окружении матрицы силиката-гидрата кальция, присовокупил Шахсавари. — Поскольку у портландита есть специфические кристаллические и механические свойства, его наличие существенно влияет на механику материала.

Не можешь избавиться от недостатка – придай ему верное направление

С помощью моделирования молекулярной динамики ученые выяснили, что трещины расползаются по пути наименьшего сопротивления, и следуют за пустотами или частицами портландита, которые встречаются им на пути. Изменяя геометрию трещины, частицы истощают ее энергию. Это еще более укрепляет бетон.

Добавка частиц портландита в силикат-гидрат кальция запускает химические реакции, увеличивающие прочность продукта. Чем меньше диаметр частиц и пустот, тем прочнее материал.

Результаты исследования позволят создавать еще более прочные и долговечные структуры.