Synergistic enhancement of grinding efficiency, hydration kinetics, and mechanical properties of Portland cement by ethaline

混凝土是现代世界的无声支柱，这种材料如此普遍，以至于我们很少停下来思考它是如何制造的。其核心是波特兰水泥，这是一种通过在大型工业磨机中粉碎岩石和矿物而成的细粉。这种粉末是关键成分，当它与水混合时，会硬化成为我们提供遮蔽并承载城市的结构。然而，从原始岩石到成品水泥的过程是高能耗的，并且会产生大量的热量。当粉末研磨得太粗时，其反应缓慢且不均匀；而当在没有辅助的情况下将其研磨得太细时，该过程又会浪费大量的电力。此外，一旦加入水，将混合物转化为石头的化学反应会释放热量。如果这种热量积累过快，可能会导致混凝土在凝固之前就产生裂缝，从而削弱最终的结构。几十年来，工程师们一直在寻找让这一过程更顺畅、更快且更高效的方法，通常使用化学添加剂来引导反应。

孟买 HSNC 大学的一个研究小组现在探索了一条新路径，转向一类被称为深共晶溶剂的液体。这些不是过去那种具有腐蚀性的强酸，而是通过结合两种常见的安全成分而形成的温和混合物：一种源自胆碱（一种存在于许多食物中的营养物质）的盐，以及一种常用于防冻剂的乙二醇。当它们按特定比例混合并加热时，这两种液体会形成一种新的、稳定的流体，其性质与单一成分都不同。研究人员 Kuldeep Rajpurohit、Ashok Pandey 和 Hemlata Bagla 决定测试这种被他们命名为“ethaline”的绿色流体是否可以作为水泥的有效引导剂。他们的目标是观察在研磨过程和混合过程中添加微量这种液体，是否可以改善水泥的制造方式、流动性以及强度。

研究始于制备 ethaline 混合物并理解其基本行为。研究人员发现，这种液体流动平稳且可预测，就像水一样，但其粘度会随温度变化。随着温度升高，液体变得更稀薄，流动更顺畅。这一特性至关重要，因为这意味着液体可以快速扩散并均匀地涂覆在水泥颗粒上，即使在研磨机剧烈的热量和摩擦环境下也是如此。为了证实这两种成分确实已经结合成了一种新物质，团队使用了一种测量光线穿过材料时振动情况的技术。结果显示，分子确实通过被称为氢键的无形力量连接在一起，创造出了一种不同于单独盐和乙二醇的独特结构。

准备好液体后，团队进入了水泥磨机环节。他们将普通的波特兰水泥放入球磨机（一种利用沉重钢球破碎岩石的机器）中进行研磨，并添加不同量的 ethaline 液体，以观察其对过程的影响。在没有任何添加剂的情况下，水泥颗粒倾向于聚集成团，使其难以破碎。然而，当研究人员加入 ethaline 时，颗粒保持了分离状态。这种液体起到了屏蔽作用，防止了细小的水泥颗粒重新粘连在一起。这使得研磨机的工作效率更高。在测试的最高剂量（即占水泥重量的百分之二）下，所得粉末达到了研究记录中的最高布莱恩细度（Blaine fineness），尽管机器使用的能量完全相同。更细的粉末意味着暴露在水中的表面积更大，这是创造更强最终产品的第一步。

研磨完水泥后，研究人员将其与水和砂混合制成砂浆，测试这种液体如何影响材料从倾倒到硬化的整个行为。他们发现，ethaline 使湿润的砂浆流动得更容易，在测试台上铺展得更远，而无需增加额外的水。这种改进的流动性对于建筑至关重要，因为它允许工人将材料放置在狭窄的空间中，并将其塑造成复杂的形状，而不会过快变硬。液体还适度减缓了凝固过程。在较高剂量下，水泥开始硬化的时间从约 170 分钟延长到了近 200 分钟。这种延迟为工人提供了更长的窗口期，以便在混凝土变得过于僵硬而无法操作之前进行搅拌、运输和精加工。

或许最重要的一点是，ethaline 改变了水泥的化学反应方式。当水泥硬化时，会释放热量。如果热量释放过快，会导致混凝土内部开裂。研究人员测量了随时间产生的热量，发现 ethaline 将释放的总热量减少了高达百分之十一。这种更缓慢、更受控的能量释放表明，化学反应正在以一种更有序的方式进行。当他们在强力显微镜下观察硬化的水泥时，差异清晰可见。未经处理的对照组样本显示出某种程度的松散结构，带有间隙和微小裂缝。相比之下，使用了适量 ethale 的样本看起来要致密得多，也更紧凑，颗粒排列紧密，孔隙更少。这种更紧密的结构是材料变得更强的物理原因。

强度测试证实，这种更致密的结构转化为了实际的性能表现。研究人员测试了不同龄期（从三天到两个月）的硬化砂浆立方体。在一点五摄氏度的最佳剂量下，水泥在 28 天后的抗压强度达到了 62 兆帕，相比于未经处理的对照组所达到的 56 兆帕有了显著提升。此外，材料对拉伸力的抵抗力也增强了，这是衡量耐久性的关键指标。然而，研究揭示了一个关键的平衡点：添加过多的液体（具体为百分之二）实际上降低了强度。虽然较高的剂量产生了最高的布莱恩细度，但它使化学反应变得过于缓慢，导致材料无法有效地硬化。这一发现强调了目标不仅仅是让粉末尽可能细，而是要找到一个精确的添加量，以平衡研磨效率与水泥的化学需求。

Rajpurohit 及其同事的工作证明，一种简单的绿色液体可以成为改进世界上最重要的建筑材料之一的强大工具。通过减少研磨水泥所需的能量、改善其流动性、减缓凝固时间以防止裂缝，并最终使最终结构更强壮，ethaline 提供了一种多功能的解决方案。这项研究表明，这种方法不需要复杂的机械或奇异的化学品，而是需要对这些分子如何与水泥相互作用进行仔细理解。虽然本研究侧重于特定类型的水泥和特定的添加剂，但其结果为一种新的思考水泥添加剂的方式打开了大门——即从使用严苛的化学品转向使用可持续的、可调控的、可以定制以实现更好性能的液体。研究结果表明，只要有合适的绿色溶剂，未来的混凝土可以制造得更高效、更持久、更坚固。