Новые области применения цемента и бетона
"Эта технология может быть идеальной для лучистых напольных покрытий внутри помещений", - говорит Николас Чанут, соавтор соответствующей исследовательской работы и постдоктор в MIT CSHub. "Обычно подогрев помещения осуществляется путем циркуляции нагретой воды в трубах, которые проходят под полом. Но эта система может быть сложной в строительстве и обслуживании". Однако, когда сам цемент становится нагревательным элементом, система отопления становится более простой в установке и более надежной. Кроме того, цемент обеспечивает более равномерное распределение тепла за счет очень хорошей дисперсии наночастиц в материале". Напряжение до 5 вольт повысило температуру поверхности их образцов (примерно 5 см3) до 100 градусов по Фаренгейту.
Самонагревающийся бетон можно использовать не только для обогрева пола внутри помещений, но и для обогрева бетонных покрытий, которые подвержены повреждениям от солей антиобледенения. "В Северной Америке мы видим много снега. Чтобы убрать этот снег с наших дорог, необходимо использовать антиобледенительные соли, которые могут повредить бетон и загрязнить грунтовые воды", - отмечает Солиман. Тяжелые грузовики, используемые для засоления дорог, также являются и тяжелыми эмиттерами, и дорогими в эксплуатации.
Согласно пресс-релизу:
Обеспечивая лучистое отопление тротуаров, наноуглеродный цемент может использоваться для антиобледенительного покрытия без дорожной соли, что потенциально может сэкономить миллионы долларов на ремонтных и эксплуатационных расходах при одновременном устранении проблем безопасности и охраны окружающей среды. В некоторых случаях, когда сохранение исключительных дорожных условий имеет первостепенное значение, например, на взлетно-посадочных полосах аэропортов, эта технология может оказаться особенно выгодной.
Проводка и извитость
Достижение многофункциональности создавало множество технических проблем. Например, без способа выравнивания наночастиц в функционирующую цепь - так называемую объемную проводку - внутри цемента их проводимость была бы невозможна. Для создания идеальной объемной проводки исследователи исследовали свойство, известное как извилистость.
"Извилистость - это понятие, которое мы ввели по аналогии из области диффузии", - говорит Франц-Йозеф Ульм, руководитель и соавтор статьи, профессор кафедры гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института (MIT), а также консультант факультета в CSHub. "В прошлом она описывала, как ионы текут. В этой работе мы используем его для описания потока электронов через объемный провод".
Ульм объясняет извилистость на примере автомобиля, движущегося между двумя точками города. В то время как расстояние между этими двумя точками по мере того, как ворон летит, может составлять 2 мили, фактическое расстояние, пройденное автомобилем, может быть больше из-за циркуляции улиц.
То же самое относится и к электронам, проходящим через цемент. Путь, который они должны пройти внутри образца, всегда длиннее, чем длина самого образца. Степень, до которой этот путь длиннее, является извилистостью. Достижение оптимальной извилистости означает уравновешивание количества и дисперсии углерода. Если углерод рассеялся слишком сильно, объемная проводка станет разреженной, что приведет к высокой извитости. Аналогичным образом, без достаточного количества углерода в образце, извитость будет слишком велика, чтобы сформировать прямую, эффективную проводку с высокой проводимостью.
Оптимизация смесей
Даже добавление большого количества углерода может оказаться контрпродуктивным. В какой-то момент проводимость перестанет улучшаться и, теоретически, только увеличит затраты, если будет реализована в масштабе. В результате этих хитросплетений они стремились оптимизировать свою смесь. "Мы обнаружили, что, точно настраивая объем углерода, мы можем достичь величины извилистости 2", - говорит Ульм. "Это означает, что путь, который проходят электроны, только в два раза больше длины образца."
Количественная оценка таких свойств была жизненно важна для Ульма и его коллег. Цель их недавней работы заключалась не только в том, чтобы доказать, что многофункциональный цемент возможен, но и в том, чтобы он был пригоден для массового производства.
"Ключевым моментом является то, что для того, чтобы инженер мог подобрать вещи, ему нужна количественная модель", - объясняет Ульм. "Прежде чем смешивать материалы вместе, вы хотите иметь возможность ожидать определенных повторяющихся свойств". Это именно то, что изложено в данной работе; это отделяет то, что обусловлено граничными условиями - [посторонними] условиями окружающей среды - от того, что на самом деле обусловлено фундаментальными механизмами внутри материала".
Изолируя и количественно оценивая эти механизмы, Солиман, Чанут и Ульм надеются предоставить инженерам именно то, что им необходимо для реализации многофункционального цемента в более широком масштабе. Путь, который они наметили, многообещающий - и, благодаря их работе, не должен оказаться слишком извилистым. Исследования были поддержаны через Узел устойчивого развития бетона Ассоциацией Портлендского цемента и Образовательным фондом "Готовый смешанный бетон".