MIT科学家介绍基于拉曼光谱法的混凝土水合过程观测方案

2021年06月10日 17:28 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

混凝土的形状与耐久性,主要取决于普通水泥与水混合时开始发生的化学反应。而为了在真实条件下观察这些反应的进展,麻省理工学院的一支研究团队,刚刚在《LANGMUIR》期刊上详细介绍了他们《借助拉曼光谱法对水泥胶体开展基于时空分辨的化学去卷积》的新方案。在此基础上,新成像技术还有望为减少混凝土的大量碳足迹、以及未来的 3D 打印而开辟新的道路。

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混凝土水合的分子尺度观测 / 可视化(图自:MIT)

如上图所示,水合作用期间,白色的硅酸三钙(alite)形成了蓝色的水合硅酸钙(CSH)与红色的硅酸盐(portlandite)。剩余绿色部分为二钙硅酸盐(belite),而黄色部分则是方解石(calcite)。

在高时空分辨率的拉曼成像技术的加持下,研究人员有望回答有关水泥化学的持续数千年的历史遗留问题,并且有助于他们找到让混凝土更具可持续性的方法。

研究合著者,MIT 混凝土可持续发展中心的教职人员、兼该校土木与环境工程教授 Franz-Josef Ulm 表示,这项研究可谓是“混凝土科学领域的卢米埃尔兄弟时刻”。

据悉,这对兄弟用摄像机拍下了世界上第一部(黑白)电影。而 MIT 的这项新研究,为我们带来了研究早期水泥水合过程的精彩一瞥(可与彩色电影的诞生相媲美)。

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研究人员指出,混凝土中使用的水泥,占据了全球二氧化碳排放总量的 8% 左右,已经与大多数国家产生的排放量不相上下。土木与建筑学副教授 Admir Masic 解释称:

“随着对水泥化学性质的深入了解,科学家们就能够改进生产流程或配方成分,从而让混凝土产生更少的排放,或者添加其它能够主动吸收二氧化碳的成分”。

作为 Black Buffalo 3D 公司的一位材料科学家,Masic 实验室研究生 Hyun-Chae Chad Loh 的补充道:混凝土 3D 打印等下一代技术,也有望从这项成像技术的新成果中受益。

SCI Tech Daily 指出,他也是发表在 ACS Langmuir 期刊上的这篇研究论文的一作,且合著者中包括了 Ulm、Masic、以及博士后 Hee-Jeong Rachel Kim 。

原标题为《Time-Space-Resolved Chemical Deconvolution of Cementitious Colloidal Systems Using Raman Spectroscopy》。

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为达成这一目标,Loh 及其同事使用了一种被称作“拉曼显微光谱”的技术,来仔细观察混凝土在水合期间发生的特定化学反应的动态过程。

拉曼光谱需要将高强度激光照射到材料上,并测量其被构成材料的分子散射时的强度和波长,来创建出一幅特殊的图像。

由于不同的分子和分子键,都具有各自独特的散射“指纹”,因而这项技术也可用于制作有关创建材料内部分子结构和动态化学反应的图像。

此前这项技术常被用于表征生物和考古领域的材料研究,正如 Masic 曾对珍珠层和其它生物矿化材料、以及古罗马混凝土的研究中所做的那样。

研究期间,MIT 科学家们使用这套装置观察了一个放置在水下的普通混凝土样品。期间努力模拟了真实世界的环境条件,且并未干扰、或人为地停止其水化过程,

该团队总结道:通常情况下,混凝土的水合过程,是从一种被称作硅酸盐的水合产物的无序相开始的,之后它会渗透到整个材料并产生结晶。

此前,科学家们只能研究具有平均体积特征、或某个时间节点的混凝土水合快照。但在新技术的加持下,他们得以几乎连续地观察所有变化,并提升了他们的时间和空间尺度上的图像分辨率。

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