Почему бетон разрушается на холоде: атомная анатомия таумасита

Бетон принято считать символом прочности и надежности. Однако даже этот, казалось бы, вечный материал имеет слабые места. Международная группа ученых из НИУ ВШЭ, МФТИ и французского IMT Atlantique показала, что один из самых опасных сценариев разрушения бетонных конструкций — так называемая таумаситовая коррозия — управляется тонкими атомными процессами, в которых неожиданно важную роль играют квантовые эффекты.

Исследователи провели масштабное компьютерное моделирование редкого минерала таумасита — соединения, способного при низких температурах буквально превращать твердый бетон в рыхлую, не несущую нагрузку массу. Впервые для его изучения была применена комбинация классической молекулярной динамики и квантовых методов. Такой подход позволил «заглянуть» в атомную структуру минерала и подробно рассмотреть, что происходит на границе между кристаллом таумасита и водой в нанопорах цементного камня. Именно эта тончайшая межфазная область определяет, как минерал зарождается, растет и в итоге разрушает бетон. Результаты работы опубликованы в журнале Cement and Concrete Research.

Одна из самых серьезных угроз для бетонных сооружений — сульфатная коррозия. При контакте цемента с сульфатами, содержащимися в грунтовых водах, запускаются химические реакции, меняющие структуру материала. В холодных условиях, при температурах около 0–5 градусов Цельсия, этот процесс часто приводит к образованию таумасита. Его появление особенно опасно для фундаментов, туннелей и мостов, находящихся в постоянном контакте с влажной почвой.
Несмотря на практическую значимость проблемы, детальные механизмы образования и растворения таумасита долго оставались неясными. Экспериментальные методы не всегда позволяют изучить процессы, происходящие на границе кристалла и воды, на атомном уровне. Именно здесь на помощь приходит вычислительное моделирование.

Таумасит интересен не только инженерам, но и кристаллографам. Это один из редких минералов, существующих при нормальных условиях, в котором атомы кремния окружены шестью атомами кислорода. Обычно кремний образует тетраэдры, связываясь лишь с четырьмя соседями. Октаэдрическая координация встречается в силикатах крайне редко — как правило, при экстремальных давлениях и температурах, характерных для глубин земной мантии.
«Таумасит — уникальный пример минерала, где такая экзотическая координация кремния реализуется при обычных температуре и давлении. Это делает его исключительно интересным с фундаментальной точки зрения», — отмечает Андрей Калиничев, профессор IMT Atlantique.

Особое внимание ученые уделили системе водородных связей внутри кристалла. Молекулы воды и гидроксильные группы образуют сложную сеть взаимодействий с карбонатными и сульфатными ионами, определяя стабильность структуры и динамику протонов. Для корректного описания этих процессов исследователи использовали модифицированное силовое поле, а ядерные квантовые эффекты учли с помощью метода интегралов по траекториям.

Результаты оказались неожиданными. Выяснилось, что квантовая делокализация протонов приводит к ослаблению водородных связей внутри кристалла таумасита. Это означает, что структура минерала более подвижна и менее стабильна, чем предсказывают классические модели.

«В системах с участием водорода классическая физика часто дает сбой. Наши расчеты показали, что учет квантовых эффектов принципиально меняет картину стабильности таумасита», — поясняет Евгений Тарарушкин, старший научный сотрудник Международной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа НИУ ВШЭ и основной автор работы.

Сравнение таумасита с его «родственником» — эттрингитом, еще одним продуктом гидратации цемента, — выявило важные различия. В эттрингите сеть водородных связей оказалась более плотной и прочной, что делает его устойчивее к воздействию воды. У таумасита же взаимодействие с водой значительно интенсивнее.

Моделирование поверхностей кристаллов показало, что межфазная энергия на границе таумасит—вода отрицательна. Это означает, что вода легко смачивает и разрушает поверхность минерала. Для эттрингита картина противоположная: положительная межфазная энергия делает его менее уязвимым. Именно эта разница объясняет, почему таумасит так эффективно разрушает бетон.

Еще одно важное открытие связано с механизмом эпитаксиального роста. Оказалось, что кристаллическая решетка таумасита почти идеально совпадает с поверхностью эттрингита. Это позволяет таумаситу «садиться» на уже существующие кристаллы эттрингита и расти на них, ускоряя деградацию цементного камня.

«Мы смогли смоделировать стабильную границу раздела между этими двумя минералами и показать, что эттрингит может служить затравкой для роста таумасита», — рассказывает Николай Кондратюк, исполнительный директор Центра вычислительной физики МФТИ.

Особенность работы заключается в сочетании методов разного уровня сложности — от эмпирических потенциалов до расчетов на основе теории функционала плотности. Это позволило одновременно рассматривать большие системы из тысяч атомов и учитывать тонкие квантовые эффекты. Полученные данные о термодинамике и взаимодействии таумасита с водой важны для уточнения моделей долговечности бетона.

В перспективе эти результаты помогут инженерам и химикам-технологам разрабатывать новые составы цемента, устойчивые к сульфатной коррозии в холодном климате. Понимание того, какие атомные процессы запускают превращение прочного материала в рыхлую массу, открывает путь к поиску способов остановить этот процесс.

В дальнейшем исследователи планируют расширить применение квантовых методов для моделирования границ раздела минерал—раствор и изучить переходные стадии образования таумасита. Суперкомпьютерное моделирование уже сегодня показывает: там, где эксперимент видит лишь последствия, вычислительная физика позволяет проследить движение каждого атома — и тем самым понять, как защитить бетон от его скрытого врага.

Источник: Скрытая угроза в фундаменте: суперкомпьютеры раскрыли особенности атомарной структуры «убийцы бетона» — За науку