Sci.Adv.：海胆自修复脊椎下的灵感——仿生学法制备弹性混凝土

【引言】

水化硅酸钙（C-S-H）是水泥水化产物的主要成分，作为混凝土建筑材料中的主要粘结剂，是目前世界上使用最多的人造材料。虽然C-S-H有着良好的抗压能力，但其弹性和抗折强度差。传统方法主要通过在混凝土中配置钢筋，在宏观上来抵消这种缺点。随着技术的进步，目前我们可以通过合成C-S-H与有机物的纳米复合材料，在C-S-H纳米层之间或之中掺入软物质，从而增强其弹性性能。然而，目前的研究中C-S-H纳米晶团聚现象严重，导致其力学性能下降。

【成果简介】

近日，康斯坦茨大学Helmut Cölfen（通讯作者）教授等人在海胆自我修复脊椎的启发下，通过自组装方法首次在溶液中合成三维有序的C-S-H介晶性的弹性混凝土。该研究以题为“Mesocrystalline calcium silicate hydrate: A bioinspired route toward elastic concrete materials” 发表于Science Advance。海胆的每个脊椎都是一块大方解石晶体，所有原子都是从脊椎的一端到另一端排列的。海胆一旦脊椎断裂，会立即生成一种包裹着碳酸钙分子的黏胶状物质，填充到脊椎受伤处硬化结晶，从而达到脊椎的修复。受这种生物的启发，研究人员通过调节pH值以及C-S-H与有机聚合物（PVP-PAA）之间的比例，改善C-S-H团聚现象，C-S-H晶体与有机聚合物复合体形成一种无机-有机交错排列的层状结构的材料，类似于珍珠层的结构，这种材料结合了C-S-H晶体的硬度和有机聚合物的弹性的优点。

【图文导读】

图1 C-S-H的TEM分析图

(A) 掺杂有机聚合物，在pH= 12时，C-S-H晶体在胶体中稳定存在；

(B) 不掺杂有机聚合物的情况下，C-S-H晶体大量团聚；

（根据文献调研，假定C-S-H纳米板尺寸为60305 nm³）。

图2 C-S-H介晶性复合材料的POM和SEM图

（A-C） 采用方法一制备的C-S-H介晶性复合材料（方法一：在已制备的C-S-H凝胶pH=12的溶液中，用NaOH调节溶液pH值至12.8，得到晶体沉淀洗涤干燥）；

（D-F） 采用方法二制备的C-S-H介晶性复合材料（方法二：将PVP-PAA有机聚合物加入到Na₂SiO₃中，用NaOH调节溶液pH=13，搅拌混合物直至获得澄清溶液，然后加入CaCl₂，得到晶体沉淀洗涤干燥）；

（A/D/E） POM图表明这种复合材料在几百微米尺度上存在长程有序性；

（B/C/F） SEM显示了在层状结构中分散的C-S-H晶体的排列结构，同时表明C-S-H超结构材料在微米尺度上没有明显的孔隙（会促进裂纹扩展）。

图三 由方法一制备的C-S-H介晶性复合材料的TEM图

(A) C-S-H晶体选取电子衍射图，显示了C-S-H晶体单晶散射行为，表明C-S-H纳米晶片在三维空间上排列整齐；

(B) 在边缘处单分散的C-S-H晶体，由于C-S-H和有机聚合物各自独立，但却可以发生单晶散射，因此制备的材料是介晶性的复合材料。

图四 FIB检测C-S-H介晶性复合材料构件的抗折性与弹性性能

(A-F)  在SEM下构件弯曲试验的动态过程，证实了这种材料制备的构件具有一定的弹性和抗折性能。

【小结】

本文通过仿生学法首次合成C-S-H介晶性复合材料，其弹性和抗折强度优于目前已知的C-S-H的材料，体现了C-S-H纳米晶与有机聚合物复合的介晶性材料的优势。该研究在纳米尺度上极大增强了胶凝材料的弹性和抗折强度，为未来建筑材料的研究提供了新思路。

文献链接：Mesocrystalline calcium silicate hydrate: A bioinspired route toward elastic concrete materials（Sci. Adv., 2017 , DOI: 10.1126/sciadv.1701216）

本文由材料人编辑部杨椰榕编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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