Bildning och 3D-arkitektur av träliknande cement. a) Schematiska illustrationer av bildningsmikromekanismerna för den träliknande cementen under frysningen, upptining, och härdningsprocesser. b) XRT-volymrenderingar av den ismönstrade cementen framställd från cementhaltiga uppslamningar med W/C-värden på 0,4 och 1,3 med det för en Betula schmidtii björkträ som jämförelse. Porerna i material är markerade med blå färg. FD och GD representerar frysriktningen för is och växtriktningen för trä, respektive. Kredit:Advanced Science, doi:10.1002/advs.202000096
Naturen erbjuder ofta lovande inspiration för biomimetiska konstgjorda material. I en ny rapport som nu publiceras i Avancerad vetenskap , Faheng Wang och ett team av forskare inom avancerade material, teknik och vetenskap i Kina utvecklade nya cementmaterial baserade på enkelriktade porösa arkitekturer för att replikera designen av naturligt trä. Det resulterande träliknande cementmaterialet visade högre hållfasthet vid lika densiteter, tillsammans med multifunktionella egenskaper för effektiv värmeisolering, vattengenomsläpplighet och enkel justering för vattenavstötning. Teamet uppnådde samtidigt hög hållfasthet och multifunktionalitet för att göra den träliknande cementen till ett lovande nytt byggmaterial för trämimetiska konstruktioner med hög prestanda. De presenterade en enkel tillverkningsprocedur för att främja bättre effektivitet under massproduktion med applikationer som passar över andra materialsystem.
Utveckla bioinspirerade träliknande material
Porösa cementbaserade material har låg värmeledningsförmåga för värmeisolering, hög ljudabsorberande effektivitet, enastående permeabilitet för luft och vatten, samtidigt som låg vikt och brandmotstånd bibehålls. Dock, det är fortfarande en nyckelutmaning att uppnå en samtidig förbättring av både mekaniska och multifunktionella egenskaper inklusive mekaniskt stöd, effektiv transport och bra värmeisolering. Det är därför mycket önskvärt att generera material med förbättrade mekaniska och multifunktionella egenskaper för att aktivt implementera designprinciperna för naturligt trä. Under experimenten, Wang et al. utvecklat träliknande cement med enkelriktade porösa arkitekturer bildade via en dubbelriktad frysbehandlingsmetod. Processen gjorde det möjligt för broar att bildas mellan strukturens beståndsdelar, teamet tinade sedan de helt frusna kropparna tills isen gradvis smälte och cementen stelnade. Den efterföljande hydratiseringsprocessen producerade nya mineraler och geler i cementen, inklusive hexagonformad kalciumhydroxid, nålliknande ettringit och kalciumsilikat-hydratgeler. Faserna har huvudsakligen sitt ursprung i cementlamellerna och växte in i deras mellanrum under upptining och härdningsprocessen för bättre strukturell integritet med förbättrade lamellsammankopplingar under porös cementbildning. Med hjälp av röntgentomografi (XRT), teamet avslöjade sedan bildandet av enkelriktade mikroporer i den ismönstrade cementen.
Mikrostrukturella egenskaper hos träliknande cement. a) Tvärsektions-SEM-bilder av den ismallade cementen framställd från slurry med en W/C på 1,3. b–d) SEM-bilder av sammankopplingarna mellan cementlameller. b) Broar och korsningar som bildas under frysningsprocessen, som indikeras av de gula pilarna, tillsammans med mineralprodukterna från hydratiseringsreaktioner av c) kalciumhydroxid och d) ettringit. e) Schematisk illustration av de olika typerna av sammankopplingar och porer i det ismönstrade cementet. Cirklarna indikerar element A och L för formuleringen av styrka med användning av ekvivalentelementmetoden. f) Variationer i den totala porositeten Ptotal, öppen porositet Popen, och interlamellär porositet Pinter i cementen med W/C i initiala cementbaserade uppslamningar. Data i panel (f) erhålls från minst tre mätningar för varje uppsättning prover och presenteras i form av medelvärde ± standardavvikelse. Kredit:Advanced Science, doi:10.1002/advs.202000096 
Wang et al. använde svepelektronmikroskopi (SEM)-bilder för att avslöja de enkelriktade porerna mellan lamellerna i det ismallade cementet som omfattade en stor mängd sammankopplingar som överbryggar lamellerna. Teamet klassificerade sammankopplingarna i tre typer:(1) broar och korsningar som bildas på grund av cementpartiklar som uppslukas av iskristaller under frysningsprocessen, (2) hexagonformad kalciumhydroxid, och (3) nålliknande ettringit. De sistnämnda mineralerna resulterade från hydratiseringsreaktioner av cement under upptinings- och härdningsprocesserna. Cementlamellerna innehöll rikliga porer som bildades under cementtorkningsprocessen på grund av uttorkning av geler och avlägsnande av vatten. Forskarna klassificerade porerna i träliknande cement i tre typer, inklusive (1) interlamellära öppna porer, (2) intralamellar öppna porer och (3) intralamellar stängda porer. Den interlamellära porositeten styrdes huvudsakligen av vattenhalten, som spelade en roll som ett porbildande medel.
Mekaniska egenskaper hos träliknande cement. a, b) Representativa tryckspännings-töjningskurvor för den träliknande cementen gjord av slam med olika W/C a) utan och b) med SF-tillsatser. c, d) Variationer i c) brotttöjningen, d) energiabsorptionsdensitet, representeras med användning av området under stress-töjningskurva tills toppspänningen, och specifik hållfasthet (insatt i panel (d)) som en funktion av den totala porositeten Ptotal. De generella varierande trenderna indikeras av de streckade kurvorna för tydlighetens skull. e) Tryckhållfasthetens beroende av den relativa densiteten i den träliknande cementen. f) Tolkning av hållfastheten enligt ekvivalentelementansatsen genom att ta hänsyn till olika typer av porer. Data i panelerna (c)–(f) erhålls från minst tre mätningar för varje uppsättning prover och presenteras i form av medelvärde ± standardavvikelse. Kredit:Advanced Science, doi:10.1002/advs.202000096
Multifunktionella egenskaper hos träliknande cement. a) Variationer i värmeledningskoefficienten för träliknande cement vid tvärprofilen som funktion av nominell densitet. 0,4-C indikerar cement tillverkad av slam med en W/C på 0,4 men utan ismallbehandling. Data för slumpmässigt öppna cellporösa cementmaterial visas också för jämförelse.[35, 36] b) Infraröda bilder av cement tillverkad av slurry med olika W/C-värden på 0,4, 0,9, 1,6, och 2.4 placerad på en värmeplatta av 100 °C. c) Beroende av vattenpermeabilitetskoefficienten längs den vertikala riktningen av den totala porositeten Ptotal i träliknande cement. Uppställningen som används för mätning av vattenpermeabilitet illustreras i insättningen. d) Bilder och schematiska illustrationer som visar cementens vattengenomsläppliga och avvisande natur före och efter vattentätningsbehandling, tillsammans med de kapillära attraktions- och repulsionseffekterna av inre ytor på grund av de hydrofila och hydrofoba egenskaperna. Data i panel (a) och (c) erhålls från minst tre mätningar för varje uppsättning prover och presenteras i form av medelvärde ± standardavvikelse. De generellt varierande trenderna indikeras med streckade kurvor för tydlighetens skull. Kredit:Advanced Science, doi:10.1002/advs.202000096
Materialets mekaniska och multifunktionella egenskaper
Teamet erhöll representativa tryckspännings-töjningskurvor av den träliknande cementen med eller utan kiselröktillsatser till dess konstitution. Tryckhållfastheten minskade monotont med de stigande vatten/cement-förhållandena i slurryn som användes för att utveckla materialet, vilket så småningom ledde till ökad porositet i cementen. Eftersom brotttöjningen hos materialet ökade med ökad total porositet, hållfastheten hos porösa fasta ämnen kunde bestämmas av dess porositet. Teamet mätte därefter värmeledningskoefficienten för ismall, träliknande cement för att visa minskande värmeledningsförmåga med ökande porositet hos materialet. De använde också infraröda (IR) bilder för att tydligt observera de robusta värmeisoleringsegenskaperna hos det ismallade cementmaterialet. För att reglera värmeisoleringseffektiviteten, Wang et al. justerade den fasta belastningen i cementuppslamningen genom att öka vatten/cementhalten. Det resulterande cementmaterialet absorberade vatten på grund av den hydrofila (vattenattraktiva) karaktären hos dess inre ytor. I kontrast, de skulle kunna förhindra att vatten tränger in i porerna genom att vattentäta ytorna med ett organkiselmedel; sådana ansträngningar på hydrofobicitet kan till och med få materialet att flyta på vatten. Metoden kan därför underlätta omkopplingsbara applikationer som genomträngliga eller vattentäta strukturer lämpade som byggnadsmaterial.
Jämförelse av träliknande cement med naturligt trä och andra porösa cementmaterial.[3-8, 31, 43, 53, 59-61] a) Tryckhållfasthet och densitet för ett brett spektrum av porösa cementbaserade material som visar de relativt högre hållfastheterna hos nuvarande träliknande cement vid lika densiteter. LAC:lätt aggregatinnehåll; OPC:vanligt Portlandcement; PF:polypropenfiber; PC:Portlandcement; CSA:betongslamaggregat; S/C:sand-till-cement-förhållande i vikt. b) Schematiska illustrationer om designstrategierna för naturligt trä och träliknande cement för att optimera deras mekaniska och multifunktionella egenskaper förknippade med de enkelriktade porösa arkitekturerna. Hållfasthets- och densitetsdata för aktuell träliknande cement i panel (a) presenteras i form av medelvärde ± standardavvikelse. Kredit:Advanced Science, doi:10.1002/advs.202000096
Utsikter för träliknande cementmaterial
På det här sättet, Faheng Wang och kollegor presenterade en ismallsteknik som ett hållbart tillvägagångssätt för att skapa enkelriktade mikroporer för applikationer över keramik, polymerer, metaller och deras kompositer. Forskarna utvecklade en frystorkningsbehandlingsprocess baserad på cementens självhärdande beteende vid kontakt med hydreringsreaktioner. Den resulterande träliknande cementarkitekturen innehöll en mängd olika porer i antingen öppna eller slutna former och ett överflöd av sammankopplingar som överbryggar deras lameller. När porositeten ökade, cementens styrka minskade. Den träliknande cementen hade också lägre värmeledningsförmåga och god vattengenomsläpplighet. Teamet kunde ändra cementmaterialet till att vara antingen vattenavstötande eller vattenattraktivt via hydrofob eller hydrofil behandling, respektive. Den enkla och praktiska materialutvecklingsstrategin kopplad till den självhärdande naturen hos dess beståndsdelar kan avsevärt förbättra tids- och kostnadseffektiviteten för ismallstekniken för att forma hållbar betong med potential att översätta metoden till andra materialsystem.
© 2021 Science X Network
