优化水泥设计，挑战环境极限

材料牛注：水泥是最基础的建材，广泛应用于各种环境，如何优化设计才能在极端条件下正常工作？

水泥浆结构中有大量的水，其中大部分位于水泥的微小孔隙中，孔隙的尺寸大约是1nm。水泥的某些基础设施，如油井，在极端温度下水的状态发生变化，这又导致内应力的产生。科学家们对这种水的物理特性进行了表征，以便优化水泥设计。

作为最基础的建材，水泥必须适用于多种情况，包括由极端的温度、湿度、压力引起的物理或气象上的各种变化。温度浮动的范围在-80℃到几百摄氏度，前者可能是南极科学基地的温度，后者则是靠近热源或火的基础设施的温度。

这些温度或湿度的变化转换成物理过程，涉及到水泥浆中水的蒸发或冻结，导致水泥产生内应力或微裂纹。UPV/EHU凝聚态物理系的研究员，日本东北大学的一个研究小组的合作研究学者Hegoi Manzano谈到水泥孔隙中的水对这些现象的影响。他说，“水泥孔隙中的水是非常重要的，位于这些小空间内的水，占了很大比例，大约30%，所以在很大程度上决定了材料的最终性能。”

Manzano接着解释道，鉴于对尺寸为1nm左右孔隙内水的行为进行实验研究很复杂，研究人员采用分子模拟的方法，模拟组成水泥的原子之间的相互作用，来确定它们作为一个整体，性能是相互转化的。实验温度的范围是-170ºC到300ºC。

极端条件下的应力

研究小组观察到了模拟的结果，在两个极端的温度下“由于水的物理变化导致体积的显著变化，通过完全相反的实验，获得了同样的效果”。在高温下，水从孔隙中蒸发并消失。在上述情况，材料本身所承受的压力可能会导致孔隙的毛孔崩溃和微裂纹的产生，特别严重时可能会导致材料崩溃。

另一个极端情况，在极低的温度下，水冻结导致体积膨胀。Manzano强调说，在这种情况下值得注意的是，冷冻水位于狭小的空间内，所以不能自发形成冰。但它所经历的膨胀足以在水泥中产生应力，同样引起微裂纹。

Manzano总结道，从这项研究中提取的信息可以用来“修改用于极端温度环境下的基础设施的水泥配方。以石油公司为例，了解作用力和应力，将有机会在制造水泥时改变某些设计因素，如在水泥中加入添加防止油井的膨胀或崩溃，这将是研究成果的理想应用之处。”

原文链接：Cement design should take into account the water confined in the smallest pores。

文献链接：Temperature Dependence of Nanoconfined Water Properties: Application to Cementitious Materials。

本文由编辑部曾庆辉提供素材，刘万春编译，点我加入材料人编辑部。