Wetenschap
Vorming en 3D-architectuur van houtachtig cement. a) Schematische illustraties over de vormingsmicromechanismen van het houtachtige cement tijdens het invriezen, ontdooien, en uithardingsprocessen. b) XRT-volumeweergaven van het cement met ijstemplate geproduceerd uit cementachtige slurries met W/C-waarden van 0,4 en 1,3 met die van een Betula schmidtii-berkenhout ter vergelijking. De poriën in materialen zijn aangegeven met een blauwe kleur. FD en GD vertegenwoordigen de vriesrichting van ijs en groeirichting van hout, respectievelijk. Krediet:geavanceerde wetenschap, doi:10.1002/advs.202000096
De natuur biedt vaak veelbelovende inspiratie voor biomimetische kunstmatige materialen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap , Faheng Wang en een team van wetenschappers in geavanceerde materialen, engineering en wetenschap in China ontwikkelden nieuwe cementmaterialen op basis van unidirectionele poreuze architecturen om de ontwerpen van natuurlijk hout te repliceren. Het resulterende houtachtige cementmateriaal vertoonde een hogere sterkte bij gelijke dichtheden, naast multifunctionele eigenschappen voor effectieve thermische isolatie, waterdoorlatendheid en eenvoudige aanpassing voor waterafstoting. Het team bereikte tegelijkertijd een hoge sterkte en multifunctionaliteit om van het houtachtige cement een veelbelovend nieuw bouwmateriaal te maken voor hout-nabootsende ontwerpen met hoge prestaties. Ze presenteerden een eenvoudige fabricageprocedure om een betere efficiëntie tijdens massaproductie te bevorderen met toepassingen die geschikt zijn voor andere materiaalsystemen.
Ontwikkelen van bio-geïnspireerde houtachtige materialen
Poreuze materialen op cementbasis hebben een lage thermische geleidbaarheid voor warmte-isolatie, hoge geluidsabsorberende efficiëntie, uitstekende doorlaatbaarheid voor lucht en water, met behoud van lichtgewicht en brandwerendheid. Echter, het blijft nog steeds een belangrijke uitdaging om de gelijktijdige verbetering van zowel mechanische als multifunctionele eigenschappen te bereiken, inclusief mechanische ondersteuning, effectief transport en goede thermische isolatie. Het is daarom zeer wenselijk om materialen te genereren met verbeterde mechanische en multifunctionele eigenschappen om de ontwerpprincipes van natuurlijk hout actief te implementeren. Tijdens de experimenten, Wang et al. ontwikkeld houtachtig cement met unidirectionele poreuze architecturen gevormd via een bidirectionele bevriezingsbehandelingsmethode. Door het proces konden bruggen worden gevormd tussen de bestanddelen van de structuur, het team ontdooide vervolgens de volledig bevroren lichamen totdat het ijs geleidelijk smolt en het cement hard werd. Het daaropvolgende hydratatieproces produceerde nieuwe mineralen en gels in het cement, inclusief zeshoekig calciumhydroxide, naaldachtige ettringiet- en calciumsilicaat-hydraatgels. De fasen ontstonden voornamelijk bij de cementlamellen en groeiden naar hun onderlinge afstand tijdens het ontdooi- en uithardingsproces voor een betere structurele integriteit met verbeterde lamellenverbindingen tijdens de vorming van poreus cement. Met behulp van röntgentomografie (XRT), het team onthulde vervolgens de vorming van unidirectionele microporiën in het cement met ijstemplate.
Microstructurele kenmerken van houtachtig cement. a) SEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede van het cement met ijstemplate geproduceerd uit slurries met een W/C van 1,3. b-d) SEM-afbeeldingen van de onderlinge verbindingen tussen cementlamellen. b) Bruggen en kruispunten gevormd tijdens het bevriezingsproces, zoals aangegeven door de gele pijlen, samen met de minerale producten van hydratatiereacties van c) calciumhydroxide en d) ettringiet. e) Schematische weergave van de verschillende soorten onderlinge verbindingen en poriën in het cement met ijstemplate. De cirkels geven elementen A en L aan voor de formulering van sterkte met behulp van de equivalente elementenbenadering. f) Variaties in de totale porositeit Ptotal, open porositeit Popen, en interlamellaire porositeit Pinter in het cement met W/C in initiële cementachtige slurries. De gegevens in paneel (f) worden verkregen uit ten minste drie metingen voor elke set monsters en gepresenteerd in de vorm van gemiddelde ± standaarddeviatie. Krediet:geavanceerde wetenschap, doi:10.1002/advs.202000096
Wang et al. gebruikte scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden om de unidirectionele poriën tussen de lamellen in het cement met ijstemplate te onthullen dat een grote hoeveelheid onderlinge verbindingen omvatte die de lamellen overbrugden. Het team classificeerde de onderlinge verbindingen in drie typen:(1) bruggen en kruispunten gevormd door cementdeeltjes die tijdens het bevriezen in ijskristallen zijn verzwolgen, (2) zeshoekig calciumhydroxide, en (3) naaldachtig ettringiet. De laatstgenoemde mineralen waren het resultaat van hydratatiereacties van cement tijdens het ontdooi- en uithardingsproces. De cementlamellen bevatten overvloedige poriën die gevormd zijn tijdens het cementdroogproces als gevolg van de dehydratatie van gels en de verwijdering van water. De wetenschappers classificeerden de poriën in houtachtig cement in drie soorten, inclusief (1) interlamellaire open poriën, (2) intralamellaire open poriën en (3) intralamellaire gesloten poriën. De interlamellaire porositeit werd voornamelijk bepaald door het watergehalte, die een rol speelde als porievormend middel.
Mechanische eigenschappen van houtachtig cement. een, b) Representatieve drukspanning-rekcurves van het houtachtige cement gemaakt van slurries met verschillende W/C a) zonder en b) met SF-toevoegingen. C, d) Variaties in de c) faalspanning, d) energieabsorptiedichtheid, weergegeven met behulp van de oppervlakte onder spanning-rekcurve tot de piekspanning, en specifieke sterkte (inzet in paneel (d)) als functie van de totale porositeit Ptotal. De algemeen wisselende trends zijn voor de duidelijkheid aangegeven met de gestippelde curven. e) Afhankelijkheid van de druksterkte van de relatieve dichtheid in het houtachtige cement. f) Interpretatie van de sterkte volgens de equivalente elementenbenadering door rekening te houden met verschillende soorten poriën. De gegevens in panelen (c)-(f) worden verkregen uit ten minste drie metingen voor elke set monsters en gepresenteerd in de vorm van gemiddelde ± standaarddeviatie. Krediet:geavanceerde wetenschap, doi:10.1002/advs.202000096
Multifunctionele eigenschappen van houtachtig cement. a) Variaties in de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt van houtachtig cement bij het dwarsprofiel als functie van de nominale dichtheid. 0,4‐C geeft het cement aan dat gemaakt is van slurries met een W/C van 0,4 maar zonder ijstemplate-behandeling. Ter vergelijking worden ook de gegevens voor willekeurig opencellige poreuze cementmaterialen getoond.[35, 36] b) Infraroodbeelden van cement gemaakt van slurries met verschillende W/C-waarden van 0,4, 0,9, 1.6, en 2.4 geplaatst op een verwarmingsplaat van 100 °C. c) Afhankelijkheid van de waterdoorlatendheidscoëfficiënt in verticale richting van de totale porositeit Ptotaal in houtachtig cement. De opstelling die wordt gebruikt voor de meting van de waterdoorlatendheid wordt geïllustreerd in de inzet. d) Afbeeldingen en schematische illustraties die de waterdoorlatende en afstotende aard van het cement tonen voor en na de waterdichtingsbehandeling, samen met de capillaire aantrekking en afstoting van interne oppervlakken als gevolg van de hydrofiele en hydrofobe eigenschappen. De gegevens in panelen (a) en (c) worden verkregen uit ten minste drie metingen voor elke reeks monsters en gepresenteerd in de vorm van gemiddelde ± standaarddeviatie. De algemeen variërende trends zijn ter verduidelijking aangegeven met gestippelde curven. Krediet:geavanceerde wetenschap, doi:10.1002/advs.202000096
De mechanische en multifunctionele eigenschappen van het materiaal
Het team verkreeg representatieve drukspanning-rekcurves van het houtachtige cement met of zonder toevoeging van siliciumdampen aan de samenstelling ervan. De druksterkte nam monotoon af met de stijgende water/cementverhoudingen in de slurries die werden gebruikt om het materiaal te ontwikkelen, wat uiteindelijk leidde tot een verhoogde porositeit in het cement. Aangezien de faalspanning van het materiaal toenam met een verhoogde totale porositeit, de sterkte van poreuze vaste stoffen kan worden bepaald door de porositeit ervan. Het team heeft vervolgens de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt van ijs-template gemeten, houtachtig cement om afnemende thermische geleidbaarheid te vertonen met toenemende porositeit van het materiaal. Ze gebruikten ook infrarood (IR) beelden om de robuuste thermische isolatie-eigenschappen van het cementmateriaal met ijstemplate duidelijk waar te nemen. Om de thermische isolatie-efficiëntie te regelen, Wang et al. de vaste belasting in de cementgebonden slurries aangepast door het water/cementgehalte te verhogen. Het resulterende cementmateriaal absorbeerde water vanwege het hydrofiele (wateraantrekkelijke) karakter van de interne oppervlakken. In tegenstelling tot, ze kunnen voorkomen dat water de poriën binnendringt door de oppervlakken waterdicht te maken met een organosiliciummiddel; dergelijke inspanningen op hydrofobiciteit kunnen er zelfs voor zorgen dat het materiaal op water gaat drijven. De methode kan daarom schakelbare toepassingen vergemakkelijken als doorlatende of waterdichte constructies die geschikt zijn als bouwmaterialen.
Vergelijking van houtachtig cement met natuurlijk hout en andere poreuze cementmaterialen.[3-8, 31, 43, 53, 59-61] a) Druksterkte en dichtheid voor een breed scala aan poreuze materialen op cementbasis die de relatief hogere sterkten van het huidige houtachtige cement bij gelijke dichtheden laten zien. LAC:lichtgewicht aggregaatinhoud; OPC:gewoon Portlandcement; PF:polypropyleenvezel; PC:Portlandcement; CSA:betonslibaggregaat; S/C:verhouding zand-cement in gewicht. b) Schematische illustraties over de ontwerpstrategieën van natuurlijk hout en houtachtig cement bij het optimaliseren van hun mechanische en multifunctionele eigenschappen in verband met de unidirectionele poreuze architecturen. De sterkte- en dichtheidsgegevens van het huidige houtachtige cement in paneel (a) worden weergegeven in de vorm van gemiddelde ± standaarddeviatie. Krediet:geavanceerde wetenschap, doi:10.1002/advs.202000096
Vooruitzichten voor houtachtige cementmaterialen
Op deze manier, Faheng Wang en collega's presenteerden een ijssjabloontechniek als een haalbare benadering om unidirectionele microporiën te creëren voor toepassingen in keramiek, polymeren, metalen en hun composieten. De wetenschappers ontwikkelden een vriesdroogbehandelingsproces op basis van het zelfhardende gedrag van cement bij contact met hydratatiereacties. De resulterende houtachtige cementarchitectuur bevatte een verscheidenheid aan poriën in open of gesloten vormen en een overvloed aan onderlinge verbindingen die hun lamellen overbrugden. Toen de porositeit toenam, de sterkte van het cement nam af. Het houtachtige cement had ook een lagere thermische geleidbaarheid en een goede waterdoorlatendheid. Het team kan het cementmateriaal veranderen in waterafstotend of wateraantrekkelijk via een hydrofobe of hydrofiele behandeling, respectievelijk. De eenvoudige en praktische strategie voor materiaalontwikkeling, gekoppeld aan de zelfhardende aard van de bestanddelen ervan, kan de tijd- en kosteneffectiviteit van de ijsvormtechniek aanzienlijk verbeteren om duurzaam beton te vormen met het potentieel om de methode naar andere materiaalsystemen te vertalen.
© 2021 Science X Network
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com