水泥在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，混凝土的制備離不開水泥。隨著可持續(xù)建設(shè)和綠色建筑的興起，水泥在減少建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境影響方面發(fā)揮著重要作用，它為建筑提供了堅固的基礎(chǔ)，支持著城市和社會的發(fā)展。

圖1 水泥的應(yīng)用

傳統(tǒng)水泥是一種主要由石灰石、黏土等礦石經(jīng)過熟煉制得的膠凝材料，常稱為普通硅酸鹽水泥。萊斯大學(xué)的科學(xué)家們研究和理解了水泥在動力學(xué)（即物質(zhì)在時間和空間上的運(yùn)動和變化）方面的行為和性質(zhì)，并開發(fā)了一種方法，可以“編程”其中微觀的半晶粒子，"半晶粒子"（semicrystalline particles）是指具有部分晶體結(jié)構(gòu)和部分非晶體結(jié)構(gòu)的微觀顆粒。晶體結(jié)構(gòu)是有序排列的，而非晶體結(jié)構(gòu)則是無序的。半晶粒子的結(jié)構(gòu)介于這兩者之間，其中一部分顆粒呈現(xiàn)有序排列，而另一部分則呈現(xiàn)無序排列。這項新研究之所以稱為"可編程水泥"，是因為其成功地探索了控制水泥動力學(xué)特性的方法，能夠使水泥形成特定形狀的微觀結(jié)構(gòu)。這個過程將水泥中微觀尺度下無序的顆粒轉(zhuǎn)化為有序的立方體、球體和其他形狀，與單個非立方體對照顆粒相比，單個立方體顆粒的硬度和剛度值分別提高了 650% 和 300%。因此，以這些形狀為“種子”可以自下而上制造更強(qiáng)、更耐久的混凝土。

為什么說將無序變得有序是制造“可編程”水泥關(guān)鍵呢？因為，混凝土的強(qiáng)度和耐久性與水泥中的晶體排列和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過調(diào)整水泥的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，可以增強(qiáng)混凝土的性能。

圖2：微觀尺度的立方體水泥微觀顆粒

圖片來源：萊斯大學(xué)多尺度材料實驗室

萊斯大學(xué)的材料科學(xué)家Rouzbeh Shahsavari以及他的研究團(tuán)隊通過大量實驗，成功地解析了混凝土中起到粘合作用的鈣硅酸鹽水化物（Calcium-Silicate-Hydrate,C-S-H）微觀級別的結(jié)晶過程，該過程也被稱為"形態(tài)發(fā)生"。

C-S-H是水化產(chǎn)物，是水泥顆粒與水反應(yīng)后形成的凝膠狀物質(zhì)；而混凝土中的顆粒是指混凝土中的骨料顆粒，包括粗骨料和細(xì)骨料，是混凝土的主要構(gòu)成部分之一。C-S-H是混凝土中的一種組成，它填充了顆粒間的孔隙，使得顆粒之間更牢固地連接在一起?；炷恋膹?qiáng)度和穩(wěn)定性在很大程度上取決于C-S-H的含量及性質(zhì)。

Shahsavari等人首次合成了各種形狀的C-S-H顆粒，包括立方體、長方體、樹枝狀、核殼結(jié)構(gòu)和菱形顆粒，并將它們映射到一個統(tǒng)一的形態(tài)學(xué)圖表中，以供希望從底層設(shè)計混凝土的制造商和建筑師使用。C-S-H的基本構(gòu)建塊是鏈狀聚合物，由硅酸四面體和鈣離子構(gòu)成。這些鏈狀聚合物在水泥水化過程中形成，起到連接和包裹水泥中的顆粒的作用。C-S-H基本構(gòu)建塊的形狀和大小可以影響水泥膠凝體系的力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整水泥的成分和水化條件，可以控制C-S-H基本構(gòu)建塊的形成過程，從而調(diào)整水泥的性能和應(yīng)用特性。如何調(diào)整水泥中C-S-H的基本構(gòu)建塊形狀、大小，從而使這些構(gòu)建塊能夠自動組裝成微觀結(jié)構(gòu)呢？

雖然研究人員在C-S-H家族的晶體成員(包括硅灰石、硅鈣石)的形狀控制方面取得了顯著進(jìn)展，但對于無定形或結(jié)晶性差的晶體成員在形狀控制方面進(jìn)展尚有限，且之前用于在C-S-H中創(chuàng)建有序晶體的技術(shù)通常需要高溫或高壓條件、有機(jī)前體（有機(jī)化合物作為起始材料）和較長的反應(yīng)時間，尚無既高效又環(huán)保的技術(shù)。萊斯大學(xué)的實驗室采用了一種新的方法。他們通過向C-S-H中添加少量正離子或負(fù)離子表面活性劑和硅酸鈣，并將混合物暴露在二氧化碳和超聲波下，成功地創(chuàng)造出了形狀規(guī)則的立方體和矩形晶體。這些晶體種子在表面活性劑微膠囊（表面活性劑膠囊是一種微小的膠囊，其外表面包裹著表面活性劑。這些膠囊通常由聚合物、脂質(zhì)或其他合適的材料制成。表面活性劑是一類具有親水性（親水）和疏水性（疏水）區(qū)域的化合物，能夠在液體中降低表面張力。這種性質(zhì)使得表面活性劑在形成膠囊結(jié)構(gòu)時可以包裹一些物質(zhì)，同時保持在液體中的懸浮狀態(tài)）聚集區(qū)域的周圍形成，此過程僅需不到25分鐘。一旦方解石（方解石是一種常見的礦物，其化學(xué)式為CaCO?，即碳酸鈣。它通常呈白色、無色或淡色，并在自然界中廣泛分布。）“種子”形成，它們會啟動周圍的分子自組裝成體積更大的立方體、球體或其他形狀。這些新的形狀可以在混凝土中更緊密地堆放，因此相較于傳統(tǒng)的無定形顆粒，提高了混凝土的密度和性能。通過仔細(xì)調(diào)節(jié)反應(yīng)中的前體濃度、溫度和持續(xù)時間，可以改變最終形成的顆粒的產(chǎn)量、大小和形狀。

這一過程實現(xiàn)了所謂的“編程”，并且此方法有望用于制備更堅固和高性能的混凝土，同時實現(xiàn)了混凝土的可定制化設(shè)計，使其更符合工程需求，減少浪費(fèi)，提高性能，同時降低了對資源的過度依賴，從而更具環(huán)保性。

圖3：a-c立方結(jié)構(gòu)的C-S-H掃描電子顯微鏡圖像

圖4：排列有序的C-S-H 掃描電子顯微鏡圖像

《混凝土與水泥制品行業(yè)“十四五”發(fā)展指南》提出了11個基礎(chǔ)科研重點(diǎn)方向,旨在推動混凝土材料的性能和可持續(xù)性的提升，通過理論和技術(shù)創(chuàng)新解決混凝土領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。其中研究方向之一為開發(fā)水泥各組分水化熱力學(xué)和及其對水泥水化動力學(xué)調(diào)控機(jī)理，建立水泥、外加劑和性能調(diào)節(jié)型礦物摻合料組分優(yōu)化設(shè)計理論，實現(xiàn)對混凝土工作性、強(qiáng)度發(fā)展、抗裂和耐久性等性能的協(xié)同優(yōu)化。

使用“可編程”水泥有助于提高建筑和基礎(chǔ)設(shè)施工程的可靠性和可持續(xù)性。通過深入研究水泥的動力學(xué)行為和采用先進(jìn)的材料設(shè)計方法，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。這種可編程性使得我們能夠優(yōu)化混凝土的性能，解決混凝土領(lǐng)域一直以來的難題，如裂縫的形成、抗風(fēng)化性能、以及耐久性等方面的挑戰(zhàn)。

“可編程”水泥的引入意味著我們可以根據(jù)具體工程需求調(diào)整水泥的成分和結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)更高的抗壓強(qiáng)度、更低的滲透性以及更長久的使用壽命。這種精準(zhǔn)的材料設(shè)計不僅有助于提高建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，還有助于減少對資源的依賴，從而推動混凝土領(lǐng)域向更為可持續(xù)的方向發(fā)展。

“可編程”水泥的革新性貢獻(xiàn)在于為建筑和基礎(chǔ)設(shè)施工程提供了更靈活、可定制的材料選擇。通過實現(xiàn)混凝土性能的定制化，我們能夠更好地適應(yīng)不同氣候和環(huán)境條件，從而減輕維護(hù)和修復(fù)的成本，提高整體工程的可靠性和可持續(xù)性。這一技術(shù)創(chuàng)新將推動混凝土領(lǐng)域邁向更加智能、綠色和高效的未來。