優化水泥設計，挑戰環境極限

材料牛注：水泥是最基礎的建材，廣泛應用于各種環境，如何優化設計才能在極端條件下正常工作？

水泥漿結構中有大量的水，其中大部分位于水泥的微小孔隙中，孔隙的尺寸大約是1nm。水泥的某些基礎設施，如油井，在極端溫度下水的狀態發生變化，這又導致內應力的產生。科學家們對這種水的物理特性進行了表征，以便優化水泥設計。

作為最基礎的建材，水泥必須適用于多種情況，包括由極端的溫度、濕度、壓力引起的物理或氣象上的各種變化。溫度浮動的范圍在-80℃到幾百攝氏度，前者可能是南極科學基地的溫度，后者則是靠近熱源或火的基礎設施的溫度。

這些溫度或濕度的變化轉換成物理過程，涉及到水泥漿中水的蒸發或凍結，導致水泥產生內應力或微裂紋。UPV/EHU凝聚態物理系的研究員，日本東北大學的一個研究小組的合作研究學者Hegoi Manzano談到水泥孔隙中的水對這些現象的影響。他說，“水泥孔隙中的水是非常重要的，位于這些小空間內的水，占了很大比例，大約30%，所以在很大程度上決定了材料的最終性能。”

Manzano接著解釋道，鑒于對尺寸為1nm左右孔隙內水的行為進行實驗研究很復雜，研究人員采用分子模擬的方法，模擬組成水泥的原子之間的相互作用，來確定它們作為一個整體，性能是相互轉化的。實驗溫度的范圍是-170oC到300oC。

極端條件下的應力

研究小組觀察到了模擬的結果，在兩個極端的溫度下“由于水的物理變化導致體積的顯著變化，通過完全相反的實驗，獲得了同樣的效果”。在高溫下，水從孔隙中蒸發并消失。在上述情況，材料本身所承受的壓力可能會導致孔隙的毛孔崩潰和微裂紋的產生，特別嚴重時可能會導致材料崩潰。

另一個極端情況，在極低的溫度下，水凍結導致體積膨脹。Manzano強調說，在這種情況下值得注意的是，冷凍水位于狹小的空間內，所以不能自發形成冰。但它所經歷的膨脹足以在水泥中產生應力，同樣引起微裂紋。

Manzano總結道，從這項研究中提取的信息可以用來“修改用于極端溫度環境下的基礎設施的水泥配方。以石油公司為例，了解作用力和應力，將有機會在制造水泥時改變某些設計因素，如在水泥中加入添加防止油井的膨脹或崩潰，這將是研究成果的理想應用之處。”

原文鏈接：Cement design should take into account the water confined in the smallest pores。

文獻鏈接：Temperature Dependence of Nanoconfined Water Properties: Application to Cementitious Materials。

本文由編輯部曾慶輝提供素材，劉萬春編譯，點我加入材料人編輯部。