Новый «программируемый» цемент

Самый прочный цемент получается из старых добрых кубиков.
Самый прочный цемент получается из старых добрых кубиков.

Учёные из Университета Райса (Rice University) и Хьюстонского университета (University of Houston) научились придавать частицам, образующимся в цементном растворе, желаемую форму и превращать их в аккуратные кубики, сферы, и пирамидки. В результате материал становится менее пористым и лучше схватывается. Возможно, новый метод поможет достигать той же прочности с помощью меньшего количества цемента. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A.

Ежегодно по всему миру производят около 3 миллиарда тонн цемента, и в ходе этого процесса в атмосферу выделяется углекислый газ — выхлоп составляет 5—10% всех выбросов CO2. Как уменьшить вредное влияние производства на окружающую среду? Один из вариантов — улучшить качество цемента, чтобы получать тот же результат при меньшем количестве вещества.

Чаще всего в строительстве используют портландцемент, получивший своё название благодаря острову в Англии. Бетон и другие материалы на его основе обязаны своей прочностью, главным образом, гидросиликату кальция (Calcium silicate hydrate, CSH), который образуется в результате реакции цемента с водой. В ходе нового исследования учёные контролировали реакции кристаллизации — морфогенез — CSH. Им удалось получить частицы разных форм, включая кубики, прямоугольные призмы, ромбоэдры и др. и построить морфологическую диаграмму, чтобы производители могли создать бетон с помощью нанотехнологий типа «снизу-вверх». «Мы называем его программируемым цементом, — говорит ведущий автор работы Роузби Шахсавари (Rouzbeh Shahsavari). — Большое преимущество этой работы в том, что она позволяет контролировать кинетику цемента и получить желаемую форму частиц — это важный шаг вперёд. Мы показали, как можно контролировать морфологию и размер основных компонентов CSH таким образом, чтобы они формировали микроструктуры с большей плотностью, чем у традиционных аморфных микроструктур».

«Сначала в ходе реакции автоматически образуются затравочные частицы, и затем они управляют процессом, а вокруг них формируется остальной материал, — говорит Шахсавари. — Это опосредованно обеспечиваемое затравками выращивание in situ (то есть «на месте» — прим. XX2 ВЕК), при котором не требуется дополнительно добавлять затравочные частицы, что часто делают на производстве, чтобы ускорить кристаллизацию и рост». Учёные получили частицы в виде кубов и призм, добавляя небольшие количества положительно или отрицательно заряженных ионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) и силиката кальция и подвергая эту смесь воздействию углекислого газа и ультразвука. В течение 25 минут вокруг мицелл (частиц) ПАВ образовались зародыши кристаллов. Повышая или снижая концентрацию силиката кальция, исследователи получали сферические или кубические частицы большего или меньшего размера.

Когда «зародыши» кристаллов кальцита сформировались, вокруг них начали образовываться кубики, сферы и частицы других форм (этот процесс называется «самосборкой»). Они формируют более прочные связи, чем аморфные частицы, поэтому бетон, полученный с их помощью, будет менее пористым. Изменяя концентрацию прекурсоров, температуру и продолжительность реакции, исследователи регулировали выход продукта, размер и строение частиц. «В настоящее время контролировать форму частиц CSH нельзя, — объясняет Шахсавари. — «Бетон, который сейчас используют, представляет собой аморфный коллоидный материал, со значительной пористостью, которая снижает его прочность и долговечность».

Прочность отдельных частиц оценили с помощью наноиндентирования — вдавливания в образец специального инструмента — алмазного идентора. Оказалось, что наиболее плотно друг с другом соединяются «кубики», эта форма частиц уменьшила пористость материала на 30%. У нового метода несколько преимуществ. «Во-первых, его (бетона) нужно меньше, потому что он крепче, — объясняет Шахсавари. «Кроме того, он менее пористый, поэтому вредным химическим соединениям сложнее проникнуть сквозь бетон, и стальная арматура оказывается лучше защищена», — добавляет он. Но сфера применения разработки не ограничивается строительством: CSH используют также в медицине, при создании костной ткани и для доставки лекарственных средств.