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建材今昔:混凝土與石墨烯 40
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    02/2017

    文:經理(成本及監控)張宇翔

     

    混凝土──從幾千年前起就已經是主要的建築材料。它主要由水泥、水、粒料(通常是碎石、沉積岩或是一些粒子較細的添加物,如沙粒)及一些化學添加劑組成。不過,混凝土的成分可因應不同情況而改變,古時甚至會加入血液(可提高混凝土的抗凍性)、毛髮(可減少混凝土斷裂)或火山灰(可加快混凝土凝固硬化)等。一般相信,古羅馬時代已有人利用火山灰混合石灰、砂製成天然混凝土(羅馬人已能做出高質素的液化混凝土,能媲美現今的波特蘭水泥);更有證據顯示馬其頓人於公元前1,200至1,400年在興建邁錫尼皇宮時就建造了混凝土地板,比羅馬人還早了三個世紀。

     

    混凝土擁有很高的抗壓度,但卻經不起拉扯;相反,鋼材在這兩方面都較混凝土出色,因此集兩者之大成的鋼筋混凝土──在混凝土中加入鋼筋、鋼筋網、鋼板或纖維而構成的一種組合材料就成為現代建築界的重要建材。只是,生產鋼筋及混凝土的過程是帶來温室效應的主要「元兇」,現時全球每人年均生產2.3立方碼混凝土,這足以產生相等於每年工業二氧化碳排放量的10%。

     

    雖然混凝土已被廣泛用於建築達2,000年,但多年來大家仍未能完全掌握其結構和特性,令人難以置信。直至2016年,來自美國麻省理工學院(MIT)混凝土可持續發展中心的科學家才解開了混凝土結構的神秘面紗。研究指出,混凝土的結構其實是由一組具連續性、有規律的基體及一些不規律、散亂的粒子所組合。在了解其結構後,科學家希望可以透過改變及簡化其微細結構以減少添加劑組成強化混凝土;另一方面,由於波特蘭水泥(混凝土的主要成分)的製造過程會產生大量二氧化碳,科學家亦嘗試在了解水泥結構後,尋找其他天然替代品,從而減低使用混凝土的碳足跡。

     

    與此同時,美國麻省理工學院(MIT)的另一科學團隊亦研發了另一項全世界最輕、硬度最強的物料──三維(3D)石墨烯。其實石墨烯早在15年前已經面世,它是一種又薄又堅硬的納米材料,當時已被譽為世界最堅硬物料,但由於太薄,一般只能保持在二維(2D)形態,物料難以用於現實中的三維事物(如汽車、大樓和儀器等)。終於,MIT的科學團隊在2017年初成功將2D的石墨烯薄片原材料造成3D的結構,而且物料的密度僅為鋼材的5%,其強度卻是鋼的10倍。要造出如此神奇的物料,科學團隊首先分析了石墨烯二維形態的原子結構,然後編寫出非常接近原結構的數學框架,並透過電腦精密計算設計出有關電腦模型。之後,團隊把電腦模型透過3D列印方法打印出一組海綿狀的3D模型,並對模型進行了擠壓和拉伸測試,實驗結果證實與計算結果相符。其實海綿狀多孔結構在相同體積下,可以做到更多的表面積、更結實,但同時更輕。也許3D石墨烯是未來的設計或建築的理想建築材料。

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