Учёные решили главную загадку структуры бетона
Учёные-материаловеды, наконец, определились, является ли застывший бетон непрерывной структурой,- такой, как, например, металлы или камни,- или же спрессованной группой мелких частиц. Этот вопрос, несмотря на долгое и обильное использование этого строительного материала, длительное время оставался без ответа. Оказалось, что бетон сочетает в себе признаки обеих структур.
Вопросами внутренней структуры материала занимается раздел физики конденсированных сред под названием «мезоскопическая физика». В ней рассматриваются свойства систем на масштабах, промежуточных между макроскопическим и микроскопическим — то есть, лежащих между размерами отдельных атомов и такими, на которых прекращаются квантовые эффекты.
Бетон,- смесь воды, гравия, цемента и песка,- исследовала международная команда из Массачусетского технологического, Университета Джорджтауна, французского Национального центра научных исследований и других заведений. Учёные уверяют, что их открытия касательно структуры бетона позволят инженерам создавать более эффективные материалы, как с точки зрения прочности, так и с точки зрения уменьшения выброса парниковых газов при изготовлении. Это очень важно, поскольку в мире используется столько бетона, что его производство является одним из самых главных факторов выброса парниковых газов.
Оказалось, что в бетоне мелкие частички распределяются таким образом, что между несколькими более крупными всегда есть более мелкие. Один из авторов исследования, Роланд Пеленк [Roland Pellenq], поясняет, что эти мелкие частицы очень плотно взаимодействуют между собой на мезоскопических масштабах. При этом частицы не настолько мелки, чтобы достигать состояния с минимальной энергией — из-за этого материал подвержен изменениям, и со временем может крошиться или трескаться.
Определение влияния размера пор, находящихся на мезоскопических масштабах, на свойства материала до этого момента не проводилось. А именно наличие пор таких размеров и определяет свойства материала и подверженность его деградации. В частности, выяснилось, что растрескивание бетона происходит не из-за того, что в эти поры проникает вода, которая затем замерзает при отрицательных температурах.
Новые компьютерные симуляции свойств готового материала позволяют точно настраивать пропорции компонентов, необходимые для получения более качественного результата. Например, слишком малое количество воды сделает раствор недостаточно жидким для заливки, а слишком большое — оставит после её испарения большие пустоты в готовом материале.
