纳米技术混凝土能够减少二氧化碳的排放

    美国麻省理工学院（MIT）的研究人员近日决定研究纳米结构的混凝土，而混凝土是世界上应用最广的材料。而混凝土的最主要原料－水泥在其生产过程中，每年排出的二氧化碳的量占到全球总的5％～10％，对全球气候变暖产生的影响的非常大。

     在美国《力学与固体物理》中，MIT的研究人员发表了论文称混凝土强度和耐久性的根源在于纳米粒子的构成，这个发现可以对通过改进生产工艺以减少二氧化碳的排放具有重要的影响。

     该文的主要作者说，MIT土木与环境学院教授Franz-Josef Ulm说：“利用纳米科技对混凝土传统材料，如水泥进行研究能够得到一些意想不到的发现。他暗指自己的研究是在探索纳米材料的基因码。

     目前全世界每年生产水泥23.5亿吨，生产的混凝土可供每人消费一立方。如果全世界的水泥工业能够减少10%的二氧化碳排放量，那么全球将能较少5.2%的二氧化碳排放量。

     Ulm教授与Georgios Constantinide（一位材料科学与工程的博士后）研究了纳米结构的水泥后，发现当达到纳米级后，水泥粒子是呈现最紧密堆积状态的，排列形状就像很多橙子堆积起来的金字塔。

     水泥是最古老的建筑材料之一，早在罗马帝国时期就开始应用。水泥的生产是将石灰石和集料磨碎成粉末，然后在水泥窑内煅烧至高温（大约1500℃），然后再粉磨。当水泥与水混合的时候，水泥粒子在煅烧时候储存的能量便会释放出来，形成水化硅酸钙凝胶（C-S-H）。在微观结构中，C-S-H凝胶作用主要体现为胶结砂石等集料，从而生成混凝土。而二氧化碳的排放主要是在水泥煅烧过程中产生的。

     Ulm和Constantinides收集了全世界各地的水泥样品，使用纳米检测设备对硬化水泥浆体进行观察。通过原子力显微镜观测混凝土的结构，通过原子探针来判定水泥浆体中不同相对强度的影响，这种检测方法只用于同相材料，而从未应用在像水泥这样的多相材料中。

     结果出乎意料，研究发现全世界各地的水泥C-S-H凝胶无一例外地全部表现出独特的纳米行为，它们称之为材料的基因码，暨当达到纳米级别的时候，水泥浆体乃至混凝土的强度，并不是来自于某一种特殊的矿物，而是决定于矿物的组织形式。

     C-S-H凝胶（大小在5纳米左右）有两种堆积密度。一种是随机堆积时的密度，另外一种是按照几何方式堆积时的密度，就像垒金字塔一样。对于球形物体，这两种堆积方式具有最大的密度分别63％和74％（占满空间的体积百分比）。换句话而言，MIT的研究表明水泥材料在纳米级别也是按照这种在宏观情况下来排列的。

     Constantinides先生说：“建筑业非常讲究实验数据，但是对于水泥颗粒的物理与结构性能理解不深。现在纳米材料的监测设备在全世界已经开始普及。在20世纪90年代，全世界只有4～5台这样的设备，但是现在MIT自己就有5台纳米检测的仪器。

     如果研究者能够发现或者找到一种不同的矿物来生产水泥，而这种矿物能够达到传统水泥的密度而不要求高的煅烧温度的话，那么肯定能够将全世界每年的排放量减少10%以上。

     Ulm教授说，相关的研究工作已经开始进行，估计至少要持续5年以上。目前，科研人员看好用镁的矿物材料来取代水泥中对强度起最主要作用的钙。

     Ulm教授组建了一直由物理、材料和原子核等方面的专家所组成的研究组来进行原子模拟，对混凝土－这种无处不在的材料进行深入的结构研究。

     这项研究部分由拉法基（Lafarge）集团赞助。